基于PLC 的低溫熔覆系統設計

賈雨涵，薛亞平，王韜越，馬業春，湯 欣，黃 睿，張 陳

（江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引 言

在國內外市場競爭激烈、企業勞動力成本高、生產效率要求不斷提高等情況下，國內以傳統熔覆為主的焊補方式嚴重制約國內低溫熔覆水平的提升[1]，影響裝備制造業的產品質量。目前低溫熔覆焊材產能達到750 萬噸，產率維持在60%左右，但閑置產能逐年下滑。低溫熔覆鋼材出口量的增長能夠有效分流國內低溫熔覆鋼材的部分產能，但與目前國內低溫熔覆設備產能相比，焊材產能過剩的形勢依然嚴峻，同時國內低溫熔覆加工工藝與發達國家相比還有不小的差距[2]。在低溫熔覆加工過程中，會遇到不同部位低溫熔覆焊接的問題，不僅影響生產效率，而且導致低溫熔覆的品質不佳[3-4]。若能將材料利用率提高到發達國家水平，每年將節省鋼材3 500 萬噸。根據“十四五”規劃和2035 年遠景目標綱要決議相關內容[5]，以人工焊補為主導工藝的中國企業已將焊接自動化列為企業五年技術改造的重點目標，即使不考慮新增產能的影響，僅對中國企業現有產能的低溫熔覆設備進行技術改造升級，也將產生巨大的低溫熔覆自動化設備需求。低溫熔覆自動化設備的技術水平是國家科技水平的重要體現，決定了國家重大核心技術水平[6]。為了適應現代化加工制造需求，設計出一種低溫熔覆精度和效率較高的自動化低溫熔覆系統顯得尤為重要[7]。

1 系統總體設計

1.1 控制要求

用于安裝固定滑軌的傳送主體擁有兩個可拆卸的固定滑軌[8]，連接在焊補傳送主體的左右兩側并固定滑軌相對中部的滾珠絲杠；同時所述固定滑軌外側分別設有與固定滑軌相適配的左右安裝滑軌，對所述左右安裝滑軌外側壁進行固定連接，進而完成焊補空間位置的改變；以氣缸、電機與靜壓滑軌傳動機構為核心組成的三維運動裝置實現焊補槍熔覆位置的微調，進而完成不同情況下的熔覆任務[9]。

1.2 機械結構設計

如圖1 所示，螺旋式焊補軌跡的低溫熔覆系統設計裝置分別由傳送定位部分、機械焊補部分組成。傳輸部分是一種可調耐磨機床滑軌機構，軌道的一端固定連接限位卡板，卡板的內部活動連接有擋板，限位卡板的一側螺紋連接有螺絲，在限位卡板上插入擋板，可以防止滑塊滑出軌道；滑軌一側固定連接有安裝片，安裝片的上表面開設有通孔和矩形槽，矩形槽可以限制移動塊移動的距離，防止出現位置偏移的情況；軌道的內壁開設有滑動槽，滑動槽的內壁固定連接有金屬板，滑動槽的中部滑動連接有滑動軸，滑動軸在內部轉動；軌道的一側固定連接有電機，電機的輸出端固定連接有絲桿，絲桿的一端固定連接有軸承，軸承的外表面固定連接有支撐板，支撐板絲桿提供支撐，使裝置更加穩定，實現了通過機械結構精確和長時間地進行調控，減少人工操作。焊補裝置安裝在鋼構地軌上，依靠鋼構地軌中的滑軌以及電機帶動整個焊補裝置沿X方向運動，同時兩側內部滑軌可進一步增加傳動的穩定性。立柱上的滑軌與滾珠絲杠傳動機構能夠帶動橫梁沿Z軸運動進而改變焊補高度，其兩側也裝有滑軌用于穩定傳動。焊槍快速接頭座上設有焊槍快速接頭緊固螺母，將焊槍快速接頭過渡轉接件鎖緊在焊槍快速接頭座上。抓頭在上述傳動機構的聯合作用下能夠在三維空間內進行位置的微調，實際工作時需要將焊補件固定在工件固定座上，通過Y向驅動裝置可以驅動旋轉定位裝置沿導軌裝置的導槽進行精確的位置移動，實現旋轉定位裝置的Y向高精度整體移動定位。當旋轉定位裝置移動到對應位置后，通過Z向旋轉機構可以實現工件在Z軸上的旋轉，通過X向旋轉機構可以實現工件在X向的平面上精確旋轉，進而可以實現工件在X向平面上的精確定位。X向旋轉盤安裝在X向旋轉安裝座頂部且底部通過沿Z向設置的蝸輪與蝸桿對接，X向旋轉伺服電機安裝在X向旋轉安裝座側面上且通過輸出軸與蝸桿連接。實際工作時，通過X向旋轉伺服電機驅動蝸桿轉動，蝸桿帶動蝸輪轉動，進而驅動X向旋轉盤在X向平面上進行360°的精確旋轉，并且可以保證焊補位置穩定，防止焊補位置的變動，提高焊補質量。

