焊接自動化控制系統設計研究

　　摘要：相比較人工操作，自動化技術能夠顯著提升法蘭焊接的效率性與精準性，使成品質量更優異。同時基于靈活的系統編程內容，更能夠為法蘭焊接提供多種方案，并降低法蘭材料的損耗率，使工業收益水平得到顯著提升。本文基于法蘭焊接自動化控制系統設計展開分析，在明確工作臺系統結構、工作原理及系統設計要素同時，期望能夠為后續法蘭焊接系統的架構提供良好參照。

　　關鍵詞:法蘭焊接;自動化;控制系統;PLC技術

　　1項目概況

　　本項目為全自動化法蘭焊接控制系統的設計項目。基于某流量計有限公司的招標資料要求，在焊接工作臺結構方面，主要可分為焊接平臺與轉臺，將自動化系統運用至其中，可為小型焊接提供支撐、緊固、變位的作用，以此滿足法蘭元件的多種焊接需求，并基于自動化系統，使法蘭焊接的精細度得以深化，進而提升焊接操作的水準。而從功能性角度來看，此種焊接自動化控制系統的設計，還需具備焊接流程跟蹤、監視的功能，以便持續為法蘭焊接提供可靠的技術操控平臺，同時能夠憑借數據的傳導與影像的管理，降低焊接弧光等問題的發生概率，使法蘭焊接的整體流程與各項參數更詳細的展現在自動化控制系統內，由此檢修與操作人員便能夠根據法蘭焊接的實際效果，對后續焊接技術進行持續優化，并為智能化等技術的應用奠定扎實基礎。故而，如何做好法蘭焊接自動化控制系統的設計，并合理配置工作臺的整體結構，便需要得到設計人員的重視。

　　2法蘭焊接全自動工作臺系統結構及工作原理

　　2.1整體結構

　　工作臺整套系統主要由焊接電源、控制柜、送絲機構、移動式焊接操作機與滾輪架、焊劑自動輸送與回收系統、視頻監控系統、焊絲跟蹤器與電氣控制系統構成。其中，電氣系統主要由主變壓器、控制變壓器、整流器、控制與點火PC板、冷卻風機、輸出儀表、繼電器、接觸器及PLC控制系統構成。而控制系統結構則由觸摸屏、伺服電機、上位機、PLC控制器、驅動器、擺動氣缸、電磁閥與磁性開關構成。

　　2.2工作原理

　　為有效解決法蘭焊接形狀復雜、位置約束大、弧光大等問題，更便于人員觀察與調整。在PLC控制系統應用期間，可基于數據控制焊接平臺的翻轉與回轉，通過耦合器使PLC系統與焊接系統關聯，做好人機界面的排布，并選擇適宜的操作模式，錄入各類焊接技術的數據，便能夠通過面板控制電源的輸出功率。其次，PLC控制器基于主機系統，可對輸出脈沖數據進行處理，并基于編程信息向傳感器與編碼器傳達指令，以便定位控制、原點復位、梯形控制等功能得以實現。最后，借由PWM輸出功能，可任意控制傳感器等裝置的脈頻輸出效果。而視頻監控系統的運用，則能夠通過影像數據觀察焊縫的平整度等數據，若是數據與系統要求存有偏差，則能夠通過復位、點動、模式、示教、報警與通訊等功能，使焊接問題在最短時間內得到解決，使電氣自動化技術與焊接工藝徹底融合，真正解決法蘭焊接外觀無保障、操作繁瑣、維護較難等問題，使焊接質量得到更好的保障。[1]

