(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

近年來(lái)我國(guó)高速軌道交通行業(yè)和建筑行業(yè)發(fā)展迅速，在建筑體內(nèi)起主力支撐作用的鋼筋籠[1]需求量巨大。由于鋼筋籠滾焊機(jī)在我國(guó)的應(yīng)用和研發(fā)起步較晚[2]，現(xiàn)有的鋼筋籠加工設(shè)備在焊接過(guò)程中焊接動(dòng)作不穩(wěn)定，且焊點(diǎn)焊接時(shí)間與鋼筋籠轉(zhuǎn)速有關(guān)，靈活性差[3-5]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本研究基于歐姆龍NJ301-1200系列自動(dòng)化控制器，設(shè)計(jì)了一種焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制氣缸運(yùn)動(dòng)， 可對(duì)鋼筋籠焊點(diǎn)進(jìn)行捕捉-跟隨焊接-回原點(diǎn)等動(dòng)作循環(huán)。該控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：在跟隨焊接過(guò)程中，焊槍與焊點(diǎn)之間距離固定，其焊接動(dòng)作穩(wěn)定[6]，焊接質(zhì)量好；采用自動(dòng)加工方式[7-8]，焊點(diǎn)整齊一致，生產(chǎn)效率高[9]，操作便捷[10]，可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，人機(jī)交互性好[11-12]。

1 焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位原理及過(guò)程分析

圖1所示為鋼筋籠結(jié)構(gòu)示意圖，在鋼筋籠加工過(guò)程中，主筋繞鋼筋籠中心做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)箍筋螺旋狀纏繞在主筋上焊接而成，箍筋與主筋的交點(diǎn)即為焊點(diǎn)。

圖1 鋼筋籠結(jié)構(gòu)示意圖

圖2所示為焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，壓輪氣缸帶動(dòng)整個(gè)焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)上下運(yùn)動(dòng)，水平氣缸可以帶動(dòng)豎直氣缸在水平方向運(yùn)動(dòng)，豎直氣缸可以帶動(dòng)鉤爪在豎直方向運(yùn)動(dòng)。焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位原理如下：

圖2 焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位機(jī)構(gòu)示意圖

首先由壓輪氣缸帶動(dòng)焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)整體下移，使壓輪壓在螺旋狀箍筋上，由此確定焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平面；在焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)，由水平氣缸和豎直氣缸帶動(dòng)鉤爪捕捉主筋，當(dāng)鉤爪捕捉到主筋時(shí)，焊點(diǎn)的位置可以由焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平面和主筋所在直線的交點(diǎn)唯一確定，之后鉤爪跟隨主筋運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的動(dòng)態(tài)定位，圖3為鉤爪局部放大圖。

圖4所示為焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖。由焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位原理，可將氣動(dòng)回路動(dòng)作分為：焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平

圖3 鉤爪局部放大圖

面確定和焊點(diǎn)平面內(nèi)主筋循環(huán)定位兩部分。

(1) 焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平面確定過(guò)程分析如下：由于焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)重量很大，在加工過(guò)程中，如果其自身重力全部施加在箍筋和主筋上，將會(huì)超過(guò)主筋可承受范圍。因此在壓輪氣缸控制回路里添加了平衡重量壓力調(diào)節(jié)閥。在確定焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平面時(shí)，壓輪下降閥左位接通，使壓輪氣缸上腔充氣，同時(shí)壓輪上升及平衡重量閥右位接通，氣體通過(guò)平衡重量壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)入壓輪氣缸下腔，在壓輪氣缸上腔氣壓，壓輪氣缸下腔氣壓和焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)自身重力的共同作用下，壓輪氣缸活塞桿向下移動(dòng)，使壓輪壓在箍筋上，由此確定焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平面。當(dāng)鋼筋籠加工完成后，壓輪下降閥右位接通，壓輪氣缸上腔與大氣接通，壓輪上升及平衡重量閥左位接通，氣體直接進(jìn)入壓輪氣缸下腔，使壓輪氣缸活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，回到原位。

(2) 焊點(diǎn)平面內(nèi)主筋循環(huán)定位過(guò)程分析如下：起初，水平氣缸和豎直氣缸處在原點(diǎn)位置，鋼筋籠旋轉(zhuǎn)，當(dāng)主筋上升與鉤爪接觸，此時(shí)鉤爪捕捉到主筋；在主筋的帶動(dòng)下，豎直氣缸活塞桿被動(dòng)壓縮，在水平方向上帶動(dòng)水平氣缸活塞桿被動(dòng)壓縮，當(dāng)主筋旋轉(zhuǎn)到最高點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)豎直氣缸活塞桿主動(dòng)伸出，驅(qū)使鉤爪與主筋保持接觸，水平氣缸活塞桿繼續(xù)被動(dòng)壓縮；當(dāng)水平氣缸活塞桿被動(dòng)壓縮碰觸到返程開(kāi)關(guān)時(shí)，豎直氣缸活塞桿主動(dòng)縮回，使鉤爪脫離主筋，鉤爪脫離主筋之后，水平氣缸活塞桿主動(dòng)伸出帶動(dòng)豎直氣缸反程運(yùn)動(dòng)，當(dāng)水平氣缸活塞桿伸出，碰觸到擋塊時(shí)停止伸出，同時(shí)接通原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，使豎直氣缸活塞桿主動(dòng)伸出，帶動(dòng)鉤爪運(yùn)動(dòng)到初始位置后停止運(yùn)動(dòng)，等待捕捉下一根主筋。至此，一個(gè)焊點(diǎn)定位周期完成。

