自动焊接机

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自动焊接机范文第1篇

关键词：高压油管；焊接；PLC；自动控制

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）19022201

高压油管是高压油路的重要组成部分，对耐压性、抗疲劳强度，以及密封性都有较高的要求。高压油管自动焊接机是通过设计合适的自动焊接装置、配套的焊接工装，在合理的焊接参数下，由控制系统控制操纵台，实现油管的自动焊接。因此，控制系统的好坏对焊接品质、焊接效率、缩短操纵台的生产周期，保证焊接的稳定性和一致性等方面起关键性作用。本文研究一种基于PLC的高压油管自动焊接机控制系统。该系统采用立式环焊缝焊机结构，以PLC为控制核心，实现焊接丝和主机的自动控制，通过机械手及固定模具，进行工作的快速装夹与焊接，采用CO2气体保护焊接工艺、自动控制焊接速度等，以达到自动、精密、清洁、高效的焊接质量要求。

1 高压油管自动焊接机工作原理

高压油管自动焊接机主要包括CO2气体保护焊接设备、气缸、自动送焊接丝设备、旋转焊接机构及控制系统及机架等，通过操作面板对焊机的电流、电压的调控，进而实现对自动焊接参数设定，气缸部分控制机械手的伸缩以夹紧工件，使其固定在模具中，从而满足焊接零件之间的精确对接与焊接工艺要求。旋转式焊接机构为焊接机械的关键部件，有立式和卧式结构之分，本设计采用立式结构，其旋转焊接机构示意图如图1所示。

图1 高压油管自动焊接机旋转焊接机构示意图

图1中的旋转焊接机构由工作台及与其相固联的立柱与卡盘等部件，通过卡盘固定模具，进而因定焊接件，工作台下端联接直流电机以驱动转台，进而带动焊枪绕卡盘中心旋转，实施匀速焊接，气缸用于控制进退枪动作。在主轴的转台内侧装有一接近开关，可保自焊枪转动一圈后自动停止。焊枪由CO2气体保护焊接机引出。

2 系统控制方案分析

本系统主要控制项目有焊接机的电流、电压控制、送丝速度控制、焊接速度控制即旋转台速度控制，工件夹紧气缸控制和进退枪控制等，还需具有手动与自动控制两种功能。

焊接机电源、电压的调整通过控制面板设定完成，操纵台采用直流电机驱动，电机速度控制通过控制PWM直流调速电源的输入量实现。该三项功能由于手动十分困难设定，正常作业前，根据工件的情况进行调整，正常作业时无需调整。PLC控制系统部分主要用于实现控制直流电动机的正、反转，气缸伸、缩以控制进、退枪，点焊控制，起停，实现手动与自动功能等。

3 基于PLC的控制系统设计

3.1 PLC电气控制原理图设计

由上述分析知，系统具有基于PLC的手动与自动控制性能。因此，通过PLC可实现系统焊接工作模式设置、控制系统的各种功能，从而实现对焊接机进行上述的控制。结合集成部件中的设定电流电压及电机速度，可以得出，本设计中至少需要10输入点和7个输出点，如果将所有信号均通过PLC控制，这时不仅开关IO的端子数有所增加，还需增加三个通道的模拟输入输出模块，目前可采用最为适用的方法进行端子分配与设计。

结合现有情况，系统选用PLC的型号为：FX2N-32MR。PLC电源电压为AC220V。信号输入均为开关量，采用内部提供的DC24V电源。系统中的输出端子直接控制继电器线圈，选用继电器线圈额定电压为DC24V，且由外电源对输出端供电。I/O的端子及地址分配表如表1所示。

在控制电路的设计中，根据端子分配表中对应关系进行电路设计，对于正常工作时不动作的输入信号，输入端子尽量用常开触点接入，以实现编程时内部触点状态与外部保持一致，且可以达到减小输入端子通电时间的效果，本设计中，SB7分别指示手动和自动，使用拔钮开关或带自锁的按钮开关，由于焊接过程到

