摘 要：在簡要介紹多軸數控焊接原理的基礎上。重點討論利用臺達內嵌運動控制功能的20PM系列PLC，實現焊接軌跡的三軸螺旋偏心圓插補平臺控制，給出軟件編程。
關鍵詞：DVP20PM00D 運動控制 三軸螺旋插補 數控焊接

1 引言

焊接是最常見的金屬連接工藝。鋼管管件的數控焊接用于單根鋼管的焊接和分支鋼管的焊接，實現工藝過程的自動化，對于焊接工藝的精密加工具有十分重要的意義。

鋼管管件數控焊接的核心問題是焊接點運動軌跡控制，設備外觀如圖1所示。數控焊槍根據工藝加工要求實現上下前后2軸運動控制。數控管件夾具平臺用于固定需要焊接的鋼管，本身可以做單軸的水平面旋轉，同時平臺本身可以在X-Y平面上，做X水平，Y垂直及圓弧的運動，構成3軸運動控制。本文以數控管件夾具平臺3軸運動控制設計為主，對于焊槍水平和垂直焊接不予贅述。

圖1 數控焊接機
2 數控工藝分析

2.1 單根鋼管焊接

單根鋼管焊接比較簡單，只需中間夾具做一圓周運動即可,這個運動命名為同心圓，如圖2所示。

圖2 單根鋼管焊接
2.2 分支鋼管焊接

圖3為分支鋼管的焊接，在焊接過程中，不僅要求中間夾具要做圓周運動，底座X-Y,平臺也要同步反向旋轉，才能完成分支鋼管的焊接，這個運動命名為偏心圓，要求數控系統實現三軸的螺旋插補，如圖4所示。偏心圓焊接軌跡的控制復雜程度遠遠大于同心圓軌跡。

圖3 分支鋼管的焊接

圖4 數控焊槍的三軸螺旋插補軌跡
3 20PM運動控制PLC解決方案

3.1 運動控制PLC簡介

臺達DVP-20PM00D是一款具有運動控制專用功能的可編程控制器。DVP-20PM00D的最大特點是PLC主機直接提供電子凸輪功能，或者說DVP-20PM00D是內置電子凸輪功能的PLC,所以有些場所直接稱呼DVP-20PM00D為臺達20PM運動控制器。

20PM具有2路500KHz的輸入與輸出，在電子凸輪功能中定義X軸為從軸，編碼器輸入軸為主軸，當定義好CAM Table后，從軸依據定義的曲線跟隨主軸運動。采用高速雙CPU結構形式，利用獨立CPU處理運動控制算法，可以很好地實現各種運動軌跡控制、邏輯動作控制，直線/圓弧插補控制等，多軸數控管件焊接機正是利用了20PM運動控制器的電子凸輪功能很好的解決了復雜軌跡控制等問題。20PM的主要特點：

（1）20PM適用于高速、高精度、高復雜的運動控制場合；
（2）多段速執行及中斷定位；
（3）64K 大容量, 內置Flash存儲體；
（5）兩組差分脈沖輸出，最高脈沖輸出達500KHz；
（6）兩組手搖輪控制；
（7）內置電子凸輪功能，輕松實現繞線、飛剪、追剪等應用；
（8）支持PLC順序邏輯控制及NC控制(G 碼與M碼)。

3.2 運動控制解決方案

總體控制方案采用了兩套臺達20PM系列運動控制PLC，其中20PM00M為內涵三軸的運動控制功能的PLC，實現工件夾具平臺三軸復雜螺旋插補偏心圓焊接軌跡, 對于常規PLC是完全是難以想象的。

圖5 20PM00M接線原理
3.3 運動控制編程

20PM支持的G 代碼功能如下：G0 高速定位；G1 雙軸或三軸聯動直線插補；G2 順時針圓弧插補（設定圓心位置）；G3 逆時針圓弧插補（設定圓心位置）；G2 順時針圓弧插補（設定半徑長度）；G3 逆時針圓弧插補（設定半徑長度）；G4 停頓時間；G90 設定絕對坐標系統；G91 設定相對坐標系統。

DVP20PM特色。64K步程序容量,100段運動程序，滿足不同加工需求；在20PM中最大可設置100種運動軌跡，同時利用64K的程序容量，預先將需要執行的各種不同運行曲線的G碼存儲在PLC中，當需要加工某種規格時，可以采用文本顯示器、觸摸屏等來調用。支持G碼的直接匯入，當采用CAM軟件生成文本格式的G碼后，可利用PMSOFT的匯入菜單直接匯入到PLC運動程序中。也可通過HMI,利用U盤導入文本格式的G碼。支持手搖輪應用，可做一些手動的調整。具備電子原點返回模式，在20PM內存中加入了原點記憶功能，只要設定了電子原點，即使設備斷電，在下次上電后也可以輕松找到原點位置。可連結EH2主機與所有擴充模塊，20PM可以靈活配置，即可以接在EH2主機后作為專門定位擴展模塊，也可以做為主機連接其它的模擬量等特殊功能模塊。支持PLC順序語言及定位語言(G 碼與M碼），實現了通用PLC與數控技術的一個完美結合。配置運動軌跡的離線仿真功能，在實際加工前利用該項功能可以檢查運動程序是否存在問題，可及時解決減少錯誤發生，參見下圖。


4 偏心圓焊接軌跡編程

4.1上電參數初始化

把X,Y,Z的機械參數，及焊槍的上下軸，前后軸機械參數填到相關設置寄存器里如（D1818,D1820,D1898 D1900;等），如圖6所示。

圖 6上電參數初始化
4.2 手動程控

手動控制X,Y,Z軸，及焊槍的上下軸，前后軸。先把各軸的手動速度等參數寫入相關寄存器如圖7所示。圖8為把手動命令放到五個軸相關的命令寄存器。需要注意的是20PM00M三軸運動控制器為主機，20PM00D兩軸運動控制器作為擴展模塊，他們之間的通信通過FROM,TO指令進行讀寫。主機的CR0-CR199,對應擴展的D1500-D1599。

圖7 手動速度參數

圖8 手動命令參數
4.3 自動控制

利用配方功能，如配方1，為工件1，為同心圓，速度為4，半徑為20，角度為30，也即D2000=1, D2002=40, D2004=200, D2006=300,

如配方2，為工件2，為偏心圓，速度為4.8，半徑為21，角度為40，偏心距為58,也即

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

在O100循環程序中根據D2000的內容值,分別調用不同的運動子程序