熊經(jīng)先，顏君波，熊健華，袁有明

（1.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西桂林 541004；2.桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

銀基合金材料組件因其良好的電性能而廣泛應(yīng)用于低壓電器領(lǐng)域。在當(dāng)前的銀基組件加工制造業(yè)中，涉及的設(shè)備種類非常多，中頻直流逆變電源焊機(jī)就是其中之一，它通常應(yīng)用于鋁合金板、銅線材焊接及工業(yè)繼電器觸點(diǎn)、交流接觸器觸點(diǎn)等低壓電器觸頭產(chǎn)品的焊接加工中，是電工合金行業(yè)必備的生產(chǎn)加工設(shè)備。

目前市面上傳統(tǒng)的中頻直流逆變電源焊機(jī)在機(jī)構(gòu)原理上較為簡單，主要組成部分為工作臺(tái)、中頻逆變電源等裝置，電氣控制系統(tǒng)往往只有一些簡單的腳踏開關(guān)、交流接觸器、小型中間繼電器、電源開關(guān)、限位開關(guān)及運(yùn)行按鈕，這些電氣部件組成的電氣控制系統(tǒng)能夠滿足一般的手動(dòng)操作生產(chǎn)要求。在設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，操作者需要實(shí)時(shí)關(guān)注銀基組件的質(zhì)量問題，定時(shí)檢驗(yàn)銀基組件的外形尺寸、銀點(diǎn)溢出、銀點(diǎn)位置、銀點(diǎn)表面瑕疵等情況，耗費(fèi)了大量的時(shí)間精力；此外，人工操作的工作效率極低，存在誤操作導(dǎo)致次品率的增加，降低了產(chǎn)品效益。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，銀基組件的生產(chǎn)質(zhì)量及工藝要求進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)中頻直流逆變電源焊機(jī)存在著速度慢、效率低，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測產(chǎn)品外觀及尺寸、計(jì)數(shù)控制停機(jī)、次品分離等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重制約著銀基組件生產(chǎn)工藝的發(fā)展，也無法提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低人工成本。因此，研究如何減少人為干預(yù)，提高銀基組件自動(dòng)化焊機(jī)的運(yùn)行效率及在線檢測分離次品、遇故障自動(dòng)停機(jī)等問題成為各企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于信捷PLC 控制器的直線式銀基材料組件自動(dòng)焊機(jī)，利用PLC 的各種邏輯控制功能，通過CCD 圖像處理器、硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)中頻直流逆變電源焊機(jī)的各種缺陷問題。

1 設(shè)備工作原理分析

1.1 設(shè)備原理

設(shè)備原理框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備原理框圖

從圖1 可知，經(jīng)過落料沖壓后的成型銅帶通過放料盤依次進(jìn)入銅帶定位工位、焊接工位、銀點(diǎn)剪切力檢測工位、外觀尺寸檢測工位、分撿工位及銅帶送料工位等，最后進(jìn)入收料盤中；待焊接銀點(diǎn)由銀帶送料裝置運(yùn)送至焊接工位，通過中頻逆變電源進(jìn)行放電焊接；完成焊接動(dòng)作后，銅帶下移一個(gè)工位，進(jìn)入銀點(diǎn)剪切力檢測工位，該工位由氣缸及壓力傳感器組成，每次定額施加一定的壓力檢測銀點(diǎn)是否虛焊；完成剪切力檢測后銅帶下移到外觀尺寸檢測工位，通過CCD 圖像成型后進(jìn)行相關(guān)瑕疵識(shí)別；完成圖像在線檢測后進(jìn)入剪料工位，若上一步工位檢測出產(chǎn)品有瑕疵，則可以在此工位通過氣缸剪切裝置把其剪掉，避免殘次品進(jìn)入良品中；銅帶的每次移動(dòng)，均通過銅帶送料裝置完成。觸摸屏提供焊接參數(shù)、工位動(dòng)作角度、更換電極點(diǎn)數(shù)及焊接速度的設(shè)置，通過觸摸屏可以方便靈活地設(shè)置每種材料焊接的工藝參數(shù)，提高設(shè)備的通用性。

