（材料加工工程专业论文）un150zb钢轨闪光焊机的软件优化与完善.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 根据铁路建设十二五规划，新修干线将会持续增加，投产新线总规模将会超过2 万公里，因此在新线上建设中、既有线路维修中的钢轨闪光焊机越来越多，如何保证 钢轨闪光焊机的质量可靠性与故障的快速检测将是一个非常严峻的问题。目前在国内 大量应用的钢轨现场闪光焊机都是交流焊机，不管是国产焊机还是进口焊机都存在着 对维修人员要求高、故障排查周期长等问题，且随着焊接接头数量增多，元器件的状 态会发生改变，焊接质量很难保证，为此，本论文立题对成都艾格科技研发的u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机的计算机监控系统进行完善和优化。 本论文进行了如下的工作：( 1 ) 建立位移智能标定模块，实现上位机对位移标定自 动化；( 2 ) 建立焊机的输入信号检测模块和焊机启动故障的自诊断模块，便于一线设 备维护人员对设备的检验和维修；( 3 ) 建立上位机监控系统的电压、速度标定在线显 示模块和对电压、速度标定的p l c 控制软件进行完善；( 4 ) 建立焊接过程中故障诊断 模块，对焊接过程中控制系统中的过渡阶段信号、油压、位移信号进行检测与保存， 并在数据记录图像界面上予以显示；建立压力、阻抗及顶锻量的检测模块进行焊机状 态的监控并实时提出检修建议以保证焊接质量；建立数目的提示模块，对接头数目进 行提示。 经过现场实际运用表明：完善后的监控系统使焊机的整体性能得到提升、焊机的自 动化水平得到提高；有良好的人机交互界面及良好的可操作性能，大大降低设备维护人 员的难度，从而有力保证了施工进度。 关键词：u n - 1 5 0 z b ；钢轨闪光焊；串行通信；监控系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h e1 2 t hf i v e - y e a rp l a no ft h er a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，t h en e w l yb u i l t r a i l w a yl i n e sw i l lc o n t i n u et oi n c r e a s ea n dt h et o t a ls i z eo f t h ep r o d u c t i o no fn e wl i n e sw i l l b em o r et h a n2 0 ，0 0 0k m t h e r e f o r e ，t h e r ea l em o r ea n dm o r er a i lf l a s hb u t tw e l d i n g m a c h i n e si nt h en e wl i n ec o n s t r u c t i o na n do l dl i n e sm a i n t e n a n c e h o wt oe n s u r et h eq u a l i t y r e l i a b i l i t ya n dt h ef a u l tr a p i dd e t e c t i o no fr a i lf l a s hb u t tw e l d i n gm a c h i n ew i l lb eav e r y s e r i o u sp r o b l e m i nt h ed o m e s t i c ，t h es i t ef l a s hb u t tw e l d i n gm a c h i n e sw id e l yu s e db e l o n g s t ot h ea cw e l d e ra tp r e s e n t , b o t ho fd o m e s t i cw e l d e ra n di m p o r t e dw e l d e rh a v em a n y p r o b l e m s ，s u c h a s h i g hr e q u i r e m e n t s f o rm a i n t e n a n c e p e r s o n n e l ，l o n gc y c l e o f t r o u b l e s h o o t i n ga n dw i t ht h e i n c r e a s ei nt h en u m b e ro fw e l d e dj o i n t s ，t h es t a t u so f c o m p o n e n t sw i l lc h a n g e ，w e l d i n gq u a l i t yi sd i f f i c u l tt ob ee n s u r e d t ot h i se n d ，h o wt o i m p r o v ea n do p t i m i z et h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mo f u n - 15 0 z br a i lf l a s hb u t tw e l d i n g m a c h i n ew h i c hd e v e l o p e db yc h e n g d ui g e rt e c h n o l o