朱琳;周亦敏;姚胜卫
【摘 要】iomv锂电池点焊机采用闭环控制,实现对锂电池的自动焊接精准控制.针对所开发的锂电池点焊机功能要求进行分析,设计应用欧姆龙CP1H系列PLC和DOPsoft组态软件实现锂电池点焊机控制系统方案.确定了以RS232通道实现DOPsoft与PLC通信,通过I/O口控制伺服系统、气动系统共同完成设计的焊接动作,同时控制点焊电源按照设计的时序和放电方式完成放电焊接.系统测试表明,点焊预压力精度为0.2～ 0.5％F.S,PLC控制程序时间占用9 ms,设计的控制系统性能稳定. 【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2017(030)010
【总页数】4页(P82-84,88)服务器监测
【关键词】锂电池点焊机;PLC控制;DOPsoft组态软件;控制系统;闭环控制
【作 者】朱琳;周亦敏;姚胜卫
【作者单位】上海理工大学公共实验中心,上海200093;上海理工大学公共实验中心,上海200093;上海理工大学公共实验中心,上海200093
【正文语种】中 文
【中图分类】指纹读取器TM912.9;TP27
Abstract Lithium batteries welding machine use the closed loop control.It has functions for accurate control of automatic welding for lithium batteries.The functional requirements of the lithium batteries welding machine is discussed in this paper. A control system for lithium batteries welding machine was developed on the base of DOPsoft and Omron CP1H PLC.In the system,RS232 channel was used to establish the real-time communication between DOPsoft and PLC. The servo system and pneumatic system was controlled by I/O channel to Complete designed welding. The welding power was controlled to complete discharge welding according to the designed sequence and discha
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rge mode.The performance shows that welding precompression accuracy is 0.2～ 0.5%F.S,the time of PLC control program is 9 ms,the control system is reliable.
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Keywords lithium batteries welding machine;PLC controller;DOPsoft;control system;the closed loop control
锂电池焊接具有焊接精度要求高、焊点强度分布均匀等特点，它实现了不同锂电池之间的串并联、实现电流通路的建立，是锂电池PACK生产的关键工序。近年来，点焊机控制系统的开发与应用已得到较大关注，潘峰[1]等人研究的点焊机PLC控制系统中，焊接方式为单点点焊，但这种方式效率较低，比较适合生产过程中产品维修使用，并不适合批量生产。张小云[2]等人研发的伺服焊点焊PLC控制系统中，利用电极杆上安装Load Cell型压力传感器THC-10 kV采集到的压力信号作为反馈信号实现电极力的闭环控制，但在锂电池焊接中电极力变化周期太短对于传感器响应频率要求太高，将大大提高对于传感器的要求；马迎兵[3]在电极压力对熔核质量影响的研究中，研究对象是伺服焊的电极力单轴伺服控制系统，但并不适用于锂电池PACK的自动焊接。
本文研究的锂电池点焊机采用五轴伺服控制系统，可以实现多点自动点焊，控制系统是基
于PLC的闭环控制，结合人机交互界面，实现对锂电池的自动焊接精准控制。
本文研究的自动点焊机采用锂电池正负极同时点焊的方式，锂电池点焊机系统为6轴自由度的伺服系统，将锂电池正负极的Y向自由度结合到一起转化为工装夹具的Y向运动，转化为一个5轴联动的控制系统。设计锂电池自动点焊机的三维模型如图1所示。图2为自动点焊机系统运动方式简图。浮选机叶轮盖板
