鄔玉晶

（無錫開放大學(xué)機(jī)電工程系，江蘇無錫214011）

基于PLC的雙環(huán)縫焊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄔玉晶

（無錫開放大學(xué)機(jī)電工程系，江蘇無錫214011）

文章分析了汽車尾氣凈化器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和常用的加工方式，設(shè)計(jì)了雙環(huán)縫焊接專機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。以西門子PLC為控制中心，驅(qū)動(dòng)變頻器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行燒焊，協(xié)調(diào)控制本焊機(jī)的其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：基于PLC控制的焊接專機(jī)在保證焊縫質(zhì)量的同時(shí)，焊接速度比焊接機(jī)器人提高了2倍多，并大幅度降低了生產(chǎn)成本。

PLC；控制系統(tǒng)；雙環(huán)縫；焊機(jī)；汽車尾氣凈化器

汽車尾氣凈化器的生產(chǎn)過程主要是管狀結(jié)構(gòu)尾氣排氣管的焊接生產(chǎn)，所使用的主要生產(chǎn)設(shè)備為自動(dòng)化焊接機(jī)器人。自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線具有高的生產(chǎn)效率，好的產(chǎn)品一致性，質(zhì)量狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，但設(shè)備的投入較大、占地面積也較大，生產(chǎn)維護(hù)成本較高，同時(shí)對(duì)焊材的性能要求也較高。為降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，筆者根據(jù)多年從事焊接技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)凈化器零部件環(huán)縫的焊接開發(fā)了專用高性能焊機(jī)，本焊機(jī)能夠同時(shí)焊接兩個(gè)環(huán)縫，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。本文基于PLC設(shè)計(jì)了電氣控制系統(tǒng)。

1　雙環(huán)縫焊機(jī)的組成及工作過程

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，焊接專機(jī)需要控制的動(dòng)作分別是頂頭的前伸/縮回、托架的上/下、焊槍的前/后、電機(jī)正轉(zhuǎn)的啟動(dòng)/停止、電機(jī)反轉(zhuǎn)的啟動(dòng)/停止、定位銷子的前伸/縮回。焊接專機(jī)的初始狀態(tài)：頂頭縮回、托架縮回、電機(jī)停止不動(dòng)、兩個(gè)焊槍的支架縮回、定位銷子前伸。

頂頭的前伸夾緊和縮回松開用雙作用汽缸來控制，兩個(gè)電磁閥分別控制伸出和縮回。當(dāng)控制前伸的電磁閥得電，汽缸前伸夾緊工件；當(dāng)縮回的電磁閥得電，汽缸縮回，工件松開。托架的上下運(yùn)動(dòng)也是用一個(gè)雙作用汽缸來實(shí)現(xiàn)的。用兩個(gè)電磁閥分別控制汽缸伸出和縮回，通過控制電磁閥電路的通斷來控制托架氣缸活塞的上升和下降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)托架的上升和下降。焊槍的升降也是通過雙作用氣缸來實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制是用變頻器來控制的，利用PLC的輸出線圈來控制變頻器的信號(hào)端子從而來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

雙環(huán)縫焊機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC、交流電機(jī)、變頻器、磁性傳感器、接近開關(guān)、常用低壓電器等組成。

2.1PLC選型

PLC作為控制系統(tǒng)的核心，其CPU必須滿足系統(tǒng)控制的要求。選用西門子S7-200系列的CPU226模塊化的緊湊型PLC。PLC的所有I/O（輸入/輸出）信號(hào)均采用光電隔離，各模塊均采用屏蔽措施，使其具有高可靠性。PLC還針對(duì)不同的輸入信號(hào)，有相應(yīng)的I/O模塊與這些元器件直接連接。

2.2輸入、輸出組件

系統(tǒng)的輸入組件主要由按鍵開關(guān)、磁性傳感器、接近開關(guān)等組成；輸出組件主要由指示燈、變頻器、電磁鐵線圈等組成。各輸入輸出地址見表1。

表1　PLC輸入輸出地址分配表

2.3控制面板的設(shè)計(jì)

