作者；郑晓敏
研制管道环缝数控焊接机可以克服以往手工焊和半自动化焊接生产劳动强度大、劳动效率低等缺点，同时对提高管道焊接生产质量具有重要意义，具有良好的开发前景和社会效益。目前国内环缝自动化焊接机大多数采用PLC控制技术，控制技术对外不开放，缺乏二次开发的功能，并且人机界面交互性较差。本文设计的基于HMI和运动控制器的自动化焊接数控系统，采用运动控制器、编码器、伺服驱动及伺服电机等，以触摸屏为人机界面搭建控制系统，实现了焊接制造过程的自动化和数值化，进一步提高焊接生产效率，保证产品质量。
1 数控焊接系统总体设计
本文设计的数控环缝自动化焊接机床采用工件旋转而焊枪摆动的焊接方式，该焊接方式可以获得高质量的焊接产品。数控环缝自动焊接机主要包括机床本体、控制系统、焊接系统和气路系统等。
机床机械部分包括机座、工件转动机构（左床头箱和右床头箱）、进给传动机构（X轴的水平运动和y轴的上下运动）、焊接机头摆动机构和气动卡盘夹紧机构等，如图1所示。
工件的旋转由一个伺服电机经齿形链驱动左、右两个床头箱主轴实现同步转动，机床左、右两头各配置两套三爪气动卡盘，由气缸驱动夹紧和定位工件。焊枪的进给传动机构由两台交流伺服电机驱动。根据焊接工艺要求，焊枪在焊缝处上下和左右调节来完成多层焊时的自动排列焊道和摆动焊接。
为满足环缝焊接生产的工艺要求，保证焊接质量，控制系统以触摸屏人机界面作为上位机，运动控制器作为下位机，通过RS232串口通讯的方式实现焊接过程的控制与监控。该系统主要由手动模块、自动模块、参数设置模块、程序编码模块和信息显示模块等组成。
手动模块可实现机床各轴的运动与停止、各运动轴回零和点焊等功能；自动模块可按照设置的焊接参数和焊接轨迹自动运行；程序编码模块实现焊枪运动轨迹的编辑；信息显示模块显示各运动轴的位置和速度、焊接电流、焊接电源、焊接速度、摆宽、摆速、故障信息报警（伺服报警、限位报警、气压报警等）、状态指示灯等；参数设置模块实现对每层焊道的焊接电流、焊接电压、焊接速度、摆动速度、摆动宽度等焊接参数的设置。
2控制系统的硬件设计
2.1 硬件系统组成
自动化焊接控制系统主要包括人机界面（触摸屏）、运动控制器、交流伺服驱动器和伺服电机、焊枪摆动器、输入输出控制电路等部分，其硬件架构如图2所示。
人机界面控制终端可实现焊接过程的手动调整、焊接参数的设置、自动焊接和焊接过程的监视。用触摸屏人机界面来控制运动控制器，可以使运动控制器和PC机脱离。触摸屏作为机械设备控制级的人机界面，具有操作简便、直观生动等优点。用户可以自由地组合各种按钮、文字、图表、图形等来控制和监控当前设备。人机界面中的操作指令通过RS232串口通讯传输到运动控制器，通过运动控制器控制软件对指令进行运算处理后，向各执行机构发布驱动命令信号。运动控制器将采集到的运动信息和参数信息实时地显示在触摸屏上的对应功能模块中，便于对焊接过程更好地控制。
本设计中的触摸屏选用上海步科公司ET-100，该触摸屏具有强大的控制和监视功能，是操作人员和机械设备之间双向沟通的桥梁，可以用图形、数字、曲线、表格等各种形式更直观地反映运动控制器的内部状态和设备的运行状态。该触摸屏可实时采样数据和显示历史报警信息，不仅具有控制功能，还具有强大的数据运算与处理功能，可有效地简化运动控制器中控制程序的设计。
运动控制器采用上海某公司的四轴运动控制器，该运动控制器是针对运动控制领域开发的高性能运动控制器，采用华为IP-CMM软件开发流程开发，结合了最新的控制理论及网络控制技术，使得产品具备更高的稳定性。该运动控制器与触摸屏通过RS232连接，采用标准的Modbus RTU通讯协议。本系统中数据通讯方式采用“主一从”模式，主端发出数据请求消息，当从端接收到正确消息后，根据主设备查询提供的数据做出相应反应，然后发送数据到主端以响应请求，从而实现触摸屏和控制器之间的双向读写。
2.2 伺服控制系统
本系统运动控制的关键是焊枪运动的控制和工件转动的控制。焊枪的运动主要是X轴方向的左右平移、y轴方向的上下运动和焊枪摆动器的运动；工件的转动主要是床头箱主轴转动的角度及速度控制。在焊接过程中，运动控制的稳定性和准确性直接关系到焊缝的质量，也是焊接机床运动控制的核心部分。
