張永波，石寶傳

(1.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，山東日照276826；2.日照市工業(yè)學(xué)校，山東 日照262300)

汽車傳動軸專用焊接設(shè)備的研制

張永波1，石寶傳2

(1.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，山東日照276826；2.日照市工業(yè)學(xué)校，山東 日照262300)

為解決汽車傳動軸制造過程中的焊接質(zhì)量和焊接效率問題，開發(fā)了基于PLC控制的汽車傳動軸專用焊接設(shè)備。結(jié)合該設(shè)備技術(shù)要求、主要參數(shù)、工作原理和汽車傳動軸焊接工藝要求，給出了其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計流程和PLC梯形圖程序。該汽車傳動軸專用焊接設(shè)備能夠通過控制系統(tǒng)對焊接過程進行實時控制，保證焊接后傳動軸達到預(yù)定的質(zhì)量要求，同時大大提高了傳動軸的焊接效率。通過修改控制程序的設(shè)定參數(shù)，可以適用不同型號的傳動軸焊接，提高了該設(shè)備的適應(yīng)性。

汽車傳動軸；PLC；焊接設(shè)備

0 前言

傳動軸作為汽車的重要零部件，在汽車中占有了重要的位置。傳動軸的制造工藝和加工質(zhì)量體現(xiàn)了汽車零部件的生產(chǎn)能力。我國汽車零部件的加工設(shè)備正逐步采用專業(yè)自動線生產(chǎn)設(shè)備代替手工生產(chǎn)，目前我國傳動軸已經(jīng)采用半自動化流水線設(shè)備，由于自動化程度不高，工藝繁瑣，所以迫切需要研發(fā)高精度的專業(yè)傳動軸生產(chǎn)設(shè)備，加快傳動軸設(shè)備研制和技術(shù)改造對改變我國零部件的生產(chǎn)現(xiàn)狀有重要意義[1]。

1 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓380 V(三相)；額定功率54 kW；焊接電流60～350 A；焊接電壓17～31 V；焊槍行走速度0.1～10 mm／min；夾具旋轉(zhuǎn)角度360°；壓縮空氣0.4～0.6 MPa。

2 專用焊接設(shè)備的組成和原理

汽車傳動軸專用焊接設(shè)備由六部分組成：定位驅(qū)動機構(gòu)、焊槍固定調(diào)整機構(gòu)、焊接電源和送絲裝置、CO2氣源和氣體調(diào)制器、變頻和測控系統(tǒng)。

(1)定位驅(qū)動機構(gòu)。驅(qū)動機構(gòu)由電機(2S110Q)、諧波減速器(XB01-80-200)、齒輪Z1、齒輪Z2、主軸、卡盤組成。諧波減速器體積小，速比大，精度高。經(jīng)諧波減速后輸出轉(zhuǎn)速7 r／min，滿足低速長時間驅(qū)動的要求，對空心傳動軸和長花鍵軸采用卡盤加尾架的定位方式，即可保證旋轉(zhuǎn)精度的要求。

(2)焊槍固定調(diào)整機構(gòu)。固定焊槍，實現(xiàn)焊槍的多向進給與調(diào)整。同時實現(xiàn)多向角度調(diào)整，調(diào)整后可快速鎖緊，焊接位置對焊接質(zhì)量影響較大。采用對刀輔具來輔助人工對刀，實現(xiàn)快速對刀。

(3)焊接電源和送絲裝置。用松下YM-350KR1YTA型CO2氣體保護焊機和相應(yīng)的YW-35KB1YTA型送絲裝置。

(4)CO2氣源和氣體調(diào)制器。為保證焊接質(zhì)量，CO2氣體需經(jīng)過預(yù)熱干燥處理且保持穩(wěn)定壓力。

(5)變頻和控制系統(tǒng)。采用臺達VFD-A／230V／18.5kW變頻器，實現(xiàn)0～7 r／min的無級調(diào)速，滿足長時間低速驅(qū)動的要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊、可靠。通過PLC監(jiān)控焊接電源、送絲裝置、氣體調(diào)制器等焊接工藝參數(shù)條件，如出現(xiàn)異常時則報警、停機[2]。

焊機機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先根據(jù)工件位置正確設(shè)置焊槍對刀位置，將工件中部大件放在工件支架上，然后將工件兩端部分通過止口定位安裝到工件中間部位，使工件處于定位位置，此時設(shè)備處于焊接準(zhǔn)備狀態(tài)，按下工件夾緊按鍵夾緊工件，按下起動按鍵，程序開始運行，工件在汽缸作用下提升至焊接位置，工件旋轉(zhuǎn)→焊接→工件停止焊接→汽缸下行→卸件，一個循環(huán)完成。焊接工作現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 焊機機械結(jié)構(gòu)