1.2 設(shè)備伺服系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制

設(shè)備最核心的控制邏輯來自于銀帶伺服系統(tǒng)中的位置編碼器，該編碼器反饋的角度值是控制焊機(jī)上所有動(dòng)作的基礎(chǔ)，每個(gè)動(dòng)作節(jié)拍必須在一定的角度內(nèi)完成；經(jīng)過焊接動(dòng)作分析可知，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周為360°，如表1所示。

表1 焊機(jī)動(dòng)作與伺服電機(jī)編碼器對(duì)應(yīng)角度

設(shè)備開始運(yùn)動(dòng)的起始動(dòng)作是銅帶送料，該動(dòng)作在0°開始60°結(jié)束；接著銅帶定位裝置在61°開始85°時(shí)結(jié)束；然后進(jìn)行送銀點(diǎn)及銀點(diǎn)送料到位檢測，該動(dòng)作由86°開始160°結(jié)束；接下來進(jìn)行焊接，該動(dòng)作由161°開始200°結(jié)束；再進(jìn)行剪切力檢測，該動(dòng)作由201°開始240°結(jié)束；再接著進(jìn)行CCD 圖像檢測動(dòng)作，該動(dòng)作由241°開始300°結(jié)束；最后進(jìn)行上死點(diǎn)檢測動(dòng)作，該動(dòng)作由301°開始360°結(jié)束，其功能主要是確保每次故障或者人為停機(jī)時(shí)焊機(jī)處于初始0°狀態(tài)。經(jīng)過對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)，使設(shè)備的動(dòng)作節(jié)拍得到精準(zhǔn)高效的控制，完成全自動(dòng)焊接過程。

1.3 焊接電源系統(tǒng)

中頻直流逆變電源是整套設(shè)備的核心所在。其工作原理如圖2所示。

圖2 焊接電源工作原理

該電源系統(tǒng)主要由中頻逆變控制器和變壓器兩部分組成。中頻逆變控制器包含三相電源輸入模塊、IGBT 模塊、電源驅(qū)動(dòng)模塊、主控板及編程器等；變壓器包含次級(jí)電流互感器、溫度傳感器及變壓線圈等。焊接參數(shù)由編程器或者PLC 觸摸屏錄入，主控板提供RS485 通訊接口，便于焊接電源與PLC 通訊，電源驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)IGBT 模塊；變壓器上的次級(jí)電流互感器負(fù)責(zé)給主控板反饋焊接次級(jí)電流，而溫度傳感器起到避免焊接電源過熱的功能。該電源系統(tǒng)工作頻率為1 kHz，最大輸出電流可達(dá)18 kA，主要用于各種低壓元件觸點(diǎn)、導(dǎo)線的焊接，在當(dāng)前主流的銀基材料焊接中，中頻逆變電阻焊機(jī)是實(shí)現(xiàn)大電流短時(shí)間的工藝技術(shù)要求之一。由于焊接電極材料的使用壽命有限，設(shè)備上設(shè)計(jì)了計(jì)數(shù)停機(jī)功能，通過焊接電源進(jìn)行計(jì)數(shù)反饋，達(dá)到修磨電極設(shè)定值時(shí)PLC 控制設(shè)備停機(jī)，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1.4 CCD在線檢測、剪切力檢測及殘次品剪切裝置分析

CCD 圖像識(shí)別在線送料檢測裝置主要用于當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，如果檢測到不良品出現(xiàn)，首先進(jìn)行次品（NG 打標(biāo)）標(biāo)記，在后續(xù)殘次品剪切工位中直接剪切分離，避免邊料或廢料混入正常良品中；若檢測到設(shè)備連續(xù)產(chǎn)生次品，系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)。剪切力檢測模塊與CCD在線檢測原理類似，該模塊通過調(diào)節(jié)氣壓大小來確定推銀點(diǎn)的剪切力大小，若焊接不牢固或者焊接剪切力達(dá)不到要求，銀點(diǎn)將會(huì)被推掉而無剪切力反饋值，系統(tǒng)判定為次品會(huì)在剪切工位中直接剪切分離，連續(xù)出現(xiàn)剪切力不合格的情況系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)，工作示意圖如圖3所示。

