鮑超,張軍,白立來,李強(qiáng)
(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,北京100124)
中部槽自動(dòng)焊接設(shè)備的研制
鮑超,張軍,白立來,李強(qiáng)
(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,北京100124)
刮板運(yùn)輸機(jī)的中部槽是煤炭采掘機(jī)械中的關(guān)鍵部件,其焊接質(zhì)量直接決定了刮板運(yùn)輸機(jī)的過煤量。為了解決中部槽零部件的制造誤差和裝配誤差導(dǎo)致的自動(dòng)化焊接問題,設(shè)計(jì)了基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)和基于伺服驅(qū)動(dòng)的多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。介紹該自動(dòng)化焊接設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理,以及電氣部分的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。同時(shí)為了補(bǔ)償中部槽焊縫的誤差,采用示教的辦法獲取焊縫的起點(diǎn)和終點(diǎn),并利用直線插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)中部槽的多層多道焊。通過實(shí)驗(yàn)得到較好的焊接規(guī)范;實(shí)驗(yàn)證明,所設(shè)計(jì)的焊接設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化高效焊接,提高了工作效率。
中部槽;自動(dòng)焊接;PLC;直線插補(bǔ)
隨著我國對(duì)煤炭需求的不斷增長(zhǎng),煤礦企業(yè)對(duì)煤礦機(jī)械設(shè)備的需要日益增加,其中刮板輸送機(jī)系統(tǒng)是煤礦機(jī)械的重要組成部分,而中部槽又是刮板輸送機(jī)的主要部件。其質(zhì)量約占整個(gè)刮板輸送機(jī)的70%,一般每臺(tái)刮板機(jī)包含100多節(jié)中部槽,每個(gè)槽子的長(zhǎng)度約1.5 m。中部槽是煤料的運(yùn)輸通道,運(yùn)煤過程中承載著煤、刮板與鏈條的劇烈摩擦與沖擊。刮板輸送機(jī)的失效多是由于中部槽的磨損和沖擊斷裂引起的,因此中部槽的生產(chǎn)質(zhì)量直接決定著刮板輸送機(jī)的使用壽命。中部槽的關(guān)鍵生產(chǎn)工序是槽幫與中板及槽板與底板的焊接,因此提高這兩種關(guān)鍵工序的效率與焊縫質(zhì)量,可直接提高刮板輸送機(jī)的制造效率和使用壽命。在煤機(jī)生產(chǎn)企業(yè)中大部分采用半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊,這種方法的缺點(diǎn)是焊縫成形不美觀,熔深無法保證,焊接效率低,每個(gè)焊工每天約焊一個(gè)半中部槽,且勞動(dòng)強(qiáng)度大。為解決半自動(dòng)CO2氣保焊的問題,設(shè)計(jì)了CO2自動(dòng)化焊接專機(jī)用于中部槽中板和底板的焊接。
中部槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。中部槽焊接和一般的直焊縫焊接相比存在以下特點(diǎn):
(1)中部槽各部件的加工誤差和裝配誤差較大。中部槽的底板和中板一般是由火焰切割得到的,板的尺寸精度差;槽幫是鑄件,鑄造誤差較大;誤差1~5 mm;由于槽幫和中、底板的質(zhì)量都比較重,加工誤差大、一致性差,在焊接時(shí)很難精確定位工件,也就無法保障焊縫的重復(fù)性。
(2)由于工件的尺寸精度問題,很難保證焊縫和龍門架行走方向平行,同時(shí)左右兩道焊縫也不平行。
(3)為了減小焊接變形,要求焊接中部槽時(shí)左右兩個(gè)槽幫和中板、底板的焊縫同時(shí)施焊。
(4)由于中部槽焊接屬中厚板焊接,中板厚度35~60 mm,坡口大,所以采用電弧擺動(dòng)來蓋面。
圖1 中部槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
基于中部槽自動(dòng)化的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了中部槽焊接自動(dòng)化專機(jī)。自動(dòng)化專機(jī)的機(jī)械主體部分如圖2所示。
圖2 中部槽焊接專機(jī)結(jié)構(gòu)示意
