張亦偉，劉小靜

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

H型鋼臥式自動焊接設(shè)備設(shè)計(jì)*

張亦偉，劉小靜

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

結(jié)合傳統(tǒng)的H型鋼臥式船型焊基礎(chǔ)之上，通過優(yōu)化臥式焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變H型鋼焊接工序，同時結(jié)合自動數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)H型鋼臥式焊接連續(xù)生產(chǎn)。H型鋼臥式焊接設(shè)備采用主機(jī)固定，工件移動一次輸送，雙面焊接生產(chǎn)方式的設(shè)計(jì)思路。

H型鋼;臥式焊接;PC控制系統(tǒng)

0 引 言

近年來，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，H型鋼用量的占有量在60%左右，并且隨著時間的推移其比例在不斷增加。H型鋼的生產(chǎn)技術(shù)與一個企業(yè)的生產(chǎn)效益密切相關(guān)，因此實(shí)現(xiàn)自動化控制將給一個企業(yè)帶來便捷、安全、高效的生產(chǎn)效益。通過對比傳統(tǒng)H型鋼船型焊接設(shè)備與設(shè)計(jì)研發(fā)的新型H型鋼臥式焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的生產(chǎn)高效性、操作智能性以及使用安全性的技術(shù)突破，對以后鋼結(jié)構(gòu)自動制造設(shè)備設(shè)計(jì)與制造奠定了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)和技術(shù)引導(dǎo)。

傳統(tǒng)的H型鋼焊接采用臥式船型焊接方式， 其生產(chǎn)方式將H型鋼放于胎架上，每次焊接只能完成單邊焊接，H型鋼焊接轉(zhuǎn)次數(shù)多，且H型鋼焊接完成之后進(jìn)入下一道工序需通過桁車吊裝完成，操作強(qiáng)度大，危險系數(shù)高，與現(xiàn)代自動化生產(chǎn)方式格格不入。本設(shè)計(jì)研發(fā)的新型H型鋼臥式焊接設(shè)備，采用數(shù)字化控制技術(shù)，其焊接方式采用主機(jī)固定，工件移動的生產(chǎn)方式，通過輥道上限位開關(guān)檢測H型鋼位置，數(shù)字系統(tǒng)控制氣缸、伺服電機(jī)等驅(qū)動設(shè)備，實(shí)現(xiàn)H型鋼自動焊接生產(chǎn)。圖1為H型鋼臥式埋弧焊接設(shè)備[1]。

1 臥式焊接設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

通過H型鋼的尺寸規(guī)格及臥式焊接設(shè)備實(shí)現(xiàn)的要求，結(jié)合實(shí)際情況對臥式焊接設(shè)備提出以下要求：

(1) 焊接設(shè)備能實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的H型鋼焊接，包括通用H型鋼與變截面H型鋼的焊接生產(chǎn)。

(2) 實(shí)現(xiàn)自動化焊接生產(chǎn)，工人在穿絲完成后，整個焊接過程實(shí)現(xiàn)自動化，同時也可以手動操作。

(3) 提高生產(chǎn)效率，H型鋼焊接速度提高為現(xiàn)有設(shè)備焊接速度的3倍以上。

(4)良好的人機(jī)交互界面，能實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的設(shè)置，各驅(qū)動設(shè)備的控制；并且能反映焊接過程中的狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)控設(shè)備操作工況。

(5) 管理中心與控制器建立以太網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管控焊接設(shè)備。

圖1 臥式焊接設(shè)備

基于以上技術(shù)要求，設(shè)計(jì)完成臥式自動埋弧焊接設(shè)備。該臥式焊接設(shè)備有以下幾個部分組成：電氣控制系統(tǒng)、焊接主機(jī)和焊接電源組成。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和焊接電源選擇

2.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制部分主要完成焊接工程的自動控制、監(jiān)控功能和遠(yuǎn)程通訊功能，根據(jù)前面提出的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)基于PC的臥式埋弧焊接自動控制系統(tǒng)方案，如圖2所示[2]。

圖2 電氣控制系統(tǒng)方案

從電氣控制方案中可以看出，臥式焊接設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)突破的幾個關(guān)鍵技術(shù)。

(1) 現(xiàn)場控制設(shè)備與信息管理中心采用TCP/IP協(xié)議通過ethernet(以太網(wǎng))連接，實(shí)現(xiàn)管理中心與現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時信息交換、遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備和反饋記錄設(shè)備使用情況，實(shí)現(xiàn)信息化生產(chǎn)管理。

(2) 現(xiàn)場設(shè)備采用數(shù)字化控制技術(shù)，通過現(xiàn)場總線技術(shù)和分散型控制技術(shù)的交錯使用，實(shí)現(xiàn)分散控制集中管理模式(針對后期生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))。

(3) 現(xiàn)場設(shè)備控制采用德國Beckhoff控制技術(shù)，通過TwinCAT系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺開發(fā)系統(tǒng)控制軟件和人機(jī)交互界面。系統(tǒng)控制器與子端口模塊采用EtherCAT連接，液晶屏和林肯ACDC-1000電源19型控制器采用Devicenet現(xiàn)場總線連接，實(shí)現(xiàn)電源及焊接參數(shù)的選擇、現(xiàn)場驅(qū)動設(shè)備的操作和傳感器數(shù)據(jù)的讀取。

