基于PLC的車橋后蓋自動焊接設備控制設計

吳玲虹

（閩西職業技術學院機械工程系，福建龍巖 364021）

0 引言

龍巖在全國享有“橋鄉”之稱，大大小小的車橋生產廠家幾十家，其中有暢豐車橋等大型企業以及為其配套生產的一些中小企業如盛豐機械、伍旗機械等。隨著國人生活水平的提高，人們對轎車的需求量越來越大，與此同時，轎車市場對車橋產品需求也逐步增加，并且對車橋的質量要求也越來越高，主要體現在保證焊接強度的基礎上，對車橋外觀提出了更高的要求[1]。目前，現有廠家的設備老化，效率低，已經難以滿足生產需求，本課題就是應工廠的要求，設計汽車車橋后蓋專用自動焊接設備，以提高產品質量。

圖1 鑄鋼橋

圖2 焊接位置示意圖

根據用戶提供的鑄鋼橋的圖樣（如圖1），本課題研制的專機主要適用于汽車鑄鋼橋殼:大法蘭內孔直徑φ200～φ600 mm，橋總長≤2000 mm的產品，其焊接位置如圖2所示。

焊接過程：工件夾緊→點固→工件變位→焊槍下移→工件旋轉且起弧焊接→焊縫搭接、收弧→焊槍上升→工件復位→工件松開。

1 整體結構設計

根據廠家提供的產品信息、焊接現場工作環境的要求、汽車車橋后蓋焊接工藝流程等設計了汽車車橋后蓋專用自動焊接設備。

其整體結構設計是采用十字架立柱機構，焊接小車在十字架立柱上下移動，便于工件更換安裝；焊槍固定在一個三維可調機構上，和送絲機構一起做左右運動，實現橫向的調整及三維方向的微調，使焊接時，焊槍定位更準確；工件夾緊采用氣動夾盤夾緊裝置，回轉方式采用電動機減速機構帶動工件回轉，翻轉機構為電動調整，調整范圍0°～90°。工件先在水平位置點固，然后通過變位機的翻轉機構，實現角度翻轉，以達到焊槍與后蓋焊接處的焊縫形成船形位置焊接（如圖3），利用焊縫成形，不僅可以獲得較大的熔深，而且焊后焊縫成形光滑美觀[2]。汽車車橋后蓋專用自動焊接設備的機身采用十字操作主架和變位機用平底座聯接，與電氣控制部分組合為一體，設置獨立的操作面板，操作方便。同時該專機也設計有吊裝環、叉車孔和固定設備的地腳螺栓安裝孔，整機結構強度高，焊接平穩，適用于車橋后蓋焊接自動化批量生產[3-4]。

圖3 船形焊縫焊接

2 PLC控制設計

2.1 PLC的選用

PLC(Programmable Logic Controller)是在繼電器控制線路的基礎上發展起來的通過軟件的形式實現工業控制的自動化控制設備。根據企業條件等因素，選用S7-200PLC，它是德國西門子公司的一款微型PLC，S7-200系列的PLC以其較好的穩定性和靈活的通訊能力成為國內微型PLC市場的主導[5]。

本設計需要用到的輸入點超過20個，輸出點超出10個，再從CPU性能的優越性和控制對象上考慮[6]，最終確定為CPU226 AC/DC/RLY。

由于主軸電動機須精確定位，所以選用變頻調速和旋轉編碼器定位。主軸電動機為速度和位置反饋的閉環控制系統，對PLC而言必須用模擬量控制，CPU226本身不自帶模擬量接口，所以需要附加一個模擬量模塊，本設計選用的是EM235模擬量模塊。EM235為4輸入/1輸出的模擬量模塊及其端子[7-12]。

2.2 焊機工作流程

1）更換工件時的步驟：按夾盤夾緊→工件傾斜到位→橫梁伸出到位→焊槍下到位→工件對準后→將手動/自動打到自動狀態→連續按啟動→設備開始運行→動作完成后→焊槍上到位→橫梁縮回→工件回到水平位置→按啟動→工件松開→工件動作完成可以開始焊接。

2）自動步驟：按啟動→夾盤夾緊→按啟動→工件傾斜到位→橫梁伸出到位→焊槍下到位→按啟動（如果調試/焊接撥到焊接位置）→開始焊接→焊接一周后→主軸停止（如果焊接設定為2層，再按啟動→開始焊接→焊接一周后主軸停止）→焊槍上到位→橫梁縮回→工件回到水平位置→按啟動→工件松開→自動完成。

2.3 輸入地址分配

輸入地址功能分配見表1。

表1 系統輸入地址位分配表

2.4 輸出地址分配

輸出地址位分配見表2。

表2 輸出地址位分配表

2.5 程序設計

2.5.1 主程序設計

主程序如圖4所示，主要包含焊機的手動/自動焊接程序及控制過程的保護，子程序主要由初始化模塊、速度設定模塊、速度顯示模塊三大部分組成[13]。

2.5.2 自動焊接程序設計

根據系統自動步驟的過程和要求，編寫圖5的自動焊接程序。

圖4 主程序框架

該自動程序實現的動作過程如圖5所示。

M10.0：PLC開通后自動跳轉至此步作為初始步，初始化的清零及預設值將在后面的程序給出。

M10.1：當所有機構準備就緒后，開始自動程序，按下啟動按鈕I1.4，由于整個工藝流程中工件都處于被夾緊狀態，此處程序控制Q0.7應選擇置位。具體程序編制如圖6。

