摘 要：在简要介绍多轴数控焊接原理的基础上。重点讨论利用台达内嵌运动控制功能的20PM系列PLC，实现焊接轨迹的三轴螺旋偏心圆插补平台控制，给出软件编程。
关键词：DVP20PM00D 运动控制 三轴螺旋插补 数控焊接
1 引言
焊接是最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的最大特点是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，最高脉冲输出达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 设定绝对坐标系统；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中最大可设置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（D1818,D1820,D1898 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
5结束语
台达DVP20PM00D产品是一款同时具有逻辑控制和位置控制的功能强大的PLC，可以灵活、高速、精确的完成平面两轴及三轴运动控制， DVP20PM00D出色的控制功能具有良好的发展前景，可以广泛应用于木工机械、焊接机械、切割设备以及半导体加工设备等等，例如液晶切片机、双轴立车、焊接轨迹控、点胶轨迹控制、龙门数控钻床、火焰切割机等广泛的机电控制领域。