砼杆自动焊接设备的研制

屈保中 ，曹文思 ，张国志

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000；2.华北水利水电学院，河南 郑州 450011；3.河南送变电站建设公司，河南 郑州 450006；4.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

0 前言

目前，国内送电工程中混凝土杆的焊接一般采用人工直流、交流焊接。将要焊接的混凝土杆段下面用垫土的方法把整条电杆调整在一条直线上，在焊接部位的地面挖坑，工人在坑中完成杆段接口处的焊接。焊接时工人的体位受到限制，且焊接烟尘不易散开，不但劳动强度大，烟尘对工人的危害也比较严重。焊接工艺受操作手焊接水平、混凝土杆段下面垫土不均匀沉降等因素的影响，容易出现焊接外观工艺不稳定、焊口散热不良，导致焊口附近的砼表面产生裂纹、焊后整条电杆出现弯曲等问题。

随着电力事业的发展，在混凝土杆的焊接施工中，研制能够自动焊接砼杆的装置取代以往的人工操作将具有较大的实用价值，此工艺将提高焊接质量，减轻工人劳动强度。

1 系统组成

砼杆自动焊接的原理来自于管—管全位置自动脉冲熔化极气体保护焊接，此种焊接方式广泛用于石油管道，电厂的水、汽管道的自动焊接中[1-2]。系统主要由硬件和软件两部分构成。硬件组成如图1所示，主要包括发电机、焊机、主控制器、焊接摆动器、全位置焊接小车、专用焊接轨道和自动送丝机构等。软件将上述设备集成为一体，在一个中央控制器的管理下，实现砼杆的全位置焊接。

图1 砼杆自动焊接设备系统原理

2 系统硬件选择

2.1 控制器选型

控制器是砼杆自动焊接设备系统的核心部件，其担负着几个方面的任务：

（1）控制送丝机构起停、行走机构起停、机头调整机构起停、焊机起停、按钮指令输入、指示灯输出等动作控制，这一类均属于开关量输入输出动作，需要在软件内部实现必要的联锁、输入、输出、延时、边沿判断等逻辑控制。

（2）电弧弧光采样输入、焊接电流给定输出、送丝速度给定输出、焊接小车速度给定输出等模拟量采集输入和控制输出。

（3）按照选定的周期定时中断，调用PID调节运算子程序，快速计算并输出控制值，完成闭环控制，这是最重要的任务。必须保证其中断的优先权和定时周期的准确性，这也对PLC系统CPU单元的运算速度提出了要求。

（4）定时完成与智能人机界面TD400C的数据交换，实时显示焊接电压、电流、速度等参数，使操作人员观察；同时也要快速读入操作人员在人机界面上设定的焊接电压、电流、速度、PID值等给定量数值，便于随时调整工艺参数。

（5）通过自身的RS485通讯接口与PC通讯，用于程序修改、下载和运行中变量的实时观测。

2.1.1 控制器类型选择

目前可以选择以继电器、PLC、通用计算机等为核心的控制器。

与继电器控制系统相比较，PLC控制系统各种控制功能是通过编制程序来实现的；适应性强，只需修改程序即可；控制速度快，可靠性高；使用寿命长，有较好的可扩展性，日常维护工作量小等。

与计算机控制系统相比，PLC控制系统只需要较简单的监控软件，价格较低，可扩展性较好。

经过长时间的技术改造和较长时间的实践，PLC与一般工业控制计算机相比优势明显，原因是PLC专为在工业环境下应用而设计。

（1）加入了光电耦合隔离和RC滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。

（2）内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。

（3）采用优良的开关电源，防止电源引入的干扰。

（4）良好的自诊断功能，对CPU等内部电路进行监测，一旦出错，立即报警。

（5）对程序和有关数据用电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态和信息不会丢失。

（6）采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。

2.1.2 控制器型号选取

鉴于对系统可靠性要求较高，选用品质优良的德国西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列小型PLC系统。该系列性能可靠，设计合理，体积小巧，指令功能丰富，运算速度较快，价格低廉，多功能、多用途，具有很高的性价比[3]。特别是其提供基于WINDOWS的编程软件STEP7-WICRO/WIN32，易于使用，结构清晰，并有丰富的在线变量监测功能，方便了今后的调试工作。根据砼杆自动焊接设备的要求，最终选择S7-200的224XPCPU（晶体管输出）。