图中，① 点焊电源；② X向调压和Z向传动组合；③ Y向传动；④ 电气控制柜。图2中X向运动为点焊头的左右运动；Y向为夹具的上下方向运动；Z向运动为点焊头垂直于纸面方向的运动。自动点焊机有两块对称的运动点焊部分，每个部分能实现空间两坐标的任意组合定位，第三坐标由取放治具的运动机构定位。分别将点焊头进给方向、治具运动方向、纵向进给方向定义为左/右X、Y、左/右Z。
自动点焊机的控制系统[4-5]是基于PLC、触摸屏和点焊电源共同完成，主要控制对象为夹具气缸的动作、各焊点的位置、焊接模式、点焊电源的放电过程、伺服速度、伺服输出转矩等。PLC及其扩展模块[6-7]实现控制夹具气缸的动作、各点焊位置的完成以及点焊过程的启停；触摸屏完成各焊点坐标的设置与显示、伺服参数的设置、状态反馈信号的输入等；
点焊电源根据PLC的控制信号选用不同的焊接电流和时间参数完成焊接过程。PLC作为控制的核心，通过RS232通信线与人机界面通信，通过I/O口控制伺服系统、气动系统共同完成设计的焊接动作[8-9]，同时控制点焊电源按照设计的时序和放电方式完成放电焊接。自动点焊机的控制方案框图如图3所示，PLC控制核心、人机交互、伺服系统、焊接电源、气动系统等之间的关系，表达了控制系统硬件和软件控制信号组成。
在锂电池自动点焊机控制系统中，控制核心采用欧姆龙CP1H系列PLC，控制程序是基于欧姆龙CX-Programmer环境开发的。控制程序的设计，采用功能划分的结构，设计内容包括主程序设计、复位程序、手动程序设计、自动程序设计、故障处理程序等方面。
主程序是控制程序的整体骨骼和形象，为所有的其他程序段做必要准备条件，本文主要针对主程序进行分析。本文中的锂电池自动点焊机的主程序按照功能划分为两大类：第一类主要为触摸屏的程序，根据触摸屏的功能主要是用来实现人与设备之间的通讯，因此在触摸屏程序中主要是实现输出控制信号给PLC和显示PLC、传感器等信号；第二类主要是控制全部程序的准备条件。主程序流程图如图4所示。
在锂电池自动点焊机控制系统中，人机界面使用台达触摸屏DOP-B10S615作为信息交换
的窗口和媒介。它的设计采用台达公司的DOPsoft软件，DOPsoft组态软件的主界面[10-11]软件主界面由工具栏、属性表等组成，为人机界面设计提供各种命令及属性编辑功能等。开发软件提供各种开关、指示灯、报警库等，并且支持用户绘制图形界面或者导入图片资源，方便开发人员更快的开发出界面友好、使用方便的符合人机工程学的人机界面；离线编程为开发提供便捷途径，可以提高开发效率；在线模拟、离线模拟等功能可以方便地实现人机界面设计内容的仿真运行，帮助开发人员及时发现问题、修改界面并缩短开发周期。
本文主要针对参数设置界面和自动焊接界面进行分析，参数设置界面包括位置设定和伺服设定，位置设定可以设置配方中各个焊点的位置坐标，伺服设定可以设置各个伺服电机的伺服参数，界面如图5所示。
在压力传感器、A/D和D/A转换模块、PLC、伺服驱动器、电机组成的闭环控制系统中，当传感器检测的实际压力值与设定压力值之间存在差距时，PLC根据偏差ev(n)控制伺服驱动器输出正向或者反向脉冲列，电机正转或者反转，达到增加实际压力或者减小实际压力的目的，构成了以预压力目标值为设定值的由PLC、伺服驱动器、电机、压力传感器共同构
成的预压力闭环控制系统[12]。这种预压力的恒压控制模式控制精度高，对系统扰动更灵敏，抵抗干扰的能力也更强。
压力的PID控制程序[13-15]是针对X轴从接触位置到点焊位置的进给阶段，其他位置之间的进给运动仍保持位置控制方式。绝对位置坐标是X轴各个位置设置的基础，除点焊位之外的其他位置仍然使用绝对坐标作为控制目标，而点焊位则使用压力参考量作为控制目标。图9是X轴压力PID控制程序的流程图。
图6中压力控制开始之前检测左右X轴是否均已到达接触位，以此作为判断标准将控制方式从位置控制转换为转矩控制；将PLC输出的压力控制参考量与压力传感器的反馈量一同送入PID控制器进行计算；输出控制量送入D/A转换模块转化为电压给伺服系统输出压力；压力的测量值送入A/D转换模块中转化为数字量给PID控制器；压力达到设定参考量则预压阶段结束，控制方式切换为位置控制，X轴返回到脱离位。
依据上述系统结构的设计，利用DOPsoft软件开发平台和RS232通道设计了如图7的自动焊接界面。其中自动运行界面主要用来显示当前治具编号、当前点焊位、左右放电模式以及焊头传感器等信息，用户可以手动选择所需要的功能。人机交互界面通过RS232通道与PL
C通信，进行数据交互。系统测试表明，点焊预压力精度为0.2～0.5%F.S，PLC控制程序时间占用9 ms，人机交互软件每隔100 ms采集1个数据点，目标控制时间约为1 s，设计的测控系统性能稳定。
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