可编程步进控制器在整流子点焊机中的应用

金 强，王 亮，方春华

(1.江苏航空职业技术学院文理学院，江苏镇江212000；2.江苏航空职业技术学院工程学院，江苏镇江212000)

0 引言

整流子点焊机广泛应用于微型电机行业，它主要用于将不同规格的微型电机转子整流子换向片与漆包线绕组引线(不必去除表面绝缘层)进行焊接[1]，本文着重介绍了基于可编程步进专用控制器的全数控整流子点焊机控制系统及其程序设计，并且给出了不带衰减和带衰减功能的整流子焊接程序实例，该系统能够自动完成电枢夹紧、预热、焊接、分度及松开的全过程。

1 基于步进控制器的整流子点焊机控制系统设计

1.1 整流子点焊规范及工艺流程

点焊规范参数包括焊接电流、焊接时间、电极压力和电极端面尺寸。在电极的材料、端面形状和尺寸选定之后，焊接电流、焊接时间和电极压力将主要决定点焊接头的质量[2]。对于传统的气压和液压式点焊机，其气阀或液压阀的调节响应速度较慢，因此一般只通过减压阀来调节和稳定电极压力，在焊接过程中不再对电极压力进行实时反馈控制，因此点焊控制的主要任务是实现焊接时间和焊接电流的稳定。

整流子焊接机属于点焊机的范畴，焊接电流和焊接时间是影响焊接性能的主要因数，由于焊接电流一般在焊接前已根据焊接规范设定好，焊接进行中不再调整，当整流子片数比较多时，随着焊点片数的增加，前面焊点的余热大，如果还是按照之前的焊接时间进行焊接，焊接热量就非常大，会造成整流子漆包线因过热而损坏，这就需要焊机在焊接过程中，随着焊点数的增加，能够自动实现焊接时间的减少。本设计采用引进美国技术生产的步进控制器、步进电机驱动器驱动步进电机，可对任意等份整流子分度，分度时只需按动按钮改动一个数据即可，并且可以根据整流子的片数多少调用带衰减和无衰减的焊接程序。

整流子焊接工艺过程如下：

1)接通电路，水路，打开焊接控制器电源开关，此时电源指示灯亮。

2)根据所焊整流子的大小选择适当的焊接规范。

3)根据所焊整流子的等分数，修改设定可编程控制器的分度程序数据。

4)调节上电极的高低和位置，对准整流子焊接部位。

5)按下气动夹紧按钮，快装夹头松开，把电机转子轴头放入快装夹头内，松开按钮，电机转子轴头被自动夹紧。

6)按下启动按钮，设备将自动按预先设定的焊接规范和分度数自动进行焊接，焊接结束后自动返回原始位置。

7)操作者按下气动夹紧按钮，快装夹头松开，这时取下工件，整流子焊接工序全部完成。

1.2 控制系统设计

如图1所示，该电路所用元器件有美国技术生产的三相反应式步进电机90BC340CH[3]，北京斯达特机电科技生产的步进电机驱动器SH-3F090M[4]，可编程步进专用控制器STC-01Z[5]、小型断路器DZ47-63、中间继电器KA、KA1、三个按钮开关(启动、紧急停止、夹紧)。步进控制器的输入有启动和紧急停止按钮，输出有控制步进电机分度转动的脉冲信号CP、方向信号DIR、驱动信号OPTO，还有两路线圈输出，分别控制中间继电器KA和KA1的输出，中间继电器KA的一个常开触点作为焊接控制器的焊接启动信号，中间继电器KA1的一个常开触点控制电磁阀DF，从而控制机头气缸和下电极气缸动作，夹紧按钮控制电磁阀DF1工作，从而控制夹紧气缸动作，气动原理如图2所示。完整的整流子焊接控制过程如下：1)按下夹紧按钮，DF1通电，将整流子松开，装上待焊的整流子后松开按钮，整流子被夹紧；2)按下可编程步进控制器STC-01Z启动按钮，输出1使KA1线圈得电，KA1常开触点闭合，电磁阀DF得电，将上、下电极夹紧加压，延时一定时间后，输出2使线圈KA得电，KA常开触点闭合，从而触发焊接控制器启动，按设定好的焊接规范进行焊接，焊完一点后，按照控制程序，线圈KA1失电，上、下电极松开，由步进控制程序判断焊点的个数，如未焊完，步进驱动器驱动步进电机自动转位，转位后重新使线圈KA1得电，上下电极夹紧加压，延时后，KA得电，焊接控制器启动，如此循环，直到焊完所有的焊点，步进电机回到原点，整个焊接过程由步进控制程序自动完成，焊接结束自动归零，没有分度误差，同时提高了生产效率。

