基于PLC的MIG/MAG自動焊設備研制

宋金虎

(山東交通職業學院，山東 濰坊 261206)

基于PLC的MIG/MAG自動焊設備研制

宋金虎

(山東交通職業學院，山東 濰坊 261206)

不銹鋼消毒罐由筒節和左右封頭焊接而成。針對不銹鋼消毒罐環縫焊接的需要，研制了一套自動焊接設備，該設備包括機架、工件夾緊旋轉機構、焊接小車和送絲機構等，采用MIG／MAG焊接，擁有兩套焊槍，可同時完成兩道環縫的焊接；控制系統以PLC為核心，由PLC、觸摸屏顯示器、變頻器，繼電器等組成，有多種焊接模式和多套焊接規范可供選擇，該自動焊設備適應性強，焊接質量高，操作簡單方便，效率高。

PLC；自動焊機；研制

0 前言

不銹鋼醫用消毒罐是一個壓力容器，罐體由左右封頭和筒節構成，其結構如圖1所示。縱、環縫焊接是關鍵工藝之一，許多企業采用焊條電弧焊工藝，工作量大、生產效率低、勞動強度高、焊接質量不易保證。因此，縱、環縫焊接是提高焊縫質量和生產效率的一個瓶頸。

針對消毒罐生產的需要，研制出一套自動焊接設備，該設備包括機架、工件夾緊旋轉機構、焊接小車和送絲機構，采用MIG／MAG焊接方法，擁有兩套焊槍，可同時完成兩道環縫的焊接；控制系統以PLC為控制核心，由PLC、觸摸屏顯示器、變頻器，繼電器等組成，提供了5種焊接模式和100多套焊接規范，使該自動焊設備適應性強，焊接質量高，操作簡單方便，效率高。克服了以往手工焊生產效率低、勞動強度高、質量不易保證等缺點，可以滿足消毒罐對焊接質量的要求。

圖1 罐體結構示意

1 自動化設備的結構

自動化設備由機架、工件夾緊旋轉機構、焊接小車及送絲機構組成，其結構如圖2所示。

1.1 機架

機架由機座12、立梁10和橫梁1組成，對整個焊接裝置起支撐作用。機座左側安裝工件夾緊旋轉主軸箱13，右側安裝工件后尾夾緊機構9，中部安裝罐體支撐滾輪11；橫梁1上安裝焊接小車橫向導軌8，導軌8上安裝焊接小車7；焊接小車7包括橫向移動機構6、焊槍橫向擺動機構2、焊槍提升機構4、手動調節機構3和送絲機構。

圖2 MIG／MAG焊自動焊設備結構示意

1.2 工件夾緊旋轉機構

工件夾緊旋轉機構由旋轉主軸箱、工件支撐滾輪和后尾夾緊機構組成，其作用是夾緊工件并使工件做360°旋轉運動以完成環焊縫的焊接。主軸箱是一個采用齒輪傳動的回轉機構，由卡盤、空心軸、軸承、大小齒輪和交流電動機組成，采用光電編碼器來定位工件的旋轉角度。后尾夾緊機構由卡盤、電動機、絲杠和直線導軌組成，依靠絲杠傳動來完成機構的橫向移動。工件支撐滾輪給工件提供額外支撐，保證工件在整個焊接過程中平穩旋轉，避免焊接過程中因震動而出現焊縫錯位缺陷。

1.3 焊接小車

為滿足罐體焊接工藝要求，設計了兩套焊接小車，采用MIG／MAG焊方法，可同時完成罐體兩道環縫的焊接。焊接小車又包括小車橫向移動機構、焊槍擺動提升機構以及焊槍夾緊調節機構。

(1)小車橫向移動機構。焊接小車橫向移動機構由直流伺服電動機、行走齒輪和齒條導軌組成，利用齒輪齒條傳動原理完成小車橫向移動。直流伺服電動機帶動齒輪旋轉，齒輪通過與齒條的嚙合將旋轉運動轉變為自身的直線運動，帶動小車在軌道上行走。

(2)焊槍擺動提升機構。為使焊縫兩側充分熔透，成形美觀，需要焊槍左右擺動，并能在焊縫兩側及中間作短暫停留，擺動頻率、幅度及停留時間均可通過控制系統人為設定。為了完成厚壁管的連續多層焊，每焊完一層焊道，需要提升機構自動將焊槍提升一定高度后繼續后層焊道的焊接。焊槍的擺動和提升均采用絲杠螺旋副傳動，步進電動機作執行元件，通過絲杠將擺動電動機和提升電動機的旋轉運動轉換為焊槍橫向和縱向直線運動。

(3)焊槍夾緊調節機構。焊槍夾緊調節機構由一組多自由度夾具組成，可以方便地調節焊槍的橫向位置、高度和角度，以實現焊槍偏置距離、傾角以及焊縫對中的調節。

1.4 送絲機構

送絲機構采用拉絲式機構，結構緊湊，體積小，送絲力矩大，可適用于φ 0.8～φ 1.2 mm的焊絲。

2 自動化設備的工藝過程

首先檢查設備狀態，將待焊工件裝至工位并夾緊，設定好焊接工藝參數，然后按下按鈕，接通焊接電源，打開保護氣體，當系統確認已經載入相應程序后，便可進行焊接。焊接過程停止后，松開工件卸料。焊接過程中，如果遇到緊急情況，按“焊接停止”按鈕，焊接過程將強行停止，待清除故障后，再按“焊接起動”按鈕，焊接過程可繼續進行。環縫自動焊機的工藝過程如圖3所示。

