（材料加工工程专业论文）摩托车传动齿轮盘等离子弧焊接控制系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种高能密度焊接方 法。由于等离子弧焊接工艺具有生产效率高、焊接质量好、可焊金属种类多 等优点，已在化工、核能、电子、机械、航空航天、精密仪器仪表等领域得 到了广泛应用。随着焊接技术和控制技术的发展，自动控制下的等离子弧焊 在工业生产中发挥着越来越重要的作用。 本文利用微束等离子弧焊接方法，结合p l c 、触摸屏，设计了自动焊接摩 托车传动齿轮盘的专用焊接控制系统；使用u g 设计了焊接装置的三维结构。 在设计中，工件的装夹采用电控气动方式；控制系统的核心采用s h - 3 2 r 1 型p l c 以及相应的a d 、d a 扩展模块；焊接电源选用n e r t a m a t i c5 1 型微束等离子弧 焊机；夹具、转台、送丝系统、焊机等设备均由p l c 进行控制；人机界面采用 v i e w j e t c m o r e 系列e a 7 一s 6 c r s 型工业触摸屏，与p l c 配合使用对系统进行控 制。系统采用单工位、单双枪工作模式，以提高系统的工作效率。 对焊接控制系统整体进行了调试分析，结果表明：该焊接装置机械结构 合理，控制系统硬件设计及软件编程合理可行，能实现齿轮盘工件夹紧、定 位、零件转动、双枪同时引弧焊接、收弧、工件松开等操作的全自动化。 总之，本文提出的摩托车传动齿轮盘等离子弧焊接控制系统操作方便， 运行稳定可靠，性能较好，满足工作要求，且能大大提高生产效率，同时保 证产品的质量，具有一定的工程实用价值。 关键词：等离子弧焊；可编程控制器；自动焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t p l a s m aa r cw e l d i n g ( p a w ) i sak i n d o fh i g h e n e r g y w e l d i n gp r o c e s s d e v e l o p e do nt h eb a s i so fa r g o nt u n g s t e na r cw e l d i n g n o wt h ew e l d i n gp r o c e s s i s w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s s u c h 嬲c h e m i c a l i n d u s t r y , n u c l e a rp o w e r , e l e c t r o n i cp a r t s ，m e c h a n i s m ，a e r o s p a c e ，p r e c i s ei n s t r u m e n t sa n dm e t e r sb e c a u s e o fi t sh i g hp r o d u c t i v i t y , e x c e l l e n tw e l d i n gq u a l i t ya n dm a n yk i n d so fw e l d e d m e t a l w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo nw e l d i n ga n dc o n t r o l ，p a wo n a u t o m a t i cc o n t r o lp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei np r o d u c t i o n t h er e s e a r c hi n t h i sp a p e ri sas y s t e mc o n t r o l l e db yt o u c hp a n e la n dp l c w h i c hh a v eb e e nd e s i g n e dt ow e l dm o t o r c y c l eg e a r i n gw h e e la u t o m a t i c a l l yw i t h m p a w , a n dt h ew e l d e rh a sb e e nd e s i g n e dt o3 ds t r u c t u r eb yu gt h ew o r k p i e c e i sc l a m p e db ye l e c t r i cc o n t r o l l e da n da i r - o p e r a t e df i x t u r e t h ec o r eo ft h es y s t e m a d o p t so n et y p eo fp l co fk o y o ，w h i c hi sa s o r to fs h 一3 2 r 1 ，a n di t sa d d i t i o n a l d e v i c e s ，i n c l u d i n ga d ，d am o d u l e s w e l d i n gp o w e ri sak i n do fm i c r o p l a s m a a r cw e l d e rm a r k e