基于普通車床改造的環縫焊機設計★

黃金超， 顏科紅， 張正豪

（無錫科技職業學院， 江蘇 無錫 214028）

引言

隨著時代的進步、自動化技術發展、數控車床的出現，普通車床逐步被社會淘汰，而工廠里被淘汰的普通車床絕大多數處于閑置的狀態，此狀態造成了巨大資源浪費，外加上數控車床昂貴，因此市場對普通車床改造的需求量是巨大的[1]。

同樣，由于現代人工費用昂貴，市場上的企業早已發明了環縫焊機。環縫焊機是一種能實現各種圓形、環形焊縫焊接的通用自動焊接設備，可用于鋁、碳鋼、低合金鋼、不銹鋼及其合金等材料的優質焊接，但是其價格與數控車床一樣昂貴。

普通車床主要用于加工各種內外圓柱面、內外圓錐面及回轉成形面等。同樣是對旋轉物體進行加工或焊接，通過觀摩環縫焊機的焊接視屏與普通車床加工視屏，發現這兩者的工作運動軌跡相似。

工業機器人是一種面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器裝置。焊接機器人則是由工業機器人和焊接工具結合而成的，工業機器人就是自動化發展的代表產品之一。同樣，采用焊接機器人的結合理念，在普通車床的基礎上使用自動化技術配合焊機工具進行改造。這樣可以為工廠設計出一種價格較低的自動化焊接設備，以提升資源利用效率，減少設備與人員的投入從而獲得更高的利潤，尤其適用于中小型機械行業企業。

1 總體設計方案

本設計決定采用上下位機分布式控制系統結構，主控器與驅動器之間采用接線通訊連接，與總線通訊方式相比，用這種傳統方式通訊雖然在上位機與下位機之間有復雜的通訊接線，但其通信控制程序開發編寫簡單[2]。

根據普通車床改造的環縫焊機的功能需求，本設計采用使用觸摸屏來代替繁多的按鍵開關，通過RS485 通訊與PLC 串聯起來，然后對下位機發送運動命令。上下位機分布式控制系統硬件整體結構方案如圖1 所示。

圖1 上下位機分布式控制系統結構示意圖

2 機械結構的設計

本設計應用于軸類零件的環縫焊接，由于是基于普通車床改造的，所以其工作范圍就是普通車的原本工作范圍。自由度是物體在三維空間下，定位其實際位置，需要對物體進行位置和姿態的描述，此設計焊槍夾具快速調節定位固定裝置要根據焊槍工作而設計。為了保證焊接的可行性，此焊接夾具的自由度選擇應該有6 個[3]。如下頁圖2 所示，改造后的環縫自動焊接設備包含：調速后的普通車床、伺服滑臺、固定夾具、伺服電機組、拖鏈、二保焊機、控制系統、快速調節定位固定裝置。

圖2 改造的環縫自動焊接設備

3 電氣控制部分的設計

作為基于普通車床改造的環縫焊機，要實現的控制有原點復歸運動，單、雙軸運動及焊槍的啟停使用。在可以實現運動控制后，進行觸摸屏程序開發。其中原點復歸運動是指裝有焊槍機械臂在運轉前先進行回零位的運動；單軸與雙軸運動即為控制一個電機運轉還是兩個電機的運動控制；焊槍的啟停則是控制焊槍啟停的繼電器，在PLC 控制系統的控制下與兩個電機協同工作[4]。

控制電路設計包括主控PLC 工作電路與變頻器外接電路設計。其中主控PLC 工作電路是自動化控制系統能夠運轉的基本電路，變頻器外接電路是焊接運行穩定、安全的基礎。本文設計的工作電路是以PLC 控制器為基礎，結合普通車床上安裝的開關傳感器中的近接傳感器，在車床溜板箱超過極限前，通過傳感器發出信號使伺服電機停止；并通過控制箱外側的信號燈做出報警提示。PLC 控制電路原理圖如圖3 所示。

圖3 普通車床改造的環縫自動焊機PLC 控制電路原理圖

4 人機界面的設計開發

本次設計的環縫自動焊接通電后顯示屏將自動啟動，初始界面如圖4 所示，此時點擊“歡迎使用”按鈕則進入操作模式選擇界面，如圖5 所示。進入操作模式界面將有“手動”和“自動”兩種模式可供選擇，按下退出鍵則可以回到初始界面。

4.1 手動模式

圖4 初始界面

圖5 操作模式界面

點擊“手動“按鍵，進入手動界面，如圖6 所示，在該模式下可以進行手動調試。具體步驟如下：首先需要點擊“伺服上電”按鍵，否則除了“上一頁”按鍵外，其余任何按鍵都處于封鎖狀態無法使用。按下“伺服上電”按鍵后就可以全部使用了。上方的四個按鍵“微動”“10%”“50%”“100%”表示速度選擇分別為0.1 mm/s、5 mm/s、25 mm/s、50 mm/s。

4.2 自動模式

點擊圖5 操作模式界面的“自動”按鈕，進入自動操作界面，如圖7 所示。伺服上電啟動后，在“工件半徑“后的輸入框內輸入焊接裝夾工件的半徑，注意數值范圍在0～80，再按下輸入框右側的“導入”按鍵就成功輸入了。用同樣的設置方法依次設置工件長度、焊接個數。右側的四個綠色按鍵“10%”“50%”“100%”表示速度選擇，與手動操作界面功能完全相同。“脈沖清除”功能是清除驅動器程序中的所有運動脈沖，起到復位的作用?！皶和！卑聪潞螅琗、Z軸暫停運動直到按下由暫停鍵變化的“繼續”按鍵后才可以繼續發送未完成的脈沖。

圖6 手動模式界面

圖7 自動模式界面

5 結論

本設計在普通車床的基礎上，通過固定直線模組、快速定位固定裝置、焊槍三者結合形成一種簡單焊接機械臂。再通過車床串聯變頻器從而控制車床轉速，用以保證焊接質量。最后通過PLC 控制系統對車床溜板箱進行運動控制，實現對焊槍運動精度控制，實現了對軸類零件的環縫自動焊接。