卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王善剛 戰(zhàn)佩艷 張 爽 付胡代 高金剛

(①長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012;②中國(guó)電信白山分公司，吉林 白山134300 )

卡車駕駛室給駕乘人員提供了安全的架乘空間，在發(fā)生事故時(shí)，車身相關(guān)部件能充分吸收撞擊的能量，降低人員所受的沖擊，因此，卡車駕駛室焊接質(zhì)量和工藝極為重要。某卡車廠原有對(duì)卡車駕駛室底部焊接基本靠工人用手拉葫蘆等設(shè)備來(lái)完成的，工序繁瑣，焊接人員的工作空間有限，使生產(chǎn)效率受到極大影響。我們根據(jù)企業(yè)要求，研發(fā)了卡車駕駛室底部焊接夾具，夾具屬于焊接工藝過(guò)程的輔助設(shè)備，其良好的控制系統(tǒng)不僅可以保證焊接產(chǎn)品的尺寸精度及外觀變形范圍，而且還能提高生產(chǎn)效率;這里主要介紹對(duì)夾具控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 焊接夾具的結(jié)構(gòu)組成及其工作流程

卡車駕駛室底部焊接夾具的實(shí)際設(shè)備如圖1 所示。夾具主要由一個(gè)整體平臺(tái)、檢測(cè)系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、上下端固定系統(tǒng)、鎖定系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。

夾具的工作流程如下:(1)開(kāi)機(jī)后，控制面板及動(dòng)力柜上的電源指示燈亮，選擇車型A 型或B 型;(2)選擇自動(dòng)檔位，將駕駛室車體吊裝到夾具上，放好位置;(3)安裝好駕駛室后，檢測(cè)系統(tǒng)向PLC 發(fā)出有工件可以運(yùn)行的指令，按“抬起”按鈕，夾緊氣缸A1、A2、B、C1、C2 伸長(zhǎng)，推動(dòng)銷子、鉤子固定好駕駛室車體，PLC驅(qū)動(dòng)變頻器，變頻器控制電動(dòng)機(jī)將裝有車體的夾具翻轉(zhuǎn)到位，到位后PLC 驅(qū)動(dòng)鎖緊氣缸D1、D2、D3 伸長(zhǎng)，插入銷子，鎖定夾具上車體的位置，工作人員即可到工作臺(tái)進(jìn)行車體焊接作業(yè);(4)焊接作業(yè)完成后，確保工作臺(tái)無(wú)人后，啟動(dòng)“落下”按鈕，PLC 驅(qū)動(dòng)鎖緊氣缸D1、D2、D3 收縮，銷子拔出后，變頻器控制電動(dòng)機(jī)將車體隨夾具一同落下回到原始位置，夾緊氣缸A1、A2、B、C1、C2 收縮，銷子、鉤子拔出，工作人員即可將駕駛室車體吊離，完成一個(gè)車體的焊接操作。

2 焊接夾具控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)卡車駕駛室底部焊接夾具的功能和工作流程，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由圖可見(jiàn)，卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、交流電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)電磁閥、氣缸、控制按鈕、金屬感應(yīng)器及指示燈等元器件組成。

卡車駕駛室底部焊接夾具進(jìn)行工作時(shí)，首先，通過(guò)控制面板上的“抬起”控制按鈕發(fā)出指令，PLC 接到指令后控制氣動(dòng)電磁閥動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)氣缸固定好駕駛室的上下兩端，以便于夾具抬起過(guò)程中駕駛室不至于掉落;接著PLC 向變頻器發(fā)出正轉(zhuǎn)和速度指令，變頻器根據(jù)指令控制交流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)夾具上的車體到達(dá)指定的位置，金屬感應(yīng)器檢測(cè)到該位置后，向PLC 發(fā)出反饋信號(hào)，PLC 控制氣動(dòng)電磁閥鎖定夾具并驅(qū)動(dòng)指示燈發(fā)出信號(hào);當(dāng)啟動(dòng)“落下”按鈕時(shí)，PLC控制鎖定電磁閥松開(kāi)夾具，接著PLC 向變頻器發(fā)出反轉(zhuǎn)和速度指令，變頻器根據(jù)指令控制交流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)落下駕駛室車體，金屬感應(yīng)器檢測(cè)到夾具上的車體回到原位后，向PLC 發(fā)出反饋信號(hào)，PLC 接到指令后控制氣動(dòng)電磁閥動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)氣缸松開(kāi)駕駛室車體的上下兩端，從而完成一次循環(huán)動(dòng)作。

