基于PLC控制的自動高效環(huán)焊縫焊接系統(tǒng)

（云南建投機械制造安裝工程有限公司，云南 昆明 651701）

0 前言

環(huán)縫焊接是指各種圓形、環(huán)形焊縫的焊接，在管道施工、容器、化工設(shè)備等生產(chǎn)安裝中具有極其重要的地位[1]。

先進的焊接設(shè)備是高效高質(zhì)焊接的重要保證[2]。目前常見的自動環(huán)縫焊機大多采用焊槍位置固定、工件回轉(zhuǎn)運動的方式施焊，該方法雖然焊接過程穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量高，可減輕工人的勞動強度，但存在焊接效率低下、在環(huán)形焊縫不連續(xù)時操作復(fù)雜無法施焊等問題。針對上述問題，將變位機進行適當(dāng)改造，使其能同時裝夾3把（甚至4把）焊槍，利用PLC可編程控制器控制變位機和多把焊槍協(xié)同作業(yè)，提高環(huán)形焊縫的焊接生產(chǎn)效率，并解決普通環(huán)縫焊機在環(huán)形焊縫不連續(xù)時無法施焊等問題。該焊接系統(tǒng)生產(chǎn)效率高，是普通自動環(huán)縫焊機的3倍以上，能適應(yīng)各種環(huán)形焊縫焊接，自動化程度高、設(shè)備簡單、操作簡便、焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

1 技術(shù)方案

（1）解決焊接生產(chǎn)效率低的問題。

常見的自動環(huán)縫焊機及變位機雖然過程自動化，但一把焊槍進行施焊的方式焊接效率低。本系統(tǒng)采用多把焊槍協(xié)同焊接的方式來提高焊接效率。在焊接單條環(huán)形焊縫時，其原理如圖1所示，1、2、3號焊槍分別沿環(huán)形焊縫呈120°設(shè)置。在施焊時，PLC控制3把焊槍起弧，同時控制變位機帶動焊件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過120°后PLC控制變位機停止工作，3把焊槍隨之熄弧，此時，①、②、③段焊縫連接成一條完整的環(huán)焊縫。整個過程用時僅為普通環(huán)縫焊機的1/3，在批量化生產(chǎn)時其高效性尤為顯著。

圖1 多焊槍焊接單條環(huán)形焊縫的焊接原理

焊接多條環(huán)形焊縫的原理如圖2所示，1、2、3號焊槍分別調(diào)整至3條環(huán)焊縫的起弧點位置，工件裝夾在變位機上并調(diào)整至水平位置。施焊時，利用PLC同時控制3把焊槍和變位機，旋轉(zhuǎn)一次即可完成整個工件上3條焊縫的焊接。

圖2 多焊槍焊接多條環(huán)形焊縫的焊接原理

（2）解決不連續(xù)環(huán)形焊縫的問題。

普通自動環(huán)縫焊機的生產(chǎn)方式?jīng)Q定了其焊縫不連續(xù)操作時過程復(fù)雜且效率低的問題。本系統(tǒng)解決該問題的原理如圖3所示，1、2、3號焊槍沿環(huán)形焊縫呈120°布置在焊接起弧點處，工件無需旋轉(zhuǎn)一周，焊槍也無需二次起弧，只需變位機帶動焊件旋轉(zhuǎn)一定角度就能完成焊接。

圖3 解決不連續(xù)環(huán)形焊縫的原理

（3）解決任意弧長、不連續(xù)環(huán)形焊縫的焊接難題。

在任意弧長、不連續(xù)環(huán)焊縫焊接時，工件的每條環(huán)焊縫弧長都不相等且不連續(xù)，普通環(huán)縫焊機難以適應(yīng)，本系統(tǒng)利用PLC分別控制3把焊槍不同的通斷時間和變位機工作時間來解決。原理如圖4所示，1、2、3號焊槍分別布置于工件3條不等弧長焊縫的起弧點，針對不同弧長的焊縫提前給PLC編定程序。施焊時，變位機帶動焊件旋轉(zhuǎn)，待3把焊槍都分別完成焊接作業(yè)后，PLC發(fā)出信號控制焊槍及變位機停止工作，即一次焊完整個環(huán)形面上3條任意弧長的環(huán)形焊縫。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

焊接系統(tǒng)的構(gòu)成包括旋轉(zhuǎn)變位機、三維調(diào)節(jié)焊槍夾具、氣保焊槍和PLC等，如圖5所示。

圖4 解決任意弧長、不連續(xù)環(huán)形焊縫的原理

PLC為主要控制系統(tǒng)，負責(zé)接受用戶編程并傳達各種控制指令[3]。例如，PLC計時控制每把焊槍的通斷電時間以及變位機的工作時間。旋轉(zhuǎn)變位機是主要的運動機構(gòu)，可獨立調(diào)速，負責(zé)帶動工件做回轉(zhuǎn)運動，并可變換工件空間焊接位置，增大適用范圍[4]。氣保焊槍是該系統(tǒng)焊接工作的執(zhí)行者，能接受PLC發(fā)出的指令進行施焊。三維調(diào)節(jié)焊槍夾具則起到定位和調(diào)節(jié)焊槍位置的作用[5]。

3 工作過程

圖5 系統(tǒng)構(gòu)成

以任意弧長、不連續(xù)環(huán)形焊縫焊接為例闡述系統(tǒng)的工作過程。在焊接任意弧長、不連續(xù)環(huán)形焊縫時，首先設(shè)定好焊接電源的參數(shù)值以及旋轉(zhuǎn)變位機的轉(zhuǎn)動速度（即焊接速度），其次針對焊接工件不同弧長的焊縫對PLC進行編程，設(shè)定1號焊槍工作時間n1秒，2號焊槍工作時間n2秒，3號焊槍工作時間為 n3秒，假設(shè) n1＜n2＜n3，則變位機的工作時間為最大值n3秒。上述程序調(diào)試工作完成后裝夾工件，按照焊接方向調(diào)整焊槍位置，使焊槍焊絲對準(zhǔn)焊縫起弧點，并保持一定的干伸長度，完成準(zhǔn)備工作。施焊時，按下啟動開關(guān)，給PLC一個輸入信號，PLC運行用戶編寫的程序，發(fā)出輸出信號給焊槍和變位機。3把焊槍開始起弧，同時變位機開始帶動工件旋轉(zhuǎn)施焊。待經(jīng)過n1秒后1號焊槍焊接完成，PLC發(fā)出一個電信號控制1號焊槍熄弧，其他焊槍及變位機繼續(xù)工作。同上，經(jīng)過n2秒后，控制2號焊槍熄弧。直到n3秒后，PLC發(fā)出信號控制變位機及3號焊槍停止工作。至此，完成整個工件環(huán)焊縫的焊接。

4 結(jié)論

利用PLC的編程和計時控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多把焊槍和旋轉(zhuǎn)變位機間的協(xié)同作業(yè)，并且針對不同工件的焊縫形式，只需編寫不同的PLC程序就能輕松適應(yīng)各種焊縫的焊接，滿足用戶的不同需求。該系統(tǒng)焊接效率高，自動化、柔性化程度高，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。