數(shù)控PLC技術(shù)在機械轉(zhuǎn)軸焊接中的應(yīng)用

楊德云，馮 鮮，譚 飛

（無錫太湖學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇 無錫 214064）

0 引言

數(shù)字技術(shù)與電子信息技術(shù)的發(fā)展使工業(yè)控制中自動化的程度越來越高［1］，工業(yè)自動控制相對于傳統(tǒng)人工控制而言，在工作效率和操作精度方面都有了本質(zhì)上的改善［2］。但現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)要基于一定的計算機編程理論，一線的操作人員無法熟練地編寫計算機程序［3］，而數(shù)控PLC技術(shù)及基于PLC的組態(tài)軟件的出現(xiàn)，從根本上解決了現(xiàn)代自動化數(shù)控技術(shù)與實際生產(chǎn)作業(yè)間的脫節(jié)問題［4］。機械轉(zhuǎn)軸焊接屬于高精度機械焊接加工的一種，機械轉(zhuǎn)軸在工作中承受著極大的彎扭交變載荷、機械壓力與磨損［5］，因此對于焊接的強度和精度都有著很高的要求［6］，傳統(tǒng)手工或半自動的焊接模式，無法滿足機械轉(zhuǎn)軸焊接的高精度、高強度要求，使用數(shù)控PLC技術(shù)及相關(guān)組態(tài)軟件控制機械臂的路線及焊接中的電流［7］，為機械轉(zhuǎn)軸的高精度焊接處理，提供了一種全新的解決途徑。PLC是一套以MCU微處理器為核心的可編程邏輯運算系統(tǒng)［8］，系統(tǒng)內(nèi)部自帶的存儲器和邏輯數(shù)據(jù)庫，可以存儲大量已編寫完畢的程序。數(shù)控PLC技術(shù)操作界面簡單、直觀，當操作者需要操作某種生產(chǎn)作業(yè)類別時，可以通過人機交互窗口直接調(diào)用已有程序或僅對原有程序做簡單的修改，就可以直接使用組件［9］?？删幊涛⑻幚戆凑諏嶋H使用者的要求執(zhí)行各種邏輯運算，并通過數(shù)據(jù)指令輸入、輸出接口控制高精度的機械轉(zhuǎn)軸焊接設(shè)備［10］。數(shù)控PLC技術(shù)克服了傳統(tǒng)繼電器接觸控制精度低的缺點，程序指令更加清晰、準確、靈活，能夠顯著提高機械轉(zhuǎn)軸焊接的效率和精度。

1 基于PLC控制原理的機械轉(zhuǎn)軸焊接主控制程序

1.1 數(shù)控PLC內(nèi)置組態(tài)軟件特點

數(shù)控PLC技術(shù)及其組態(tài)軟件的主要任務(wù)是通過可編程邏輯程序控制機械轉(zhuǎn)軸的焊接，在保證焊接強度的基礎(chǔ)上提高焊道外觀的美觀度和焊接精度。數(shù)控PLC技術(shù)解決了傳統(tǒng)控制模式下人機交互的問題，因為PLC組態(tài)軟件平臺面向用戶可實現(xiàn)多功能組態(tài)，操作人員可按照焊接的圖紙要求調(diào)用和修改程序，無需每次操作都重新編程。數(shù)控PLC技術(shù)中使用的編程語言為梯形圖語言，直觀、形象、易于操作。用于機械轉(zhuǎn)軸焊接的PLC組態(tài)軟件控制使用虛擬的繼電器開關(guān)，當系統(tǒng)輸入邏輯程序時，焊接子程序被先寄存于映像器中以控制各個連接接口打開和關(guān)閉。數(shù)控PLC梯形圖元件中的觸點可以被多次引用，且梯形圖編程語言遵循從左到右和自上而下的順序，當一個操作指令執(zhí)行完畢后下一個程序可以立即被引用，以保證機械轉(zhuǎn)軸加工的連續(xù)性、準確性和工作效率，數(shù)控PLC系統(tǒng)內(nèi)置的組態(tài)軟件的主要特點如表1所示。

