楊德云，馮 鮮，譚 飛

（無(wú)錫太湖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214064）

0 引言

數(shù)字技術(shù)與電子信息技術(shù)的發(fā)展使工業(yè)控制中自動(dòng)化的程度越來(lái)越高［1］，工業(yè)自動(dòng)控制相對(duì)于傳統(tǒng)人工控制而言，在工作效率和操作精度方面都有了本質(zhì)上的改善［2］。但現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)要基于一定的計(jì)算機(jī)編程理論，一線的操作人員無(wú)法熟練地編寫計(jì)算機(jī)程序［3］，而數(shù)控PLC技術(shù)及基于PLC的組態(tài)軟件的出現(xiàn)，從根本上解決了現(xiàn)代自動(dòng)化數(shù)控技術(shù)與實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)間的脫節(jié)問(wèn)題［4］。機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接屬于高精度機(jī)械焊接加工的一種，機(jī)械轉(zhuǎn)軸在工作中承受著極大的彎扭交變載荷、機(jī)械壓力與磨損［5］，因此對(duì)于焊接的強(qiáng)度和精度都有著很高的要求［6］，傳統(tǒng)手工或半自動(dòng)的焊接模式，無(wú)法滿足機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接的高精度、高強(qiáng)度要求，使用數(shù)控PLC技術(shù)及相關(guān)組態(tài)軟件控制機(jī)械臂的路線及焊接中的電流［7］，為機(jī)械轉(zhuǎn)軸的高精度焊接處理，提供了一種全新的解決途徑。PLC是一套以MCU微處理器為核心的可編程邏輯運(yùn)算系統(tǒng)［8］，系統(tǒng)內(nèi)部自帶的存儲(chǔ)器和邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)，可以存儲(chǔ)大量已編寫完畢的程序。數(shù)控PLC技術(shù)操作界面簡(jiǎn)單、直觀，當(dāng)操作者需要操作某種生產(chǎn)作業(yè)類別時(shí)，可以通過(guò)人機(jī)交互窗口直接調(diào)用已有程序或僅對(duì)原有程序做簡(jiǎn)單的修改，就可以直接使用組件［9］?？删幊涛⑻幚戆凑諏?shí)際使用者的要求執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并通過(guò)數(shù)據(jù)指令輸入、輸出接口控制高精度的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接設(shè)備［10］。數(shù)控PLC技術(shù)克服了傳統(tǒng)繼電器接觸控制精度低的缺點(diǎn)，程序指令更加清晰、準(zhǔn)確、靈活，能夠顯著提高機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接的效率和精度。

1 基于PLC控制原理的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接主控制程序

1.1 數(shù)控PLC內(nèi)置組態(tài)軟件特點(diǎn)

數(shù)控PLC技術(shù)及其組態(tài)軟件的主要任務(wù)是通過(guò)可編程邏輯程序控制機(jī)械轉(zhuǎn)軸的焊接，在保證焊接強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高焊道外觀的美觀度和焊接精度。數(shù)控PLC技術(shù)解決了傳統(tǒng)控制模式下人機(jī)交互的問(wèn)題，因?yàn)镻LC組態(tài)軟件平臺(tái)面向用戶可實(shí)現(xiàn)多功能組態(tài)，操作人員可按照焊接的圖紙要求調(diào)用和修改程序，無(wú)需每次操作都重新編程。數(shù)控PLC技術(shù)中使用的編程語(yǔ)言為梯形圖語(yǔ)言，直觀、形象、易于操作。用于機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接的PLC組態(tài)軟件控制使用虛擬的繼電器開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)輸入邏輯程序時(shí)，焊接子程序被先寄存于映像器中以控制各個(gè)連接接口打開和關(guān)閉。數(shù)控PLC梯形圖元件中的觸點(diǎn)可以被多次引用，且梯形圖編程語(yǔ)言遵循從左到右和自上而下的順序，當(dāng)一個(gè)操作指令執(zhí)行完畢后下一個(gè)程序可以立即被引用，以保證機(jī)械轉(zhuǎn)軸加工的連續(xù)性、準(zhǔn)確性和工作效率，數(shù)控PLC系統(tǒng)內(nèi)置的組態(tài)軟件的主要特點(diǎn)如表1所示。

