砼桿自動焊接設備的研制

屈保中 ，曹文思 ，張國志

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000；2.華北水利水電學院，河南 鄭州 450011；3.河南送變電站建設公司，河南 鄭州 450006；4.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

0 前言

目前，國內送電工程中混凝土桿的焊接一般采用人工直流、交流焊接。將要焊接的混凝土桿段下面用墊土的方法把整條電桿調整在一條直線上，在焊接部位的地面挖坑，工人在坑中完成桿段接口處的焊接。焊接時工人的體位受到限制，且焊接煙塵不易散開，不但勞動強度大，煙塵對工人的危害也比較嚴重。焊接工藝受操作手焊接水平、混凝土桿段下面墊土不均勻沉降等因素的影響，容易出現(xiàn)焊接外觀工藝不穩(wěn)定、焊口散熱不良，導致焊口附近的砼表面產(chǎn)生裂紋、焊后整條電桿出現(xiàn)彎曲等問題。

隨著電力事業(yè)的發(fā)展，在混凝土桿的焊接施工中，研制能夠自動焊接砼桿的裝置取代以往的人工操作將具有較大的實用價值，此工藝將提高焊接質量，減輕工人勞動強度。

1 系統(tǒng)組成

砼桿自動焊接的原理來自于管—管全位置自動脈沖熔化極氣體保護焊接，此種焊接方式廣泛用于石油管道，電廠的水、汽管道的自動焊接中[1-2]。系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構成。硬件組成如圖1所示，主要包括發(fā)電機、焊機、主控制器、焊接擺動器、全位置焊接小車、專用焊接軌道和自動送絲機構等。軟件將上述設備集成為一體，在一個中央控制器的管理下，實現(xiàn)砼桿的全位置焊接。

圖1 砼桿自動焊接設備系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件選擇

2.1 控制器選型

控制器是砼桿自動焊接設備系統(tǒng)的核心部件，其擔負著幾個方面的任務：

（1）控制送絲機構起停、行走機構起停、機頭調整機構起停、焊機起停、按鈕指令輸入、指示燈輸出等動作控制，這一類均屬于開關量輸入輸出動作，需要在軟件內部實現(xiàn)必要的聯(lián)鎖、輸入、輸出、延時、邊沿判斷等邏輯控制。

（2）電弧弧光采樣輸入、焊接電流給定輸出、送絲速度給定輸出、焊接小車速度給定輸出等模擬量采集輸入和控制輸出。

（3）按照選定的周期定時中斷，調用PID調節(jié)運算子程序，快速計算并輸出控制值，完成閉環(huán)控制，這是最重要的任務。必須保證其中斷的優(yōu)先權和定時周期的準確性，這也對PLC系統(tǒng)CPU單元的運算速度提出了要求。

（4）定時完成與智能人機界面TD400C的數(shù)據(jù)交換，實時顯示焊接電壓、電流、速度等參數(shù)，使操作人員觀察；同時也要快速讀入操作人員在人機界面上設定的焊接電壓、電流、速度、PID值等給定量數(shù)值，便于隨時調整工藝參數(shù)。

（5）通過自身的RS485通訊接口與PC通訊，用于程序修改、下載和運行中變量的實時觀測。

2.1.1 控制器類型選擇

目前可以選擇以繼電器、PLC、通用計算機等為核心的控制器。

與繼電器控制系統(tǒng)相比較，PLC控制系統(tǒng)各種控制功能是通過編制程序來實現(xiàn)的；適應性強，只需修改程序即可；控制速度快，可靠性高；使用壽命長，有較好的可擴展性，日常維護工作量小等。

與計算機控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)只需要較簡單的監(jiān)控軟件，價格較低，可擴展性較好。

經(jīng)過長時間的技術改造和較長時間的實踐，PLC與一般工業(yè)控制計算機相比優(yōu)勢明顯，原因是PLC專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。

（1）加入了光電耦合隔離和RC濾波器，有效地防止了干擾信號的進入。

（2）內部采用電磁屏蔽，防止輻射干擾。

（3）采用優(yōu)良的開關電源，防止電源引入的干擾。

（4）良好的自診斷功能，對CPU等內部電路進行監(jiān)測，一旦出錯，立即報警。

（5）對程序和有關數(shù)據(jù)用電池供電進行后備，一旦斷電或運行停止，有關狀態(tài)和信息不會丟失。

（6）采用的器件都進行了嚴格的篩選和簡化，排除了因器件問題而造成的故障。

2.1.2 控制器型號選取

鑒于對系統(tǒng)可靠性要求較高，選用品質優(yōu)良的德國西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200系列小型PLC系統(tǒng)。該系列性能可靠，設計合理，體積小巧，指令功能豐富，運算速度較快，價格低廉，多功能、多用途，具有很高的性價比[3]。特別是其提供基于WINDOWS的編程軟件STEP7-WICRO/WIN32，易于使用，結構清晰，并有豐富的在線變量監(jiān)測功能，方便了今后的調試工作。根據(jù)砼桿自動焊接設備的要求，最終選擇S7-200的224XPCPU（晶體管輸出）。