g yi st h ep u r p o s eo f t h i st h e s i s t h ep r e s e n tp a p e rh a dc a r r i e do nf o l l o w i n gw o r k ：( 1 ) t h ed i s p l a c e m e n to fi n t e l l i g e n t c a l i b r a t i o nm o d u l ew a se s t a b l i s h e d , w h i c hc o u l da c h i e v ed i s p l a c e m e n tc a l i b r a t i o n a u t o m a t i o nb yh o s tc o m p u t e r , ( 2 ) i n p u ts i g n a ld e t e c t i o nm o d u l ea n dw e l d i n gm a c h i n e sb o o t f a i l u r ed i a g n o s i sm o d u l ew e r ed e v e l o p e d ，w h i c hw a se a s yf o rf i r s t - l i n em a i n t e n a n c e p e r s o n n e l t o i n s p e c ta n dm a i n t a i nt h ee q u i p m e n t ( 3 ) v o l t a g ec a l i b r a t i o na n ds p e e d c a l i b r a t i o nl i n ed i s p l a ym o d u l ew c t ed e v e l o p e do nc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h e v o l t a g e ，s p e e dc a l i b r a t i o no ft h ep l cc o n t r o l s o f t w a r ew e r ei m p r o v e d ：( 4 ) p r e s s u r e ， i m p e d a n c ea n dt h eu p s e td e t e c t i o nm o d u l ew a s e s t a b l i s h e dt om o n i t o rt h ew e l d e rs t a t ea n d g i v em a i n t e n a n c er e c o m m e n d a t i o n st op e r s o n n e lf o rt h ew e l d i n gq u a l i t y ：j o i n tn u m b e r m o d u l ew a sr e s e a r c h e dt op r o m p tn u m b e ro f j o i n t t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h ew e l d i n gm a c h i n e so v e r a l lp c r f o m m c ew a s e n h a n c e da n dt h el e v e lo fa u t o m a t i o nw e l d i n gm a c h i n ew a si m p r o v e da f t e rt h ec o m p l e t i o n o ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h eg o o dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dg o o do p e r a t i o np e r f o r m a n c e r e d u c e dm a i n t e n a n c ep e r s o n n e lo fd i f f i c u l t yg r e a t l ya n di n s u r e dt h ec o n s t r u c t i o np r o g r e s s o n t h e w a y k e yw o r d s ：u n - 15 0 z b ，f l a s hb u t tw e l d i n g ，m o n i t o r i n gs y s t e m , s e r i a ic o m m u n i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 改革开放三十多年以来，铁路运输对于推动国民经济发展起着至关重要的作用， 客运高速、货运重载将是铁路未来发展的方向。客运高速铁路关键在于无缝线路的铺 设，而其铺设过程的关键技术之一是钢轨焊接，铁路无缝线路的建设不仅是轨道结构 技术的重要进步，也是重载、高速轨道结构向前发展的必然方向。实践证明将钢轨焊 接起来的无缝线路能够从根本上解决钢轨接头的稳固性与平顺性这个严峻问题，而优 质高效的现代化连接技术和现代化焊轨设备是保证钢轨无缝线路的焊接接头质量的关 键所在，因此，不断提升钢轨焊接技术和装备的水平是钢轨焊接工作者孜孜不倦的追 求。 