韓以倫，朱 倩，陳 佩，魯其興，侯 磊

（山東科技大學(xué)　交通學(xué)院，青島 266510）

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基于PLC的管件自動(dòng)焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓以倫，朱 倩，陳 佩，魯其興，侯 磊

（山東科技大學(xué)交通學(xué)院，青島 266510）

摘 要：針對手工焊方法存在嚴(yán)重的耗費(fèi)人力和時(shí)間等問題，設(shè)計(jì)了一種管件自動(dòng)焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)為一套機(jī)電液一體化設(shè)備，采用三菱FX2N-64MT-001系列PLC作為系統(tǒng)的控制主機(jī)，結(jié)合先進(jìn)的控制理論設(shè)計(jì)了控制精準(zhǔn)、操作簡單的夾緊旋轉(zhuǎn)裝置和焊接機(jī)械裝置。該系統(tǒng)能夠省時(shí)、省力、高效的完成管件的自動(dòng)焊接任務(wù)。

關(guān)鍵詞：PLC；自動(dòng)焊接；管件；設(shè)計(jì)

0　引言

從第三次工業(yè)革命到現(xiàn)在，制造業(yè)蓬勃發(fā)展，焊接作為一種重要的制造工藝被廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)科技的發(fā)展，焊接在生產(chǎn)工藝中所占比重也在逐漸擴(kuò)大。焊接直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和整體性能，針對產(chǎn)品的不同特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境選擇合適的焊接方法，將在很大程度上保證焊接質(zhì)量，提高整體制造水平。

本系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、電動(dòng)系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)組成的一體化綜合性十分強(qiáng)的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)是自動(dòng)焊接系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本文采用UG三維繪圖軟件進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的繪制，保證結(jié)構(gòu)的完整性、合理性。整個(gè)焊接系統(tǒng)采用氣動(dòng)系統(tǒng)-電動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)為整體系統(tǒng)提供動(dòng)力的方案。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化動(dòng)作，設(shè)計(jì)采用三菱PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，簡化控制步驟 ，提高控制精度。

1　機(jī)械系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

管件自動(dòng)焊接裝置的三維建模裝配簡圖如圖1所示。其主要包括夾緊旋轉(zhuǎn)裝置［1］和焊接機(jī)械裝置兩大部分。

夾緊旋轉(zhuǎn)裝置主要實(shí)現(xiàn)管件的夾持定位，然后帶動(dòng)焊接管件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。夾緊旋轉(zhuǎn)裝置主要包括一下幾部分：夾緊氣缸、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、管件支架等。夾緊氣缸實(shí)現(xiàn)管件的夾緊與定位，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)管件的旋轉(zhuǎn)。焊接機(jī)械裝置主要對焊縫進(jìn)行識(shí)別定位的基礎(chǔ)上，完成自動(dòng)焊接的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，主要包括：三根支架、焊槍、焊接小車、送絲機(jī)構(gòu)、焊接平臺(tái)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等。三根支架實(shí)現(xiàn)焊接小車的定位，焊槍安裝在焊接小車上，送絲機(jī)構(gòu)給焊槍送絲，焊接小車內(nèi)部的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)焊槍擺動(dòng)，進(jìn)行焊接。

圖1　整體結(jié)構(gòu)簡圖

1.2系統(tǒng)工作流程

焊接工作進(jìn)行之前，需要完成兩部分動(dòng)作：一是打開電源總開關(guān)，檢查整個(gè)裝置的機(jī)械、控制和氣動(dòng)系統(tǒng)，確保連接可靠、定位準(zhǔn)確；二是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，確保焊接裝置的各部分處于初始位置。

完成以上動(dòng)作后，系統(tǒng)正式進(jìn)行焊接工作。系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。下面結(jié)合流程圖進(jìn)行較詳細(xì)的流程敘述。

圖2　系統(tǒng)工作流程

1）人工將管件放在管件支架上，啟動(dòng)夾緊氣缸，對管件進(jìn)行夾緊定位；同時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)管件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

2）行走氣缸啟動(dòng)，推動(dòng)焊接平臺(tái)向前移動(dòng)。

3）根據(jù)安裝在焊槍頂部的傳感器［2］檢測需要焊接的位置，經(jīng)控制器分析，支架1、支架2、支架3的移動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)焊接小車的Z向、Y向、X向的運(yùn)動(dòng)。

4）送絲電機(jī)啟動(dòng)，勻速穩(wěn)定的送絲；打開電焊機(jī)，起弧進(jìn)行焊接；擺動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，增加焊縫寬度，當(dāng)焊接完成一周后，滅弧，同時(shí)送絲電機(jī)停止，送絲完畢，焊接完成。

