基于PLC的钢筋笼焊点动态定位控制系统

(长春理工大学 机电工程学院， 吉林 长春 130022)

引言

近年来我国高速轨道交通行业和建筑行业发展迅速，在建筑体内起主力支撑作用的钢筋笼[1]需求量巨大。由于钢筋笼滚焊机在我国的应用和研发起步较晚[2]，现有的钢筋笼加工设备在焊接过程中焊接动作不稳定，且焊点焊接时间与钢筋笼转速有关，灵活性差[3-5]。

针对以上问题，本研究基于欧姆龙NJ301-1200系列自动化控制器，设计了一种焊点动态定位控制系统。该系统控制气缸运动， 可对钢筋笼焊点进行捕捉-跟随焊接-回原点等动作循环。该控制系统的优点如下：在跟随焊接过程中，焊枪与焊点之间距离固定，其焊接动作稳定[6]，焊接质量好；采用自动加工方式[7-8]，焊点整齐一致，生产效率高[9]，操作便捷[10]，可对生产过程实时监控，人机交互性好[11-12]。

1 焊点动态定位原理及过程分析

图1所示为钢筋笼结构示意图，在钢筋笼加工过程中，主筋绕钢筋笼中心做定轴转动，同时带动箍筋螺旋状缠绕在主筋上焊接而成，箍筋与主筋的交点即为焊点。

图1 钢筋笼结构示意图

图2所示为焊点动态定位系统结构示意图，压轮气缸带动整个焊点动态定位系统上下运动，水平气缸可以带动竖直气缸在水平方向运动，竖直气缸可以带动钩爪在竖直方向运动。焊点动态定位原理如下：

图2 焊点动态定位机构示意图

首先由压轮气缸带动焊点动态定位系统整体下移，使压轮压在螺旋状箍筋上，由此确定焊点运动平面；在焊点运动平面内，由水平气缸和竖直气缸带动钩爪捕捉主筋，当钩爪捕捉到主筋时，焊点的位置可以由焊点运动平面和主筋所在直线的交点唯一确定，之后钩爪跟随主筋运动，从而实现焊点的动态定位，图3为钩爪局部放大图。

图4所示为焊点动态定位系统气动原理图。由焊点动态定位原理，可将气动回路动作分为：焊点运动平

图3 钩爪局部放大图

面确定和焊点平面内主筋循环定位两部分。

(1) 焊点运动平面确定过程分析如下：由于焊点动态定位系统重量很大，在加工过程中，如果其自身重力全部施加在箍筋和主筋上，将会超过主筋可承受范围。因此在压轮气缸控制回路里添加了平衡重量压力调节阀。在确定焊点运动平面时，压轮下降阀左位接通，使压轮气缸上腔充气，同时压轮上升及平衡重量阀右位接通，气体通过平衡重量压力调节阀进入压轮气缸下腔，在压轮气缸上腔气压，压轮气缸下腔气压和焊点动态定位系统自身重力的共同作用下，压轮气缸活塞杆向下移动，使压轮压在箍筋上，由此确定焊点运动平面。当钢筋笼加工完成后，压轮下降阀右位接通，压轮气缸上腔与大气接通，压轮上升及平衡重量阀左位接通，气体直接进入压轮气缸下腔，使压轮气缸活塞杆向上运动，回到原位。

(2) 焊点平面内主筋循环定位过程分析如下：起初，水平气缸和竖直气缸处在原点位置，钢筋笼旋转，当主筋上升与钩爪接触，此时钩爪捕捉到主筋；在主筋的带动下，竖直气缸活塞杆被动压缩，在水平方向上带动水平气缸活塞杆被动压缩，当主筋旋转到最高点时，开始向下运动，此时竖直气缸活塞杆主动伸出，驱使钩爪与主筋保持接触，水平气缸活塞杆继续被动压缩；当水平气缸活塞杆被动压缩碰触到返程开关时，竖直气缸活塞杆主动缩回，使钩爪脱离主筋，钩爪脱离主筋之后，水平气缸活塞杆主动伸出带动竖直气缸反程运动，当水平气缸活塞杆伸出，碰触到挡块时停止伸出，同时接通原点开关，使竖直气缸活塞杆主动伸出，带动钩爪运动到初始位置后停止运动，等待捕捉下一根主筋。至此，一个焊点定位周期完成。

