基于PLC的汽車排氣管焊接機的設計

趙 英

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001)

0 引言

隨著社會經濟的發展和人類生活節奏的加快，對汽車的需求量越來越大，生產廠家對汽車及其零部件的生產效率和產品質量都有了更高的要求，排氣管作為汽車上的一個重要零部件，其焊接質量和生產效率也得到了生產廠家的重視。汽車排氣管的焊接質量主要體現在焊點的均勻性和密封性上，而生產效率的高低主要取決于生產設備的自動化水平，因此要保證焊接質量和生產效率，就需要有一臺自動化的焊接設備來滿足生產廠家的需求。基于對焊接設備的深入了解，結合生產廠家對排氣管焊接設備的使用要求，本文提出了一種基于PLC的汽車排氣管焊接機設計方案。

1 汽車排氣管焊接機機械系統組成

圖1為需要焊接的汽車排氣管結構。汽車排氣管焊接機的功能就是將圖1中的前段排氣管、后段排氣管分別與消音器焊接到一起，其焊接部位如圖2所示。焊縫由兩條直線和兩個半圓弧線構成，焊接過程分兩個階段:第一階段先進行焊接部位1的焊接，該階段完成后再將焊接件翻轉180°，完成第二階段焊接部位2的焊接，整個焊接任務由此完成。焊接后，要求焊縫均勻，具有良好的氣密性。

在汽車排氣管焊接過程中，需要焊槍與排氣管之間有前后、左右的水平直線運動以及在豎直平面內的圓弧運動，可將汽車排氣管焊接機在結構上劃分為焊槍左右移動機構、工作臺前后移動機構、焊槍回轉機構、焊接件夾緊機構和遮板升降機構五個部分。汽車排氣管焊接機整體結構如圖3所示。 左右兩個焊槍進給氣缸及與之相配套的導桿等支撐導向機構構成了焊槍左右移動機構；工作臺前后移動電機、工作臺和與之配套的絲杠螺母機構、導軌及軸承等支撐導向機構構成了工作臺前后移動機構；焊槍回轉電機、同步帶傳動裝置與焊槍及軸承等支撐導向機構構成了焊槍回轉機構；夾具、松夾氣缸構成了焊接件夾緊機構；遮板、遮板氣缸構成了遮板升降機構。

圖1 汽車排氣管結構

圖2 汽車排氣管焊接部位示意圖

消音器徑向尺寸較小，這一特征決定了焊接時運動部件移動距離不大，由于焊接時需要焊接件和焊槍移動，而焊接件和焊槍移動時需控制其速度和位置準確度，所以采用具有定位傳動特性的步進電機，而且絲杠螺母傳動精度高，傳動效率高，保證了較好的焊接性能，因此采用絲杠螺母機構實現各個方向的移動。步進電機和絲杠螺母的選型取決于焊接件的移動距離、定位要求及載荷大小，焊接件固定在連接于絲杠螺母的滑塊上，為減小摩擦阻力提高傳動精度，導軌為直線滾動導軌。絲杠傳動過程中既受徑向力又受軸向力，其軸承采用以角接觸球軸承和深溝球軸承組合的布局形式。

圖3 汽車排氣管焊接機結構示意圖

2 控制系統硬件設計

2.1 控制器的選擇

PLC由于可靠性高、功能強、使用方便，能滿足絕大多數場合的檢測與控制要求，因此把PLC作為汽車排氣管焊接機控制系統的核心。本系統采用西門子公司的S7-200系列PLC(CPU226 DC/DC/DC)，系統中有啟停按鈕及限位開關等輸入信號，有步進電機驅動器的高速脈沖、方向控制等輸出信號，輸入信號和輸出信號均為開關量信號。控制系統電路圖見圖4。I/O地址分配見表1。

圖4 PLC控制系統電路圖

系統中焊槍回轉機構和工作臺前后移動機構均采用步進電機驅動，需3個高速脈沖口，而CPU226只有2個高速脈沖輸出口，又由于焊槍回轉與工作臺前后移動分時操作，因此可將工作臺前后移動電機與其中一個焊槍回轉電機共用一個高速脈沖口，高速脈沖口的分時切換可由繼電器觸點實現(見圖4中的KA1)。焊槍左右移動機構、焊接件夾緊機構和遮板升降機構均為氣缸驅動，其中除松夾氣缸采用單作用電磁閥控制外，遮板氣缸、左右兩個焊槍進給氣缸均采用雙作用電磁閥控制，又由于左右兩個焊槍進給氣缸共用一個電磁閥，所以氣壓系統中共有5個線圈需PLC控制，每一個線圈占一個輸出端子。除自動啟停控制外，系統還對各運動保留手動操作控制方式，由于手動控制信號較多，為了減少輸入端子的占用，簡化系統接線，采用西門子公司的MP370觸摸屏實現人機交互，其操作界面見圖5。

表1 I/O地址分配表

圖5 觸摸屏操作界面

2.2 步進電機的驅動

系統中工作臺前后移動電機、焊槍回轉電機為57HS09的兩相混合式步進電機，額定電流為2.5 A，其驅動器選取DM542型步進電動機驅動器，該驅動器直流20 V～50 V供電，其相數為2，分配方式為二相四拍，具有16檔細分功能，可通過面板上的撥碼開關SW5～SW8進行設置。

DM542型步進電動機驅動器有三種輸入端子，分別接入脈沖(PUL)信號、方向(DIR)信號、使能(ENA)信號，均采用差動輸入方式，這些端子均采用共陰極接線方式。脈沖信號頻率的高低決定了電機的轉速，其輸入端子的最大脈沖響應頻率為300 kHz；而方向信號輸入端的高電平和低電平控制電機的正反兩個轉向。

3 控制流程

整個焊接過程是從啟動信號開始的，當啟動按鈕按下后，系統開始自動運行，根據焊槍及工作臺的位置信號判斷工作進程，從而控制各電機正反轉運行以控制圓弧焊縫和直線焊縫的形成，同時控制氣缸的伸縮完成焊接過程的輔助動作。具體控制流程見圖6。

圖6 汽車排氣管焊接機控制流程

4 結語

本汽車排氣管焊接機焊接操作時由于驅動采用步進電機，傳動采用絲杠螺母機構，支撐導向采用直線滾動導軌，從而保證焊縫足夠均勻，通過PLC編程可自動實現焊接操作，效率較高，焊接質量較好。