金 強(qiáng)，王 亮，方春華

(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院文理學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212000)

0 引言

整流子點(diǎn)焊機(jī)廣泛應(yīng)用于微型電機(jī)行業(yè)，它主要用于將不同規(guī)格的微型電機(jī)轉(zhuǎn)子整流子換向片與漆包線(xiàn)繞組引線(xiàn)(不必去除表面絕緣層)進(jìn)行焊接[1]，本文著重介紹了基于可編程步進(jìn)專(zhuān)用控制器的全數(shù)控整流子點(diǎn)焊機(jī)控制系統(tǒng)及其程序設(shè)計(jì)，并且給出了不帶衰減和帶衰減功能的整流子焊接程序?qū)嵗撓到y(tǒng)能夠自動(dòng)完成電樞夾緊、預(yù)熱、焊接、分度及松開(kāi)的全過(guò)程。

1 基于步進(jìn)控制器的整流子點(diǎn)焊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整流子點(diǎn)焊規(guī)范及工藝流程

點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)包括焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力和電極端面尺寸。在電極的材料、端面形狀和尺寸選定之后，焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力將主要決定點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量[2]。對(duì)于傳統(tǒng)的氣壓和液壓式點(diǎn)焊機(jī)，其氣閥或液壓閥的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較慢，因此一般只通過(guò)減壓閥來(lái)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電極壓力，在焊接過(guò)程中不再對(duì)電極壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制，因此點(diǎn)焊控制的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)間和焊接電流的穩(wěn)定。

整流子焊接機(jī)屬于點(diǎn)焊機(jī)的范疇，焊接電流和焊接時(shí)間是影響焊接性能的主要因數(shù)，由于焊接電流一般在焊接前已根據(jù)焊接規(guī)范設(shè)定好，焊接進(jìn)行中不再調(diào)整，當(dāng)整流子片數(shù)比較多時(shí)，隨著焊點(diǎn)片數(shù)的增加，前面焊點(diǎn)的余熱大，如果還是按照之前的焊接時(shí)間進(jìn)行焊接，焊接熱量就非常大，會(huì)造成整流子漆包線(xiàn)因過(guò)熱而損壞，這就需要焊機(jī)在焊接過(guò)程中，隨著焊點(diǎn)數(shù)的增加，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)間的減少。本設(shè)計(jì)采用引進(jìn)美國(guó)技術(shù)生產(chǎn)的步進(jìn)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，可對(duì)任意等份整流子分度，分度時(shí)只需按動(dòng)按鈕改動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)即可，并且可以根據(jù)整流子的片數(shù)多少調(diào)用帶衰減和無(wú)衰減的焊接程序。

整流子焊接工藝過(guò)程如下：

1)接通電路，水路，打開(kāi)焊接控制器電源開(kāi)關(guān)，此時(shí)電源指示燈亮。

2)根據(jù)所焊整流子的大小選擇適當(dāng)?shù)暮附右?guī)范。

3)根據(jù)所焊整流子的等分?jǐn)?shù)，修改設(shè)定可編程控制器的分度程序數(shù)據(jù)。

4)調(diào)節(jié)上電極的高低和位置，對(duì)準(zhǔn)整流子焊接部位。

5)按下氣動(dòng)夾緊按鈕，快裝夾頭松開(kāi)，把電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頭放入快裝夾頭內(nèi)，松開(kāi)按鈕，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頭被自動(dòng)夾緊。

6)按下啟動(dòng)按鈕，設(shè)備將自動(dòng)按預(yù)先設(shè)定的焊接規(guī)范和分度數(shù)自動(dòng)進(jìn)行焊接，焊接結(jié)束后自動(dòng)返回原始位置。