用六個(gè)指示燈來表示焊機(jī)的工作狀態(tài)：總電源、焊槍前進(jìn)、關(guān)門、托架上升、夾緊和焊接，這些指示燈可以讓工人了解焊機(jī)的工作狀態(tài)，方便工人控制焊機(jī)。兩個(gè)焊機(jī)的電流、電壓調(diào)整旋鈕也放在操作面板上，方便工人微調(diào)焊接參數(shù)?？刂乒ぜD(zhuǎn)速度的旋鈕也設(shè)計(jì)放置在控制面板上，方便微調(diào)焊接速度。設(shè)計(jì)手動(dòng)和自動(dòng)選擇開關(guān)，方便控制焊機(jī)。在手動(dòng)工作狀態(tài)，可以通過手動(dòng)轉(zhuǎn)開關(guān)按鈕調(diào)節(jié)前伸軸旋轉(zhuǎn)至原位。設(shè)計(jì)了槍前進(jìn)開關(guān)，在手動(dòng)工作狀態(tài)可以通過該按扭讓焊槍前進(jìn)，來調(diào)整焊槍和工件之間的距離。在自動(dòng)工作狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕，所有汽缸在原位的前提下，按照設(shè)定的程序自動(dòng)加工工件，萬一在加工過程中遇到不正常的現(xiàn)象可以按下急停按鈕。急停按鈕立即切斷電源，焊接停止工作。起到保護(hù)焊機(jī)的功能。設(shè)計(jì)的電氣控制操作面板如圖1所示。

圖1　電氣控制操作面板圖

圖2　PLC控制程序流程圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本專機(jī)的控制要求為：控制分兩種模式，一種是手動(dòng)運(yùn)行，一種是自動(dòng)運(yùn)行。手動(dòng)運(yùn)行模式可以通過一個(gè)按鈕或者開關(guān)讓前伸軸恢復(fù)起點(diǎn)位置，測(cè)試各種運(yùn)動(dòng)是否正常。一種是自動(dòng)運(yùn)行。首先在原始放置，放置工件后，按下啟動(dòng)按鈕后，焊槍前伸，前伸到位后，銷子縮回，托架汽缸縮回，縮回到位后，電機(jī)正轉(zhuǎn)焊槍燒焊，燒焊360+α°后停止燒焊，焊槍退回，電機(jī)反轉(zhuǎn)α°回到原位。托架上伸，到位置后夾緊裝置松開，一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期完成。根據(jù)控制要求繪制出PLC控制程序流程圖，如圖2所示。在焊接的過程中，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)焊接電流、電壓，焊接速度等焊接參數(shù)。各個(gè)運(yùn)動(dòng)的邏輯關(guān)系可以通過PLC來控制，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度可以通過變頻器來控制調(diào)速電機(jī)。根據(jù)上述分析，在計(jì)算機(jī)上采用西門子軟件編寫程序，編好后，進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控。使用通訊電纜連接PLC的通信接口與計(jì)算機(jī)接口，設(shè)置好通信參數(shù)，將梯形圖下載到PLC，運(yùn)行程序。PLC程序如下：

Network 1 LD SM0.1 O Q0.0 =Q0.0 Network 2 LD I0.7 A I0.3 =Q0.1 Network 3 LD I1.1 =Q0.2 Network 4 LD I0.5 =Q0.3 Network 5 LD I0.0 =Q0.4 Network 6 LD M1.3 =Q0.5 Network 7 LD M1.6 =Q0.6 =Q1.2 Network 8 LD M1.1 =Q0.7 =Q1.3 Network 9 LD M1.0 =Q1.0 Network 10 LD M1.7 =Q1.1 Network 11 LD I1.0 A I0.4 A I1.6 A M1.3 =Q1.4 Network 1 LD SM0.1 O Q0.0 =Q0.0 Network 2 LD I0.7 A I0.3 =Q0.1 Network 3 LD I1.1 =Q0.2 Network 4 LD I0.5 =Q0.3 Network 5 LD I0.0 =Q0.4 Network 6 LD M1.3 =Q0.5 Network 7 LD M1.6 =Q0.6 =Q1.2 Network 8 LD M1.1 =Q0.7 =Q1.3 Network 9 LD M1.0 =Q1.0 Network 10 LD M1.7 =Q1.1 Network 11 LD I1.0 A I0.4 A I1.6 A M1.3 =Q1.4 =Q1.6 Network 12 LD M1.5 =Q1.5 Network 13 LD M1.2 =Q1.7 Network 14 LD I1.5 A I0.3 A I0.2 A I0.1 A I1.7 A I2.0 EU LD M1.7 EU NOT A M1.0 OLD =M1.0 Network 15 LD M1.0 A I0.5 A I0.1 A I0.2 A I1.5 EU LD M1.6 EU NOT A M1.1 OLD =M1.1 Network 16 LD M1.0 A I0.5 A I0.1 A I0.2 A I1.3 A I1.5 A M1.1 EU LD M1.4 EU NOT

