单枪环缝焊接设备的电气设计

袁成群

摘 要：本文主要阐述了以单枪环缝焊接系统为例，介绍了企业从订单的生成、方案的设计论证、计划的组织分工、实施过程的组织与监管、直至设备的验收与移交的产品开发全过程。结合自身教学实际，总结了融入企业生产实际的一体化教学过程。

关键词：一体化；单枪环缝焊接系统

1 产品研发实施过程

1.1 系统结构

单枪环缝焊接设备是由位置传感器、执行气缸、自动焊机和操作控制台等组成。具体的系统结构图如图1所示。

1.2 系统功能

该系统通过电气控制实现对机械零件的焊接加工。将电气控制与自动焊接技术相结合，以实现焊接过程的自动化。具体控制要求如下：

（1）电路设有运行指示灯，设备处于停止状态时，红色指示灯亮，设备运行时，绿色指示灯以1HZ的频率闪烁。

（2）电路应具有显示功能，通过触摸屏实时监控各输入输出点的状态、显示当前加工产品的数量，还可设置生产产品计划数及电动机的运行频率。

（3）电路设有急停按钮，当出现故障时，按下急停按钮系统立即停止运行。中途停车再次上电时，可通过错误复位按钮进行系统复位。

（4）具有故障报警功能，有故障时（如电动机过载、按下急停、传感器损坏等），触摸屏上能对应显示故障类型。红色指示灯以1HZ频率闪烁。

2 硬件系统设计

本文中的硬件系统主要是由位置传感器、操作按钮、PLC、气缸、电磁阀、自动焊机、变频器、指示灯、蜂鸣器等组成。

2.1 位置传感器

位置传感器是操作机构在机器的运动部件到达一个预定的位置时操作的一种指示开关。本文中主要设置了焊接旋转重叠感应器、焊接旋转原点感应器和多个气缸限位感应器。

2.2 PLC

根据控制要求分析，根据输入、输出点的数目与输出类型，本文选用三菱FX3U系列PLC。型号为FX3U-80MR它是PLC FX家族中最先进的系列。它最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

2.3 变频器

（1）变频器的选用

采用变频器驱动异步电动机调速。在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器。当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。该系统选用的是380V 1KW的三相异步电机，本文选用的是三菱FR-E700系列变频器。

（2）变频器通信参数

本文采用的是PLC与变频器的通讯实现对电动机的控制，所以根据通讯协议需设置变频器的通讯参数。

2.4 气缸及控制阀

气缸主要作用是通过压缩空气的开关流向实现伸缩和摆动等动作。气缸的种类很多，一般按气缸的结构特征、功能、驱动方式或安装方法等进行分类。分类的方法也不同。按结构特征，气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。

2.4.1气缸的安装形式

1）固定式气缸 安装在机体上固定不动，有脚座式和法兰式。

2）轴销式气缸 缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动，有U形钩式和耳轴式。

3）回转式气缸 缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件自动装卡。

4）嵌入式气缸 气缸缸筒直接制作在夹具体内。

2.5 自动焊机

KR系列CO2气体保护焊机以其先進的控制技术、良好的焊接性能以及高可靠性得到了众多用户的认可。本文选用松下KR-500型自动焊机，该机型适用于多种焊接材料：碳钢、低合金钢、不锈钢实心焊丝；碳钢、不锈钢药芯焊丝；铝及铝合金（硬铝/软铝）、铜及铜合金、镍、钛等有色金属焊丝；镀锌钢板等的焊接工艺。适用焊丝直径：0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm。 适用保护气体：Ar 、Ar+O2、Ar+CO2 、CO2 等其它气体。最突出的特点是采用了脉冲控制方式，松下精确、高速、先进的脉冲控制电路实现了焊接过程一脉一滴的理想过渡方式，从小电流到大电流，均可实现无飞溅的焊接。

2.6 PLC的I/O分配表

根据控制要求分析可列出I/O分配表（省略）。

2.7 PLC硬件电路

根据控制要求分析可知系统均为数字量信号，根据I/O分配表绘制PLC外部接线图如附录1所示。电气连接实物图如图2所示。

3 系统软件设计

在系统软件设计过程中，首先根据系统控制要求和工艺流程设计出系统流程图，然后根据流程图设计出梯形图。

3.1 程序流程图

由系统的控制要求可知，单枪环缝焊接系统的工作流程如图8所示。同时按下1#、2#启动按钮→筒体夹紧→RESO上升→筒顶定位伸出→定位夹紧→筒顶定位退回→左右移位退回→法兰进给→放入工件，1#按钮启动→法兰夹紧→焊枪进给→同时按下1#、2#启动按钮→门帘关闭→焊接工作→焊枪退回→门帘打开→法兰松开→法兰退回→左右移位伸出→定位松开→RESO下降→筒体松开→焊接结束。则完成单循环加工。若需多循环加工，则重复执行以上动作过程。

3.2 程序设计

3.2.1 PLC、变频器的通讯程序

根据控制要求设计出电机控制梯形图。焊接时，电动机带动焊枪做正向旋转运动，当焊接完毕时，电动机带动焊枪做反向旋转运动。程序是通过变频器通讯专用指令IVDR加以实现，焊接速度即电机的旋转速度，均通过触摸屏直接修改其参数实现。

3.2.2报警程序设计

该程序采用报警专用指令ANS实现对系统的报警控制，程序中特殊内部辅助继电器M8049是报警专用指令ANS执行条件。系统在特殊情况下，比如发生急停按钮、空气压力不足、各气缸的感应器的损坏等故障时，特殊内部辅助继电器M8048输出报警信号，触摸屏上显示当前故障情况，报警显示界面如图11所示。

3.2.3手动程序设计

根据控制要求设计出手动控制梯形图。系统的手动控制是通过触摸屏上进行操作的。

4 程序调试

选择好PLC的类型，根据PLC外部电气原理图，检查接线，经检验无误后，接通PLC电源，点击下载，将编译正确的程序下载至PLC上（程序要确保编译无错误，否则无法下载） ，打开监控，以便观察程序运行中各触点的开合情况，方便检查程序错误，最后将PLC置于运行模式，运行程序，开始操作。若操作成功后，先把PLC置于停止状态，关闭监控，再拔PLC电源。

参考文献

（1）《 PLC应用技术》郭庆鼎，王成元， 北京，机械工业出版社，2010

（2）《PLC、触摸屏综合运用》罗慧，尹泉等， 电气自动化，2008.4

（3）《运动控制系统系统设计》董谦，谢剑英， 电气自动化，2009.6