表1 數(shù)控PLC組態(tài)軟件特點(diǎn)

1.2 基于PLC的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接主控程序

在機(jī)械轉(zhuǎn)軸的焊接加工過(guò)程中，開始執(zhí)行PLC程序時(shí)，焊接設(shè)備的操作者通過(guò)人機(jī)交互窗口調(diào)取程序，并將焊接的子程序輸入到生產(chǎn)加工映像區(qū)。數(shù)控PLC組態(tài)軟件從端口程序中識(shí)別出焊接程序是否處于初始狀態(tài)，并應(yīng)用PLC組態(tài)軟件控制外部的繼電器開關(guān)及各類電子元件開關(guān)，從而達(dá)到精確控制機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接的目的?；诤附映绦蚝凸δ艿男枰?，操作者將待加工的焊接零件置于操作臺(tái)并卡緊，由PLC傳感器控制焊接機(jī)械臂的行進(jìn)路徑，如果焊道超出了預(yù)先設(shè)定的范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停工；如果在焊接過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)其他異常情況，程序會(huì)自動(dòng)地執(zhí)行到焊接過(guò)程的完畢。基于PLC技術(shù)與控制原理的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接主控制程序如圖1所示。

圖1 機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接主控程序

數(shù)控PLC系統(tǒng)采用了與或控制繼電器開關(guān)，并通過(guò)觸點(diǎn)連接的方式達(dá)到虛擬控制的目的，由于邏輯電路采用了并聯(lián)的方式，因此程序可以無(wú)限次被引用或循環(huán)使用，可復(fù)制的功能較強(qiáng)?；跀?shù)控PLC技術(shù)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接還具有定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)控制及數(shù)據(jù)處理等功能。對(duì)于復(fù)雜度較高的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接，PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有定時(shí)功能，便于操作者輸入、調(diào)用和修改子加工程序，也有利于實(shí)現(xiàn)焊接操作的遠(yuǎn)程監(jiān)控，省略了現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)人為監(jiān)控的弊端?；跀?shù)控PLC技術(shù)的焊接系統(tǒng)內(nèi)部安裝有計(jì)數(shù)器，當(dāng)加工數(shù)量達(dá)到一定的數(shù)值后系統(tǒng)會(huì)提示操作者檢查機(jī)械臂是否存在故障及系統(tǒng)軟件是否能夠正常運(yùn)行。在邏輯計(jì)數(shù)功能的基礎(chǔ)上，增加了機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接自動(dòng)步進(jìn)功能，PLC控制系統(tǒng)內(nèi)置有專用的步進(jìn)程序指令控制系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)程序命令執(zhí)行完畢之后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)邏輯程序。隨著數(shù)控PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)處理的功能越來(lái)越強(qiáng)大，在機(jī)械轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品的數(shù)控加工中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的移位傳輸、數(shù)制轉(zhuǎn)換等操作，使焊接加工過(guò)程更加智能化和便捷化，同時(shí)焊接的誤差率也更低。數(shù)控加工過(guò)程中存在發(fā)生特殊情況而停工的情況不可避免，PLC控制系統(tǒng)自帶記憶功能，當(dāng)發(fā)生意外停工時(shí)，可以實(shí)施自動(dòng)診斷并主動(dòng)恢復(fù)程序。數(shù)控PLC程序的邏輯程序和語(yǔ)句都可以被修改和完善，操作人員可以利用編程器監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 應(yīng)用PLC技術(shù)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸精密焊接的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接的相關(guān)參數(shù)設(shè)置

