軋輥等離子弧粉末堆焊設備研究

陽海波，潘厚宏，張大向，楊 建

(西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031)

軋輥等離子弧粉末堆焊設備研究

陽海波，潘厚宏，張大向，楊 建

(西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031)

軋輥的等離子弧粉末堆焊修復方式具有質量高、修復周期短等優點，應實際生產的需求，研制了一臺等離子弧粉末堆焊設備。詳細闡述了該設備的控制過程和原理、硬件組成及其控制程序流程設計。該設備以PLC為控制核心，輔以觸摸屏進行堆焊參數的設置和修改，并實時顯示堆焊過程中的參數狀態；為了讓焊炬具有快速擺動和精確定位的功能，以保證堆焊質量，在設備的焊炬擺動系統中用伺服系統替換常用的步進驅動系統。實踐證明，使用該設備進行軋輥的等離子弧粉末堆焊，能夠獲得較好的堆焊效果。

軋輥；等離子弧；堆焊；伺服系統

0 前言

軋輥是軋機上的重要零件，利用一對或一組軋輥滾動時產生的壓力來軋碾鋼材，它主要受軋制時的動靜載荷、磨損和溫度變化的影響。我國軋制材料供應不足、價格較高，一旦軋輥表面磨損失效，整個軋輥將報廢，會造成很大的浪費[1]。目前，軋輥因磨損需要修復時多采用車削或磨削方式來修正輥型。這種方式對提高軋輥壽命的意義不大，只是一種“補救措施”。采用軋輥表面修復與強化的熱處理技術已成為延長軋輥壽命的主要發展方向和途徑，該技術不僅可以修復軋輥，還可以提高軋輥的耐磨性，延長軋輥的使用壽命，改善鋼材的表面質量，具有明顯的經濟效益[1-2]。軋輥表面有多種修復強化技術，等離子弧粉末堆焊便是應用較為廣泛和成功的方法之一。

等離子弧粉末堆焊是利用等離子弧作熱源，以合金粉末為填充材料，將填充金屬熔敷在基體表面的堆焊工藝。其目的是使材料或零部件表面獲得耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等具有特殊使用性能的堆焊熔敷層。它具有稀釋率低、成形好、工藝穩定和自動化程度高等特點[3-5]。采用等離子弧粉末堆焊技術對軋輥進行修復，已成為我國軋鋼企業降低成本、提高效益的重要舉措之一。

軋輥堆焊設備的性能對堆焊質量具有決定性的影響。應生產實際需要，研制了一臺基于PLC和觸摸屏的軋輥等離子弧粉末堆焊設備。下面對該設備的組成、控制原理、控制系統硬件和軟件進行了闡述和分析。

1 設備組成

該設備由控制系統、堆焊電源和機械系統三部分組成。控制系統主要用于控制焊炬與軋輥的相對位置和實現等離子弧堆焊時序；堆焊電源為堆焊提供熱源，使用了一臺200 A電源和一臺400 A電源，分別用于非轉移弧和轉移弧；機械系統由操作架和車床兩部分組成，操作架如圖1左上部分所示，用于控制系統調整焊炬位置，車床用于軋輥的裝卡和固定，在堆焊過程中帶動軋輥作勻速圓周運動，其結構如圖1右下部分所示。

圖1 機構示意

2 堆焊過程和原理

2.1 操作方式

設備有手動和自動兩種操作方式。手動方式用于自動堆焊前調整焊槍和軋輥的相對位置，自動方式用于自動堆焊過程。自動堆焊又有兩種方式：圓周焊和螺旋焊。采用圓周焊時，每焊完一圈，焊炬沿軋輥軸向進行一次換道，換道距離為(B-d)mm(B為焊炬的擺動寬度，d為搭接寬度)；采用螺旋焊時，焊炬沿軋輥軸向作連續的移動，軋輥轉完一圈時，焊炬的移動距離也為(B-d)mm。

