汽車傳動軸專用焊接設備的研制

張永波，石寶傳

(1.日照職業技術學院機電工程學院，山東日照276826；2.日照市工業學校，山東 日照262300)

汽車傳動軸專用焊接設備的研制

張永波1，石寶傳2

(1.日照職業技術學院機電工程學院，山東日照276826；2.日照市工業學校，山東 日照262300)

為解決汽車傳動軸制造過程中的焊接質量和焊接效率問題，開發了基于PLC控制的汽車傳動軸專用焊接設備。結合該設備技術要求、主要參數、工作原理和汽車傳動軸焊接工藝要求，給出了其控制系統的硬件設計、軟件設計流程和PLC梯形圖程序。該汽車傳動軸專用焊接設備能夠通過控制系統對焊接過程進行實時控制，保證焊接后傳動軸達到預定的質量要求，同時大大提高了傳動軸的焊接效率。通過修改控制程序的設定參數，可以適用不同型號的傳動軸焊接，提高了該設備的適應性。

汽車傳動軸；PLC；焊接設備

0 前言

傳動軸作為汽車的重要零部件，在汽車中占有了重要的位置。傳動軸的制造工藝和加工質量體現了汽車零部件的生產能力。我國汽車零部件的加工設備正逐步采用專業自動線生產設備代替手工生產，目前我國傳動軸已經采用半自動化流水線設備，由于自動化程度不高，工藝繁瑣，所以迫切需要研發高精度的專業傳動軸生產設備，加快傳動軸設備研制和技術改造對改變我國零部件的生產現狀有重要意義[1]。

1 主要技術參數

主要技術參數：額定電壓380 V(三相)；額定功率54 kW；焊接電流60～350 A；焊接電壓17～31 V；焊槍行走速度0.1～10 mm／min；夾具旋轉角度360°；壓縮空氣0.4～0.6 MPa。

2 專用焊接設備的組成和原理

汽車傳動軸專用焊接設備由六部分組成：定位驅動機構、焊槍固定調整機構、焊接電源和送絲裝置、CO2氣源和氣體調制器、變頻和測控系統。

(1)定位驅動機構。驅動機構由電機(2S110Q)、諧波減速器(XB01-80-200)、齒輪Z1、齒輪Z2、主軸、卡盤組成。諧波減速器體積小，速比大，精度高。經諧波減速后輸出轉速7 r／min，滿足低速長時間驅動的要求，對空心傳動軸和長花鍵軸采用卡盤加尾架的定位方式，即可保證旋轉精度的要求。

(2)焊槍固定調整機構。固定焊槍，實現焊槍的多向進給與調整。同時實現多向角度調整，調整后可快速鎖緊，焊接位置對焊接質量影響較大。采用對刀輔具來輔助人工對刀，實現快速對刀。

(3)焊接電源和送絲裝置。用松下YM-350KR1YTA型CO2氣體保護焊機和相應的YW-35KB1YTA型送絲裝置。

(4)CO2氣源和氣體調制器。為保證焊接質量，CO2氣體需經過預熱干燥處理且保持穩定壓力。

(5)變頻和控制系統。采用臺達VFD-A／230V／18.5kW變頻器，實現0～7 r／min的無級調速，滿足長時間低速驅動的要求，并且結構緊湊、可靠。通過PLC監控焊接電源、送絲裝置、氣體調制器等焊接工藝參數條件，如出現異常時則報警、停機[2]。

焊機機械結構如圖1所示。首先根據工件位置正確設置焊槍對刀位置，將工件中部大件放在工件支架上，然后將工件兩端部分通過止口定位安裝到工件中間部位，使工件處于定位位置，此時設備處于焊接準備狀態，按下工件夾緊按鍵夾緊工件，按下起動按鍵，程序開始運行，工件在汽缸作用下提升至焊接位置，工件旋轉→焊接→工件停止焊接→汽缸下行→卸件，一個循環完成。焊接工作現場如圖2所示。