达挞接处时，还需要焊枪运行一适当的距离，从而使接头充分对接，这就需要在旋转支架到达传感器时还需要有一定的延时，且这一延时时间随加工工件的大小而异，需要便于调整，而使用PLC中的定时器不便调整，这里使用一个独立的时间继电器完成此项功能。为了避免正反转，进退枪同时动作，除梯形图互锁外，还需要电气互锁，且体电路如图2所示。

图2 PLC控制电路的电气接线图

3.2 PLC程序设计

本系统中，由PLC控制部分的主要功能有进退枪、正反转，且可点动控制，点焊功能在点动正转基础上，增加焊机的控制；手动控制为手点情况下：在点动正转基础上，增加焊机与电机的控制；自动状态下：如果在起动工作过程中，只能由停止按钮或急停按钮使其停止，其他按钮不起作用，可调速和调电流电压如在停机状态，可以对任何按钮进行操作。经过上述分析，可应用经验设计法完成PLC梯形图设计，并在脱机状态进行调试，合格后进行现场调试。

4 现场调试

在高压油管自动焊接机安装完成后，首先检查自动送丝机、气缸、电动机、面板、焊接旋转支架等是否连接正确。具体调试步骤：（1）按下夹紧按钮，观察夹紧气缸能否夹按照给定的速度进行伸缩，夹紧机构可否灵活调节，如将工件一起夹紧，观察能否与卡盘上的模具中的接头工件紧密配合；（2）按下电机启动按钮，观察电机能否带动齿轮进行正传、反转以及停止；（3）观察能否通过PWM调速电源来调节转动速度；（4）按下面板中的进枪按钮，进行焊接，观察电流、电压大小是否符合焊接的速度要求；（5）观察自动送丝机是否正常送丝且送丝速度正常；（6）在气体保护焊设备下观察焊接时是否存在焊丝飞溅的问题；（7）按下急停按钮，观察能否断电停止，焊接工件能否保持停电前的状态；（8）焊接完成后观察焊口是否平滑且无缺口。

在确认硬件安装连接无误后，检查PLC编程，严格按PLC端子分配表与接线原理图装接主电路与控制电路。应用GX Developer8.34L-C三菱编程软件，打开工程，并在STOP状态接通PLC电源，将梯形图写入PLC中，如果计算机与PLC保持连接状态，此时将程序显示窗口置监控状态。按照被控设备的动作要求利用按钮开关进行调试，修改程序直到达到设计要求。

5 结论

本文对基于PLC的高压油管自动焊接机的控制系统进行了分析与设计，具体分析了高压油管自动焊接机的工作要求，确定了以高压油管和接头、气体保护焊和自动焊接机的设计方案，着重设计了PLC自动控制系统的软、硬件，给出端子分配，并设计出外部接线图及程序。经现场安装调试表明，本文提出的设计方案可以满足生产要求，并能提高生产效率，提高焊接质量，并有一定的灵活性和适应性。

参考文献

[1]毕宗岳.连续油管及其应用技术进展[J].焊管，2012，（09）：512.

自动焊接机范文第2篇

关键词：自动焊接；工程机械焊接；发展

科学技术是保障产品质量和提高生产效率的基础，也是促进国家各方面事业迅猛发展的源泉和动力，对于工程机械焊接这个行业来说也不例外。自动焊接技术可以有效提高产品的密度和精度，而且还能够延长产品自身的使用寿命，进一步降低企业在产品生产方面的投资成本，这样可以进一步提升企业整体的经济效益以及市场竞争力。目前我国操作人员的整体素质和科学技术水平仍然处于落后地位，因此，在工程机械焊接领域更应该选择更加先进、科学的自动焊接技术。