圖2 焊接工作狀態(tài)

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

選用臺達公司的可編程控制器為控制核心，其輸入點16點、輸出點8點，輸出類型為繼電器輸出，可滿足通斷交流或直流負(fù)載。以10.4寸A970為顯示終端，中間加以光電耦合、電子感應(yīng)傳感器等來實現(xiàn)焊接過程的自動化控制，控制部分的設(shè)計為手動、自動工作等操作方式[3-4]。

手動方式主要供系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)備維修時使用，通過控制臺臺板上的手動控制按鈕可分別操作各工序單獨運行，另設(shè)計有部分指示信號燈。整個系統(tǒng)的輸入信號為數(shù)字量和模擬量，輸出負(fù)載信號均為數(shù)字量，分負(fù)載信號和指示信號兩部分。輸入、輸出接口分配如表1所示，PLC控制原理如圖3所示。

表1 PLC輸入、輸出接口分配表

工件定位過程中要完成上、下方向的運動；夾緊過程工作臺沿機床導(dǎo)軌在水平方向的平動、焊接過程工件在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，均由交流伺服電機通過伺服驅(qū)動模塊和CNC輸出點相連，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制指令所要求的動作過程。

控制過程所需要的工件位置信號和機床狀態(tài)信號是由位置檢測元件產(chǎn)生，使用了光電傳感器、限位開關(guān)、接近開關(guān)，分別用于工件的檢測，軸向限位和定位。它們分別通過接口電路和PLC輸入點相連，從而將各自的信號傳輸?shù)絇LC，作為控制的輸入信號。

焊接加工過程所需要的焊接電源和相應(yīng)的送絲機構(gòu)都有直接的遠(yuǎn)程控制接口?？梢酝ㄟ^接口電路接至PLC輸出點。使控制系統(tǒng)可對起弧、熄弧、電流切換等過程進行控制。

實際電路中，由于輸出點的負(fù)載能力較弱，故采用繼電器輸出。其負(fù)載能力取決于繼電器觸點的輸出能力；同時繼電器輸出可將控制電路和外圍功率驅(qū)動電路分離，實現(xiàn)電氣隔離。此外，輸出電路中接入發(fā)光二極管用于顯示輸出點是否有輸出信號。

圖3 PLC控制原理

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

4.1 PLC控制梯形圖

PLC控制的梯形圖如圖4所示。

4.2 系統(tǒng)軟件通信協(xié)議的設(shè)定

PLC采用的通信格式如表2所示。

表2 PLC通信協(xié)議

最終的絕對數(shù)據(jù)PM通過表3中的公式求出。驅(qū)動器的設(shè)置與串行模塊的設(shè)置必須嚴(yán)格遵守上述通信格式，才能保證通信數(shù)據(jù)的正確傳輸。

表3 絕對數(shù)據(jù)換算

軟件部分設(shè)計主要涉及帶動旋轉(zhuǎn)部分的電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

4.3 控制系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計

焊接過程控制主程序具體執(zhí)行如下(以一次焊接的全過程來描述各組成部分的動作)：

(1)數(shù)據(jù)設(shè)定。操作人員首先根據(jù)焊接工藝技術(shù)人員擬訂的焊接參數(shù)輸入，主要有焊接電流、電壓、焊接速度。通過TD400的數(shù)據(jù)輸入按鍵，以數(shù)字方式輸入，按下數(shù)據(jù)確認(rèn)鍵后，數(shù)據(jù)通過TD400與S7-200PLC之間設(shè)定好的交換速率送入PLC程序指定數(shù)據(jù)變量。

(2)引弧。在起動焊接之前，通過操作鍵盤的功能按鈕調(diào)整好焊接機頭的位置和焊絲的伸出長度。在按下起動按鈕2 s后，程序起動，首先送出焊接電流給定和焊機電源起動指令，以及焊接引弧電壓給定，一般要求焊機輸出大于45 V；同時起動直流電機，按照設(shè)定的焊接速度，以一個固定的送絲速度(稱為引弧送絲速度，速度很低)送出焊絲。