2.1.3 扩展模块的选型

由于S7-200的224XP CPU仅有一个模拟量输出，需要扩展模拟量输入输出模块。本系统选择10位的D/A模块EM232CN，其相应的输出量为焊接小车、焊接电压、电流等模拟量输出；选择12位的A/D模块EM231，其相应的输入量为电压、电流等模拟量输入。

2.1.4 人机界面和设备选型

西门子PLC与西门子TD400C触摸屏采用直接CPU连接，采用RS485高速PPI通讯方式直接与CPU连接，STEP7 micro/win 4.0 SP4中文版组态，HMI程序存储于PLC，无需单独下载，便于维护。人机界面是控制系统设备运行的操作平台，主要有设备运动控制、焊接工艺参数设置、设备运动参数设置、焊接操作指令、焊接程序运行监控和报警以及反馈故障代码等功能。

2.2 传感器选型

焊枪可靠跟踪焊缝坡口是实现全位置自动焊接最为关键的问题之一，而检测焊缝坡口位置的传感器选择是解决该问题的关键。由于焊接过程中存在焊接弧光、高频脉冲、焊接发热等干扰，造成了传感器选择上的困难。

常用的焊缝坡口检测方法有视觉处理系统和焊接电弧传感器两种。视觉处理系统（如Kyence CV3000）具有设备精密、精度高和处理速度快等优点，但价格昂贵，对现场要求条件较高，特别是对焊接飞溅敏感；为防止损坏传感器需使其提前检测一段距离，无法实现实时检测；焊接电弧传感器可直接安装在焊头位置，精度较高，但无实用产品需要定做，可靠性有待验证。

数字涡电流传感器可直接安装在焊头位置，精度高，取样速度高，造价低廉。

本设计选择欧姆龙直流三线式（E2E-X10ME）传感器判别小车位置，进而确定焊接参数；采用欧姆龙E3Z-T61传感器检测弧光信号，用于判断在焊接过程中是否出现断弧现象，进而为进一步操作提供触发；Kyence EX-422V数字涡电流传感器用于焊缝坡口检测。

数字涡电流传感器焊枪跟踪焊缝坡口步骤为：

（1）在焊接开始前，将焊接小车绕焊缝位置旋转一周。

（2）在圆周上设置24个采样点，采集各个采样点的坡口宽度和针对基准位置的偏移量。

（3）将采集信号存储到控制器。

（4）在相邻采样点之间，根据偏移情况设置焊枪在区间上的运动方式。由于焊缝偏移量较少，可将焊枪在区间中按照偏移量平均移动。

经大量实验，采用本方法可以实现焊枪对焊缝位置的跟踪。

2.3 运动控制选型

运动控制系统包括运动控制机构和运动控制器，是实现小车旋转和丝杠运动的部件。

焊接运动机构包括焊接小车和焊把运动机构。

（1）焊接小车选型。

焊接小车机构包括直流电机、减速机构、外形和磁力轮。具体指标如表1所示。

表1 焊接小车指标

装配完成后的焊接小车在直径400 mm无缝钢管上运行一周，中心偏差小于0.5 mm，在钢管上旋转下坡时行车冲动量小于0.5 mm。

（2）焊把运动机构选型设计选型。

为了实现焊把的运动，并实现较高的定位精度，本研究采用罗升KK605PE-350A2F直线模组和常州双杰BYGH47步进电机。

（3）焊接小车调速系统设计。

焊接小车调速系统采用晶闸管调压调速，通过PLC输出模拟量控制直流电机的电压输入。其原理如图2所示。

（4）焊把运动控制设计。

焊把运动控制采用晶闸管调压调速控制系统和高细分、多状态、高频脉冲控制系统。通过PLC输入方向信号、脉冲信号控制A相和B相输出。步进电机驱动器的单片机电路和控制端子内电路见图3。

2.4 焊接控制器

焊接控制器由焊接开关、焊接触发电路板、焊接变压器、交流电流互感器、送丝机等组成。主要完成焊接信号的检测与传输、执行PLC发出的工作指令。焊接触发电路板安装在逆变焊机中，焊接开关对焊点进行检测、跟踪，并通过触发电路板触发双向晶闸管，再通过焊接变压器产生瞬时强电流，对砼杆连接钢圈实施焊接。送丝机选用南京顶瑞电机有限公司生产的CS201C送丝装置，经改装可以进行手工操作和通过PLC控制操作。