dn e r t a m a t i c51 c l a m p i n gf i x t u r e ，s w i v e lt a b l e ，w i r ef e e d s y s t e m ，w e l d e ra n do t h e re q u i p m e n t sa r ea l lc o n t r o l l e db yt h ep l c t h et o u c h p a n e lw h i c hc o o p e r a t e sw i t hp l ct oc o n t r o ls y s t e mi sas o r to fe a 7 - - s 6 c r s b e l o n g i n gt ov i e w j e t c m o r e i no r d e rt oi n c r e a s ee f f i c i e n c y , t h es y s t e ma d o p t s s i n g l e s t a t i o na n ds i n g l e c o u p l ew e l d i n gt o r c h e s t h r o u g hd e b u g g i n go fe a c hc o m p o n e n to ft h es y s t e m ，t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h es t r u c t u r eo ft h ew e l d i n gm e c h a n i s mi sr e a s o n a b l e ，t h eh a r d w a r ed e s i g n a n dt h es o f t w a r ep r o c e d u r ea r ef e a s i b l e i tc a na c c o m p l i s ht h ew o r k p i e c e s c l a m p i n g ，l o c a t i n g ，r o t a t i n g ，u n c l a m p i n g ，t w ow e l d i n gt o r c h e s g e n e r a t i n g ， w e l d i n ga n de x t i n g u i s h i n ga u t o m a t i c a l l y t h ep a wc o n t r o ls y s t e mi n m o t o r c y c l eg e a r i n gw h e e lt h a t t h i sp a p e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 p r o p o s e di sc o n v e n i e n t ，r e l i a b l ea n dq u a l i f yf o rt h ew o r kd e m a n d i ta l s oc a l l i n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , g u a r a n t e eq u a l i t ya n dh a sp r a c t i c a lv a l u e si ne n g i n e e r k e yw o r d s ：p a w ；p l c ；a u t o m a t i cw e i d i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：罗涛 f i l l - 加8 j - 弓。 指导老师签名： 潘厚宏 日期： 2 0 - , 3 r 31 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 以p l c 为控制核心，将焊接的时序控制、引弧与熄弧、非转 移弧与转移弧的切换等统一起来，能够实现摩托车传动齿轮盘的等离 子弧自动焊接，提高等离子弧焊的自动化程度； 2 系统采用两把焊枪同时引弧焊接，极大程度地提高了齿轮盘 工件的生产效率，减轻了焊接操作人员的劳动强度； 3 通过引入人机界面技术，使得系统中指示灯、按钮等设备大 大简化，同时也可以简化硬件之间的连线，降低故障的发生率，提高 系统的使用性能和可视化程度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 焊接自动化综述 第1 章绪论 随着自动化技术的飞速发展，大力推动了焊接自动化技术的快速前进。 在焊接中，系统涉及的变量越来越多，如复杂的焊接冶金物理化学过程、合 理的工艺流程制定与实现、焊接的稳定性、应用的灵活性、操作的安全性及 设计的优化及经济性等方面，单凭人工完成的可能性及完成率相对较低，有 时甚至无法实现。而利用自动化焊接技术中的控制技术，可以方便地达到高 质量的焊缝成形。焊接自动化包括以下几个方面：焊接自动检测，焊接自 动操作和焊接自动调整瞳。3 1 。 1 1 1 焊接自动检测 自动检测是目前焊接自动化技术中的一个关键环节。国内外的一些大专 院校和科研院所己作过大量的工作，对焊接过程中的光、声、电等信号都可 以进行检测。 在光信号的检测方面，一般采用光电传感器和c c d 视觉传感器。