2.2 堆焊過程和原理

設備的自動堆焊過程由焊炬擺動、軋輥轉動和焊炬移動(換道)三部分運動協同完成。

焊炬的擺動是由PLC向伺服系統發出的帶有方向信號的脈沖驅動伺服電機，再通過滾珠絲桿副帶著焊炬做周期性擺動。伺服電機的角位移和轉速分別由脈沖的數量和頻率決定，其轉向由方向信號進行控制。轉動過程中，伺服電機自帶的編碼器會將反饋信號與目標值進行比較，調整轉子的角位移。伺服系統的精度取決于編碼器的分辨率。

軋輥的轉動通過車床電機的驅動來完成。當堆焊速度確定后，從觸摸屏輸入軋輥的外徑，控制程序會計算出對應的電機轉速，該轉速信號為數字量，經D／A模塊轉換成模擬量后進行控制。車床電機轉動時，轉軸上的旋轉編碼器會向PLC輸出電脈沖信號。

焊炬沿軋輥軸向的移動則是由橫梁電機驅動滾珠絲杠副來完成。采用圓周焊時，PLC的高速計數器接收來自車床電機旋轉編碼器的脈沖信號，達到設定值時，PLC向橫梁電機輸出脈沖，使焊炬沿軋輥軸向進行一次換道；采用螺旋焊時，PLC的高速計數器不接收來自旋轉編碼器的脈沖信號，橫梁電機轉動所需的脈沖信號直接由PLC的控制程序根據擺寬和焊速計算后輸出。

3 控制系統硬件設計

3.1 控制系統硬件構成

本設備控制系統的主要硬件單元是PLC、觸摸屏、變頻器、伺服放大器等。控制系統的構成如圖2所示，PLC通過變頻器、伺服放大器和步進驅動器分別控制車床電機、擺動電機和橫梁電機；通過繼電器或接觸器控制立柱電機、機頭升降電機、拖板電機、送粉電機、氣閥和堆焊電源等；觸摸屏用于設置和修改焊接參數，并實時顯示堆焊時的相關參數狀態。

作為控制系統的核心，PLC選用三菱公司的FX3U-48MT／ES可編程控制器。FX3U系列PLC可以看作是FX2N系列的改進版，主要表現為可從通用輸出(Y000～Y002)輸出最大100 kHz的開集電極方式的脈沖串，來同時控制3軸的伺服電機或步進電機。處理速度更快，擴展寄存器點數多，內置程序容量更大，而且通信功能也有了較大的提高。

變頻器采用LG公司的SV004iG5-2變頻器。它屬于小型經濟型變頻器，性價比高；采用V／F空間矢量PWM技術；內置RS-485，PID控制；有3個多功能輸入和1個多功能輸出；內置制動單元，具有手動／自動轉矩補償功能。

為了使焊炬具有快速擺動和精確定位的特點，進而提高堆焊質量，擺動機構用伺服電機代替常用的步進電機，采用三菱公司的MR-J2S系列伺服系統。其特點是對應伺服電機的編碼器采用了分辨率為131 072脈沖／轉的絕對位置編碼器，因而具有很高的控制精度。此外，只要在伺服放大器上另加電池，就能構成絕對位置系統，在原點經過設置后，當電源投入使用時或發生報警后，不需要再次原點復歸也能繼續工作。

圖2 控制系統構成

3.2 PLC的I／O分配

在確定設備工作時的控制流程和工藝要求后，分析控制系統所需要的輸入和輸出信號，然后對PLC的I／O進行合理分配。由于配以觸摸屏對設備進行控制，所以凡是在觸摸屏上已經設置有虛擬控制圖符的輸入均可以不在I／O分配表中列出。本設備PLC的I／O分配情況如表1所示。

