基于PLC的金剛石鉆頭高頻焊接自動控制系統(tǒng)設(shè)計

鄧都都，沈立娜*，劉海龍，胡遠(yuǎn)彪

（1.北京探礦工程研究所，北京 102446；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

關(guān)鍵字：金剛石鉆頭；二次鑲焊；高頻感應(yīng)；自動化控制；設(shè)計制造

0 引言

金剛石鉆頭在硬地層中鉆進(jìn)時，有速度快、壽命長、工作平穩(wěn)、井身質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，很多磨損后的金剛石鉆頭還可通過返廠修復(fù)得以重復(fù)利用，從而有效節(jié)約鉆井成本。因此，在我國各類鉆井中，金剛石鉆頭是非常重要的鉆進(jìn)方式[1～4]。

我國金剛石鉆頭的生產(chǎn)主要有熱壓整體燒結(jié)法、二次鑲焊法等[5～7]。熱壓整體燒結(jié)法是將鉆頭鋼體放在相應(yīng)的模具中，將胎體材料與金剛石填充進(jìn)去，然后放到高溫爐中進(jìn)行整體燒結(jié)。采用熱壓燒結(jié)法制造金剛石鉆頭時，鉆頭的燒結(jié)必須達(dá)到一定的溫度(通常約1000℃)，才能滿足鉆頭強(qiáng)度要求。然而，溫度較高會對金剛石造成熱損傷，降低鉆頭的使用壽命。此外，整體燒結(jié)法需要做底模、模心、模套等各種模具，工序多、生產(chǎn)效率較低。二次鑲焊法是單獨(dú)完成刀頭的燒結(jié)，然后再將刀頭鑲焊到鉆頭鋼體上。由于刀頭是單獨(dú)燒制，因此刀頭的配方與燒結(jié)工藝選擇范圍更廣，刀頭燒結(jié)的溫度更低，能夠有效的減小金剛石的熱損傷[8]。然而，傳統(tǒng)工藝焊接出來的鉆頭，存在諸多缺陷：如受人為因素影響嚴(yán)重，費(fèi)時費(fèi)力人工成本高；焊接面受熱不均，且在焊接過程中易引入雜質(zhì)導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不穩(wěn)定甚至很差；焊接尺寸定位精度不高導(dǎo)致后續(xù)處理工序復(fù)雜；工作效率低下，產(chǎn)量低下等等，傳統(tǒng)焊接工藝已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代鉆探對深部鉆探高質(zhì)量鉆頭的需求。

針對于上述問題設(shè)計了金剛石鉆頭高頻焊接自動控制系統(tǒng)，采用高頻焊機(jī)為金剛石鉆頭焊接提供熱源，該類型焊機(jī)能夠產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流，發(fā)熱功率高、加熱速度快，在焊接領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[9～11]。所設(shè)計的金剛石鉆頭高頻焊接自動控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：能夠滿足大尺寸、厚壁鉆頭的快速加熱；利用控制系統(tǒng)控制焊接過程的溫度與時間，能有效保證焊接質(zhì)量；通過自動化鉆頭傳送系統(tǒng)，有效減輕人員工作量、節(jié)約工時。