圖1 焊機機械結構

圖2 焊接工作狀態

3 控制系統構成

選用臺達公司的可編程控制器為控制核心，其輸入點16點、輸出點8點，輸出類型為繼電器輸出，可滿足通斷交流或直流負載。以10.4寸A970為顯示終端，中間加以光電耦合、電子感應傳感器等來實現焊接過程的自動化控制，控制部分的設計為手動、自動工作等操作方式[3-4]。

手動方式主要供系統調試和設備維修時使用，通過控制臺臺板上的手動控制按鈕可分別操作各工序單獨運行，另設計有部分指示信號燈。整個系統的輸入信號為數字量和模擬量，輸出負載信號均為數字量，分負載信號和指示信號兩部分。輸入、輸出接口分配如表1所示，PLC控制原理如圖3所示。

表1 PLC輸入、輸出接口分配表

工件定位過程中要完成上、下方向的運動；夾緊過程工作臺沿機床導軌在水平方向的平動、焊接過程工件在水平面內的旋轉運動，均由交流伺服電機通過伺服驅動模塊和CNC輸出點相連，實現控制系統的控制指令所要求的動作過程。

控制過程所需要的工件位置信號和機床狀態信號是由位置檢測元件產生，使用了光電傳感器、限位開關、接近開關，分別用于工件的檢測，軸向限位和定位。它們分別通過接口電路和PLC輸入點相連，從而將各自的信號傳輸到PLC，作為控制的輸入信號。

焊接加工過程所需要的焊接電源和相應的送絲機構都有直接的遠程控制接口。可以通過接口電路接至PLC輸出點。使控制系統可對起弧、熄弧、電流切換等過程進行控制。

實際電路中，由于輸出點的負載能力較弱，故采用繼電器輸出。其負載能力取決于繼電器觸點的輸出能力；同時繼電器輸出可將控制電路和外圍功率驅動電路分離，實現電氣隔離。此外，輸出電路中接入發光二極管用于顯示輸出點是否有輸出信號。

圖3 PLC控制原理

4 系統軟件部分設計

4.1 PLC控制梯形圖

PLC控制的梯形圖如圖4所示。

4.2 系統軟件通信協議的設定

PLC采用的通信格式如表2所示。

表2 PLC通信協議

最終的絕對數據PM通過表3中的公式求出。驅動器的設置與串行模塊的設置必須嚴格遵守上述通信格式，才能保證通信數據的正確傳輸。

表3 絕對數據換算

軟件部分設計主要涉及帶動旋轉部分的電機轉速的調節。

4.3 控制系統軟件的整體設計

焊接過程控制主程序具體執行如下(以一次焊接的全過程來描述各組成部分的動作)：

(1)數據設定。操作人員首先根據焊接工藝技術人員擬訂的焊接參數輸入，主要有焊接電流、電壓、焊接速度。通過TD400的數據輸入按鍵，以數字方式輸入，按下數據確認鍵后，數據通過TD400與S7-200PLC之間設定好的交換速率送入PLC程序指定數據變量。

(2)引弧。在起動焊接之前，通過操作鍵盤的功能按鈕調整好焊接機頭的位置和焊絲的伸出長度。在按下起動按鈕2 s后，程序起動，首先送出焊接電流給定和焊機電源起動指令，以及焊接引弧電壓給定，一般要求焊機輸出大于45 V；同時起動直流電機，按照設定的焊接速度，以一個固定的送絲速度(稱為引弧送絲速度，速度很低)送出焊絲。

(3)焊接過程。引弧成功后進入正常焊接。PLC通過電流傳感器檢測焊接電流，當焊絲與工件開始接觸短路時，該電流被檢測到，如果電流大于設定的引弧判斷電流閾值，認為此時電弧已經點燃，應快速進入自動調節送絲方式，以便維持電弧。通過電流判斷，調用自動焊接子程序，起動定時中斷，將送絲速度的調整由PID調節器調節。此時，PID程序不斷讀入焊接電壓，并與事先輸入的焊接電壓做PID運算，輸出的計算量作為送絲的位置給定。直流電機閉環控制開始作用，當焊接電壓因某種原因升高時，PLC系統會加快送絲速度，減少焊絲與工件之間的距離，在一定環境條件下，電弧電壓與電弧長度成正比，從而降低了電弧電壓。在這種動態的調整過程中，焊接電壓保持穩定，焊接電流的穩定則依賴于焊接電源本身的恒電流(降特性)來實現。

