西门子6ES7232-0HD22-0XA0销售

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简述了激光-电弧复合焊接的优势和焊接工艺特点，介绍了激光-MIG复合焊接系统的设计方案和技术难点的解决方法，通过功能试验表明了该复合焊接控制系统的性和焊接参数输出的适应性，后针对汽车钢圈的焊接工件进行了复合焊接的生产应用，显示了激光-电弧复合焊接应用在加工工业的广泛性和有效性（高功率激光器由中科院福建物质结构研究所研制）。关键词：激光-电弧复合焊接；自动化焊接；焊缝自动跟踪；焊接参数输出控制；PLC  

1    概    述   

      激光-电弧复合热源焊接将两种工作机理不同的焊接方式复合在一起，通过两者的相互作用形成一种全新的热源，在同一工件上完成焊接过程。激光-电弧复合焊既发挥了激光焊接速度高、线能量低、焊缝热影响区小的优势，又利用电弧焊接热作用区大、桥接性好、无反射散射的特点弥激光焊接在这些方面的不足。   

      经过多年的探索研究，激光-电弧复合焊接技术产生了CO2激光、YAG激光、二管激光与TIG焊、MIG焊、MAG 焊、等离子弧等不同热源以旁轴或同轴等方式进行复合焊接的技术。各种复合形式都有各自的优势和特点，所以对不同焊接工件有一定的针对性[1-2]。   

      因这种复合焊接具有熔缝深、速度快、效、稳定性强、焊缝适应性强、的特点，一经提出便受到业内的广泛关注。随着复合焊接技术研究的日渐深入, 在汽车、航天、船舶制造业及石油管道领域中已得到广泛应用。但目前，我国对这项新兴焊接技术的研究仍处于实验室阶段，相对于德国、日本等发达国家还有一定的差距[3]。

       作为自动焊接机的，其控制系统已逐渐向智能化方向发展，主要表现在焊接过程的编程控制、数据保存编辑及图形显示等方面功能，同时还要具有焊缝跟踪和焊接过程参数控制以实现自动焊接。为实现高速的复合焊接工艺，智能化的激光-MIG 电弧复合焊接系统的研制和开发显得尤为必要。

2    系统设计方案  

       焊接系统由复合焊接设备和三维伺服平台机构两部分组成。如图1所示, 在复合焊接设备方面，主要包括控制器、激光发生器、数控MIG电弧焊机、送丝伺服系统、保护气、侧吹气、冷却装置，以及激光焊头和MIG焊组成的旁轴复合焊头等。由于激光-MIG 复合焊接对焊件接头的装配精度要求不是十分苛刻，因此设计焊缝、激光在线检测装置，也使整个系统设计的技术复杂度降低了。

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     同样，焊接参数输出控制也可分为在线和离线两种输出方式：在线参数输出控制通过不间断采样、校正参数输出值实现焊接参数的即时调整，主要用于工艺参数的示教学习；离线参数输出控制则可以根据焊缝不同区段的具体数据信息及焊接参数经验值来确定各焊接参数的取值，相对于在线输出控制，离线输出具有硬件结构简单控制算法易实现的特点。   

      因此，整个控制系统设计通过采用示教-再现方式实现焊缝的自动跟踪, 通过焊缝多区段划分方法实现焊接参数的可编程控制和实时调整。

2.1    硬件组成   

      系统的硬件主要由控制器、焊缝跟踪伺服平台、人机交互设备、复合焊接设备四部分组成。如图3所示。

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     综合考虑几种工业常用控制器，PLC比工业PC机体积小且抗干扰性好, 同时比单片机稳定、集成度高且开发，因此系统选用PLC作为控制器。这样，不仅能够满足焊机控制的需求，还能适应现场的恶劣环境，缩减开发周期和成本。  