　　3電氣整體控制方案

　　根據法蘭焊接自動化控制系統設計要求可知，控制系統需滿足上位機數據采集與工藝流程監視的要求，同時還需為上位系統的指令提供接收與反饋的渠道，才能使電氣整體控制方案效果得以保障。故此，電氣整體控制方案需要從電控系統、變頻裝置、法蘭、升降結構等角度進行管控。其中，電控系統裝置需要做好接地、過載、電路、失壓、限位與缺相等保護措施，以便電控系統能夠持續處于穩定的運行狀態;在電氣整體結構設計中，控制電機的電壓宜選用DC24V直流電壓，所有變頻器等裝置的配置應遠離控制電機等裝置，并且變頻器與電機線纜長度應控制在100m范圍內，避免因線纜問題，使電氣控制系統喪失電能供應來源;為確保法蘭結構焊接精準，需在十字操作臂內設置保護連鎖信號，降低誤操作的發生概率;而在升降結構組建中，需在工作與非工作位置設置安全銷，以便及時得到電控信號，使電氣控制系統的指令得以持續。并且，在升降結構內，還需配置特定的編碼器，用來檢測升降機的運轉速率，確保法蘭焊接流程穩定且可靠。[2]

　　4自動化控制系統設計

　　4.1電氣硬件設計

　　法蘭焊接工作臺為滿足信號響應與傳輸的功能需求，在電氣硬件配備方面，涵蓋了主控柜、觸摸屏、電機、變頻器、交接與變位夾具、安全與聯鎖、停止器等裝置。為使PLC與總線得到充分利用，需提供一套技術完備的主控柜，連接中控室及以太網內但上位監控系統進行通訊，基于I/O的方式將控制系統與設備層互鎖。期間，主控柜上需配置觸摸屏，以便通過畫面內容顯示工作臺與工藝的運行狀態，為操作人員提供更可控的管理平臺。若是系統存有故障問題，控制臺需在接收到故障信號后，借由觸摸屏彈出警告，以便問題得到及時解決，并且控制柜面板上需設置消音按鈕，以此消除警報聲音;其次，為確保操作臺與系統持續處于穩定、安全的運行狀態，驅動裝置內的電機減速裝置需配有斷電與過熱保護裝置，而升降結構中的變頻器，則需要配有適宜的制動電阻;再次，在升降、法蘭結構與變位轉換等位置，需設置操作站，在操作期間需通過檢測元件對各位置進行監測，以便操作臺的使用持續處于穩定狀態。其中跟蹤系統需要與操作站聯動，而在轉接口或升降結構處，還需配置獨立的手動操作平臺，配置急停按鈕;最后，未免工作臺受斷電、停氣、誤操作與其他異常狀況的影響，設計人員需配置聲光報警與適當的保護措施。其中，系統應具備出現誤操作時，系統自調誤動作的功能，并且可通過硬線連鎖與其他裝備提供電氣控制渠道，避免設備故障造成大范圍的影響。另外，可將CMA接入工業以太網系統內，做好主機運行的銜接，若存有主機停線的情況，則法蘭焊接也需要停止工作;若法蘭焊接停止工作，則設置在升降結構部位的檢測元件需將信號傳遞至主機平臺，實現系統報警。[3]

　　4.2PLC控制設計

　　控制柜操作面板應與組態計算機內數據庫關聯，通過軟件的模擬測試與模擬生成的項目文件可視化。其中，軟件可提供多種圖形控件、功能組件與控制器件庫，基于組態數據實現系統的操作功能，并借助監控系統，使PLC系統內的實時數據得以傳輸、記錄、顯示、存儲與處理;其次，在PLC系統可用語句表與梯形圖進行編程，在編譯結束后，通過計算機通訊平臺導入PLC操作平臺內。其中，系統程序主要由主程序、子程序與中斷程序三部分構成，主程序負責工件選擇、手動加工與新工藝參數的轉換，子程序帶參數融入加工流程，而電動機則需連接子程序與中斷程序，以便控制電機的運行、減速與停止。最后，為降低工作臺傳動誤差，焊接結構外圓的旋轉需通過齒輪傳動實現，通過旋轉周數控制電動機的脈沖量(標準量=5840)。而從焊接角度來看，焊接工件規格較多，這使得焊點數值常存在差異，若直接通過脈沖與焊點數計算，則極易產生小數點誤差，使PLC系統的操作產生持續性的數據誤差。故此，可采用以下算法克服小數積累的偏差。基于上述運算公式，可知電動機脈沖總數仍為5840個，在外圓旋轉一周后，焊點數的變化并不會使計數值產生小數點，如此便避免了累積誤差等問題，并且焊點間距的可控性也得到了顯著提升。[4]

