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摘 要：依据自动焊接设备机械结构设计要求，对设备功能和动作进行分析，根据其特点对电气自动化控制进行设计。选择合适的硬件模块和电子元器件，编写可靠的软件程序；设计自动焊接设备和激光发生器的通讯接口连接方式，确保自动焊接设备能安全、稳定、可靠控制激光发生器进行金属零件的焊接。最终实现自动将两个“L型”金属材料焊接成一个“口型”零件的功能，并应用于实际工业生产。
关键词：可编程控制器；伺服控制系统；激光器；焊接；
中图分类号： TM571.2 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-04-00285-02
引言
金属零件激光焊接工艺是将工控技术和激光焊接技术相结合，完成对不同材质、厚度、形状的金属进行焊接。由于应用广泛，使得焊接设备通用性大大降低，应用于液晶显示领域中的焊接设备更是少之又少。目前只有台湾、日本和国内少数自动化厂家研制并开发出自动激光焊接专用设备。台湾立意公司采用三菱伺服控制系统，台湾孟晋公司采用德国库卡机器人，都掌握设计开发自动焊接设备，与激光器结合完成金属零件批量焊接的技术。只是高额的设备采购费用和低利润产品，不得不让有一定研发能力的厂家进行激光焊接设备的开发设计和生产制造。
相对一百多万元人民币的进口专用设备，自制自动激光焊接设备材料成本只有二十万元，采用双伺服控制系统完成对激光器焊接加工头的固定、调整和焊接功能，采用步进电机控制移送机械手运送金属零件。为方便焊接工艺调整，还加入压料，电磁铁吸料、手动调整等功能，使自行设计的设备自动完成金属零件焊接成为可能，并且焊接质量和焊接效率都可以达到工业生产要求。
自动激光焊接设备的功能是自动将两个“L型”金属料片焊接成“口”料片，为下一冲压工序做准备，其目的在于提高原材料的利用率。原有冲压工艺过程中会产生中间废料，材料利用率只有30%左右；增加自动焊接设备和焊接工艺后，没有中间废料产生，材料利用率提高到75%以上。
一、机械结构总体方案设计
自动激光焊接设备机械结构主要由积料架、移送机械手、治具板、激光焊接头移送机构以及机架五个部分组成，如图1所示。积料架是将两组“L”型金属料堆叠起来，实现将料片逐步向上移送的功能；移送机械手主要由两组带有真空吸盘的手臂组成，通过一个步进电机和一个气缸完成将料片依次移送到焊接治具板上，并将焊接好的零件从治具板移出的功能；治具板主要功能是完成两个“L”型料片的精确定位；治具板上方的激光焊接头移送机构在两组伺服电机的驱动下带动依次发出激光的焊接头匀速运动，完成金屬零件的焊接功能。
二、电气控制系统总体方案设计
电气控制系统设计必须考虑到机械系统结构特点和一些特定功能，如激光焊接头移送区必须采用精度较高的伺服电机进行传动，而移送机械手采用步进电机和气缸传动即可，同时还要考虑设备成本、维修难易程度、工作效率等多方面因素。根据该设备特点，设计出电气控制系统方案如图2所示。
可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是电气控制系统的核心。它的主要功能是获得输入端口开关、按钮等信号，经过软件处理，将输出信号传输给外部中间继电器，从而驱动气缸电磁阀、电磁铁、真空发生器、步进电机等外部负载，实现焊接金属零件的功能。PLC还和两个脉冲发生器通讯，再加上两台伺服驱动器、伺服电机以及外部传感器组成了一个闭环控制系统，确保伺服电机按照程序精确定位，使激光焊接头匀速运动，达到最佳焊接效果。
为了和激光发生器进行控制通讯，PLC还通过一个小型PLC和激光器的并行输入输出接口通讯。其主要目的是，发出焊接指令的同时，得到激光器发出的反馈信号，确保激光器可以按照自动激光焊接设备的要求发出激光，最终来实现对金属原材料的焊接功能。
（一）电源设计。由于选用三菱伺服电机，输出电源需要三相交流220V电源，因此配备一个功率为1kW三相380V变220V变压器专供伺服控制系统使用。为了防止人身触电，控制回路均采用低压直流24V电源，同时控制电源还采用双直流24V电源供电系统。中间继电器、PLC外部传感器、触摸屏都由直流开关电源供电；外部负载，如电磁阀、真空发生器、电吸铁等，其驱动电流稍大，且容易出现外部短路故障，因此采用全桥整流电源。可见双直流24V电源供给使得精密元器件稳定工作的同时，还可以防止外部负载对其干扰的影响。
（二）伺服控制系统设计。伺服控制系统由PLC、脉冲发生器（FX2n-1PG）、伺服驱动器（MR-J2S-40A）和伺服电机（HC-KFS43）组成。脉冲发生器就是根据PLC的指令将正转或反转脉冲发送给伺服驱动器，同时接收伺服驱动器收到伺服电机编码器的反馈信号，从而确定伺服电机是否按照PLC发出的指令正常工作。
硬件配置完成后，还要根据需求对伺服驱动器参数进行必要的设置。首先确定脉冲指令单位，该系统选用滚珠丝杠给进量为5mm。在程序中对脉冲发生器定义：伺服电机转一圈激光加工头移动的距离是5000um；伺服电机转一圈所需的脉冲数量为4096（2的n次方，且最接近5000），因此脉冲指令单位就是5000/4096（即伺服驱动器每发出一个脉冲，激光焊接头前进5000/4096um）。