光电传 感器是目前研究得最多的一类焊缝自动跟踪传感器，使用时将机头和传感器 固定在一起，利用杠杆在焊枪的前方探测焊缝位置。在焊接过程中，当焊缝 位置发生变化时，发光管随杠杆沿焊缝发生偏移，由于发光管偏离中心位置， 光敏接收管的输出就会发生变化，进而通过控制系统来调整焊枪位置，实现 焊缝的高度和横向跟踪。c c d 视觉传感器是一种半导体集成光电敏感元件， 其功能和摄像管类似。c c d 能进行平面成像，用它制成的摄像机传感器功能 最强，计算机的信息处理量也很大，能测出焊缝位置和缝隙宽度。 在声信号的检测方面，通常采用超声传感器，它是利用超声波脉冲在金 属内传播时的界面反射现象，由入射一反射波脉冲的行程，测得界面位置，实 现焊缝跟踪的。超声传感器不怕电弧的电磁、光、烟尘等干扰，且兼有焊缝 跟踪和熔深控制的可能，故是一种很有前途的传感器h 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在电信号的检测方面，可用的方法很多，如分流器、互感器、霍尔传感 器等。在此基础上发展起来的电弧传感器，则是焊接自动化技术不可或缺的 部分。它是以电弧自身的电压或电流讯号作为焊枪高度和横向的跟踪讯号， 由于这一方法无需附加传感部件，被认为是一种结构简单、成本低廉、可靠 性高的有发展前途的跟踪传感方法1 。 1 1 2 焊接自动操作 自动操作通常是在自动控制系统中，按预定的程序进行。特别是利用数 控技术和p l c 自动控制技术进行的自动控制。 国外的自动化技术水平较高，自动控制技术在焊接中的应用较为成熟， 许多研究是用于自动焊机中以及实时控制的。这些自动控制具有许多特点， 如焊接参数数字化控制，焊接过程中设备运动自动化，内部存储器存储多套 可选的程序，微机系统设有专用的编写焊接程序的软件系统，操作简单，保 养方便等等。如瑞典e s a b 公司的a d l 系列管焊机与a d 2 系列管焊机；法国的。 p o l y s o u d e 焊管机专业公司生产的a u t o t i g l 4 0 型小型焊机，其焊接程序直接 由面板上的键盘编写，并可记忆2 4 套焊接程序，a u t o t i g 2 5 0 型焊机可用便 携式p c 机进行焊接程序的编写。而以p l c 为控制核心的控制系统，除了可以 存储多套焊接程序及现场编写控制程序之外，还可进行二次扩展开发控制1 。 在这些研究中，许多都体现了自动化技术在焊接中各方面的应用情况。这些 科研成果的出现，无论是在提高生产率方面，还是在促进公司赢利方面，或 是在保障操作人员健康、环保方面都有极大的成就m 。 国内的一些科研人员随着自动化技术的发展，做了一些相关的工作，如 用单板机做成的点焊机自动控制系统，可以自动对点焊参数进行自动调节： 熔化极电弧能量参数自动调节系统，可随着电弧能量的变化进行相应的控制； p l c 技术在h w l h g 型火焰切割机中的应用，则可以进行高质量的切割生产； 以及在焊接中引用自动控制技术而获得低成本的研究等阳。1 1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 3 焊接自动调整 为了保证焊接质量，通常在焊接过程中的某些变量能自动保持在一定的 范围内进行调整，即焊接自动调整。这种形式应用较多，它包括仿形、跟踪、 适应控制和最佳控制等n 2 。13 j 。国外做的一些研究是利用计算机监控、优化、 或对某一方面的控制来达到高的焊接质量。这方面的研究在国内也较多，如 杜乃在的焊接仿真方法，可以较真实地模拟焊接的过程；哈尔滨工业大学进 行的图像跟踪控制，可以随着不同的焊接走向进行自动跟踪焊接；沈阳工业 大学进行的马鞍形焊缝自动跟踪设计方法，可以在曲面上进行焊接n 铲1 6 1 。 1 2 微束等离子弧焊综述 等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。等离子 弧是一种压缩的钨极氩弧，具有能量集中( 能量密度可达1 0 5 1 0 6 w c m 2 ) 、 温度高( 弧柱中心可达1 8 0 0 0 - - 一2 4 0 0 0 k 以上) 、焰流速度大( 可达3 0 0 m s 以 上) 、刚直性好等特点，这种电弧既可以用于焊接，又可以用于切割。等离子 弧焊是一种先进实用的焊接和切割方法，在工业中得到了广泛的应用。 人们通常将焊接电流在3 0 a 以下的等离子弧焊接，称为微束等离子弧焊 接。由于是在小电流条件下，无论是等离子弧的形态、稳定性及其对电源、 设备的要求，还是焊接工艺过程及其操作方法，都有一系列的特殊性。 1 2 1 等离子弧的类型及应用特点 等离子弧焊用的热源是将自由钨极压缩强化之后获得电离度更高的电弧 等离子体，称为等离子弧，又称压缩电弧。等离子弧与钨极氩弧焊的自由电 弧在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。经压缩的电弧具 有很高的能量密度及温度。等离子弧的压缩是依靠水冷铜喷嘴的拘束作用实 现的，等离子弧通过水冷铜喷嘴时受到下列三种压缩作用。 机械压缩水冷铜喷嘴孔径限制了弧柱截面积的自由扩大，这种拘束 作用就是机械压缩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 热压缩喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜，迸一步减 小了弧柱的有效导电面积，从而进一步提高了电弧弧柱的能量密度及温度， 这种依靠水冷使弧柱温度及能量密度进一步提高的作用就是热作用。 