基于PLC的汽車排氣管焊接機的設(shè)計

趙 英

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人類生活節(jié)奏的加快，對汽車的需求量越來越大，生產(chǎn)廠家對汽車及其零部件的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都有了更高的要求，排氣管作為汽車上的一個重要零部件，其焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率也得到了生產(chǎn)廠家的重視。汽車排氣管的焊接質(zhì)量主要體現(xiàn)在焊點的均勻性和密封性上，而生產(chǎn)效率的高低主要取決于生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平，因此要保證焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，就需要有一臺自動化的焊接設(shè)備來滿足生產(chǎn)廠家的需求?；趯附釉O(shè)備的深入了解，結(jié)合生產(chǎn)廠家對排氣管焊接設(shè)備的使用要求，本文提出了一種基于PLC的汽車排氣管焊接機設(shè)計方案。

1 汽車排氣管焊接機機械系統(tǒng)組成

圖1為需要焊接的汽車排氣管結(jié)構(gòu)。汽車排氣管焊接機的功能就是將圖1中的前段排氣管、后段排氣管分別與消音器焊接到一起，其焊接部位如圖2所示。焊縫由兩條直線和兩個半圓弧線構(gòu)成，焊接過程分兩個階段:第一階段先進行焊接部位1的焊接，該階段完成后再將焊接件翻轉(zhuǎn)180°，完成第二階段焊接部位2的焊接，整個焊接任務(wù)由此完成。焊接后，要求焊縫均勻，具有良好的氣密性。

在汽車排氣管焊接過程中，需要焊槍與排氣管之間有前后、左右的水平直線運動以及在豎直平面內(nèi)的圓弧運動，可將汽車排氣管焊接機在結(jié)構(gòu)上劃分為焊槍左右移動機構(gòu)、工作臺前后移動機構(gòu)、焊槍回轉(zhuǎn)機構(gòu)、焊接件夾緊機構(gòu)和遮板升降機構(gòu)五個部分。汽車排氣管焊接機整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。 左右兩個焊槍進給氣缸及與之相配套的導(dǎo)桿等支撐導(dǎo)向機構(gòu)構(gòu)成了焊槍左右移動機構(gòu)；工作臺前后移動電機、工作臺和與之配套的絲杠螺母機構(gòu)、導(dǎo)軌及軸承等支撐導(dǎo)向機構(gòu)構(gòu)成了工作臺前后移動機構(gòu)；焊槍回轉(zhuǎn)電機、同步帶傳動裝置與焊槍及軸承等支撐導(dǎo)向機構(gòu)構(gòu)成了焊槍回轉(zhuǎn)機構(gòu)；夾具、松夾氣缸構(gòu)成了焊接件夾緊機構(gòu)；遮板、遮板氣缸構(gòu)成了遮板升降機構(gòu)。

圖1 汽車排氣管結(jié)構(gòu)

圖2 汽車排氣管焊接部位示意圖

消音器徑向尺寸較小，這一特征決定了焊接時運動部件移動距離不大，由于焊接時需要焊接件和焊槍移動，而焊接件和焊槍移動時需控制其速度和位置準(zhǔn)確度，所以采用具有定位傳動特性的步進電機，而且絲杠螺母傳動精度高，傳動效率高，保證了較好的焊接性能，因此采用絲杠螺母機構(gòu)實現(xiàn)各個方向的移動。步進電機和絲杠螺母的選型取決于焊接件的移動距離、定位要求及載荷大小，焊接件固定在連接于絲杠螺母的滑塊上，為減小摩擦阻力提高傳動精度，導(dǎo)軌為直線滾動導(dǎo)軌。絲杠傳動過程中既受徑向力又受軸向力，其軸承采用以角接觸球軸承和深溝球軸承組合的布局形式。

圖3 汽車排氣管焊接機結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制器的選擇

PLC由于可靠性高、功能強、使用方便，能滿足絕大多數(shù)場合的檢測與控制要求，因此把PLC作為汽車排氣管焊接機控制系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用西門子公司的S7-200系列PLC(CPU226 DC/DC/DC)，系統(tǒng)中有啟停按鈕及限位開關(guān)等輸入信號，有步進電機驅(qū)動器的高速脈沖、方向控制等輸出信號，輸入信號和輸出信號均為開關(guān)量信號?？刂葡到y(tǒng)電路圖見圖4。I/O地址分配見表1。

圖4 PLC控制系統(tǒng)電路圖

系統(tǒng)中焊槍回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工作臺前后移動機構(gòu)均采用步進電機驅(qū)動，需3個高速脈沖口，而CPU226只有2個高速脈沖輸出口，又由于焊槍回轉(zhuǎn)與工作臺前后移動分時操作，因此可將工作臺前后移動電機與其中一個焊槍回轉(zhuǎn)電機共用一個高速脈沖口，高速脈沖口的分時切換可由繼電器觸點實現(xiàn)(見圖4中的KA1)。焊槍左右移動機構(gòu)、焊接件夾緊機構(gòu)和遮板升降機構(gòu)均為氣缸驅(qū)動，其中除松夾氣缸采用單作用電磁閥控制外，遮板氣缸、左右兩個焊槍進給氣缸均采用雙作用電磁閥控制，又由于左右兩個焊槍進給氣缸共用一個電磁閥，所以氣壓系統(tǒng)中共有5個線圈需PLC控制，每一個線圈占一個輸出端子。除自動啟?？刂仆猓到y(tǒng)還對各運動保留手動操作控制方式，由于手動控制信號較多，為了減少輸入端子的占用，簡化系統(tǒng)接線，采用西門子公司的MP370觸摸屏實現(xiàn)人機交互，其操作界面見圖5。

表1 I/O地址分配表

圖5 觸摸屏操作界面

2.2 步進電機的驅(qū)動

系統(tǒng)中工作臺前后移動電機、焊槍回轉(zhuǎn)電機為57HS09的兩相混合式步進電機，額定電流為2.5 A，其驅(qū)動器選取DM542型步進電動機驅(qū)動器，該驅(qū)動器直流20 V～50 V供電，其相數(shù)為2，分配方式為二相四拍，具有16檔細(xì)分功能，可通過面板上的撥碼開關(guān)SW5～SW8進行設(shè)置。

DM542型步進電動機驅(qū)動器有三種輸入端子，分別接入脈沖(PUL)信號、方向(DIR)信號、使能(ENA)信號，均采用差動輸入方式，這些端子均采用共陰極接線方式。脈沖信號頻率的高低決定了電機的轉(zhuǎn)速，其輸入端子的最大脈沖響應(yīng)頻率為300 kHz；而方向信號輸入端的高電平和低電平控制電機的正反兩個轉(zhuǎn)向。

3 控制流程

整個焊接過程是從啟動信號開始的，當(dāng)啟動按鈕按下后，系統(tǒng)開始自動運行，根據(jù)焊槍及工作臺的位置信號判斷工作進程，從而控制各電機正反轉(zhuǎn)運行以控制圓弧焊縫和直線焊縫的形成，同時控制氣缸的伸縮完成焊接過程的輔助動作。具體控制流程見圖6。

圖6 汽車排氣管焊接機控制流程

4 結(jié)語

本汽車排氣管焊接機焊接操作時由于驅(qū)動采用步進電機，傳動采用絲杠螺母機構(gòu)，支撐導(dǎo)向采用直線滾動導(dǎo)軌，從而保證焊縫足夠均勻，通過PLC編程可自動實現(xiàn)焊接操作，效率較高，焊接質(zhì)量較好。