图1 整流子点焊机控制系统结构图

图2 整流子点焊机气动原理图

1.3 步进控制程序设计

图3所示为整流子点焊机的焊接循环图。

图3 整流子点焊机焊接循环图

图3中t1～t8阶段分别为预压、预热、焊接、缓冷、通电间隙、回火、维持、休止过程，其中t2～t4阶段可合并作为第一次通电过程，t6阶段可作为第二次通电过程，根据需要两次通电也可合并为一次通电，在t1～t7阶段一直加压，直到焊接休止t8阶段以后压力才去除，t9～t11分别为步进电机转位前上、下电极松开时间，转位时间，上、下电极夹紧时间，其中t2～t7为焊接控制器的焊接控制时间，其值应小于或等于步进控制器通过延时程序给出的通电时间。当整流子的片数较少时，每片焊点的焊接时间主要由焊接控制器时序控制，此时步进控制程序无衰减功能，每个焊点的通电时间不变，焊接时间为焊接控制器事先设定的值。以下给出一个为不带衰减功能的整流子点焊程序实例：

00 CNT-0 //计数器清零

01 OUT 1NNN //输出1导通，上、下电极夹紧

02 DELAY 100 //预压，延时100ms

03 OUT N1NN //输出2导通，焊接启动

04 DELAY 300 //延时300ms，焊接时间

05 OUT 00N0 //输出1、2不导通，上、下电极松开，一个焊点完成

06 CNT-1 //计数器加1

07 J-CNT 12 022 //计数器超过22，则跳转到12行，蜂鸣器长声报警，焊接结束

08 J-BIT 12 1 0 //输入1紧急停止按钮按下，跳转到12行，焊接结束

09 SPEED 29000 //赋值速度 29kHz

10 G-LEN 1566 //设定步长，1566表示焊点数为22时，步长为1566

11 JUMP 01 //跳转到01行，焊接下一点

12 OUT NNN1 //蜂鸣器长声报警，焊接结束

13 END

实例中，步进控制器STC-01Z的参数设定为：JF=1000，HL=4000，HF=1000 ，BF=1000，CC=0000，NA=***，NB=*** ，由于三相反应步进电机90BC340CH步距角为1.5°，步进驱动器SH-3F090M的细分数设定为40，则步长的计算公式为：

步长=(360°/1.5°*40)/焊点数=9600/焊点数 (细分数40，减速比为1∶1)

当外设减速比为1∶3.59时，步长=9600/22*3.59=1566。

当整流子片数较多时，为减少前面焊点的余热对后面焊点焊接的影响，如果将焊接控制器启动后的通电时间(即图3中的t2～t7)按照每焊几个焊点就减少一定周波(1周波=20 ms)的焊接时间，就可实现热量自动衰减的功能。以下给出一个带衰减功能的程序实例，其中整流子片数为60，细分数为40，步进控制器输出1的延时时间为300 ms，用于上下电极夹紧，输出2的时间也就是焊接时间，从第10个焊点到40个焊点，每隔5个焊点按800 ms、760 ms、720 ms、680 ms、640 ms、600 ms、500 ms递减，第40至第50个焊点按400 ms，第50至第60个焊点按300 ms时间焊接，程序如下：