表1 數(shù)控PLC組態(tài)軟件特點

1.2 基于PLC的機械轉(zhuǎn)軸焊接主控程序

在機械轉(zhuǎn)軸的焊接加工過程中，開始執(zhí)行PLC程序時，焊接設(shè)備的操作者通過人機交互窗口調(diào)取程序，并將焊接的子程序輸入到生產(chǎn)加工映像區(qū)。數(shù)控PLC組態(tài)軟件從端口程序中識別出焊接程序是否處于初始狀態(tài)，并應(yīng)用PLC組態(tài)軟件控制外部的繼電器開關(guān)及各類電子元件開關(guān)，從而達到精確控制機械轉(zhuǎn)軸焊接的目的?；诤附映绦蚝凸δ艿男枰?，操作者將待加工的焊接零件置于操作臺并卡緊，由PLC傳感器控制焊接機械臂的行進路徑，如果焊道超出了預(yù)先設(shè)定的范圍，系統(tǒng)會自動報警并停工；如果在焊接過程中沒有出現(xiàn)其他異常情況，程序會自動地執(zhí)行到焊接過程的完畢。基于PLC技術(shù)與控制原理的機械轉(zhuǎn)軸焊接主控制程序如圖1所示。

圖1 機械轉(zhuǎn)軸焊接主控程序

數(shù)控PLC系統(tǒng)采用了與或控制繼電器開關(guān)，并通過觸點連接的方式達到虛擬控制的目的，由于邏輯電路采用了并聯(lián)的方式，因此程序可以無限次被引用或循環(huán)使用，可復(fù)制的功能較強。基于數(shù)控PLC技術(shù)的機械轉(zhuǎn)軸焊接還具有定時控制、計數(shù)控制、步進控制及數(shù)據(jù)處理等功能。對于復(fù)雜度較高的機械轉(zhuǎn)軸焊接，PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有定時功能，便于操作者輸入、調(diào)用和修改子加工程序，也有利于實現(xiàn)焊接操作的遠程監(jiān)控，省略了現(xiàn)場加工時人為監(jiān)控的弊端?；跀?shù)控PLC技術(shù)的焊接系統(tǒng)內(nèi)部安裝有計數(shù)器，當加工數(shù)量達到一定的數(shù)值后系統(tǒng)會提示操作者檢查機械臂是否存在故障及系統(tǒng)軟件是否能夠正常運行。在邏輯計數(shù)功能的基礎(chǔ)上，增加了機械轉(zhuǎn)軸焊接自動步進功能，PLC控制系統(tǒng)內(nèi)置有專用的步進程序指令控制系統(tǒng)，當一個程序命令執(zhí)行完畢之后，會自動進入下一個邏輯程序。隨著數(shù)控PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)處理的功能越來越強大，在機械轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品的數(shù)控加工中，可以實現(xiàn)對程序的移位傳輸、數(shù)制轉(zhuǎn)換等操作，使焊接加工過程更加智能化和便捷化，同時焊接的誤差率也更低。數(shù)控加工過程中存在發(fā)生特殊情況而停工的情況不可避免，PLC控制系統(tǒng)自帶記憶功能，當發(fā)生意外停工時，可以實施自動診斷并主動恢復(fù)程序。數(shù)控PLC程序的邏輯程序和語句都可以被修改和完善，操作人員可以利用編程器監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證機械轉(zhuǎn)軸焊接的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 應(yīng)用PLC技術(shù)的機械轉(zhuǎn)軸精密焊接的實現(xiàn)過程