当前在世界范围内对钢轨的焊接主要采用闪光焊、气压焊、电弧焊和铝热焊等方 法。根据焊接所处场地的不一样，从而被分为基地焊接和线上的现场焊接。基地焊接 是指在工厂里把2 5 米、5 0 米、1 0 0 米等标尺短钢轨焊接成5 0 0 米的长钢轨，再运输到 现场进行铺设和焊接，基地焊接采用闪光焊焊接方法。虽然基地焊焊接条件良好，但 是钢轨的运输和现场铺设受到了极大的限制，因此，基地焊接的长钢轨长度是受限的， 必须将延长轨运输到铁路沿线进行现场的铺设和焊接，才能建成区间及跨区间无缝线 路，这就是现场焊，目前国内钢轨现场焊一般采用的是气压焊、铝热焊和闪光焊等焊 接方法，其中闪光焊得到广泛的使用。 闪光焊采用大电流、高电压的专用大功率焊接设备，利用电流通过电阻产生的热 量熔化被焊件，再经过顶锻形成一个接头。该种焊接方法具有自动化程度高、工艺稳 定、热量集中、加热时间短、热影响区小、焊接质量好、生产效率高等优点，是目前 基地焊接的最普遍的也是最佳方式，在现场焊接中居主导地位；气压焊是利用氧- 乙炔 焰燃烧产生的巨大能量进行焊件升温，将被焊的两个钢轨端面加热到熔融状态或塑性 状态而连接到一起的焊接方法；铝热焊是将氧化铁和铝的混合物在一定的条件下进行 氧化还原反应，该反应产生的热量将会熔化金属，再把熔化后的金属注入到砂模中而 连接钢轨两端面的一种焊接方法；电弧焊是一种新型的铁路钢轨焊接方法，由于焊接 时间长和工序复杂性，因此在实际的生产中很少用到这种钢轨焊接方法。 在国内生产运用闪光焊接设备中，以前苏联乌克兰巴顿焊接研究所研制的k 系列 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 交流闪光焊焊机，瑞士s c h l a t t e r 公司生产的a m s 系列移动式交流闪光焊机以及国内 的成都艾格机电设备有限责任公司生产的u n 5 - 1 5 0 z b 型钢轨交流闪光焊机最被人们所 熟知，由于交流闪光焊机具有体积小、重量轻、需要的配电容量小等优点，在国内外 基地和现场焊接中都得到广泛应用，但不管是从国外进口焊机还是国内生产的焊机在 运行过程中状态会发生变化，器件会出现故障，如何快速检修故障而保证正常生产以 及如何快速判断设备状态而确保质量都是值得深入探讨的问题。现在国内外使用的所 有钢轨闪光焊机在都没有故障诊断，在焊接过程中出现故障也没有提示，一旦出现故 障，就需要厂家派出专业人员前去现场维修，这样的方式产生的后果如下：( 1 ) 由于 故障出现后进行故障的诊断完全靠技术人员进行，故障处理时间长，严重影响生产进 度，大大增加钢轨焊接特别是现场钢轨焊接的成本，影响施工单位的信誉；( 2 ) 由于 现场操作人员的文化素质等问题，焊接设备在焊接过程中出现了问题操作人员也不一 定知道，从而导致焊接接头质量得不到保障；( 3 ) 由于对维修人员的专业素质要求也 很高，设备制造商需保留大量的高素质的售后服务人员，间接增加了设备的成本，给 设备的使用与推广带来很大的不便。 基于上述问题，本论文以成都艾格科技研发u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机为对象，立题 进行钢轨交流闪光焊故障诊断研究。 、 1 2 钢轨闪光对焊基本原理 钢轨闪光对焊是将钢轨装配成对接接头，在加载电压以后使钢轨两端面逐渐移近达 到某些凸点的接触，利用电流通过凸点之间电阻产生的热量加热这些触点( 产生闪光) ， 使钢轨端面金属逐渐熔化达到塑形状态，迅速施加压力完成焊接的方法。 图卜1 钢轨闪光对焊接头外观 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 l - - - k l 焊接工件卜夹钳电极 。阻焊变压器f 卜加紧力f 卜顶锻力v i 卜闲光速度一 图卜2 闪光对焊原理图 钢轨闪光对焊原理和接头形成如图卜2 所示。可简述为：当夹钳电极2 加紧焊接 工件l 后，在焊接开始后接通阻焊变压器3 ，移动动夹具并使丽工件端面逐渐接近， 当动夹具前进时，钢轨接触的瞬间，不是两钢轨端面完全接触，而是端面上一些微 小的凹凸点接触，这些触点有较大的电阻，当焊接电流流过触点，通过电阻热使之 熔化，在工件两端面形成液体的金属桥梁。在高密度大电流的作用下，液体金属桥 梁逐渐被蒸发、爆破。由于动夹具的不断往前推进，将会不断地产生液态金属过梁 和过梁的爆破，随着过梁的爆破，液态金属颗粒不断地从钢轨两端面间隙中喷射出 来，产生持续闪光。在此过程中钢轨端面面的凹凸点逐渐被闪平，端面温度也逐渐 升高，随着动夹具的推进速度加快，此时过梁的液态金属的爆破会越来越剧烈。在 闪光阶段结束前，整个钢轨端面产生了一层液态的金属膜，并沿钢轨两端面纵深达 到塑性变形温度，形成均匀分别的温度场。在项锻阶段中，动夹具突然加速，对两 钢轨施加足够大的推动力，让其端面间隙迅速减小，此时过梁爆破会被迫停止，随 着电源被切断，液态金属填充将会填充由于过梁剧烈爆破而引起的凹坑，同时挤出 端面过剩的液态金属以及夹杂的氧化物，此时钢轨的两端面被永久连接起来，形成 共同的晶粒，从而获得坚固的焊接接头。 1 3 课题的研究内容 通过文献阅读和现场调研，国内外现场钢轨闪光焊机的系统在现场焊轨时存在着 以下不足： ( 1 ) 焊机采用手动方式来标定位移：由于采集的位移信号为一电压模拟值并不是 真实的位移，需要进行标定。由操作人员使动夹具移动两个端点得到两个数值，然后 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 再用直尺测量两个端点之间的位移，然后用e x c e l 计算出位移的公式，最后将相应的 值输入到p l c ，完成标定。