中部槽自動焊接設備的研制

鮑超，張軍，白立來，李強

(北京工業大學機械工程及應用電子技術學院，北京100124)

中部槽自動焊接設備的研制

鮑超，張軍，白立來，李強

(北京工業大學機械工程及應用電子技術學院，北京100124)

刮板運輸機的中部槽是煤炭采掘機械中的關鍵部件，其焊接質量直接決定了刮板運輸機的過煤量。為了解決中部槽零部件的制造誤差和裝配誤差導致的自動化焊接問題，設計了基于PLC的自動控制系統和基于伺服驅動的多軸運動平臺。介紹該自動化焊接設備的機械結構和工作原理，以及電氣部分的硬件組成和軟件設計。同時為了補償中部槽焊縫的誤差，采用示教的辦法獲取焊縫的起點和終點，并利用直線插補算法實現中部槽的多層多道焊。通過實驗得到較好的焊接規范；實驗證明，所設計的焊接設備實現了自動化高效焊接，提高了工作效率。

中部槽；自動焊接；PLC；直線插補

0 前言

隨著我國對煤炭需求的不斷增長，煤礦企業對煤礦機械設備的需要日益增加，其中刮板輸送機系統是煤礦機械的重要組成部分，而中部槽又是刮板輸送機的主要部件。其質量約占整個刮板輸送機的70%，一般每臺刮板機包含100多節中部槽，每個槽子的長度約1.5 m。中部槽是煤料的運輸通道，運煤過程中承載著煤、刮板與鏈條的劇烈摩擦與沖擊。刮板輸送機的失效多是由于中部槽的磨損和沖擊斷裂引起的，因此中部槽的生產質量直接決定著刮板輸送機的使用壽命。中部槽的關鍵生產工序是槽幫與中板及槽板與底板的焊接，因此提高這兩種關鍵工序的效率與焊縫質量，可直接提高刮板輸送機的制造效率和使用壽命。在煤機生產企業中大部分采用半自動CO2氣體保護焊，這種方法的缺點是焊縫成形不美觀，熔深無法保證，焊接效率低，每個焊工每天約焊一個半中部槽，且勞動強度大。為解決半自動CO2氣保焊的問題，設計了CO2自動化焊接專機用于中部槽中板和底板的焊接。

1 中部槽焊接專機的總體結構

1.1 中部槽自動化焊接的特點

中部槽結構簡圖如圖1所示。中部槽焊接和一般的直焊縫焊接相比存在以下特點：

(1)中部槽各部件的加工誤差和裝配誤差較大。中部槽的底板和中板一般是由火焰切割得到的，板的尺寸精度差；槽幫是鑄件，鑄造誤差較大；誤差1～5 mm；由于槽幫和中、底板的質量都比較重，加工誤差大、一致性差，在焊接時很難精確定位工件，也就無法保障焊縫的重復性。

(2)由于工件的尺寸精度問題，很難保證焊縫和龍門架行走方向平行，同時左右兩道焊縫也不平行。

(3)為了減小焊接變形，要求焊接中部槽時左右兩個槽幫和中板、底板的焊縫同時施焊。

(4)由于中部槽焊接屬中厚板焊接，中板厚度35～60 mm，坡口大，所以采用電弧擺動來蓋面。

圖1 中部槽結構簡圖

1.2 焊接專機的結構

基于中部槽自動化的特點，設計了中部槽焊接自動化專機。自動化專機的機械主體部分如圖2所示。

圖2 中部槽焊接專機結構示意

1.3 工作原理

電機驅動龍門式焊接機構帶動兩把焊槍同時自動對中部槽的兩條焊縫進行焊接。焊接運動系統采用龍門結構形式，龍門機構可在焊接過程中實現三維運動，縱向移動機構用來實現焊槍沿焊縫長度方向的運動，并把它定義為x軸；橫向移動機構用于實現焊槍沿焊縫寬度方向的運動，并把它定義為y軸；升降機構用于實現焊槍的上下移動，并把它定義為z軸。龍門架裝有一套x軸，兩套y、z運動軸，運動的帶動關系是x軸帶動y軸運動，y軸帶動z軸運動，并在z軸上裝有焊槍。此外機架的工作平臺用于放置待焊接的中部槽，為了使工人容易觀察中部槽的焊接情況，工作平臺的高度定為500 mm，并在工作平臺上裝有定位塊用來工件放置時的初步定位。

