基于PLC与触摸屏控制的圆弧自动焊接机的设计.pdf

动 化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 0 2 基于P L C与触摸屏控制的圆弧自动焊接机的设计 王 开 ，刘 美 ，贵少辉 ‘ ，梁兴华 1 ． 茂名职业技术学院， 广东茂名 5 2 5 0 0 0 ；2 ． 广东石油化工学院，广东茂名 5 2 5 0 0 0 ； 3 ． 茂名全球水塔有限公司， 广东茂名 5 2 5 0 0 0 摘要针对某厂法兰接口焊接的缺陷，提出基于P L C 与触摸屏控制的圆弧自动焊接机解决方案，改善生产环境 、 提高生产效 率、降低生产成本，达到环保、高效、节能的效果，提高企业的经济效益。 关键词P L C ；触摸屏；步进电机；开环控制 ；自 动焊接机 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 40 8 0 0 0 40 4 De s i g n o f t h e Ci r c u l a r Ar c Au t o ma t i c W e l d i n g M a c h i n e Ba s e d o n PLC a n d To u c h S c r e e n WANG K a i ，L I U Me i ，B EN S h a o h u i 。L I ANG Xi n g h u a 1 ． Ma o mi n g Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e，Ma o mi n g 5 2 5 0 0 0，Ch i n a ；2 ． Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f P e t r o c h e mi c a l T e c h n o l o g y ，Ma o mi n g 5 2 5 0 0 0 ，C h i n a ；3 ． Ma o m i n g G l o b a l Wa t e r T o w e r C o ． ， L t d ． ，Ma o mi n g 5 2 5 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e d e f e c t s o f a f a c t o r y fla n g e i n t e r f a c e we l d i n g， t h e s o l u t i o n s b a s e d o n t h e P L C a n d t o u c h s c r e e n c o n t r o l c i r c u l a r a r c a u t o ma t i c we l d i n g ma c h i n e i s p r o p o s e d，T h e n e w a u t o ma t i c we l d i n g ma c h i n e c a n i mp r o v e t h e p r o d u c t i o n e n v i ron me n t a n d p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y， a n d a l s o c a n r e d u c e p r o du c t i o n c o s t s ， a c h i e v e h i g h e f fic i e n c y， e n e r g y s a v i n g， e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n e f f e c t ．