螺柱焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計與功能優(yōu)化

王 超

（1.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇淮安，223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安，223003）

螺柱焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計與功能優(yōu)化

王 超1，2

（1.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇淮安，223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安，223003）

為了實現(xiàn)大直徑螺柱焊的自動化，提出了一種基于三菱可編程控制器MELSEC IQ-F驅(qū)動伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)以及氣動裝置的自動化螺柱焊系統(tǒng)，在詳細(xì)分析螺柱焊確定自動焊接的過程，給出系統(tǒng)整體實現(xiàn)方案。給出了三臺PLC控制11臺伺服電機(jī)的的拓?fù)鋱D。給出單工位工作時的系統(tǒng)的動作順序圖，提供了一個良好的操作界面。經(jīng)實際運行證明設(shè)計可行。針對焊接中弧偏吹現(xiàn)象、焊縫受材料及外界干擾等現(xiàn)象，采取齒型雙銅極來實現(xiàn)左右電極接觸面相等，提升焊接效果，加裝軟橡膠實現(xiàn)自動糾正接觸面不平等情況，產(chǎn)品經(jīng)廠家使用證明，焊接的產(chǎn)品達(dá)到了企業(yè)的要求，極大的提升了焊接的質(zhì)量和工作效率。

螺柱焊；單工位動作順序；齒型雙銅極；弧偏吹

0　引言

隨著機(jī)電設(shè)備自動化的不斷發(fā)展，人們的職業(yè)健康意識不斷增強(qiáng)，原有的手工螺柱焊，面臨著對人體健康的傷害、焊接質(zhì)量無法保障、焊接效率低和成本高等問題。通過自動化裝置實現(xiàn)批量上料、下料、定位、夾緊、焊接，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，提高焊接效率，降低企業(yè)的營運成本，在當(dāng)前顯得尤為重要。按需求，整個設(shè)備分為左右雙工位，左右工位可獨立進(jìn)行焊接工作，也可同步配合工作。由上料料盤、雙軸取料機(jī)械手、雙軸焊接機(jī)械手以及型材拉料機(jī)械手構(gòu)成單個工位，左右工位共享一個型材拉料機(jī)械手。這些機(jī)械手間的同步運行是設(shè)計的重點和難點，設(shè)計中采用Ethernet技術(shù)，通過PLC內(nèi)置Ethernet端口實現(xiàn)PLC和上位機(jī)以及PLC間的連接，很好的解決了伺服電機(jī)同步問題。由于目前的論文和產(chǎn)品主要面向的對象棒料直徑較小，本設(shè)計解決了當(dāng)直徑可達(dá)10～16mm時，通過采用齒型雙銅極和加裝軟橡膠等措施，減小因直徑增大而引起的弧偏吹現(xiàn)象、焊縫受材料表面質(zhì)量等問題，經(jīng)試驗本設(shè)備實現(xiàn)了螺柱焊自動化改造，同時保障焊接質(zhì)量，提升工作效率，降低了企業(yè)成本。

1　技術(shù)基礎(chǔ)

Ethernet網(wǎng)絡(luò)即所說的以太網(wǎng)，它是工廠自動化領(lǐng)域用于信息管理層上的網(wǎng)絡(luò)，它的通信速率高，可達(dá)100M bps，以太網(wǎng)模塊使PLC可以作為工廠局域網(wǎng)的一個節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺計算機(jī)都可以實現(xiàn)對它的控制，同時PLC之間也可以互聯(lián)。IEEE制定的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)給出了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定了包括物理層的連線、電信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型拓?fù)?，但目前的快速以太網(wǎng)（100BASE-T、1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)）為了最大程度的減少沖突，最大程度的提高網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率，使用交換機(jī)（Switch hub）來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織，這樣，以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成了星型，但在邏輯上，以太網(wǎng)仍然使用總線型拓?fù)浜虲SMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 即帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問）的總線爭用技術(shù)?；贓thernet技術(shù)，有利于連接在Ethernet網(wǎng)絡(luò)上計算機(jī)對PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控，有利于在PLC之間和PLC與計算機(jī)之間發(fā)送FINS信息，使用Ethernet Fins Gateway能夠不必編寫FINS指令程序而直接管理信息。使用FTP在CPU單元的存儲卡和計算機(jī)存儲器之間傳送文件。處在網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點可以通過網(wǎng)關(guān)通信，通過FINS指令可實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的連接。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)整體方案