      焊缝跟踪伺服平台由三维伺服平台和随转伺服平台组成。为适应焊头的三维伺服，在焊缝伺服传动的Y轴采用单台电机的丝杠驱动，X轴和Z轴采用双电机双丝杠同时并行驱动方式，且Z轴方向的两条滚珠丝杠设有自锁装置，从而提高了机构运行的平稳和性。随转伺服平台则用来调整控制MIG焊与激光焊头的旁轴复合角度。   

      人机交互设备包含触摸屏和手控盒两部分。触摸屏用来操作人员的参数设置和指令发送窗口，为方便进行焊缝示教和拟合插补曲线的可视化操作，触屏还具备二维图形显示功能。手控盒的作用是实现焊缝示教操作、参数在线调整及紧急停止触发。  

       在复合焊接设备中，激光焊头将保护气、侧吹气吹口及水循环装置等集成一体，降低了激光焊头的复杂程度和体积，便于与MIG焊进行复合。  

        激光-MIG复合热源智能焊接系统样机如图4所示。

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2.2    示教-再现的焊缝跟踪  

       作为焊头行走轨迹的信息来源，示教-再现功能模块在系统中具有十分重要的作用。   

       其实现方法是：根据操作人员采集到的焊缝特征点坐标信息，按照焊缝曲线类型对其进行拟合，从而生成逼近焊缝的行走轨迹。在样点示教再现过程中，示教效率和插补再现精度取决于采用的轨迹拟合和插值算法，当算法确定后，弯曲焊缝的示教/再现误差主要是由样点个数和插补步长决定。   

       对于空间复杂弯曲焊缝而言，利用直线或圆弧曲线插补都存在示教样点数据量大、示教时间长的缺点。样条曲线具有较好的曲线表征能力，因此寻找一种通过型值的点样条曲线示教算法则可以达到示教样点少，示教效的目的。

       与一般的三次样条函数相比，B3 样条曲线采用参数方程形式，有着优良的曲线平滑性和良好的局部形状可控性，具备复杂平面和空间任意曲线的样点示教能力[4]。

       B3样条曲线是将i到i+1点间曲线段的参数Xi(t)分为三部分，其中每一部分都有一个三次函数形式。其表达式为：         Xi(t)=Pi-1·h(t+1)+Pi·h(t)+Pi+1                ·h(t-1)+Pi+2·h(t-2)         0≤t≤1                                

（1）其中h(t)是B3样条的核函数，Pi是i个示教点。h(t)由六部分组成，分别为：        h1(t)  0≤t≤1/3，h2(t)  1/3≤t≤2/3        h3(t)  2/3≤t≤1，h4(t)  1≤t≤4/3        h5(t)  4/3≤t≤5/3，h6(t)  5/3≤t≤2 且h(t)≡0当｜t｜>2时，hi(t)=hi(-t),i=1, 2,3……,6根据B3样条曲线的连续性、光滑性和小条件，得h(t) 函数表达式如下： h1(t)=(756t3-1116t2+424)/424       

（2） h2(t)=(567t3-927t2-63t+431)/424  

（3） h3(t)=(351t3-495t2-351t+495)/424  

（4） h4(t)=(-159t3+1035t2-1881t+1005)/424  

（5） h5(t)=(-645t3+2979t2-4473t+2157)/424

（6） h6(t)=(246t3-1476t2+2952t-1968)/424  

（7） B3样条核函数曲线见图5。  

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     实际应用时对B3样条多采用等步长查表法来完成，但因步长不变，插补过程中有大量的过渡插补运算和运动控制，运算量大效率低。    

     为此，提出了一种插补精度可控、步长可变的快速查表算法。为简化运算可预先计算出核函数h(t)在各内点处的值，并存放于表1中。其中，内点的个数及插补步长依据二分法由插补精度控制。

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     这种查表算法分段考虑，逻辑简单，对于设定的精度条件，插补效、运算次数少、占用系统时间少。

2.3    多区段划分控制工艺参数输出    

     工件材料、焊缝形状以及工艺参数均影响着工件的焊接质量，其中工艺参数的输出控制起到了决定性的作用。在激光-MIG复合焊接中，工艺参数包括激光功率、电弧电压、送丝速度、焊接速度等。   

