法蘭焊接自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王維凱

（嘉興景焱智能裝備技術(shù)有限公司（上海分公司），上海200000）

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為全自動化法蘭焊接控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。基于某流量計(jì)有限公司的招標(biāo)資料要求，在焊接工作臺結(jié)構(gòu)方面，主要可分為焊接平臺與轉(zhuǎn)臺，將自動化系統(tǒng)運(yùn)用至其中，可為小型焊接提供支撐、緊固、變位的作用，以此滿足法蘭元件的多種焊接需求，并基于自動化系統(tǒng)，使法蘭焊接的精細(xì)度得以深化，進(jìn)而提升焊接操作的水準(zhǔn)。而從功能性角度來看，此種焊接自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還需具備焊接流程跟蹤、監(jiān)視的功能，以便持續(xù)為法蘭焊接提供可靠的技術(shù)操控平臺，同時能夠憑借數(shù)據(jù)的傳導(dǎo)與影像的管理，降低焊接弧光等問題的發(fā)生概率，使法蘭焊接的整體流程與各項(xiàng)參數(shù)更詳細(xì)的展現(xiàn)在自動化控制系統(tǒng)內(nèi)，由此檢修與操作人員便能夠根據(jù)法蘭焊接的實(shí)際效果，對后續(xù)焊接技術(shù)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，并為智能化等技術(shù)的應(yīng)用奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。故而，如何做好法蘭焊接自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并合理配置工作臺的整體結(jié)構(gòu)，便需要得到設(shè)計(jì)人員的重視。

2 法蘭焊接全自動工作臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

工作臺整套系統(tǒng)主要由焊接電源、控制柜、送絲機(jī)構(gòu)、移動式焊接操作機(jī)與滾輪架、焊劑自動輸送與回收系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、焊絲跟蹤器與電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電氣系統(tǒng)主要由主變壓器、控制變壓器、整流器、控制與點(diǎn)火PC 板、冷卻風(fēng)機(jī)、輸出儀表、繼電器、接觸器及PLC 控制系統(tǒng)構(gòu)成。而控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則由觸摸屏、伺服電機(jī)、上位機(jī)、PLC 控制器、驅(qū)動器、擺動氣缸、電磁閥與磁性開關(guān)構(gòu)成。

2.2 工作原理

為有效解決法蘭焊接形狀復(fù)雜、位置約束大、弧光大等問題，更便于人員觀察與調(diào)整。在PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用期間，可基于數(shù)據(jù)控制焊接平臺的翻轉(zhuǎn)與回轉(zhuǎn)，通過耦合器使PLC 系統(tǒng)與焊接系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，做好人機(jī)界面的排布，并選擇適宜的操作模式，錄入各類焊接技術(shù)的數(shù)據(jù)，便能夠通過面板控制電源的輸出功率。其次，PLC 控制器基于主機(jī)系統(tǒng)，可對輸出脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并基于編程信息向傳感器與編碼器傳達(dá)指令，以便定位控制、原點(diǎn)復(fù)位、梯形控制等功能得以實(shí)現(xiàn)。最后，借由PWM輸出功能，可任意控制傳感器等裝置的脈頻輸出效果。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用，則能夠通過影像數(shù)據(jù)觀察焊縫的平整度等數(shù)據(jù)，若是數(shù)據(jù)與系統(tǒng)要求存有偏差，則能夠通過復(fù)位、點(diǎn)動、模式、示教、報(bào)警與通訊等功能，使焊接問題在最短時間內(nèi)得到解決，使電氣自動化技術(shù)與焊接工藝徹底融合，真正解決法蘭焊接外觀無保障、操作繁瑣、維護(hù)較難等問題，使焊接質(zhì)量得到更好的保障。[1]

3 電氣整體控制方案

根據(jù)法蘭焊接自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求可知，控制系統(tǒng)需滿足上位機(jī)數(shù)據(jù)采集與工藝流程監(jiān)視的要求，同時還需為上位系統(tǒng)的指令提供接收與反饋的渠道，才能使電氣整體控制方案效果得以保障。故此，電氣整體控制方案需要從電控系統(tǒng)、變頻裝置、法蘭、升降結(jié)構(gòu)等角度進(jìn)行管控。其中，電控系統(tǒng)裝置需要做好接地、過載、電路、失壓、限位與缺相等保護(hù)措施，以便電控系統(tǒng)能夠持續(xù)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)；在電氣整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，控制電機(jī)的電壓宜選用DC24V 直流電壓，所有變頻器等裝置的配置應(yīng)遠(yuǎn)離控制電機(jī)等裝置，并且變頻器與電機(jī)線纜長度應(yīng)控制在100m 范圍內(nèi)，避免因線纜問題，使電氣控制系統(tǒng)喪失電能供應(yīng)來源；為確保法蘭結(jié)構(gòu)焊接精準(zhǔn)，需在十字操作臂內(nèi)設(shè)置保護(hù)連鎖信號，降低誤操作的發(fā)生概率；而在升降結(jié)構(gòu)組建中，需在工作與非工作位置設(shè)置安全銷，以便及時得到電控信號，使電氣控制系統(tǒng)的指令得以持續(xù)。并且，在升降結(jié)構(gòu)內(nèi)，還需配置特定的編碼器，用來檢測升降機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率，確保法蘭焊接流程穩(wěn)定且可靠。[2]

