吳玲虹

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，福建龍巖 364021）

0 引言

龍巖在全國享有“橋鄉(xiāng)”之稱，大大小小的車橋生產(chǎn)廠家?guī)资?，其中有暢豐車橋等大型企業(yè)以及為其配套生產(chǎn)的一些中小企業(yè)如盛豐機(jī)械、伍旗機(jī)械等。隨著國人生活水平的提高，人們對轎車的需求量越來越大，與此同時(shí)，轎車市場對車橋產(chǎn)品需求也逐步增加，并且對車橋的質(zhì)量要求也越來越高，主要體現(xiàn)在保證焊接強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，對車橋外觀提出了更高的要求[1]。目前，現(xiàn)有廠家的設(shè)備老化，效率低，已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)需求，本課題就是應(yīng)工廠的要求，設(shè)計(jì)汽車車橋后蓋專用自動(dòng)焊接設(shè)備，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 鑄鋼橋

圖2 焊接位置示意圖

根據(jù)用戶提供的鑄鋼橋的圖樣（如圖1），本課題研制的專機(jī)主要適用于汽車鑄鋼橋殼:大法蘭內(nèi)孔直徑φ200～φ600 mm，橋總長≤2000 mm的產(chǎn)品，其焊接位置如圖2所示。

焊接過程：工件夾緊→點(diǎn)固→工件變位→焊槍下移→工件旋轉(zhuǎn)且起弧焊接→焊縫搭接、收弧→焊槍上升→工件復(fù)位→工件松開。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品信息、焊接現(xiàn)場工作環(huán)境的要求、汽車車橋后蓋焊接工藝流程等設(shè)計(jì)了汽車車橋后蓋專用自動(dòng)焊接設(shè)備。

其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用十字架立柱機(jī)構(gòu)，焊接小車在十字架立柱上下移動(dòng)，便于工件更換安裝；焊槍固定在一個(gè)三維可調(diào)機(jī)構(gòu)上，和送絲機(jī)構(gòu)一起做左右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫向的調(diào)整及三維方向的微調(diào)，使焊接時(shí)，焊槍定位更準(zhǔn)確；工件夾緊采用氣動(dòng)夾盤夾緊裝置，回轉(zhuǎn)方式采用電動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工件回轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為電動(dòng)調(diào)整，調(diào)整范圍0°～90°。工件先在水平位置點(diǎn)固，然后通過變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)角度翻轉(zhuǎn)，以達(dá)到焊槍與后蓋焊接處的焊縫形成船形位置焊接（如圖3），利用焊縫成形，不僅可以獲得較大的熔深，而且焊后焊縫成形光滑美觀[2]。汽車車橋后蓋專用自動(dòng)焊接設(shè)備的機(jī)身采用十字操作主架和變位機(jī)用平底座聯(lián)接，與電氣控制部分組合為一體，設(shè)置獨(dú)立的操作面板，操作方便。同時(shí)該專機(jī)也設(shè)計(jì)有吊裝環(huán)、叉車孔和固定設(shè)備的地腳螺栓安裝孔，整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，焊接平穩(wěn)，適用于車橋后蓋焊接自動(dòng)化批量生產(chǎn)[3-4]。

圖3 船形焊縫焊接

2 PLC控制設(shè)計(jì)

2.1 PLC的選用

PLC(Programmable Logic Controller)是在繼電器控制線路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的通過軟件的形式實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的自動(dòng)化控制設(shè)備。根據(jù)企業(yè)條件等因素，選用S7-200PLC，它是德國西門子公司的一款微型PLC，S7-200系列的PLC以其較好的穩(wěn)定性和靈活的通訊能力成為國內(nèi)微型PLC市場的主導(dǎo)[5]。

本設(shè)計(jì)需要用到的輸入點(diǎn)超過20個(gè)，輸出點(diǎn)超出10個(gè)，再從CPU性能的優(yōu)越性和控制對象上考慮[6]，最終確定為CPU226 AC/DC/RLY。

由于主軸電動(dòng)機(jī)須精確定位，所以選用變頻調(diào)速和旋轉(zhuǎn)編碼器定位。主軸電動(dòng)機(jī)為速度和位置反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對PLC而言必須用模擬量控制，CPU226本身不自帶模擬量接口，所以需要附加一個(gè)模擬量模塊，本設(shè)計(jì)選用的是EM235模擬量模塊。EM235為4輸入/1輸出的模擬量模塊及其端子[7-12]。

2.2 焊機(jī)工作流程

1）更換工件時(shí)的步驟：按夾盤夾緊→工件傾斜到位→橫梁伸出到位→焊槍下到位→工件對準(zhǔn)后→將手動(dòng)/自動(dòng)打到自動(dòng)狀態(tài)→連續(xù)按啟動(dòng)→設(shè)備開始運(yùn)行→動(dòng)作完成后→焊槍上到位→橫梁縮回→工件回到水平位置→按啟動(dòng)→工件松開→工件動(dòng)作完成可以開始焊接。