1自动焊接技术所具备的主要特点

（1）能源消耗降低，节省能源。与其他类型的焊接设备相比，自动化焊接设备能够将产生的热量进行集中，而且很少会出现热量分散的现象，所以其产生的热量不会在短时间内消失，这样能够有效地降低焊接设备对于电能的损耗。同时，使用自动焊接设备进行薄板的焊接和加工时，由于自动化焊接设备不需要和传统的焊接设备一样开坡口，这使得金属材料不会发生到处溅出的现象，这样能够在很大程度上节省原材料[1]。（2）工作环境良好。通常，使用自动化焊接设备都会配备隔离罩，这样能够有效地隔离焊接时所产生的烟雾，而且有些自动化的焊接设备在使用时不会产生强光，也几乎不会产生烟雾，操作人员在日常工作中操作自动化焊接设备时，不需要进行长时间作业，只需要输入几个操作指令就能够完成整个焊接工作[2]。（3）经济性和可靠性较高。目前国内有越来越多的厂家开始生产自动化的焊接设备，厂家会拥有对焊接结构和焊接操作有深入了解的研究人员，而且具备较为成熟的配套技术。一般而言，这种类型的厂家生产出的自动化焊接产品就能够满足建设普通轨道的施工要求。另外，自动化的焊接设备具有很高的可靠性，而且加工和设计成本较为廉价，一般造价在30万元左右，和造价在百万元以上的焊接机器人进行比较，其设备对于实际物质和外观的要求不高，这能够吸引不少工人专业技术水平较低的机械生产加工企业。因此，自动化的焊接设备可以说在工程机械焊接领域有着十分重要的地位，而且实用性和可靠性较强[3]。（4）操作十分简便且方便维护。自动化焊接设备一般是针对特定的焊接形式、焊接结构和焊接工艺进行专门设计的，因此，这种焊接设备所具有的功能比较单一，其设备结构也比较简单，进行作业的人员仅需要搞清自动化焊接设备的内部结构和操作性能，就可以对整台设备进行日常操作以及维护。（5）技术水平较高。自动化焊接设备可以对薄壁材料和要求加工精度较高的零部件进行焊接，由于不是采用手动焊接的方式进行操作，这使得自动化焊接设备能够选择多种介质的焊源。例如，可以运用激光来加工出宽度小、深度高的焊缝，由于激光技术，可以造成很小的热影响，这使得零部件仍然能够保持加工以前的形状，而且运用激光进行焊接具有较高的速度，这使得焊缝的外形也十分美观。

2自动焊接技术对于工程机械焊接行业的意义

由于我国进行钢材焊接工作需要损耗数量巨大的原材料，运用自动焊接技术可以有效地提升进行焊接的效率，采用自动焊接技术已经成为工程机械焊接行业的关键组成部分。与其他类型的焊接技术相比，自动焊接技术具有十分明显的优势，可以提升焊接操作人员整体的工作效率，也能够在一定程度上缓解工程企业内部的人才矛盾，进一步降低人力资源方面的成本和企业整体的投资成本。在传统的焊接作业过程中，不仅劳动强度很大，而且还会产生对人体有伤害的弧光，自动焊接具有较高的安全性，而且不会产生损害工人健康的弧光。另外，现阶段进行焊接加工的产品都是重机械，对于机械的精度以及焊接质量方面有着越来越高的要求，而传统的手工焊接无法完成这种类型的重机械焊接作业。在科技迅猛发展的现在，企业要想在市场竞争中占据优势地位，就需要不断创新生产和加工技术。因此，在工程机械焊接领域中应用自动化的焊接技术是十分具有必要性，而且符合时展潮流的[4]。

