一種直線式銀基材料組件自動焊機的設計研究

熊經先，顏君波，熊健華，袁有明

（1.桂林電器科學研究院有限公司，廣西桂林 541004；2.桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

銀基合金材料組件因其良好的電性能而廣泛應用于低壓電器領域。在當前的銀基組件加工制造業中，涉及的設備種類非常多，中頻直流逆變電源焊機就是其中之一，它通常應用于鋁合金板、銅線材焊接及工業繼電器觸點、交流接觸器觸點等低壓電器觸頭產品的焊接加工中，是電工合金行業必備的生產加工設備。

目前市面上傳統的中頻直流逆變電源焊機在機構原理上較為簡單，主要組成部分為工作臺、中頻逆變電源等裝置，電氣控制系統往往只有一些簡單的腳踏開關、交流接觸器、小型中間繼電器、電源開關、限位開關及運行按鈕，這些電氣部件組成的電氣控制系統能夠滿足一般的手動操作生產要求。在設備正常運行的情況下，操作者需要實時關注銀基組件的質量問題，定時檢驗銀基組件的外形尺寸、銀點溢出、銀點位置、銀點表面瑕疵等情況，耗費了大量的時間精力；此外，人工操作的工作效率極低，存在誤操作導致次品率的增加，降低了產品效益。隨著科學技術的不斷進步，銀基組件的生產質量及工藝要求進一步提高，傳統中頻直流逆變電源焊機存在著速度慢、效率低，無法實現自動檢測產品外觀及尺寸、計數控制停機、次品分離等缺陷，這些缺陷嚴重制約著銀基組件生產工藝的發展，也無法提高企業的生產效率、降低人工成本。因此，研究如何減少人為干預，提高銀基組件自動化焊機的運行效率及在線檢測分離次品、遇故障自動停機等問題成為各企業關注的焦點。

針對上述問題，設計了一種基于信捷PLC 控制器的直線式銀基材料組件自動焊機，利用PLC 的各種邏輯控制功能，通過CCD 圖像處理器、硬件系統及軟件系統的設計，解決傳統中頻直流逆變電源焊機的各種缺陷問題。

1 設備工作原理分析

1.1 設備原理

設備原理框圖如圖1所示。

圖1 設備原理框圖

從圖1 可知，經過落料沖壓后的成型銅帶通過放料盤依次進入銅帶定位工位、焊接工位、銀點剪切力檢測工位、外觀尺寸檢測工位、分撿工位及銅帶送料工位等，最后進入收料盤中；待焊接銀點由銀帶送料裝置運送至焊接工位，通過中頻逆變電源進行放電焊接；完成焊接動作后，銅帶下移一個工位，進入銀點剪切力檢測工位，該工位由氣缸及壓力傳感器組成，每次定額施加一定的壓力檢測銀點是否虛焊；完成剪切力檢測后銅帶下移到外觀尺寸檢測工位，通過CCD 圖像成型后進行相關瑕疵識別；完成圖像在線檢測后進入剪料工位，若上一步工位檢測出產品有瑕疵，則可以在此工位通過氣缸剪切裝置把其剪掉，避免殘次品進入良品中；銅帶的每次移動，均通過銅帶送料裝置完成。觸摸屏提供焊接參數、工位動作角度、更換電極點數及焊接速度的設置，通過觸摸屏可以方便靈活地設置每種材料焊接的工藝參數，提高設備的通用性。

1.2 設備伺服系統中的運動控制

設備最核心的控制邏輯來自于銀帶伺服系統中的位置編碼器，該編碼器反饋的角度值是控制焊機上所有動作的基礎，每個動作節拍必須在一定的角度內完成；經過焊接動作分析可知，伺服電機每旋轉一周為360°，如表1所示。

表1 焊機動作與伺服電機編碼器對應角度

設備開始運動的起始動作是銅帶送料，該動作在0°開始60°結束；接著銅帶定位裝置在61°開始85°時結束；然后進行送銀點及銀點送料到位檢測，該動作由86°開始160°結束；接下來進行焊接，該動作由161°開始200°結束；再進行剪切力檢測，該動作由201°開始240°結束；再接著進行CCD 圖像檢測動作，該動作由241°開始300°結束；最后進行上死點檢測動作，該動作由301°開始360°結束，其功能主要是確保每次故障或者人為停機時焊機處于初始0°狀態。經過對運動控制的設計，使設備的動作節拍得到精準高效的控制，完成全自動焊接過程。