1 高頻自動焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

鉆頭高頻自動焊接系統(tǒng)主要由鉆頭傳送系統(tǒng)、高頻焊機(jī)移動系統(tǒng)、自動焊接控制系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)的主要組成部件如圖1所示。其中，鉆頭傳送系統(tǒng)的主要功能是將鉆頭旋轉(zhuǎn)到固定工作位置進(jìn)行兩工位交替焊接，其中一個工位的鉆頭進(jìn)行焊接時，另一個工位可以進(jìn)行鉆頭鑲焊填料的準(zhǔn)備工作；兩工位旋轉(zhuǎn)切換采用轉(zhuǎn)盤電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)過一級齒輪減速，控制轉(zhuǎn)盤的機(jī)械轉(zhuǎn)速為7.5r/min，保證旋轉(zhuǎn)過程的平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)角度采用機(jī)械限位與行程開關(guān)雙控制方式，確保鉆頭能夠準(zhǔn)確送到工位；為保證焊接過程中焊縫受熱均勻，利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)直接驅(qū)動鉆頭自轉(zhuǎn)，設(shè)計鉆頭自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為12r/min。高頻焊機(jī)移動系統(tǒng)，主要用于上下、前后移動高頻焊機(jī)，以保證高頻焊機(jī)適配線圈移動到鉆頭需要焊接的位置，其中，一臺電機(jī)驅(qū)動升降平臺，控制焊機(jī)在上下方向移動，升降平臺上下均配備接近開關(guān)，準(zhǔn)確控制高頻焊機(jī)的位置；另一臺電機(jī)控制焊機(jī)平臺前后移動，根據(jù)不同鉆頭的尺寸，保證高頻焊機(jī)線圈與鉆頭的合理距離，保證焊接質(zhì)量；在升降臺最低點(diǎn)與平臺最前端設(shè)置極限位置開關(guān)，當(dāng)平臺系統(tǒng)遇到緊急情況或者到達(dá)極限位置時，系統(tǒng)會自動停止，保證設(shè)備的使用安全。控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、觸摸屏人機(jī)交互界面、面板開關(guān)、傳感器以及控制柜組成。主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)與焊接時間、溫度的控制，實(shí)現(xiàn)鉆頭的自動或者半自動焊接。

圖1 鉆頭高頻自動焊接主要系統(tǒng)組成

1.2 工作流程

該系統(tǒng)設(shè)置了兩套工作模式：手動和自動控制模式。手動工作模式由面板上的機(jī)械開關(guān)配合高頻焊機(jī)旋鈕進(jìn)行控制；自動工作模式針對于已知固定焊接參數(shù)的金剛石鉆頭批量生產(chǎn)而設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)鉆頭裝料后的全過程非手工自動化焊接。

在手動控制模式下，將鉆頭與焊機(jī)手動調(diào)節(jié)到合適的位置，啟動高頻焊機(jī)，根據(jù)觀察鉆頭的焊接溫度與焊料的熔化情況，調(diào)節(jié)溫度與焊接時間，人為控制焊接過程即可。

自動模式主要針對于前期摸索出了鉆頭焊接工藝，可批量化生產(chǎn)的金剛石鉆頭，設(shè)計的控制方式為步進(jìn)控制。首先根據(jù)該鉆頭前期小批量的焊接經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置好鉆頭焊接時間以及高頻焊機(jī)的工作功率；然后系統(tǒng)會自動檢測焊機(jī)與鉆頭是否在初始位置，若不在初始位置，系統(tǒng)會啟動回原點(diǎn)程序，保證高頻焊機(jī)在最高點(diǎn)；檢測完成后，系統(tǒng)會將之前的數(shù)據(jù)自動清零；送鉆系統(tǒng)啟動，平臺逆時針轉(zhuǎn)動，將填料完成的鉆頭傳送到工作位，系統(tǒng)檢測到鉆頭到位后，焊機(jī)開始下降，當(dāng)焊機(jī)的線圈到達(dá)焊縫處停止移動，接通高頻焊機(jī)，開始焊接，同時接通旋轉(zhuǎn)電機(jī)，鉆頭開始自轉(zhuǎn)。焊接過程中利用溫度傳感器監(jiān)測焊接溫度，通過設(shè)定高低限溫度區(qū)間保證焊接過程的穩(wěn)定，即當(dāng)溫度超過設(shè)定高限溫度時就會關(guān)閉高頻焊機(jī)，溫度低于設(shè)定低限溫度時又會啟動高頻焊機(jī)，直至達(dá)到焊接所需時間，高頻焊機(jī)停止工作，記錄當(dāng)前焊接的鉆頭數(shù)量，同時升降臺上升，送鉆系統(tǒng)啟動，把另一個工位的鉆頭送到工作位，依照前面的步驟開始下一個鉆頭的焊接作業(yè)，已經(jīng)焊接好的鉆頭會轉(zhuǎn)到另一工位進(jìn)行冷卻。整個系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 焊接系統(tǒng)工作流程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