電機(jī)驅(qū)動(dòng)龍門式焊接機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩把焊槍同時(shí)自動(dòng)對(duì)中部槽的兩條焊縫進(jìn)行焊接。焊接運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用龍門結(jié)構(gòu)形式,龍門機(jī)構(gòu)可在焊接過程中實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng),縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)焊槍沿焊縫長(zhǎng)度方向的運(yùn)動(dòng),并把它定義為x軸;橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)焊槍沿焊縫寬度方向的運(yùn)動(dòng),并把它定義為y軸;升降機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)焊槍的上下移動(dòng),并把它定義為z軸。龍門架裝有一套x軸,兩套y、z運(yùn)動(dòng)軸,運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)關(guān)系是x軸帶動(dòng)y軸運(yùn)動(dòng),y軸帶動(dòng)z軸運(yùn)動(dòng),并在z軸上裝有焊槍。此外機(jī)架的工作平臺(tái)用于放置待焊接的中部槽,為了使工人容易觀察中部槽的焊接情況,工作平臺(tái)的高度定為500 mm,并在工作平臺(tái)上裝有定位塊用來工件放置時(shí)的初步定位。
控制系統(tǒng)的硬件由PLC、觸摸屏、遠(yuǎn)程操作盒、電機(jī)、焊接電源、焊接電流電壓調(diào)整面板組成,控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
圖3 硬件控制結(jié)構(gòu)框圖
中部槽的焊接過程屬于邏輯控制范疇,因此數(shù)字控制系統(tǒng)選用PLC可編程邏輯控制器為控制核心單元,PLC根據(jù)外圍采樣的各種信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷,然后執(zhí)行相應(yīng)的程序,輸出控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)中部槽焊接的控制流程。本設(shè)備選用國產(chǎn)匯川公司生產(chǎn)的H2U系列PLC系統(tǒng)作為主控制器,具體型號(hào)為H2U-3232MTQ,其具有輸入點(diǎn)32個(gè),輸出點(diǎn)32個(gè),晶體管輸出型,最突出的特點(diǎn)是包含了五路高速脈沖輸出。由于本設(shè)備裝有五個(gè)電機(jī),需要五路高速脈沖控制,因此該型號(hào)PLC滿足要求。
由于焊縫在長(zhǎng)度和寬度方向要求位置及速度誤差小,所以x、y軸精度要求較高,選用伺服電機(jī)控制,z軸的精度要求不高,選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)各軸負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和啟動(dòng)所需要的力矩,具體選擇各軸電機(jī)的型號(hào)。
x軸選用匯川ISMH2-20C30CB永磁同步交流伺服電機(jī),額定轉(zhuǎn)速3000 r/min,額定輸出功率2 000W,傳動(dòng)方式選用滾珠絲杠和滑動(dòng)導(dǎo)軌傳動(dòng),絲杠導(dǎo)程10 mm。由于x軸負(fù)載較重,為了提高輸出轉(zhuǎn)矩,在電機(jī)與絲杠之間加裝蝸輪蝸桿減速器,減速比為10∶1,并將該軸的脈沖當(dāng)量設(shè)置為0.01 mm。
y軸選用匯川ISMH1-75B30CB永磁同步交流伺服電機(jī),額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,額定輸出功率750 W,傳動(dòng)方式為滾珠絲杠和滑動(dòng)導(dǎo)軌傳動(dòng),絲杠導(dǎo)程5 mm,并將該軸的脈沖當(dāng)量設(shè)置為0.01mm。
z軸選用42H2150-02EA型步進(jìn)電機(jī),功率為42.92 W,最大靜轉(zhuǎn)矩為20 N·m,傳動(dòng)方式同樣選用滾珠絲杠和滑動(dòng)導(dǎo)軌傳動(dòng),絲杠導(dǎo)程5 mm,驅(qū)動(dòng)器的微步細(xì)分?jǐn)?shù)選擇1 600步/轉(zhuǎn)。