(3)焊接過程。引弧成功后進入正常焊接。PLC通過電流傳感器檢測焊接電流，當(dāng)焊絲與工件開始接觸短路時，該電流被檢測到，如果電流大于設(shè)定的引弧判斷電流閾值，認(rèn)為此時電弧已經(jīng)點燃，應(yīng)快速進入自動調(diào)節(jié)送絲方式，以便維持電弧。通過電流判斷，調(diào)用自動焊接子程序，起動定時中斷，將送絲速度的調(diào)整由PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。此時，PID程序不斷讀入焊接電壓，并與事先輸入的焊接電壓做PID運算，輸出的計算量作為送絲的位置給定。直流電機閉環(huán)控制開始作用，當(dāng)焊接電壓因某種原因升高時，PLC系統(tǒng)會加快送絲速度，減少焊絲與工件之間的距離，在一定環(huán)境條件下，電弧電壓與電弧長度成正比，從而降低了電弧電壓。在這種動態(tài)的調(diào)整過程中，焊接電壓保持穩(wěn)定，焊接電流的穩(wěn)定則依賴于焊接電源本身的恒電流(降特性)來實現(xiàn)。

(4)焊接結(jié)束。當(dāng)兩道焊縫完成后，按下停止按鈕，PLC首先停止送絲和前進動作，此時，焊絲尚與工件有粘連，延時2 s后，焊接電流將焊絲熔化，斷開，停止焊接電源的輸出，電弧熄滅。調(diào)整機頭的位置，進行下一次焊接。

圖4 PLC控制梯形圖

4.4 軟件程序框圖

整個焊接過程的軟件程序流程如圖5所示。

4.5 步進電機控制方案

圖5 程序流程框圖

在定位移動過程中，為了保證定位精度則要降低速度，即定位過程分為粗定位和精定位兩個階段。實現(xiàn)上述過程可以使步進電機的脈沖頻率相同，而脈沖當(dāng)量不同，但這種方法需要兩套變速機構(gòu)。為了減少硬件設(shè)備，同時考慮步進電機的起動是一個加速過程，為了維護電機及其驅(qū)動設(shè)備，要求驅(qū)動脈沖頻率線性增加，本系統(tǒng)采用脈沖當(dāng)量不變，改變脈沖頻率的方法。臺達系列的PLC具有高速脈沖輸出功能，由于在起動和定位移動過程中PLC要輸出一定數(shù)量的多串脈沖，因此采用PTO(高速脈沖輸出)的多段管線方式。多段管線方式，即一次設(shè)定多段脈沖的屬性，屬性存儲在V存儲器的包絡(luò)表中。PTO開始工作后，CPU自動從V存儲器區(qū)的包絡(luò)表中讀出每個脈沖串的特性。相關(guān)的參數(shù)可由下式計算

5 結(jié)論

(1)焊接質(zhì)量好。自動焊接裝置實現(xiàn)了工件與焊接工藝相適應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速。工作前PLC對工件轉(zhuǎn)速、焊接工藝條件進行自動查找，檢測工件旋轉(zhuǎn)精度、保護氣體溫度，工作時監(jiān)控焊接狀態(tài)，避免了人為因素對焊接質(zhì)量的影響。

(2)生產(chǎn)效率高。采用自動送絲方式，生產(chǎn)效率為焊條電弧焊的2～3倍；對刀簡便，對刀一次可實現(xiàn)同工序零件一個批次的焊接。

(3)適應(yīng)性好。適當(dāng)改造夾具和調(diào)整軟件參數(shù)后可適應(yīng)其他軸類零件的自動焊接。

[1]高慧輝.傳動軸壓入焊接專機受力變形和精度分析[D].上海：上海大學(xué)，2008.

[2]侯運豐，龔 俊.機車傳動軸系列零件自動焊接裝置[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，29(9)：47-48.

[3]侯志勇，吳建遠(yuǎn).PLC在環(huán)縫焊接裝置中的應(yīng)用[J].電焊機，2003，33(8)：43-45.

[4]張永波，岳德梅，葛均收.基于PLC控制的自動環(huán)縫焊機[J].電焊機，2010，40(9)：54-56.

Development of automobile drive shafts welding device

ZHANG Yong-bo1，SHI Bao-chuan2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Rizhao Polytechnic College，Rizhao 276826，China；2.Rizhao Polytechnical School，Rizhao 262300，China)

To solve the quality and efficiency problem on automobile drive shafts manufacturing process，special welding machine based on PLC was researched and developed.The hardware，software and PLC ladder program of this machine were designed on the combination of its technical requirements，main technical parameters，operating principle，and drive shafts welding technological requirements.Real-time control on welding process through the control system of this machine assures the quality of work piece，and greatly improves the welding efficiency.The setting parameters of the control system can be changed to meet the different welding requirements.High automation and flexibility in welding process are obtained with this machine.

automobile drive shafts；PLC；welding equipment

TG409

B

1001-2303(2011)05-0036-05

2010-11-15

張永波(1973—)，男，山東日照人，講師，碩士，主要從事機械設(shè)計制造及自動化研究工作。