2.1.3 擴展模塊的選型

由于S7-200的224XP CPU僅有一個模擬量輸出，需要擴展模擬量輸入輸出模塊。本系統(tǒng)選擇10位的D/A模塊EM232CN，其相應的輸出量為焊接小車、焊接電壓、電流等模擬量輸出；選擇12位的A/D模塊EM231，其相應的輸入量為電壓、電流等模擬量輸入。

2.1.4 人機界面和設備選型

西門子PLC與西門子TD400C觸摸屏采用直接CPU連接，采用RS485高速PPI通訊方式直接與CPU連接，STEP7 micro/win 4.0 SP4中文版組態(tài)，HMI程序存儲于PLC，無需單獨下載，便于維護。人機界面是控制系統(tǒng)設備運行的操作平臺，主要有設備運動控制、焊接工藝參數(shù)設置、設備運動參數(shù)設置、焊接操作指令、焊接程序運行監(jiān)控和報警以及反饋故障代碼等功能。

2.2 傳感器選型

焊槍可靠跟蹤焊縫坡口是實現(xiàn)全位置自動焊接最為關鍵的問題之一，而檢測焊縫坡口位置的傳感器選擇是解決該問題的關鍵。由于焊接過程中存在焊接弧光、高頻脈沖、焊接發(fā)熱等干擾，造成了傳感器選擇上的困難。

常用的焊縫坡口檢測方法有視覺處理系統(tǒng)和焊接電弧傳感器兩種。視覺處理系統(tǒng)（如Kyence CV3000）具有設備精密、精度高和處理速度快等優(yōu)點，但價格昂貴，對現(xiàn)場要求條件較高，特別是對焊接飛濺敏感；為防止損壞傳感器需使其提前檢測一段距離，無法實現(xiàn)實時檢測；焊接電弧傳感器可直接安裝在焊頭位置，精度較高，但無實用產(chǎn)品需要定做，可靠性有待驗證。

數(shù)字渦電流傳感器可直接安裝在焊頭位置，精度高，取樣速度高，造價低廉。

本設計選擇歐姆龍直流三線式（E2E-X10ME）傳感器判別小車位置，進而確定焊接參數(shù)；采用歐姆龍E3Z-T61傳感器檢測弧光信號，用于判斷在焊接過程中是否出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象，進而為進一步操作提供觸發(fā)；Kyence EX-422V數(shù)字渦電流傳感器用于焊縫坡口檢測。

數(shù)字渦電流傳感器焊槍跟蹤焊縫坡口步驟為：

（1）在焊接開始前，將焊接小車繞焊縫位置旋轉一周。

（2）在圓周上設置24個采樣點，采集各個采樣點的坡口寬度和針對基準位置的偏移量。

（3）將采集信號存儲到控制器。

（4）在相鄰采樣點之間，根據(jù)偏移情況設置焊槍在區(qū)間上的運動方式。由于焊縫偏移量較少，可將焊槍在區(qū)間中按照偏移量平均移動。

經(jīng)大量實驗，采用本方法可以實現(xiàn)焊槍對焊縫位置的跟蹤。

2.3 運動控制選型

運動控制系統(tǒng)包括運動控制機構和運動控制器，是實現(xiàn)小車旋轉和絲杠運動的部件。

焊接運動機構包括焊接小車和焊把運動機構。

（1）焊接小車選型。

焊接小車機構包括直流電機、減速機構、外形和磁力輪。具體指標如表1所示。

表1 焊接小車指標

裝配完成后的焊接小車在直徑400 mm無縫鋼管上運行一周，中心偏差小于0.5 mm，在鋼管上旋轉下坡時行車沖動量小于0.5 mm。

（2）焊把運動機構選型設計選型。

為了實現(xiàn)焊把的運動，并實現(xiàn)較高的定位精度，本研究采用羅升KK605PE-350A2F直線模組和常州雙杰BYGH47步進電機。

（3）焊接小車調速系統(tǒng)設計。

焊接小車調速系統(tǒng)采用晶閘管調壓調速，通過PLC輸出模擬量控制直流電機的電壓輸入。其原理如圖2所示。

（4）焊把運動控制設計。

焊把運動控制采用晶閘管調壓調速控制系統(tǒng)和高細分、多狀態(tài)、高頻脈沖控制系統(tǒng)。通過PLC輸入方向信號、脈沖信號控制A相和B相輸出。步進電機驅動器的單片機電路和控制端子內電路見圖3。

2.4 焊接控制器

焊接控制器由焊接開關、焊接觸發(fā)電路板、焊接變壓器、交流電流互感器、送絲機等組成。主要完成焊接信號的檢測與傳輸、執(zhí)行PLC發(fā)出的工作指令。焊接觸發(fā)電路板安裝在逆變焊機中，焊接開關對焊點進行檢測、跟蹤，并通過觸發(fā)電路板觸發(fā)雙向晶閘管，再通過焊接變壓器產(chǎn)生瞬時強電流，對砼桿連接鋼圈實施焊接。送絲機選用南京頂瑞電機有限公司生產(chǎn)的CS201C送絲裝置，經(jīng)改裝可以進行手工操作和通過PLC控制操作。