这种操作方式笨拙，需要现场多个操作人员一起工作，而且 花费时间长，还会引入人工误差，为工艺调试带来影响。 ( 2 ) 上位机不能检测设备的开关量输入信号：在设备出现故障和维修时需要检测 外围的开关或者传感器信号是否进入p l c ，需要维修人员进入p l c 程序进行监控，而 p l c 软件打开的需要专业人员，且对维修人员要求高，这给设备的维修和调试带了麻烦。 ( 3 ) 电压、速度标定上位机的无显示：在进行工艺调试时需要进行电压、速度的 标定，由于上位机没有显示，操作人员不能确定标定进行到哪个阶段以及标定何时结 束，从而影响设备的工艺调试。 ( 4 ) 焊接设备缺少诊断系统：在焊接启动时，出现故障导致不能启动；在焊接过 程出现故障，导致接头质量的不合格 ( 5 ) 其他一些细节上的不足。 针对以上存在的不足之处，本论文拟定的研究内容如下： 1 利用v is u a lb a s i c6 0 完善计算机监控软件，完成下述功能： ( 1 ) 设计相关参数标定的上位机监控界面：位移标定上位机监控界面：速度、电 压标定上位机的显示界面； ( 2 ) 通过与p l c 的通讯，实现设备的外部输入信号检测在上位机的显示，并建立 焊接前设备的故障诊断界面设计。 ( 3 ) 已焊焊接接头相关信息在上位机的保存：包括焊接各个阶段转变条件的上位 机的存储等； ( 4 ) 设计焊接设备的自我诊断系统； 2 完善f x - 2 np l c 程序的编制，达到以下功能： ( 1 ) 设计位移标定p l c 程序，并与上位机监控实现对接； ( 2 ) 将外部输入模拟和数字信号存入到p l c 的相应位置，通过串行通讯将速度、 电压、各种操作按钮信息、位移信息等传递到计算机； 3 将编制的计算机和p l c 程序在u n 5 _ t 5 0 z b 焊机上进行调试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章u n - i5 0 z b 钢轨闪光焊机的简介及问题分析 2 1t i n - 15 0 z b 钢轨闪光焊机的概况及特点 2 1 1u n 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机的概况 u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机是由成都艾格科技有限公司研制的钢轨焊接设备，是第 一台具有完全自主知识产权的国产钢轨闪光焊机，具有体积小、重量轻、需要的配电 容量小、性价比高等特点，主要适用于铁路建设时现场铺轨的现场作业。在进行焊接 时，轨端集中加热效果好，质量非常稳定，生产率高，每小时可完成1 0 个接头。由于 采了用脉冲闪光焊法，钢轨损耗少( 1 0 - - 一1 5 m m ) ，项锻轨耗少( 9 1 2 舳) ，能耗低。图 2 - 1 为u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机。 ( a ) 焊机正视图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( b ) 焊机侧视图 图2 - 1 u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机 2 1 2u n - 15 0 z b 钢轨闪光焊机的特点 ( - - ) u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机机械结构非常严谨，易于为设备维护 t i n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机整体结构严谨，装配速度快，保养、维修方便，性价比高， 服务周期短。 ( 二) 电气控制系统设计合理 操作非常简单，监控系统人性，对于操作人员要求不高，能够有力的保证施工进 度。 ( 三) 采用脉动的闪光方法，焊接质量稳定 利用高精度液压伺服系统实现焊机动夹具送进及后退速度，从而不断调整两钢轨端 面的间隙，该系统的运用能够使闪光过程更加稳定，爆破更为流畅，从而更加优质的 焊接接头。 ( 四) 保压或非保压焊接可以自由选择。 ( 五) 具有自动除瘤装置，可以在焊后适宜的温度下快速推除焊瘤。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2u n 一15 0 z b 钢轨闪光焊机的机械结构 2 2 1 钢轨闪光焊机的机械结构构造 焊机机头的机械部分完成钢轨的焊接过程，接通电源后，机头在接受执行控制 指令后，立即进行钢轨的连续闪光焊接，焊接结束后通过推瘤装置推出接头处的 焊瘤，从而完成钢轨的闪光自动焊接。 项锻液压 缸 图2 2u n 5 - 1 5 0 z b 闪光焊机结构示意图 由图2 - 2 可知，左右两个夹紧机构都是夹钳式结构，夹紧机构采用液压式控 制。左夹紧机构称为静夹具，右夹紧机构称为动夹具，其由液压传动装置和中心 轴联结在一起，且两者互相绝缘。 2 2 2u n 15 0 z b 钢轨闪光焊机的液压系统 液压系统为整个焊机提空原动力，使焊接设备的各个动作能够顺利完成。由液压 泵站，液压油路以及伺服电池阀等组成，各类阀体、油块均安装于焊机机头附近，使 液压执行元件的输出动作更加迅速。