鉆頭高頻自動焊接系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)鉆頭鑲焊，其中最重要的步驟是保證焊機(jī)線圈與鉆頭焊接位置的配合以及控制焊接過程的溫度與焊接時間。為了保證鉆頭能夠準(zhǔn)確的送到工位，在轉(zhuǎn)盤上設(shè)置了兩組機(jī)械限位與行程限位開關(guān)，通過行程開關(guān)關(guān)斷電機(jī)，利用機(jī)械限位保證每次旋轉(zhuǎn)均在同一位置；為了適應(yīng)不同高度的鉆頭，設(shè)置了可移動式的接近開關(guān)，保證每次焊機(jī)線圈上下移動都能夠在鉆頭的焊縫處。焊接的溫度控制采用溫度檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用遠(yuǎn)程紅外溫度監(jiān)測儀，持續(xù)監(jiān)測焊接的溫度，將溫度值傳輸?shù)絇LC中，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的上限時，系統(tǒng)會關(guān)斷焊機(jī)，溫度低于下限時，會自動開啟焊機(jī)，保證焊機(jī)溫度區(qū)間的穩(wěn)定。

2.1 系統(tǒng)電路圖

該焊接系統(tǒng)一共需要5個電機(jī)來驅(qū)動鉆頭與高頻焊機(jī)的運(yùn)動，其中電機(jī)1與電機(jī)2控制鉆頭自轉(zhuǎn)，電機(jī)3控制高頻焊機(jī)基座的前后移動，電機(jī)4控制高頻焊機(jī)升降平臺的上下移動，電機(jī)5控制鉆頭轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)。在本系統(tǒng)中高頻焊機(jī)采用220VAC供電，其余均采用24VDC供電。設(shè)計的系統(tǒng)電路如圖3所示。由于高頻焊機(jī)功率較大，配備了單獨(dú)的水冷系統(tǒng)，為避免對直流電路影響，采用獨(dú)立供電的方式；220VAC通過直流電源轉(zhuǎn)換為24VDC給直流電機(jī)、風(fēng)扇、傳感器以及PLC供電。

圖3 控制系統(tǒng)電路圖

2.2 PLC地址分配

本系統(tǒng)以PLC為中央控制器，控制各個電機(jī)的動作，并接收傳感器的信號，通過觸摸屏與PLC的通信，完成焊接系統(tǒng)的人機(jī)交互功能?？刂破鬟x用顧美的7英寸觸摸屏一體機(jī)，一體機(jī)內(nèi)置的核心控制器為三菱FX系列PLC，該控制器作為三菱公司的主流產(chǎn)品，具有多路的開關(guān)量與模擬量的輸入輸出功能，控制與通信功能強(qiáng)大，在自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[12～15]。設(shè)計的I/O接口有24個，其中開關(guān)量輸入16個，開關(guān)量輸出8個，A/I接口6個、A/O接口2個，232、485通訊接口各一個，具體PLC地址分配如表1所示。

表1 PLC地址分配

2.3 PLC控制程序編寫

根據(jù)焊接系統(tǒng)的工作流程和控制要求，該系統(tǒng)需要手動控制與自動控制兩部分，通過觸摸屏進(jìn)行控制方式的切換。采用三菱專用的編程軟件GX works2完成PLC控制程序的編寫，手動程序通過面板上的機(jī)械按鈕進(jìn)行操作，自動控制過程采用步進(jìn)控制的方式，根據(jù)工作過程，先讓鉆頭旋轉(zhuǎn)到工作位，然后將焊機(jī)線圈移動到鉆頭焊縫處，啟動焊機(jī)開始鑲焊作業(yè)，焊接過程監(jiān)控溫度，實(shí)時控制焊機(jī)的通斷，焊接結(jié)束后再將焊機(jī)升起來，將另一鉆頭旋轉(zhuǎn)到工作位繼續(xù)焊接。程序設(shè)置了電機(jī)的自鎖與互鎖，防止程序運(yùn)行過程發(fā)生沖突，在多個程序段設(shè)置了急停，保證工作過程中出現(xiàn)緊急情況時，能夠隨時停止焊接作業(yè)。該P(yáng)LC一體機(jī)有232通訊口與485通訊口，方便PLC和觸摸屏與電腦進(jìn)行通信，完成兩者程序的上傳與下載，通過通信功能可以利用上位機(jī)實(shí)時的監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)。由于整個程序較長，截取其中的手動自動程序切換與步進(jìn)控制開始程序段進(jìn)行介紹如圖4所示。