圖2 直流電機控制器原理

圖3 步進電機驅動器的單片機電路和控制端子內電路

焊接控制器的關鍵問題主要包括：焊接速度與焊接小車的旋轉速度的匹配問題；不同焊接位置參數(shù)設置問題。主要歸結為焊接參數(shù)（焊接電流、電壓、焊頭擺動速度、焊頭擺幅、送絲速度、CO2氣體流量）和焊接位置之間的配合問題。

焊接參數(shù)的調節(jié)由PLC控制器完成。焊接電流和電壓通過PID控制方法給定合適的高頻脈沖信號；焊頭運動通過PLC控制直線模組實現(xiàn)焊頭的擺動速度和擺幅的設置；送絲速度則根據(jù)焊接參數(shù)，通過控制送絲的直流電機實現(xiàn)。具體試驗流程為：

（1）設計了工裝架，將圓周焊接分為6段，即：仰焊、仰爬坡、仰立焊、俯立焊、俯爬坡、平焊。

（2）在每段上進行大量的實驗，取得合理的參數(shù)。

（3）在直徑為380 mm的鋼管上進行實驗焊接，進行參數(shù)的驗證和調整。

（4）在砼桿上焊接，進行最后的參數(shù)調整。

2.5 通訊接口

本系統(tǒng)采用兩種串口通信方式，分別為RS232、RS458通信。上位機只要具備一個標準的RS232通信接口，即可實現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)交換。RS422接口以差動方式傳輸，具有傳輸距離長、抗干擾能力強的特點。利用RS422通信，可以快速準確地進行PLC與文本顯示器之間的通信。通過TD400C來監(jiān)控和操作，可以直觀地顯示各種運行參數(shù)和故障代碼，從而便于操作與維修；系統(tǒng)的抗干擾能力強，傳輸距離遠，可靠性強，配線簡單整潔。

2.6 導軌的設計

根據(jù)砼桿的尺寸和對焊接具體位置的要求，對導軌進行了設計。將導軌設計為兩個半圓形拼接而成的圓形導軌；導軌表面有兩個凹槽，為焊接小車的導向槽；為減輕導軌質量，同時確認焊接位置，將導軌沿圓周均布開12個孔。緊固旋鈕用于緊固軌道和砼桿，調平旋鈕用于對心軌道和砼桿。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

程序分為一個主程序和四個主子程序，分別是初始化子程序、手動子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、焊接子程序。主程序用于根據(jù)當前用戶的操作，選擇合適的子程序操作，主程序流程如圖4所示。

焊機控制系統(tǒng)程序劃分為五個模塊，每個模塊完成一個特定的任務。為了保障程序和設備的安全、穩(wěn)定運行，程序初始化成功后，就進行中斷子程序目的是讓其能夠監(jiān)控全局，對突發(fā)事件進行緊急處理，以便在隨后的繼續(xù)運行中保持中斷之前的狀態(tài)。例如，當出現(xiàn)故障時可以暫停，對照顯示屏上的故障代碼，排查故障。故障解決后，繼續(xù)運行。

數(shù)據(jù)處理子程序主要完成數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)恢復等功能。PLC根據(jù)當前焊件規(guī)格，初始化合理的焊接速度、焊接電流和焊把擺動參數(shù)。

圖4 主程序框圖

4 焊接過程中的冷卻問題

為了防止焊接中受熱不均造成砼桿裂縫，采用交替焊接、交替冷卻的新工藝。具體步驟如下：

（1）在起始位置對砼桿進行打底焊接，實時檢測位置。

（2）半周焊完后，返回起弧位置，進行另一半周焊接，退回起弧位置。

（3）觸發(fā)填充焊接，依次進行蓋面，直到焊接完成，給出焊接完成信號，重新初始化程序，以便進行下一工件焊接。

5 結論

砼桿全位置自動焊接設備主要由焊機、主控制器、焊接擺動器、全位置焊接小車、專用焊接軌道、傳感器和自動送絲機等構成。通過對焊接小車位置、焊縫坡口和焊接電壓、電流的檢測，利用PLC技術和PID控制方法，實現(xiàn)砼桿連接件的全位置自動化焊接。此種焊接方式能夠解決焊口附近砼的焊后裂紋問題，從根本上消除焊后砼桿變形。

[1]楊學兵，唐 偉.窄間隙TIG/MAG/SAW焊接技術[J].電焊機，2010，40（7）：14-19.

[2]張 濤，桂衛(wèi)華，王隨平.熔化極氣體保護焊的直接自適應控制[J].焊接學報，2010，31（4）：25-28.

[3]滕 飛，李紅星，王繼文.S7_300PLC在水泥粉磨站控制系統(tǒng)中的應用[J].制造業(yè)自動化，2010，9（33）：23-26.