單槍環(huán)縫焊接設(shè)備的電氣設(shè)計(jì)

袁成群

摘 要：本文主要闡述了以單槍環(huán)縫焊接系統(tǒng)為例，介紹了企業(yè)從訂單的生成、方案的設(shè)計(jì)論證、計(jì)劃的組織分工、實(shí)施過程的組織與監(jiān)管、直至設(shè)備的驗(yàn)收與移交的產(chǎn)品開發(fā)全過程。結(jié)合自身教學(xué)實(shí)際，總結(jié)了融入企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的一體化教學(xué)過程。

關(guān)鍵詞：一體化；單槍環(huán)縫焊接系統(tǒng)

1 產(chǎn)品研發(fā)實(shí)施過程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單槍環(huán)縫焊接設(shè)備是由位置傳感器、執(zhí)行氣缸、自動焊機(jī)和操作控制臺等組成。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)通過電氣控制實(shí)現(xiàn)對機(jī)械零件的焊接加工。將電氣控制與自動焊接技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動化。具體控制要求如下：

（1）電路設(shè)有運(yùn)行指示燈，設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，紅色指示燈亮，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，綠色指示燈以1HZ的頻率閃爍。

（2）電路應(yīng)具有顯示功能，通過觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控各輸入輸出點(diǎn)的狀態(tài)、顯示當(dāng)前加工產(chǎn)品的數(shù)量，還可設(shè)置生產(chǎn)產(chǎn)品計(jì)劃數(shù)及電動機(jī)的運(yùn)行頻率。

（3）電路設(shè)有急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，按下急停按鈕系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。中途停車再次上電時(shí)，可通過錯(cuò)誤復(fù)位按鈕進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。

（4）具有故障報(bào)警功能，有故障時(shí)（如電動機(jī)過載、按下急停、傳感器損壞等），觸摸屏上能對應(yīng)顯示故障類型。紅色指示燈以1HZ頻率閃爍。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的硬件系統(tǒng)主要是由位置傳感器、操作按鈕、PLC、氣缸、電磁閥、自動焊機(jī)、變頻器、指示燈、蜂鳴器等組成。

2.1 位置傳感器

位置傳感器是操作機(jī)構(gòu)在機(jī)器的運(yùn)動部件到達(dá)一個(gè)預(yù)定的位置時(shí)操作的一種指示開關(guān)。本文中主要設(shè)置了焊接旋轉(zhuǎn)重疊感應(yīng)器、焊接旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)感應(yīng)器和多個(gè)氣缸限位感應(yīng)器。

2.2 PLC

根據(jù)控制要求分析，根據(jù)輸入、輸出點(diǎn)的數(shù)目與輸出類型，本文選用三菱FX3U系列PLC。型號為FX3U-80MR它是PLC FX家族中最先進(jìn)的系列。它最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程序執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，可以為工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。

2.3 變頻器

（1）變頻器的選用

采用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)調(diào)速。在異步電動機(jī)確定后，通常應(yīng)根據(jù)異步電動機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值（最大值）來選擇變頻器。當(dāng)運(yùn)行方式不同時(shí)，變頻器容量的計(jì)算方式和選擇方法不同，變頻器應(yīng)滿足的條件也不一樣。選擇變頻器容量時(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)關(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。該系統(tǒng)選用的是380V 1KW的三相異步電機(jī)，本文選用的是三菱FR-E700系列變頻器。

（2）變頻器通信參數(shù)

本文采用的是PLC與變頻器的通訊實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的控制，所以根據(jù)通訊協(xié)議需設(shè)置變頻器的通訊參數(shù)。

2.4 氣缸及控制閥

氣缸主要作用是通過壓縮空氣的開關(guān)流向?qū)崿F(xiàn)伸縮和擺動等動作。氣缸的種類很多，一般按氣缸的結(jié)構(gòu)特征、功能、驅(qū)動方式或安裝方法等進(jìn)行分類。分類的方法也不同。按結(jié)構(gòu)特征，氣缸主要分為活塞式氣缸和膜片式氣缸兩種。按運(yùn)動形式分為直線運(yùn)動氣缸和擺動氣缸兩類。

2.4.1氣缸的安裝形式

1）固定式氣缸 安裝在機(jī)體上固定不動，有腳座式和法蘭式。

2）軸銷式氣缸 缸體圍繞固定軸可作一定角度的擺動，有U形鉤式和耳軸式。

3）回轉(zhuǎn)式氣缸 缸體固定在機(jī)床主軸上，可隨機(jī)床主軸作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這種氣缸常用于機(jī)床上氣動卡盤中，以實(shí)現(xiàn)工件自動裝卡。

