SIEMENS/西门子6ES7217-1AG40-0XB0

1 引言 

焊接是*常见的金属连接工艺。钢管管件的数控焊接用于单根钢管的焊接和分支钢管的焊接，实现工艺过程的自动化，对于焊接工艺的精密加工具有十分重要的意义。 

钢管管件数控焊接的核心问题是焊接点运动轨迹控制，设备外观如图1所示。数控焊枪根据工艺加工要求实现上下前后2轴运动控制。数控管件夹具平台用于固定需要焊接的钢管，本身可以做单轴的水平面旋转，同时平台本身可以在X-Y平面上，做X水平，Y垂直及圆弧的运动，构成3轴运动控制。本文以数控管件夹具平台3轴运动控制设计为主，对于焊枪水平和垂直焊接不予赘述。

 
图1 数控焊接机

2 数控工艺分析 

2.1 单根钢管焊接 

单根钢管焊接比较简单，只需中间夹具做一圆周运动即可,这个运动命名为同心圆，如图2所示。

 
图2 单根钢管焊接

2.2 分支钢管焊接 

图3为分支钢管的焊接，在焊接过程中，不仅要求中间夹具要做圆周运动，底座X-Y,平台也要同步反向旋转，才能完成分支钢管的焊接，这个运动命名为偏心圆，要求数控系统实现三轴的螺旋插补，如图4所示。偏心圆焊接轨迹的控制复杂程度远远大于同心圆轨迹。

 
图3 分支钢管的焊接

 
图4 数控焊枪的三轴螺旋插补轨迹

3 20PM运动控制PLC解决方案 

3.1 运动控制PLC简介 

台达DVP-20PM00D是一款具有运动控制专用功能的可编程控制器。DVP-20PM00D的*大特点是PLC主机直接提供电子凸轮功能，或者说DVP-20PM00D是内置电子凸轮功能的PLC,所以有些场所直接称呼DVP-20PM00D为台达20PM运动控制器。 

20PM具有2路500KHz的输入与输出，在电子凸轮功能中定义X轴为从轴，编码器输入轴为主轴，当定义好CAM Table后，从轴依据定义的曲线跟随主轴运动。采用高速双CPU结构形式，利用独立CPU处理运动控制算法，可以很好地实现各种运动轨迹控制、逻辑动作控制，直线/圆弧插补控制等，多轴数控管件焊接机正是利用了20PM运动控制器的电子凸轮功能很好的解决了复杂轨迹控制等问题。20PM的主要特点： 

（1）20PM适用于高速、高精度、高复杂的运动控制场合； 
（2）多段速执行及中断定位； 
（3）64K 大容量, 内置Flash存储体； 
（5）两组差分脉冲输出，*高脉冲输出达500KHz； 
（6）两组手摇轮控制； 
（7）内置电子凸轮功能，轻松实现绕线、飞剪、追剪等应用； 
（8）支持PLC顺序逻辑控制及NC控制(G 码与M码)。 

3.2 运动控制解决方案 

总体控制方案采用了两套台达20PM系列运动控制PLC，其中20PM00M为内涵三轴的运动控制功能的PLC，实现工件夹具平台三轴复杂螺旋插补偏心圆焊接轨迹, 对于常规PLC是完全是难以想象的。

 
图5 20PM00M接线原理

3.3 运动控制编程 

20PM支持的G 代码功能如下：G0 高速定位；G1 双轴或三轴联动直线插补；G2 顺时针圆弧插补（设定圆心位置）；G3 逆时针圆弧插补（设定圆心位置）；G2 顺时针圆弧插补（设定半径长度）；G3 逆时针圆弧插补（设定半径长度）；G4 停顿时间；G90 设定**坐标系统；G91 设定相对坐标系统。 