5）旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，管件保持靜止。

6）行走氣缸后退，焊接平臺(tái)回到初始位置；夾緊氣缸后退回到原位，工件與夾具分離。

7）人工將焊接完成的管件卸下，焊接過程完成，整個(gè)作平臺(tái)都將回到初始狀態(tài)。

8）焊接完成后，關(guān)閉裝置總電源。

2　氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)中部分動(dòng)作的執(zhí)行采用氣壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，主要有管件的夾持定位動(dòng)作和焊接平臺(tái)的前后移動(dòng)。根據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)的基本原理及焊接裝置的基本功能要求，擬定該裝置的氣動(dòng)原理圖如圖3所示。

圖3　氣壓原理圖

2.2主要?dú)鈩?dòng)執(zhí)行元件的選擇

氣壓傳動(dòng)回路中最主要的執(zhí)行元件是氣缸，著兩個(gè)元件的設(shè)計(jì)選擇是焊接能否正常進(jìn)行的基礎(chǔ)。

氣缸內(nèi)徑D的計(jì)算公式：

式中：F為活塞桿的推力（N）；

D為缸筒內(nèi)徑（mm）；

d為活塞桿直徑（mm），d=0.3D；

p為氣缸工作壓力（Pa），取0.5MPa；

η為載荷率，取0.75；

行走氣缸的工作負(fù)載即整個(gè)焊接平臺(tái)，取工作負(fù)載M=64kg。活塞桿的推力為：

由式（1）求得D≥36.6mm，將其圓整為D=40mm?；钊麠U直徑d=0.3D，得d=12mm，為標(biāo)準(zhǔn)活塞桿。

活塞行程的選擇應(yīng)考慮到氣缸應(yīng)用場合和機(jī)構(gòu)行程，一般按照計(jì)算行程再加上10mm～20mm的行程余量［4］，行走氣缸的活塞行程為300mm。選取行走氣缸選用亞德客公司氣缸SC-40×300-S-LB，軸向支座式固定安裝。

根據(jù)計(jì)算氣缸計(jì)算流程與選型方式，選出其余氣缸的型號(hào)，具體如表1所示。

表1　氣缸的型號(hào)選擇

3　電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本焊接系統(tǒng)由PLC控制，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本焊接系統(tǒng)的核心部分。在本系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)主要是對電磁閥、電機(jī)等進(jìn)行控制。

3.1選用PLC

根據(jù)焊接系統(tǒng)的職能要求，PLC的選型要考慮以下三方面：

1）輸入輸出點(diǎn)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，為了后期的設(shè)備維修和改進(jìn)做準(zhǔn)備［5］，要預(yù)留10%～20%的可擴(kuò)展余量。

2）存儲(chǔ)器容量的估算。PLC選型時(shí)需要先估算出內(nèi)部存儲(chǔ)器的容量，因?yàn)檎{(diào)試程序前程序容量是未知的。通常按下式計(jì)算，并留出20%～30%的余量。

（KB）=（1.1×1.25）×（DI×10+DO×5+AI/AO×100）其中，DI為輸入點(diǎn)數(shù)，DO為輸出點(diǎn)數(shù)，AI/AO為模擬量通道數(shù)。

3）功能形式。根據(jù)系統(tǒng)有無復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，選擇的功能模塊類型。

3.2PLC的I/O點(diǎn)及地址分配

地址分配時(shí)盡量把所有的輸入地址和輸出地址集中，便于操作及管理。按照本系統(tǒng)實(shí)際接線情況確定輸入輸出點(diǎn)地址，PLC控制系統(tǒng)輸入輸出分配如表2所示。

表2　系統(tǒng)輸入輸出統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)輸入輸出統(tǒng)計(jì)信息可以看出，輸入信號(hào)為26個(gè)，輸出信號(hào)為18個(gè)，10%～20%的可擴(kuò)展余量后對輸入輸出點(diǎn)數(shù)圓整，確定為輸入輸出各32點(diǎn)。選用FX2N-64MT-001系列PLC。

3.3控制電路的設(shè)計(jì)

圖4　系統(tǒng)輸入輸出統(tǒng)計(jì)

4　結(jié)論

1）介紹了焊接裝置的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)焊接裝置的工作對象，結(jié)合相關(guān)理論，確定焊接裝置的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。

2）利用UG對焊接裝置進(jìn)行三維建模，確保其結(jié)構(gòu)合理、完整。

3）采用PLC控制系統(tǒng)，為了保證控制精度，對PLC及氣缸等主要電氣元件進(jìn)行選型。

4）焊接機(jī)械裝置與夾緊旋轉(zhuǎn)裝置很好的銜接起來，保證了焊接的精度。

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The design of pipe automatic welding system based on PLC

HAN Yi-lun， ZHU Qian， CHEN Pei， LU Qi-xing， HOU Lei

中圖分類號(hào)：TH6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0072-04

收稿日期：2015-11-30

作者簡介：韓以倫（1962 -），男，山西太原人，教授，博士，主要從事汽車電子及機(jī)電液一體化研究。