      焊接参数的多区段控制法，就是将焊缝特征相近或变化趋势相近的部分划分为一个焊接区段，并以焊进入该段焊缝时的行走长度以及离开该段焊缝时的行走长度值作为区段划分的起点和终点位置。每个区段对应一套适当的焊接工艺参数，将其预先存储在控制器中，焊接时以焊的行走长度为判断依据，触发各区段焊接参数的输出。区段参数可以通过实时的示教学习得到。 2.3.1    脉冲型参数输出的实现   

      脉冲焊接是一种采用脉动的激光功率、电弧电压、电流以及脉动的送丝速度进行的MIG电弧焊接方法，具有抑制对母材的热输入、改善熔池冶金性能、气孔等优势。通过设置脉冲周期、占空比、基值和峰值大小, 调节焊接参数输出，以脉冲送丝参数为例，控制波形如图6所示。

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     根据各区段的焊缝工艺特点，系统实时调整脉冲波形以控制送丝参数输出。其他参数的脉动控制实现算法与其相同。

2.3.2    区段参数渐变输出的实现  

     对焊缝特征渐变的加工情况，单采用多区段划分的方法也难以满足工艺要求。控制系统通过采用区段间焊接参数的直线插补算法进行平滑过渡的输出控制，以满足此时的工艺要求。以激光功率为例，其实现算法如图7所示。

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     参数渐变输出实质上是基于参数上一区段和下一区段的设定值及渐变区间长度，采用直线插补的方式计算当前控制量的输出值。  

      如图7中二区段控制量的插补输出，焊头当前行走长度为Sc时，对应的控制量输出Pc的表达式为：

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     其中Sa、Sb分别表示、二区段的终止长度，Pa、Pb分别表示二区段和三区段设定的控制量值。   

      其他参数的渐变实现算法与其相同。

3    试验研究

3.1    焊接控制算法验证试验   

      通过设计一系列焊接试验来检验焊接控制和伺服控制的功能要求。通过空间焊缝焊接多区段焊接测试，检测了系统的示教操作、焊头伺服、区段划分、参数输出，以及复合焊工艺顺序控制流程的正确性；通过“S”形焊缝和空间弯曲焊缝焊接试验，验证了空间B3样条的拟合插补算法和MIG 焊绕激光焊头的随转控制的准确性和实时性；通过分段焊接实验，验证了电弧的中止、再次起弧控制，区段参数输出，焊头高度偏移的实现等。测试效果见图8。其插补误差<0.04mm, 伺服定位误差<0.04mm。

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     试验中，通过对智能控制复合焊接系统实行分布式节点监控，可以对焊机的激光器状态、机床状态、MIG 焊状态、多路保护气状态等多项状态进行监控，所有状态分两级处理，一级状态有处理权。智能焊接专机以20ms的间隔对各状态进行查询, 并对异常情况采取保护措施、报警以及相应处理，同时进行信息存储、故障写入系统日志。

3.2    复合焊接工艺参数试验比较   

      单采用激光进行拼板焊接，激光焊头的准直－聚焦系统为f150mm~ f250mm，焦点光斑直径为Ф0.6mm，聚焦焦点位于工件表面±1mm，激光功率输出2kW。在此情况下焊接2mm低碳钢板，其大的焊接速度可以达到3m/min以上；焊接厚度4mm低碳钢板, 焊接速度可以达到1.4m/min，见图9。

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     通过对两组工件焊接的对比分析可知，在保证焊接质量的前提下，复合焊接方式比采用单一热源进行焊接速度有大幅提高。

4    工程生产应用试验   

      基于开发样机，利用专机平台对汽车钢圈进行为期11天的工况环境激光-MIG复合焊接实验，前后共焊接400 个汽车钢圈，运行期间焊接专机工作正常。其焊接效果如图11所示。

