螺柱焊机电气控制系统的设计与功能优化

王 超

（1.江苏电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏淮安，223003；2.淮安信息职业技术学院，江苏淮安，223003）

螺柱焊机电气控制系统的设计与功能优化

王 超1，2

（1.江苏电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏淮安，223003；2.淮安信息职业技术学院，江苏淮安，223003）

为了实现大直径螺柱焊的自动化，提出了一种基于三菱可编程控制器MELSEC IQ-F驱动伺服电机驱动系统以及气动装置的自动化螺柱焊系统，在详细分析螺柱焊确定自动焊接的过程，给出系统整体实现方案。给出了三台PLC控制11台伺服电机的的拓扑图。给出单工位工作时的系统的动作顺序图，提供了一个良好的操作界面。经实际运行证明设计可行。针对焊接中弧偏吹现象、焊缝受材料及外界干扰等现象，采取齿型双铜极来实现左右电极接触面相等，提升焊接效果，加装软橡胶实现自动纠正接触面不平等情况，产品经厂家使用证明，焊接的产品达到了企业的要求，极大的提升了焊接的质量和工作效率。

螺柱焊；单工位动作顺序；齿型双铜极；弧偏吹

0　引言

随着机电设备自动化的不断发展，人们的职业健康意识不断增强，原有的手工螺柱焊，面临着对人体健康的伤害、焊接质量无法保障、焊接效率低和成本高等问题。通过自动化装置实现批量上料、下料、定位、夹紧、焊接，提升产品的质量，提高焊接效率，降低企业的营运成本，在当前显得尤为重要。按需求，整个设备分为左右双工位，左右工位可独立进行焊接工作，也可同步配合工作。由上料料盘、双轴取料机械手、双轴焊接机械手以及型材拉料机械手构成单个工位，左右工位共享一个型材拉料机械手。这些机械手间的同步运行是设计的重点和难点，设计中采用Ethernet技术，通过PLC内置Ethernet端口实现PLC和上位机以及PLC间的连接，很好的解决了伺服电机同步问题。由于目前的论文和产品主要面向的对象棒料直径较小，本设计解决了当直径可达10～16mm时，通过采用齿型双铜极和加装软橡胶等措施，减小因直径增大而引起的弧偏吹现象、焊缝受材料表面质量等问题，经试验本设备实现了螺柱焊自动化改造，同时保障焊接质量，提升工作效率，降低了企业成本。

1　技术基础

Ethernet网络即所说的以太网，它是工厂自动化领域用于信息管理层上的网络，它的通信速率高，可达100M bps，以太网模块使PLC可以作为工厂局域网的一个节点，网络上的任何一台计算机都可以实现对它的控制，同时PLC之间也可以互联。IEEE制定的IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准。它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了最大程度的减少冲突，最大程度的提高网络速度和使用效率，使用交换机（Switch hub）来进行网络连接和组织，这样，以太网的拓扑结构就成了星型，但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 即带冲突检测的载波监听多路访问）的总线争用技术。基于Ethernet技术，有利于连接在Ethernet网络上计算机对PLC进行编程和监控，有利于在PLC之间和PLC与计算机之间发送FINS信息，使用Ethernet Fins Gateway能够不必编写FINS指令程序而直接管理信息。使用FTP在CPU单元的存储卡和计算机存储器之间传送文件。处在网络上的不同节点可以通过网关通信，通过FINS指令可实现跨网络的连接。