电磁压缩由于以上两种压缩效应，使得电弧电流密度增大，电弧电 流自身磁场产生的电磁收缩力增大，使电弧又收到进一步压缩，这就是电磁 压缩。 1 等离子弧的类型。 根据电源的连接方式，等离子弧分为非转移型电弧、转移型电弧及联合 型电弧三种。产生这三种形态等离子弧的共同点是：等离子枪的结构是一样 的，钨极都接电源的负极。不同在于电弧正极接的位置不同。 非转移型电弧正极接在焊枪的喷嘴上，电弧燃烧在钨极与喷嘴之 间，焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，工件不接到焊接回路上， 如图卜1 ( a ) 所示。依靠高速喷出的等离子气将电弧带出，这种电弧适用于焊 接或切割较薄的金属及非金属。 转移型电弧正极接在工件上，电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊 接时首先引燃钨极与喷嘴之间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之 间。在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中，如图卜1 ( b ) 所示。转移型电弧 的产生要经过两步走：先在钨极与喷嘴之间产生非转移弧，使其电弧焰流从 喷嘴喷出并接触工件；然后进行电路转换，将电源的正极从喷嘴电路转移到 工件电路，转移弧便瞬即产生( 非转移弧同时熄灭) 。这种电弧用于焊接较厚 的金属。 联合型电弧转移弧及非转移弧同时并存的电弧称为联合型电弧，如 图1 - 1 ( c ) 所示。联合型电弧在很小的电流下就能保持稳定，微束等离子弧焊 采用了联合弧的形态，因此特别适合于薄板及超薄板的焊接。联合弧的获得 方法是：先获得非转移弧，然后产生转移弧，但是在转移弧产生的同时，不 要切断非转移弧( 不切断喷嘴的正极电路) ，这样就可以得到非转移弧( 也称 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 维持电弧) 和转移弧( 也称工作电弧或焊接电弧) 同时存在的联合弧。 lf 妒 ( a ) 非转移弧 1 一钨极；2 一喷嘴： 6 0 ( b ) 转移弧( c ) 联合弧 图卜1 等离子弧的类型 3 一转移弧；4 一非转移弧； 5 一工件； 6 一冷却水： 7 一弧焰；8 一离子气 2 等离子弧的应用特点n 8 1 与钨极氩弧焊相比，等离子弧焊具有以下工艺特点： 由于等离子弧的能量密度大，弧柱温度高，对焊件加热集中，不仅熔 透能力和焊接速度显著提高，而且可利用小孔效应实现单面焊双面成形，生 产效率显著提高。 焊缝深宽比大，热影响区小，焊件变形较小，可以获得优良的焊接质 且 里o 焊接电流下限d , no 1 h 时，电弧仍然能稳定燃烧，并保持良好的挺 度和方向性，所以不仅能焊接中厚板，也适合于焊接超薄件。 由于电弧呈圆柱形，对焊枪高度变化的敏感性明显降低，这对保证焊 缝成形和熔透均匀性都十分有益。但焊枪与焊缝的对中性要求较高。 基于以上工艺特点，等离子弧焊接方法可以焊接不锈钢、高强度合金钢、 耐热合金钢、耐高温合金、钛及其合金、铝及其合金、铜及其合金以及低合 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 金结构钢等金属材料。此外，可用钨极氩弧焊焊接的金属均可用等离子弧焊 进行焊接。目前，等离子弧焊已应用于化工、原子能、电子、精密仪器仪表、 轻工、冶金、火箭、航空航天等工业和空间技术中。 1 2 2 微束等离子弧焊的焊接过程及特点 微束等离子弧焊的焊接过程如图卜2 所示。保护气、离子气、进出冷却 水及弧焊电源均与焊接控制箱相连，电源的正极接工件，焊接所需的水、电、 气由控制箱控制后通过同轴焊接电缆与焊炬相连，保护气由焊炬喷出，在焊 接区域形成保护气罩，焊炬内夹持着钨棒，电弧在钨极与焊炬、钨极与工件 之间燃烧，根据不同的工件厚度和坡口形状可以外加或不加填充焊丝。焊炬 相对于接缝的移动和填加焊丝均可手工操作或由机械装置自动完成n 引。 图卜2 微束等离子弧焊过程和设备 微束等离子弧焊接是一种小电流( 通常小于3 0 a ) 熔入型焊接工艺，为 了保持小电流时电弧的稳定，一般采用d , ：l 径压缩喷嘴( 0 6 1 2 m m ) 及联 合型电弧。即焊接时存在两个电弧，一个是燃烧于电极与喷嘴之间的非转移 弧，另一个为燃烧于电极与焊件之间的转移弧。前者起着引弧和维弧作用( 维 弧的引燃采用高频引弧) ，使转移弧在电流小至0 5 a 时仍非常稳定；后者用 于熔化工件。微束等离子弧焊接原理图如图卜3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 图1 - 3 微束等离子弧焊接原理图 l 一等离子弧电源：2 一维弧电源： 3 - - 电极；4 - - 离子气； 5 一保护气； 6 一冷却水；7 - - 气体透镜( 铜网) ；8 - - 焊件；9 - - 垫板 微束等离子弧是等离子弧的一种。在产生普通等离子弧的基础上采取提 高电弧稳定性措施，进一步加强电弧的压缩作用，减小电流和气流，缩小电 弧室的尺寸。这样，就使微小的等离子焊枪喷嘴喷射出小的等离子弧焰流， 如同缝纫机针一般细小。 