4 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電氣硬件設(shè)計(jì)

法蘭焊接工作臺為滿足信號響應(yīng)與傳輸?shù)墓δ苄枨螅陔姎庥布鋫浞矫妫w了主控柜、觸摸屏、電機(jī)、變頻器、交接與變位夾具、安全與聯(lián)鎖、停止器等裝置。

為使PLC 與總線得到充分利用，需提供一套技術(shù)完備的主控柜，連接中控室及以太網(wǎng)內(nèi)但上位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，基于I/O 的方式將控制系統(tǒng)與設(shè)備層互鎖。期間，主控柜上需配置觸摸屏，以便通過畫面內(nèi)容顯示工作臺與工藝的運(yùn)行狀態(tài)，為操作人員提供更可控的管理平臺。若是系統(tǒng)存有故障問題，控制臺需在接收到故障信號后，借由觸摸屏彈出警告，以便問題得到及時解決，并且控制柜面板上需設(shè)置消音按鈕，以此消除警報(bào)聲音；其次，為確保操作臺與系統(tǒng)持續(xù)處于穩(wěn)定、安全的運(yùn)行狀態(tài)，驅(qū)動裝置內(nèi)的電機(jī)減速裝置需配有斷電與過熱保護(hù)裝置，而升降結(jié)構(gòu)中的變頻器，則需要配有適宜的制動電阻；再次，在升降、法蘭結(jié)構(gòu)與變位轉(zhuǎn)換等位置，需設(shè)置操作站，在操作期間需通過檢測元件對各位置進(jìn)行監(jiān)測，以便操作臺的使用持續(xù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。其中跟蹤系統(tǒng)需要與操作站聯(lián)動，而在轉(zhuǎn)接口或升降結(jié)構(gòu)處，還需配置獨(dú)立的手動操作平臺，配置急停按鈕；最后，未免工作臺受斷電、停氣、誤操作與其他異常狀況的影響，設(shè)計(jì)人員需配置聲光報(bào)警與適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。其中，系統(tǒng)應(yīng)具備出現(xiàn)誤操作時，系統(tǒng)自調(diào)誤動作的功能，并且可通過硬線連鎖與其他裝備提供電氣控制渠道，避免設(shè)備故障造成大范圍的影響。另外，可將CMA 接入工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，做好主機(jī)運(yùn)行的銜接，若存有主機(jī)停線的情況，則法蘭焊接也需要停止工作；若法蘭焊接停止工作，則設(shè)置在升降結(jié)構(gòu)部位的檢測元件需將信號傳遞至主機(jī)平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警。[3]

4.2 PLC 控制設(shè)計(jì)

控制柜操作面板應(yīng)與組態(tài)計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，通過軟件的模擬測試與模擬生成的項(xiàng)目文件可視化。其中，軟件可提供多種圖形控件、功能組件與控制器件庫，基于組態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的操作功能，并借助監(jiān)控系統(tǒng)，使PLC 系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)時數(shù)據(jù)得以傳輸、記錄、顯示、存儲與處理；其次，在PLC 系統(tǒng)可用語句表與梯形圖進(jìn)行編程，在編譯結(jié)束后，通過計(jì)算機(jī)通訊平臺導(dǎo)入PLC 操作平臺內(nèi)。其中，系統(tǒng)程序主要由主程序、子程序與中斷程序三部分構(gòu)成，主程序負(fù)責(zé)工件選擇、手動加工與新工藝參數(shù)的轉(zhuǎn)換，子程序帶參數(shù)融入加工流程，而電動機(jī)則需連接子程序與中斷程序，以便控制電機(jī)的運(yùn)行、減速與停止。

最后，為降低工作臺傳動誤差，焊接結(jié)構(gòu)外圓的旋轉(zhuǎn)需通過齒輪傳動實(shí)現(xiàn)，通過旋轉(zhuǎn)周數(shù)控制電動機(jī)的脈沖量（標(biāo)準(zhǔn)量=5840）。而從焊接角度來看，焊接工件規(guī)格較多，這使得焊點(diǎn)數(shù)值常存在差異，若直接通過脈沖與焊點(diǎn)數(shù)計(jì)算，則極易產(chǎn)生小數(shù)點(diǎn)誤差，使PLC 系統(tǒng)的操作產(chǎn)生持續(xù)性的數(shù)據(jù)誤差。故此，可采用以下算法克服小數(shù)積累的偏差。