　　4.3誤差補償方案

　　在法蘭工件焊接過程中，受焊接十字架結構的設計、回轉與翻轉傳動方案的設計等因素影響，焊接工藝誤差總是無可避免的，為避免焊接質量受影響，便需要對關鍵部件的選型與及時校正給予重視。其中，焊接工作臺控制系統在設計期間，需根據功能需求構架以PLC技術為核心的半閉環伺服控制系統，基于電氣硬件、功能模塊軟件的設計，對法蘭焊接自動化控制系統進行調試，以便系統功能特征更便于識別;其次，為更清晰的了解系統誤差，可基于數據建立數學模型，通過臨界比例度法的運用，對PID控制系統的參數進行校正，隨后操作人員可對焊接工作臺的各項尺寸與定位參數進行精密檢測，以便判斷焊接誤差的產生原因，通過數據模型的解析，將誤差補償方案導入PLC控制系統內，為PID控制器提供持續的模糊自適應算法，以便為PLC控制系統奠定可持續優化的平臺[5];最后，為保障數學模型與校正參數的可用性，需通過法蘭焊接平臺的操作進行試驗，評估焊接工作臺與法蘭焊接的整體工作效率，做好流程的監視與數學模型的建立，使PLC系統運行特征與潛在問題更便于發覺。[6]其中，監測重點需放在焊機、送絲機構上，檢測送絲的速度與焊絲直徑，分析是否能夠滿足法蘭焊接自動化操作的速率與質量要求，同時還需根據電氣PLC控制系統，判斷懸臂運行速度、十字架上升及下降速度、焊縫工藝速度、伺服速度與升降速度等數值是否匹配，若存在偏差，則需要通過PID控制系統對整體焊接結構的參數進行校正。[7]

　　5系統調試及深化設計

　　為確保法蘭焊接自動化控制系統實用性優異，本項目對各類裝置的技術參數進行了詳細的調查。其中，法蘭焊接懸臂的有效伸縮行程為600mm，進給速度為200~2000mm/min，傳動方式為滑動絲桿式與無極調速，升降行程為800mm，立柱回轉范圍在±180°，手動托板調節范圍為50*50mm。在電機的選用上，焊接電流為280A，焊接電壓為28V，焊絲直徑為1.0~2.0，焊接速度為8mm/s，焊縫寬度為150mm。對比設計要求，可知盡管功能性滿足工業自動化加工的要求，但是設計方案并未對線纜的選用給予專業化的對策。故此，在深化設計中，需確保為主控柜周圍的網路線纜與聯鎖線纜安裝防護罩，在設備線路敷設方面，應避免使用明線或電纜，且設備操作高度與走線形式應考慮到人體工程學的要求。其次，線纜需符合設計、規范與標準要求，導線顏色應規范，線纜需提供穿線槽，并做好軟管與穿線管保護。

　　6結論

　　法蘭焊接自動化控制系統的有效構建，既能夠為工業焊接工作的開展提供效率更快，精度更高的數據管控平臺，使法蘭焊接的質量水準得以顯著提升，同時憑借完善的數據傳導與處理系統，更能夠基于各類設備的運轉特征，分析潛在的系統風險，將數據遞交至控制柜顯示屏上，使故障風險得以迅速解決。故而，在論述法蘭焊接自動化控制系統設計期間，必須明確自動化控制系統的硬件與軟件結構，確定潛在的誤差風險，并提出適宜的優化解決方案，確保PLC控制系統運行穩定，才能為后續高質量的法蘭焊接工作奠定基礎。

　　參考文獻

　　[1]趙強,肖維寶,王大強,etal.304不銹鋼法蘭焊接裂紋分析及返修[J].焊接,2017(2).

　　[2]秦代成.筒體法蘭焊接變形預測與控制措施[J].熱加工工藝,2018(21):257-259.

　　[3]施敏華.焊接自動化的應用與推廣[J].科技風,2017(13):168-168.

　　[4]崔齡元.試論自動化焊接技術及其發展[J].科技經濟市場,2018(3):31-32.

　　[5]李金城.PLC模擬量與通信控制應用實踐[M].北京：電子工業出版社,2011.

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