M10.2：當運行狀態處于M10.1處，此時再按下啟動按鈕I0.4，控制Q0.5.使工件傾斜到位。具體程序編制如圖7。

圖5 自動程序順序流程圖

M10.3：傾斜到位后通過接近開關I0.3停止M10.2，并且控制輸出Q0.3橫梁輸出。具體程序編制可以按照圖8通用邏輯塊編程。

上步地址：M10.2；轉入條件：I0.3；下步地址：M10.4；本步自鎖：M10.3；本地址及控制對象：M10.3、Q0.3。

對于上步地址有多位的，可依據各個上步的地址位和轉入條件，通過并聯的方式編程。

對于下步地址有多位的，可以依據各個下步的地址位，通過并聯的方式來編程，具體方法如圖9所示。

自動程序可按照上面的方式對應地址編程，對于后面的步驟這里不再重復說明編程過程。

關于步驟M10.5、M10.6焊接過程控制的說明：當所有機構到達焊接需要的位置后，按下啟動按鈕，主軸電動機正轉，變頻器運行，變頻器將運行中的信號傳送至PLC，PLC的高速計數器開始計數，直到電動機達到預設速度，算出電動機轉了多少角度并記錄下來，此時通過M9.1讓程序從M10.5跳到M10.6，焊接一周的定位方法為：主軸電動機配置旋轉編碼器，主軸電動機通過減速機構帶動工件旋轉，利用旋轉編碼器反饋回PLC的脈沖配合高速計數器確定電動機的位置，然后再根據當前電動機的速度、減速機構及焊接工件半徑計算出帶動工件所要的時間[14-15]。焊接一周后通過M9.6跳轉至下一步。圖10為旋轉一周的調試程序。

圖6 M10.1程序圖

圖7 M10.2程序圖

圖8 通用程序模塊

圖9 多線程流程圖單步程序設計模塊

主軸電動機帶動減速機構，減速比設定為1:0.04并存放于VD600中。VD500中為初始化設置的旋轉編碼器脈沖值。將VD500的值和VD600做對比,結果存放在VD604中，通過當前電動機的速度、減速機構及焊接工件半徑計算出帶動工件所要的時間。

3 結 語

本課題所設計焊機的電氣控制系統采用西門子PLC為核心控制，強化并提高了焊接專機可靠性,而且采用PLC控制系統更易于設備的調試和維護維修。雖然該專機能解決龍巖地區車橋后蓋焊接的一些問題，但還是存在不足之處：1）現場調試中發現焊接件焊接精度偏差值較大，如何降低連續焊接過程中各焊接件的焊縫偏差是設備改進的一個方向。2）主軸電動機采用三相異步電動機雖然節省了成本，但是其調速和位置精度都無法達到伺服電動機的效果。在節省成本的前提下如何提高系統的定位精度是設備的改進方向。

相信隨著現在科學技術的進一步發展，自動化焊機也會向著更經濟、更可靠、更加柔性化的方向發展。

[1] 孟繁德.經濟全球化中的中國轎車制造業[M].北京:機械工業出版社,2000.

[2] 陸明志.汽車后橋焊接工藝及應用[J].焊接,2004(7):39-40.

[3] 李學雷.機械設計基礎[M].北京:科學出版社,2004:30-53.

[4] 趙祥.機械設計基礎[M].北京:科學出版社,2004.80-85.

[5] 廖常初.PLC編輯及應用[M].3版.北京:機械工業出版社,2007.

[6] S7-200可編程控制器系統手冊[Z].2005.

[7] 王喜亮,廖輝江.汽車后橋焊接生產工藝[J].電焊機,2004,6(6):63-65.

[8] 蔣力培,薛龍，鄒勇.焊接自動化實用技術[M]北京:機械工業出版社,2010.

[9] 陳永超.基于PLC的清洗機控制研究[D].阜新:遼寧工程技術大學,2009.

[10]王世紅.自動剪切生產線的PLC控制系統[D].青島:青島大學,2010.

[11]王海濤.PLC網絡控制系統在汽車車橋焊接生產線中的應用[D].成都:西華大學,2011.

[12] 呂汀,石紅梅.變頻技術原理與應用[M].2版.北京:機械工業出版社,2011.

[13] 吳建強,姜二勇.編程控制器原理及其應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1998.

[14]鄒涌泉.變頻器工作原理以及應用中的注意問題[J].自動化與儀器儀表,2011(1)：119-121.

[15]李永剛.基于PLC控制的變頻調速通風機系統[D].太原:太原理工大學.2012.