實(shí)施轉(zhuǎn)軸焊接前，對(duì)待焊接零件做好去油、清洗和防銹處理，從焊接性能工藝角度及PLC控制程序的角度，做好系統(tǒng)性能分析及參數(shù)調(diào)整等工作。在機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接中應(yīng)考慮到金屬表面的焊接熱裂紋、應(yīng)力及碳遷移的過(guò)程，最大限度地減少對(duì)金屬焊縫的稀釋作用，這些焊接時(shí)的基本要求都可以通過(guò)PLC電流控制的方式實(shí)現(xiàn)。機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接中采用高電壓、小電流的焊接方式，防止預(yù)熱的溫度過(guò)高對(duì)焊接性能產(chǎn)生不利影響。數(shù)控PLC焊接子程序的焊接預(yù)熱范圍在焊道兩側(cè)45 mm內(nèi)，預(yù)熱溫度的升溫采用數(shù)字預(yù)熱方式，預(yù)熱后待焊接機(jī)械轉(zhuǎn)軸的表面溫度不低于210℃，降低金屬受熱時(shí)應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)軸焊接強(qiáng)度所產(chǎn)生的不利影響。焊接前需要對(duì)CO2焊絲的基本狀態(tài)進(jìn)行分析控制，否則會(huì)影響到焊道的平整性，焊絲的烘干溫度保持在350℃，持續(xù)時(shí)間為0.5 h，徹底烘干水分，焊絲直徑設(shè)置為2 mm，焊接時(shí)的電流設(shè)定為50～60 A，不宜過(guò)大。焊接時(shí)裝配傳動(dòng)軸必須確保同軸度后再定位，焊絲選擇抗氧化性能更高的CHS307A型焊絲，焊接完成后需要保溫2 h。在數(shù)控PLC程序梯形圖軟件上，本文使用了XDP-485軟件，該程序配備了離線編程的功能和程序的導(dǎo)入導(dǎo)出機(jī)制，在程序的使用中更加便捷。XDP-485軟件除了自帶的部分功能外，還可以通過(guò)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行程序的初始化、設(shè)備的啟停、編程數(shù)據(jù)的下載和上傳，更方便現(xiàn)場(chǎng)操作者的讀取和使用。

2.2 基于PLC技術(shù)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸精密焊接的實(shí)現(xiàn)流程

在組態(tài)軟件的選擇上PLC系統(tǒng)選用了操作性和易用性更好的Touch Win編程工具，該工具中具有多語(yǔ)言顯示功能、三維立體動(dòng)畫模型編制功能和模擬三維圖庫(kù)。在系統(tǒng)程序的編制方面利用XDP-485組態(tài)軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，先對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)軸總體的焊接操作流程進(jìn)行規(guī)劃，再對(duì)每一個(gè)步驟進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃。系統(tǒng)程序調(diào)用時(shí)，PLC組態(tài)軟件通過(guò)DP接口寫入程序，并進(jìn)行程序數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出。基于PLC技術(shù)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接控制流程，如圖2所示。

圖2 基于PLC技術(shù)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接控制流程

PLC組態(tài)軟件在機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接及子程序的調(diào)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)CAD控制設(shè)計(jì)程序和CAE工程控制系統(tǒng)之間的自由轉(zhuǎn)換。只要將主控程序模塊和中斷程序模塊確定后，PLC組態(tài)控制軟件就可以在數(shù)據(jù)冗余的模式下，保證焊接程序的功能更加穩(wěn)定。操作人員打開程序菜單命令后開始按照既定的機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接標(biāo)準(zhǔn)對(duì)程序進(jìn)行操作。使用數(shù)控PLC組態(tài)軟件時(shí)必須從登錄界面進(jìn)入，并正確輸入用戶名和密碼，否則不能進(jìn)入系統(tǒng)，這是系統(tǒng)的一種自我保護(hù)功能，可以保護(hù)用戶設(shè)定好的程序不被隨意篡改，保證機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。主控程序包括初始化、子程序調(diào)用和程序檢修等3個(gè)主要模塊，應(yīng)用數(shù)控PLC工作前，要將系統(tǒng)重置并調(diào)整好各個(gè)模塊的參數(shù)。機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接子程序是最重要的應(yīng)用程序，包括工裝卡具的位置調(diào)整、焊接參數(shù)的調(diào)整及機(jī)器人行進(jìn)路徑的設(shè)置等，當(dāng)一個(gè)工件完成焊接后系統(tǒng)歸零，進(jìn)入下一個(gè)程序。如果當(dāng)焊接過(guò)程中出現(xiàn)系統(tǒng)電流、電壓的異常變化或劇烈波動(dòng)，程序會(huì)主動(dòng)中斷并向操作人員報(bào)警。當(dāng)主控程序發(fā)生故障時(shí)，PLC系統(tǒng)主動(dòng)進(jìn)入中斷程序，人機(jī)交互界面會(huì)顯示發(fā)生故障的位置，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)將程序故障的類型進(jìn)行記錄，以便在后續(xù)的加工中循環(huán)比較。