圖4 焊接自動控制程序段

2.4 觸摸屏程序編寫

采用顧美公司自主研發(fā)的組態(tài)軟件CoolMay HMI編寫人機(jī)交互界面，完成的觸摸屏界面如圖5所示。該界面設(shè)置了2個界面窗口，登錄界面可以設(shè)置登錄密碼，保證系統(tǒng)的使用安全。主控界面中主要有系統(tǒng)啟動與急停、焊接工作模式的切換、自動焊接時間的設(shè)定等按鈕；右側(cè)的信號指示燈包含了設(shè)備的工作狀態(tài)、焊機(jī)的工作狀態(tài)、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、焊接鉆頭的數(shù)量以及焊接過程中的溫度等信息，方便操作者能夠及時了解鉆頭焊接的狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況及時的控制設(shè)備。

圖5 焊接系統(tǒng)人機(jī)交互界面

3 實(shí)驗(yàn)測試

采用8刀翼φ77mm取芯金剛石鉆頭進(jìn)行焊接測試。首先將燒結(jié)好的刀頭放置在鉆頭鋼體上并在兩者的縫隙處裝填好焊料，然后利用內(nèi)外石墨模套，將刀頭鎖緊，這樣能夠有效的保證焊接過程中鉆頭的內(nèi)外徑尺寸，鉆頭組裝好后如圖6所示。為保證焊接過程中刀頭與鋼體能夠焊接牢固，在鉆頭刀頭的上部放置了一個專用的壓塊工裝，以提供焊接過程中作用于刀頭向下的壓力。

圖6 鉆頭裝塊

首先通過觸摸屏設(shè)置焊接時間5min，設(shè)置焊接溫度800℃。啟動高頻焊機(jī)，卡盤開始自動旋轉(zhuǎn)，平臺自動轉(zhuǎn)動180°，鉆頭到達(dá)焊接工位，焊機(jī)升降平臺啟動，線圈下降到焊縫處，啟動焊機(jī)的頻率到15kHz，溫度迅速上升到達(dá)600℃，調(diào)節(jié)頻率到25kHz后溫度持續(xù)保持在800℃左右，焊接過程中鋼體迅速發(fā)紅，能夠明顯看見焊劑迅速熔化，焊接過程中設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。焊接結(jié)束后，焊機(jī)自動上升到最高位置，工作臺自動旋轉(zhuǎn)，讓鉆頭到外側(cè)進(jìn)行冷卻。待鉆頭完全冷卻后，取下鉆頭檢查發(fā)現(xiàn)焊料已完全熔化，鉆頭焊接密實(shí)，焊接過程如圖7所示。

圖7 鉆頭高頻焊接過程

4 結(jié)語

本文利用PLC自動化控制技術(shù)，結(jié)合機(jī)械設(shè)計原理完成了金剛石鉆頭高頻焊接系統(tǒng)的設(shè)計與制造，通過電子電路的設(shè)計、控制程序的編寫以及人機(jī)交互界面的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了金剛石鉆頭高頻自動焊接功能，最后完成了φ77mm取芯金剛石鉆頭的焊接試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。金剛石鉆頭高頻自動化控制設(shè)備的制造，解放了生產(chǎn)力，能夠有效的提高金剛石鉆頭的鑲焊效率以及控制焊接的質(zhì)量，為鑲焊金剛石鉆頭的批量化生產(chǎn)提供可能，具有較好的經(jīng)濟(jì)價值。