2 控制系統的硬件設計

2.1 控制系統的硬件組成

控制系統的硬件由PLC、觸摸屏、遠程操作盒、電機、焊接電源、焊接電流電壓調整面板組成，控制結構框圖如圖3所示。

圖3 硬件控制結構框圖

2.2 數字控制器的選擇

中部槽的焊接過程屬于邏輯控制范疇，因此數字控制系統選用PLC可編程邏輯控制器為控制核心單元，PLC根據外圍采樣的各種信號進行數據處理、邏輯判斷，然后執行相應的程序，輸出控制信號，實現中部槽焊接的控制流程。本設備選用國產匯川公司生產的H2U系列PLC系統作為主控制器，具體型號為H2U－3232MTQ，其具有輸入點32個，輸出點32個，晶體管輸出型，最突出的特點是包含了五路高速脈沖輸出。由于本設備裝有五個電機，需要五路高速脈沖控制，因此該型號PLC滿足要求。

2.3 電機的選型與控制

由于焊縫在長度和寬度方向要求位置及速度誤差小，所以x、y軸精度要求較高，選用伺服電機控制，z軸的精度要求不高，選用步進電機驅動。根據各軸負載的轉動慣量和啟動所需要的力矩，具體選擇各軸電機的型號。

x軸選用匯川ISMH2－20C30CB永磁同步交流伺服電機，額定轉速3000 r／min，額定輸出功率2 000W，傳動方式選用滾珠絲杠和滑動導軌傳動，絲杠導程10 mm。由于x軸負載較重，為了提高輸出轉矩，在電機與絲杠之間加裝蝸輪蝸桿減速器，減速比為10∶1，并將該軸的脈沖當量設置為0.01 mm。

y軸選用匯川ISMH1－75B30CB永磁同步交流伺服電機，額定轉速為3 000 r／min，額定輸出功率750 W，傳動方式為滾珠絲杠和滑動導軌傳動，絲杠導程5 mm，并將該軸的脈沖當量設置為0.01mm。

z軸選用42H2150－02EA型步進電機，功率為42.92 W，最大靜轉矩為20 N·m，傳動方式同樣選用滾珠絲杠和滑動導軌傳動，絲杠導程5 mm，驅動器的微步細分數選擇1 600步／轉。

PLC與各軸電機驅動器的連接方式均采用脈沖加方向模式，其中PLC與驅動器連接的一個電平輸出控制電機旋轉的方向，PLC與驅動器連接另一高速脈沖輸出控制電機的轉速與角位移，通過該高速脈沖的頻率可以控制電機的轉速，同時設定輸出該脈沖的總數可以控制電機運轉的角位移。

2.4 觸摸屏的功能

觸摸屏用來設置焊槍的x、y、z三個方向的運動參數，包括焊接速度參數和焊槍擺動參數。采用觸摸屏的人機對話界面，不僅替代了傳統的依靠控制面板與鍵盤的參數設置方式，且簡化了PLC的控制程序。

2.5 焊接電流、電壓的自動調整

由于中部槽屬于中厚板，需要采用適合中厚板的多層多道焊接方法來滿足較寬焊縫的焊接要求，因此把焊接過程分解為打底、填充、蓋面三個焊接工序。

焊接電流、電壓調整盒負責在焊接過程中微調兩把焊槍的焊接電流、電壓值的大小。使打底，填充，蓋面三個焊接工序對應三組焊接電流、電壓，這樣每個焊接工序的電流、電壓就可以分別調整，方便了工人的操作。三組焊接電流、電壓的切換方法是通過PLC控制三組繼電器的通斷來選擇一組電流電壓旋鈕與焊接電源相連接。

2.6 遠程操作盒的功能

由于觸摸屏安裝在控制柜上，操作起來不是十分靈活，控制龍門機構運動的點動按鈕不宜通過觸摸屏來控制，而設計的遠程操作盒彌補了觸摸屏控制焊接流程不靈活的缺點，采用遠程操作盒可以隨時走動觀察焊接情況并采取相應操作。

遠程操作盒上應裝有控制焊槍三維運動的按鈕。此外為了示教帶誤差的焊縫，在遠程操作盒上裝有定位兩把焊槍焊接起點與終點的按鈕，也需要裝有起動焊接過程的按鈕，而且工件焊接完成及需要翻轉焊接另一面時，焊槍需要回歸零位，因此裝有回零鍵，此外還需裝有暫停鍵和急停鍵。據此設計出來的遠程操作盒如圖4所示，由于焊接專機包含兩套焊槍，所以把一個定義為A，另一個定義為B。為了減少按鈕的數目，將ENTER鍵和起動鍵作為復用功能鍵，當焊槍在零位時，按下起動鍵，焊槍會自動走到上次的起弧點，而把ENTER鍵和起動鍵同時按下則起動焊接，此外在焊接過程中按下ENTER鍵，會暫停焊接，解決問題后，需按下起動鍵繼續焊接。

