卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統(tǒng)設(shè)計

王善剛 戰(zhàn)佩艷 張 爽 付胡代 高金剛

(①長春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春130012;②中國電信白山分公司，吉林 白山134300 )

卡車駕駛室給駕乘人員提供了安全的架乘空間，在發(fā)生事故時，車身相關(guān)部件能充分吸收撞擊的能量，降低人員所受的沖擊，因此，卡車駕駛室焊接質(zhì)量和工藝極為重要。某卡車廠原有對卡車駕駛室底部焊接基本靠工人用手拉葫蘆等設(shè)備來完成的，工序繁瑣，焊接人員的工作空間有限，使生產(chǎn)效率受到極大影響。我們根據(jù)企業(yè)要求，研發(fā)了卡車駕駛室底部焊接夾具，夾具屬于焊接工藝過程的輔助設(shè)備，其良好的控制系統(tǒng)不僅可以保證焊接產(chǎn)品的尺寸精度及外觀變形范圍，而且還能提高生產(chǎn)效率;這里主要介紹對夾具控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1 焊接夾具的結(jié)構(gòu)組成及其工作流程

卡車駕駛室底部焊接夾具的實(shí)際設(shè)備如圖1 所示。夾具主要由一個整體平臺、檢測系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、上下端固定系統(tǒng)、鎖定系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。

夾具的工作流程如下:(1)開機(jī)后，控制面板及動力柜上的電源指示燈亮，選擇車型A 型或B 型;(2)選擇自動檔位，將駕駛室車體吊裝到夾具上，放好位置;(3)安裝好駕駛室后，檢測系統(tǒng)向PLC 發(fā)出有工件可以運(yùn)行的指令，按“抬起”按鈕，夾緊氣缸A1、A2、B、C1、C2 伸長，推動銷子、鉤子固定好駕駛室車體，PLC驅(qū)動變頻器，變頻器控制電動機(jī)將裝有車體的夾具翻轉(zhuǎn)到位，到位后PLC 驅(qū)動鎖緊氣缸D1、D2、D3 伸長，插入銷子，鎖定夾具上車體的位置，工作人員即可到工作臺進(jìn)行車體焊接作業(yè);(4)焊接作業(yè)完成后，確保工作臺無人后，啟動“落下”按鈕，PLC 驅(qū)動鎖緊氣缸D1、D2、D3 收縮，銷子拔出后，變頻器控制電動機(jī)將車體隨夾具一同落下回到原始位置，夾緊氣缸A1、A2、B、C1、C2 收縮，銷子、鉤子拔出，工作人員即可將駕駛室車體吊離，完成一個車體的焊接操作。

2 焊接夾具控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)卡車駕駛室底部焊接夾具的功能和工作流程，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由圖可見，卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、交流電動機(jī)、氣動電磁閥、氣缸、控制按鈕、金屬感應(yīng)器及指示燈等元器件組成。

卡車駕駛室底部焊接夾具進(jìn)行工作時，首先，通過控制面板上的“抬起”控制按鈕發(fā)出指令，PLC 接到指令后控制氣動電磁閥動作，驅(qū)動氣缸固定好駕駛室的上下兩端，以便于夾具抬起過程中駕駛室不至于掉落;接著PLC 向變頻器發(fā)出正轉(zhuǎn)和速度指令，變頻器根據(jù)指令控制交流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過齒輪傳動帶動夾具上的車體到達(dá)指定的位置，金屬感應(yīng)器檢測到該位置后，向PLC 發(fā)出反饋信號，PLC 控制氣動電磁閥鎖定夾具并驅(qū)動指示燈發(fā)出信號;當(dāng)啟動“落下”按鈕時，PLC控制鎖定電磁閥松開夾具，接著PLC 向變頻器發(fā)出反轉(zhuǎn)和速度指令，變頻器根據(jù)指令控制交流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)落下駕駛室車體，金屬感應(yīng)器檢測到夾具上的車體回到原位后，向PLC 發(fā)出反饋信號，PLC 接到指令后控制氣動電磁閥動作，驅(qū)動氣缸松開駕駛室車體的上下兩端，從而完成一次循環(huán)動作。

3 硬件的選擇以及PLC、變頻器的配置

根據(jù)卡車駕駛室底部焊接夾具的工作需要，選用以西門子S7-200 CPU226CN 小型PLC 為主控設(shè)備，帶有24 個輸入繼電器和16 個輸出繼電器，來作為夾具的控制核心;變頻器選擇了FRENIC-MEGA 系列的FRN5.5G1S-4C 變頻器，交流電動機(jī)選用德國SEW 公司生產(chǎn)的型號為DV112M4/BMG/HF 的4 kW、380 V交流電動機(jī)，檢測元件用歐姆龍有限公司生產(chǎn)的E2E-X5E1-Z 金屬感應(yīng)器來作為檢測設(shè)備;PLC 輸入繼電器地址為I0.0～I(xiàn)2.7，輸出繼電器地址為Q0.0 ～Q1.7。PLC I/O 分配圖，如圖3 所示;變頻器配置如圖4所示。

4 夾具控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統(tǒng)首先滿足駕駛室自動翻轉(zhuǎn)過程:慢速啟動—中速運(yùn)行—高速運(yùn)行—中速運(yùn)行—慢速停止，如圖5 所示的駕駛室翻轉(zhuǎn)抬起和翻轉(zhuǎn)落下V-S曲線圖;根據(jù)卡車駕駛室底部焊接夾具自動翻轉(zhuǎn)的要求，對變頻器的速度、頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，各個動作過程夾具的翻轉(zhuǎn)速度是不同的，變頻器的輸出頻率也隨之而變，因此給變頻器設(shè)定3 個輸出頻率:低頻、中頻、高頻，變頻器參數(shù)設(shè)定如表1 所示;處理好PLC 與變頻器的通訊聯(lián)系，設(shè)定如表2 所示。

卡車駕駛室底部焊接夾具運(yùn)行時，啟動抬起按鈕，PLC 向氣壓閥發(fā)出固定好工件的命令，氣壓缸向PLC反饋是否完成任務(wù)的信號，如完成，則PLC 向變頻器發(fā)出轉(zhuǎn)向和速度信號，變頻器驅(qū)動交流電動機(jī)帶動夾具翻轉(zhuǎn)，到達(dá)限位后，PLC 向鎖定氣壓閥發(fā)出鎖定命令并鎖定夾具，完成焊接任務(wù)后回原位，松開夾緊氣缸;卡車駕駛室底部焊接夾具PLC 順序功能圖如圖6所示。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)定

5 結(jié)語

卡車駕駛室底部焊接夾具的控制系統(tǒng)設(shè)計是幫助企業(yè)進(jìn)行的自動化改造，夾具的電氣設(shè)備連接完成后，進(jìn)行了設(shè)備調(diào)試，試加工，結(jié)果顯示，夾具抬起和落下時運(yùn)行平穩(wěn)，工位和焊接的空間合適，便于操作人員對駕駛室底部進(jìn)行焊接;夾具的使用是把新的技術(shù)引入到舊的系統(tǒng)中，徹底改變了焊接人員的惡劣工作環(huán)境，原來焊接一個車體的時間現(xiàn)在可以完成兩個車體的焊接工作，大大提高了生產(chǎn)效率;該設(shè)備已投放于某卡車廠中使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 PLC 與變頻器通訊設(shè)定

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