(4) 現(xiàn)場設(shè)備控制的人機(jī)交互界面分為特權(quán)模式和用戶模式。用戶模式只能對現(xiàn)場設(shè)備操作控制，而不能修改系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)；特權(quán)模式則可以對系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行修改。通過PC可修改林肯焊機(jī)的默認(rèn)焊接模式及焊接電流、電壓、送絲速度和工件移動速度。

2.2 PC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

臥式埋弧焊接自動控制系統(tǒng)，采用德國Beckhoff的CP6201工控機(jī)，整個控制系統(tǒng)由人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和發(fā)出控制命令，其控制系統(tǒng)的編程可通過指令表(IL)、結(jié)構(gòu)化文本(ST)、功能塊圖(FBD)、梯形圖(LD)和連續(xù)功能圖(CFC)編程完成，其編程方式靈活高效，編程人員可根據(jù)自己情況選擇編程語言。

臥式埋弧門焊機(jī)控制系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)交互界面，如圖3所示。該觸摸屏是集控制器為一體的工控機(jī)，其內(nèi)部嵌入PLC系統(tǒng)，通過EtherCAT與子端模塊連接，同時通過Ethernet與管理中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。操作人員可以通過觸摸屏選擇焊接參數(shù)和控制現(xiàn)場驅(qū)動設(shè)備，現(xiàn)場焊接設(shè)備的參數(shù)和工作狀態(tài)可通過現(xiàn)場總線傳送到觸摸屏和管理中心，操作人員與管理中心可隨時參看焊接過程中設(shè)備的工作狀態(tài)和當(dāng)前焊接工位等信息。

圖3 H型鋼臥式焊接設(shè)備主機(jī)示意圖1.后輥道 2.驅(qū)動夾緊裝置驅(qū)動部分 3.氣動地線連接裝置 4.前輥道 5.驅(qū)動夾緊裝置壓緊部分 6.主機(jī)機(jī)架 7.手輪 8.纜索氣缸 9.左焊接懸臂 10.送絲機(jī)構(gòu) 11.焊劑輸送裝置 12.焊接回收裝置 13.右焊接懸臂 14.焊接機(jī)頭

臥式埋弧門焊機(jī)控制系統(tǒng)I/O信號有50個輸出信號，如氣缸上的開關(guān)信號、伺服電機(jī)的控制信號和指示燈信號等。36個輸入信號，其中包括限位開關(guān)信號和操作手柄的輸入信號等?？刂葡到y(tǒng)通過這些信號的控制，實(shí)現(xiàn)門焊機(jī)焊臂的左右移動和上下移動以定位H型鋼焊縫，控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)輥道上H型鋼的輸送，控制信號控制地線連接裝置實(shí)現(xiàn)焊接的自動連接，控制驅(qū)動夾緊裝置夾緊或松開H型鋼等。這些驅(qū)動設(shè)備和PC控制器通過子端模塊而組建成整個控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3-4]。

2.3 焊接電源的選擇

焊接電源采用美國林肯AC/DC電源，該電源焊接參數(shù)可通過控制系統(tǒng)設(shè)置和操作，同時AC/DC電源參數(shù)也可通過以太網(wǎng)訪問，其焊接速度為1～1.3 m/min，相比傳統(tǒng)焊接速度提升3.5倍，提高了H型鋼生產(chǎn)效率。

3 H型鋼臥式焊接設(shè)備主機(jī)設(shè)計(jì)

如圖3所示，臥式焊接設(shè)備主機(jī)部分主要有主機(jī)門架、左右焊接懸臂、驅(qū)動夾緊裝置和輥道輸送部分。主機(jī)門架用來固定焊接回收機(jī)、桶裝焊絲、纜索氣缸，同時在主機(jī)門架上面安裝有軌道和齒條，軌道上安裝有左右焊接懸臂。

H型鋼放置于輸送輥道，伺服電機(jī)驅(qū)動輸送輥道帶動H型鋼移動，輸送輥道有輸入輥道和輸出輥道，輸入輥道為H型鋼進(jìn)料裝置，輸出輥道為H型鋼出料裝置。在輸入輥道塊接近焊接位置的地方裝有限位開關(guān)，其目的在于自動檢測H型鋼的進(jìn)料和出料情況，通過限位開關(guān)將信號傳入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)即可進(jìn)行下一步焊接工序。

驅(qū)動加緊裝置有驅(qū)動部分和壓緊部分組成：驅(qū)動部分上的驅(qū)動輥通過減速箱與伺服電機(jī)連接，控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速，從而可以控制H型鋼的進(jìn)料速度；在限位開關(guān)打開之后，兩個氣缸推動壓緊輥壓緊H型鋼一側(cè)翼緣板，H型鋼另一側(cè)翼緣板與驅(qū)動輥接觸，通過壓緊輥頂壓H型鋼而保證H型鋼定位和輸送。在驅(qū)動夾緊裝置上裝有兩個氣動地線接觸裝置，在焊接的時候，控制系統(tǒng)控制氣動地線接觸裝置上的氣缸推動紫銅塊接觸H型鋼翼緣板，紫銅塊上連有焊接地線，從而實(shí)現(xiàn)了焊接電源地線連接的自動控制。