圖4 遠程操作盒示意

3 控制系統的軟件設計

3.1 觸摸屏編程設計

為了能分別調整三個焊接工序的焊接參數，在觸摸屏上設計了打底參數窗口、填充參數窗口、蓋面參數窗口，此外還設計了工作參數窗口作為主窗口。當需要設置三個焊接工序的參數時，選擇工作參數窗口上的切換按鈕，進入相應界面完成參數設定與修改。此外在工作窗口上還設置了打底、填充、蓋面三個按鈕，在不同的焊接工序時按下相應的按鈕作為當前的工作狀態。

3.2 焊接流程設計

首先讓焊槍從零位走到上次焊接的起弧點，由于每個工件的加工一致性差，每個工件的起弧點與收弧點位置不一致，所以接下來需要對焊槍進行示教，分別重新定位A、B兩焊槍的焊接起點與終點，以便在焊接過程中采用插補算法自動補償偏移量。當焊槍定位完焊接終點后，焊槍需要自動回到新定位的起弧點，然后在觸摸屏上選擇一個焊接工序并設置該工序的焊接運動參數，并按下遠程操作盒上的按鈕啟動焊接。焊完一道后，焊槍要自動回到焊接起弧點準備下一道的焊接。焊接過程中如有問題需要按下遠程操作盒上的ENTER鍵，這時龍門機構停止運動并使兩個焊槍停止焊接，解決完問題后按下起動鍵，焊槍會在原來的基礎上繼續焊接。此外焊槍在起弧點時，如果焊接完成及工件翻轉需要按下回零鍵使焊槍回歸零位。如遇緊急情況，需要按下急停按鈕，這時焊接停止，松開急停后，按下回零鍵，系統回歸零位。焊接流程如圖5所示。

圖5 焊接流程

3.3 PLC實現直線插補的方法

由于中部槽在制造和裝配時存在誤差，焊縫的終點在焊縫寬度方向上相對于起點有1～5 mm的偏移，所以需要示教焊縫，定位焊接起點和終點，然后PLC采用插補方法來補償y軸方向的偏移，常用的插補運算通常是運算一步輸出一個脈沖，由于受到PLC的循環掃描工作方式及CPU速度的限制，這種插補運算輸出的脈沖頻率很低，沒有實用價值。因此要采用適合于本設備的編程方法來實現偏移量為1～5 mm的直線插補。焊縫軌跡如圖6所示，焊接起點為坐標原點O點，焊接終點為A點(xa，ya)，偏移值為ya。

圖6 焊縫軌跡

該軌跡的斜率

焊槍沿焊縫軌跡OA的運行速度，即焊接速度為

式中nx、ny為x、y方向的脈沖總數；δx、δy為x、y方向的脈沖當量，且都為0.01 mm；fx、fy為x、y方向的控制脈沖頻率；SOA為線段OA的長度；T為線段OA插補所需時間。

經整理式(2)得

將式(4)代入式(1)得

由于焊接速度vOA在觸摸屏上設置是已知變量，且焊接速度vOA約為4 mm／s，ya=1～5 mm，將其帶入式(4)、式(5)得fx=400，fy=0.27～1.33。

在x軸和y軸的插補頻率確定后，利用x方向的脈沖總數xa／δx作為直線插補的終止條件，當x軸發出的脈沖總數等于該值時，x軸與y軸均停止發送脈沖，插補結束。此外由于誤差偏移方向的不確定性，焊接終點A或者在x軸上方或者在x軸下方，那么需要根據ya的坐標符號來判斷待插補的直線是在第一象限還是在第四象限。

4 焊接工藝的確定

4.1 焊接方法

本焊接專機的焊接方法選擇CO2氣體保護焊，焊接電源型號OTC－XD500S。

4.2 中部槽組成成分和焊材選擇

中部槽的中板與底板的材料均是NM360，槽幫的材料是ZG30SiMn。NM360的碳當量CE≤0.60%[1]。ZG30SiMn的碳當量CE＝0.51%。

NM360與ZG30SiMn之間的焊接為異種合金鋼焊接，為防止焊接裂縫，選取的焊絲材料應與焊接材料強度相當，具體型號為JQ.MG50－6。

4.3 焊接坡口制作

坡口的大小應按板厚要求進行加工，采用半自動火焰切割機對坡口進行加工。

4.4 焊接變形控制

焊接變形是影響中部槽焊接質量的關鍵因素之一，因此焊接前應在中部槽的兩端點焊拉筋，以防止焊接過程中產生較大變形。此外中部槽中板焊接屬于中厚板焊接，需要兩面開坡口，如果多層多道的焊接順序選擇不好，也會產生很大的變形。

