圓周焊旋轉轉臺控制系統自動化改造

張 斌

（廣東省肇慶市四會中等專業學校，廣東 肇慶 526200）

1 原圓周焊旋轉轉臺控制系統介紹

1.1 轉臺驅動裝置問題

由于該控制系統是松下20 世紀80年代研發產品，其轉臺驅動部分備件全部停產，且系統調速不穩定經常突然加減速，造成壓縮機焊接報廢。同時轉臺定位裝置機械磨損嚴重，造成設備焊接精度不足。

1.2 設備動作流程、原理和自動控制要求

1）設備動作流程

2）動作原理

轉臺旋轉驅動系統：為直流電機調速系統，主要構件由：①直流多度段速度調整驅動板；②直流電機；③直流電機正反轉切換接觸器組成。

圖1 設備動作流程圖

轉臺邏輯動作原理：焊接裝置（CO2焊機）起動→轉臺旋轉開始→焊機起弧溶接（轉臺旋轉速度要求2r/min）→轉臺旋轉碰撞正常溶接限位開關后，焊接轉入正常溶接（轉臺旋轉速度要求5r/min）→轉臺旋轉碰撞收弧溶接限位開關后，焊接轉入收弧溶接（轉臺速度要求3r/min）→轉臺旋轉碰撞焊接結束限位開關后，轉臺反轉→碰撞原點行程開關后，轉臺停止。

3）轉臺旋轉自動控制要求

（1）轉臺旋轉速度必須三種以上，同時每種速度必須可以任意加減，實現現場調節簡單化，且旋轉速度慢而均勻。

（2）轉臺旋轉角度必須從觸摸屏畫面上顯示，便于設備焊接調整。

（3）轉臺邏輯動作必須滿足現場生產工藝。

（4）轉臺旋轉位置精度必須達到目前焊接產品工藝要求。

2 新控制系統總體方案設計

方案一：采用三菱AD75P1-S3 定位模塊控制三菱MA-J2A 伺服系統，優點：定位精度準確（精度范圍0.000～0.05mm）而且控制系統穩定。但是由于該控制系統的自動控制技術要求很高。且備件購買費用昂貴。

方案二：采用三菱PLC 高速計數模塊A1SD61及OMRON（E6B2-CWZ6C-360P/R）編碼器進行轉臺旋轉位置反饋，通過PLC 邏輯編程控制三菱變頻器及電動機，實現旋轉轉臺控制。優點：①高速計數功能可以正確反饋轉臺旋轉位置，精度準。②變頻器控制交流異步電機調速系統控制穩定。③自身利用PLC 控制變頻器相關技術把握比較全面。④所有備件合成費用比三菱伺服系統便宜很多。

結合上述分析及比較，最終決定采用第二方案進行圓周焊旋轉轉臺進行改造。

改造后的旋轉轉臺控制系統原理，如圖2所示。當旋轉轉臺在某一參考點時，信號經過A1S68DAV轉換到變頻器驅動電動機動作，電動機將完成能量的轉換，將電能轉換成機械能，驅動轉臺動作。位置檢測編碼器也會將轉臺角度傳遞給A1SD61 模塊，通過計算將給于主機脈沖信息反饋，而轉臺旋轉角也會顯示在控制畫面中，這樣就形成了一個閉環控制系統。

圖2 旋轉轉臺控制系統原理圖

3 系統的硬件設計

3.1 硬件選定

1）設備原有自動化控制元件

（1）三菱 A1SJH PLC 一套，I/O 模塊包括A1S68AD、A1S68DAV、A1SX42、A1SY42。

（2）觸摸屏（PRO-FACE 型GP2401-TC41-24）。

（3）DC24V 電源模塊，以及其他相關工控元件。

2）新增加旋轉轉臺自動化控制元件

①三菱A1SD61 高速計數模塊。計數速度設定50KPPS（2）、CHI 脈沖入力電壓設定DC24V。②高速計數編碼器OMROE6B2-CWZ6C-360P/R。③變頻器：由于轉臺旋轉要求旋轉速度慢而穩，負載力較小，以及費用低。故選用基頻以下調速變頻器，三菱FR-S520E-0.4K，輸入三相AC200-AC240V 50Hz 輸出三相AC200-240V，MAX 電流2.5A。④驅動電動機：結合生產工藝要求轉臺旋轉CT 時間為12s 及停止位置準確性。故選用三菱（GM-SFB）三相交流AC200V 0.4K 1∶80 1445r/min 帶制動器DC90V的電動機。⑤繼電器、接觸器、動力控制線、機械傳動齒輪三件及電動機定位支架、編碼器規定支架各一件，其他輔助部件若干。