此外，為了防止氣缸運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大，對(duì)系統(tǒng)硬件產(chǎn)生沖擊，在壓輪氣缸、豎直氣缸和水平氣缸的氣動(dòng)回路里都裝有調(diào)速閥，用來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度。

圖4 氣動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)共有16個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)：手、自動(dòng)切換轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，開(kāi)始按鈕，停止按鈕，急停按鈕，壓筋氣缸上升、下降轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，豎直運(yùn)動(dòng)氣缸上升、下降轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，水平運(yùn)動(dòng)氣缸左移、右移轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，豎直氣缸上、下限位開(kāi)關(guān)，水平氣缸左、右限位開(kāi)關(guān)，原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，返程開(kāi)關(guān)；8個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)：分別控制壓筋氣缸上升、上腔排氣二位電磁閥，壓筋氣缸下降、重量平衡二位電磁閥，豎直氣缸上升、下降二位電磁閥，水平運(yùn)動(dòng)氣缸左移、右移二位電磁閥。由于鋼筋籠箍筋的螺旋狀纏繞運(yùn)動(dòng)需要在3個(gè)電動(dòng)機(jī)的協(xié)同控制下完成，所以控制系統(tǒng)選用歐姆龍NJ301-1200運(yùn)功控制器。該控制器采用模塊式結(jié)構(gòu)，背板總線連接，配置靈活、裝配方便、便于擴(kuò)展，用戶可根據(jù)控制要求靈活地配置各種模塊，完善優(yōu)化控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需求選用1個(gè)16點(diǎn)數(shù)字輸入模塊CJ1W-ID211，1個(gè)16點(diǎn)數(shù)字輸出模塊CJ1W-OD211，為方便以后控制系統(tǒng)增加控制點(diǎn)，輸出模塊留有一定余量[13]。配合觸目屏，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控。焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件配置框圖如圖5所示。

其I/O輸入輸出變量地址分配如表1、表2所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件配置框圖

手動(dòng)模式按鈕I0.0自動(dòng)模式I0.1開(kāi)始按鈕I0.2停止按鈕I0.3原點(diǎn)開(kāi)關(guān)I0.4返程開(kāi)關(guān)I0.5壓筋氣缸上升開(kāi)關(guān)I0.6壓筋氣缸下降開(kāi)關(guān)I0.7豎直氣缸上升開(kāi)關(guān)I0.8豎直氣缸下降開(kāi)關(guān)I0.9水平氣缸左移開(kāi)關(guān)I0.10水平氣缸右移開(kāi)關(guān)I0.11豎直氣缸上限位開(kāi)關(guān)I0.12豎直氣缸下限位開(kāi)關(guān)I0.13水平氣缸左限位開(kāi)關(guān)I0.14水平氣缸右限位開(kāi)關(guān)I0.15

表2 I/O輸出變量地址分配表

由于鋼筋籠種類繁多，在對(duì)不同形狀，不同樁徑的鋼筋籠焊點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，豎直氣缸和水平氣缸的初始位置有所不同，控制系統(tǒng)需要具備調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸初始位置的功能。此外，根據(jù)主筋和箍筋的直徑不同，焊接時(shí)間也會(huì)相應(yīng)變化，返程開(kāi)關(guān)和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的位置也需要作出相應(yīng)的調(diào)整。因此控制系統(tǒng)分為了手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式。

手動(dòng)控制模式用于調(diào)整豎直氣缸、水平氣缸以及返程開(kāi)關(guān)和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的位置，另外，壓輪氣缸的上下運(yùn)動(dòng)也是在手動(dòng)控制模式下完成；自動(dòng)模式用于正式加工過(guò)程。自動(dòng)控制流程圖如圖6所示。

圖6 自動(dòng)控制流程圖

此外，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了急停開(kāi)關(guān)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)切斷控制信號(hào)。控制系統(tǒng)還具備焊點(diǎn)統(tǒng)計(jì)功能，返程開(kāi)關(guān)每接通一次，已加工焊點(diǎn)數(shù)量增加一次，用于確認(rèn)焊點(diǎn)焊接率，評(píng)估鋼筋籠生產(chǎn)質(zhì)量。

3 結(jié)論

本研究分析了鋼筋籠加工過(guò)程中焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖，根據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)控制要求，制定了焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位控制方案，基于歐姆龍NJ301-1200控制器，設(shè)計(jì)了焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)焊點(diǎn)的捕捉-跟隨焊接-回原點(diǎn)動(dòng)作循環(huán)控制，焊點(diǎn)焊接一致性好；在鋼筋籠加工過(guò)程中，對(duì)動(dòng)態(tài)焊點(diǎn)跟隨焊接時(shí)，焊槍與焊點(diǎn)相對(duì)距離一定，焊接動(dòng)作穩(wěn)定；可根據(jù)鋼筋籠形狀和大小作出相應(yīng)的調(diào)整，靈活性好，適應(yīng)性強(qiáng)；可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，交互性好。