3自动化焊接在工程机械制造领域的发展趋势

（1）智能化方向。在工程机械加工领域应用自动化焊接技术应当朝智能化方向发展，因为使用智能化产品可以有效提升产品的生产效率，而且能够保障产品的生产质量，做到省时省力。为了使自动化焊接技术可以向智能化方向不断发展，相关企业应当在机器人和焊接专机等设备上不断创新。一旦设备落后，那么将无法进一步提升进行焊接作业的效率。通过不断创新和改善硬件，能够使得工程机械领域的焊接加工操作变得更具智能化。自动化焊接系统向智能化方向发展，可以帮助操作人员进行随时随地的控制，而且可以有效地监督和管理产品的焊接质量，及时发现问题和解决问题。（2）在社会的多领域进行广泛应用。焊接技术的改进，使得其在社会的多领域开始被广泛应用，例如建筑行业、电力设备和汽车制造加工业、铁路建设、船舶制造业等行业。自动化焊接设备逐渐朝高品质的方向发展，同时焊接的自动跟踪技术也逐渐成为自动化焊接技术的热点发展方向。这种焊缝的跟踪技术蕴含了诸多学科的专业技术，包括焊接、流体、计算机、结构和材料等专业领域的学科技术。焊缝的跟踪技术可以说进一步的推动了自动焊接这项技术的发展，而且可以大大减少进行自动焊接作业的准备工作，进一步提升了焊接产品的质量和加工精度。（3）生产企业加大对自动焊接技术的需求。随着工程焊接领域的快速发展，客户也更加注重焊接产品的质量，生产企业开始加大对自动化焊接技术的需求。为了使焊接质量能够得到保证，这些企业加大了对自动化焊接设备方面的需求。另外，由于在工程机械焊接领域自动化焊接设备得到了广泛应用。所以焊接结构的设计标准和制造标准也需要统一，这样有利于焊接设备能够稳定、高效地进行作业。

自动焊接机范文第3篇

关键词：封闭箍筋；自动化；焊接技术；装配式

目前，我国装配式建筑政策利好，PC预制构件需求量急速增加，但是整个行业自动化、智能化程度低是制约行业健康发展的主要因素，尤其钢筋加工环节普遍采用人工加工，耗用大量人力，生产效率极低，质量非常不稳定，急需进行自动化、智能化改造。目前，建筑用钢筋箍筋大多采用开式，接口处有2个135°拉钩式的箍筋，拉钩长度为10倍钢筋直径，这样的箍筋无论是自身性能，制作加工，还是安装，都存在如下不利之处：（1）该形式箍筋未完全形成封闭式，在强大的外力作用下，未断母材之前势必会开口，未完全发挥紧固的作用；（2）2个拉钩的存在对钢筋的使用是一种浪费；（3）拉钩的存在影响安装效率，且影响了混凝土灌注进度，可能造成振捣不均，降低钢筋混凝土强度[1]，在梁柱节点等钢筋较密集处，易造成钢筋定位困难，位置偏差较大，致使结构抗震能力大幅降低，同时由于拉钩的存在使钢筋间隙较小，在混凝土浇筑过程中混凝土振捣棒难于插拔，柱脚位置难以下棒，给混凝土浇筑振捣带来较大难度，很容易出现孔洞或露筋等问题，影响混凝土结构的受力性能[2]。封闭箍筋的加工工艺简化，减少了搭接部分的弯钩，尺寸易于控制，形成的箍筋成品整体性能好，安装过程中不易变形，有利于结构钢筋绑扎的整体几何尺寸控制。同时由于没有弯钩，绑扎时减少了阻碍，能提高施工效率[3]。封闭箍筋已经被广泛接受和认可，已纳入《混凝土结构工程施工规范》，在贵州、重庆、陕西等省市的建筑施工中得到了较多应用，并相继了《混凝土结构工程闪光对焊箍筋施工技术规程》地方标准。目前封闭箍筋在制作时，多数采用现在应用广泛的数控弯箍机加工出半成品封闭箍筋，然后转运到焊接区域，人工将半成品箍筋待焊接端头定位在焊接电极块上，手拉顶推杆掌控散光对焊机对半成品封闭箍筋进行闪光对焊[4]。然而，以人工手动焊接方式制作的封闭箍筋存在焊接接头质量不稳定、制作效率低下、劳动强度大、用工多、劳动环境差等问题，极大地制约了封闭箍筋的推广应用。为了解决上述问题，公司联合其他单位对封闭箍筋自动焊接的关键技术进行了研发攻关，开发了封闭箍筋自动化焊接生产线，取得了良好效果。