4）嵌入式氣缸 氣缸缸筒直接制作在夾具體內(nèi)。

2.5 自動焊機(jī)

KR系列CO2氣體保護(hù)焊機(jī)以其先進(jìn)的控制技術(shù)、良好的焊接性能以及高可靠性得到了眾多用戶的認(rèn)可。本文選用松下KR-500型自動焊機(jī)，該機(jī)型適用于多種焊接材料：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼實(shí)心焊絲；碳鋼、不銹鋼藥芯焊絲；鋁及鋁合金（硬鋁/軟鋁）、銅及銅合金、鎳、鈦等有色金屬焊絲；鍍鋅鋼板等的焊接工藝。適用焊絲直徑：0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm。 適用保護(hù)氣體：Ar 、Ar+O2、Ar+CO2 、CO2 等其它氣體。最突出的特點(diǎn)是采用了脈沖控制方式，松下精確、高速、先進(jìn)的脈沖控制電路實(shí)現(xiàn)了焊接過程一脈一滴的理想過渡方式，從小電流到大電流，均可實(shí)現(xiàn)無飛濺的焊接。

2.6 PLC的I/O分配表

根據(jù)控制要求分析可列出I/O分配表（省略）。

2.7 PLC硬件電路

根據(jù)控制要求分析可知系統(tǒng)均為數(shù)字量信號，根據(jù)I/O分配表繪制PLC外部接線圖如附錄1所示。電氣連接實(shí)物圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)系統(tǒng)控制要求和工藝流程設(shè)計(jì)出系統(tǒng)流程圖，然后根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)出梯形圖。

3.1 程序流程圖

由系統(tǒng)的控制要求可知，單槍環(huán)縫焊接系統(tǒng)的工作流程如圖8所示。同時(shí)按下1#、2#啟動按鈕→筒體夾緊→RESO上升→筒頂定位伸出→定位夾緊→筒頂定位退回→左右移位退回→法蘭進(jìn)給→放入工件，1#按鈕啟動→法蘭夾緊→焊槍進(jìn)給→同時(shí)按下1#、2#啟動按鈕→門簾關(guān)閉→焊接工作→焊槍退回→門簾打開→法蘭松開→法蘭退回→左右移位伸出→定位松開→RESO下降→筒體松開→焊接結(jié)束。則完成單循環(huán)加工。若需多循環(huán)加工，則重復(fù)執(zhí)行以上動作過程。

3.2 程序設(shè)計(jì)

3.2.1 PLC、變頻器的通訊程序

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)出電機(jī)控制梯形圖。焊接時(shí)，電動機(jī)帶動焊槍做正向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)焊接完畢時(shí)，電動機(jī)帶動焊槍做反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。程序是通過變頻器通訊專用指令I(lǐng)VDR加以實(shí)現(xiàn)，焊接速度即電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，均通過觸摸屏直接修改其參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.2.2報(bào)警程序設(shè)計(jì)

該程序采用報(bào)警專用指令A(yù)NS實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的報(bào)警控制，程序中特殊內(nèi)部輔助繼電器M8049是報(bào)警專用指令A(yù)NS執(zhí)行條件。系統(tǒng)在特殊情況下，比如發(fā)生急停按鈕、空氣壓力不足、各氣缸的感應(yīng)器的損壞等故障時(shí)，特殊內(nèi)部輔助繼電器M8048輸出報(bào)警信號，觸摸屏上顯示當(dāng)前故障情況，報(bào)警顯示界面如圖11所示。

3.2.3手動程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)出手動控制梯形圖。系統(tǒng)的手動控制是通過觸摸屏上進(jìn)行操作的。

4 程序調(diào)試

選擇好PLC的類型，根據(jù)PLC外部電氣原理圖，檢查接線，經(jīng)檢驗(yàn)無誤后，接通PLC電源，點(diǎn)擊下載，將編譯正確的程序下載至PLC上（程序要確保編譯無錯(cuò)誤，否則無法下載） ，打開監(jiān)控，以便觀察程序運(yùn)行中各觸點(diǎn)的開合情況，方便檢查程序錯(cuò)誤，最后將PLC置于運(yùn)行模式，運(yùn)行程序，開始操作。若操作成功后，先把PLC置于停止?fàn)顟B(tài)，關(guān)閉監(jiān)控，再拔PLC電源。

參考文獻(xiàn)

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（2）《PLC、觸摸屏綜合運(yùn)用》羅慧，尹泉等， 電氣自動化，2008.4

（3）《運(yùn)動控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》董謙，謝劍英， 電氣自動化，2009.6