基于PLC的MIG/MAG自動(dòng)焊設(shè)備研制

宋金虎

(山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206)

基于PLC的MIG/MAG自動(dòng)焊設(shè)備研制

宋金虎

(山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206)

不銹鋼消毒罐由筒節(jié)和左右封頭焊接而成。針對(duì)不銹鋼消毒罐環(huán)縫焊接的需要，研制了一套自動(dòng)焊接設(shè)備，該設(shè)備包括機(jī)架、工件夾緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、焊接小車和送絲機(jī)構(gòu)等，采用MIG／MAG焊接，擁有兩套焊槍，可同時(shí)完成兩道環(huán)縫的焊接；控制系統(tǒng)以PLC為核心，由PLC、觸摸屏顯示器、變頻器，繼電器等組成，有多種焊接模式和多套焊接規(guī)范可供選擇，該自動(dòng)焊設(shè)備適應(yīng)性強(qiáng)，焊接質(zhì)量高，操作簡(jiǎn)單方便，效率高。

PLC；自動(dòng)焊機(jī)；研制

0 前言

不銹鋼醫(yī)用消毒罐是一個(gè)壓力容器，罐體由左右封頭和筒節(jié)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?？v、環(huán)縫焊接是關(guān)鍵工藝之一，許多企業(yè)采用焊條電弧焊工藝，工作量大、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、焊接質(zhì)量不易保證。因此，縱、環(huán)縫焊接是提高焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率的一個(gè)瓶頸。

針對(duì)消毒罐生產(chǎn)的需要，研制出一套自動(dòng)焊接設(shè)備，該設(shè)備包括機(jī)架、工件夾緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、焊接小車和送絲機(jī)構(gòu)，采用MIG／MAG焊接方法，擁有兩套焊槍，可同時(shí)完成兩道環(huán)縫的焊接；控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，由PLC、觸摸屏顯示器、變頻器，繼電器等組成，提供了5種焊接模式和100多套焊接規(guī)范，使該自動(dòng)焊設(shè)備適應(yīng)性強(qiáng)，焊接質(zhì)量高，操作簡(jiǎn)單方便，效率高?？朔艘酝止ず干a(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、質(zhì)量不易保證等缺點(diǎn)，可以滿足消毒罐對(duì)焊接質(zhì)量的要求。

圖1 罐體結(jié)構(gòu)示意

1 自動(dòng)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化設(shè)備由機(jī)架、工件夾緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、焊接小車及送絲機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 機(jī)架

機(jī)架由機(jī)座12、立梁10和橫梁1組成，對(duì)整個(gè)焊接裝置起支撐作用。機(jī)座左側(cè)安裝工件夾緊旋轉(zhuǎn)主軸箱13，右側(cè)安裝工件后尾夾緊機(jī)構(gòu)9，中部安裝罐體支撐滾輪11；橫梁1上安裝焊接小車橫向?qū)к?，導(dǎo)軌8上安裝焊接小車7；焊接小車7包括橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)6、焊槍橫向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)2、焊槍提升機(jī)構(gòu)4、手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3和送絲機(jī)構(gòu)。

圖2 MIG／MAG焊自動(dòng)焊設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

1.2 工件夾緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

工件夾緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)主軸箱、工件支撐滾輪和后尾夾緊機(jī)構(gòu)組成，其作用是夾緊工件并使工件做360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以完成環(huán)焊縫的焊接。主軸箱是一個(gè)采用齒輪傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由卡盤、空心軸、軸承、大小齒輪和交流電動(dòng)機(jī)組成，采用光電編碼器來定位工件的旋轉(zhuǎn)角度。后尾夾緊機(jī)構(gòu)由卡盤、電動(dòng)機(jī)、絲杠和直線導(dǎo)軌組成，依靠絲杠傳動(dòng)來完成機(jī)構(gòu)的橫向移動(dòng)。工件支撐滾輪給工件提供額外支撐，保證工件在整個(gè)焊接過程中平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，避免焊接過程中因震動(dòng)而出現(xiàn)焊縫錯(cuò)位缺陷。

1.3 焊接小車

為滿足罐體焊接工藝要求，設(shè)計(jì)了兩套焊接小車，采用MIG／MAG焊方法，可同時(shí)完成罐體兩道環(huán)縫的焊接。焊接小車又包括小車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊槍擺動(dòng)提升機(jī)構(gòu)以及焊槍夾緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