1自动化焊接生产线

封闭箍筋自动化焊接生产线总体参数见表1。自动焊接生产线只需人工进行简单挂料和收料操作，即可实现自动送料、接头对中及焊接。设备主要由上料系统、显示控制系统、自动对中、焊接系统等组成。采用先进的自动控制技术与变频焊接技术，通过数字控制系统中的参数设置可实现不同长度、不同宽度、不同直径封闭箍筋的自动化焊接。（1）上料系统—包括上料机构、影像机、光源、镜头等检测机构。工人按要求将待焊箍筋半成品放入上料输送挂钩上随着链条向前运动，当影像机检测到当前位置有箍筋时上料机构停止运动，焊接夹爪将夹取待焊箍筋进行焊接。（2）自动对中及焊接系统—焊接机自动上下料自动对中自动焊接。自动上下料机构进行箍筋抓取并将箍筋未焊接侧放置于箍筋焊接机上，对中气缸快速对中，对中完成后进行焊接。（3）显示控制系统—显示屏、操作按键、键盘鼠标。这一部分是设备控制的核心，主要包括设备的启动与暂停、不同尺寸焊接箍筋参数的设置、故障报警及处理方法提示等。（4）下料系统—焊接完成后，下料机构手爪将焊接完成的箍筋从焊机上取下，并将其放置于下料小车上，当下料小车码放箍筋数量达到设定值时，自动上下料机构停止运行并报警提示，人工将已放满下料小车推走并换上空的下料小车，系统将再次启动。自动生产线设备组成和工艺操作流程如图1、图2所示。

2关键技术

结合国内箍筋加工制作及手工焊接设备，重点研究了快速上料、整形对中及焊接控制等关键技术。

2.1快速上料技术

上料输送线包括机架、输送链条安装在机架上，链条中间和尾端为取料口并位于上下料机器手上方，输送链条上设置有多个用于悬挂箍筋的挂钩并连接伺服电机。运行时伺服电机带动输送链条步进运行，人工将待焊接的箍筋挂置于上料机构的挂钩上，未焊接的箍筋随着链条的运动向前快速移动，当影像机检测到当前位置有箍筋时，上料机构停止，自动上料机器人手抓开始，每隔1个挂钩夹持1个箍筋，实现了2台机器手交替夹取待焊箍筋进行焊接，大大提高了焊接速度。

2.2整形对中技术

箍筋整形机构包括下压气缸、长边压料气缸、推料气缸、线性滑轨、短边整形V型槽、长边整形V型槽、箍筋托板等，如图3所示。上料手爪抓取箍筋，通过Z向电动滑台提起箍筋，上料手爪沿X向电动滑台移动到整形对中和焊接设备正对面，将箍筋旋转90°处于水平方向，通过Y向电动滑台将箍筋开口处送动到短边整形V型槽上方，上料手爪张开，箍筋准确落入V型槽中，长、短边压料气缸下压对箍筋两侧焊接接头进行三维整形并对中。创新的长、短边V形整形对中机构，短边V形整形对中机构与焊接压头的一体化设计，彻底解决了箍筋焊接时接头极易错位的问题，为箍筋焊接质量的保证打好了基础，如图4所示。

2.3焊接控制技术

本课题研究的钢筋箍筋自动化焊接技术，广泛用于装配式建筑预制钢筋箍筋的焊接，适应箍筋规格广，可实现批量化自动化焊接工作。设备包含箍筋传送系统、整形对中焊接系统、循环冷却系统、电气控制系统等。为保证箍筋焊接质量，首先对焊接控制系统进行优化，采用变频控制系统，降低了电网对输出电压和功率的影响，能大大提高焊接质量的稳定性；其次对不同厂家、不同批次钢筋原材的焊接参数进行系统试验测试，包括焊接电流、焊接时间、顶锻留量、顶锻压力等。钢筋断面不齐对焊接质量有很大影响，对调直弯箍机的切断头进行改进，增加箍筋接头端头平直检查工序，控制断面高差在0.5mm之内，解决了箍筋端头不平直造成的焊接不合格问题；在大批量焊接前创新性增加工艺检验环节，能够确保将设备焊接参数调整到最优状态。与采用绑扎弯钩箍筋工艺相比，焊接封闭箍筋可对芯部混凝土形成侧向约束压力，大大增强构件的承载能力和延性，特别是高配筋率柱、受扭梁和有抗震设防要求的钢筋混凝土结构的整体性能明显提高。针对目前传统设备箍筋焊接自动化智能化水平低、劳动强度大、质量稳定性差、产品合格率低、生产效率低等突出问题。本课题突破传统箍筋焊接机的“立式单图1封闭箍筋自动化焊接生产线设备组成点焊接”模式，研发的“封闭箍筋自动化焊接生产线”采用开口箍筋垂直化输送与水平焊接技术，通过智能化识别与特制夹持系统保证开口箍筋焊接形位精确、稳定控制，封闭焊接箍筋尺寸误差小、平整度好；针对国产钢筋特点，自学习功能实现焊接参数（钢筋类型、钢筋直径、焊接电流、时间等）智能化调整，提高焊点质量均匀和焊点强度；通过产品迭代升级，实现了封闭箍筋焊接机定型化生产。焊接设备总功率约为传统半自动设备总功率的1/2，节能减碳和降低成本效果显著。

