基于普通車床改造的環(huán)縫焊機設計★

黃金超， 顏科紅， 張正豪

（無錫科技職業(yè)學院， 江蘇 無錫 214028）

引言

隨著時代的進步、自動化技術(shù)發(fā)展、數(shù)控車床的出現(xiàn)，普通車床逐步被社會淘汰，而工廠里被淘汰的普通車床絕大多數(shù)處于閑置的狀態(tài)，此狀態(tài)造成了巨大資源浪費，外加上數(shù)控車床昂貴，因此市場對普通車床改造的需求量是巨大的[1]。

同樣，由于現(xiàn)代人工費用昂貴，市場上的企業(yè)早已發(fā)明了環(huán)縫焊機。環(huán)縫焊機是一種能實現(xiàn)各種圓形、環(huán)形焊縫焊接的通用自動焊接設備，可用于鋁、碳鋼、低合金鋼、不銹鋼及其合金等材料的優(yōu)質(zhì)焊接，但是其價格與數(shù)控車床一樣昂貴。

普通車床主要用于加工各種內(nèi)外圓柱面、內(nèi)外圓錐面及回轉(zhuǎn)成形面等。同樣是對旋轉(zhuǎn)物體進行加工或焊接，通過觀摩環(huán)縫焊機的焊接視屏與普通車床加工視屏，發(fā)現(xiàn)這兩者的工作運動軌跡相似。

工業(yè)機器人是一種面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器裝置。焊接機器人則是由工業(yè)機器人和焊接工具結(jié)合而成的，工業(yè)機器人就是自動化發(fā)展的代表產(chǎn)品之一。同樣，采用焊接機器人的結(jié)合理念，在普通車床的基礎(chǔ)上使用自動化技術(shù)配合焊機工具進行改造。這樣可以為工廠設計出一種價格較低的自動化焊接設備，以提升資源利用效率，減少設備與人員的投入從而獲得更高的利潤，尤其適用于中小型機械行業(yè)企業(yè)。

1 總體設計方案

本設計決定采用上下位機分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主控器與驅(qū)動器之間采用接線通訊連接，與總線通訊方式相比，用這種傳統(tǒng)方式通訊雖然在上位機與下位機之間有復雜的通訊接線，但其通信控制程序開發(fā)編寫簡單[2]。

根據(jù)普通車床改造的環(huán)縫焊機的功能需求，本設計采用使用觸摸屏來代替繁多的按鍵開關(guān)，通過RS485 通訊與PLC 串聯(lián)起來，然后對下位機發(fā)送運動命令。上下位機分布式控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)方案如圖1 所示。

圖1 上下位機分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 機械結(jié)構(gòu)的設計

本設計應用于軸類零件的環(huán)縫焊接，由于是基于普通車床改造的，所以其工作范圍就是普通車的原本工作范圍。自由度是物體在三維空間下，定位其實際位置，需要對物體進行位置和姿態(tài)的描述，此設計焊槍夾具快速調(diào)節(jié)定位固定裝置要根據(jù)焊槍工作而設計。為了保證焊接的可行性，此焊接夾具的自由度選擇應該有6 個[3]。如下頁圖2 所示，改造后的環(huán)縫自動焊接設備包含：調(diào)速后的普通車床、伺服滑臺、固定夾具、伺服電機組、拖鏈、二保焊機、控制系統(tǒng)、快速調(diào)節(jié)定位固定裝置。

圖2 改造的環(huán)縫自動焊接設備

3 電氣控制部分的設計

作為基于普通車床改造的環(huán)縫焊機，要實現(xiàn)的控制有原點復歸運動，單、雙軸運動及焊槍的啟停使用。在可以實現(xiàn)運動控制后，進行觸摸屏程序開發(fā)。其中原點復歸運動是指裝有焊槍機械臂在運轉(zhuǎn)前先進行回零位的運動；單軸與雙軸運動即為控制一個電機運轉(zhuǎn)還是兩個電機的運動控制；焊槍的啟停則是控制焊槍啟停的繼電器，在PLC 控制系統(tǒng)的控制下與兩個電機協(xié)同工作[4]。

控制電路設計包括主控PLC 工作電路與變頻器外接電路設計。其中主控PLC 工作電路是自動化控制系統(tǒng)能夠運轉(zhuǎn)的基本電路，變頻器外接電路是焊接運行穩(wěn)定、安全的基礎(chǔ)。本文設計的工作電路是以PLC 控制器為基礎(chǔ)，結(jié)合普通車床上安裝的開關(guān)傳感器中的近接傳感器，在車床溜板箱超過極限前，通過傳感器發(fā)出信號使伺服電機停止；并通過控制箱外側(cè)的信號燈做出報警提示。PLC 控制電路原理圖如圖3 所示。

圖3 普通車床改造的環(huán)縫自動焊機PLC 控制電路原理圖

4 人機界面的設計開發(fā)

本次設計的環(huán)縫自動焊接通電后顯示屏將自動啟動，初始界面如圖4 所示，此時點擊“歡迎使用”按鈕則進入操作模式選擇界面，如圖5 所示。進入操作模式界面將有“手動”和“自動”兩種模式可供選擇，按下退出鍵則可以回到初始界面。

4.1 手動模式

圖4 初始界面

圖5 操作模式界面

點擊“手動“按鍵，進入手動界面，如圖6 所示，在該模式下可以進行手動調(diào)試。具體步驟如下：首先需要點擊“伺服上電”按鍵，否則除了“上一頁”按鍵外，其余任何按鍵都處于封鎖狀態(tài)無法使用。按下“伺服上電”按鍵后就可以全部使用了。上方的四個按鍵“微動”“10%”“50%”“100%”表示速度選擇分別為0.1 mm/s、5 mm/s、25 mm/s、50 mm/s。

4.2 自動模式

點擊圖5 操作模式界面的“自動”按鈕，進入自動操作界面，如圖7 所示。伺服上電啟動后，在“工件半徑“后的輸入框內(nèi)輸入焊接裝夾工件的半徑，注意數(shù)值范圍在0～80，再按下輸入框右側(cè)的“導入”按鍵就成功輸入了。用同樣的設置方法依次設置工件長度、焊接個數(shù)。右側(cè)的四個綠色按鍵“10%”“50%”“100%”表示速度選擇，與手動操作界面功能完全相同。“脈沖清除”功能是清除驅(qū)動器程序中的所有運動脈沖，起到復位的作用?！皶和！卑聪潞?，X、Z軸暫停運動直到按下由暫停鍵變化的“繼續(xù)”按鍵后才可以繼續(xù)發(fā)送未完成的脈沖。

圖6 手動模式界面

圖7 自動模式界面

5 結(jié)論

本設計在普通車床的基礎(chǔ)上，通過固定直線模組、快速定位固定裝置、焊槍三者結(jié)合形成一種簡單焊接機械臂。再通過車床串聯(lián)變頻器從而控制車床轉(zhuǎn)速，用以保證焊接質(zhì)量。最后通過PLC 控制系統(tǒng)對車床溜板箱進行運動控制，實現(xiàn)對焊槍運動精度控制，實現(xiàn)了對軸類零件的環(huán)縫自動焊接。