3 硬件的選擇以及PLC、變頻器的配置

根據(jù)卡車駕駛室底部焊接夾具的工作需要，選用以西門子S7-200 CPU226CN 小型PLC 為主控設(shè)備，帶有24 個(gè)輸入繼電器和16 個(gè)輸出繼電器，來(lái)作為夾具的控制核心;變頻器選擇了FRENIC-MEGA 系列的FRN5.5G1S-4C 變頻器，交流電動(dòng)機(jī)選用德國(guó)SEW 公司生產(chǎn)的型號(hào)為DV112M4/BMG/HF 的4 kW、380 V交流電動(dòng)機(jī)，檢測(cè)元件用歐姆龍有限公司生產(chǎn)的E2E-X5E1-Z 金屬感應(yīng)器來(lái)作為檢測(cè)設(shè)備;PLC 輸入繼電器地址為I0.0～I(xiàn)2.7，輸出繼電器地址為Q0.0 ～Q1.7。PLC I/O 分配圖，如圖3 所示;變頻器配置如圖4所示。

4 夾具控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統(tǒng)首先滿足駕駛室自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程:慢速啟動(dòng)—中速運(yùn)行—高速運(yùn)行—中速運(yùn)行—慢速停止，如圖5 所示的駕駛室翻轉(zhuǎn)抬起和翻轉(zhuǎn)落下V-S曲線圖;根據(jù)卡車駕駛室底部焊接夾具自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的要求，對(duì)變頻器的速度、頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，各個(gè)動(dòng)作過(guò)程夾具的翻轉(zhuǎn)速度是不同的，變頻器的輸出頻率也隨之而變，因此給變頻器設(shè)定3 個(gè)輸出頻率:低頻、中頻、高頻，變頻器參數(shù)設(shè)定如表1 所示;處理好PLC 與變頻器的通訊聯(lián)系，設(shè)定如表2 所示。

卡車駕駛室底部焊接夾具運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)抬起按鈕，PLC 向氣壓閥發(fā)出固定好工件的命令，氣壓缸向PLC反饋是否完成任務(wù)的信號(hào)，如完成，則PLC 向變頻器發(fā)出轉(zhuǎn)向和速度信號(hào)，變頻器驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)夾具翻轉(zhuǎn)，到達(dá)限位后，PLC 向鎖定氣壓閥發(fā)出鎖定命令并鎖定夾具，完成焊接任務(wù)后回原位，松開(kāi)夾緊氣缸;卡車駕駛室底部焊接夾具PLC 順序功能圖如圖6所示。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)定

5 結(jié)語(yǔ)

卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是幫助企業(yè)進(jìn)行的自動(dòng)化改造，夾具的電氣設(shè)備連接完成后，進(jìn)行了設(shè)備調(diào)試，試加工，結(jié)果顯示，夾具抬起和落下時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，工位和焊接的空間合適，便于操作人員對(duì)駕駛室底部進(jìn)行焊接;夾具的使用是把新的技術(shù)引入到舊的系統(tǒng)中，徹底改變了焊接人員的惡劣工作環(huán)境，原來(lái)焊接一個(gè)車體的時(shí)間現(xiàn)在可以完成兩個(gè)車體的焊接工作，大大提高了生產(chǎn)效率;該設(shè)備已投放于某卡車廠中使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 PLC 與變頻器通訊設(shè)定

［1］鄭陽(yáng)平. 皮帶機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(2):112-113.

［2］周建中，項(xiàng)余建，王隆太.可實(shí)時(shí)監(jiān)控的皮革真空干燥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)［J］. 制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31(10):131-133.

［3］李紅，李慶祥，張浩. 高能螺旋壓力機(jī)新型控制系統(tǒng)研究［J］.鍛壓技術(shù)，2013(2):98-100.

［4］孫劍萍，湯兆平.基于變頻器通訊的PLC 在同跨架起重機(jī)防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31(10):55-57.