液压系统及各部分作用别如表 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 表2 - 1 液压泵站主要装置构成表 主要装置作用 液压油箱 温度传感器、油循环冷却电机、液压风冷 装置、加热器 滤油器 液体压力变送器、压力表 智腓阅 用于将电能转换为液压能，进而转换为机 械能 用于将液压油的存储 用于监控液压油箱液压油的温度并在油 温过高或过低的情况下对液压进行保温 处理，保证液压液压油的流动性和其他物 理性能 保证系统液压油的清洁度在允许范围内 确保液压循环系统的畅通性防止有路堵 塞保护液压比例阀，以保证系统工作可 靠和元件的捷用寿命 用于油路主压力的检测和显示 用于调节油路压力+ - 当压力超过设定的最 大值时，溢流阀将开通放油，进而调节油 压 2 3u n _ 15 0 z b 钢轨闪光焊机的电气与控制系统 u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机的电气系统由焊接供电主回路和控制回路两部分组成，辅 以三相发电机、变压器、电极、控制柜、各类开关量传感器以及连接线路。控制柜为 整个焊接控制的核心，主要由触发电路、检测电路、控制核心p l c 、a d d a 模块等组成。 电气控制系统焊接主回路采用两组晶闸管进行高低电压互相切换，一组在焊接高压 时导通，此时低压被截止；另一组在焊接低压时导通，此时高压被截止。整个焊接设 备采用双c p u 结构：以工控机构成上位机的监控系统，主要是对焊接时焊接数据进行采 集，并通过串口与p l c 进行通讯以及对焊接工艺参数进行调整：下位机采用三菱作为 p l c 为控制核心，对焊接的整个过程进行自动化控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 4 控制系统总体结构图 2 4u 15 0 z b 钢轨闪光焊机监控系统简介及问题分析 动立柱 u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机下位机采用的是三菱公司f x - 2 n 型号p l c 对焊接过程进行控 制，上位机采用的是工业控制计算机，在其内扩展一块p c i - 1 7 1 0 l 采集板卡，利用微 软公司的v i s u a l b a s i c 6 0 开发上位机监控程序，该监控系统可以实现焊接参数( 电压、 电流、位移、油压) 高速采集、实时显示存储、报表以及完成焊接工艺的调试等。该 焊机系统组成如图2 _ 5 所示： 图 5u n - 1 5 0 z b 焊机新的监控系统构成 由图2 - 5 可知，电压，电流，位移及油压等四路信号被分成两组信号：一组信号通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 研华采集板卡p c i - 1 7 1 0 l 的采集进入了采集板卡的f i f o ，然后上位机监控程序将对数 据采集卡采集到的数据进行高速读取以及保存在相应的数据库中；另一组信号，通过 a d 模块转换器进入p l c ，在可编程控制器中进行运算、分析，然后再将运算结果输入 到d a 模块，最终把数字信号转化成模拟值信号，进而触发电路板，从而控制整个焊 接过程。上位机与下位机p l c 通过串口进行通信主要是是实现两方面的功能：一，在焊 接过程中，读取焊接过程中重要参数传输到上位机，显示当前焊接所处阶段；二，在 工艺调试时，上位机监控系统实现焊接工艺参数在线读取以及修改。 针对绪论所述，u n - - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机监控系统和控制系统存在着问题和不足，需 要对控制系统和监控进行完善，那么所完善的控制系统和监控系统应达到以下要求： ( 1 ) p l c 在进行位移校定时，能够快速、准确完成，为速度标定和焊接工艺调试打下 坚实基础； ( 2 ) 控制系统在进行速度、电压标定时，监控系统能够及时快速的当前设备当前的状 态以及标定的阶段； ( 3 ) 设备出现启动故障时，监控系统能够快速的查找出何种原因导致设备出现故障并 予以维修人员提示； ( 4 ) 监控系统能够检测外部开关输入量和模拟输入量的状态，从而确定外围开关或传 感器是否出现故障； ( 5 ) 完善监控系统及控制系统中其他细节性问题，使人机界面更加友好。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第三章控制系统和监控系统的完善设计方案 在实际生产过程中，很多因素都会影响钢轨焊接接头质量，除了外部因素：如焊机 机械结构的状态变化、工作环境状况恶劣等，还有一些其他更为重要的因素也可能影 响钢轨接头质量：如焊接工艺参数、控制系统稳定性等。为了获得优质高效钢轨接头， 它不仅需要稳定的控制系统，更需要一套运行可靠稳定、功能完善的人机交互友好计 算机监控系统，以便监测焊机的状态、其它意外因素等以保证焊接质量，并确保质量 的可溯性。 3 1 整体完善方案设计 u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机的控制系统是以三菱p l c 为下位机的控制核心，工控计算 机为上位机。该设备的下位机控制系统和上位机监控系统均采用的模块化设计，这种 设计案能够使复杂而又庞大的程序变得简单明了而且易于维护和理解，基于此，控制 系统和监控系统的完善优化方案仍然采用模块化的设计的思路，在原有的基础上进行 添加与完善。