3.3 信號提取電路的設計

在各種輸入信號電路中，有些直接通過接線就能完成，比如限位開關信號電路，相對比較簡單；有些則需要根據情況自行設計，如非轉移弧和轉移弧建立信號的提取電路等，下面以提取轉移弧建立信號的硬件電路設計為例進行闡述。如圖3所示，該電路通過霍爾電流傳感器檢測轉移弧電流，輸出一個電流信號，通過采樣電路將其轉換成電壓信號后輸入到電壓跟隨器的同相端，該電壓信號與電流信號成正比關系，電壓比較器的同相端電壓也與該電流信號成正比關系。隨著電流信號的增大，電壓比較器的同相端電壓也不斷增大，當電壓比較器的同相端電壓小于其反相端電壓時，比較器輸出低電平，此時三極管截止；當同相端電壓大于反相端電壓時，比較器輸出高電平，三極管導通，使繼電器閉合，從而獲取所需的轉移弧建立信號(X27)。

表1 PLC輸入輸出分配表

圖3 轉移弧建立信號提取電路

3.4 硬件電氣接線

各器件單元安裝好后要進行電氣接線，其中PLC與變頻器、步進驅動器等的接線較少，接法較簡單，根據I／O分配表并參照相關使用說明書進行接線即可。而PLC與伺服放大器的接線相對復雜，易弄混，本設備的伺服系統采用絕對位置控制模式，現給出其相關端子的接線，如圖4所示。

4 控制程序編制

設備的控制程序采用模塊化的方式進行設計，分為四個部分：初始化程序模塊、手動控制程序模塊、自動控制程序模塊和公共程序模塊。初始化模塊實現控制系統的上電復位、置初始狀態等；手動模塊用于焊前調整軋輥和焊槍的相對位置；自動模塊用于控制軋輥的堆焊過程；公共模塊用于實現公共數據的PID運算、D／A轉換等。現以自動控制模塊程序的編寫為例對控制系統的程序編寫進行闡述。先根據工藝流程繪制自動控制程序的流程圖，如圖5所示，在是否選擇圓周焊時，如果選擇了N，則自動堆焊所選用的方式為螺旋焊；然后根據程序流程圖，結合I／O分配表和其他工藝要求用梯形圖的形式進行程序編寫，圖6為自動控制程序的部分梯形圖。

圖4 PLC與伺服放大器接線

5 結論

采用等離子弧粉末堆焊方式對軋輥進行表面修復，具有效益好、質量高和修復周期短等優點。所研制的等離子弧粉末堆焊設備具有圓周焊和螺旋焊兩種堆焊方式，增加了實際操作的可選擇性。該設備已在實際生產中得到應用，堆焊效果良好。

圖5 自動焊程序流程

圖6 自動控制程序部分梯形圖

[1]孫桂芳，劉常升，陳歲元，等.軋輥的失效及其修復技術[J].材料導報，2007，21(6)：100-103.

[2]宋 陽，朱世根，渠 彬，等.軋輥表面修復與強化的技術途徑[J].機械設計與制造，2005(8)：113-115.

[4]李亞江，張永喜，王 娟.焊接修復技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

[5]王鑫洪，鄒增大，曲仕堯.表面熔融凝固強化技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

Research on the equipment of the plasma arc powder surfacing for roller

YANG Hai-bo，PAN Hou-hong，ZHANG Da-xiang，YANG Jian
(School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The repair method of plasma arc powder surfacing for roller has the advantages of high quality，short repair cycle and so on.The equipment for plasma arc powder surfacing is developed responded to the actual production requirement.This paper expatiates on the control process and principle，the composition of hardware and the design of the control program flow.PLC is the core of this device，supplemented by the touch screen to set and modify the welding parameters and display the state of welding process parameters.In order to make the welding torch have the capabilities of oscillating quickly and positioning accurately to ensure the welding quality，a servo system is used instead of the stepper drive system commonly used in the oscillating system.Practice has proved that good welding effect can be achieved with this equipment during the factual production.

roller；plasma arc；surfacing；servo system

TG455

A

1001-2303(2011)09-0068-04

2010-07-15

陽海波(1982—)，男，廣西臨桂人，碩士，主要從事焊接過程控制及自動化方面的研究工作。