(1)小車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)。焊接小車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)由直流伺服電動(dòng)機(jī)、行走齒輪和齒條導(dǎo)軌組成，利用齒輪齒條傳動(dòng)原理完成小車橫向移動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪通過與齒條的嚙合將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼闹本€運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)小車在軌道上行走。

(2)焊槍擺動(dòng)提升機(jī)構(gòu)。為使焊縫兩側(cè)充分熔透，成形美觀，需要焊槍左右擺動(dòng)，并能在焊縫兩側(cè)及中間作短暫停留，擺動(dòng)頻率、幅度及停留時(shí)間均可通過控制系統(tǒng)人為設(shè)定。為了完成厚壁管的連續(xù)多層焊，每焊完一層焊道，需要提升機(jī)構(gòu)自動(dòng)將焊槍提升一定高度后繼續(xù)后層焊道的焊接。焊槍的擺動(dòng)和提升均采用絲杠螺旋副傳動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作執(zhí)行元件，通過絲杠將擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)和提升電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為焊槍橫向和縱向直線運(yùn)動(dòng)。

(3)焊槍夾緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。焊槍夾緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由一組多自由度夾具組成，可以方便地調(diào)節(jié)焊槍的橫向位置、高度和角度，以實(shí)現(xiàn)焊槍偏置距離、傾角以及焊縫對(duì)中的調(diào)節(jié)。

1.4 送絲機(jī)構(gòu)

送絲機(jī)構(gòu)采用拉絲式機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，送絲力矩大，可適用于φ 0.8～φ 1.2 mm的焊絲。

2 自動(dòng)化設(shè)備的工藝過程

首先檢查設(shè)備狀態(tài)，將待焊工件裝至工位并夾緊，設(shè)定好焊接工藝參數(shù)，然后按下按鈕，接通焊接電源，打開保護(hù)氣體，當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)已經(jīng)載入相應(yīng)程序后，便可進(jìn)行焊接。焊接過程停止后，松開工件卸料。焊接過程中，如果遇到緊急情況，按“焊接停止”按鈕，焊接過程將強(qiáng)行停止，待清除故障后，再按“焊接起動(dòng)”按鈕，焊接過程可繼續(xù)進(jìn)行。環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)的工藝過程如圖3所示。

圖3 MIG／MAG自動(dòng)焊機(jī)的工藝過程

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏顯示器、變頻器、繼電器等組成，完成對(duì)各個(gè)電動(dòng)機(jī)、氣缸的動(dòng)作控制，以及焊接參數(shù)的設(shè)定、存儲(chǔ)、修改、調(diào)用等程序控制。由于設(shè)備工作環(huán)境惡劣，控制系統(tǒng)所要控制的動(dòng)作步驟復(fù)雜、控制精度高等特點(diǎn)，控制系統(tǒng)選用適合于工業(yè)控制的可編程控制器，型號(hào)為三菱公司的FX2N-32MR-001。

FX2N系列PLC是FX系列中最高級(jí)的模塊。它擁有高速度、高級(jí)的功能、邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn)，具有32個(gè)I／O點(diǎn)基本單位，繼電器輸出。

PLC在系統(tǒng)中的主要功能是協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)按照焊接要求進(jìn)行工作，因此，它既要完成各種邏輯控制，還要進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控。消毒罐環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)控制系統(tǒng)示意如圖4所示。

圖4 MIG／MAG自動(dòng)焊設(shè)備控制系統(tǒng)示意

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，采用E6A2-CS5C型編碼器為傳感器，其電源電壓為直流24 V，每旋轉(zhuǎn)一周，編碼器輸出360個(gè)脈沖。將編碼器安裝在輸出軸上，便可以檢測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)角度。編碼器的輸出脈沖通過PLC的X0口輸入。此外，采用光電二極管作為指示燈分別表示焊接電源工作、工件旋轉(zhuǎn)位置等狀態(tài)。手動(dòng)控制主要是系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)備維修時(shí)使用，通過控制臺(tái)面板上的手動(dòng)控制按鈕可分別操作各工序。整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)為數(shù)字量和模擬量，輸出負(fù)載信號(hào)均為數(shù)字量(分負(fù)載信號(hào)和指示信號(hào))。輸入、輸出接口安排如表1所示，其硬件接線如圖5所示。

工件定位過程中完成三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：焊接小車橫向移動(dòng)、工件在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直方向運(yùn)動(dòng)，均由交流伺服電機(jī)通過伺服驅(qū)動(dòng)模塊和CNC輸出點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制指令所要求的動(dòng)作過程。