7)操作者按下氣動(dòng)夾緊按鈕，快裝夾頭松開(kāi)，這時(shí)取下工件，整流子焊接工序全部完成。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該電路所用元器件有美國(guó)技術(shù)生產(chǎn)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)90BC340CH[3]，北京斯達(dá)特機(jī)電科技生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH-3F090M[4]，可編程步進(jìn)專(zhuān)用控制器STC-01Z[5]、小型斷路器DZ47-63、中間繼電器KA、KA1、三個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)(啟動(dòng)、緊急停止、夾緊)。步進(jìn)控制器的輸入有啟動(dòng)和緊急停止按鈕，輸出有控制步進(jìn)電機(jī)分度轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)CP、方向信號(hào)DIR、驅(qū)動(dòng)信號(hào)OPTO，還有兩路線(xiàn)圈輸出，分別控制中間繼電器KA和KA1的輸出，中間繼電器KA的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)作為焊接控制器的焊接啟動(dòng)信號(hào)，中間繼電器KA1的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)控制電磁閥DF，從而控制機(jī)頭氣缸和下電極氣缸動(dòng)作，夾緊按鈕控制電磁閥DF1工作，從而控制夾緊氣缸動(dòng)作，氣動(dòng)原理如圖2所示。完整的整流子焊接控制過(guò)程如下：1)按下夾緊按鈕，DF1通電，將整流子松開(kāi)，裝上待焊的整流子后松開(kāi)按鈕，整流子被夾緊；2)按下可編程步進(jìn)控制器STC-01Z啟動(dòng)按鈕，輸出1使KA1線(xiàn)圈得電，KA1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電磁閥DF得電，將上、下電極夾緊加壓，延時(shí)一定時(shí)間后，輸出2使線(xiàn)圈KA得電，KA常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，從而觸發(fā)焊接控制器啟動(dòng)，按設(shè)定好的焊接規(guī)范進(jìn)行焊接，焊完一點(diǎn)后，按照控制程序，線(xiàn)圈KA1失電，上、下電極松開(kāi)，由步進(jìn)控制程序判斷焊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如未焊完，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位后重新使線(xiàn)圈KA1得電，上下電極夾緊加壓，延時(shí)后，KA得電，焊接控制器啟動(dòng)，如此循環(huán)，直到焊完所有的焊點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)回到原點(diǎn)，整個(gè)焊接過(guò)程由步進(jìn)控制程序自動(dòng)完成，焊接結(jié)束自動(dòng)歸零，沒(méi)有分度誤差，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

圖1 整流子點(diǎn)焊機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 整流子點(diǎn)焊機(jī)氣動(dòng)原理圖

1.3 步進(jìn)控制程序設(shè)計(jì)

圖3所示為整流子點(diǎn)焊機(jī)的焊接循環(huán)圖。

圖3 整流子點(diǎn)焊機(jī)焊接循環(huán)圖

圖3中t1～t8階段分別為預(yù)壓、預(yù)熱、焊接、緩冷、通電間隙、回火、維持、休止過(guò)程，其中t2～t4階段可合并作為第一次通電過(guò)程，t6階段可作為第二次通電過(guò)程，根據(jù)需要兩次通電也可合并為一次通電，在t1～t7階段一直加壓，直到焊接休止t8階段以后壓力才去除，t9～t11分別為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)位前上、下電極松開(kāi)時(shí)間，轉(zhuǎn)位時(shí)間，上、下電極夾緊時(shí)間，其中t2～t7為焊接控制器的焊接控制時(shí)間，其值應(yīng)小于或等于步進(jìn)控制器通過(guò)延時(shí)程序給出的通電時(shí)間。當(dāng)整流子的片數(shù)較少時(shí)，每片焊點(diǎn)的焊接時(shí)間主要由焊接控制器時(shí)序控制，此時(shí)步進(jìn)控制程序無(wú)衰減功能，每個(gè)焊點(diǎn)的通電時(shí)間不變，焊接時(shí)間為焊接控制器事先設(shè)定的值。以下給出一個(gè)為不帶衰減功能的整流子點(diǎn)焊程序?qū)嵗?/p>