DVP20PM特色。64K步程序容量,100段运动程序，满足不同加工需求；在20PM中*大可设置100种运动轨迹，同时利用64K的程序容量，预先将需要执行的各种不同运行曲线的G码存储在PLC中，当需要加工某种规格时，可以采用文本显示器、触摸屏等来调用。支持G码的直接汇入，当采用CAM软件生成文本格式的G码后，可利用PMSOFT的汇入菜单直接汇入到PLC运动程序中。也可通过HMI,利用U盘导入文本格式的G码。支持手摇轮应用，可做一些手动的调整。具备电子原点返回模式，在20PM内存中加入了原点记忆功能，只要设定了电子原点，即使设备断电，在下次上电后也可以轻松找到原点位置。可连结EH2主机与所有扩充模块，20PM可以灵活配置，即可以接在EH2主机后作为专门定位扩展模块，也可以做为主机连接其它的模拟量等特殊功能模块。支持PLC顺序语言及定位语言(G 码与M码），实现了通用PLC与数控技术的一个完美结合。配置运动轨迹的离线仿真功能，在实际加工前利用该项功能可以检查运动程序是否存在问题，可及时解决减少错误发生，参见下图。

4 偏心圆焊接轨迹编程 

4.1上电参数初始化 

把X,Y,Z的机械参数，及焊枪的上下轴，前后轴机械参数填到相关设置寄存器里如（D D1900;等），如图6所示。

 
图 6上电参数初始化

4.2 手动程控 

手动控制X,Y,Z轴，及焊枪的上下轴，前后轴。先把各轴的手动速度等参数写入相关寄存器如图7所示。图8为把手动命令放到五个轴相关的命令寄存器。需要注意的是20PM00M三轴运动控制器为主机，20PM00D两轴运动控制器作为扩展模块，他们之间的通信通过FROM,TO指令进行读写。主机的CR0-CR199,对应扩展的D1500-D1599。

 
图7 手动速度参数

 
图8 手动命令参数

4.3 自动控制 

利用配方功能，如配方1，为工件1，为同心圆，速度为4，半径为20，角度为30，也即D2000=1, D2002=40, D2004=200, D2006=300, 

如配方2，为工件2，为偏心圆，速度为4.8，半径为21，角度为40，偏心距为58,也即 

D2000=2,D2002=48,,D2004=210,D2006=400,D2008=580 

在O100循环程序中根据D2000的内容值,分别调用不同的运动子程序 

运动子程序共有四种 

D2000=1,调用OX1,为同心圆控制,G00 ZD3000 FD3002(D3000为根据角度半径计算D3002为速度) 

D2000=2,调用OX2,为偏心圆控制,G02 XD3010 YD3012 ZD3014 RD3016 FD3020(D3010,D3012为根据角度半径计算的坐标D3020为速度) 

D2000=3,调用OX3,焊枪垂直控制 

D2000=4,调用OX4,平台水平运动 

通过配方功能可实现所需的工件,比如配方10,为工件10,为偏心圆，速度为5.8，半径为31，角度为60，偏心距为50,也即 
D2000=2,D2002=48,,D2004=310,D2006=600,D2008=500 
如果启动运行会自动调用相关的运动子程序及相关参数，如图9所示。

 
图9 自动控制

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RS232串口用于下载并监视程序，如果简单的、扶梯数量较少，可以直接使用此端口与上位机连接，监控扶梯的运行状态。不过这种使用机会非常少，因为RS232接口传输距离相对较近，而且是1对1的接口，而扶梯的数量一般都是几个甚至几十个。所以使用成本较高。 

RS485接口。台达PLC的ES系列非常方便的是每个PLC都有RS485接口。RS485可以方便的多机通信，而且传输距离较远，理论能够达到1.2km。ES系列PLC通过RS指令，能够方便的实现自由协议的通信，而且可以使用MODWR、MODRD等指令实现MODBUS通信。 

在扶梯中，此RS485接口的主要作用是将PLC的运行状态及检测报警等实时的传输给故障诊断板，使客户或者维修人员能够了解扶梯的运行状态，在*短的时间内找到停梯原因，及时检修并排除故障，能够更快的恢复扶梯的运行。 

4、安全设计 

PLC使用于扶梯系统要求安全是第一位的。这点不仅在外围安全电路的设计上，对PLC自身内部的软件安全同样有严格的要求。在软件设计中，对各个功能块分别检测，例如制动检测、闸瓦厚度的检测、梯级缺少等等。这些功能块的输出继电器组成了软件安全回路，控制外围安全回路的通断。各个功能块之间也不断的交替比较检测，降低了由于单一控制带来的风险。安全回路输出继电器检测一旦检测发生故障，不仅软件上使扶梯停下来，切断主机的电源，而且从外围安全回路切断主机的电源。软硬件结合的双重控制，增强了安全等级，提高了控制的可靠性。