基于PLC與觸摸屏控制的圓弧自動(dòng)焊接機(jī)的設(shè)計(jì)*

王 開，劉 美，賁少輝，梁興華（.茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東茂名 55000；.廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名 55000；.茂名全球水塔有限公司，廣東茂名 55000）

基于PLC與觸摸屏控制的圓弧自動(dòng)焊接機(jī)的設(shè)計(jì)*

王 開1，劉 美2，賁少輝1，梁興華3
（1.茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名 525000；3.茂名全球水塔有限公司，廣東茂名 525000）

針對(duì)某廠法蘭接口焊接的缺陷，提出基于PLC與觸摸屏控制的圓弧自動(dòng)焊接機(jī)解決方案，改善生產(chǎn)環(huán)境、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，達(dá)到環(huán)保、高效、節(jié)能的效果，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

PLC；觸摸屏；步進(jìn)電機(jī)；開環(huán)控制；自動(dòng)焊接機(jī)

0 引言

焊接是制造業(yè)一種重要的加工方法。某廠專業(yè)生產(chǎn)各類不銹鋼水塔、水塔配套設(shè)備、不銹鋼制品、水曖器材等，其主要產(chǎn)品不銹鋼水塔的進(jìn)出水口的焊接要依靠人工作業(yè)，焊接的工藝與焊工的水平有關(guān)，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性差[1]，一等品通過率不高，每焊接一個(gè)接口要5分鐘，焊接時(shí)引弧電流達(dá)200 A。本文提出基于PLC與觸摸屏控制的圓形自動(dòng)焊接機(jī)解決方案，自動(dòng)完成不銹鋼水塔圓形出水口的焊接過程，不僅提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也改善生產(chǎn)環(huán)境，減少在焊接過程中對(duì)工人身體特別是眼睛的傷害。

1 自動(dòng)焊接機(jī)控制要求

自動(dòng)焊接機(jī)工作過程主要有焊槍下降與工件定位、工件焊接過程定位和焊槍復(fù)位三個(gè)步驟，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圓形工件自動(dòng)焊接，其機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)和工作控制過程如圖1所示。其中控制系統(tǒng)主要有氣缸和步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源，分別控制著工件定位與焊槍下降上升、焊槍水平方向的旋轉(zhuǎn)定位等。焊槍的水平方向的運(yùn)動(dòng)采用主從齒輪聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中主齒輪30個(gè)齒，從齒輪192個(gè)齒。

其工作過程如下：自動(dòng)焊接機(jī)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，兩種工作方式都是在觸摸屏上進(jìn)行操作。如果是選擇自動(dòng)工作方式且初次啟動(dòng)，首先，按回原點(diǎn)按鈕，焊槍與工件定位組件上升，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使焊槍復(fù)位，然后按下啟動(dòng)按鈕，氣閥伸出，焊槍與工件定位組件下降，延時(shí)后啟動(dòng)焊槍進(jìn)行焊接，同時(shí)，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的角度和速度順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的角度后步進(jìn)電機(jī)停止焊槍延時(shí)收弧，氣閥復(fù)位，焊槍與工件定位組件上升，完成一個(gè)工件焊接過程。當(dāng)再次放上工件并按下啟動(dòng)按鈕，重復(fù)上述過程，只是步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果選用手動(dòng)操作，每按下觸摸屏上的手動(dòng)按鈕，則系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作。

圖1 自動(dòng)焊接機(jī)工作過程原理圖

2 工件焊接過程定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工件焊接過程中的關(guān)鍵是焊槍的速度控制和位置定位，常用的控制系統(tǒng)有步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示?？刂菩盘?hào)由PLC產(chǎn)生，PLC輸出一定數(shù)量、頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器分配放大，輸出兩相功率脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)負(fù)載以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)停止控制脈沖信號(hào)時(shí)負(fù)載也停止，從而實(shí)現(xiàn)通過脈沖控制負(fù)載轉(zhuǎn)速和位置的效果。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[2]。