圖1 機械機構整體示意圖

2 控制設計

2.1 電氣控制組成

如圖2 所示，螺旋式焊補軌跡的低溫熔覆系統由以下兩大系統組成：①由單相異步電機驅動的傳送系統，主要包括單相異步電機、滾珠絲杠、滑軌；②由PLC 控制與物聯網技術控制的焊補系統，主要包括氣缸、伺服電機、靜壓滑軌、VB 編程可視化界面和PC 端人機交互。

圖2 系統組成框圖

2.2 電氣控制流程設計

首先應用VB 軟件編寫總體可視化控制界面，實現與PLC 和傳感器的通信，通過上位機給系統發送指令并由VB根據算法計算焊補參數，確定車床主軸轉速、自動低溫熔覆的速度、手動位移速度以及各種參數補償后，選擇低溫熔覆方向。使用卡盤將低溫熔覆軸固定，并驅動電機帶動軸以一定的轉速旋轉，保證低溫熔覆過程中低溫熔覆軸的穩定。接著，調整焊槍和送絲機的位置，由于此次低溫熔覆采用單軸控制，所以焊槍等在Y軸和Z軸上的方向需要自己調整，同時也要手動調整焊槍送絲機的位置，保證主軸正常旋轉的情況下，焊槍與低溫熔覆軸保持一個合適的距離且保持穩定。最后，依次打開送絲機、焊槍，開始自動焊接，直到焊接結束。如果中途暫停焊接，則再次調整低溫熔覆位置，繼續焊接。通過物聯網人機界面與PLC 通信，控制驅動器驅動伺服電機旋轉運動[10]。

2.3 總體流程設計

綜合多方面考慮，本設計使用PLC 控制程序，控制流程如圖3 所示。

圖3 整體流程設計

3 結 語

低溫熔覆作為一種新型綠色環保的表面改性技術，既可以對液壓缸、軸承、工作齒頭進行新件表面改性，還可對舊件進行修復，修復后的部件性能不亞于新品，大大延長了工程機械和關鍵零部件的使用壽命，有效降低了能源和資源消耗，同時解決了傳統焊補不均勻問題，且實現了多方位的低溫熔覆功能。

本文通過PLC 可編程控制系統可實時連續地進行低溫熔覆。對低溫熔覆時間、速度等參數可任意地進行精確調節控制，從而彌補了傳統低溫熔覆系統的缺陷，使低溫熔覆修復功能更全面、更高效；并利用自動化控制系統，填補傳統低溫熔覆市場的空白，為低溫熔覆生產企業提供了焊斑均勻、焊后便于加工的低溫熔覆系統；同時還能對焊接參數進行記憶存儲，不需要經常調整低溫熔覆參數，減少材料浪費，進而創造更高水平的效益。