I t i s s i g n i fic a nt f o r i mp r o v i n g t h e e c o n o mi c b e ne fi t o f t h e e n t e r p r i s e ． Ke y wor d s PL C； t o u c h s c r e e n；s t e p mo t o r ； o p e n l o o p c o n t r o l ； a u t o ma t i c we l d i n g ma c h i n e 0引言 焊接是制造业一种重要的加工方法。某厂专 业生产各类不锈钢水塔、水塔配套设备、不锈钢 制品 、水 暖器材等 ，其主要产品不锈钢水塔 的进 出水口的焊接要依靠人工作业 ，焊接的工艺与焊 工的水平有关，生产效率低，劳动强度大，焊接 质量的稳定性差 It】 ，一等品通过率不高，每焊接 一 个接 口要 5 分钟 ，焊接时引弧 电流达 2 0 0 A。本 文提 出基于 P L C与触摸屏控制的圆形 自动焊接机 解决方案，自动完成不锈钢水塔圆形出水口的焊 接过程，不仅提高生产效率、降低生产成本 ，同 时也改善生产环境，减少在焊接过程中对工人身 体特别是眼睛的伤害。 1自动焊接机控制要求 自动焊接机工作过程主要有焊枪下降与工件 2 0 1 3 年茂名市科技计划项 目 编号茂科字[ 2 0 1 3 1 3 2 号 收稿 日期 2 0 1 40 62 4 定位、工件焊接过程定位和焊枪复位三个步骤 ， 从而实现对圆形工件 自动焊接，其机械部件的结 构和工作控制过程如 图 1 所示 。其 中控制系统 主 要有气缸和步进电机两个动力源 ，分别控制着工 件定位与焊枪下降上升、焊枪水平方向的旋转定 位等 。焊枪的水平方 向的运动采用主从齿轮联动 结构 ，其中主齿轮3 0 个齿 ，从齿轮 1 9 2 个齿 。 其工作过程如下 自动焊接机有手动和 自动 两种工作方式 ，两种工作方式都是在触摸屏上进 行操作。如果是选择 自动工作方式且初次启动， 首先 ，按 回原点按钮 ，焊枪与工件定位组件上 升，步进电机逆时转动，使焊枪复位，然后按下 启动按钮 ，气阀伸出，焊枪与工件定位组件下 降，延时后启动焊枪进行焊接，同时，启动步进 电机按设定 的角度和速度顺时针方向旋转 ，当到 王 开 等基才P L C 与触摸屏控制的圆弧自 动焊接机的设计 工业自 达指定的角度后步进 电机停止焊枪延时收弧 ，气 阀复位，焊枪与工件定位组件上升 ，完成一个工 件焊接 过程 。当再次放上 工件并按下启动按钮 ， 重复上述过程，只是步进电机逆时针转动。如果 选用手动操作 ，每按下触摸屏上的手动按钮 ，则 系统启动相应的动作。 图 1 自动焊接机工作过程原理图 2工件焊接过程定位 系统设计 工件焊接过程中的关键是焊枪的速度控制和 位置定位 ，常用的控制系统有步进电机开环控制 系统和闭环伺服控制系统 。步进电机开环控制系 统如图 2 所示。控制信号由P L C产生 ，P L C输出一 定数量 、频率 的脉冲信号 ，经 驱动器分配放大 ， 输出两相功率脉冲信号给步进电机，带动负载以 一 定的转速运动 ，当停止控制脉冲信号时负载也 停止，从而实现通过脉冲控制负载转速和位置的 效果 。本 系统具有结构简单 ，系统稳定性好 的特 点l2 】 。 ．1 2囤一 圃一 圈 P I l I l I l I 图2开环控制系统 闭环伺服控制系统如图3 所示 [3 1 ，其控制单 元包括位置控制器 、速度控制器 、电流控制器和 功率放大器等。伺服驱动器均采用数字信号处理 器 D S P 作 为控 制核心 ，其优点是可 以实现 比 较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能 化 。功率器件普遍采用以智能功率模块 I P M 为核心设计的驱动电路 ，I P M内部集成了驱动电 路 ，同时具有过 电压 、过 电流 、过热 、欠压等故 障检测保护电路 【4 ] 。闭环伺服控制突出优点是由 于采用了负反馈，因而被控制量对于外部扰动或 系统 内部变化所引起的偏差能 自动消除 ，具有抑 制干扰 的能力 ，对元件特性变化不敏感 ，并能改 善系统的响应 ，具有精度高的特性。但反馈回路 的引入检测 、反馈 比较等环节 ，增加 了系统的复 杂性 ，成本增加，而且增益选择不当时会引起系 统的不稳定 【 2 J 。 