基于PLC的管件自動焊接系統的設計

韓以倫，朱 倩，陳 佩，魯其興，侯 磊

（山東科技大學　交通學院，青島 266510）

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基于PLC的管件自動焊接系統的設計

韓以倫，朱 倩，陳 佩，魯其興，侯 磊

（山東科技大學交通學院，青島 266510）

摘 要：針對手工焊方法存在嚴重的耗費人力和時間等問題，設計了一種管件自動焊接系統。該系統為一套機電液一體化設備，采用三菱FX2N-64MT-001系列PLC作為系統的控制主機，結合先進的控制理論設計了控制精準、操作簡單的夾緊旋轉裝置和焊接機械裝置。該系統能夠省時、省力、高效的完成管件的自動焊接任務。

關鍵詞：PLC；自動焊接；管件；設計

0　引言

從第三次工業革命到現在，制造業蓬勃發展，焊接作為一種重要的制造工藝被廣泛應用。隨著工業科技的發展，焊接在生產工藝中所占比重也在逐漸擴大。焊接直接影響產品的生產效率和整體性能，針對產品的不同特點和應用環境選擇合適的焊接方法，將在很大程度上保證焊接質量，提高整體制造水平。

本系統由機械系統、電動系統和氣動系統組成的一體化綜合性十分強的產品。設計合理的機械結構是自動焊接系統的基礎，本文采用UG三維繪圖軟件進行機械結構的繪制，保證結構的完整性、合理性。整個焊接系統采用氣動系統-電動系統同時為整體系統提供動力的方案。為了實現系統的自動化動作，設計采用三菱PLC控制系統進行控制，簡化控制步驟 ，提高控制精度。

1　機械系統

1.1系統整體方案設計

管件自動焊接裝置的三維建模裝配簡圖如圖1所示。其主要包括夾緊旋轉裝置［1］和焊接機械裝置兩大部分。

夾緊旋轉裝置主要實現管件的夾持定位，然后帶動焊接管件進行旋轉。夾緊旋轉裝置主要包括一下幾部分：夾緊氣缸、旋轉電機、管件支架等。夾緊氣缸實現管件的夾緊與定位，旋轉機構實現管件的旋轉。焊接機械裝置主要對焊縫進行識別定位的基礎上，完成自動焊接的機械結構部分，主要包括：三根支架、焊槍、焊接小車、送絲機構、焊接平臺、擺動機構等。三根支架實現焊接小車的定位，焊槍安裝在焊接小車上，送絲機構給焊槍送絲，焊接小車內部的擺動機構帶動焊槍擺動，進行焊接。

圖1　整體結構簡圖

1.2系統工作流程

焊接工作進行之前，需要完成兩部分動作：一是打開電源總開關，檢查整個裝置的機械、控制和氣動系統，確保連接可靠、定位準確；二是對系統進行初始化，確保焊接裝置的各部分處于初始位置。

完成以上動作后，系統正式進行焊接工作。系統工作流程圖如圖2所示。下面結合流程圖進行較詳細的流程敘述。

圖2　系統工作流程

1）人工將管件放在管件支架上，啟動夾緊氣缸，對管件進行夾緊定位；同時旋轉電機啟動，帶動管件進行旋轉。

2）行走氣缸啟動，推動焊接平臺向前移動。

3）根據安裝在焊槍頂部的傳感器［2］檢測需要焊接的位置，經控制器分析，支架1、支架2、支架3的移動分別實現焊接小車的Z向、Y向、X向的運動。

4）送絲電機啟動，勻速穩定的送絲；打開電焊機，起弧進行焊接；擺動機構動作，增加焊縫寬度，當焊接完成一周后，滅弧，同時送絲電機停止，送絲完畢，焊接完成。

5）旋轉電機停止轉動，管件保持靜止。

6）行走氣缸后退，焊接平臺回到初始位置；夾緊氣缸后退回到原位，工件與夾具分離。

7）人工將焊接完成的管件卸下，焊接過程完成，整個作平臺都將回到初始狀態。

8）焊接完成后，關閉裝置總電源。

2　氣壓傳動系統

2.1氣壓傳動系統原理

本系統中部分動作的執行采用氣壓傳動實現，主要有管件的夾持定位動作和焊接平臺的前后移動。根據氣動系統的基本原理及焊接裝置的基本功能要求，擬定該裝置的氣動原理圖如圖3所示。

