可編程步進控制器在整流子點焊機中的應用

金 強，王 亮，方春華

(1.江蘇航空職業(yè)技術學院文理學院，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.江蘇航空職業(yè)技術學院工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212000)

0 引言

整流子點焊機廣泛應用于微型電機行業(yè)，它主要用于將不同規(guī)格的微型電機轉子整流子換向片與漆包線繞組引線(不必去除表面絕緣層)進行焊接[1]，本文著重介紹了基于可編程步進專用控制器的全數(shù)控整流子點焊機控制系統(tǒng)及其程序設計，并且給出了不帶衰減和帶衰減功能的整流子焊接程序實例，該系統(tǒng)能夠自動完成電樞夾緊、預熱、焊接、分度及松開的全過程。

1 基于步進控制器的整流子點焊機控制系統(tǒng)設計

1.1 整流子點焊規(guī)范及工藝流程

點焊規(guī)范參數(shù)包括焊接電流、焊接時間、電極壓力和電極端面尺寸。在電極的材料、端面形狀和尺寸選定之后，焊接電流、焊接時間和電極壓力將主要決定點焊接頭的質量[2]。對于傳統(tǒng)的氣壓和液壓式點焊機，其氣閥或液壓閥的調節(jié)響應速度較慢，因此一般只通過減壓閥來調節(jié)和穩(wěn)定電極壓力，在焊接過程中不再對電極壓力進行實時反饋控制，因此點焊控制的主要任務是實現(xiàn)焊接時間和焊接電流的穩(wěn)定。

整流子焊接機屬于點焊機的范疇，焊接電流和焊接時間是影響焊接性能的主要因數(shù)，由于焊接電流一般在焊接前已根據(jù)焊接規(guī)范設定好，焊接進行中不再調整，當整流子片數(shù)比較多時，隨著焊點片數(shù)的增加，前面焊點的余熱大，如果還是按照之前的焊接時間進行焊接，焊接熱量就非常大，會造成整流子漆包線因過熱而損壞，這就需要焊機在焊接過程中，隨著焊點數(shù)的增加，能夠自動實現(xiàn)焊接時間的減少。本設計采用引進美國技術生產的步進控制器、步進電機驅動器驅動步進電機，可對任意等份整流子分度，分度時只需按動按鈕改動一個數(shù)據(jù)即可，并且可以根據(jù)整流子的片數(shù)多少調用帶衰減和無衰減的焊接程序。

整流子焊接工藝過程如下：

1)接通電路，水路，打開焊接控制器電源開關，此時電源指示燈亮。

2)根據(jù)所焊整流子的大小選擇適當?shù)暮附右?guī)范。

3)根據(jù)所焊整流子的等分數(shù)，修改設定可編程控制器的分度程序數(shù)據(jù)。

4)調節(jié)上電極的高低和位置，對準整流子焊接部位。

5)按下氣動夾緊按鈕，快裝夾頭松開，把電機轉子軸頭放入快裝夾頭內，松開按鈕，電機轉子軸頭被自動夾緊。

6)按下啟動按鈕，設備將自動按預先設定的焊接規(guī)范和分度數(shù)自動進行焊接，焊接結束后自動返回原始位置。

7)操作者按下氣動夾緊按鈕，快裝夾頭松開，這時取下工件，整流子焊接工序全部完成。

1.2 控制系統(tǒng)設計

如圖1所示，該電路所用元器件有美國技術生產的三相反應式步進電機90BC340CH[3]，北京斯達特機電科技生產的步進電機驅動器SH-3F090M[4]，可編程步進專用控制器STC-01Z[5]、小型斷路器DZ47-63、中間繼電器KA、KA1、三個按鈕開關(啟動、緊急停止、夾緊)。步進控制器的輸入有啟動和緊急停止按鈕，輸出有控制步進電機分度轉動的脈沖信號CP、方向信號DIR、驅動信號OPTO，還有兩路線圈輸出，分別控制中間繼電器KA和KA1的輸出，中間繼電器KA的一個常開觸點作為焊接控制器的焊接啟動信號，中間繼電器KA1的一個常開觸點控制電磁閥DF，從而控制機頭氣缸和下電極氣缸動作，夾緊按鈕控制電磁閥DF1工作，從而控制夾緊氣缸動作，氣動原理如圖2所示。完整的整流子焊接控制過程如下：1)按下夾緊按鈕，DF1通電，將整流子松開，裝上待焊的整流子后松開按鈕，整流子被夾緊；2)按下可編程步進控制器STC-01Z啟動按鈕，輸出1使KA1線圈得電，KA1常開觸點閉合，電磁閥DF得電，將上、下電極夾緊加壓，延時一定時間后，輸出2使線圈KA得電，KA常開觸點閉合，從而觸發(fā)焊接控制器啟動，按設定好的焊接規(guī)范進行焊接，焊完一點后，按照控制程序，線圈KA1失電，上、下電極松開，由步進控制程序判斷焊點的個數(shù)，如未焊完，步進驅動器驅動步進電機自動轉位，轉位后重新使線圈KA1得電，上下電極夾緊加壓，延時后，KA得電，焊接控制器啟動，如此循環(huán)，直到焊完所有的焊點，步進電機回到原點，整個焊接過程由步進控制程序自動完成，焊接結束自動歸零，沒有分度誤差，同時提高了生產效率。

