基于PLC的管件自动焊接系统的设计

韩以伦，朱 倩，陈 佩，鲁其兴，侯 磊

（山东科技大学　交通学院，青岛 266510）



基于PLC的管件自动焊接系统的设计

韩以伦，朱 倩，陈 佩，鲁其兴，侯 磊

（山东科技大学交通学院，青岛 266510）

摘 要：针对手工焊方法存在严重的耗费人力和时间等问题，设计了一种管件自动焊接系统。该系统为一套机电液一体化设备，采用三菱FX2N-64MT-001系列PLC作为系统的控制主机，结合先进的控制理论设计了控制精准、操作简单的夹紧旋转装置和焊接机械装置。该系统能够省时、省力、高效的完成管件的自动焊接任务。

关键词：PLC；自动焊接；管件；设计

0　引言

从第三次工业革命到现在，制造业蓬勃发展，焊接作为一种重要的制造工艺被广泛应用。随着工业科技的发展，焊接在生产工艺中所占比重也在逐渐扩大。焊接直接影响产品的生产效率和整体性能，针对产品的不同特点和应用环境选择合适的焊接方法，将在很大程度上保证焊接质量，提高整体制造水平。

本系统由机械系统、电动系统和气动系统组成的一体化综合性十分强的产品。设计合理的机械结构是自动焊接系统的基础，本文采用UG三维绘图软件进行机械结构的绘制，保证结构的完整性、合理性。整个焊接系统采用气动系统-电动系统同时为整体系统提供动力的方案。为了实现系统的自动化动作，设计采用三菱PLC控制系统进行控制，简化控制步骤 ，提高控制精度。

1　机械系统

1.1系统整体方案设计

管件自动焊接装置的三维建模装配简图如图1所示。其主要包括夹紧旋转装置［1］和焊接机械装置两大部分。

夹紧旋转装置主要实现管件的夹持定位，然后带动焊接管件进行旋转。夹紧旋转装置主要包括一下几部分：夹紧气缸、旋转电机、管件支架等。夹紧气缸实现管件的夹紧与定位，旋转机构实现管件的旋转。焊接机械装置主要对焊缝进行识别定位的基础上，完成自动焊接的机械结构部分，主要包括：三根支架、焊枪、焊接小车、送丝机构、焊接平台、摆动机构等。三根支架实现焊接小车的定位，焊枪安装在焊接小车上，送丝机构给焊枪送丝，焊接小车内部的摆动机构带动焊枪摆动，进行焊接。

图1　整体结构简图

1.2系统工作流程

焊接工作进行之前，需要完成两部分动作：一是打开电源总开关，检查整个装置的机械、控制和气动系统，确保连接可靠、定位准确；二是对系统进行初始化，确保焊接装置的各部分处于初始位置。

完成以上动作后，系统正式进行焊接工作。系统工作流程图如图2所示。下面结合流程图进行较详细的流程叙述。

图2　系统工作流程

1）人工将管件放在管件支架上，启动夹紧气缸，对管件进行夹紧定位；同时旋转电机启动，带动管件进行旋转。

2）行走气缸启动，推动焊接平台向前移动。

3）根据安装在焊枪顶部的传感器［2］检测需要焊接的位置，经控制器分析，支架1、支架2、支架3的移动分别实现焊接小车的Z向、Y向、X向的运动。

4）送丝电机启动，匀速稳定的送丝；打开电焊机，起弧进行焊接；摆动机构动作，增加焊缝宽度，当焊接完成一周后，灭弧，同时送丝电机停止，送丝完毕，焊接完成。

5）旋转电机停止转动，管件保持静止。

6）行走气缸后退，焊接平台回到初始位置；夹紧气缸后退回到原位，工件与夹具分离。

7）人工将焊接完成的管件卸下，焊接过程完成，整个作平台都将回到初始状态。

8）焊接完成后，关闭装置总电源。

2　气压传动系统

2.1气压传动系统原理

本系统中部分动作的执行采用气压传动实现，主要有管件的夹持定位动作和焊接平台的前后移动。根据气动系统的基本原理及焊接装置的基本功能要求，拟定该装置的气动原理图如图3所示。