该设备的原有控制系统和监控系统分别如图3 - 1 和3 _ 2 所 图3 1u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机完善前p l c 控制模块图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 u n - - 1 5 0 z b 焊机监控系统统 在线检测及质量评il数据管理 图争2u n - - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机完善前监控系统模块图 为了达到方案的完善要求而且又和原有的控制系统和监控系统的完美协调，故决定新 方案仍然采用模块化的设计思路，在原有的基础上进行添加和对部分模块的完善。因 此完善后的监控系统和控制系统模块图分别如图3 3 和3 - 4 所示： 图3 - 3u n - - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机完善后p l c 控制模块图 男吏故曙奁向男吏曲戋奁向 月限菱蜘向日限莨鸾向 葩戋贡量洋坷 故曙汁草 毁曙显示瑟存 故曙果集 一果策顷孳发置设一t，i数rl开坷际佳发嗣呵参一iiii l r艺参故发琶 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 l l i n - 1 5 0 7 _ 丑计茸机监控系 系统管理il 参数设置li 在线及质量评测ll 数据管理il 诊断及监视 用 户 管 理 模 块 工 艺 多 数 设 置 评 判 标 准 设 置 采 集 标 准 设 置 数 据 采 集 数 据 显 一 不 及 存 储 数 据 计 茸 质 量 评 判 日 报 表 管 理 月 报 裹 管 理 历 史 曲 线 管 理 故 障 诊 断 模 块 电 压 速 霍 莛 信 号 检 测 模 块 3 - 4u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机完善后监控系统图 在控制系统中添加了位移标定模块和完善了速度、电压测试模块，监控系统中添加 了故障诊断模块，速度、位移、电压标定显示模块、输入信号检测模块等。 3 2 模块设计与优化 3 2 1 位移标定模块设计 u n 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机中控制系统中涉及到位移信号，该信号是通过一个位移传感 器，将位移模拟量信号经过a d 模块传到p l c 中，然后通过一定的运算，将采集到的 一个电压信号转变为真实的位移值。而这个计算过程中所涉及到p l c 程序的参数如图 所示。 在程序图中k 1 6 0 1 1 、k 5 4 这两个数据都是设备调试人员手动操作焊机得到的模拟值 再加上人工计算得到的。这种手动操作和人工计算的方式非常耗时，而且不同的人操 作可能得到不同的数据，这给设备的工艺调试带来了极大的困难。针对此设计了一种 新的方案，在上位机上操作，设备自动运行、计算机自行计算，然后再将计算的值写 入p l c 当中，完成位移的标定。标定过程流程图如图3 - 6 所示 图3 5 原位移计算p l c 程序图 d lt 3 黻电压 张僵 ( n 甘r d 8 8 计算中御 蕾 图3 - 6 位移标定流程图 在上位机中输入焊机动夹具实际行程z 后，然后点击位移标定开始按钮，上位机通 过串口通信将信息传递给p l c ，此时p l c 调用位移标定程序模块，执行动夹具前进动 一 孵 冀 删 申 申 翳僵 嚣簟 嚣馕 髓 州 n n 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 作，并通过数据比较的方式来确定动夹具是否前进到终点，在动夹具到达终点以后可 以得到一个电压模拟值a ，然后通过液压换向阀执行动夹具后退动作，同理可以得到一 电压模拟值b ，a 、b 两个值被传输到上位机中，通过y = k x + c 这个公式，y 为真实位移 值，x 为位移传感器采集到的电压模拟值。当x - - - a 时，此时动静夹具距离最短，认为此 时真实位移值为o ，即y - 0 ；当x b 时，此时位移达到最大，为动夹具实际行程值，即 为z 。通过这两个二元一次方程可以得到k = z ( b - a ) ，c = z , a c 卜b ) ，k 、c 两个值被传 输到p l c 相应的寄存器中并终止控制系统中的位移标定模块，从而完成位移的标定。 图争7 完善后的标定程序p l c 图 图3 - 8 动夹具前进及确定是否到终点p l c 图 在动夹具前进后退的过程中，在动夹具达到行程的尽头时，传感器的状态不会再 发生变化。在图3 - 8 中通过采集分析一秒前的数据和秒后的数据进行比较，分析数 据变化否，如果数据不再发生变化，就认定夹具已到尽头。 监控系统主要行使着监控当前设备状态以及运算的责任，在p l c 将采集到的电压模 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 拟值读入到上位机中，并对这两个值进行计算，将计算的结果再通过透信传入p l c 中。 