2.1 機械轉(zhuǎn)軸焊接的相關(guān)參數(shù)設(shè)置

實施轉(zhuǎn)軸焊接前，對待焊接零件做好去油、清洗和防銹處理，從焊接性能工藝角度及PLC控制程序的角度，做好系統(tǒng)性能分析及參數(shù)調(diào)整等工作。在機械轉(zhuǎn)軸焊接中應(yīng)考慮到金屬表面的焊接熱裂紋、應(yīng)力及碳遷移的過程，最大限度地減少對金屬焊縫的稀釋作用，這些焊接時的基本要求都可以通過PLC電流控制的方式實現(xiàn)。機械轉(zhuǎn)軸焊接中采用高電壓、小電流的焊接方式，防止預(yù)熱的溫度過高對焊接性能產(chǎn)生不利影響。數(shù)控PLC焊接子程序的焊接預(yù)熱范圍在焊道兩側(cè)45 mm內(nèi)，預(yù)熱溫度的升溫采用數(shù)字預(yù)熱方式，預(yù)熱后待焊接機械轉(zhuǎn)軸的表面溫度不低于210℃，降低金屬受熱時應(yīng)力對轉(zhuǎn)軸焊接強度所產(chǎn)生的不利影響。焊接前需要對CO2焊絲的基本狀態(tài)進行分析控制，否則會影響到焊道的平整性，焊絲的烘干溫度保持在350℃，持續(xù)時間為0.5 h，徹底烘干水分，焊絲直徑設(shè)置為2 mm，焊接時的電流設(shè)定為50～60 A，不宜過大。焊接時裝配傳動軸必須確保同軸度后再定位，焊絲選擇抗氧化性能更高的CHS307A型焊絲，焊接完成后需要保溫2 h。在數(shù)控PLC程序梯形圖軟件上，本文使用了XDP-485軟件，該程序配備了離線編程的功能和程序的導(dǎo)入導(dǎo)出機制，在程序的使用中更加便捷。XDP-485軟件除了自帶的部分功能外，還可以通過PLC控制系統(tǒng)進行程序的初始化、設(shè)備的啟停、編程數(shù)據(jù)的下載和上傳，更方便現(xiàn)場操作者的讀取和使用。

2.2 基于PLC技術(shù)的機械轉(zhuǎn)軸精密焊接的實現(xiàn)流程

在組態(tài)軟件的選擇上PLC系統(tǒng)選用了操作性和易用性更好的Touch Win編程工具，該工具中具有多語言顯示功能、三維立體動畫模型編制功能和模擬三維圖庫。在系統(tǒng)程序的編制方面利用XDP-485組態(tài)軟件進行總體設(shè)計，先對機械轉(zhuǎn)軸總體的焊接操作流程進行規(guī)劃，再對每一個步驟進行系統(tǒng)的規(guī)劃。系統(tǒng)程序調(diào)用時，PLC組態(tài)軟件通過DP接口寫入程序，并進行程序數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出。基于PLC技術(shù)的機械轉(zhuǎn)軸焊接控制流程，如圖2所示。

圖2 基于PLC技術(shù)的機械轉(zhuǎn)軸焊接控制流程

PLC組態(tài)軟件在機械轉(zhuǎn)軸焊接及子程序的調(diào)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)CAD控制設(shè)計程序和CAE工程控制系統(tǒng)之間的自由轉(zhuǎn)換。只要將主控程序模塊和中斷程序模塊確定后，PLC組態(tài)控制軟件就可以在數(shù)據(jù)冗余的模式下，保證焊接程序的功能更加穩(wěn)定。操作人員打開程序菜單命令后開始按照既定的機械轉(zhuǎn)軸焊接標準對程序進行操作。使用數(shù)控PLC組態(tài)軟件時必須從登錄界面進入，并正確輸入用戶名和密碼，否則不能進入系統(tǒng)，這是系統(tǒng)的一種自我保護功能，可以保護用戶設(shè)定好的程序不被隨意篡改，保證機械轉(zhuǎn)軸焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。主控程序包括初始化、子程序調(diào)用和程序檢修等3個主要模塊，應(yīng)用數(shù)控PLC工作前，要將系統(tǒng)重置并調(diào)整好各個模塊的參數(shù)。機械轉(zhuǎn)軸焊接子程序是最重要的應(yīng)用程序，包括工裝卡具的位置調(diào)整、焊接參數(shù)的調(diào)整及機器人行進路徑的設(shè)置等，當一個工件完成焊接后系統(tǒng)歸零，進入下一個程序。如果當焊接過程中出現(xiàn)系統(tǒng)電流、電壓的異常變化或劇烈波動，程序會主動中斷并向操作人員報警。當主控程序發(fā)生故障時，PLC系統(tǒng)主動進入中斷程序，人機交互界面會顯示發(fā)生故障的位置，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫也會將程序故障的類型進行記錄，以便在后續(xù)的加工中循環(huán)比較。