PLC與各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接方式均采用脈沖加方向模式,其中PLC與驅(qū)動(dòng)器連接的一個(gè)電平輸出控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向,PLC與驅(qū)動(dòng)器連接另一高速脈沖輸出控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與角位移,通過該高速脈沖的頻率可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,同時(shí)設(shè)定輸出該脈沖的總數(shù)可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的角位移。
觸摸屏用來設(shè)置焊槍的x、y、z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù),包括焊接速度參數(shù)和焊槍擺動(dòng)參數(shù)。采用觸摸屏的人機(jī)對(duì)話界面,不僅替代了傳統(tǒng)的依靠控制面板與鍵盤的參數(shù)設(shè)置方式,且簡(jiǎn)化了PLC的控制程序。
由于中部槽屬于中厚板,需要采用適合中厚板的多層多道焊接方法來滿足較寬焊縫的焊接要求,因此把焊接過程分解為打底、填充、蓋面三個(gè)焊接工序。
焊接電流、電壓調(diào)整盒負(fù)責(zé)在焊接過程中微調(diào)兩把焊槍的焊接電流、電壓值的大小。使打底,填充,蓋面三個(gè)焊接工序?qū)?yīng)三組焊接電流、電壓,這樣每個(gè)焊接工序的電流、電壓就可以分別調(diào)整,方便了工人的操作。三組焊接電流、電壓的切換方法是通過PLC控制三組繼電器的通斷來選擇一組電流電壓旋鈕與焊接電源相連接。
由于觸摸屏安裝在控制柜上,操作起來不是十分靈活,控制龍門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)動(dòng)按鈕不宜通過觸摸屏來控制,而設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程操作盒彌補(bǔ)了觸摸屏控制焊接流程不靈活的缺點(diǎn),采用遠(yuǎn)程操作盒可以隨時(shí)走動(dòng)觀察焊接情況并采取相應(yīng)操作。
遠(yuǎn)程操作盒上應(yīng)裝有控制焊槍三維運(yùn)動(dòng)的按鈕。此外為了示教帶誤差的焊縫,在遠(yuǎn)程操作盒上裝有定位兩把焊槍焊接起點(diǎn)與終點(diǎn)的按鈕,也需要裝有起動(dòng)焊接過程的按鈕,而且工件焊接完成及需要翻轉(zhuǎn)焊接另一面時(shí),焊槍需要回歸零位,因此裝有回零鍵,此外還需裝有暫停鍵和急停鍵。據(jù)此設(shè)計(jì)出來的遠(yuǎn)程操作盒如圖4所示,由于焊接專機(jī)包含兩套焊槍,所以把一個(gè)定義為A,另一個(gè)定義為B。為了減少按鈕的數(shù)目,將ENTER鍵和起動(dòng)鍵作為復(fù)用功能鍵,當(dāng)焊槍在零位時(shí),按下起動(dòng)鍵,焊槍會(huì)自動(dòng)走到上次的起弧點(diǎn),而把ENTER鍵和起動(dòng)鍵同時(shí)按下則起動(dòng)焊接,此外在焊接過程中按下ENTER鍵,會(huì)暫停焊接,解決問題后,需按下起動(dòng)鍵繼續(xù)焊接。
圖4 遠(yuǎn)程操作盒示意
為了能分別調(diào)整三個(gè)焊接工序的焊接參數(shù),在觸摸屏上設(shè)計(jì)了打底參數(shù)窗口、填充參數(shù)窗口、蓋面參數(shù)窗口,此外還設(shè)計(jì)了工作參數(shù)窗口作為主窗口。當(dāng)需要設(shè)置三個(gè)焊接工序的參數(shù)時(shí),選擇工作參數(shù)窗口上的切換按鈕,進(jìn)入相應(yīng)界面完成參數(shù)設(shè)定與修改。此外在工作窗口上還設(shè)置了打底、填充、蓋面三個(gè)按鈕,在不同的焊接工序時(shí)按下相應(yīng)的按鈕作為當(dāng)前的工作狀態(tài)。
首先讓焊槍從零位走到上次焊接的起弧點(diǎn),由于每個(gè)工件的加工一致性差,每個(gè)工件的起弧點(diǎn)與收弧點(diǎn)位置不一致,所以接下來需要對(duì)焊槍進(jìn)行示教,分別重新定位A、B兩焊槍的焊接起點(diǎn)與終點(diǎn),以便在焊接過程中采用插補(bǔ)算法自動(dòng)補(bǔ)償偏移量。當(dāng)焊槍定位完焊接終點(diǎn)后,焊槍需要自動(dòng)回到新定位的起弧點(diǎn),然后在觸摸屏上選擇一個(gè)焊接工序并設(shè)置該工序的焊接運(yùn)動(dòng)參數(shù),并按下遠(yuǎn)程操作盒上的按鈕啟動(dòng)焊接。焊完一道后,焊槍要自動(dòng)回到焊接起弧點(diǎn)準(zhǔn)備下一道的焊接。焊接過程中如有問題需要按下遠(yuǎn)程操作盒上的ENTER鍵,這時(shí)龍門機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)并使兩個(gè)焊槍停止焊接,解決完問題后按下起動(dòng)鍵,焊槍會(huì)在原來的基礎(chǔ)上繼續(xù)焊接。此外焊槍在起弧點(diǎn)時(shí),如果焊接完成及工件翻轉(zhuǎn)需要按下回零鍵使焊槍回歸零位。如遇緊急情況,需要按下急停按鈕,這時(shí)焊接停止,松開急停后,按下回零鍵,系統(tǒng)回歸零位。焊接流程如圖5所示。