v b 中计算过程和传输过程如下： p r i v a t es u bt i m e r 3 _ t i m e r0 计算过程和写数据 l a b e l 4 c a p t i o n = 正在计算 t i m e r 3 e n a b l e d = f a l s e f = v a l ( t e x t l t e x t ) e = s h u j u ( 1 ) b d = s h u j u ( 2 ) a c = f 宰d ( d e ) ：k = f ( e d ) p r i n tc ，k c = c 宰1 0 0 ：k = k 宰1 0 0 c = r o u n d ( c ) ：k = a b s ( r o u n d ( k ) ) p r i n tc ，k f f ( 1 ) = k ：f f ( 3 ) = c ：f f ( 2 ) = 0 f o ri = 1t o3 f f ( i ) = h e x ( f f ( i ) ) f f ( i ) = r i g h t ( o o o o + f f ( i ) ，4 ) f 1 ( i ) = r i g h t ( f f ( i ) ，2 ) f 2 ( i ) = l e f t ( f f ( i ) ，2 ) n e x ti s u m = f l ( 1 ) + f 2 ( 1 ) + f 1 ( 2 ) + f 2 ( 2 ) + f 1 ( 3 ) + f 2 ( 3 ) h x s t r = 1 1 2 8 0 0 6 + s u m + c h r $ ( 3 ) f g ： m s c o m l o u t p u t = c h r $ ( 2 ) + h x s t r + s u m c h k ( h x s t r ) t i m = t i m e r d o i ft i m e r t i m + 1t h e n ：e x i td o l o o pu n tilm s c o m m l i n b u f f e r c o u n t = 1 i fm s c o m m l i n p u t = c h r ( 6 ) t h e n m s c o w 吼i i n b u f f e r c o u n t = 0 t i m e r 4 e n a b l e d = t r u e e l s e i fm s g b o x ( ”写入不成功”，v b r e t r y c a n c e l + v b c r i t i c a l ) = v b r e t r yt h e ng o t o f g e n di f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 e n ds u b 3 2 2 焊接前故障诊断模块 故障诊断模块主要分为3 个功能模块：输入信号检测模块、油泵启动故障模块、 焊接启动故障模块。由于闪光焊机结构复杂，控制系统的输入输出点多，出现故障后， 维修人员难以判断设备何处出现故障，这就给设备的维修带来了极大的困难。针对以 上问题提出了用闪光焊设备控制核心p l c 进行自我诊断，检测钢轨闪光焊机的开关量 输入信息、模拟量输入信息、p l c 的所有输出点信息等各种状态数据，然后将这些信息 传输到上位机，上位机通过对这些信息进行分析，分析出现问题的原因，然后提示维 修人员检修。 3 2 2 1 输入信号检测模块 输入信号检测模块主要是针对检测外部输入信号是否能够进入p l c 而提出的，由于 设备的使用，外部转换开关、传感器、线路等不可避免的会出现各种各样故障，那么 如何检测这些外设备是否出现故障有两种方案。一，由专业的电气维修人员，通过各 种设备检测电路，从而慢慢的查找是何种外围设备出现的故障；二，以p l c 为检测核 心、上位机为监测界面而提出的输入信号检测方案。该方案的具体操作为操作人员首 先打开上位机检测界面，然后手动操作各种按钮，从而观察这些信号在上位机上是否 有相应的显示，如果有相应的显示，从而可以判断该输入信号没有故障，反之亦然。 在输入信号检测模块开始工作后，上位机不断地去读取p l c 的x o - x 3 7 的输入信号 状态，当外部的输入信号改变状态时，上位机的监控界面会显示改变状态。以x 2 2 信 号为例，x 2 2 为夹紧输入开关信号，当转换开关打到“夹紧一位置时，那么此时x 2 2 的状态为“1 ，当转换开关在中位时，那么此时x 2 2 的状态为“0 。上位机根据检测 x 2 2 的状态是“1 一还是“0 一，上位机根据不同的图形界面来表示“o 和“1 这两个 状态，如果“夹紧信号 的两个状态都能在上位机上显示，那么下x 2 2 信号即为正确， 没有出现故障。如果某个信号在进行转换时，而上位机监控界面没有相应的显示，那 么该信号即出现故障。 3 2 2 2 焊接启动故障模块 焊接故障诊断模块主要是针对油泵不能启动和焊接不能直接启动这两类问题而提 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 出的，由于焊接和油泵启动前需要满足下列条件：1 ，焊接操作面板上的各个转换开关 必须打到规定的位置上；2 夹钳的位置必须适中；3 ；夹钳必须夹紧，且p l c 必须有输 出，如图1 所示。如果一个条件不能满足，那么油泵和焊机都将不能启动，而在现场 中这个未满足的条件很难查找，因此进行自诊断系统的研究就显得非常重要。 图3 - 9 焊机启动条件程序图 诊断系统是通过v b 编制的一个可以检测启动条件的监控系统，它通过检测x 输入 状态、m 辅助继电器的状态、y 输出状态以及寄存器的状态从而判定故障出现何处，由 于1 i b 在和三菱p l c 进行通行时每一次只能读取一种状态，如只能读取x 输入状态x 3 5 、 x 2 5 等，不能同时读入y 2 2 状态，那么由于有三种状态，那么必须分三次读取，然后将 读取的信息进行存储、分析，给出最终的结果诊断系统的工作流程如图所示 图3 - 1 0 故障诊断流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 诊断系统在得到x 、y 、d 的状态之后，经过分析判断，用不同的图形界面显示当前 设备的状态，以及提示设备可能出现故障的原因。