3.2 旋轉轉臺PLC 控制程序

相關的操作元件明細，見表1。

表1 操作元件明細表

3.3 電氣主接線方式

三菱PLC、觸摸屏、變頻器電氣主接線方式，如圖3所示。

圖3 電氣主接線方式

4 控制系統的軟件設計

4.1 控制系統部分程序流程

根據設備控制要求，程序流程分為轉臺手動控制和自動控制、回原點控制。手動和自動控制程序流程圖，如圖4（a）、4（b）所示。

圖4 手動和自動控制程序

4.2 人機接口HMI 及系統調試

1）HMI 畫面

采用PRO-FACE 觸摸屏GP2401-TC41-24 作為顯示器，通過按鈕和對參數進行設置，可以非常方便的對轉臺進行操作控制。

2）系統調試

旋轉轉臺主要操作畫面，如圖5所示。

圖5 旋轉轉臺操作畫面

對旋轉轉臺角度與旋轉速度進行分析和計算：根據電動機減速比及機械齒輪旋轉傳動比（Z1/Z2= 1∶80，Z2/Z3=3∶7，Z3/Z4=7∶1）已知電動機轉速1445r/min，編碼器360P/R，焊接完成角度為198°，時間為11.5s，焊接工藝要求,起弧焊接角度為10°，時間1s，溶接角度為164°，時間9s，收弧角度24°，時間2.5s。通過計算，起弧轉盤旋轉速度=（焊接角度10°÷360°÷1s）×60=1.66r/min 即1.66×7÷ 3×80=222.2r/min，通過60f/P×（1-S）即=10Hz。溶接焊接轉盤旋轉速度=（焊接角度164°÷360°÷9s）×60=3.04r/min 即3.04×7÷3×80=566.9r/min，通過60f/P×（1-S）即=18.2Hz。收弧焊接轉盤旋轉速度=（焊接角度 24°÷ 360°÷2.5s）×60=1.6r/min 即31.6×7÷3×80=298.67r/min，通過60f/P×（1-S）即=9.6Hz。根據上述的分析得到旋轉轉臺角度與旋轉速度的關系，見表2。

（1）首先將表2中的轉臺旋轉速度及旋轉角度的數值在畫面內進行設置。

表2 旋轉轉臺角度與旋轉速度關系表

（2）手動：手動操作旋轉轉臺，首先將壓縮機調試筒體放入旋轉轉臺內，并通過工件夾緊裝置將工件夾緊，然后在畫面上操作轉臺正轉，當轉臺起動后一直按住正轉按鍵，觀察轉臺旋轉狀況，確認轉臺剎車，停止位置及轉臺角度顯示與實踐是否吻合。經確認無其他問題后，調試轉臺返回原點狀況。確認是否按照返回起動時當轉臺角度大于等于30°時轉臺以30Hz 的頻率返回，K15s 后轉臺以80Hz的頻率運行，當轉臺角度小于81°時轉臺以5Hz 的頻率運行（目的避免返回原點時速度過快）。

（3）自動：手動無異常后，再進行無焊接轉臺自動運轉測試，確認轉臺是否按照表2的設定參數運行。并協同現場確認起弧，溶接，收弧焊接角度及旋轉CT 時間是否在生產工藝要求內。并將焊接成品給現場品質管理人員確認，發現焊接成品后起弧，收弧位置沒有滿足生產工藝要求，重新將起弧，收弧速度設置為：W0A0=9.5Hz，W0A4=9.8Hz。再次測試，成品確認已達到加工工藝要求后，進行試產100PC，無異常進行相關設備參數標準化作成。

5 結論

本系統自改造投入使用至今，軟、硬件方面都運行正常，且直觀、操作方便。同時也大大提高了生產效率，減少了產品的不良率。實踐證明，利用PLC 結合變頻器控制電動機，實現轉臺旋轉是一種可以取代高性能伺服控制轉臺運轉的自動控制方法。

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