圖1 整流子點焊機控制系統(tǒng)結構圖

圖2 整流子點焊機氣動原理圖

1.3 步進控制程序設計

圖3所示為整流子點焊機的焊接循環(huán)圖。

圖3 整流子點焊機焊接循環(huán)圖

圖3中t1～t8階段分別為預壓、預熱、焊接、緩冷、通電間隙、回火、維持、休止過程，其中t2～t4階段可合并作為第一次通電過程，t6階段可作為第二次通電過程，根據(jù)需要兩次通電也可合并為一次通電，在t1～t7階段一直加壓，直到焊接休止t8階段以后壓力才去除，t9～t11分別為步進電機轉位前上、下電極松開時間，轉位時間，上、下電極夾緊時間，其中t2～t7為焊接控制器的焊接控制時間，其值應小于或等于步進控制器通過延時程序給出的通電時間。當整流子的片數(shù)較少時，每片焊點的焊接時間主要由焊接控制器時序控制，此時步進控制程序無衰減功能，每個焊點的通電時間不變，焊接時間為焊接控制器事先設定的值。以下給出一個為不帶衰減功能的整流子點焊程序實例：

00 CNT-0 //計數(shù)器清零

01 OUT 1NNN //輸出1導通，上、下電極夾緊

02 DELAY 100 //預壓，延時100ms

03 OUT N1NN //輸出2導通，焊接啟動

04 DELAY 300 //延時300ms，焊接時間

05 OUT 00N0 //輸出1、2不導通，上、下電極松開，一個焊點完成

06 CNT-1 //計數(shù)器加1

07 J-CNT 12 022 //計數(shù)器超過22，則跳轉到12行，蜂鳴器長聲報警，焊接結束

08 J-BIT 12 1 0 //輸入1緊急停止按鈕按下，跳轉到12行，焊接結束

09 SPEED 29000 //賦值速度 29kHz

10 G-LEN 1566 //設定步長，1566表示焊點數(shù)為22時，步長為1566

11 JUMP 01 //跳轉到01行，焊接下一點

12 OUT NNN1 //蜂鳴器長聲報警，焊接結束

13 END

實例中，步進控制器STC-01Z的參數(shù)設定為：JF=1000，HL=4000，HF=1000 ，BF=1000，CC=0000，NA=***，NB=*** ，由于三相反應步進電機90BC340CH步距角為1.5°，步進驅動器SH-3F090M的細分數(shù)設定為40，則步長的計算公式為：

步長=(360°/1.5°*40)/焊點數(shù)=9600/焊點數(shù) (細分數(shù)40，減速比為1∶1)

當外設減速比為1∶3.59時，步長=9600/22*3.59=1566。

當整流子片數(shù)較多時，為減少前面焊點的余熱對后面焊點焊接的影響，如果將焊接控制器啟動后的通電時間(即圖3中的t2～t7)按照每焊幾個焊點就減少一定周波(1周波=20 ms)的焊接時間，就可實現(xiàn)熱量自動衰減的功能。以下給出一個帶衰減功能的程序實例，其中整流子片數(shù)為60，細分數(shù)為40，步進控制器輸出1的延時時間為300 ms，用于上下電極夾緊，輸出2的時間也就是焊接時間，從第10個焊點到40個焊點，每隔5個焊點按800 ms、760 ms、720 ms、680 ms、640 ms、600 ms、500 ms遞減，第40至第50個焊點按400 ms，第50至第60個焊點按300 ms時間焊接，程序如下：