(4)焊接結束。當兩道焊縫完成后，按下停止按鈕，PLC首先停止送絲和前進動作，此時，焊絲尚與工件有粘連，延時2 s后，焊接電流將焊絲熔化，斷開，停止焊接電源的輸出，電弧熄滅。調整機頭的位置，進行下一次焊接。

圖4 PLC控制梯形圖

4.4 軟件程序框圖

整個焊接過程的軟件程序流程如圖5所示。

4.5 步進電機控制方案

圖5 程序流程框圖

在定位移動過程中，為了保證定位精度則要降低速度，即定位過程分為粗定位和精定位兩個階段。實現上述過程可以使步進電機的脈沖頻率相同，而脈沖當量不同，但這種方法需要兩套變速機構。為了減少硬件設備，同時考慮步進電機的起動是一個加速過程，為了維護電機及其驅動設備，要求驅動脈沖頻率線性增加，本系統采用脈沖當量不變，改變脈沖頻率的方法。臺達系列的PLC具有高速脈沖輸出功能，由于在起動和定位移動過程中PLC要輸出一定數量的多串脈沖，因此采用PTO(高速脈沖輸出)的多段管線方式。多段管線方式，即一次設定多段脈沖的屬性，屬性存儲在V存儲器的包絡表中。PTO開始工作后，CPU自動從V存儲器區的包絡表中讀出每個脈沖串的特性。相關的參數可由下式計算

5 結論

(1)焊接質量好。自動焊接裝置實現了工件與焊接工藝相適應的最佳轉速。工作前PLC對工件轉速、焊接工藝條件進行自動查找，檢測工件旋轉精度、保護氣體溫度，工作時監控焊接狀態，避免了人為因素對焊接質量的影響。

(2)生產效率高。采用自動送絲方式，生產效率為焊條電弧焊的2～3倍；對刀簡便，對刀一次可實現同工序零件一個批次的焊接。

(3)適應性好。適當改造夾具和調整軟件參數后可適應其他軸類零件的自動焊接。

[1]高慧輝.傳動軸壓入焊接專機受力變形和精度分析[D].上海：上海大學，2008.

[2]侯運豐，龔 俊.機車傳動軸系列零件自動焊接裝置[J].甘肅工業大學學報，2003，29(9)：47-48.

[3]侯志勇，吳建遠.PLC在環縫焊接裝置中的應用[J].電焊機，2003，33(8)：43-45.

[4]張永波，岳德梅，葛均收.基于PLC控制的自動環縫焊機[J].電焊機，2010，40(9)：54-56.

Development of automobile drive shafts welding device

ZHANG Yong-bo1，SHI Bao-chuan2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Rizhao Polytechnic College，Rizhao 276826，China；2.Rizhao Polytechnical School，Rizhao 262300，China)

To solve the quality and efficiency problem on automobile drive shafts manufacturing process，special welding machine based on PLC was researched and developed.The hardware，software and PLC ladder program of this machine were designed on the combination of its technical requirements，main technical parameters，operating principle，and drive shafts welding technological requirements.Real-time control on welding process through the control system of this machine assures the quality of work piece，and greatly improves the welding efficiency.The setting parameters of the control system can be changed to meet the different welding requirements.High automation and flexibility in welding process are obtained with this machine.

automobile drive shafts；PLC；welding equipment

TG409

B

1001-2303(2011)05-0036-05

2010-11-15

張永波(1973—)，男，山東日照人，講師，碩士，主要從事機械設計制造及自動化研究工作。