图2 直流电机控制器原理

图3 步进电机驱动器的单片机电路和控制端子内电路

焊接控制器的关键问题主要包括：焊接速度与焊接小车的旋转速度的匹配问题；不同焊接位置参数设置问题。主要归结为焊接参数（焊接电流、电压、焊头摆动速度、焊头摆幅、送丝速度、CO2气体流量）和焊接位置之间的配合问题。

焊接参数的调节由PLC控制器完成。焊接电流和电压通过PID控制方法给定合适的高频脉冲信号；焊头运动通过PLC控制直线模组实现焊头的摆动速度和摆幅的设置；送丝速度则根据焊接参数，通过控制送丝的直流电机实现。具体试验流程为：

（1）设计了工装架，将圆周焊接分为6段，即：仰焊、仰爬坡、仰立焊、俯立焊、俯爬坡、平焊。

（2）在每段上进行大量的实验，取得合理的参数。

（3）在直径为380 mm的钢管上进行实验焊接，进行参数的验证和调整。

（4）在砼杆上焊接，进行最后的参数调整。

2.5 通讯接口

本系统采用两种串口通信方式，分别为RS232、RS458通信。上位机只要具备一个标准的RS232通信接口，即可实现与PLC的数据交换。RS422接口以差动方式传输，具有传输距离长、抗干扰能力强的特点。利用RS422通信，可以快速准确地进行PLC与文本显示器之间的通信。通过TD400C来监控和操作，可以直观地显示各种运行参数和故障代码，从而便于操作与维修；系统的抗干扰能力强，传输距离远，可靠性强，配线简单整洁。

2.6 导轨的设计

根据砼杆的尺寸和对焊接具体位置的要求，对导轨进行了设计。将导轨设计为两个半圆形拼接而成的圆形导轨；导轨表面有两个凹槽，为焊接小车的导向槽；为减轻导轨质量，同时确认焊接位置，将导轨沿圆周均布开12个孔。紧固旋钮用于紧固轨道和砼杆，调平旋钮用于对心轨道和砼杆。

3 控制系统软件设计

程序分为一个主程序和四个主子程序，分别是初始化子程序、手动子程序、数据处理子程序、焊接子程序。主程序用于根据当前用户的操作，选择合适的子程序操作，主程序流程如图4所示。

焊机控制系统程序划分为五个模块，每个模块完成一个特定的任务。为了保障程序和设备的安全、稳定运行，程序初始化成功后，就进行中断子程序目的是让其能够监控全局，对突发事件进行紧急处理，以便在随后的继续运行中保持中断之前的状态。例如，当出现故障时可以暂停，对照显示屏上的故障代码，排查故障。故障解决后，继续运行。

数据处理子程序主要完成数据计算、数据保存、数据恢复等功能。PLC根据当前焊件规格，初始化合理的焊接速度、焊接电流和焊把摆动参数。

图4 主程序框图

4 焊接过程中的冷却问题

为了防止焊接中受热不均造成砼杆裂缝，采用交替焊接、交替冷却的新工艺。具体步骤如下：

（1）在起始位置对砼杆进行打底焊接，实时检测位置。

（2）半周焊完后，返回起弧位置，进行另一半周焊接，退回起弧位置。

（3）触发填充焊接，依次进行盖面，直到焊接完成，给出焊接完成信号，重新初始化程序，以便进行下一工件焊接。

5 结论

砼杆全位置自动焊接设备主要由焊机、主控制器、焊接摆动器、全位置焊接小车、专用焊接轨道、传感器和自动送丝机等构成。通过对焊接小车位置、焊缝坡口和焊接电压、电流的检测，利用PLC技术和PID控制方法，实现砼杆连接件的全位置自动化焊接。此种焊接方式能够解决焊口附近砼的焊后裂纹问题，从根本上消除焊后砼杆变形。

[1]杨学兵，唐 伟.窄间隙TIG/MAG/SAW焊接技术[J].电焊机，2010，40（7）：14-19.

[2]张 涛，桂卫华，王随平.熔化极气体保护焊的直接自适应控制[J].焊接学报，2010，31（4）：25-28.

[3]滕 飞，李红星，王继文.S7_300PLC在水泥粉磨站控制系统中的应用[J].制造业自动化，2010，9（33）：23-26.