3应用效果

研究的设备制作的封闭箍筋焊接合格率稳定提高到95%以上，解决了箍筋焊接质量合格率偏低的行业难题，打通了目前钢筋加工环节工业化过程中的一大堵点；该设备生产效率高，减少劳动用工50%以上，劳动强度大大降低，劳动环境得到改善，安全性明显提高；同时，自动焊接封闭箍筋大量推广应用，还会提高工程质量和施工效率，降低工程造价。利用自主研发的焊接封闭箍筋设备，公司实现了京津冀8个生产基地钢筋加工配送一体化，在承接的多个工程项目预制构件中进行了大规模的应用，为今后在装配式和现浇混凝土工程中进行大规模应用打下了良好基础。截至目前，公司共使用焊接封闭箍筋1000多吨，减少钢筋用技术工人、节约钢筋、节约用电，降低成本50多万元。公司在此基础上开展了钢筋配送业务，已初步承接了1000多万元的订单。如在全国推广，将产生更大的经济和社会效益。

结论

（1）封闭箍筋自动化焊接生产线只需要人工进行简单挂料和收料操作即可实现自动化焊接，焊接合格率稳定提高到95%以上，解决了封闭箍筋推广应用中最关键的技术难题。（2）通过快速上料、整形对中和焊接控制等关键技术的研发，实现了封闭箍筋的上料、夹爪抓取、整形对中、焊接和下料等过程的自动化，保证了焊接质量，提高了焊接效率，节省人工50%以上，而且明显降低劳动强度、改善劳动环境、提高安全性。

参考文献：

[1]赵红学,侯爱山,纪恩龙.焊接封闭箍筋自动焊接技术的研究[J].建筑机械化,2015,36(6):51-52.

[2]刘吉林.电阻压接焊封闭箍筋技术特点与应用[J].中国建材科技,2018,27(2):150-151.

[3]何理,欧阳宁静.闪光对焊封闭箍筋施工技术应用[J].重庆建筑,2011,10(9):4-6.

自动焊接机范文第4篇

关键词：2M头；同轴电缆；自动焊接

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（b）-0000-00

1 设计原则

1）全自动/半自动可调。整个焊接过程可实现全自动控制，无需手动操作，同时也可根据实际需要，手动更改设置，实现半自动控制，提高操作灵活性。

2）便携性。系统体积较小，且重量较轻，具有良好的便携性，可在现场操作。

3）可视化操作。整个焊接过程可通过电子显示屏观察到，并可对焊接点进行局部放大，避免肉眼观察产生的误差。

4）采用精密焊接工艺。整个焊接过程将采用电动控制，避免手动操作带来的误差，提高焊接精度。

5）实时检测功能。系统将集成一套实时检测装置，可在焊接过程完成后实时检测焊接是否成功。

2 主要研究内容

1）机械结构设计

同轴电缆与2M头的硬配合主要通过程控送线器结构实现，采用三度空间方位调节，使得同轴电缆与2M头之间的接触不需经过操作者的双手，即可实现稳定可靠地接触。焊接头与焊锡的对接功能采用机械液压传动方式[1-2]，其系统内部工作原理图如图1所示。