3 技術(shù)應(yīng)用與結(jié)果分析

3.1 參數(shù)穩(wěn)定性控制結(jié)果驗證

為驗證數(shù)控PLC技術(shù)在實際工作中的應(yīng)用效果，選定一家機械轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品加工企業(yè)D，該企業(yè)擁有10條機械轉(zhuǎn)軸焊接生產(chǎn)線，于2017年7月開始使用PCL控制技術(shù)，D企業(yè)日生產(chǎn)能力為5 000臺次。選擇其中一條使用了PLC技術(shù)的大型機械轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品生產(chǎn)線作為研究樣本，先觀察6 h范圍內(nèi) （每0.5 h檢測一次）PLC系統(tǒng)控制下焊接工作電流的變化情況，工作電流越穩(wěn)定越有利于產(chǎn)品焊接質(zhì)量的穩(wěn)定，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 機械轉(zhuǎn)軸焊接電流的穩(wěn)定性控制對比

PLC控制方法下電流的輸出被控制在50 A左右，這樣更有利于機械轉(zhuǎn)軸焊接穩(wěn)定性提高。而傳統(tǒng)半自動控制方法下焊接電流的波動性較大，這主要是由于焊接臂工作時電壓和電流急劇升高，如果不采取有效的電流抑制方法，會影響焊道的外觀和強度。

采用數(shù)控PLC技術(shù)最直接的效果是改善了焊接產(chǎn)品的廢品率，統(tǒng)計分析了引入PLC技術(shù)后D企業(yè)焊接產(chǎn)品廢品數(shù)量及廢品等級點陣圖，如圖4和圖5所示。

引入數(shù)控PLC技術(shù)后，機械轉(zhuǎn)軸的焊接廢品率得到了有效控制，且廢品等級大部分被控制在一級和二級，能夠被修復(fù)，以最大限度降低企業(yè)的損失。而在傳統(tǒng)半自動控制系統(tǒng)下廢品的數(shù)量明顯高于PLC系統(tǒng)下廢品的數(shù)量，由于缺乏對電流、電壓及機械臂行進路徑的有效控制，焊接廢品數(shù)量較多，給焊接企業(yè)帶來巨大的損失。

圖4 數(shù)控PLC技術(shù)控制下焊接廢品數(shù)量及廢品等級點陣分布

圖5 傳統(tǒng)控制技術(shù)下焊接廢品數(shù)量及廢品等級點陣分布

3.2 成本控制效果驗證

最后從D企業(yè)財務(wù)部門得到了一組引入數(shù)控PLC技術(shù)后節(jié)省的費用。這些費用主要由操作人員的人工費用和焊接廢品的減少費用兩部分組成，每個月的節(jié)省費用如表2所示。

應(yīng)用PLC控制技術(shù)后，環(huán)比同期各月都有超過10萬元的費用節(jié)流，而且隨著技術(shù)推廣和應(yīng)用的不斷成熟，能夠為機械轉(zhuǎn)軸加工企業(yè)帶來更多的企業(yè)內(nèi)部控制收益。

表2 采用數(shù)控PLC技術(shù)后各月成本控制效果 （萬元）

4 結(jié)語

數(shù)控PLC控制技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中已有廣泛的應(yīng)用，本文分析研究了機械轉(zhuǎn)軸焊接中PLC控制技術(shù)的主控流程與實際應(yīng)用效果。實證分析數(shù)據(jù)表明，PLC控制技術(shù)的使用可以穩(wěn)定系統(tǒng)的電流及電壓，降低機械轉(zhuǎn)軸焊接的廢品率。

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