微束等离子弧焊接需采用具有陡降外特性的电源，使电流保持恒定而不 受弧长变化的影响。为保证在小电流的情况下电弧稳定地燃烧，这种外特性 电源显得尤其必要。 获得微束等离子弧，必须满足以下三个基本条件。 微束等离子弧发生器也称为等离子枪，是以等离子电弧室为主体组 成的。产生微束等离子弧的第一要素是要有一个良好的等离子枪，要求不漏 气、不漏水、不漏电，电极对中且调整更换方便，喷嘴耐用又便于更换。 直流电源作为微束等离子弧的电源，除了普通等离子弧的直流电 源、下降的伏安特性、电流可以细微调节等要求外，还有一个重要的特殊要 求，即高空载电压。一般直流电源的空载电压是8 0 l o o v ，微束等离子弧的 电源空载电压应为1 2 0 , - - - , 1 6 0 v ，有时还要高达2 0 0 v ，所以微束等离子弧焊的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 电源需要特制专用。 惰性气体源在等离子枪的电弧室里，电弧柱是在三个压缩效应的作 用下形成等离子弧的。三个效应中有两个是惰性气体所为。微束等离子弧所 使用的惰性气体一般都是氩气，使用时要接装减压表和流量计，以便能精细 地调节压力和流量这两个参数。 微束等离子弧焊接具有以下特点： 小电流时电弧仍能保持稳定。 电弧呈细长的圆柱状，弧长的变化对焊件加热状态的影响较小，因此 它对喷嘴至焊件间距离变化的敏感性较小，焊接质量稳定。这对薄板的焊接 是十分重要的。 焊件变形量和热影响区小于钨极氩弧焊。 设备简单，焊枪小巧，易于操作和实现自动化。 1 2 3 微束等离子弧焊的发展动态 上世纪6 0 年代初，在a b 彼得洛夫的领导下，苏联航空工艺科学研究所 和许多外国公司( 如瑞士、英国、美国和法国) 都开始用压缩电弧进行薄板 焊接的研究工作。这种方法被命名为微束等离子弧焊接。然而，当时还缺乏 对小电流电弧和工艺完整的研究；加上当时没有专门的焊接设备，也妨碍了 这种方法的发展，故在工业中没有得到广泛的应用。7 0 年代中期，乌克兰科 学院巴顿电焊机研究所决定研究焊接电弧的物理过程，并在此基础上研究薄 板金属微束等离子弧焊接这一新方法和研制供广泛应用的焊接设备。为此， 该所研究了包括真空在内的不同介质中小电流焊接电弧的特征，并提出了电 弧的压缩理论，进行了焊接电弧阴极过程的试验研究，确定了冷阴极小电流 电弧稳定燃烧的条件。根据理论和试验研究的结果，制定了包括铝在内的金 属常压和低压微束等离子弧焊接的新方法胆0 1 。 目前，国外等离子弧焊机的用量已占了通用弧焊机的四分之一，而在我 国只占几万分之一，差距之大，令人瞠目结舌。因此，等离子弧焊接设备在 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 国内发展应该是一个突破点。从上世纪8 0 年代初，第一台微束等离子弧焊机 从成都电焊机研究所问世以来，经过成焊所科技人员多年的努力，对该焊机 的主回路和控制回路进行了改进，运行精度、系统的稳定性得到了很大的提 高，焊枪的对中精度和等离子弧的产生以及喷嘴的散热条件都得到了很大的 改善。经过多次与国外焊机的对比试验，现在，该所的微束等离子弧焊机已 经达到国际同类产品的水平乜。等离子弧焊的优点就在于电弧集中呈微束 状，熔池深度深，保护气罩的隔绝效果好，热影响区小，加上脉冲能轻松达 到单面焊双面成形。在焊接不锈钢工件时，加上少量氢气保护，焊后表面不 产生氧化，焊缝无需进行打磨处理，其效果远远超过现在国内外的t i g 焊( 见 表1 - 1 ) 。再加上微束等离子弧焊的热量是一般t i g 焊的3 倍，而焊机的耗电量 却是t i g 焊的三分之一，显现出等离子弧焊机是一种新型的节能型焊机。如果 配上交直流方波电源，其使用范围更广，完全能替代现在的t i g 焊机，成为新 一代的非熔化极气体保护焊。 表1 - 1 等离子弧焊与t i g 焊相比较的优势 性能比较( 条件相同)焊接成本比较 焊接速度快2 3 倍工作量少( 1 2 1 3 ) 焊接板厚范围大( 0 1 l o m m )气耗量少( 1 3 ) 背面成形好耗电量低( 1 2 ) 焊接变形小 电极损耗少( 1 3 ) 随着国内外焊接技术的不断发展，通过不断创新发展自动化程度高、焊 接速度快、焊接质量好的焊接设备，是微束等离子弧焊接方法的发展方向。 1 3 摩托车传动齿轮盘结构 摩托车传动齿轮材料为2 0 c r m n t i 渗碳，原采用整体坯料机械加工成型， 加工工序复杂，材料利用率较低。而采用等离子弧焊接，可分别加工齿轮盘 和轮毂，装配后焊接，焊后零件可直接使用，无后续加工，焊缝强度也符合 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 要求。因此，采用此方式可简化加工工序，降低加工难度，节约材料。 焊接齿轮盘的结构及主要尺寸如图卜4 所示。 图卜4 焊接齿轮盘结构 1 4 本论文研究的背景和意义 实现焊接过程的自动化是我国焊接行业的战略目标。目前我国以焊接技 术为主导技术的大中型企业的i h 动化程度已达到4 5 左右心2 ，而等离子弧焊 在工业自动化生产中的应用日渐广泛，它具有热输入量集中，焊缝深宽比大， 焊接效率高以及可以在中厚管、板材料焊接时实现一次焊透，单面焊双面成 形等特点，因此，该焊接方法自问世以来，就一直受到人 f 1 的重视。目前， 许多高精度、高质量的装备都已采用了等离子弧焊接方法。