單槍環縫焊接設備的電氣設計

袁成群

摘 要：本文主要闡述了以單槍環縫焊接系統為例，介紹了企業從訂單的生成、方案的設計論證、計劃的組織分工、實施過程的組織與監管、直至設備的驗收與移交的產品開發全過程。結合自身教學實際，總結了融入企業生產實際的一體化教學過程。

關鍵詞：一體化；單槍環縫焊接系統

1 產品研發實施過程

1.1 系統結構

單槍環縫焊接設備是由位置傳感器、執行氣缸、自動焊機和操作控制臺等組成。具體的系統結構圖如圖1所示。

1.2 系統功能

該系統通過電氣控制實現對機械零件的焊接加工。將電氣控制與自動焊接技術相結合，以實現焊接過程的自動化。具體控制要求如下：

（1）電路設有運行指示燈，設備處于停止狀態時，紅色指示燈亮，設備運行時，綠色指示燈以1HZ的頻率閃爍。

（2）電路應具有顯示功能，通過觸摸屏實時監控各輸入輸出點的狀態、顯示當前加工產品的數量，還可設置生產產品計劃數及電動機的運行頻率。

（3）電路設有急停按鈕，當出現故障時，按下急停按鈕系統立即停止運行。中途停車再次上電時，可通過錯誤復位按鈕進行系統復位。

（4）具有故障報警功能，有故障時（如電動機過載、按下急停、傳感器損壞等），觸摸屏上能對應顯示故障類型。紅色指示燈以1HZ頻率閃爍。

2 硬件系統設計

本文中的硬件系統主要是由位置傳感器、操作按鈕、PLC、氣缸、電磁閥、自動焊機、變頻器、指示燈、蜂鳴器等組成。

2.1 位置傳感器

位置傳感器是操作機構在機器的運動部件到達一個預定的位置時操作的一種指示開關。本文中主要設置了焊接旋轉重疊感應器、焊接旋轉原點感應器和多個氣缸限位感應器。

2.2 PLC

根據控制要求分析，根據輸入、輸出點的數目與輸出類型，本文選用三菱FX3U系列PLC。型號為FX3U-80MR它是PLC FX家族中最先進的系列。它最大范圍的包容了標準特點、程序執行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，可以為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。

2.3 變頻器

（1）變頻器的選用

采用變頻器驅動異步電動機調速。在異步電動機確定后，通常應根據異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器。當運行方式不同時，變頻器容量的計算方式和選擇方法不同，變頻器應滿足的條件也不一樣。選擇變頻器容量時，變頻器的額定電流是一個關鍵量，變頻器的容量應按運行過程中可能出現的最大工作電流來選擇。該系統選用的是380V 1KW的三相異步電機，本文選用的是三菱FR-E700系列變頻器。

（2）變頻器通信參數

本文采用的是PLC與變頻器的通訊實現對電動機的控制，所以根據通訊協議需設置變頻器的通訊參數。

2.4 氣缸及控制閥

氣缸主要作用是通過壓縮空氣的開關流向實現伸縮和擺動等動作。氣缸的種類很多，一般按氣缸的結構特征、功能、驅動方式或安裝方法等進行分類。分類的方法也不同。按結構特征，氣缸主要分為活塞式氣缸和膜片式氣缸兩種。按運動形式分為直線運動氣缸和擺動氣缸兩類。

2.4.1氣缸的安裝形式

1）固定式氣缸 安裝在機體上固定不動，有腳座式和法蘭式。

2）軸銷式氣缸 缸體圍繞固定軸可作一定角度的擺動，有U形鉤式和耳軸式。

3）回轉式氣缸 缸體固定在機床主軸上，可隨機床主軸作高速旋轉運動。這種氣缸常用于機床上氣動卡盤中，以實現工件自動裝卡。

4）嵌入式氣缸 氣缸缸筒直接制作在夾具體內。

2.5 自動焊機

KR系列CO2氣體保護焊機以其先進的控制技術、良好的焊接性能以及高可靠性得到了眾多用戶的認可。本文選用松下KR-500型自動焊機，該機型適用于多種焊接材料：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼實心焊絲；碳鋼、不銹鋼藥芯焊絲；鋁及鋁合金（硬鋁/軟鋁）、銅及銅合金、鎳、鈦等有色金屬焊絲；鍍鋅鋼板等的焊接工藝。適用焊絲直徑：0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm。 適用保護氣體：Ar 、Ar+O2、Ar+CO2 、CO2 等其它氣體。最突出的特點是采用了脈沖控制方式，松下精確、高速、先進的脈沖控制電路實現了焊接過程一脈一滴的理想過渡方式，從小電流到大電流，均可實現無飛濺的焊接。

2.6 PLC的I/O分配表

根據控制要求分析可列出I/O分配表（省略）。

2.7 PLC硬件電路

根據控制要求分析可知系統均為數字量信號，根據I/O分配表繪制PLC外部接線圖如附錄1所示。電氣連接實物圖如圖2所示。

3 系統軟件設計

在系統軟件設計過程中，首先根據系統控制要求和工藝流程設計出系統流程圖，然后根據流程圖設計出梯形圖。

3.1 程序流程圖

由系統的控制要求可知，單槍環縫焊接系統的工作流程如圖8所示。同時按下1#、2#啟動按鈕→筒體夾緊→RESO上升→筒頂定位伸出→定位夾緊→筒頂定位退回→左右移位退回→法蘭進給→放入工件，1#按鈕啟動→法蘭夾緊→焊槍進給→同時按下1#、2#啟動按鈕→門簾關閉→焊接工作→焊槍退回→門簾打開→法蘭松開→法蘭退回→左右移位伸出→定位松開→RESO下降→筒體松開→焊接結束。則完成單循環加工。若需多循環加工，則重復執行以上動作過程。

3.2 程序設計

3.2.1 PLC、變頻器的通訊程序

根據控制要求設計出電機控制梯形圖。焊接時，電動機帶動焊槍做正向旋轉運動，當焊接完畢時，電動機帶動焊槍做反向旋轉運動。程序是通過變頻器通訊專用指令IVDR加以實現，焊接速度即電機的旋轉速度，均通過觸摸屏直接修改其參數實現。

3.2.2報警程序設計

該程序采用報警專用指令ANS實現對系統的報警控制，程序中特殊內部輔助繼電器M8049是報警專用指令ANS執行條件。系統在特殊情況下，比如發生急停按鈕、空氣壓力不足、各氣缸的感應器的損壞等故障時，特殊內部輔助繼電器M8048輸出報警信號，觸摸屏上顯示當前故障情況，報警顯示界面如圖11所示。

3.2.3手動程序設計

根據控制要求設計出手動控制梯形圖。系統的手動控制是通過觸摸屏上進行操作的。

4 程序調試

選擇好PLC的類型，根據PLC外部電氣原理圖，檢查接線，經檢驗無誤后，接通PLC電源，點擊下載，將編譯正確的程序下載至PLC上（程序要確保編譯無錯誤，否則無法下載） ，打開監控，以便觀察程序運行中各觸點的開合情況，方便檢查程序錯誤，最后將PLC置于運行模式，運行程序，開始操作。若操作成功后，先把PLC置于停止狀態，關閉監控，再拔PLC電源。

參考文獻

（1）《 PLC應用技術》郭慶鼎，王成元， 北京，機械工業出版社，2010

（2）《PLC、觸摸屏綜合運用》羅慧，尹泉等， 電氣自動化，2008.4

（3）《運動控制系統系統設計》董謙，謝劍英， 電氣自動化，2009.6