圖3　氣壓原理圖

2.2主要氣動執行元件的選擇

氣壓傳動回路中最主要的執行元件是氣缸，著兩個元件的設計選擇是焊接能否正常進行的基礎。

氣缸內徑D的計算公式：

式中：F為活塞桿的推力（N）；

D為缸筒內徑（mm）；

d為活塞桿直徑（mm），d=0.3D；

p為氣缸工作壓力（Pa），取0.5MPa；

η為載荷率，取0.75；

行走氣缸的工作負載即整個焊接平臺，取工作負載M=64kg。活塞桿的推力為：

由式（1）求得D≥36.6mm，將其圓整為D=40mm。活塞桿直徑d=0.3D，得d=12mm，為標準活塞桿。

活塞行程的選擇應考慮到氣缸應用場合和機構行程，一般按照計算行程再加上10mm～20mm的行程余量［4］，行走氣缸的活塞行程為300mm。選取行走氣缸選用亞德客公司氣缸SC-40×300-S-LB，軸向支座式固定安裝。

根據計算氣缸計算流程與選型方式，選出其余氣缸的型號，具體如表1所示。

表1　氣缸的型號選擇

3　電氣系統設計

本焊接系統由PLC控制，電氣控制系統設計是本焊接系統的核心部分。在本系統中，PLC控制系統主要是對電磁閥、電機等進行控制。

3.1選用PLC

根據焊接系統的職能要求，PLC的選型要考慮以下三方面：

1）輸入輸出點數。根據設計需要，統計系統的輸入輸出點數，為了后期的設備維修和改進做準備［5］，要預留10%～20%的可擴展余量。

2）存儲器容量的估算。PLC選型時需要先估算出內部存儲器的容量，因為調試程序前程序容量是未知的。通常按下式計算，并留出20%～30%的余量。

（KB）=（1.1×1.25）×（DI×10+DO×5+AI/AO×100）其中，DI為輸入點數，DO為輸出點數，AI/AO為模擬量通道數。

3）功能形式。根據系統有無復雜的運動控制，選擇的功能模塊類型。

3.2PLC的I/O點及地址分配

地址分配時盡量把所有的輸入地址和輸出地址集中，便于操作及管理。按照本系統實際接線情況確定輸入輸出點地址，PLC控制系統輸入輸出分配如表2所示。

表2　系統輸入輸出統計

根據表2統計的系統輸入輸出統計信息可以看出，輸入信號為26個，輸出信號為18個，10%～20%的可擴展余量后對輸入輸出點數圓整，確定為輸入輸出各32點。選用FX2N-64MT-001系列PLC。

3.3控制電路的設計

圖4　系統輸入輸出統計

4　結論

1）介紹了焊接裝置的基本結構，根據焊接裝置的工作對象，結合相關理論，確定焊接裝置的結構形式和尺寸。

2）利用UG對焊接裝置進行三維建模，確保其結構合理、完整。

3）采用PLC控制系統，為了保證控制精度，對PLC及氣缸等主要電氣元件進行選型。

4）焊接機械裝置與夾緊旋轉裝置很好的銜接起來，保證了焊接的精度。

參考文獻：

［1］ 蔡瑾，段國林，李翠玉，李德紅.夾具設計技術發展綜述［J］.河北工業大學學報，2002，31（5）：35-40.

［2］ 叢煥武，郭福娟，呂飛，王倩.基于CCD圖像處理的焊縫識別技術研究［J］.電子測量技術，2012，35（3）：73-77.

［3］ 倪敏化.消聲器原理及其工程應用［J］.電聲技術，2006，（3）：55-57.

［4］ 李自皋，何彬學.淺談控制閥的選型與使用［J］.石油化工自動化，2008，44（3）：64-68.

［5］ 張巖，胡秀芹.可編程控制器PLC的應用技術［M］.福建：福建科學技術出版社，2005，12-14.

The design of pipe automatic welding system based on PLC

HAN Yi-lun， ZHU Qian， CHEN Pei， LU Qi-xing， HOU Lei

中圖分類號：TH6

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0072-04

收稿日期：2015-11-30

作者簡介：韓以倫（1962 -），男，山西太原人，教授，博士，主要從事汽車電子及機電液一體化研究。