基于PLC的金剛石鉆頭高頻焊接自動控制系統設計

鄧都都，沈立娜*，劉海龍，胡遠彪

（1.北京探礦工程研究所，北京 102446；2.中國地質大學（北京），北京 100083）

關鍵字：金剛石鉆頭；二次鑲焊；高頻感應；自動化控制；設計制造

0 引言

金剛石鉆頭在硬地層中鉆進時，有速度快、壽命長、工作平穩、井身質量好等優點，很多磨損后的金剛石鉆頭還可通過返廠修復得以重復利用，從而有效節約鉆井成本。因此，在我國各類鉆井中，金剛石鉆頭是非常重要的鉆進方式[1～4]。

我國金剛石鉆頭的生產主要有熱壓整體燒結法、二次鑲焊法等[5～7]。熱壓整體燒結法是將鉆頭鋼體放在相應的模具中，將胎體材料與金剛石填充進去，然后放到高溫爐中進行整體燒結。采用熱壓燒結法制造金剛石鉆頭時，鉆頭的燒結必須達到一定的溫度(通常約1000℃)，才能滿足鉆頭強度要求。然而，溫度較高會對金剛石造成熱損傷，降低鉆頭的使用壽命。此外，整體燒結法需要做底模、模心、模套等各種模具，工序多、生產效率較低。二次鑲焊法是單獨完成刀頭的燒結，然后再將刀頭鑲焊到鉆頭鋼體上。由于刀頭是單獨燒制，因此刀頭的配方與燒結工藝選擇范圍更廣，刀頭燒結的溫度更低，能夠有效的減小金剛石的熱損傷[8]。然而，傳統工藝焊接出來的鉆頭，存在諸多缺陷：如受人為因素影響嚴重，費時費力人工成本高；焊接面受熱不均，且在焊接過程中易引入雜質導致焊接強度不穩定甚至很差；焊接尺寸定位精度不高導致后續處理工序復雜；工作效率低下，產量低下等等，傳統焊接工藝已經難以滿足現代鉆探對深部鉆探高質量鉆頭的需求。

針對于上述問題設計了金剛石鉆頭高頻焊接自動控制系統，采用高頻焊機為金剛石鉆頭焊接提供熱源，該類型焊機能夠產生高頻感應電流，發熱功率高、加熱速度快，在焊接領域應用非常廣泛[9～11]。所設計的金剛石鉆頭高頻焊接自動控制系統具有如下優點：能夠滿足大尺寸、厚壁鉆頭的快速加熱；利用控制系統控制焊接過程的溫度與時間，能有效保證焊接質量；通過自動化鉆頭傳送系統，有效減輕人員工作量、節約工時。

1 高頻自動焊接系統結構設計

1.1 系統組成

鉆頭高頻自動焊接系統主要由鉆頭傳送系統、高頻焊機移動系統、自動焊接控制系統等組成，系統的主要組成部件如圖1所示。其中，鉆頭傳送系統的主要功能是將鉆頭旋轉到固定工作位置進行兩工位交替焊接，其中一個工位的鉆頭進行焊接時，另一個工位可以進行鉆頭鑲焊填料的準備工作；兩工位旋轉切換采用轉盤電機驅動，經過一級齒輪減速，控制轉盤的機械轉速為7.5r/min，保證旋轉過程的平穩，旋轉角度采用機械限位與行程開關雙控制方式，確保鉆頭能夠準確送到工位；為保證焊接過程中焊縫受熱均勻，利用旋轉電機直接驅動鉆頭自轉，設計鉆頭自轉轉速為12r/min。高頻焊機移動系統，主要用于上下、前后移動高頻焊機，以保證高頻焊機適配線圈移動到鉆頭需要焊接的位置，其中，一臺電機驅動升降平臺，控制焊機在上下方向移動，升降平臺上下均配備接近開關，準確控制高頻焊機的位置；另一臺電機控制焊機平臺前后移動，根據不同鉆頭的尺寸，保證高頻焊機線圈與鉆頭的合理距離，保證焊接質量；在升降臺最低點與平臺最前端設置極限位置開關，當平臺系統遇到緊急情況或者到達極限位置時，系統會自動停止，保證設備的使用安全。控制系統主要由PLC控制器、觸摸屏人機交互界面、面板開關、傳感器以及控制柜組成。主要實現電機與焊接時間、溫度的控制，實現鉆頭的自動或者半自動焊接。