其中：N ——焊點(diǎn)數(shù)；

K ——計(jì)數(shù)值；

Y ——電動機(jī)脈沖數(shù)。

基于上述運(yùn)算公式，可知電動機(jī)脈沖總數(shù)仍為5840 個，在外圓旋轉(zhuǎn)一周后，焊點(diǎn)數(shù)的變化并不會使計(jì)數(shù)值產(chǎn)生小數(shù)點(diǎn)，如此便避免了累積誤差等問題，并且焊點(diǎn)間距的可控性也得到了顯著提升。[4]

4.3 誤差補(bǔ)償方案

在法蘭工件焊接過程中，受焊接十字架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、回轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)傳動方案的設(shè)計(jì)等因素影響，焊接工藝誤差總是無可避免的，為避免焊接質(zhì)量受影響，便需要對關(guān)鍵部件的選型與及時校正給予重視。其中，焊接工作臺控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)期間，需根據(jù)功能需求構(gòu)架以PLC 技術(shù)為核心的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，基于電氣硬件、功能模塊軟件的設(shè)計(jì)，對法蘭焊接自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以便系統(tǒng)功能特征更便于識別；其次，為更清晰的了解系統(tǒng)誤差，可基于數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，通過臨界比例度法的運(yùn)用，對PID 控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行校正，隨后操作人員可對焊接工作臺的各項(xiàng)尺寸與定位參數(shù)進(jìn)行精密檢測，以便判斷焊接誤差的產(chǎn)生原因，通過數(shù)據(jù)模型的解析，將誤差補(bǔ)償方案導(dǎo)入PLC 控制系統(tǒng)內(nèi)，為PID 控制器提供持續(xù)的模糊自適應(yīng)算法，以便為PLC 控制系統(tǒng)奠定可持續(xù)優(yōu)化的平臺[5]；最后，為保障數(shù)學(xué)模型與校正參數(shù)的可用性，需通過法蘭焊接平臺的操作進(jìn)行試驗(yàn)，評估焊接工作臺與法蘭焊接的整體工作效率，做好流程的監(jiān)視與數(shù)學(xué)模型的建立，使PLC 系統(tǒng)運(yùn)行特征與潛在問題更便于發(fā)覺。[6]其中，監(jiān)測重點(diǎn)需放在焊機(jī)、送絲機(jī)構(gòu)上，檢測送絲的速度與焊絲直徑，分析是否能夠滿足法蘭焊接自動化操作的速率與質(zhì)量要求，同時還需根據(jù)電氣PLC 控制系統(tǒng)，判斷懸臂運(yùn)行速度、十字架上升及下降速度、焊縫工藝速度、伺服速度與升降速度等數(shù)值是否匹配，若存在偏差，則需要通過PID 控制系統(tǒng)對整體焊接結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行校正。[7]

5 系統(tǒng)調(diào)試及深化設(shè)計(jì)

為確保法蘭焊接自動化控制系統(tǒng)實(shí)用性優(yōu)異，本項(xiàng)目對各類裝置的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查。其中，法蘭焊接懸臂的有效伸縮行程為600mm，進(jìn)給速度為200～2000mm/min，傳動方式為滑動絲桿式與無極調(diào)速，升降行程為800mm，立柱回轉(zhuǎn)范圍在±180°，手動托板調(diào)節(jié)范圍為50*50mm。在電機(jī)的選用上，焊接電流為280A，焊接電壓為28V，焊絲直徑為1.0～2.0，焊接速度為8mm/s，焊縫寬度為150mm。

對比設(shè)計(jì)要求，可知盡管功能性滿足工業(yè)自動化加工的要求，但是設(shè)計(jì)方案并未對線纜的選用給予專業(yè)化的對策。故此，在深化設(shè)計(jì)中，需確保為主控柜周圍的網(wǎng)路線纜與聯(lián)鎖線纜安裝防護(hù)罩，在設(shè)備線路敷設(shè)方面，應(yīng)避免使用明線或電纜，且設(shè)備操作高度與走線形式應(yīng)考慮到人體工程學(xué)的要求。其次，線纜需符合設(shè)計(jì)、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)線顏色應(yīng)規(guī)范，線纜需提供穿線槽，并做好軟管與穿線管保護(hù)。

6 結(jié)論

法蘭焊接自動化控制系統(tǒng)的有效構(gòu)建，既能夠?yàn)楣I(yè)焊接工作的開展提供效率更快，精度更高的數(shù)據(jù)管控平臺，使法蘭焊接的質(zhì)量水準(zhǔn)得以顯著提升，同時憑借完善的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)與處理系統(tǒng)，更能夠基于各類設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)特征，分析潛在的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，將數(shù)據(jù)遞交至控制柜顯示屏上，使故障風(fēng)險(xiǎn)得以迅速解決。故而，在論述法蘭焊接自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，必須明確自動化控制系統(tǒng)的硬件與軟件結(jié)構(gòu)，確定潛在的誤差風(fēng)險(xiǎn)，并提出適宜的優(yōu)化解決方案，確保PLC 控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，才能為后續(xù)高質(zhì)量的法蘭焊接工作奠定基礎(chǔ)。