圖3 CCD在線檢測、剪切力檢測及殘次品剪切裝置工作示意圖

在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，銅帶每走一步，這三個(gè)模塊都由PLC 控制運(yùn)行一次。殘次品剪切裝置主要由下料管和一個(gè)氣缸構(gòu)成，氣缸的運(yùn)動(dòng)由PLC 驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)電磁閥實(shí)現(xiàn)，其主要功能是分離殘次品（NG 剔除），省去人工挑選。

2 焊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件

焊機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、伺服控制系統(tǒng)、中頻直流逆變焊接電源、CCD 圖像處理器、測力傳感器、U 型光電傳感器、漫反射型光電傳感器及電磁閥等部件組成。PLC 選用信捷XD5 系列，CPU 型號(hào)為XD5-60T-E，此模塊自帶36入/24 出的NPN 信號(hào)接口，AB 兩路RS485 通訊接口，支持X-NET現(xiàn)場總線功能，支持高速計(jì)數(shù)（高達(dá)80 kHz）、2～10 軸脈沖輸出（高達(dá)100 kHz）、頻率測量等特殊功能，支持1～16 個(gè)擴(kuò)展模塊?？紤]到PLC 需要同步銀帶伺服控制系統(tǒng)、銅帶伺服控制系統(tǒng)、中頻直流逆變焊接電源及CCD 圖像處理器，本設(shè)備采用modbus RTU 通訊，以PLC 為主站，其他功能系統(tǒng)為從站的通訊方式，該通訊方式可連接31個(gè)從站同步運(yùn)行。銀帶與銅帶控制伺服控制系統(tǒng)采用脈沖型伺服驅(qū)動(dòng)器，它分為三種控制方式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制，其輸入形態(tài)可分為：脈沖+方向、AB相脈沖、CW/CCW 信號(hào)等三種電信號(hào)；U 型光電傳感器及漫反射型光電傳感器使用0～24 VDC 直流NPN 信號(hào)輸出，其功能主要是檢測銅帶及銀帶是否送料正常，是否缺料停機(jī)。觸摸屏使用信捷TGM465 系列，通過RS232 通訊接口與PLC 通訊?？偪刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件

焊機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是PLC 程序設(shè)計(jì)和觸摸屏頁面組態(tài)設(shè)計(jì)。PLC 主程序主要包括系統(tǒng)參數(shù)初始化、銅帶及銀帶缺料停機(jī)設(shè)計(jì)、中頻逆變電源控制設(shè)計(jì)、銀點(diǎn)剪切力檢測設(shè)計(jì)、CCD 在線檢測設(shè)計(jì)、殘次品剪切控制設(shè)計(jì)、銅帶送料伺服電機(jī)設(shè)計(jì)、銀帶送料伺服電機(jī)設(shè)計(jì)及接受觸摸屏參數(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

觸摸屏的組態(tài)設(shè)計(jì)主要是人機(jī)交互的界面，設(shè)計(jì)當(dāng)前組件生產(chǎn)數(shù)、組件最大生產(chǎn)數(shù)、銀帶伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、當(dāng)前運(yùn)行角度等信息的顯示，此外，需要設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸屏控制焊機(jī)的運(yùn)行及停止，根據(jù)不同材料及不同的組件規(guī)格設(shè)置相應(yīng)的焊接速度，形成焊接工藝參數(shù)配方庫；在生產(chǎn)前調(diào)取所需的焊接工藝配方，即可進(jìn)行相關(guān)組件產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，降低操作人員的操作難度及技術(shù)要求，確保生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

（1）經(jīng)過對(duì)一種銀基材料組件自動(dòng)焊機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究，通過PLC、人機(jī)交互界面、傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中頻逆變電阻焊機(jī)工作過程中產(chǎn)品質(zhì)量的在線檢測及設(shè)備停機(jī)的自動(dòng)控制，滿足了銀基材料生產(chǎn)組件的工藝需求。

（2）銀基材料組件自動(dòng)焊機(jī)設(shè)備的運(yùn)用有效提高了銀基材料生產(chǎn)元件組件的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，減少了人力資源消耗，降低了生產(chǎn)成本。