圖1 鉆頭高頻自動焊接主要系統組成

1.2 工作流程

該系統設置了兩套工作模式：手動和自動控制模式。手動工作模式由面板上的機械開關配合高頻焊機旋鈕進行控制；自動工作模式針對于已知固定焊接參數的金剛石鉆頭批量生產而設計，可實現鉆頭裝料后的全過程非手工自動化焊接。

在手動控制模式下，將鉆頭與焊機手動調節到合適的位置，啟動高頻焊機，根據觀察鉆頭的焊接溫度與焊料的熔化情況，調節溫度與焊接時間，人為控制焊接過程即可。

自動模式主要針對于前期摸索出了鉆頭焊接工藝，可批量化生產的金剛石鉆頭，設計的控制方式為步進控制。首先根據該鉆頭前期小批量的焊接經驗數據，設置好鉆頭焊接時間以及高頻焊機的工作功率；然后系統會自動檢測焊機與鉆頭是否在初始位置，若不在初始位置，系統會啟動回原點程序，保證高頻焊機在最高點；檢測完成后，系統會將之前的數據自動清零；送鉆系統啟動，平臺逆時針轉動，將填料完成的鉆頭傳送到工作位，系統檢測到鉆頭到位后，焊機開始下降，當焊機的線圈到達焊縫處停止移動，接通高頻焊機，開始焊接，同時接通旋轉電機，鉆頭開始自轉。焊接過程中利用溫度傳感器監測焊接溫度，通過設定高低限溫度區間保證焊接過程的穩定，即當溫度超過設定高限溫度時就會關閉高頻焊機，溫度低于設定低限溫度時又會啟動高頻焊機，直至達到焊接所需時間，高頻焊機停止工作，記錄當前焊接的鉆頭數量，同時升降臺上升，送鉆系統啟動，把另一個工位的鉆頭送到工作位，依照前面的步驟開始下一個鉆頭的焊接作業，已經焊接好的鉆頭會轉到另一工位進行冷卻。整個系統的工作流程如圖2所示。

圖2 焊接系統工作流程圖

2 控制系統設計

鉆頭高頻自動焊接系統的目的是實現鉆頭鑲焊，其中最重要的步驟是保證焊機線圈與鉆頭焊接位置的配合以及控制焊接過程的溫度與焊接時間。為了保證鉆頭能夠準確的送到工位，在轉盤上設置了兩組機械限位與行程限位開關，通過行程開關關斷電機，利用機械限位保證每次旋轉均在同一位置；為了適應不同高度的鉆頭，設置了可移動式的接近開關，保證每次焊機線圈上下移動都能夠在鉆頭的焊縫處。焊接的溫度控制采用溫度檢測閉環控制系統，利用遠程紅外溫度監測儀，持續監測焊接的溫度，將溫度值傳輸到PLC中，當溫度達到設定的上限時，系統會關斷焊機，溫度低于下限時，會自動開啟焊機，保證焊機溫度區間的穩定。

2.1 系統電路圖

該焊接系統一共需要5個電機來驅動鉆頭與高頻焊機的運動，其中電機1與電機2控制鉆頭自轉，電機3控制高頻焊機基座的前后移動，電機4控制高頻焊機升降平臺的上下移動，電機5控制鉆頭轉盤的旋轉。在本系統中高頻焊機采用220VAC供電，其余均采用24VDC供電。設計的系統電路如圖3所示。由于高頻焊機功率較大，配備了單獨的水冷系統，為避免對直流電路影響，采用獨立供電的方式；220VAC通過直流電源轉換為24VDC給直流電機、風扇、傳感器以及PLC供電。

圖3 控制系統電路圖

2.2 PLC地址分配

本系統以PLC為中央控制器，控制各個電機的動作，并接收傳感器的信號，通過觸摸屏與PLC的通信，完成焊接系統的人機交互功能。控制器選用顧美的7英寸觸摸屏一體機，一體機內置的核心控制器為三菱FX系列PLC，該控制器作為三菱公司的主流產品，具有多路的開關量與模擬量的輸入輸出功能，控制與通信功能強大，在自動化控制領域應用非常廣泛[12～15]。設計的I/O接口有24個，其中開關量輸入16個，開關量輸出8個，A/I接口6個、A/O接口2個，232、485通訊接口各一個，具體PLC地址分配如表1所示。