3 技術(shù)應(yīng)用與結(jié)果分析

3.1 參數(shù)穩(wěn)定性控制結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)控PLC技術(shù)在實(shí)際工作中的應(yīng)用效果，選定一家機(jī)械轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品加工企業(yè)D，該企業(yè)擁有10條機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接生產(chǎn)線，于2017年7月開始使用PCL控制技術(shù)，D企業(yè)日生產(chǎn)能力為5 000臺(tái)次。選擇其中一條使用了PLC技術(shù)的大型機(jī)械轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品生產(chǎn)線作為研究樣本，先觀察6 h范圍內(nèi) （每0.5 h檢測(cè)一次）PLC系統(tǒng)控制下焊接工作電流的變化情況，工作電流越穩(wěn)定越有利于產(chǎn)品焊接質(zhì)量的穩(wěn)定，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接電流的穩(wěn)定性控制對(duì)比

PLC控制方法下電流的輸出被控制在50 A左右，這樣更有利于機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接穩(wěn)定性提高。而傳統(tǒng)半自動(dòng)控制方法下焊接電流的波動(dòng)性較大，這主要是由于焊接臂工作時(shí)電壓和電流急劇升高，如果不采取有效的電流抑制方法，會(huì)影響焊道的外觀和強(qiáng)度。

采用數(shù)控PLC技術(shù)最直接的效果是改善了焊接產(chǎn)品的廢品率，統(tǒng)計(jì)分析了引入PLC技術(shù)后D企業(yè)焊接產(chǎn)品廢品數(shù)量及廢品等級(jí)點(diǎn)陣圖，如圖4和圖5所示。

引入數(shù)控PLC技術(shù)后，機(jī)械轉(zhuǎn)軸的焊接廢品率得到了有效控制，且廢品等級(jí)大部分被控制在一級(jí)和二級(jí)，能夠被修復(fù)，以最大限度降低企業(yè)的損失。而在傳統(tǒng)半自動(dòng)控制系統(tǒng)下廢品的數(shù)量明顯高于PLC系統(tǒng)下廢品的數(shù)量，由于缺乏對(duì)電流、電壓及機(jī)械臂行進(jìn)路徑的有效控制，焊接廢品數(shù)量較多，給焊接企業(yè)帶來(lái)巨大的損失。

圖4 數(shù)控PLC技術(shù)控制下焊接廢品數(shù)量及廢品等級(jí)點(diǎn)陣分布

圖5 傳統(tǒng)控制技術(shù)下焊接廢品數(shù)量及廢品等級(jí)點(diǎn)陣分布

3.2 成本控制效果驗(yàn)證

最后從D企業(yè)財(cái)務(wù)部門得到了一組引入數(shù)控PLC技術(shù)后節(jié)省的費(fèi)用。這些費(fèi)用主要由操作人員的人工費(fèi)用和焊接廢品的減少費(fèi)用兩部分組成，每個(gè)月的節(jié)省費(fèi)用如表2所示。

應(yīng)用PLC控制技術(shù)后，環(huán)比同期各月都有超過(guò)10萬(wàn)元的費(fèi)用節(jié)流，而且隨著技術(shù)推廣和應(yīng)用的不斷成熟，能夠?yàn)闄C(jī)械轉(zhuǎn)軸加工企業(yè)帶來(lái)更多的企業(yè)內(nèi)部控制收益。

表2 采用數(shù)控PLC技術(shù)后各月成本控制效果 （萬(wàn)元）

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控PLC控制技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中已有廣泛的應(yīng)用，本文分析研究了機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接中PLC控制技術(shù)的主控流程與實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)證分析數(shù)據(jù)表明，PLC控制技術(shù)的使用可以穩(wěn)定系統(tǒng)的電流及電壓，降低機(jī)械轉(zhuǎn)軸焊接的廢品率。

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