基于PLC與觸摸屏控制的圓弧自動焊接機的設計*

王 開，劉 美，賁少輝，梁興華（.茂名職業技術學院，廣東茂名 55000；.廣東石油化工學院，廣東茂名 55000；.茂名全球水塔有限公司，廣東茂名 55000）

基于PLC與觸摸屏控制的圓弧自動焊接機的設計*

王 開1，劉 美2，賁少輝1，梁興華3
（1.茂名職業技術學院，廣東茂名 525000；2.廣東石油化工學院，廣東茂名 525000；3.茂名全球水塔有限公司，廣東茂名 525000）

針對某廠法蘭接口焊接的缺陷，提出基于PLC與觸摸屏控制的圓弧自動焊接機解決方案，改善生產環境、提高生產效率、降低生產成本，達到環保、高效、節能的效果，提高企業的經濟效益。

PLC；觸摸屏；步進電機；開環控制；自動焊接機

0 引言

焊接是制造業一種重要的加工方法。某廠專業生產各類不銹鋼水塔、水塔配套設備、不銹鋼制品、水曖器材等，其主要產品不銹鋼水塔的進出水口的焊接要依靠人工作業，焊接的工藝與焊工的水平有關，生產效率低，勞動強度大，焊接質量的穩定性差[1]，一等品通過率不高，每焊接一個接口要5分鐘，焊接時引弧電流達200 A。本文提出基于PLC與觸摸屏控制的圓形自動焊接機解決方案，自動完成不銹鋼水塔圓形出水口的焊接過程，不僅提高生產效率、降低生產成本，同時也改善生產環境，減少在焊接過程中對工人身體特別是眼睛的傷害。

1 自動焊接機控制要求

自動焊接機工作過程主要有焊槍下降與工件定位、工件焊接過程定位和焊槍復位三個步驟，從而實現對圓形工件自動焊接，其機械部件的結構和工作控制過程如圖1所示。其中控制系統主要有氣缸和步進電機兩個動力源，分別控制著工件定位與焊槍下降上升、焊槍水平方向的旋轉定位等。焊槍的水平方向的運動采用主從齒輪聯動結構，其中主齒輪30個齒，從齒輪192個齒。

其工作過程如下：自動焊接機有手動和自動兩種工作方式，兩種工作方式都是在觸摸屏上進行操作。如果是選擇自動工作方式且初次啟動，首先，按回原點按鈕，焊槍與工件定位組件上升，步進電機逆時轉動，使焊槍復位，然后按下啟動按鈕，氣閥伸出，焊槍與工件定位組件下降，延時后啟動焊槍進行焊接，同時，啟動步進電機按設定的角度和速度順時針方向旋轉，當到達指定的角度后步進電機停止焊槍延時收弧，氣閥復位，焊槍與工件定位組件上升，完成一個工件焊接過程。當再次放上工件并按下啟動按鈕，重復上述過程，只是步進電機逆時針轉動。如果選用手動操作，每按下觸摸屏上的手動按鈕，則系統啟動相應的動作。

圖1 自動焊接機工作過程原理圖

2 工件焊接過程定位系統設計

工件焊接過程中的關鍵是焊槍的速度控制和位置定位，常用的控制系統有步進電機開環控制系統和閉環伺服控制系統。步進電機開環控制系統如圖2所示。控制信號由PLC產生，PLC輸出一定數量、頻率的脈沖信號，經驅動器分配放大，輸出兩相功率脈沖信號給步進電機，帶動負載以一定的轉速運動，當停止控制脈沖信號時負載也停止，從而實現通過脈沖控制負載轉速和位置的效果。本系統具有結構簡單，系統穩定性好的特點[2]。

圖2 開環控制系統

閉環伺服控制系統如圖3所示[3]，其控制單元包括位置控制器、速度控制器、電流控制器和功率放大器等。伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，其優點是可以實現比較復雜的控制算法，實現數字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路[4]。閉環伺服控制突出優點是由于采用了負反饋，因而被控制量對于外部擾動或系統內部變化所引起的偏差能自動消除，具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統的響應，具有精度高的特性。但反饋回路的引入檢測、反饋比較等環節，增加了系統的復雜性，成本增加，而且增益選擇不當時會引起系統的不穩定[2]。

圖3 閉環伺服控制原理圖

綜全考慮控制的要求和制造成本，本設計采用步進電機開環控制系統，步進電機選用日本多摩川TS3684N112E30，步距角為1.8°，即在無細分的備件下200個脈沖電動機轉一圈。步進電機驅動器選用日本樂茲RD-023MSA，設置細分為10 000步/轉，焊槍旋轉1°需要的脈沖數計算如下：

因為焊槍的水平運動主齒輪30個齒，從齒輪192個齒，驅動器細分為10 000步/轉，所以焊槍的旋轉1周的脈沖數為：

焊槍旋轉1°需要的脈沖數為：

對控制器PLC的選型主要考慮控制系統對PLC的處理速度是否滿足實時控制的要求和外圍設備的需要[5]，本控制系統控制較為簡單、外圍設備較少，主要是要輸出頻率較高的脈沖信號，因此，PLC選用三菱FX1S-14MT PLC作為控制器，可滿足系統的控制要求。自動焊接機的PLC控制系統接線原理圖如圖4所示，圖5為步進電機與驅動器接線圖。步進電機驅動器時鐘脈沖輸入和旋轉方向輸入端子選擇1CK輸入，即CLK+和CLK-輸入脈沖信號，控制步進電機的轉速和位移，UD+和UD-輸入方向信號，沒有電流輸入時為正轉，有電流輸入時為逆轉。PLC的Y0向步進電機驅動器CLK-端輸出脈沖信號，Y1向驅動器UD-端輸出正反轉的方向信號。