圖5 焊接流程
由于中部槽在制造和裝配時(shí)存在誤差,焊縫的終點(diǎn)在焊縫寬度方向上相對(duì)于起點(diǎn)有1~5 mm的偏移,所以需要示教焊縫,定位焊接起點(diǎn)和終點(diǎn),然后PLC采用插補(bǔ)方法來補(bǔ)償y軸方向的偏移,常用的插補(bǔ)運(yùn)算通常是運(yùn)算一步輸出一個(gè)脈沖,由于受到PLC的循環(huán)掃描工作方式及CPU速度的限制,這種插補(bǔ)運(yùn)算輸出的脈沖頻率很低,沒有實(shí)用價(jià)值。因此要采用適合于本設(shè)備的編程方法來實(shí)現(xiàn)偏移量為1~5 mm的直線插補(bǔ)。焊縫軌跡如圖6所示,焊接起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O點(diǎn),焊接終點(diǎn)為A點(diǎn)(xa,ya),偏移值為ya。
圖6 焊縫軌跡
該軌跡的斜率
焊槍沿焊縫軌跡OA的運(yùn)行速度,即焊接速度為
式中nx、ny為x、y方向的脈沖總數(shù);δx、δy為x、y方向的脈沖當(dāng)量,且都為0.01 mm;fx、fy為x、y方向的控制脈沖頻率;SOA為線段OA的長(zhǎng)度;T為線段OA插補(bǔ)所需時(shí)間。
經(jīng)整理式(2)得
將式(4)代入式(1)得
由于焊接速度vOA在觸摸屏上設(shè)置是已知變量,且焊接速度vOA約為4 mm/s,ya=1~5 mm,將其帶入式(4)、式(5)得fx=400,fy=0.27~1.33。
在x軸和y軸的插補(bǔ)頻率確定后,利用x方向的脈沖總數(shù)xa/δx作為直線插補(bǔ)的終止條件,當(dāng)x軸發(fā)出的脈沖總數(shù)等于該值時(shí),x軸與y軸均停止發(fā)送脈沖,插補(bǔ)結(jié)束。此外由于誤差偏移方向的不確定性,焊接終點(diǎn)A或者在x軸上方或者在x軸下方,那么需要根據(jù)ya的坐標(biāo)符號(hào)來判斷待插補(bǔ)的直線是在第一象限還是在第四象限。
本焊接專機(jī)的焊接方法選擇CO2氣體保護(hù)焊,焊接電源型號(hào)OTC-XD500S。
中部槽的中板與底板的材料均是NM360,槽幫的材料是ZG30SiMn。NM360的碳當(dāng)量CE≤0.60%[1]。ZG30SiMn的碳當(dāng)量CE=0.51%。
NM360與ZG30SiMn之間的焊接為異種合金鋼焊接,為防止焊接裂縫,選取的焊絲材料應(yīng)與焊接材料強(qiáng)度相當(dāng),具體型號(hào)為JQ.MG50-6。
坡口的大小應(yīng)按板厚要求進(jìn)行加工,采用半自動(dòng)火焰切割機(jī)對(duì)坡口進(jìn)行加工。
焊接變形是影響中部槽焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,因此焊接前應(yīng)在中部槽的兩端點(diǎn)焊拉筋,以防止焊接過程中產(chǎn)生較大變形。此外中部槽中板焊接屬于中厚板焊接,需要兩面開坡口,如果多層多道的焊接順序選擇不好,也會(huì)產(chǎn)生很大的變形。
最佳的焊接參數(shù)選擇應(yīng)達(dá)到如下的效果:焊接過程穩(wěn)定,飛濺最??;焊縫外形美觀,無焊穿、咬邊、氣孔和裂紋等缺陷;對(duì)兩面焊接的焊縫應(yīng)保證一定的熔深使之焊透;在保證上述要求的條件下,還應(yīng)具備最高的生產(chǎn)效率[2]。
同時(shí)中部槽焊縫在驗(yàn)收時(shí)以二級(jí)焊縫的質(zhì)量要求進(jìn)行驗(yàn)收,二級(jí)焊縫的質(zhì)量要求為:未焊滿小于等于1 mm,根部收縮小于等于1 mm,咬邊小于等于0.5 mm,且不允許裂紋、電弧擦傷、表面氣孔和表面夾渣,因此焊接規(guī)范的選擇應(yīng)滿足二級(jí)焊縫的質(zhì)量要求。
中部槽焊接屬于中厚板焊接,需要采用適合中厚板的多層多道焊接方法來滿足較寬焊縫的焊接要求。此外冷裂紋的產(chǎn)生是煤礦機(jī)械產(chǎn)生疲勞斷裂破壞的主要原因之一,采用快速多層多道焊,降低焊縫中的熱輸入,控制層間溫度可以有效地降低冷裂紋的產(chǎn)生。