此外，为了防止气缸运动速度过大，对系统硬件产生冲击，在压轮气缸、竖直气缸和水平气缸的气动回路里都装有调速阀，用来调节各个气缸活塞杆的运动速度。

图4 气动系统示意图

2 PLC控制系统设计

焊点动态定位机构控制系统共有16个数字输入信号：手、自动切换转换开关，开始按钮，停止按钮，急停按钮，压筋气缸上升、下降转换开关，竖直运动气缸上升、下降转换开关，水平运动气缸左移、右移转换开关，竖直气缸上、下限位开关，水平气缸左、右限位开关，原点开关，返程开关；8个数字输出信号：分别控制压筋气缸上升、上腔排气二位电磁阀，压筋气缸下降、重量平衡二位电磁阀，竖直气缸上升、下降二位电磁阀，水平运动气缸左移、右移二位电磁阀。由于钢筋笼箍筋的螺旋状缠绕运动需要在3个电动机的协同控制下完成，所以控制系统选用欧姆龙NJ301-1200运功控制器。该控制器采用模块式结构，背板总线连接，配置灵活、装配方便、便于扩展，用户可根据控制要求灵活地配置各种模块，完善优化控制系统。根据系统需求选用1个16点数字输入模块CJ1W-ID211，1个16点数字输出模块CJ1W-OD211，为方便以后控制系统增加控制点，输出模块留有一定余量[13]。配合触目屏，可实现对生产过程的监控。焊点动态定位机构控制系统硬件配置框图如图5所示。

其I/O输入输出变量地址分配如表1、表2所示。

图5 控制系统硬件配置框图

手动模式按钮I0.0自动模式I0.1开始按钮I0.2停止按钮I0.3原点开关I0.4返程开关I0.5压筋气缸上升开关I0.6压筋气缸下降开关I0.7竖直气缸上升开关I0.8竖直气缸下降开关I0.9水平气缸左移开关I0.10水平气缸右移开关I0.11竖直气缸上限位开关I0.12竖直气缸下限位开关I0.13水平气缸左限位开关I0.14水平气缸右限位开关I0.15

表2 I/O输出变量地址分配表

由于钢筋笼种类繁多，在对不同形状，不同桩径的钢筋笼焊点进行定位时，竖直气缸和水平气缸的初始位置有所不同，控制系统需要具备调节各个气缸初始位置的功能。此外，根据主筋和箍筋的直径不同，焊接时间也会相应变化，返程开关和原点开关的位置也需要作出相应的调整。因此控制系统分为了手动控制和自动控制两种模式。

手动控制模式用于调整竖直气缸、水平气缸以及返程开关和原点开关的位置，另外，压轮气缸的上下运动也是在手动控制模式下完成；自动模式用于正式加工过程。自动控制流程图如图6所示。

图6 自动控制流程图

此外，控制系统设计了急停开关，当发生紧急情况时切断控制信号。控制系统还具备焊点统计功能，返程开关每接通一次，已加工焊点数量增加一次，用于确认焊点焊接率，评估钢筋笼生产质量。

3 结论

本研究分析了钢筋笼加工过程中焊点运动规律，在此基础上，设计了焊点动态定位系统气动原理图，根据气动系统控制要求，制定了焊点动态定位控制方案，基于欧姆龙NJ301-1200控制器，设计了焊点动态定位控制系统。

该系统具有以下优点：可实现对动态焊点的捕捉-跟随焊接-回原点动作循环控制，焊点焊接一致性好；在钢筋笼加工过程中，对动态焊点跟随焊接时，焊枪与焊点相对距离一定，焊接动作稳定；可根据钢筋笼形状和大小作出相应的调整，灵活性好，适应性强；可对生产过程实时监控，交互性好。