圖4 PLC控制系統接線原理圖

圖5 步進電機與驅動器接線圖

3 系統軟件設計

根據圓形鋼桶出水口焊接工藝過程和工作要求，設置自動和手動兩種工作方式。自動方式流程為按啟動按鈕，焊槍與工件定位——焊接——轉動焊槍——一周后延時收弧——焊槍復位，完成一個工件焊接過程。手動方式主要是單步控制自動焊接機每一步，主要作用是在自動焊接過程中，如果發現某些工藝參數需要調整，可以暫時停止焊接，切換到手動方式進行參數調整[6]，或對不合格產品進行補焊。程序結構也由手動控制和自動焊接兩部分組成。手動方式用梯形圖進行編程，梯形圖內容還包括初始設置、方式選擇和脈沖輸出等，程序如圖6所示。其中，43步和45步所在行為手動/自動方式選擇控制[7-8]。自動焊接過程的和手動焊接過程要實現互鎖。

圖6 手動控制梯形圖

自動方式用SFC順序功能圖進行編程，如圖7所示。程序包括自動焊接過程控制和回原點控制，這部分是選擇分支結構，兩者只能選擇其一。剛開機時，初次選擇自動模式必須進行回原點操作，使原點標志位M11為ON時，才能進行自動焊接過程。在編寫自動焊接程序時，為了在焊接完成時不產生氣泡，不出現漏水的現象，必須要進行收弧處理，即焊接完畢，還要點焊一兩次，步進流程圖中的S23步就是實現收弧處理功能的。

圖7 自動焊接方式SFC順序功能圖

4 觸摸屏界面設計

為了實現良好的人機交互操作性能，提高系統操作的可靠性、靈活性、簡單性、生動性，完善系統控制功能[9]，本設計采用步科MT500T觸摸屏與三菱PLC聯合進行控制。通過觸摸屏在圓形自動焊接機的應用，使操作者容易操作，并根據生產的實際需要，在觸摸屏中隨時更改系統設置的參數，如旋轉角度、延時時間、收弧次數等，達到提高質量和效率的目的。

圖8 歡迎進入界面

圖9 啟動操作界面

圖10 參數設置界面

根據生產需要和人機交互的要求，本設計設置了開機歡迎進入、啟動操作和參數設置三個觸摸屏界面。其中，歡迎進入界面設置進入密碼，只有取得密碼人員才能進入系統操作，提高系統安全性。啟動操作界面主要有方式選擇、手動操作和自動啟動等按鈕，從而實現手動控制和自動運行的功能。參數設置界面是系統的重要組成部分，它不但能實時顯示運行參數，還能方便地修改各種運行參數，改善運行性能。用MT500T專用組態軟件EasyBuilder500設計的歡迎進入、啟動操作和參數設置三個界面如圖8、圖9、圖10所示。

5 結論語

應用PLC和觸摸屏等新技術設計制作的不銹鋼水塔進出水口圓形焊接機，經調試使用，性能穩定、操作簡單，在效率、節能、環保等方面取得較好的效果，焊接能力由原來手工焊接的1個/ 5分鐘提高到1個/1分鐘內，引弧電流由電手工焊接的200 A降低到10 A以下。同時，產品的一等品率由過去的93%提高到99.5%，每個水箱生產成本降低2.5元，每年可節約成本約5萬元，水塔年生產能力從原來的2萬個/年增加到3萬個/年，可新增產值約600萬元，提高企業的經濟效益。

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［3］王海祥，高峰.基于PLC及伺服系統的剪板機的控制系統設計［J］.制造業自動化，2012（12下）：115-119.

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［6］劉皓春，陳春麗.基于PLC的自動焊接機升降控制系統設計［J］.武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2007（12）：133-135.

［7］崔宇清，姜兆亮，儀維.基于PLC的夾緊力在線調控系統［J］.機電工程，2013（7）：852-855.

［8］喬東凱，揚向宇.基于PLC對三維立體運動系統的電氣控制及應用［J］.工程設計學報，2012（12）：465-468.

［9］于殿勇，劉興義.基于PLC與觸摸屏控制的搬運機械手的應用 ［J］.制造業自動化，2009（08）：121-123.

Design of the Circular Arc Automatic Welding Machine Based on PLC and Touch Screen

WANG Kai1，LIU Mei2，BEN Shao-hui1，LIANG Xing-hua3
（1.Maoming Vocational and Technical College，Maoming525000，China；2.Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming525000，China；3.Maoming Global Water Tower Co.,Ltd.，Maoming525000，China）

Aiming at the defects of a factory flange interface welding，the solutions based on the PLC and touch screen control circular arc automatic welding machine is proposed.The new automatic welding machine can improve the production environment and production efficiency，and also can reduce production costs，achieve high efficiency，energy saving，environmental protection effect.It is significant for improving the economic benefit of the enterprise.

PLC；touch screen；step motor；open-loop control；automatic welding machine

TP273

A

1009－9492(2014)08－0004－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.002

王 開，男，1967年生，廣東電白人，大學本科，高級講師。研究領域：電子與電氣工程。已發表論文17篇。 (編輯：阮毅)

*2013年茂名市科技計劃項目（編號：茂科字[2013]32號）

2014－06－24