等离子弧焊接目 前在国内尚处于研究发展阶段，但在国外发达国家已被广泛应用，在某些场 合，它已取代氢原子焊、激光电子束焊和氩弧焊等焊接方法。 p l ci h 产生以来发展极为迅速，代替了继电器控制系统。p l c 产品的产量、 销量及用量在所有工业控制装置中居首位，而且应用范围广泛，多年来一直 呈持续增长势头，市场对其需求仍在稳步上升。而触摸屏由于具有友好的人 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 机界面，高可靠性和小体积，需求也在不断增长。随着控制技术的不断发展， 触摸屏与可编程控制器在工业控制中的应用越来越广泛。触摸屏与p l c 连接 起来组成的控制系统的具体应用是：触摸屏替代了原控制中的显示盘、操作 盘，p l c 替代原控制中的控制盘，这种方式摒弃了传统电气控制中的继电器、 指示仪表、操作开关，变硬件设备为软件设备，具有占地少、控制精度高、 功能强、可编程、智能化等诸多特点。 本课题即是采用日本k o y o 公司的s h 一3 2 r 1 型p l c 和e a t - s 6 c - r s 型工业 触摸屏作为焊接系统的控制核心，配以法国s a f 公司的n e r t a m a t i c5 1 型微 柬等离子弧焊接电源及专用于摩托车传动齿轮盘焊接的h f h 一0 0 型环缝自动 焊接机构，以实现摩托车传动齿轮盘的自动化焊接。此焊接控制系统将齿轮 盘工件的装卸、焊接有机的结合成一体，在整个过程中，只需按一下触摸屏 上的“自动 按钮，便可完成整个焊接过程。此焊接控制系统可以简化硬件 之间的连线，降低故障的发生率，提高系统的使用性能和可视化程度，同时 也将会在很大程度上提高生产率，改善焊接操作人员的工作条件。 1 5 本论文主要完成的工作 论文旨在获得功能完备的摩托车传动齿轮盘等离子弧焊接控制系统，搭 建一个稳定可靠的焊接控制系统平台，基于p l c 和触摸屏实现对焊接系统的 控制，具体实现齿轮盘工件的夹紧松开、焊接的启停、工件相对于焊枪的转 动停止、焊接调速以及对焊接参数的实时监控等自动控制功能。通过对国内 外等离子弧焊接控制系统的研究以及对本课题所涉及的焊接控制系统的专门 性分析，针对手动焊接操作存在的问题，本文做了如下的工作： 1 硬件系统设计：包括系统机械结构三维设计及以p l c 为中心的控制系 统的设计，还包括选用用于同p l c 进行进行配套使用的设备，如人机界面系 统、送丝机系统、转台变频调速系统等设备。其中，机械机构设计是指对齿 轮盘环缝自动焊接机构u g 结构图的设计，以p l c 为中心的控制系统设计则包 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 括了p l c 外围接口电路设计、系统电气构成设计等。 2 软件系统设计：主要是进行控制系统中运行软件的控制设计。其内容 包括p l c 控制程序的设计、人机界面程序的设计等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章系统硬件 在本焊接设计中，一个完整的焊接系统的组成包括有提供焊接电弧能 量的焊接电源，焊枪，央持工件使工件相对于二焊枪转动的机械运动装置，冷 却焊枪的水冷单元，保护焊缝的送气管路设备，以及控制其它各组元的控制 核心单元p l c 和人机界面等器件。这样可以使得控制系统止操作人员使用更 方便，焊接生产效率更高。 2 1 环缝自动焊接机构设计 在机械结构部分的设计中采用的是u g s 、x5 0 型设计软件包，该软件包 可以方便地设计一切可以想象的构件。下面是环缝自动焊接机构的整体构成 陶。 au g 三维创ba u t o c h d 平面图 圈21 环缝自动焊接机构构成图 本控制系统的机械部分主要是由焊枪调节机构、工件兴紧机构、带动工 件转动机构等组成，可实现焊枪空问位嚣的调整、被焊齿轮盘工件的夹紧和 松开、带动被焊齿轮盘工件的均匀转动等。整个机构的工作过程如下：待焊 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 齿轮盘工件装入工件座后，摆动气缸转动1 8 0 。，待焊工件被定位至待夹紧 位置：之后通过顶升气缸及压紧气缸的顶升压紧，实现待焊工件在焊接位 置的定位：工件夹紧后，即可保证焊枪和焊缝的对中准确。焊接启动后，回 转电机带动回转支承压紧待焊工件同步转动，同时，在焊接过程中，需取出 闲置工件座上的已焊工件，并装入待焊工件，为下一次焊接准备。焊接完成 后，回转电机停止，通过气缸的逆向运动，便可实现已焊齿轮盘工件的放松 和回位：在这个过程中，同时也实现了待焊工件在待央紧位置的定位。 工件央紧机构如图2 2 所示。 馈蟹装置 下转干 气缸 幽2 - 2 丁什夹紧机构 在工件的整个央紧和放松过程中，气缸和电磁气阁是关键的控制元件 因此根据实际要求，选用了烟台胜利气动液压有限公司生产的气动元件 其具体型号如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 摆动气缸：属齿轮齿条型，型号为l t a l 0 0 】8 0 。，工作压力范围 0 1 j o6 3 m p a ，工作压力为0 4 m d a 时，理论输出扭矩4 7 n m ： 直动气缸：顶升气缸型号为l g k f 6 3 15 0 f a ，压紧气缸型号为l g k f 5 0 i o o f a ，该类型气缸属双作用气缸，自带磁控开关和电磁气阀具 有结构紧凑、安装使用简单、方便、节省管路和气源等优点。