伺服系统是用来准确地跟随焊接运动过程的反馈控制系统。运动控制器输出脉冲控制信号，脉冲控制信号通过伺服驱动系统控制相应伺服电动机，实现焊枪的运动和焊接过程的摆动，使焊接加工过程按照设定的速度和位置数据信息进行运动。本文设计的环缝数控焊接系统中主轴的运动控制为全闭环控制（编码器有反馈信号至运动控制器），焊枪的平移、上下运动和摆动均为半闭环控制。
3控制系统软件设计
系统软件设计主要包括触摸屏人机界面的设计与规划和运动控制器程序设计。
3.1 触摸屏人机界面设计
本系统以触摸屏为控制级端，通过运动控制器控制伺服电机的运动状态，并将焊接过程中的参数和运动运行状态显示在触摸屏上。触摸屏与运动控制器的通讯采用Modbus RTU通讯协议实现，在运动控制器内设定一定量的单元与触摸屏相映射，从而实现触摸屏对运动控制器内指令的操作。触摸屏产品一般由硬件和软件两部分构成，硬件包括处理器、存储器、输入单元、显示单元、数据通讯接口等；软件包括系统软件和运行于PC机中的画面组态软件。使用时须先在画面组态软件中设计和制作“工程文件”，然后将编制好的“工程文件”通过串行口下载到触摸屏的处理器中运行。本系统在Kinco HMIware画面组态软件环境中完成设备连接、界面规划、编写控制流程等全部组态工作，其具体的界面规划如图3所示。
用触摸屏替代传统的控制面板和键盘可以实现人机界面良好的交互性和智能化操作。对人机界面的设计其实就是对HMI内寄存器的分配，包括Modbus位寄存器和Modbus字寄存器。触摸屏位寄存器一般叫做Ox寄存器，字寄存器一般叫做4x寄存器。触摸屏内主要寄存器分配如表1所示。
在触摸屏中主要通过开关对寄存器中的每一位进行操作，图4为自动化焊接系统运行界面。图4中，X轴、y轴和主轴回转的位置显示数据和速度显示数据就是寄存器地址为10000、10002、10004和20000、20002、20004中的内容，而10000、10002、10004和20000、20002、20004寄存器中的内容与运动控制器内寄存器是相映射的，通过Modbus RTU协议传输，当运动控制器中寄存器的数据发生变化时，触摸屏显示的内容也就相应地改变。
3.2 运动控制器程序设计
本文所采用的控制器为四轴运动控制器，具有24个输入口、12个输出口、2个内部AD和2个内部DA，可实现四轴的协调控制。控制程序是建立在Zdevelope软件平台上，为了方便编写、更新程序，编程时以功能为导向，对运动控制器控制程序进行模块化编程，主要功能模块有手动运行模块、自动运行模块、通讯模块、程序规划模块、参数设置模块和信息显示模块等。其主程序流程图如图5所示。
程序运行时通过触摸界面上的按钮来调用执行各模块的子程序。触摸屏会不断地扫描输入命令，当相应按钮触发后便调用执行相应的子程序。本系统中，默认进入的是系统界面，因为伺服电机采用增量式编码器，掉电时还保持其位置信息，故在设备运行开始之时，必须要首先进行回零操作。各程序模块之间的切换是通过前面介绍的人机界面上的选择按钮进行的，如当前界面为系统运行界面，当按动程序编辑界面的选择按钮后，HMI自动切换到程序编辑界面。
4结束语
本文设计了一种基于触摸屏和四轴运动控制器采用串口通讯的控制系统，将运动控制器和HMI融合到数控焊接系统中，具有可靠性好、精度高、响应速度快等优点。通过触摸屏可以将焊接过程信息实时显示，实现对焊接过程的控制和监控。该系统相对于基于PLC的控制系统具有编程简单、操作容易、可靠性强、价格低廉等优点。控制器能够稳定迅速地对触摸屏的命令做出正确的响应，实现可靠有效的人机交互，在数控焊接领域有一定的推广前景。5摘要：根据管道环缝自动化焊接的要求，面向数控焊接系统领域的应用，设计了一种触摸屏和运动控制器基于串行通信的自动化焊接控制系统。分析了系统的设计要求，重点描述了系统软硬件的设计过程和焊接运动过程的伺服控制，阐述了触摸屏通过Modbus通讯协议实现对焊接过程的控制和监控。通过触摸屏和运动控制器的软硬件调试，使系统的功能和性能达到了自动化焊接的预期设计要求，实现了管道环缝焊接过程的自动化、柔性化和信息化。