2）图像采集系统设计

图像采集系统主要负责焊接状态的实时显示和状态判断功能，嵌入系统通过图像采集驱动电路控制带自动聚焦功能的摄像头，利用两个锁存器分别锁存状态和图像数据，处理器通过两个I/O端口分别读取[3-4]，其控制原理图如图2所示。

3 结论

2M头同轴电缆可视化焊接系统可广泛应用于电力系统中同轴电缆接头焊接的各个环节。该套系统的应用可极大缩短焊接时间（焊接时间95%），可极大程度的降低成本，减少不必要的资金浪费。系统集成的检测模块可同时在线检测线路导通状态，免去离线检测带来的时间和劳动成本增加

参考文献

[1]陈善本，林涛等.智能化焊接机器人技术.北京：机械工业出版社，2009.4-5

[2] 刘世强.传感技术在自动焊接中的应用.传感技术，2010，Vol.12（3）：28-29

自动焊接机范文第5篇

关键词： PLC； 空间曲线； 机械臂； 焊接； 定位精度

中图分类号： TN609?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）17?0160?03

Design of automatic welding system for irregular space curve based on S7?300 PLC

HE Long

（Chengdu Aeronautic Polytechnic， Chengdu 610100， China）

Abstract： For the characteristics of welding seam and welding requirements of spiral component， a set of automatic welding system for irregular space curve based on S7?300 PLC was designed. System composition， work principle and software algorithm of the whole control system are introduced. In the control of mechanical arm swing， the high accuracy positioning was achieved by using FM354 servomotor positioning module. The closed loop proportional?integral control based on PLC?300 is adopted by the control of the mechanical arm height and length. The designed automatic welding system can ensure the control precision and reduce the design cost. The welding experiment is conducted based on the system design. The experimental results show that the positioning accuracy of welding is high and the welding seam is smooth， and the feasibility and reliability of the system were proved by test results.

Keywords： PLC； space curve； mechanical arm； welding； positioning accuracy

0 引 言

近年来，随着科技的全面进步，机械臂的设计也得到了突飞猛进的发展[1?2]。新一代焊接设备也均采用较为先进的视觉呈现方法对焊缝进行自动检测和自动跟踪[3?4]，同时采用了更先进的控制算法控制焊接过程以达到较高的精度；然而焊接过程中软硬件设计极其复杂，设备成本较高，很难满足中小型企业的需求[5?6]，因此有必要研究分析自动焊接机降低成本、同时控制较高精度的空间曲线自动焊接。

本文在空间直角坐标系建模，基于西门子S7?300着重考虑焊接过程中焊接接头空间轨迹求解和定位精度，设计了不规则空间曲线自动焊接设备的焊接方案。机械臂轨迹上采用常用定时插补算法，驱动单元上采用伺服电机实现高精度闭环控制。通过焊接系统设计分析然后进行焊接试验，以期为自动焊接发展提供可靠的理论指导。

1 控制系统组成

该系统通过串行口RS 232把S7?300 PLC与示教盒相连接，以接收示教信息；同时示教数据被存储到存储器中，完成焊接示教动作。操作员通过直观的上位机画面观察焊接工作状况，设置焊接机械臂的切向运动速度和轴向送丝速度，修正示教数据并显示故障原因等信息。

采用S7?300 PLC实现下位机数据的采集、计算、存储、故障诊断、输出等功能。其中采用CPU 314C?2 DP作为焊接机控制系统处理器，该处理器集成的特殊功能有：最大频率60 kHz的4通道高速计数器，可测频率最大60 kHz的4通道频率测量，最高输出频率2.5 kHz的4通道脉冲宽度调制输出及1路位置控制和PID闭环控制[7]。电路包括FM354伺服电机定位模块及其附属电路，主要完成相关执行器的闭环输出控制，焊接系统简化框图如图1所示。