焊接采用機(jī)械化的自動焊接，將預(yù)先放置好的螺柱與型材焊接在一起。型材由人工送上輸送線，并推送到拉料機(jī)械手初始位置，通過腳踩氣動閥控制拉料機(jī)械手單線夾緊與松開。螺柱棒料由人工穿上陶瓷環(huán)后放置于上料盤的V槽內(nèi)，通過輸送機(jī)的前后進(jìn)級，每次提供一排料，普通短料可放置80只。輸送到位的料由取料機(jī)械手一次取一件的方式夾取，夾取后提升，提升至一定的高度時，取料機(jī)械手自動翻轉(zhuǎn)90度，然后橫向移動送入定位完成的焊接機(jī)械手的位置，由焊接機(jī)械手，夾住螺柱，陶瓷環(huán)會自動下滑至型材表面，由陶瓷環(huán)機(jī)械手夾住，取電電極自動下降至接觸到螺柱上端，接觸到位后，焊接機(jī)械手整體下降至螺柱引弧端與型材表面接觸后停止下降并反饋接觸信號，再由系統(tǒng)控制給出起弧電壓與電流，焊接機(jī)械手按系統(tǒng)設(shè)置提升一定起弧高度并穩(wěn)定一段時間，然后焊接機(jī)械手下壓，下壓完成后系統(tǒng)控制使焊機(jī)進(jìn)入收弧狀態(tài)，收弧完成后焊接機(jī)械手與陶瓷環(huán)機(jī)械手張開然后回退至安全位置，取電電極上升至頂，拉料機(jī)械手將夾住的材料拉動一定的距離，進(jìn)入下一個焊接循環(huán)動作，直至整只型材的焊接完成。

2.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

現(xiàn)根據(jù)螺柱焊接機(jī)械部分的設(shè)計要求，共涉及11個伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)以及一些氣動裝置，為了實現(xiàn)伺服電動機(jī)的同步運行，選用MELSEC iQ-FFX5U系列可編程控制器。

FX5U系列與FX3U相比，搭載了高速CPU，實現(xiàn)1.5k字節(jié)/ ms的通信速度，即使擴(kuò)展使用多臺智能模塊時，也可最大限度的發(fā)揮其作用。最大可擴(kuò)展16塊智能擴(kuò)展模塊，內(nèi)置2入1出模擬量功能，內(nèi)置以太網(wǎng)接口及4軸200kHz高速定位功能?？蓪崿F(xiàn)每根軸同步起動、停止的控制，通過同步編碼器，或?qū)崿F(xiàn)4 軸同步運行。

內(nèi)置Ethernet端口通過Ethernet通信端口在網(wǎng)絡(luò)上最大可以連接8臺電腦或設(shè)備，可實現(xiàn)連接多臺電腦和相關(guān)設(shè)備。并可對應(yīng)遠(yuǎn)程設(shè)備的維護(hù)或與上位機(jī)之間的無縫SLMP通信，非常有效。

本工程使用3臺三菱可編程控制器MELSEC IQ-F.，分別做主站點和從站點之用，各個站點之間通過Ethernet進(jìn)行鏈接并通過操作臺上的觸摸屏實現(xiàn)同時控制，這種方法的連接優(yōu)點是各個PLC之間、PLC與觸摸屏之間可以迅速的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，可將系統(tǒng)的控制五個分步。