1.3 焊接電源系統

中頻直流逆變電源是整套設備的核心所在。其工作原理如圖2所示。

圖2 焊接電源工作原理

該電源系統主要由中頻逆變控制器和變壓器兩部分組成。中頻逆變控制器包含三相電源輸入模塊、IGBT 模塊、電源驅動模塊、主控板及編程器等；變壓器包含次級電流互感器、溫度傳感器及變壓線圈等。焊接參數由編程器或者PLC 觸摸屏錄入，主控板提供RS485 通訊接口，便于焊接電源與PLC 通訊，電源驅動模塊負責驅動IGBT 模塊；變壓器上的次級電流互感器負責給主控板反饋焊接次級電流，而溫度傳感器起到避免焊接電源過熱的功能。該電源系統工作頻率為1 kHz，最大輸出電流可達18 kA，主要用于各種低壓元件觸點、導線的焊接，在當前主流的銀基材料焊接中，中頻逆變電阻焊機是實現大電流短時間的工藝技術要求之一。由于焊接電極材料的使用壽命有限，設備上設計了計數停機功能，通過焊接電源進行計數反饋，達到修磨電極設定值時PLC 控制設備停機，確保設備運行穩定可靠。

1.4 CCD在線檢測、剪切力檢測及殘次品剪切裝置分析

CCD 圖像識別在線送料檢測裝置主要用于當設備正常運行時，如果檢測到不良品出現，首先進行次品（NG 打標）標記，在后續殘次品剪切工位中直接剪切分離，避免邊料或廢料混入正常良品中；若檢測到設備連續產生次品，系統將自動停機。剪切力檢測模塊與CCD在線檢測原理類似，該模塊通過調節氣壓大小來確定推銀點的剪切力大小，若焊接不牢固或者焊接剪切力達不到要求，銀點將會被推掉而無剪切力反饋值，系統判定為次品會在剪切工位中直接剪切分離，連續出現剪切力不合格的情況系統將自動停機，工作示意圖如圖3所示。

圖3 CCD在線檢測、剪切力檢測及殘次品剪切裝置工作示意圖

在設備正常運行時，銅帶每走一步，這三個模塊都由PLC 控制運行一次。殘次品剪切裝置主要由下料管和一個氣缸構成，氣缸的運動由PLC 驅動氣動電磁閥實現，其主要功能是分離殘次品（NG 剔除），省去人工挑選。

2 焊機控制系統設計

2.1 控制系統硬件

焊機控制系統的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、伺服控制系統、中頻直流逆變焊接電源、CCD 圖像處理器、測力傳感器、U 型光電傳感器、漫反射型光電傳感器及電磁閥等部件組成。PLC 選用信捷XD5 系列，CPU 型號為XD5-60T-E，此模塊自帶36入/24 出的NPN 信號接口，AB 兩路RS485 通訊接口，支持X-NET現場總線功能，支持高速計數（高達80 kHz）、2～10 軸脈沖輸出（高達100 kHz）、頻率測量等特殊功能，支持1～16 個擴展模塊。考慮到PLC 需要同步銀帶伺服控制系統、銅帶伺服控制系統、中頻直流逆變焊接電源及CCD 圖像處理器，本設備采用modbus RTU 通訊，以PLC 為主站，其他功能系統為從站的通訊方式，該通訊方式可連接31個從站同步運行。銀帶與銅帶控制伺服控制系統采用脈沖型伺服驅動器，它分為三種控制方式：位置控制、速度控制、轉矩控制，其輸入形態可分為：脈沖+方向、AB相脈沖、CW/CCW 信號等三種電信號；U 型光電傳感器及漫反射型光電傳感器使用0～24 VDC 直流NPN 信號輸出，其功能主要是檢測銅帶及銀帶是否送料正常，是否缺料停機。觸摸屏使用信捷TGM465 系列，通過RS232 通訊接口與PLC 通訊。總控制系統結構如圖4所示。

圖4 控制系統結構圖

2.2 控制系統軟件

焊機控制系統的軟件設計主要是PLC 程序設計和觸摸屏頁面組態設計。PLC 主程序主要包括系統參數初始化、銅帶及銀帶缺料停機設計、中頻逆變電源控制設計、銀點剪切力檢測設計、CCD 在線檢測設計、殘次品剪切控制設計、銅帶送料伺服電機設計、銀帶送料伺服電機設計及接受觸摸屏參數設置設計。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

觸摸屏的組態設計主要是人機交互的界面，設計當前組件生產數、組件最大生產數、銀帶伺服電機轉速、當前運行角度等信息的顯示，此外，需要設計能夠實現觸摸屏控制焊機的運行及停止，根據不同材料及不同的組件規格設置相應的焊接速度，形成焊接工藝參數配方庫；在生產前調取所需的焊接工藝配方，即可進行相關組件產品的自動化生產，降低操作人員的操作難度及技術要求，確保生產工藝的穩定性。

3 結束語

（1）經過對一種銀基材料組件自動焊機設備的設計研究，通過PLC、人機交互界面、傳感器和伺服驅動器的運用，實現了對中頻逆變電阻焊機工作過程中產品質量的在線檢測及設備停機的自動控制，滿足了銀基材料生產組件的工藝需求。

（2）銀基材料組件自動焊機設備的運用有效提高了銀基材料生產元件組件的自動化程度和生產效率，減少了人力資源消耗，降低了生產成本。