2）自動(dòng)步驟：按啟動(dòng)→夾盤夾緊→按啟動(dòng)→工件傾斜到位→橫梁伸出到位→焊槍下到位→按啟動(dòng)（如果調(diào)試/焊接撥到焊接位置）→開始焊接→焊接一周后→主軸停止（如果焊接設(shè)定為2層，再按啟動(dòng)→開始焊接→焊接一周后主軸停止）→焊槍上到位→橫梁縮回→工件回到水平位置→按啟動(dòng)→工件松開→自動(dòng)完成。

2.3 輸入地址分配

輸入地址功能分配見表1。

表1 系統(tǒng)輸入地址位分配表

2.4 輸出地址分配

輸出地址位分配見表2。

表2 輸出地址位分配表

2.5 程序設(shè)計(jì)

2.5.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序如圖4所示，主要包含焊機(jī)的手動(dòng)/自動(dòng)焊接程序及控制過程的保護(hù)，子程序主要由初始化模塊、速度設(shè)定模塊、速度顯示模塊三大部分組成[13]。

2.5.2 自動(dòng)焊接程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)步驟的過程和要求，編寫圖5的自動(dòng)焊接程序。

圖4 主程序框架

該自動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的動(dòng)作過程如圖5所示。

M10.0：PLC開通后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至此步作為初始步，初始化的清零及預(yù)設(shè)值將在后面的程序給出。

M10.1：當(dāng)所有機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備就緒后，開始自動(dòng)程序，按下啟動(dòng)按鈕I1.4，由于整個(gè)工藝流程中工件都處于被夾緊狀態(tài)，此處程序控制Q0.7應(yīng)選擇置位。具體程序編制如圖6。

M10.2：當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)處于M10.1處，此時(shí)再按下啟動(dòng)按鈕I0.4，控制Q0.5.使工件傾斜到位。具體程序編制如圖7。

圖5 自動(dòng)程序順序流程圖

M10.3：傾斜到位后通過接近開關(guān)I0.3停止M10.2，并且控制輸出Q0.3橫梁輸出。具體程序編制可以按照圖8通用邏輯塊編程。

上步地址：M10.2；轉(zhuǎn)入條件：I0.3；下步地址：M10.4；本步自鎖：M10.3；本地址及控制對象：M10.3、Q0.3。

對于上步地址有多位的，可依據(jù)各個(gè)上步的地址位和轉(zhuǎn)入條件，通過并聯(lián)的方式編程。

對于下步地址有多位的，可以依據(jù)各個(gè)下步的地址位，通過并聯(lián)的方式來編程，具體方法如圖9所示。

自動(dòng)程序可按照上面的方式對應(yīng)地址編程，對于后面的步驟這里不再重復(fù)說明編程過程。

關(guān)于步驟M10.5、M10.6焊接過程控制的說明：當(dāng)所有機(jī)構(gòu)到達(dá)焊接需要的位置后，按下啟動(dòng)按鈕，主軸電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，變頻器運(yùn)行，變頻器將運(yùn)行中的信號傳送至PLC，PLC的高速計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到預(yù)設(shè)速度，算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)了多少角度并記錄下來，此時(shí)通過M9.1讓程序從M10.5跳到M10.6，焊接一周的定位方法為：主軸電動(dòng)機(jī)配置旋轉(zhuǎn)編碼器，主軸電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，利用旋轉(zhuǎn)編碼器反饋回PLC的脈沖配合高速計(jì)數(shù)器確定電動(dòng)機(jī)的位置，然后再根據(jù)當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的速度、減速機(jī)構(gòu)及焊接工件半徑計(jì)算出帶動(dòng)工件所要的時(shí)間[14-15]。焊接一周后通過M9.6跳轉(zhuǎn)至下一步。圖10為旋轉(zhuǎn)一周的調(diào)試程序。

圖6 M10.1程序圖

圖7 M10.2程序圖

圖8 通用程序模塊

圖9 多線程流程圖單步程序設(shè)計(jì)模塊

主軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，減速比設(shè)定為1:0.04并存放于VD600中。VD500中為初始化設(shè)置的旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖值。將VD500的值和VD600做對比,結(jié)果存放在VD604中，通過當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的速度、減速機(jī)構(gòu)及焊接工件半徑計(jì)算出帶動(dòng)工件所要的時(shí)間。

3 結(jié) 語

本課題所設(shè)計(jì)焊機(jī)的電氣控制系統(tǒng)采用西門子PLC為核心控制，強(qiáng)化并提高了焊接專機(jī)可靠性,而且采用PLC控制系統(tǒng)更易于設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)維修。雖然該專機(jī)能解決龍巖地區(qū)車橋后蓋焊接的一些問題，但還是存在不足之處：1）現(xiàn)場調(diào)試中發(fā)現(xiàn)焊接件焊接精度偏差值較大，如何降低連續(xù)焊接過程中各焊接件的焊縫偏差是設(shè)備改進(jìn)的一個(gè)方向。2）主軸電動(dòng)機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)雖然節(jié)省了成本，但是其調(diào)速和位置精度都無法達(dá)到伺服電動(dòng)機(jī)的效果。在節(jié)省成本的前提下如何提高系統(tǒng)的定位精度是設(shè)備的改進(jìn)方向。

相信隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)化焊機(jī)也會(huì)向著更經(jīng)濟(jì)、更可靠、更加柔性化的方向發(fā)展。

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