焊接加工過程中所需要的焊接電源和相應(yīng)的送絲機(jī)構(gòu)都有直接的遠(yuǎn)程控制接口，可以通過接口電路送至PLC的端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)起弧、熄弧、電流切換等的控制。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

焊接程序分為單層焊、多層焊、堆焊、打底焊、填充蓋面焊五種模式，系統(tǒng)可存儲(chǔ)100多套焊接規(guī)范。焊接時(shí)，只需輸入工件規(guī)格型號(hào)或直接調(diào)用規(guī)范序號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)按照預(yù)定規(guī)范參數(shù)完成整個(gè)焊接過程，且焊接過程中能實(shí)時(shí)修改和調(diào)節(jié)參數(shù)。

表1 PLC輸入、輸出接口分配

圖5 自動(dòng)焊PLC系統(tǒng)接線

控制程序主要包含以下五個(gè)功能模塊：a.手動(dòng)調(diào)整功能模塊。通過調(diào)節(jié)主控箱面板上的按鈕、開關(guān)，可調(diào)整設(shè)備的狀態(tài)，并具有示教功能；b.自動(dòng)焊接功能模塊。PLC控制的自動(dòng)焊接程序和外部MIG／MAG焊弧焊電源結(jié)合在一起可以完成焊縫的打底焊、填充焊及蓋面焊接，焊接完成后系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)；c.急?？刂颇K。出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，按下急停按鈕，PLC能復(fù)位外部設(shè)備；d.監(jiān)控供氣系統(tǒng)是否正常工作。PLC的一個(gè)端口通過氣流開關(guān)采集氣流信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)氣流不足時(shí)，禁止系統(tǒng)工作(并且能夠中止正在進(jìn)行的焊接過程)；e.出現(xiàn)起弧不成功或者中途熄弧時(shí)的處理。如果雙槍焊接有一處起弧不成功，或者中途熄弧時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)停機(jī)。

5 自動(dòng)化設(shè)備性能特點(diǎn)

(1)擁有兩套焊槍，能夠同時(shí)完成罐體兩道環(huán)縫的焊接，充分保證了罐體對(duì)焊接質(zhì)量的要求。

(2)焊槍擺動(dòng)提升機(jī)構(gòu)可以使焊槍在焊接過程中根據(jù)需要左右擺動(dòng)，并且在不?；〉那闆r下自動(dòng)提槍，本套裝置完全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)厚壁罐體的連續(xù)多層焊，大大提高焊接效率。

(3)通過觸摸屏提供了友好的人機(jī)界面，在焊接過程中實(shí)時(shí)可調(diào)所有的焊接參數(shù)。

(4)焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)可存儲(chǔ)上百套規(guī)范參數(shù)，焊接時(shí)直接調(diào)用規(guī)范號(hào)即可按設(shè)定參數(shù)進(jìn)行焊接，并且可通過人機(jī)界面對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加、刪除、修改及查詢等操作。

(5)每個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，互不干擾、精度高、運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

6 結(jié)論

MIG／MAG自動(dòng)焊機(jī)能夠同時(shí)完成罐體兩道環(huán)縫的焊接?？刂葡到y(tǒng)以PLC為控制核心，提供了多種焊接模式、友好的人機(jī)界面和焊接規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)，使焊機(jī)功能強(qiáng)大、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單。該焊機(jī)焊接效率高，焊縫成形好，完全能夠滿足罐體環(huán)縫焊接工藝要求和性能要求，有較高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

Development of automatic MIG／MAG welding machine based on PLC

SONG Jin-hu
(Shandong Transport Vocational College，Weifang 261206，China)

Stainless steel disinfection tank consists of a tube section and left，right shell cover by welding.Developed an automatic welding machine for stainless steel disinfection tank production.The automatic welding machine comprises a frame，a workpiece clamping rotation mechanism，a welding dolly and the wire feeding mechanism，using MIG／MAG welding method,and the machine has 2 sets of automatic welding equipment，can completing two girth welding in the same time.The control system consists of PLC，touch screen display，frequency converter，relay etc，provide a choice of various welding mode and multiple sets of welding specification，so that the automatic welding equipment has strong adaptability，high welding quality，simple and convenient operation，high efficiency.Key words：PLC；automatic welding machine；development

TG434.5

B

1001-2303(2012)07-0044-04

2012-03-22

發(fā)明專利：專利號(hào)ZL2009202823718

宋金虎(1967—)，男，山東濰坊人，副教授，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造、機(jī)械裝備技術(shù)以及焊接自動(dòng)化技術(shù)的研究工作。