表1 PLC地址分配

2.3 PLC控制程序編寫

根據焊接系統的工作流程和控制要求，該系統需要手動控制與自動控制兩部分，通過觸摸屏進行控制方式的切換。采用三菱專用的編程軟件GX works2完成PLC控制程序的編寫，手動程序通過面板上的機械按鈕進行操作，自動控制過程采用步進控制的方式，根據工作過程，先讓鉆頭旋轉到工作位，然后將焊機線圈移動到鉆頭焊縫處，啟動焊機開始鑲焊作業，焊接過程監控溫度，實時控制焊機的通斷，焊接結束后再將焊機升起來，將另一鉆頭旋轉到工作位繼續焊接。程序設置了電機的自鎖與互鎖，防止程序運行過程發生沖突，在多個程序段設置了急停，保證工作過程中出現緊急情況時，能夠隨時停止焊接作業。該PLC一體機有232通訊口與485通訊口，方便PLC和觸摸屏與電腦進行通信，完成兩者程序的上傳與下載，通過通信功能可以利用上位機實時的監測系統運行的數據。由于整個程序較長，截取其中的手動自動程序切換與步進控制開始程序段進行介紹如圖4所示。

圖4 焊接自動控制程序段

2.4 觸摸屏程序編寫

采用顧美公司自主研發的組態軟件CoolMay HMI編寫人機交互界面，完成的觸摸屏界面如圖5所示。該界面設置了2個界面窗口，登錄界面可以設置登錄密碼，保證系統的使用安全。主控界面中主要有系統啟動與急停、焊接工作模式的切換、自動焊接時間的設定等按鈕；右側的信號指示燈包含了設備的工作狀態、焊機的工作狀態、電機的運行狀態、焊接鉆頭的數量以及焊接過程中的溫度等信息，方便操作者能夠及時了解鉆頭焊接的狀態，根據實際情況及時的控制設備。

圖5 焊接系統人機交互界面

3 實驗測試

采用8刀翼φ77mm取芯金剛石鉆頭進行焊接測試。首先將燒結好的刀頭放置在鉆頭鋼體上并在兩者的縫隙處裝填好焊料，然后利用內外石墨模套，將刀頭鎖緊，這樣能夠有效的保證焊接過程中鉆頭的內外徑尺寸，鉆頭組裝好后如圖6所示。為保證焊接過程中刀頭與鋼體能夠焊接牢固，在鉆頭刀頭的上部放置了一個專用的壓塊工裝，以提供焊接過程中作用于刀頭向下的壓力。

圖6 鉆頭裝塊

首先通過觸摸屏設置焊接時間5min，設置焊接溫度800℃。啟動高頻焊機，卡盤開始自動旋轉，平臺自動轉動180°，鉆頭到達焊接工位，焊機升降平臺啟動，線圈下降到焊縫處，啟動焊機的頻率到15kHz，溫度迅速上升到達600℃，調節頻率到25kHz后溫度持續保持在800℃左右，焊接過程中鋼體迅速發紅，能夠明顯看見焊劑迅速熔化，焊接過程中設備平穩運行。焊接結束后，焊機自動上升到最高位置，工作臺自動旋轉，讓鉆頭到外側進行冷卻。待鉆頭完全冷卻后，取下鉆頭檢查發現焊料已完全熔化，鉆頭焊接密實，焊接過程如圖7所示。

圖7 鉆頭高頻焊接過程

4 結語

本文利用PLC自動化控制技術，結合機械設計原理完成了金剛石鉆頭高頻焊接系統的設計與制造，通過電子電路的設計、控制程序的編寫以及人機交互界面的設計實現了金剛石鉆頭高頻自動焊接功能，最后完成了φ77mm取芯金剛石鉆頭的焊接試驗，驗證了該系統的可靠性。金剛石鉆頭高頻自動化控制設備的制造，解放了生產力，能夠有效的提高金剛石鉆頭的鑲焊效率以及控制焊接的質量，為鑲焊金剛石鉆頭的批量化生產提供可能，具有較好的經濟價值。