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      通过随时调整焊接的工艺参数，获得要求的焊缝形状及结构，电弧部分通过焊丝增加焊缝桥接能力，降低焊接装配要求，而激光增加熔深, 两者复合后，工艺加稳定，进一步提高了焊接质量和生产效率。  

      智能控制激光-电弧复合焊接系统在汽车制造业中的应用并不于汽车钢圈焊接方面。由于两者热源能量的协同优化作用，使其在原本对激光焊接前装配要求很严格或焊接性能达不到所需的部位得以广泛应用。生产应用试验表明激光-电弧复合焊接在汽车制造业中可以有效地减少设备成本投入，缩短生产周期，大地提高生产力[5]。

5    结束语

5.1   采用新型的PLC控制器，设计了一套、硬件结构相对简单的激光-电弧复合焊接系统。

5.2   通过采用B3样条曲线的示教、拟合、插补算法，实现对复杂弯曲焊缝的示教跟踪。

5.3   对焊缝整体进行区段划分，实现了多区段的不同工艺参数控制，增强了对加工对象的适应能力。

5.4  样机试验表明控制系统运行稳定、，激光-电弧复合焊接具有焊缝深、桥接性好、效、速度快、热变形小的优点。

5.5   以汽车钢圈焊接为例，试验结果表明该系统具备在实际工业中应用的性，具有较高的实际工程意义

    当然，提高UV光固化，它并是一个陌生的字眼。因为UV光固化是一种十分的、可取代热空气干燥机和其他干燥技术的固化技术，它在印刷和包装加工工业已经得到广泛应用。

    UV光固化技术的优点

    UV固化技术开始体现的一个主要优点是UV固化系统初期的资金投入较少，与热空气干燥设备的投资相比，UV固化系统在设备投资方面可以节约80%的资金。UV光固化的其他优点是提高了生产效率，改善了印品质量，使印品多样化。另外，的优点当属UV光固化不会在印刷车间和周围环境排放VOCs(挥发物)。

    UV光固化系统的维修和操作简单，这也是UV光固化的一个优点。UV光固化系统属于技术，一开始使用的时候可能会感到UV光固化系统的维修和控制有些复杂。然而实际情况，一套UV固化系统的操作和维修是简单的，停机时间优化到少，UV光固化系统的维护容易，操作简单。

    维护好UV系统的关键是出一个预防性的维护计划，并按照该计划来维护UV光固化系统。这意味需要经常检查UV光固化系统，包括从上到下的检查工作。检查事项包括UV灯泡、灯罩和反射镜衬垫，以及检查继电器、电容器和其他电子部件等。  UV系统的维护

    UV灯泡是任何一套UV系统的。正确维护和拿放UV灯泡，不仅可以增加UV灯泡的使用寿命，而且还能够保证UV灯泡在大发光强度状态下工作。每周要进行一次UV灯泡的检查，主要是查找有无下列不良征兆：

    ·UV灯泡末端发生膨胀

    ·UV灯泡末端发生卷曲

    ·UV灯泡末端发白

    ·灰尘、废屑沉积在石英玻璃之上

    ·UV灯泡的末端发墨

    若出现项中之一项，说明UV系统需要进行空气调节或水调节(UV固化系统的冷却不正确)。

    别外，UV灯泡拿放正确也是必要的。不应该手拿UV灯泡的玻璃本身，而是只能拿住陶瓷末端，或者戴非麻布手套。皮肤上的油脂会黏附在石英玻璃之上，过一会之后，在热量的作用下，油脂会燃烧UV灯管。无论何时需要接触到UV灯泡，接触之后可以用一种醇类清洗溶剂擦洗UV灯泡就可以除去灯泡上的油脂。

    UV灯罩本身也需要每周一次的清洗和检查。要仔细检查UV光屏敝装置，在保证空气能够流进UV光固化系统的同时要确保没有多余的UV光发生泄漏。进气滤镜应保持洁净状态，没有灰尘和废屑停留在其表面之上。若在UV光固化过程中用到了石英板，那么应该对石英板进行周期性的清洗，以保证透射UV光的性质仍然有效。