例如，在水压开关未打开时，“水压” 指示灯会变成红色，然后点击该指示灯时，提示可能出现故障的原因。 图3 - 11 焊机启动故障上位机界面 油泵启动故障模块原理和焊接启动故障大致一样，在此不再详细赘述。 3 2 3 电压、速度标定显示模块 3 2 - 3 1 电压标定显示模块 所谓的电压标定是指利用程序实现电压真实值和p l c 寄存器的值一一对应的数据关 系。通过的电压的标定，然后利用电压真实值进行工艺调试，可以大大的缩短工艺调 试时间。电压的标定的过程是一个逐级递增的过程，例如高压标定的范围为3 8 卜4 4 0 v ， 先对3 8 0 v 进行标定，p l c 给出一个寄存器原有的一个经验值，输送到d a 模块，这个模 拟电压去触发晶闸管，此时整个焊接设备会被加载电压，传感器去采集此时的电压并 输入到p l c ，p l c 通过比较采集值与真实值的差距，通过改变触发电压值，使采集值和 真实值在一个正负“1 ”以内，此时即建立了电压真实值和p l c 内部值的对应关系，下 一步再对3 8 5 v 标定，依次类推。由于设备的原有的电压标定没有监控系统对表定的即 时显示，使得设备不够人性化，所以工艺人员在进行工艺调试的时候无法确定标定执 行到某一个阶段。针对这个问题，研制了一个电压标定的上位机监控系统，在这个监 控系统里，工艺人员可以很直接明了观察到标定进行到哪一个阶段。 这个系统的核心是p l c 和上位机的串行通信以及上位机图形界面的显示。p l c 在进 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 行电压标定的时候，执行到每一步都有一个代码，如标定高压3 4 0 时，那么规定此时 的代码为“1 ，电压每增加5 v 时，代码增加l ，这个代码被放在一个固定寄存器内。 所以上位机v b 监控系统只需要监测此代码的状态，即可得知当前设备的状态。 图3 - 1 2 阶段代码所放的寄存器 l a b e l 7 ( o ) c a p t i o n = 高压。3 4 0 + ( 5 木j ) 伏程序中j 即为代码 3 2 3 2 速度标定显示模块 u n - 1 s o z b 钢轨闪光焊机工作时采用最先进的脉动闪光焊接，工艺上采用电流恒值的 控制方式，以焊接电流作为反馈量，建立动夹具送进速度与焊接电流的关系。 因此准确的速度是焊接工艺调试最基本的基础，只有在准确的速度调试出的工艺才 会对其他设备具有可参照性，因此焊接速度的标定是必不可少的。速度的标定其实是 建立速度真实值与其p l c 值值之间一一对应的数据关系，由于动夹具有前进和后退两 个动作，那么速度的标定也分为前进速度和后退速度的标定。速度的标定的基本思想 是动夹具在单位时间内运动距离在规定范围内。原有设备在速度标定时，监控系统不 存在及时的提示，以致于不知道标定到何阶段，针对上述问题而研制的一个上位机监 控系统显示方案，显示当前设备标定状态并予以提示。 闪光焊机在进行标定时主要有前进后退两个动作，而且速度的标定分为0 6 删s 和 1 6 删s 两个标定阶段。那么监控系统就需要显示这些状态。在速度标定启动以后，监 控系统首先需要确定是当前是再标定那个状态0 6 或1 6 ，然后再去确定动夹具是在前 进或者后退，当标定完成以后，监控系统能够马上显示标定已完成。由于速度标定时， 动夹具的前进后退是由液压伺服驱动，所以只需要读取相应寄存器值的正负即可判定 当前动夹具状态。 1 0 7 1 图3 - - 1 3 动夹具动作状态寄存器 m s c o m m l r t h r e s h o l d = 1 8 读取d 2 6 后五个单元里的数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 h x s t r 2 = 0 1 0 3 4 0 e 。+ c h r $ ( 3 ) m s c o m l o u t p u t = c h r $ ( 2 ) + h x s t r 2 + s u l c h k ( h x s t r 2 ) 其中d 2 6 和d 2 7 分别为判断是在标定0 6 或者是1 6 ，d 3 0 为判断动夹具状态的寄存器， d 2 8 和d 2 9 为判断标定是否结束的寄存器。 3 2 4 焊接过程中的故障模块 针对u n - 1 5 0 z b 钢轨闪光焊机在焊接过程中可能出现的故障而建立焊接过程中故障 模块。一，原监控系统的数据显示模块只能对焊接过程中电压、油压、电流、位移等 参数进行记录并予以显示，而不能记录焊接过渡阶段的参数；二，在焊接接头数目达 到一定量应当进行提示；三，在焊接过程中由于油压不够，在顶锻时可能出现打滑的 现象，四，随着钢轨闪光焊机的使用，焊机的状态肯定会发生变化，当焊机阻抗变化 到一定值时应当予以提示。 3 2 4 1 过渡参数的记录 由于闪光焊接过程被分为十一个阶段，而且各个阶段的功能是不一样的，那么就涉 及到一个阶段过渡的问题，即如何从上一个阶段转移到到下一个阶段。当前程序上设 置的有两种方式进行转移，一种是通过位移，即这一个阶段只能闪光规定的位移，位 移达到以后马上过渡到下一个阶段，另一种是通过时间时间转移的方式，即达到规定 的时间以后进行转移。时间转移的方式是对位移转移的一种补充，当设备出现故障或 程序执