00 CNT-0 //計(jì)數(shù)器清零

01 OUT 1NNN //輸出1導(dǎo)通，上、下電極夾緊

02 DELAY 100 //預(yù)壓，延時(shí)100ms

03 OUT N1NN //輸出2導(dǎo)通，焊接啟動(dòng)

04 DELAY 300 //延時(shí)300ms，焊接時(shí)間

05 OUT 00N0 //輸出1、2不導(dǎo)通，上、下電極松開(kāi)，一個(gè)焊點(diǎn)完成

06 CNT-1 //計(jì)數(shù)器加1

07 J-CNT 12 022 //計(jì)數(shù)器超過(guò)22，則跳轉(zhuǎn)到12行，蜂鳴器長(zhǎng)聲報(bào)警，焊接結(jié)束

08 J-BIT 12 1 0 //輸入1緊急停止按鈕按下，跳轉(zhuǎn)到12行，焊接結(jié)束

09 SPEED 29000 //賦值速度 29kHz

10 G-LEN 1566 //設(shè)定步長(zhǎng)，1566表示焊點(diǎn)數(shù)為22時(shí)，步長(zhǎng)為1566

11 JUMP 01 //跳轉(zhuǎn)到01行，焊接下一點(diǎn)

12 OUT NNN1 //蜂鳴器長(zhǎng)聲報(bào)警，焊接結(jié)束

13 END

實(shí)例中，步進(jìn)控制器STC-01Z的參數(shù)設(shè)定為：JF=1000，HL=4000，HF=1000 ，BF=1000，CC=0000，NA=***，NB=*** ，由于三相反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)90BC340CH步距角為1.5°，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器SH-3F090M的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為40，則步長(zhǎng)的計(jì)算公式為：

步長(zhǎng)=(360°/1.5°*40)/焊點(diǎn)數(shù)=9600/焊點(diǎn)數(shù) (細(xì)分?jǐn)?shù)40，減速比為1∶1)

當(dāng)外設(shè)減速比為1∶3.59時(shí)，步長(zhǎng)=9600/22*3.59=1566。

當(dāng)整流子片數(shù)較多時(shí)，為減少前面焊點(diǎn)的余熱對(duì)后面焊點(diǎn)焊接的影響，如果將焊接控制器啟動(dòng)后的通電時(shí)間(即圖3中的t2～t7)按照每焊幾個(gè)焊點(diǎn)就減少一定周波(1周波=20 ms)的焊接時(shí)間，就可實(shí)現(xiàn)熱量自動(dòng)衰減的功能。以下給出一個(gè)帶衰減功能的程序?qū)嵗?，其中整流子片?shù)為60，細(xì)分?jǐn)?shù)為40，步進(jìn)控制器輸出1的延時(shí)時(shí)間為300 ms，用于上下電極夾緊，輸出2的時(shí)間也就是焊接時(shí)間，從第10個(gè)焊點(diǎn)到40個(gè)焊點(diǎn)，每隔5個(gè)焊點(diǎn)按800 ms、760 ms、720 ms、680 ms、640 ms、600 ms、500 ms遞減，第40至第50個(gè)焊點(diǎn)按400 ms，第50至第60個(gè)焊點(diǎn)按300 ms時(shí)間焊接，程序如下：