第一步焊件上料，能夠滿足直徑10～16mm的棒料，帶帽與不帶帽的螺柱都可使用都能

實現(xiàn)上料。第二步機(jī)械手夾緊工件， 由上料機(jī)械手將上好陶瓷環(huán)的棒料夾住，精準(zhǔn)的輸送到焊接機(jī)械手的夾鉗處，氣動焊接機(jī)械夾鉗夾緊螺柱，氣動取電電極下壓送電，自動上料機(jī)械手松下夾鉗回初始取料位。第三步裝陶瓷環(huán)，直接由人工上棒料時，將一次性的陶瓷環(huán)裝到螺柱上，然后放置于料盤上，等待自動機(jī)械手取料，第四步焊接，上料機(jī)機(jī)械手上完料后，焊接機(jī)械手將實現(xiàn)夾住陶瓷環(huán)與螺柱，電極下壓取電，然后機(jī)械手向下壓初定位后，上提，起弧，下壓，回安全位置的動作。第五步焊接，螺柱上料守成后，整個機(jī)械手帶動螺柱，實現(xiàn)上提--起弧--下壓--冷卻--松下--后退到安全位置--拉料機(jī)械手拉料--型材由定位臺限制型材的四個面防變形、定位偏差。

圖2所示的流程圖即單工位工作時的系統(tǒng)的動作順序圖，可在觸摸屏界面進(jìn)行工位選擇，可根據(jù)實際生產(chǎn)需要選擇合適的工位?？刂葡到y(tǒng)將根據(jù)上述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流程圖進(jìn)行程序編寫以及人機(jī)界面的設(shè)計，在確保安全生產(chǎn)的情況下盡量保持系統(tǒng)的開放性，以確保系統(tǒng)能夠適用于多種不同尺寸的螺柱和型材。

圖1　螺柱焊電控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.4人機(jī)界面的設(shè)計

人機(jī)界面面包括了工位選擇，夾手傳感器有料感應(yīng)開關(guān)以及針對長短螺柱的料盤選擇。同時人機(jī)界面還包括了參數(shù)設(shè)定、手動控制、報警界面、I/O點監(jiān)控等等。I/O點監(jiān)控能最直觀的反應(yīng)出機(jī)器當(dāng)前所處的狀態(tài)，并使得操作人員迅速的進(jìn)行下一步操作。設(shè)備選擇開關(guān)可進(jìn)行工位選擇、取料焊接夾手的檢測開關(guān)、長短料的上料料盤選擇等等。圖3為相關(guān)參數(shù)設(shè)置界面。參數(shù)設(shè)置界面包含取料手以及焊接手的所有位置和速度的參數(shù)設(shè)置。型材焊接間距設(shè)置界面可對需要焊接的型材上的螺柱間間距進(jìn)行設(shè)置，同時對焊接螺柱的個數(shù)進(jìn)行設(shè)定。報警顯示界面用于顯示機(jī)器報警狀況，包括機(jī)器故障性報警，參數(shù)設(shè)定錯誤的報警等等。手動控制界面僅在機(jī)器處于手動狀態(tài)下進(jìn)行操作，包含了左右雙工位的全部動作按鈕，用于參數(shù)修改后的手動調(diào)試等情況

3　實驗效果與改進(jìn)