图3　气压原理图

2.2主要气动执行元件的选择

气压传动回路中最主要的执行元件是气缸，着两个元件的设计选择是焊接能否正常进行的基础。

气缸内径D的计算公式：

式中：F为活塞杆的推力（N）；

D为缸筒内径（mm）；

d为活塞杆直径（mm），d=0.3D；

p为气缸工作压力（Pa），取0.5MPa；

η为载荷率，取0.75；

行走气缸的工作负载即整个焊接平台，取工作负载M=64kg。活塞杆的推力为：

由式（1）求得D≥36.6mm，将其圆整为D=40mm。活塞杆直径d=0.3D，得d=12mm，为标准活塞杆。

活塞行程的选择应考虑到气缸应用场合和机构行程，一般按照计算行程再加上10mm～20mm的行程余量［4］，行走气缸的活塞行程为300mm。选取行走气缸选用亚德客公司气缸SC-40×300-S-LB，轴向支座式固定安装。

根据计算气缸计算流程与选型方式，选出其余气缸的型号，具体如表1所示。

表1　气缸的型号选择

3　电气系统设计

本焊接系统由PLC控制，电气控制系统设计是本焊接系统的核心部分。在本系统中，PLC控制系统主要是对电磁阀、电机等进行控制。

3.1选用PLC

根据焊接系统的职能要求，PLC的选型要考虑以下三方面：

1）输入输出点数。根据设计需要，统计系统的输入输出点数，为了后期的设备维修和改进做准备［5］，要预留10%～20%的可扩展余量。

2）存储器容量的估算。PLC选型时需要先估算出内部存储器的容量，因为调试程序前程序容量是未知的。通常按下式计算，并留出20%～30%的余量。

（KB）=（1.1×1.25）×（DI×10+DO×5+AI/AO×100）其中，DI为输入点数，DO为输出点数，AI/AO为模拟量通道数。

3）功能形式。根据系统有无复杂的运动控制，选择的功能模块类型。

3.2PLC的I/O点及地址分配

地址分配时尽量把所有的输入地址和输出地址集中，便于操作及管理。按照本系统实际接线情况确定输入输出点地址，PLC控制系统输入输出分配如表2所示。

表2　系统输入输出统计

根据表2统计的系统输入输出统计信息可以看出，输入信号为26个，输出信号为18个，10%～20%的可扩展余量后对输入输出点数圆整，确定为输入输出各32点。选用FX2N-64MT-001系列PLC。

3.3控制电路的设计

图4　系统输入输出统计

4　结论

1）介绍了焊接装置的基本结构，根据焊接装置的工作对象，结合相关理论，确定焊接装置的结构形式和尺寸。

2）利用UG对焊接装置进行三维建模，确保其结构合理、完整。

3）采用PLC控制系统，为了保证控制精度，对PLC及气缸等主要电气元件进行选型。

4）焊接机械装置与夹紧旋转装置很好的衔接起来，保证了焊接的精度。

参考文献：

［1］ 蔡瑾，段国林，李翠玉，李德红.夹具设计技术发展综述［J］.河北工业大学学报，2002，31（5）：35-40.

［2］ 丛焕武，郭福娟，吕飞，王倩.基于CCD图像处理的焊缝识别技术研究［J］.电子测量技术，2012，35（3）：73-77.

［3］ 倪敏化.消声器原理及其工程应用［J］.电声技术，2006，（3）：55-57.

［4］ 李自皋，何彬学.浅谈控制阀的选型与使用［J］.石油化工自动化，2008，44（3）：64-68.

［5］ 张岩，胡秀芹.可编程控制器PLC的应用技术［M］.福建：福建科学技术出版社，2005，12-14.

The design of pipe automatic welding system based on PLC

HAN Yi-lun， ZHU Qian， CHEN Pei， LU Qi-xing， HOU Lei

中图分类号：TH6

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0072-04

收稿日期：2015-11-30

作者简介：韩以伦（1962 -），男，山西太原人，教授，博士，主要从事汽车电子及机电液一体化研究。