圖3 MIG／MAG自動焊機的工藝過程

3 控制系統

3.1 控制系統硬件設計

控制系統由PLC、觸摸屏顯示器、變頻器、繼電器等組成，完成對各個電動機、氣缸的動作控制，以及焊接參數的設定、存儲、修改、調用等程序控制。由于設備工作環境惡劣，控制系統所要控制的動作步驟復雜、控制精度高等特點，控制系統選用適合于工業控制的可編程控制器，型號為三菱公司的FX2N-32MR-001。

FX2N系列PLC是FX系列中最高級的模塊。它擁有高速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點，具有32個I／O點基本單位，繼電器輸出。

PLC在系統中的主要功能是協調各子系統按照焊接要求進行工作，因此，它既要完成各種邏輯控制，還要進行系統監控。消毒罐環縫自動焊機控制系統示意如圖4所示。

圖4 MIG／MAG自動焊設備控制系統示意

為了實現自動控制，采用E6A2-CS5C型編碼器為傳感器，其電源電壓為直流24 V，每旋轉一周，編碼器輸出360個脈沖。將編碼器安裝在輸出軸上，便可以檢測工件的旋轉角度。編碼器的輸出脈沖通過PLC的X0口輸入。此外，采用光電二極管作為指示燈分別表示焊接電源工作、工件旋轉位置等狀態。手動控制主要是系統調試和設備維修時使用，通過控制臺面板上的手動控制按鈕可分別操作各工序。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)。輸入、輸出接口安排如表1所示，其硬件接線如圖5所示。

工件定位過程中完成三個方向的運動：焊接小車橫向移動、工件在水平面內的旋轉運動和垂直方向運動，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。

焊接加工過程中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，可以通過接口電路送至PLC的端口，實現對起弧、熄弧、電流切換等的控制。

4 控制系統的軟件設計

焊接程序分為單層焊、多層焊、堆焊、打底焊、填充蓋面焊五種模式，系統可存儲100多套焊接規范。焊接時，只需輸入工件規格型號或直接調用規范序號，系統就會自動按照預定規范參數完成整個焊接過程，且焊接過程中能實時修改和調節參數。

表1 PLC輸入、輸出接口分配

圖5 自動焊PLC系統接線

控制程序主要包含以下五個功能模塊：a.手動調整功能模塊。通過調節主控箱面板上的按鈕、開關，可調整設備的狀態，并具有示教功能；b.自動焊接功能模塊。PLC控制的自動焊接程序和外部MIG／MAG焊弧焊電源結合在一起可以完成焊縫的打底焊、填充焊及蓋面焊接，焊接完成后系統自動停機；c.急停控制模塊。出現緊急狀況時，按下急停按鈕，PLC能復位外部設備；d.監控供氣系統是否正常工作。PLC的一個端口通過氣流開關采集氣流信號，當出現氣流不足時，禁止系統工作(并且能夠中止正在進行的焊接過程)；e.出現起弧不成功或者中途熄弧時的處理。如果雙槍焊接有一處起弧不成功，或者中途熄弧時，系統能夠自動停機。

5 自動化設備性能特點

(1)擁有兩套焊槍，能夠同時完成罐體兩道環縫的焊接，充分保證了罐體對焊接質量的要求。

(2)焊槍擺動提升機構可以使焊槍在焊接過程中根據需要左右擺動，并且在不停弧的情況下自動提槍，本套裝置完全自動地實現厚壁罐體的連續多層焊，大大提高焊接效率。

(3)通過觸摸屏提供了友好的人機界面，在焊接過程中實時可調所有的焊接參數。

(4)焊接參數數據庫可存儲上百套規范參數，焊接時直接調用規范號即可按設定參數進行焊接，并且可通過人機界面對數據庫進行添加、刪除、修改及查詢等操作。

(5)每個傳動系統設有獨立的傳動機構，互不干擾、精度高、運行平穩可靠。

6 結論

MIG／MAG自動焊機能夠同時完成罐體兩道環縫的焊接。控制系統以PLC為控制核心，提供了多種焊接模式、友好的人機界面和焊接規范數據庫，使焊機功能強大、適應性強、操作簡單。該焊機焊接效率高，焊縫成形好，完全能夠滿足罐體環縫焊接工藝要求和性能要求，有較高的市場應用價值。

Development of automatic MIG／MAG welding machine based on PLC

SONG Jin-hu
(Shandong Transport Vocational College，Weifang 261206，China)

Stainless steel disinfection tank consists of a tube section and left，right shell cover by welding.Developed an automatic welding machine for stainless steel disinfection tank production.The automatic welding machine comprises a frame，a workpiece clamping rotation mechanism，a welding dolly and the wire feeding mechanism，using MIG／MAG welding method,and the machine has 2 sets of automatic welding equipment，can completing two girth welding in the same time.The control system consists of PLC，touch screen display，frequency converter，relay etc，provide a choice of various welding mode and multiple sets of welding specification，so that the automatic welding equipment has strong adaptability，high welding quality，simple and convenient operation，high efficiency.Key words：PLC；automatic welding machine；development

TG434.5

B

1001-2303(2012)07-0044-04

2012-03-22

發明專利：專利號ZL2009202823718

宋金虎(1967—)，男，山東濰坊人，副教授，高級工程師，主要從事機械設計制造、機械裝備技術以及焊接自動化技術的研究工作。