    一个良好的UV灯罩应采用空气滤镜和阀门工作机制，这样能够使UV光固化系统有效性和性可达到大。滤镜应该干净无尘，这样气流才不会受到限制。

    UV反射镜的检查和维护是另外一个简单的方法来保证UV光固化系统发挥大效率。对于印刷和印后加工应用来说，UV反射镜主要是用来聚焦，以及使待固化干燥印品处于大UV光的照射之下。由于到达印品表面75%的UV光是反射UV光，所以保持衬垫的洁净很重要，当反射镜镜面的罩面漆减少时要立刻换。

    UV供电装置形状、大小和结构配置有很多。大多数供电装置的变压器都带有继电器和电容器，目的是控制电源输出。UV光固化系统生产厂提供的电源输出技术越，UV光固化系统的供电方式就能够提供无限的可变输出。配有HMI的PLC可提供一个图形界面，使之能够控制和跟踪UV光固化系统的工作。   注意事项

    当你购买一套UV光固化系统的时候，要考虑下面的几个因素：

    ·你厂的维修人员能否轻松地应对电子部件?

    ·变压器是否兼容?

    ·电箱能否冷却，以及它是不是有大量的过滤空气?

    购买一套UV光固化系统之前考虑到上述问题，可以节约时间和。

    上述提到的使用、维护UV光固化系统的工作步骤听起来有些费事，但是它们确实是节约时间的好办法。每周腾出一个小时的时间去做一些预防性维修工作，记录下维修日志，印刷人员和印后加工人员就能够令他们的UV光固化系统处于工作状态，将设备的大维修和停机时间减少到少。为了便于排除故障、操作和维护UV光固化系统，UV光固化系统生产厂家会提供一个控制平台，该平台能够给用户全电脑操作控制。

    在印刷和印后加工行业，印刷机停机时间是不可避免的。当UV光固化将为印刷和印后加工提高生产效率、改进印刷产品质量和实现印刷服务多样化时，预防性维护措施是一个避免印刷机在不适当时机停机的简单方法。在购买UV光固化系统之前，要记住系统的维修特点要符合UV光固化系统的标准，这样你公司的印停机时间将减少到少。

    1、啤酒灌装机酒缸液位控制算法设计

    随着可编程控制器运行速度的不断提高，运行功能的不断加强，智能模块的不断增加，它已可以用来完成啤酒包装过程的闭环控制。在设计PID调节功能时要尽量根据原有控制系统可编程序控制器（即已经用于阀开启、灌装阀控制等控制要求的可编程控制器）的性能，充分利用其模块可以扩充的功能，兼顾系统的其它控制需要，在增加投入小的情况下实现液位的控制，以得到大的性能价格比。若原有可编程控制器带有PID功能模块（如西门子公司的S7一200系列PLC），则在硬件上只需扩展一块模拟量模块，在软件上，只需一条指令即可完成。若原有可编程控制器没有这种特殊智能功能（如欧姆龙公司的CZOOH），则可以通过软硬件结合（主要通过软件）的方式来实现。

    目前，生产的PLC基本上都带有PID调节模块功能，这就大大方便了工程人员的设计，可以缩短调试周期。PID调节就是在连续的过程控制中综合利用用P、I、D三种调节方式输出与输入的偏差，达到控制目的。

    比例部分的作用是误差函数的放大，即和误差函数成比例，随着误差函数的存在而存在；当误差函数消失后对输出的作用也立即消失。对输出影响的大小取决于比例放大系数K。及误差函数e。积分部分对输出的作用是与误差函数的大小与作用时间之乘积成比例，因此作用的时间越长其作用的影响也越大。

