卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統設計

王善剛 戰佩艷 張 爽 付胡代 高金剛

(①長春工程學院機電工程學院，吉林 長春130012;②中國電信白山分公司，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，在發生事故時，車身相關部件能充分吸收撞擊的能量，降低人員所受的沖擊，因此，卡車駕駛室焊接質量和工藝極為重要。某卡車廠原有對卡車駕駛室底部焊接基本靠工人用手拉葫蘆等設備來完成的，工序繁瑣，焊接人員的工作空間有限，使生產效率受到極大影響。我們根據企業要求，研發了卡車駕駛室底部焊接夾具，夾具屬于焊接工藝過程的輔助設備，其良好的控制系統不僅可以保證焊接產品的尺寸精度及外觀變形范圍，而且還能提高生產效率;這里主要介紹對夾具控制系統的設計。

1 焊接夾具的結構組成及其工作流程

卡車駕駛室底部焊接夾具的實際設備如圖1 所示。夾具主要由一個整體平臺、檢測系統、氣壓系統、上下端固定系統、鎖定系統以及控制系統組成。

夾具的工作流程如下:(1)開機后，控制面板及動力柜上的電源指示燈亮，選擇車型A 型或B 型;(2)選擇自動檔位，將駕駛室車體吊裝到夾具上，放好位置;(3)安裝好駕駛室后，檢測系統向PLC 發出有工件可以運行的指令，按“抬起”按鈕，夾緊氣缸A1、A2、B、C1、C2 伸長，推動銷子、鉤子固定好駕駛室車體，PLC驅動變頻器，變頻器控制電動機將裝有車體的夾具翻轉到位，到位后PLC 驅動鎖緊氣缸D1、D2、D3 伸長，插入銷子，鎖定夾具上車體的位置，工作人員即可到工作臺進行車體焊接作業;(4)焊接作業完成后，確保工作臺無人后，啟動“落下”按鈕，PLC 驅動鎖緊氣缸D1、D2、D3 收縮，銷子拔出后，變頻器控制電動機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，完成一個車體的焊接操作。

2 焊接夾具控制系統的總體結構

根據卡車駕駛室底部焊接夾具的功能和工作流程，進行了控制系統的總體結構設計，結構框圖如圖2所示。由圖可見，卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統由PLC、變頻器、交流電動機、氣動電磁閥、氣缸、控制按鈕、金屬感應器及指示燈等元器件組成。

卡車駕駛室底部焊接夾具進行工作時，首先，通過控制面板上的“抬起”控制按鈕發出指令，PLC 接到指令后控制氣動電磁閥動作，驅動氣缸固定好駕駛室的上下兩端，以便于夾具抬起過程中駕駛室不至于掉落;接著PLC 向變頻器發出正轉和速度指令，變頻器根據指令控制交流電動機旋轉，通過齒輪傳動帶動夾具上的車體到達指定的位置，金屬感應器檢測到該位置后，向PLC 發出反饋信號，PLC 控制氣動電磁閥鎖定夾具并驅動指示燈發出信號;當啟動“落下”按鈕時，PLC控制鎖定電磁閥松開夾具，接著PLC 向變頻器發出反轉和速度指令，變頻器根據指令控制交流電動機旋轉落下駕駛室車體，金屬感應器檢測到夾具上的車體回到原位后，向PLC 發出反饋信號，PLC 接到指令后控制氣動電磁閥動作，驅動氣缸松開駕駛室車體的上下兩端，從而完成一次循環動作。

3 硬件的選擇以及PLC、變頻器的配置

根據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 為主控設備，帶有24 個輸入繼電器和16 個輸出繼電器，來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，交流電動機選用德國SEW 公司生產的型號為DV112M4/BMG/HF 的4 kW、380 V交流電動機，檢測元件用歐姆龍有限公司生產的E2E-X5E1-Z 金屬感應器來作為檢測設備;PLC 輸入繼電器地址為I0.0～I2.7，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 夾具控制系統的軟件設計

卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統首先滿足駕駛室自動翻轉過程:慢速啟動—中速運行—高速運行—中速運行—慢速停止，如圖5 所示的駕駛室翻轉抬起和翻轉落下V-S曲線圖;根據卡車駕駛室底部焊接夾具自動翻轉的要求，對變頻器的速度、頻率進行調節，各個動作過程夾具的翻轉速度是不同的，變頻器的輸出頻率也隨之而變，因此給變頻器設定3 個輸出頻率:低頻、中頻、高頻，變頻器參數設定如表1 所示;處理好PLC 與變頻器的通訊聯系，設定如表2 所示。

卡車駕駛室底部焊接夾具運行時，啟動抬起按鈕，PLC 向氣壓閥發出固定好工件的命令，氣壓缸向PLC反饋是否完成任務的信號，如完成，則PLC 向變頻器發出轉向和速度信號，變頻器驅動交流電動機帶動夾具翻轉，到達限位后，PLC 向鎖定氣壓閥發出鎖定命令并鎖定夾具，完成焊接任務后回原位，松開夾緊氣缸;卡車駕駛室底部焊接夾具PLC 順序功能圖如圖6所示。

表1 變頻器參數設定

5 結語

卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統設計是幫助企業進行的自動化改造，夾具的電氣設備連接完成后，進行了設備調試，試加工，結果顯示，夾具抬起和落下時運行平穩，工位和焊接的空間合適，便于操作人員對駕駛室底部進行焊接;夾具的使用是把新的技術引入到舊的系統中，徹底改變了焊接人員的惡劣工作環境，原來焊接一個車體的時間現在可以完成兩個車體的焊接工作，大大提高了生產效率;該設備已投放于某卡車廠中使用，取得了良好的經濟效益。

表2 PLC 與變頻器通訊設定

［1］鄭陽平. 皮帶機智能控制系統的研究［J］.制造業自動化，2014，36(2):112-113.

［2］周建中，項余建，王隆太.可實時監控的皮革真空干燥機控制系統的設計開發［J］. 制造業自動化，2009，31(10):131-133.

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

［4］孫劍萍，湯兆平.基于變頻器通訊的PLC 在同跨架起重機防撞系統中的應用［J］.制造業自動化，2009，31(10):55-57.