2　控制系统设计

2.1系统整体方案

焊接采用机械化的自动焊接，将预先放置好的螺柱与型材焊接在一起。型材由人工送上输送线，并推送到拉料机械手初始位置，通过脚踩气动阀控制拉料机械手单线夹紧与松开。螺柱棒料由人工穿上陶瓷环后放置于上料盘的V槽内，通过输送机的前后进级，每次提供一排料，普通短料可放置80只。输送到位的料由取料机械手一次取一件的方式夹取，夹取后提升，提升至一定的高度时，取料机械手自动翻转90度，然后横向移动送入定位完成的焊接机械手的位置，由焊接机械手，夹住螺柱，陶瓷环会自动下滑至型材表面，由陶瓷环机械手夹住，取电电极自动下降至接触到螺柱上端，接触到位后，焊接机械手整体下降至螺柱引弧端与型材表面接触后停止下降并反馈接触信号，再由系统控制给出起弧电压与电流，焊接机械手按系统设置提升一定起弧高度并稳定一段时间，然后焊接机械手下压，下压完成后系统控制使焊机进入收弧状态，收弧完成后焊接机械手与陶瓷环机械手张开然后回退至安全位置，取电电极上升至顶，拉料机械手将夹住的材料拉动一定的距离，进入下一个焊接循环动作，直至整只型材的焊接完成。

2.2控制系统硬件设计

现根据螺柱焊接机械部分的设计要求，共涉及11个伺服电机驱动系统以及一些气动装置，为了实现伺服电动机的同步运行，选用MELSEC iQ-FFX5U系列可编程控制器。

FX5U系列与FX3U相比，搭载了高速CPU，实现1.5k字节/ ms的通信速度，即使扩展使用多台智能模块时，也可最大限度的发挥其作用。最大可扩展16块智能扩展模块，内置2入1出模拟量功能，内置以太网接口及4轴200kHz高速定位功能。可实现每根轴同步起动、停止的控制，通过同步编码器，或实现4 轴同步运行。

内置Ethernet端口通过Ethernet通信端口在网络上最大可以连接8台电脑或设备，可实现连接多台电脑和相关设备。并可对应远程设备的维护或与上位机之间的无缝SLMP通信，非常有效。

本工程使用3台三菱可编程控制器MELSEC IQ-F.，分别做主站点和从站点之用，各个站点之间通过Ethernet进行链接并通过操作台上的触摸屏实现同时控制，这种方法的连接优点是各个PLC之间、PLC与触摸屏之间可以迅速的进行数据交换。

2.3控制系统软件设计

根据系统控制要求，可将系统的控制五个分步。

第一步焊件上料，能够满足直径10～16mm的棒料，带帽与不带帽的螺柱都可使用都能

实现上料。第二步机械手夹紧工件， 由上料机械手将上好陶瓷环的棒料夹住，精准的输送到焊接机械手的夹钳处，气动焊接机械夹钳夹紧螺柱，气动取电电极下压送电，自动上料机械手松下夹钳回初始取料位。第三步装陶瓷环，直接由人工上棒料时，将一次性的陶瓷环装到螺柱上，然后放置于料盘上，等待自动机械手取料，第四步焊接，上料机机械手上完料后，焊接机械手将实现夹住陶瓷环与螺柱，电极下压取电，然后机械手向下压初定位后，上提，起弧，下压，回安全位置的动作。第五步焊接，螺柱上料守成后，整个机械手带动螺柱，实现上提--起弧--下压--冷却--松下--后退到安全位置--拉料机械手拉料--型材由定位台限制型材的四个面防变形、定位偏差。

图2所示的流程图即单工位工作时的系统的动作顺序图，可在触摸屏界面进行工位选择，可根据实际生产需要选择合适的工位。控制系统将根据上述的拓扑结构和流程图进行程序编写以及人机界面的设计，在确保安全生产的情况下尽量保持系统的开放性，以确保系统能够适用于多种不同尺寸的螺柱和型材。

图1　螺柱焊电控系统拓扑结构图

2.4人机界面的设计

人机界面面包括了工位选择，夹手传感器有料感应开关以及针对长短螺柱的料盘选择。同时人机界面还包括了参数设定、手动控制、报警界面、I/O点监控等等。I/O点监控能最直观的反应出机器当前所处的状态，并使得操作人员迅速的进行下一步操作。设备选择开关可进行工位选择、取料焊接夹手的检测开关、长短料的上料料盘选择等等。图3为相关参数设置界面。参数设置界面包含取料手以及焊接手的所有位置和速度的参数设置。型材焊接间距设置界面可对需要焊接的型材上的螺柱间间距进行设置，同时对焊接螺柱的个数进行设定。报警显示界面用于显示机器报警状况，包括机器故障性报警，参数设定错误的报警等等。手动控制界面仅在机器处于手动状态下进行操作，包含了左右双工位的全部动作按钮，用于参数修改后的手动调试等情况