對(duì)于中部槽中板的多層多道焊接,還需要考慮變形與效率這兩個(gè)因素。焊接時(shí)如果焊接完一面再用天車吊裝焊接另一面會(huì)產(chǎn)生很大的變形,如果每焊完一道就吊裝翻轉(zhuǎn)一次雖然可有效地防止變形,但會(huì)降低中部槽的焊接效率,因此要綜合考慮變形與效率這兩個(gè)因素,制定出合理的中板焊接順序。
經(jīng)過多次試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)先在正面焊一道,然后用天車吊裝翻轉(zhuǎn),在反面焊一道,然后再把工件吊裝翻到正面,把正面的焊縫多層多道焊完后,再吊裝翻轉(zhuǎn)把反面焊完。這樣焊出來的中部槽變形小,且吊裝翻轉(zhuǎn)次數(shù)相對(duì)較少,效率也較高。焊接順序如圖7所示,焊完中板后接著焊接底板,對(duì)于槽幫和底板的焊接屬于單面焊接,不存在吊裝翻轉(zhuǎn)的問題,槽幫和底板的焊接順序如圖8所示。
圖7 槽幫與中板的焊接順序
圖8 槽幫與底板的焊接順序
應(yīng)用本設(shè)備對(duì)中部槽進(jìn)行了焊接,焊接效果如圖9、圖10所示。焊縫成形好,整條焊縫沒有斷弧點(diǎn)。
圖9 槽幫與中板的焊接
圖10 槽幫與底板的焊接
(1)基于PLC的控制系統(tǒng)采用示教和直線插補(bǔ)的辦法,控制焊接軌跡,可以解決因裝配和工件加工誤差導(dǎo)致的焊不準(zhǔn)等問題。
(2)所研制的自動(dòng)化焊接設(shè)備大大提高了工作效率,減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,避免了因人為因素造成的質(zhì)量問題,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
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Design of automatic welding equipment for middle trough
BAO Chao,ZHANG Jun,BAI Li-lai,LI Qiang
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing Univercity of Technology,Beijing 100124,China)
The middle trough of the scraper conveyor is a key component in the coal mining machinery,Its welding quality directly determined the amount of coal over the scraper conveyor.In order to solve automatic welding problem caused by the manufacturing error and assembly error of parts of the middle trough,we designed a multi-axis motion platform based on PLC automatic control system and servo drive.This paper respectively introduced the mechanical structure and working principle of the device,as well as the hardware components and software design of the electrical part.In order to compensate for the error of the welding of the middle trough,using teaching method to get welding start point and end point first,then using linear interpolation algorithm to achieve multilayer multi-pass welding of the middle trough.Through Experiments,we got a well welding specifications,the experiments showed that the welding equipment of design achieved automated and high efficient welding,the work efficiency was improved.
middle trough;automatic welding;PLC;linear interpolation
book=6,ebook=25
TG409
A
1001-2303(2012)06-0067-06
2011-01-19;
2012-03-16
鮑超(1987—),男,北京人,碩士,主要從事焊接裝備自動(dòng)化方面的工作。