4.5 焊接參數選擇

最佳的焊接參數選擇應達到如下的效果：焊接過程穩定，飛濺最小；焊縫外形美觀，無焊穿、咬邊、氣孔和裂紋等缺陷；對兩面焊接的焊縫應保證一定的熔深使之焊透；在保證上述要求的條件下，還應具備最高的生產效率[2]。

同時中部槽焊縫在驗收時以二級焊縫的質量要求進行驗收，二級焊縫的質量要求為：未焊滿小于等于1 mm，根部收縮小于等于1 mm，咬邊小于等于0.5 mm，且不允許裂紋、電弧擦傷、表面氣孔和表面夾渣，因此焊接規范的選擇應滿足二級焊縫的質量要求。

4.6 多層多道焊接方法

中部槽焊接屬于中厚板焊接，需要采用適合中厚板的多層多道焊接方法來滿足較寬焊縫的焊接要求。此外冷裂紋的產生是煤礦機械產生疲勞斷裂破壞的主要原因之一，采用快速多層多道焊，降低焊縫中的熱輸入，控制層間溫度可以有效地降低冷裂紋的產生。

對于中部槽中板的多層多道焊接，還需要考慮變形與效率這兩個因素。焊接時如果焊接完一面再用天車吊裝焊接另一面會產生很大的變形，如果每焊完一道就吊裝翻轉一次雖然可有效地防止變形，但會降低中部槽的焊接效率，因此要綜合考慮變形與效率這兩個因素，制定出合理的中板焊接順序。

經過多次試驗，發現先在正面焊一道，然后用天車吊裝翻轉，在反面焊一道，然后再把工件吊裝翻到正面，把正面的焊縫多層多道焊完后，再吊裝翻轉把反面焊完。這樣焊出來的中部槽變形小，且吊裝翻轉次數相對較少，效率也較高。焊接順序如圖7所示，焊完中板后接著焊接底板，對于槽幫和底板的焊接屬于單面焊接，不存在吊裝翻轉的問題，槽幫和底板的焊接順序如圖8所示。

圖7 槽幫與中板的焊接順序

圖8 槽幫與底板的焊接順序

5 焊接效果

應用本設備對中部槽進行了焊接，焊接效果如圖9、圖10所示。焊縫成形好，整條焊縫沒有斷弧點。

圖9 槽幫與中板的焊接

圖10 槽幫與底板的焊接

6 結論

(1)基于PLC的控制系統采用示教和直線插補的辦法，控制焊接軌跡，可以解決因裝配和工件加工誤差導致的焊不準等問題。

(2)所研制的自動化焊接設備大大提高了工作效率，減輕了作業人員的勞動強度，避免了因人為因素造成的質量問題，提高了產品質量。

[1]秦恒寶，王超.耐磨鋼NM360的焊接工藝介紹[J].煤炭技術，2006，25(6)：26－27.

[2]張利萍.CO2氣體保護焊在中厚板焊接中的應用[J].電站輔機，2009，30(4)：31－34.

[3]吳黎明.數字控制技術[M].北京：科學出版社，2009.

[4]殷樹言.氣體保護焊工藝基礎[M].北京：機械工業出版社，2007.

Design of automatic welding equipment for middle trough

BAO Chao，ZHANG Jun，BAI Li－lai，LI Qiang
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing Univercity of Technology，Beijing 100124，China)

The middle trough of the scraper conveyor is a key component in the coal mining machinery，Its welding quality directly determined the amount of coal over the scraper conveyor.In order to solve automatic welding problem caused by the manufacturing error and assembly error of parts of the middle trough，we designed a multi－axis motion platform based on PLC automatic control system and servo drive.This paper respectively introduced the mechanical structure and working principle of the device，as well as the hardware components and software design of the electrical part.In order to compensate for the error of the welding of the middle trough，using teaching method to get welding start point and end point first，then using linear interpolation algorithm to achieve multilayer multi－pass welding of the middle trough.Through Experiments，we got a well welding specifications，the experiments showed that the welding equipment of design achieved automated and high efficient welding，the work efficiency was improved.

middle trough；automatic welding；PLC；linear interpolation

book=6,ebook=25

TG409

A

1001－2303(2012)06－0067－06

2011－01－19；

2012－03－16

鮑超(1987—)，男，北京人，碩士，主要從事焊接裝備自動化方面的工作。