00 CNT-0 //計數(shù)器清零

01 OUT 1NNN //輸出1導通，上、下電極夾緊

02 DELAY 300 //預壓，延時300ms

03 OUT N1NN //輸出2導通，啟動焊接

04 DELAY 800 //延時800ms，焊接時間

05 OUT 00N0 //上、下電極松開，焊接完畢

06 CNT-1 //計數(shù)器加1

07 JUMP 63 //跳轉到63行，焊接最前面10點，判斷計數(shù)器值是否超過60

08 OUT 1NNN //輸出1導通，上、下電極夾緊

09 DELAY 300 //延時300ms

10 OUT N1NN //輸出2導通，線圈KA得電，啟動焊接第11點

11 DELAY 760 //延時760ms

12 OUT 00N0

13 CNT-1

14 JUMP 63

15 OUT 1NNN

16 DELAY 300

17 OUT N1NN

18 DELAY 720 //延時720ms

19 OUT 00N0

20 CNT-1

21 JUMP 63

22 OUT 1NNN

23 DELAY 300

24 OUT N1NN

25 DELAY 680 //延時680ms

26 OUT 00N0

27 CNT-1

28 JUMP 63

29 OUT 1NNN

30 DELAY 300

31 OUT N1NN

32 DELAY 640 //延時640ms

33 OUT 00N0

34 CNT-1

35 JUMP 63

36 OUT 1NNN

37 DELAY 300

38 OUT N1NN

39 DELAY 600 //延時600ms

40 OUT 00N0

41 CNT-1

42 JUMP 63

43 OUT 1NNN

44 DELAY 300

45 OUT N1NN

46 DELAY 500 //延時500ms

47 OUT 00N0

48 CNT-1

49 JUMP 63

50 OUT 1NNN

51 DELAY 300

52 OUT N1NN

53 DELAY 400 //延時400ms

54 OUT 00N0

55 CNT-1

56 JUMP 63

57 OUT 1NNN

58 DELAY 300

59 OUT N1NN

60 DELAY 300 //延時300ms

61 OUT 00N0

62 CNT-1

63 J-CNT 85 060 //計數(shù)器超過60，則跳轉到85行

64 J-BIT 85 1 0 //如果輸入1導通，緊急停止按鈕閉合，則跳轉到85行

65 SPEED 29000 //賦值速度 29KHz

66 G-LEN 160 //電機步長為：9600/60=160

67 J-CNT 69 010 //計數(shù)器超過10，則跳轉到69行

68 JMP 01 //否則跳轉到01行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為800ms

69 J-CNT 71 015 //計數(shù)器超過15，則跳轉到71行

70 JUMP 08 //否則跳轉到08行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為760ms

71 J-CNT 73 020 //計數(shù)器超過20，則跳轉到73行

72 JUMP 15 //否則跳轉到15行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為720ms

73 J-CNT 75 025 //計數(shù)器超過25，則跳轉到75行

74 JUMP 22 //否則跳轉到22行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為680ms

75 J-CNT 77 030 //計數(shù)器超過30，則跳轉到77行

76 JUMP 29 //否則跳轉到29行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為640ms

77 J-CNT 79 035 //計數(shù)器超過36，則跳轉到79行

78 JUMP 36 //否則跳轉到36行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為600ms

79 J-CNT 81 040 //計數(shù)器超過40，則跳轉到81行

80 JUMP 43 //否則跳轉到22行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為500ms

81 J-CNT 83 050 //計數(shù)器超過50，則跳轉到83行

82 JUMP 50 //否則跳轉到50行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為400ms

83 J-CNT 87 060 //計數(shù)器超過60，則跳轉到87行，回到起點

84 JUMP 57 //否則跳轉到57行，繼續(xù)焊接下一點，通電時間為300ms

85 OUT NNN1 //蜂鳴器長聲報警

86 DELAY 300 //延時300ms

87 GOTO 00000000 //回到原點

88 END

在實際使用中，步進控制器需要配合焊接控制器協(xié)調工作，當整流子片數(shù)比較少時，其焊接熱量主要由焊接控制器精確控制，焊接過程中無須調整設定好的焊接時間，焊接一氣呵成，步進控制程序啟動焊接控制器后，通電時間無變化。當整流子片數(shù)比較多時，在焊接進行時，為了防止余熱對后面焊點的影響，需要減少焊接時間，而每次手工調整焊接時間既不現(xiàn)實也不方便，通過設計帶衰減功能的步進控制程序，實現(xiàn)了不間斷連續(xù)焊接，保證了焊點前后一致性，提高了生產效率。

2 結論

基于可編程步進控制器的整流子點焊機控制系統(tǒng)，具有技術先進，操作簡便，焊接穩(wěn)定的特點，該系統(tǒng)的使用進一步提高了整流子點焊機整機的性能，實現(xiàn)了整流子焊接過程自動化。