圖2 開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)如圖3所示[3]，其控制單元包括位置控制器、速度控制器、電流控制器和功率放大器等。伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路[4]。閉環(huán)伺服控制突出優(yōu)點(diǎn)是由于采用了負(fù)反饋，因而被控制量對(duì)于外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化所引起的偏差能自動(dòng)消除，具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)，具有精度高的特性。但反饋回路的引入檢測(cè)、反饋比較等環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，成本增加，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定[2]。

圖3 閉環(huán)伺服控制原理圖

綜全考慮控制的要求和制造成本，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)選用日本多摩川TS3684N112E30，步距角為1.8°，即在無細(xì)分的備件下200個(gè)脈沖電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用日本樂茲RD-023MSA，設(shè)置細(xì)分為10 000步/轉(zhuǎn)，焊槍旋轉(zhuǎn)1°需要的脈沖數(shù)計(jì)算如下：

因?yàn)楹笜尩乃竭\(yùn)動(dòng)主齒輪30個(gè)齒，從齒輪192個(gè)齒，驅(qū)動(dòng)器細(xì)分為10 000步/轉(zhuǎn)，所以焊槍的旋轉(zhuǎn)1周的脈沖數(shù)為：

焊槍旋轉(zhuǎn)1°需要的脈沖數(shù)為：

對(duì)控制器PLC的選型主要考慮控制系統(tǒng)對(duì)PLC的處理速度是否滿足實(shí)時(shí)控制的要求和外圍設(shè)備的需要[5]，本控制系統(tǒng)控制較為簡(jiǎn)單、外圍設(shè)備較少，主要是要輸出頻率較高的脈沖信號(hào)，因此，PLC選用三菱FX1S-14MT PLC作為控制器，可滿足系統(tǒng)的控制要求。自動(dòng)焊接機(jī)的PLC控制系統(tǒng)接線原理圖如圖4所示，圖5為步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線圖。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)鐘脈沖輸入和旋轉(zhuǎn)方向輸入端子選擇1CK輸入，即CLK+和CLK-輸入脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移，UD+和UD-輸入方向信號(hào)，沒有電流輸入時(shí)為正轉(zhuǎn)，有電流輸入時(shí)為逆轉(zhuǎn)。PLC的Y0向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器CLK-端輸出脈沖信號(hào)，Y1向驅(qū)動(dòng)器UD-端輸出正反轉(zhuǎn)的方向信號(hào)。

圖4 PLC控制系統(tǒng)接線原理圖

圖5 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)圓形鋼桶出水口焊接工藝過程和工作要求，設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式。自動(dòng)方式流程為按啟動(dòng)按鈕，焊槍與工件定位——焊接——轉(zhuǎn)動(dòng)焊槍——一周后延時(shí)收弧——焊槍復(fù)位，完成一個(gè)工件焊接過程。手動(dòng)方式主要是單步控制自動(dòng)焊接機(jī)每一步，主要作用是在自動(dòng)焊接過程中，如果發(fā)現(xiàn)某些工藝參數(shù)需要調(diào)整，可以暫時(shí)停止焊接，切換到手動(dòng)方式進(jìn)行參數(shù)調(diào)整[6]，或?qū)Σ缓细癞a(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)焊。程序結(jié)構(gòu)也由手動(dòng)控制和自動(dòng)焊接兩部分組成。手動(dòng)方式用梯形圖進(jìn)行編程，梯形圖內(nèi)容還包括初始設(shè)置、方式選擇和脈沖輸出等，程序如圖6所示。其中，43步和45步所在行為手動(dòng)/自動(dòng)方式選擇控制[7-8]。自動(dòng)焊接過程的和手動(dòng)焊接過程要實(shí)現(xiàn)互鎖。

圖6 手動(dòng)控制梯形圖

自動(dòng)方式用SFC順序功能圖進(jìn)行編程，如圖7所示。程序包括自動(dòng)焊接過程控制和回原點(diǎn)控制，這部分是選擇分支結(jié)構(gòu)，兩者只能選擇其一。剛開機(jī)時(shí)，初次選擇自動(dòng)模式必須進(jìn)行回原點(diǎn)操作，使原點(diǎn)標(biāo)志位M11為ON時(shí)，才能進(jìn)行自動(dòng)焊接過程。在編寫自動(dòng)焊接程序時(shí)，為了在焊接完成時(shí)不產(chǎn)生氣泡，不出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象，必須要進(jìn)行收弧處理，即焊接完畢，還要點(diǎn)焊一兩次，步進(jìn)流程圖中的S23步就是實(shí)現(xiàn)收弧處理功能的。