3　实验效果与改进

在确保电路气路的接线正确，分别通电通气进行简单测试；调传感器位置，满足机器运行需求；启动试焊螺柱焊机，掌握螺柱焊接的基本工艺；调试程序动作，满足焊接工艺所需的速度、时间等等；置机器参数，不开焊机进行空动作运行。以上准备均完成时逐步进行具体焊接动作。设计中采用了负极单电极，焊接结果如图3中a）所示，结果表明本机器可以进行螺柱焊接工作，强度测试也表明了焊接出来的成品可以满足客户需求，但是因弧偏吹现象导致焊接表面铁水分布不均的情况。当采用双电极焊接的铁水环绕有所改善，但成型效果依旧不理想，双电极对改善弧偏吹现象有明显效果，但经过多次实验发现简单的双电极并不能稳定焊出均匀完美的焊缝，焊接结果如图3中b）所示。将铜极做成双齿型，减小铜极的接触面，实现左右电极接触面相等，焊接效果趋于完美，但依旧出现因左右电极接触面不等照成的弧偏吹现象，为此在原机构上加装软橡胶可以自动纠正接触面不等的情况，解决弧偏吹问题，达到了理想的效果，如图3中C）所示。

图2　主站点和左站点的配合动作流程图

图3　焊接效果

4　结语

根据三菱可编程控制器特有的Ethernet通讯功能，采用3台三菱MELSEC IQ-F可编程控制器，分别做主站点和从站点之用，各个站点之间通过Ethernet进行链接并通过操作台上的触摸屏实现同时控制。本文给出了三台PLC控制11台伺服电机的的拓扑图，单工位工作时的系统的动作顺序图，并提供了一个良好的操作界面。经焊接试验证明，设计可行，针对焊接大直径螺柱时存在的弧偏吹、焊缝受材料及外界干扰等现象，采取齿型双铜极来实现左右电极接触面相等，提升焊接效果，加装软橡胶实现自动纠正接触面不平等情况，产品经厂家使用证明，焊接的产品质量达到了企业的要求，极大的提升了焊接的质量和工作效率。

［1］张建勋.池强等. 步进式电弧螺柱焊中螺柱送进深度的自动控制水［J］.机械工程学报.2006，（9）：164-168.

［2］周东升.刘大顺. 拉弧式电弧螺柱焊的常见质量影响因素分析［J］；科技向导；2012，（32）：260.

［3］赵红卫，中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究ID］.江苏：南京理工大学，2007.

［4］ MELSEC iQ-FFX5U用户手册

Design and function optimization of electric control system for stud welding machine

Wang Chao1，2
（1.Jiangsu Engineering Technical R&D Center for Equipment Manufacturing of Electronic Products，Huaian 223003，China；2 Huaian Vocation College of Information and Technology，Huaian，223003，China）

In order to realize the automation of large diameter stud welding， based on Mitsubishi PLC programming controller MELSEC IQ-F drive servo motor drive system and the gas dynamic device of automatic stud welding system， automatic welding process identified in the detailed analysis of the stud welding，the system gives the overall scheme is proposed. The topology of 11 PLC control three servo motors is given. The operation sequence diagram of the system is given， which provides a good operation interface. The practical operation proves that the design is feasible. For welding arc partial blow phenomenon， weld by material and the external disturbances phenomenon， take gear type double copper pole about electrode of equal contact surface， to enhance the effect of welding， installation of soft rubber to realize automatic correct contact surface of inequality， products by the manufacturers that use， welding products reached the requirements of enterprises， greatly improve the welding quality and working efficiency.

stud welding；single position action sequence；tooth type double copper pole；arc partial blow

TP393.04

A

2015年江苏省高级访问学者项目（编号2015FX010）

王超 （1972-）安徽肥东人，硕士、副教授、高级工程师、中国科学院合肥物质科学研究院先进制造技术研究所访问学者，主要研究方向：机电控制新技术。