00 CNT-0 //计数器清零

01 OUT 1NNN //输出1导通，上、下电极夹紧

02 DELAY 300 //预压，延时300ms

03 OUT N1NN //输出2导通，启动焊接

04 DELAY 800 //延时800ms，焊接时间

05 OUT 00N0 //上、下电极松开，焊接完毕

06 CNT-1 //计数器加1

07 JUMP 63 //跳转到63行，焊接最前面10点，判断计数器值是否超过60

08 OUT 1NNN //输出1导通，上、下电极夹紧

09 DELAY 300 //延时300ms

10 OUT N1NN //输出2导通，线圈KA得电，启动焊接第11点

11 DELAY 760 //延时760ms

12 OUT 00N0

13 CNT-1

14 JUMP 63

15 OUT 1NNN

16 DELAY 300

17 OUT N1NN

18 DELAY 720 //延时720ms

19 OUT 00N0

20 CNT-1

21 JUMP 63

22 OUT 1NNN

23 DELAY 300

24 OUT N1NN

25 DELAY 680 //延时680ms

26 OUT 00N0

27 CNT-1

28 JUMP 63

29 OUT 1NNN

30 DELAY 300

31 OUT N1NN

32 DELAY 640 //延时640ms

33 OUT 00N0

34 CNT-1

35 JUMP 63

36 OUT 1NNN

37 DELAY 300

38 OUT N1NN

39 DELAY 600 //延时600ms

40 OUT 00N0

41 CNT-1

42 JUMP 63

43 OUT 1NNN

44 DELAY 300

45 OUT N1NN

46 DELAY 500 //延时500ms

47 OUT 00N0

48 CNT-1

49 JUMP 63

50 OUT 1NNN

51 DELAY 300

52 OUT N1NN

53 DELAY 400 //延时400ms

54 OUT 00N0

55 CNT-1

56 JUMP 63

57 OUT 1NNN

58 DELAY 300

59 OUT N1NN

60 DELAY 300 //延时300ms

61 OUT 00N0

62 CNT-1

63 J-CNT 85 060 //计数器超过60，则跳转到85行

64 J-BIT 85 1 0 //如果输入1导通，紧急停止按钮闭合，则跳转到85行

65 SPEED 29000 //赋值速度 29KHz

66 G-LEN 160 //电机步长为：9600/60=160

67 J-CNT 69 010 //计数器超过10，则跳转到69行

68 JMP 01 //否则跳转到01行，继续焊接下一点，通电时间为800ms

69 J-CNT 71 015 //计数器超过15，则跳转到71行

70 JUMP 08 //否则跳转到08行，继续焊接下一点，通电时间为760ms

71 J-CNT 73 020 //计数器超过20，则跳转到73行

72 JUMP 15 //否则跳转到15行，继续焊接下一点，通电时间为720ms

73 J-CNT 75 025 //计数器超过25，则跳转到75行

74 JUMP 22 //否则跳转到22行，继续焊接下一点，通电时间为680ms

75 J-CNT 77 030 //计数器超过30，则跳转到77行

76 JUMP 29 //否则跳转到29行，继续焊接下一点，通电时间为640ms

77 J-CNT 79 035 //计数器超过36，则跳转到79行

78 JUMP 36 //否则跳转到36行，继续焊接下一点，通电时间为600ms

79 J-CNT 81 040 //计数器超过40，则跳转到81行

80 JUMP 43 //否则跳转到22行，继续焊接下一点，通电时间为500ms

81 J-CNT 83 050 //计数器超过50，则跳转到83行

82 JUMP 50 //否则跳转到50行，继续焊接下一点，通电时间为400ms

83 J-CNT 87 060 //计数器超过60，则跳转到87行，回到起点

84 JUMP 57 //否则跳转到57行，继续焊接下一点，通电时间为300ms

85 OUT NNN1 //蜂鸣器长声报警

86 DELAY 300 //延时300ms

87 GOTO 00000000 //回到原点

88 END

在实际使用中，步进控制器需要配合焊接控制器协调工作，当整流子片数比较少时，其焊接热量主要由焊接控制器精确控制，焊接过程中无须调整设定好的焊接时间，焊接一气呵成，步进控制程序启动焊接控制器后，通电时间无变化。当整流子片数比较多时，在焊接进行时，为了防止余热对后面焊点的影响，需要减少焊接时间，而每次手工调整焊接时间既不现实也不方便，通过设计带衰减功能的步进控制程序，实现了不间断连续焊接，保证了焊点前后一致性，提高了生产效率。

2 结论

基于可编程步进控制器的整流子点焊机控制系统，具有技术先进，操作简便，焊接稳定的特点，该系统的使用进一步提高了整流子点焊机整机的性能，实现了整流子焊接过程自动化。