在確保電路氣路的接線正確，分別通電通氣進(jìn)行簡單測試；調(diào)傳感器位置，滿足機(jī)器運行需求；啟動試焊螺柱焊機(jī)，掌握螺柱焊接的基本工藝；調(diào)試程序動作，滿足焊接工藝所需的速度、時間等等；置機(jī)器參數(shù)，不開焊機(jī)進(jìn)行空動作運行。以上準(zhǔn)備均完成時逐步進(jìn)行具體焊接動作。設(shè)計中采用了負(fù)極單電極，焊接結(jié)果如圖3中a）所示，結(jié)果表明本機(jī)器可以進(jìn)行螺柱焊接工作，強(qiáng)度測試也表明了焊接出來的成品可以滿足客戶需求，但是因弧偏吹現(xiàn)象導(dǎo)致焊接表面鐵水分布不均的情況。當(dāng)采用雙電極焊接的鐵水環(huán)繞有所改善，但成型效果依舊不理想，雙電極對改善弧偏吹現(xiàn)象有明顯效果，但經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)簡單的雙電極并不能穩(wěn)定焊出均勻完美的焊縫，焊接結(jié)果如圖3中b）所示。將銅極做成雙齒型，減小銅極的接觸面，實現(xiàn)左右電極接觸面相等，焊接效果趨于完美，但依舊出現(xiàn)因左右電極接觸面不等照成的弧偏吹現(xiàn)象，為此在原機(jī)構(gòu)上加裝軟橡膠可以自動糾正接觸面不等的情況，解決弧偏吹問題，達(dá)到了理想的效果，如圖3中C）所示。

圖2　主站點和左站點的配合動作流程圖

圖3　焊接效果

4　結(jié)語

根據(jù)三菱可編程控制器特有的Ethernet通訊功能，采用3臺三菱MELSEC IQ-F可編程控制器，分別做主站點和從站點之用，各個站點之間通過Ethernet進(jìn)行鏈接并通過操作臺上的觸摸屏實現(xiàn)同時控制。本文給出了三臺PLC控制11臺伺服電機(jī)的的拓?fù)鋱D，單工位工作時的系統(tǒng)的動作順序圖，并提供了一個良好的操作界面。經(jīng)焊接試驗證明，設(shè)計可行，針對焊接大直徑螺柱時存在的弧偏吹、焊縫受材料及外界干擾等現(xiàn)象，采取齒型雙銅極來實現(xiàn)左右電極接觸面相等，提升焊接效果，加裝軟橡膠實現(xiàn)自動糾正接觸面不平等情況，產(chǎn)品經(jīng)廠家使用證明，焊接的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了企業(yè)的要求，極大的提升了焊接的質(zhì)量和工作效率。

［1］張建勛.池強(qiáng)等. 步進(jìn)式電弧螺柱焊中螺柱送進(jìn)深度的自動控制水［J］.機(jī)械工程學(xué)報.2006，（9）：164-168.

［2］周東升.劉大順. 拉弧式電弧螺柱焊的常見質(zhì)量影響因素分析［J］；科技向?qū)В?012，（32）：260.

［3］趙紅衛(wèi)，中厚高強(qiáng)鋼與螺柱焊接方法試驗研究ID］.江蘇：南京理工大學(xué)，2007.

［4］ MELSEC iQ-FFX5U用戶手冊

Design and function optimization of electric control system for stud welding machine

Wang Chao1，2
（1.Jiangsu Engineering Technical R&D Center for Equipment Manufacturing of Electronic Products，Huaian 223003，China；2 Huaian Vocation College of Information and Technology，Huaian，223003，China）

In order to realize the automation of large diameter stud welding， based on Mitsubishi PLC programming controller MELSEC IQ-F drive servo motor drive system and the gas dynamic device of automatic stud welding system， automatic welding process identified in the detailed analysis of the stud welding，the system gives the overall scheme is proposed. The topology of 11 PLC control three servo motors is given. The operation sequence diagram of the system is given， which provides a good operation interface. The practical operation proves that the design is feasible. For welding arc partial blow phenomenon， weld by material and the external disturbances phenomenon， take gear type double copper pole about electrode of equal contact surface， to enhance the effect of welding， installation of soft rubber to realize automatic correct contact surface of inequality， products by the manufacturers that use， welding products reached the requirements of enterprises， greatly improve the welding quality and working efficiency.

stud welding；single position action sequence；tooth type double copper pole；arc partial blow

TP393.04

A

2015年江蘇省高級訪問學(xué)者項目（編號2015FX010）

王超 （1972-）安徽肥東人，碩士、副教授、高級工程師、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所訪問學(xué)者，主要研究方向：機(jī)電控制新技術(shù)。