左右焊接懸臂的橫向移動由裝于主機(jī)門架上的纜索氣缸控制，焊接接頭上的焊槍上下移動可有兩種方法調(diào)節(jié)，一種是手輪微調(diào)，另一種是靠裝在懸臂上的氣缸伸縮實(shí)現(xiàn)焊槍的上下移動。焊槍可由懸臂上的蝶形螺母調(diào)節(jié)而轉(zhuǎn)動一定的角度，其目的是在于實(shí)現(xiàn)H型鋼變截面焊接。同時，懸臂上裝有焊劑下料裝置、焊接回收裝置、送絲機(jī)等。當(dāng)H型鋼由驅(qū)動夾緊裝置輸送到焊接位置時，由控制系統(tǒng)控制驅(qū)動設(shè)備(如送絲機(jī)，焊劑下料)和焊接電源，實(shí)現(xiàn)焊接槍頭定位、焊劑下料和回收、送絲機(jī)送絲和焊接電源打開等[5]。

4 H型鋼臥式焊接設(shè)備的操作方式

設(shè)計(jì)的臥式埋弧自動焊接設(shè)備，主要是完成H型鋼自動化焊接生產(chǎn)，能實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的H型鋼的生產(chǎn)，包括變截面H型鋼的生產(chǎn)，其生產(chǎn)過程有自動和手動兩種方式。

(1) 手動方式：在手動模式下，操作人員通過觸摸屏選擇焊接模式；在點(diǎn)動模式下，打開輥道上的伺服電機(jī)，將輥道上的H型鋼輸送到焊接位置，關(guān)閉輥道上伺服電機(jī)，打開驅(qū)動夾緊裝置上的保壓裝置，夾緊H型鋼；調(diào)節(jié)左右焊機(jī)，定位到焊接位置；打開聯(lián)動模式，點(diǎn)擊觸摸屏上焊接按鈕，此時開始焊接H型鋼，H型鋼焊接結(jié)束后，點(diǎn)擊觸摸屏上焊接結(jié)束按鈕，驅(qū)動設(shè)備停止，H型鋼焊接完成。

(2) 自動模式：在自動模式下，操作人員通過觸摸屏選擇焊接模式，點(diǎn)擊焊接按鈕，H型鋼由輥道輸向焊接位置，在達(dá)到焊接位置前H型鋼觸動限位開關(guān)，驅(qū)動夾緊部分自動將H型鋼夾緊，左右焊機(jī)自動定位，達(dá)到焊接位置時開始焊接，H型鋼焊接結(jié)束后，限位開關(guān)關(guān)閉，控制系統(tǒng)自動關(guān)閉驅(qū)動設(shè)備，焊接結(jié)束。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的H型鋼臥式埋弧焊接設(shè)備，通過檢測，滿足H型鋼焊接生產(chǎn)要求，同時實(shí)現(xiàn)了臥式埋弧焊接的全數(shù)字化自動控制。

(1) 采用的工件移動焊接生產(chǎn)方式，焊接完成后的H型鋼可直接進(jìn)入下一道工序，而不需要桁車吊運(yùn)H型鋼轉(zhuǎn)交下一道工序，減少桁車的使用率。

(2) 采用全數(shù)字化自動控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程管控和數(shù)據(jù)交流，方便車間的生產(chǎn)管理。

(3) 由于采用的數(shù)字化自動控制，焊接參數(shù)在系統(tǒng)中已設(shè)置好，H型鋼焊接質(zhì)量受工人操作的熟練程度較小。

[1] 羅文輝.中輕型焊接H型鋼自動生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和制造[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2002(2)：1-4.

[2] 顧戰(zhàn)松,陳鐵年.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996.

[3] 王龍明, 懷 哲.倍?，F(xiàn)場總線組件在煙草加工中的應(yīng)用[J].自動化博覽, 2004, 21(3)： 68.

[4] 申立琴，馬彩文.倍福Beckhoff在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(1)：1-3.

[5] 羅文輝.大型焊接H型鋼制造工藝與變形控制 [J].工程機(jī)械，2013(4):1-5.

Design for H Type Steel Horizontal Automatic Welding Equipment

ZHANG Yi-wei, LIU Xiao-jing

(WuhanUniversityofScienceandTechnology，WuhanHubei430070，China)

Combining with the traditional H type steel horizontal type welding, and the optimization of horizontal welding structure design is made to change H type steel. Combining with automatic digital control system, the continuous production of H type steel horizontal welding is realized. H type steel horizontal welding equipment design has such welding design production solution that the host is fixed, the movement of the workpiece is carried one time and double-sided welding.

H type steel; horizontal welding; PC control system

2014-03-05

張亦偉(1991-)，男，安徽合肥人，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)，ERP系統(tǒng)開發(fā)等。

TP26

A

1007-4414(2014)02-00 -