圖7 自動(dòng)焊接方式SFC順序功能圖

4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互操作性能，提高系統(tǒng)操作的可靠性、靈活性、簡(jiǎn)單性、生動(dòng)性，完善系統(tǒng)控制功能[9]，本設(shè)計(jì)采用步科MT500T觸摸屏與三菱PLC聯(lián)合進(jìn)行控制。通過觸摸屏在圓形自動(dòng)焊接機(jī)的應(yīng)用，使操作者容易操作，并根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際需要，在觸摸屏中隨時(shí)更改系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)，如旋轉(zhuǎn)角度、延時(shí)時(shí)間、收弧次數(shù)等，達(dá)到提高質(zhì)量和效率的目的。

圖8 歡迎進(jìn)入界面

圖9 啟動(dòng)操作界面

圖10 參數(shù)設(shè)置界面

根據(jù)生產(chǎn)需要和人機(jī)交互的要求，本設(shè)計(jì)設(shè)置了開機(jī)歡迎進(jìn)入、啟動(dòng)操作和參數(shù)設(shè)置三個(gè)觸摸屏界面。其中，歡迎進(jìn)入界面設(shè)置進(jìn)入密碼，只有取得密碼人員才能進(jìn)入系統(tǒng)操作，提高系統(tǒng)安全性。啟動(dòng)操作界面主要有方式選擇、手動(dòng)操作和自動(dòng)啟動(dòng)等按鈕，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)運(yùn)行的功能。參數(shù)設(shè)置界面是系統(tǒng)的重要組成部分，它不但能實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行參數(shù)，還能方便地修改各種運(yùn)行參數(shù)，改善運(yùn)行性能。用MT500T專用組態(tài)軟件EasyBuilder500設(shè)計(jì)的歡迎進(jìn)入、啟動(dòng)操作和參數(shù)設(shè)置三個(gè)界面如圖8、圖9、圖10所示。

5 結(jié)論語

應(yīng)用PLC和觸摸屏等新技術(shù)設(shè)計(jì)制作的不銹鋼水塔進(jìn)出水口圓形焊接機(jī)，經(jīng)調(diào)試使用，性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，在效率、節(jié)能、環(huán)保等方面取得較好的效果，焊接能力由原來手工焊接的1個(gè)/ 5分鐘提高到1個(gè)/1分鐘內(nèi)，引弧電流由電手工焊接的200 A降低到10 A以下。同時(shí)，產(chǎn)品的一等品率由過去的93%提高到99.5%，每個(gè)水箱生產(chǎn)成本降低2.5元，每年可節(jié)約成本約5萬元，水塔年生產(chǎn)能力從原來的2萬個(gè)/年增加到3萬個(gè)/年，可新增產(chǎn)值約600萬元，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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Design of the Circular Arc Automatic Welding Machine Based on PLC and Touch Screen

WANG Kai1，LIU Mei2，BEN Shao-hui1，LIANG Xing-hua3
（1.Maoming Vocational and Technical College，Maoming525000，China；2.Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming525000，China；3.Maoming Global Water Tower Co.,Ltd.，Maoming525000，China）

Aiming at the defects of a factory flange interface welding，the solutions based on the PLC and touch screen control circular arc automatic welding machine is proposed.The new automatic welding machine can improve the production environment and production efficiency，and also can reduce production costs，achieve high efficiency，energy saving，environmental protection effect.It is significant for improving the economic benefit of the enterprise.

PLC；touch screen；step motor；open-loop control；automatic welding machine

TP273

A

1009－9492(2014)08－0004－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.002

王 開，男，1967年生，廣東電白人，大學(xué)本科，高級(jí)講師。研究領(lǐng)域：電子與電氣工程。已發(fā)表論文17篇。 (編輯：阮毅)

*2013年茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：茂科字[2013]32號(hào)）

2014－06－24