2 软件系统设计

本系统软件设计采用结构化和模块化设计，主要有初始化、示教程序、轨迹插补计算、相关数据的采集与输出等子程序，每一部分通过许多功能模块构成。

初始化主要用于完成显示器初始化、串行接口初始化、定时器初始化、反馈计数器初始化、FM354模块初始化以及存储器数据清零等。

操作员利用示教盒通过示教程序对机械臂进行编程，使机械臂完成预期的焊接动作，并按顺序存储示教的空间坐标数据。系统软件流程图如图2所示。

3 软件算法设计及定位问题解决方法

该算法采用定时中断方式，每隔时间间隔[T]后中断一次，进行一次插补，同时计算一次逆向运动学，输出一次给定值。为保证焊接过程的平稳（焊接接头不抖动），将时间间隔[T]设置较小，同时由于机械臂机械特性限制了时间间隔[T]的上限值25 ms（40 Hz），显然[T]越小越好，然而计算量的大小又限制了它的下限值，即CPU要在[T]时间里完成一次插补运算、一次直线和圆弧的逆向运动学计算以及两次闭环比例?积分运算。CPU的浮点运算时间是15 μs，总运算时间约为8 ms。这就产生了[T]的下限值。定时器分辨力为10 ms，CPU还要执行输入输出、故障诊断等任务，这里设置[T]值为15 ms。

系统采用FM354伺服电机定位模块控制伺服电机的转矩。通常伺服控制器有三种控制方式，分别为脉冲控制方式、电压控制方式和转矩控制方式。FM354只能使用电压控制方式，所以在焊枪的角度上采用基于电压控制的伺服电机。考虑到摆动电机是基于模拟量控制，在以S7?300 PLC为控制核心的基础上，引入FM354伺服电机定位模块来精确控制摆动电机的角速度，采用这种独立定位模块减轻了主控制器CPU的运算量，降低了PLC扫描的周期，从而在整体上改善了控制精度。系统原理图如图3所示。

为了在保持精度的同时简化硬件复杂度，在焊枪高度和长度上采用基于PLC?300的闭环控制系统。通过编码器精确测量电机的转速，并与给定转速进行PI运算，用PWM脉冲控制伺服电机的转速。系统原理图如图4所示。

4 试验过程及结果分析

为了验证系统的可行性及可靠性，对设计的PLC控制空间曲线焊接系统进行试验，通过对空间T型接头进行激光焊接来检验焊接接头定位精度及机械臂定时插补算法是否能够满足要求。

该试验焊接机械臂及操作试验台如图5所示。

基于西门子S7?300型PLC进行焊接试验，焊接过程中焊接速度设为3 500 mm/min，焊接功率为10 000 W。考虑到焊接收尾效应，在设计焊接轨迹引出段的焊接工艺参数时，降低焊接速率和焊接功率，直至焊接结束。焊接试验结果如图6所示。观察图6焊接结果可以明显看出，该系统很好地完成了空间不规则曲线激光自动焊接，同时焊缝平整光滑，该系统的可行性及可靠性达到了预期结果。

采用激光干涉仪检测焊接过程中机械臂[z]轴精度，验证焊接定位精度及定时插补算法等是否能够满足要求，检测结果如图7所示。图7为焊接过程中[z]轴精度，从图中可以看出定时插补算法的加入使得[z]轴的定位精度达到了0.009 mm，重复精度约为0.005 mm，该组数据表明，所设计系统能够对焊接机械臂各个轴进行高精度的定位控制，插补算法设计完全满足激光焊接定位精度的要求。

5 结 论

本文研究了以S7?300为核心的不规则空间曲线自动焊接系统，该系统具有操作简单、维护方便、易于功能的拓扑与调试等优点。同时，示教盒也提供了一种简单、快捷、准确的焊接示教方案；软件算法上采用了定时插补算法、闭环控制方案以保证定位精度与焊接质量。

对设计的PLC控制空间曲线焊接系统进行试验，分析焊接定位精度及机械臂定时插补算法等能否满足焊接精度。焊接结果表明，该系统完美地完成了空间不规则曲线激光自动焊接，同时焊缝平整光滑，焊接可行性及可靠性达到了预期结果。同时能够对机械臂进行高精度的定位控制，完全满足激光焊接定位精度的要求。

参考文献

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