该类 型气缸工作压力范围0 0 5 1o m p a ，最大耐压力1 4 7 m p a ；工作压 力为05 m p a 时，理论输出推力顶升气缸为15 1 9 n ，压紧气缸为9 6 0 n 理论输出拉力顶升气缸为】3 3 3 n ，压紧气缸为7 7 4 n ；磁性开关和电 磁气阀均采用d c 2 4 v 供电。 电磁气阀：届双电控二位血通阀，型号为d f 2 5 d 2 ，工作压力范围 0 1 5 0 8 m p a 。 本控制系统采用双枪双送丝的方式对齿轮盘工件进行焊接，两把焊枪由 焊枪调节机构固定，对称布置于工件两侧：焊接莳，需对焊枪的工作方式( 双 枪单枪) 进行选择。焊枪调节机构上设有x 、y 、z 轴方向上的调节旋钮，通 过对这三个旋钮的调节，便可实现焊枪与焊缝的对中。焊枪调节机构如图23 所示。 。”“- 矾 、。：i 童三 图2 - 3 焊枪调节机构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 _ 一 焊接过程中，本系统采用了焊枪固定，工件( 焊缝) 相对焊枪转动的方 式。此方法的优点在于焊枪只需一次调节固定，其后再进行焊接时，一旦待 焊工件被夹紧定位，焊枪与焊缝便对中完成，可以实现焊枪与焊缝简单、方 便、精确对中。转动机构是依靠一个交流同步蜗轮减速电动机提供动力，通 过变频器调速，再通过齿轮传动，使工件在夹紧的状态下，通过静摩擦力的 作用随回转支承同步转动。铜座起冷却焊件的作用，以降低焊件的焊接热变 形量。其构成如图2 4 所示。 图2 4带动t 件转动机构 2 2 控制系统的组成及工作原理 根据系统设计要求及产品的焊接工艺性能的要求，各组成元件分别要求 如下： p l c ：具有简单操作、编程、强抗电磁干扰等特点，且支持人机界面 ( h m i ) ： 焊接电源：用于为微束等离子电弧提供能量，其外特性为陡降外特 性，其电流调节范围为o 6 5 0 a ； 机械系统：用于控制齿轮盘：i ：件的央紧松丌及转台的运动，以确保 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 环焊缝焊接过程正常进行； 水冷单元：用于在焊接过程中冷却焊枪，以实现等离子弧的快速焊 接而不烧毁，其功率要求足够大： 焊枪。 由上述硬件组件，其组成示意框图如图2 - 5 所示。 图2 5控制系统硬件组成示意图 根据系统框图，系统设计的工作原理如下：在启动电路总开关合上之后， 闭合焊接电源开关，焊接电源启动，同时水冷单元开始工作。依次选择好焊 枪的工作方式( 双枪单枪) 和焊接控制系统的运行方式( 自动手动) 之后， 将待焊齿轮盘工件放入夹具，启动机械系统对待焊工件进行定位装夹。待焊 工件夹紧完成后，焊接按钮启动，开始焊接。同时，送气装置在焊接程序的 控制下按一定的方式送气，焊接电源主回路也在焊机自带程序的控制下引弧 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 焊接。在焊缝焊完之后，停止按钮合上，则焊接电源根据焊接时序图熄弧， 送气也按一定的方式延时送气直到停止；最后，机械系统带动已焊齿轮盘工 件回位，整个焊接过程结束。 下面是焊接控制系统的电气组成示意图心羽。在p l c 、触摸屏和变频器的 供电线路中，采用了电源滤波器以尽量减少等离子弧焊机引弧及工作时对系 统控制器件的影响。 h c 供电电葛n c 控捌电路捷解供屯电麝麦叛暑供电电路送壁机组供电电路 图2 6控制系统电气组成不慈图 2 2 1p l c 控制单元 1 9 6 8 年，通用汽车提出取代继电器控制装置的要求；1 9 6 9 年，美国数字 设备公司研制出世界第一台p l c ，在通用汽车自动装配线成功试用。p l c 以其 简单易懂、操作方便、可靠性高、灵活通用、体积小、使用寿命长等一系列 优点，很快地全球推广应用。随着集成电路技术和计算机技术的发展，p l c 在不断发展和完善，它正带领人类进入自动化的更高境地乜钊。 1 p l c 机型 控制系统中，作为核心控制单元部件通常是单片机或p l c 。虽然单片机具 有体积分散、价格低廉、设计构件灵活等特点，但是由于单片机在干扰防护， 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 特别是在过程通道干扰防护、场干扰防护和印刷电路板干扰防护方面能力较 差；在光、电、磁及其混合场强干扰的外界条件下，单片机作为核心控制单 元的功能更加容易受影响乜5 吨引。 p l c 的结构与单片机的却不太一样。p l c 在硬件防护上具有屏蔽、滤波、 隔离等措施，在软件上也有多项保护功能；编程简单明了，控制程序有很好 的柔性；采用模块化结构，扩充方便；控制单元的体积小，重量轻等许多优 点幢8 。3 们。因此选用p l c 作为核心控制单元。 k o y o 公司的s h 系歹u p l c 是一种性能价格比较高的整体型p l c ，它为用户提 供了采用传统的梯形图逻辑方法以及k o y o 特有的级式编程方法对一个控制系 统进行开发的能力。该系列p l c 主要有3 个子系列产品：s h 一3 2 ，s h - 4 8 ，s h - 6 4 ； 每种p l c 可带最多1 6 点的扩展模块一个( 或一个模拟量模块) ，这样可组成最 多达8 0 点的系统。