其次计算电子齿轮比：电子齿轮比分为分母（CMX）和分子（CDV）两项参数设置，其设定范围为：1/50 计算电子齿轮比计算公式：
关键词：可编程控制器；伺服控制系统；激光器；焊接；
中图分类号： TM571.2 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-04-00285-02
引言
金属零件激光焊接工艺是将工控技术和激光焊接技术相结合，完成对不同材质、厚度、形状的金属进行焊接。由于应用广泛，使得焊接设备通用性大大降低，应用于液晶显示领域中的焊接设备更是少之又少。目前只有台湾、日本和国内少数自动化厂家研制并开发出自动激光焊接专用设备。台湾立意公司采用三菱伺服控制系统，台湾孟晋公司采用德国库卡机器人，都掌握设计开发自动焊接设备，与激光器结合完成金属零件批量焊接的技术。只是高额的设备采购费用和低利润产品，不得不让有一定研发能力的厂家进行激光焊接设备的开发设计和生产制造。
相对一百多万元人民币的进口专用设备，自制自动激光焊接设备材料成本只有二十万元，采用双伺服控制系统完成对激光器焊接加工头的固定、调整和焊接功能，采用步进电机控制移送机械手运送金属零件。为方便焊接工艺调整，还加入压料，电磁铁吸料、手动调整等功能，使自行设计的设备自动完成金属零件焊接成为可能，并且焊接质量和焊接效率都可以达到工业生产要求。
自动激光焊接设备的功能是自动将两个“L型”金属料片焊接成“口”料片，为下一冲压工序做准备，其目的在于提高原材料的利用率。原有冲压工艺过程中会产生中间废料，材料利用率只有30%左右；增加自动焊接设备和焊接工艺后，没有中间废料产生，材料利用率提高到75%以上。
一、机械结构总体方案设计
自动激光焊接设备机械结构主要由积料架、移送机械手、治具板、激光焊接头移送机构以及机架五个部分组成，如图1所示。积料架是将两组“L”型金属料堆叠起来，实现将料片逐步向上移送的功能；移送机械手主要由两组带有真空吸盘的手臂组成，通过一个步进电机和一个气缸完成将料片依次移送到焊接治具板上，并将焊接好的零件从治具板移出的功能；治具板主要功能是完成两个“L”型料片的精确定位；治具板上方的激光焊接头移送机构在两组伺服电机的驱动下带动依次发出激光的焊接头匀速运动，完成金屬零件的焊接功能。
二、电气控制系统总体方案设计
电气控制系统设计必须考虑到机械系统结构特点和一些特定功能，如激光焊接头移送区必须采用精度较高的伺服电机进行传动，而移送机械手采用步进电机和气缸传动即可，同时还要考虑设备成本、维修难易程度、工作效率等多方面因素。根据该设备特点，设计出电气控制系统方案如图2所示。
可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是电气控制系统的核心。它的主要功能是获得输入端口开关、按钮等信号，经过软件处理，将输出信号传输给外部中间继电器，从而驱动气缸电磁阀、电磁铁、真空发生器、步进电机等外部负载，实现焊接金属零件的功能。PLC还和两个脉冲发生器通讯，再加上两台伺服驱动器、伺服电机以及外部传感器组成了一个闭环控制系统，确保伺服电机按照程序精确定位，使激光焊接头匀速运动，达到最佳焊接效果。
为了和激光发生器进行控制通讯，PLC还通过一个小型PLC和激光器的并行输入输出接口通讯。其主要目的是，发出焊接指令的同时，得到激光器发出的反馈信号，确保激光器可以按照自动激光焊接设备的要求发出激光，最终来实现对金属原材料的焊接功能。
（一）电源设计。由于选用三菱伺服电机，输出电源需要三相交流220V电源，因此配备一个功率为1kW三相380V变220V变压器专供伺服控制系统使用。为了防止人身触电，控制回路均采用低压直流24V电源，同时控制电源还采用双直流24V电源供电系统。中间继电器、PLC外部传感器、触摸屏都由直流开关电源供电；外部负载，如电磁阀、真空发生器、电吸铁等，其驱动电流稍大，且容易出现外部短路故障，因此采用全桥整流电源。可见双直流24V电源供给使得精密元器件稳定工作的同时，还可以防止外部负载对其干扰的影响。
（二）伺服控制系统设计。伺服控制系统由PLC、脉冲发生器（FX2n-1PG）、伺服驱动器（MR-J2S-40A）和伺服电机（HC-KFS43）组成。脉冲发生器就是根据PLC的指令将正转或反转脉冲发送给伺服驱动器，同时接收伺服驱动器收到伺服电机编码器的反馈信号，从而确定伺服电机是否按照PLC发出的指令正常工作。
硬件配置完成后，还要根据需求对伺服驱动器参数进行必要的设置。首先确定脉冲指令单位，该系统选用滚珠丝杠给进量为5mm。在程序中对脉冲发生器定义：伺服电机转一圈激光加工头移动的距离是5000um；伺服电机转一圈所需的脉冲数量为4096（2的n次方，且最接近5000），因此脉冲指令单位就是5000/4096（即伺服驱动器每发出一个脉冲，激光焊接头前进5000/4096um）。
其次计算电子齿轮比：电子齿轮比分为分母（CMX）和分子（CDV）两项参数设置，其设定范围为：1/50