=Q1.6 Network 12 LD M1.5 =Q1.5 Network 13 LD M1.2 =Q1.7 Network 14 LD I1.5 A I0.3 A I0.2 A I0.1 A I1.7 A I2.0 EU LD M1.7 EU NOT A M1.0 OLD =M1.0 Network 15 LD M1.0 A I0.5 A I0.1 A I0.2 A I1.5 EU LD M1.6 EU NOT A M1.1 OLD =M1.1 Network 16 LD M1.0 A I0.5 A I0.1 A I0. A M1.2 OLD =M1.2 Network 17 LD M1.2 A I0.0 A M1.1 A I0.1 A I1.5 A I1.6 A I0.2 EU LD M1.4 LD I0.0 ED OLD LD I0.7 EU OLD NOT A M1.3 OLD =M1.3 Network 18 LD M1.3 A I0.1 A I0.2 A I1.5 EU LD M1.5 EU NOT A M1.4 OLD =M1.4 TON T37，10 Network 19 LD M1.4 A T37 A I1.5 LDN I1.5 A I1.2 EU OLD LD M1.6 EU LDN I1.5 A I0.2 EU OLD NOT A M1.5 OLD =M1.5 TON T38，20 Network 20 LD I1.5 A T38 O SM0.1 LDN I1.5 A I1.2 EU OLD LD M1.1 EU NOT A M1.6 OLD =M1.6 Network 21 LD I1.5 A I0.3 A I0.7 A M1.6 EU LDN I1.5 A I1.2 EU OLD LD I0.6 EU NOT A M1.7 OLD =M1.7 Network 22 LD I1.4 ED MOVD 0，MD1 2

4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

4.1焊接試驗(yàn)

用本焊機(jī)焊接φ118mm外圓、409碳鋼雙環(huán)縫。焊接參數(shù)如表2所示。焊縫外觀圖片如圖3所示。

表2　焊接參數(shù)

圖3　專機(jī)焊接焊縫圖

4.2與機(jī)器人焊接工藝參數(shù)對(duì)比

機(jī)器人焊接和本焊機(jī)焊接比較，焊接同一種尺寸和材料的工件。零件為直徑118mm的409低碳鋼。焊接參數(shù)對(duì)比如表3所示。焊接機(jī)器人焊接焊縫外觀圖如圖4所示。

將圖3與圖4對(duì)比分析，可以看出焊接專機(jī)和焊機(jī)機(jī)器人的焊接外觀質(zhì)量基本相同。專機(jī)一次焊接可以完成兩條焊縫，而焊接機(jī)器人一次焊接只能完成一條焊縫。焊接專機(jī)具有投資實(shí)用成本低，效率高的特點(diǎn)，在大批量生產(chǎn)過程中優(yōu)勢(shì)明顯。

圖4　機(jī)器人焊接焊縫圖

表3　焊接參數(shù)對(duì)照表

5　結(jié)論

1）基于PLC控制的雙環(huán)縫焊機(jī)能夠同時(shí)自動(dòng)焊接兩條環(huán)縫。且經(jīng)過檢測(cè)試驗(yàn)本專機(jī)焊接的焊縫質(zhì)量符合工廠的焊接要求。

2）實(shí)踐表明：PLC系統(tǒng)控制下的焊機(jī)可靠性高，工人操作方便，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

3）設(shè)備維護(hù)方便，維護(hù)成本低。

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Dualcircular seam weldingmachine controlsystem design based on PLC

WU Yu-jing
（DepartmentofElectromechanicalEngineering，WuxiOpen University，Wuxi，Jiangsu，China214011）

Thisarticle analyzes the structure characteristic and common processingmethod of automobileexhaust purifier，and also designs dual circular seam weldingmachine'selectrical control system.W ith Siemens PLC as control center，drive inverter controlmotor to dowelding，itcoordinatesotheractuator'smovementwhich controls thisweldingmachine.Experimental test indicates that thisspecial weldingmachine based on PLC control can not only guarantee welding quality but also increase welding speed to twice as fast as a welding robot，which reducesproduction costgreatly.

PLC；controlsystem；dualcircular seam；weldingmachine；automobile exhaustpurifier

10.3969/j.issn.2095-7661.2016.03.027】

TG409

A

2095-7661（2016）03-0092-04

2016-06-20

鄔玉晶（1980-），男，江蘇南通人，無錫開放大學(xué)機(jī)電工程系講師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣自動(dòng)化。