本焊接控制系统的控制核心便是采用的s h 一3 2 r 1 型p l c ，该 型号p l c 的主要特点如下： 整体型结构，便于安装、接线； 有较快的处理速度，约3 m s 5 0 0 语； 级式与梯形图语言共用，特别是新的级式指令，使程序更简单； 有循环控制、子程序等控制指令和丰富的数据处理指令； 定时扫描功能，对应特殊、高速处理要求； 具有2 k c p s 的高速计数点2 点，兼作外部中断点，配合使用；可有8 种 工作方式，当只使用一个高速计数器时，计数速度可达5 k c p s ； r u n 中改写程序方式( k e e p 方式) ，在运行中可修改程序； 暂停功能，可控制机械停止时输出的o n o f f 状况； 用户程序容量达2 5 6 0 语，且程序存放采用e e p r o m ，无需后备电池； 编程口兼作通讯口，可实现c c m 协议、无协议通讯； 口令功能，可有效保护程序资源不受侵害； 特殊扩展模块，可拓宽s h 系歹| j p l c 的使用领域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 s h 系歹u p l c 设有一个r s - 2 3 2 通讯口。通过这个通讯口即可与编程器、显示 设定单元通讯，又可与上位机进行通讯。与上位机的通讯又分为c c m 通讯( 下 位机功能) 、a b 型通讯及无协议通讯三种。 当s h 系列p l c 与上位计算机或p l c 连接时，可采用c c m 协议进行通讯，c c m 协议是k o y o 公司的上位机通讯协议，通讯主局( 上位机) 保持通讯的主动权， 子局( s h 系歹u p l c ) 只能响应对其的呼叫。按照c c m 协议传送数据时，主局和 子局之间采用一应一答的方式。 a b 型通讯主要用于s h 系歹u p l c 从上位机接收数据；而采用无协议通讯， s h 系列p l c 即可向外发送数据，又可以从外面接收数据。在本焊接控制系统中， 由于p l c 既要向触摸屏发送数据，又要从触摸屏接收指令，故该系统采用无协 议通讯。 2 输入输出接口模块 i o 模块是c p u 与现场i o 设备之间连接的桥梁。输入模块的作用是接收和 采集现场设备的各种输入信号，比如按钮、数字拨码开关、限位开关、接近 开光、选择开关、光电开关、压力继电器等各种开关量信号和热电偶、电位 器、测速发电机以及各种变送器提供的模拟量输入信号，并将这些信号转换 为c p u 能够接收和处理的数字信号。输出模块的作用是接收经c p u 处理过的数 字信号，并把这些数字信号转换为被控设备所能接收的电压或电流信号，以 控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，或控制指示灯、 数字显示装置和报警装置等设备3 。 p l c 的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备或生 产过程的检测与控制。通过各种输入输出接口模块，p l c 既可以检测到所需 的过程信息，又可将处理后的结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实 现工业生产过程的控制。实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构所 需的电平也是多种多样，而p l c 的c p u 所处理的只能是标准电平，正是通过i 0 接口实现了这种信号电平的转换口别。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 系统选用的s h - 3 2 r 1 型p l c 是一种整体型可编程控制器，采用8 5 v 2 6 0 v 交流供电，1 6 点开关量d c 2 4 v 输入，1 6 点开关量继电器输出，其模拟量的输入 和输出点数根据实际需求，可选用配套的扩展模块。由于p l c 的i o 信号电压 较高，而c p u 模块的工作电压较低，因而从外部引入的尖峰电压和诸如电力线、 电气噪声等各种干扰很可能损坏c p u 模块，使c p u 不能正常工作。为此，该p l c 内部电路与接线端子台( i o 模块) 之间采用了光电隔离的保护方式。 在系统设计时，数字量输出模块的各输出点应尽量做到绝大多数点不同 时输出。同时，仔细考虑负载各自的大概情况。在本系统中，如果选用d c 2 8 v 为外部继电器、接触器、电磁阀等供电，对于电阻性负载，最大消耗电流为 2 a ，最大开关容量为5 6 w ；对于电感性负载，最大消耗电流为0 2 5 a ，最大开 关容量为7 w ；而对系统中总计其功率应在5 6 w 以下。 由于系统回路处于强电、磁场时，仅用光电隔离的输出形式是不够的， 回路中依然会存在着干扰信号。对于这种情况，可以采用屏蔽或电缆隔离的 方式。 在本系统中，由于采用了人机界面的方式，大大减少了输入点的使用； 同时，由于该控制系统属于单一零件的专用焊接设备，且其主要目的是为了 提高生产效率。因此，根据实际需求，充分考虑成本核算，选用了1 6 点输入、 1 6 点输出的可编程控制器。其输入输出点应用如下： 焊接回路中检测水压信号的输入点1 路； 检测编码器脉冲的高速计数输入点1 路； 控制齿轮盘工件装夹定位的输入点共6 路，分别是控制摆动