    误差函数消失，但它的作用并不消失，只是作用的增长消失，作用增长的快慢既取决于误差的大小，也取决于系统参数所决定的文章来源华夏酒报K，与T值，可以比例调节的静态误差；微分部分的调节作用是比例于误差的变化率，因此当误差处于一个稳定状态，即使有误差存在，它对系统输出亦无影响；其次它对输出的影响是反作用的，即反对误差的变化，作用之大小是随误差变化的快慢与系统参数K，与Td有关，它的作用是减小调，使偏差尽快于萌芽之中。为了在可编程控制器上实现该控制算法，将方程离散化，利用数学中的差分原理将方程离散化。

    2、啤酒发酵控制系统硬件设计

    随着可编程控制器智能化的发展，各种控制算法的相对完善，现在的可编程控制器基本上都带有PID模块功能。其内置的PID模块一般是通过软件固化而实现的，也有的PID模块是通过硬件实现的。不管采用哪种可编程控制器，其控制原理和工作过程基本上是一致的，都有模拟量输入模块和模拟量输出模块。其硬件部分包括一台能扩充模拟量输入输出模块的，具有连网通讯功能的可编程控制器（CPU芯片、输入转摘于华夏酒报·中业网输出电路、内存及电源）、一个模拟量输入单元和一个模拟量输出单元，开关量输入和开关量输出可以利用可编程控制器的基本单元上的输入、输出位。

   3、啤酒发酵控制系统软件设计

    利用可编程控制实现生产过程的闭环控制，和其它控制方式一样，应参加用户程序的巡回扫描，在采样参数后按照PID运算规律予以处理，并将有关输出以实现控制作用。

    4、PID液位闭环控制的及参数整定

    PID控制算式的参数整定主要是确定采样周期、KP、Ki、K。的取值，在PID调节过程中，系统的参数K1、Kd的取值直接影响到控制效果的好坏，PID控制算式的参数主要取决于被控对象的特性以及对控制系统动态与静态性能的要求。

    在自动控制理论中，PID控制参数的整定方法很多，常见的整定方法有试凑法、阶跃曲线法等,但这些参数整定方法耗时较长。随着计算机技术的发展，各种软件的应用，为PID参数的整定提供了方便。利用动态软件MATLAB的SIMUbbbb模块技术可以对系统的情况进行，并通过对结果的观察，找准控制的结果,得到各控制参数的值，即完成系统参数的整定工作。

    利用控制系统软件MATLAB中的SIMUbbbb提供的子模块及在其环境下编写S函数的方法。可得出系统的控制模型。

    在该系统模块创建过程中，定该全自动灌装压盖机酒缸的液位设定值为250mm，该系统的其它控制参数处于正常的情况下。该控制系统由三大部分组成，即PID调节模块（采用了传统PID的调节方式，参考SIMUbbbb工具包中的P功模块设置而成）、一个VALVE模块（用来给定闭环比例阀的预开口量，包含了一些内部比较信息）、一个系统被控对象的传递函数模块（包含了该系统特有的信息，也是液位P功控制过程设计的所在）。

    在设计过程中，采用了变步长的方法，范围是0—10秒。通过示波器可观察到控制器输出的波形，也可将数据存储到MATLAB的工作空间work印ace中，再利用绘图命令plot画出输出曲线，是对某种型号全自动灌装压盖机酒缸液位用PID调节液位的所得到的曲线。（Kp=10，K=0.5，Kd=3）

    由输出曲线可以看出系统在很短的时间内就趋于稳定，因此采用PID调节来控制全自动灌装压盖机酒缸的液位是切实可行的。本文应用做TLAB软件设计啤酒灌装机酒缸液位的P功控制，其结果还可以表明：采用MATLAB软件的S工MUbbbb设计可以取代繁琐的反复实验和整定，缩短设计周期、提高设计精度。这对于提高啤酒灌装机的灌装精度，保啤酒自动包装生产线的平稳运行具有深远的意义。

    5、结论

    采用PID控制液位的方法有利于在啤酒包装生产线控制管理系统上直接用组态的方式，利用组态软件提供的PID模块，将现场I/O站上采集的液位实时数据传递给上位机监控系统，并加以控制，有利于实现整个啤酒包装生产线的集散控制