00 CNT-0 //計(jì)數(shù)器清零

01 OUT 1NNN //輸出1導(dǎo)通，上、下電極夾緊

02 DELAY 300 //預(yù)壓，延時(shí)300ms

03 OUT N1NN //輸出2導(dǎo)通，啟動(dòng)焊接

04 DELAY 800 //延時(shí)800ms，焊接時(shí)間

05 OUT 00N0 //上、下電極松開(kāi)，焊接完畢

06 CNT-1 //計(jì)數(shù)器加1

07 JUMP 63 //跳轉(zhuǎn)到63行，焊接最前面10點(diǎn)，判斷計(jì)數(shù)器值是否超過(guò)60

08 OUT 1NNN //輸出1導(dǎo)通，上、下電極夾緊

09 DELAY 300 //延時(shí)300ms

10 OUT N1NN //輸出2導(dǎo)通，線(xiàn)圈KA得電，啟動(dòng)焊接第11點(diǎn)

11 DELAY 760 //延時(shí)760ms

12 OUT 00N0

13 CNT-1

14 JUMP 63

15 OUT 1NNN

16 DELAY 300

17 OUT N1NN

18 DELAY 720 //延時(shí)720ms

19 OUT 00N0

20 CNT-1

21 JUMP 63

22 OUT 1NNN

23 DELAY 300

24 OUT N1NN

25 DELAY 680 //延時(shí)680ms

26 OUT 00N0

27 CNT-1

28 JUMP 63

29 OUT 1NNN

30 DELAY 300

31 OUT N1NN

32 DELAY 640 //延時(shí)640ms

33 OUT 00N0

34 CNT-1

35 JUMP 63

36 OUT 1NNN

37 DELAY 300

38 OUT N1NN

39 DELAY 600 //延時(shí)600ms

40 OUT 00N0

41 CNT-1

42 JUMP 63

43 OUT 1NNN

44 DELAY 300

45 OUT N1NN

46 DELAY 500 //延時(shí)500ms

47 OUT 00N0

48 CNT-1

49 JUMP 63

50 OUT 1NNN

51 DELAY 300

52 OUT N1NN

53 DELAY 400 //延時(shí)400ms

54 OUT 00N0

55 CNT-1

56 JUMP 63

57 OUT 1NNN

58 DELAY 300

59 OUT N1NN

60 DELAY 300 //延時(shí)300ms

61 OUT 00N0

62 CNT-1

63 J-CNT 85 060 //計(jì)數(shù)器超過(guò)60，則跳轉(zhuǎn)到85行

64 J-BIT 85 1 0 //如果輸入1導(dǎo)通，緊急停止按鈕閉合，則跳轉(zhuǎn)到85行

65 SPEED 29000 //賦值速度 29KHz

66 G-LEN 160 //電機(jī)步長(zhǎng)為：9600/60=160

67 J-CNT 69 010 //計(jì)數(shù)器超過(guò)10，則跳轉(zhuǎn)到69行

68 JMP 01 //否則跳轉(zhuǎn)到01行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為800ms

69 J-CNT 71 015 //計(jì)數(shù)器超過(guò)15，則跳轉(zhuǎn)到71行

70 JUMP 08 //否則跳轉(zhuǎn)到08行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為760ms

71 J-CNT 73 020 //計(jì)數(shù)器超過(guò)20，則跳轉(zhuǎn)到73行

72 JUMP 15 //否則跳轉(zhuǎn)到15行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為720ms

73 J-CNT 75 025 //計(jì)數(shù)器超過(guò)25，則跳轉(zhuǎn)到75行

74 JUMP 22 //否則跳轉(zhuǎn)到22行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為680ms

75 J-CNT 77 030 //計(jì)數(shù)器超過(guò)30，則跳轉(zhuǎn)到77行

76 JUMP 29 //否則跳轉(zhuǎn)到29行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為640ms

77 J-CNT 79 035 //計(jì)數(shù)器超過(guò)36，則跳轉(zhuǎn)到79行

78 JUMP 36 //否則跳轉(zhuǎn)到36行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為600ms

79 J-CNT 81 040 //計(jì)數(shù)器超過(guò)40，則跳轉(zhuǎn)到81行

80 JUMP 43 //否則跳轉(zhuǎn)到22行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為500ms

81 J-CNT 83 050 //計(jì)數(shù)器超過(guò)50，則跳轉(zhuǎn)到83行

82 JUMP 50 //否則跳轉(zhuǎn)到50行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為400ms

83 J-CNT 87 060 //計(jì)數(shù)器超過(guò)60，則跳轉(zhuǎn)到87行，回到起點(diǎn)

84 JUMP 57 //否則跳轉(zhuǎn)到57行，繼續(xù)焊接下一點(diǎn)，通電時(shí)間為300ms

85 OUT NNN1 //蜂鳴器長(zhǎng)聲報(bào)警

86 DELAY 300 //延時(shí)300ms

87 GOTO 00000000 //回到原點(diǎn)

88 END

在實(shí)際使用中，步進(jìn)控制器需要配合焊接控制器協(xié)調(diào)工作，當(dāng)整流子片數(shù)比較少時(shí)，其焊接熱量主要由焊接控制器精確控制，焊接過(guò)程中無(wú)須調(diào)整設(shè)定好的焊接時(shí)間，焊接一氣呵成，步進(jìn)控制程序啟動(dòng)焊接控制器后，通電時(shí)間無(wú)變化。當(dāng)整流子片數(shù)比較多時(shí)，在焊接進(jìn)行時(shí)，為了防止余熱對(duì)后面焊點(diǎn)的影響，需要減少焊接時(shí)間，而每次手工調(diào)整焊接時(shí)間既不現(xiàn)實(shí)也不方便，通過(guò)設(shè)計(jì)帶衰減功能的步進(jìn)控制程序，實(shí)現(xiàn)了不間斷連續(xù)焊接，保證了焊點(diǎn)前后一致性，提高了生產(chǎn)效率。

2 結(jié)論

基于可編程步進(jìn)控制器的整流子點(diǎn)焊機(jī)控制系統(tǒng)，具有技術(shù)先進(jìn)，操作簡(jiǎn)便，焊接穩(wěn)定的特點(diǎn)，該系統(tǒng)的使用進(jìn)一步提高了整流子點(diǎn)焊機(jī)整機(jī)的性能，實(shí)現(xiàn)了整流子焊接過(guò)程自動(dòng)化。