图3 闭环伺服控制原理图 综全考虑控制的要求和制造成本，本设计采 用步进 电机开环控制系统 ，步进电机选用 日本多 摩川 T S 3 6 8 4 N1 1 2 E 3 0 ，步距角为 1 ． 8 。，即在无细 分的备件下 2 0 0 个脉冲电动机转一圈。步进电机 驱动器选用 日本乐兹 R D 一 0 2 3 MS A ，设置细分为 1 0 0 0 0 步／ 转 ，焊枪旋转 l 。 需要的脉冲数计算如 下 因为焊枪的水平运动主齿轮 3 O 个齿 ，从齿轮 1 9 2 个齿 ，驱动器细分为 1 0 0 0 0 步／ 转 ，所 以焊枪 的旋转 l 周的脉冲数为 1 00 0 06 40 00， 焊枪旋转1 。 需要的脉冲数为 _1 7 8 。 对控制器 P L C的选型主要考虑控制系统对 P L C的处理速度是否满足实时控制的要求 和外 围 设备的需要 [5】 ，本控制系统控制较为简单、外围 设备较少 ，主要是要输出频率较高的脉冲信号 ， 因此 ，P L C选用三菱 F X 1 S 一 1 4 M T P L C作为控制 器 ，可满足系统的控制要求。自动焊接机的P L C 控制系统接线原理图如图4 所示 ，图 5 为步进电机 与驱动器接线图。步进电机驱动器时钟脉冲输入 和旋转方向输入端子选择 1 C K 输人，即C L K 和 C L K 一 输入脉冲信号 ，控制步进电机的转速和位 ． 工 - 业自 动化 移，U D 和U D 一 输人方向信号 ，没有电流输入时 为正转，有电流输入时为逆转。P L C的Y 0 向步进 电机驱动器 C L K 一 端输出脉冲信号，Y1 向驱动器 U D 一 端输出正反转的方向信号。 停止按钮 启动按钮 点动按钮 庶点开关 气缸麓国 俺感纛 眇一 x t Y 5 手 动 指 示 ， 塑 ≯ X 3 - 自 动 指 示 j 翌 ≯ H X 2 T 3 _ _ { 1 鏊 馘 ／ X l L J l B l 他 ， 控 制 电 蜱 I L J 井 关 X 0 oo 破 C 0 1 1 Y I 捌驱动罄 切 H C O I l 翻驱动蠢口 12a y Y 0 L O O 啪 F g l s -1 4 1 iT 2 4 图4 P L C 控制系统接线原理图 瓤卜0 2 啊t S A D c c L x D c ．C L l r - 巩件 珊 卜 - 互 B B 图5 步进电机与驱动器接线图 3系统软件设计 根据圆形钢桶出水口焊接工艺过程和工作要 求，设置自动和手动两种工作方式。自动方式流 程为按启动按钮 ，焊枪 与工件定位焊接 转动焊枪一周后延时收弧焊枪复位 ，完 成一个工件焊接过程。手动方式主要是单步控制 自动焊接机每一步，主要作用是在 自动焊接过程 中 ，如果发现某些工艺参数需要调整 ，可以暂时 停止焊接，切换到手动方式进行参数调整 [6 1 ，或 对不合格产品进行补焊。程序结构也由手动控制 和自动焊接两部分组成。手动方式用梯形图进行 编程 ，梯形图内容还包括初始设置 、方式选择 和 脉冲输出等，程序如图6 所示。其中，4 3 步和4 5 9 9 1 02 1 l O I 8 o o 2 l I ． 一 I I L Ⅳ■“ 0 0 5 1 0 1 1 2 I l I I l ，一 l I l l I ． rI I B 0 o 2 I l I l 0 0 5 I l 叶 贰珂 X ‘ l l l I ]I l I I I ∞ I 卜 1 R s T ； 1l 2 J 1 1 2 I I Y o o 5 I 2 I I I I ⋯ 1广 I 3 I I r ～ I I L 一‘ I ‘ l l I5 l I 6 一I I7 I I _ l 5 鼍 i 1 1 1 l I I I ’ ， ]I ， I l 、 I l 7 卜 Y o o l 卜 _ I l e I I I l I l 卜 _ I8o oo I l I I ⋯。 ⋯ I l ‘ l I r I⋯ ]I L ⋯⋯ y_ Il 5 卜 _ - 1 1 6 卜 - _ I l 7 卜 12 1 卜 图6 手动控制梯形图 给栅懂 事动标卷 绘囊度 自动标忠 自动启动 停止 孚动操律 方 f 控制 焊接控制 角度转换 为脉冲披 脉冲输 出 步所在行为手动／ 自 动方式选择控制 删 。自动焊接 过程的和手动焊接过程要实现互锁。 自动方式用S F C 顺序功能图进行编程，如图7 所示 。程序包括 自动焊接过程控制和回原点控 制 ，这部分是选择分支结构，两者只能选择其 一 。刚开机时 ，初次选择 自动模式必须进行 回原 禚 玉宝F A N U C数控机床返回参考点常见故障的诊断与分析 加工技术与 3 编码器故障 在机床返 回参考点方式 中，重要部件就是增 量式 或绝对式 编码器 。在 F A N U C 0 i 系统伺 服 电 机尾部的编码器是串行脉冲编码器，它不能使用 传统的仪器检测，应尽可能使用系统提供的故障 诊断信息和部件互换法进行故障诊断。在编码器 返回参考点过程中，常见故障就是编码器零位信 号丢失或器件故障，要注意避免振动和减少油污 等 。 4 其他故障 编码器是低电压弱电信号器件 ，难免会受到 周围干扰 ，增量式编码器受到干扰就会 出现多次 返回参考点重复位置精度差的故障。绝对式编码 器同样会受到干扰出现零点信号丢失的情况。所 以反馈 电缆必须要采取屏蔽 以及抗干扰措施 ，反 馈 电缆也不能与动力 电缆捆扎在一起 。产生这一 故障除了干扰的原因外与机床轴向的连接及间隙 关系很大，也需要一并排除。 4 结束语 由上所述 ，数控机床 回参考点故障不论是 出 现哪种情况，都需要仔细分析，重点应对。有报 警发生的故障，根据报警内容的提示进行诊断和 排除。没有报警的故障，容易造成零件的成批报 废 ，更需要引起足够的警惕和重视。必须要熟知 回参考点的控制原理以及常用的检i 贝 0 方法 ，根据 故障现象的分析 ，汇总成因，确定合理的诊断与 检测步骤，以便能够使故障得到迅速排除。 参考文献 [ 1 ]F A N U C ． F A N U C S e r i e s 0 i MO D E L C ／ O i Ma t e MO D E L C ． 维修说明书 [ z ]． 2 0 0 7 ． [ 2 ]F A N U C ． F AN U C S e r i e s 0 i MO D E L D ／ O i Ma t e MO D E L D ． 维修说明书 f Z ]． 2 0 1 1 ． 第一作者简 介 禚玉 宝 ，男 ，1 9 7 4 年生 ，山东滨 州人 ，大 学本科 ，高级工程师。研究领域数控机床及全 自动生产 线的维护与维修。 编辑 向飞 上接 第7页 组态软件 E a s y B u i l d e r 5 0 0 设计的欢迎进入 、启动操 作和参数设置三个界面如图8 、图9 、图 1 0 所示。 5结论语 应用 P L C和触摸屏等新技术设计制作 的不锈 钢水塔进出水 口圆形焊接机，经调试使用，性能 稳定 、操作简单 ，在效率、节能 、环保等方面取 得较好的效果 ，焊接能力 由原来手工焊接 的 1 个／ 5分钟提 高到 1 个／ 1 分 钟 内 ，引弧 电流 由电手 工 焊接 的 2 0 0 A降低 到 1 O A以下 。同时 ，产品的一 等品率由过去的9 3 ％提高到9 9 ．5 ％，每个水箱生 产成 本 降低 2 ． 5 元 ，每年 可节 约成 本 约 5万元 ， 水塔年生产能力从原来 的2 万个／ 年增加到 3 万个／ 年 ，可新增产值约 6 0 0 万元 ，提高企业 的经济效 益 。 参考文献 [ 1 ]王健强 ，桂 贵生． 四 坐标 自动焊接机 的 C N C系统 [ J ]． 合肥工业大学学报 自然科学版 ，1 9 9 8 0 3 66 -70． [ 2 ]肖安，扬向宇． 自动控制 系统及应用 [ M]． 北京清 华大学出版社，2 0 0 6 ． [ 3 ]王海祥，高峰． 基 于P L C及伺服系统的剪板机的控制 系统 设 计[ J ]． 制 造 业 自动 化 ，2 0 1 2 1 2下 l 1 5 - 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