（电气工程专业论文）直管对接焊机电气控制系统研制.pdf

直管对接焊机电气控制系统研制 摘要 本课题研究的是电站锅炉生产所需要的直管对接焊机的电气控制系统。 焊接设备更是一种强干扰的设备，为此，采用了具有高抗于扰能力，高可 靠性的可编程序控制器( p l c ) 控制技术。以一个p l c 为主控制器，再带上若干 能够完成特定控制功能的扩展模块，构成一个完整的控制系统。p l c 技术是一种 成熟的技术，我们的任务是配置、规划其硬件结构，并对其软件进行开发，使其 满足本课题的控制要求。 根据工艺要求，本焊机应具有下列功能：焊接程序( 参数) 的输入功能、焊 枪的水平摆动( 以可变的幅度和频率) 功能、弧压控制( a v c ，保持恒弧压) 功 能、管子转动( 以可变的速度) 功能、焊接参数( 电流和电压) 的控制功能、焊 丝进给控制功能及其他辅助功能。为此，我们采用三菱f x 2 n 可编程控制器作为 核心控制器，定位模块控制采焊枪的水平与垂直运动，a d 转换模块用于将电弧 电压和m i g 送丝速度反馈给系统，d a 转换模块用于转管速度、t i g 送丝速度的 给定及焊接参数的给定，松下伺服驱动系统用于驱动焊枪的水平、垂直移动及管 子转动，三菱触摸屏人机界面f 9 4 0 用于焊接参数输入。另外还设计制作了电弧 电压的隔离放大环节，用于电弧电压的隔离反馈。 在上述硬件构成的基础上，对每一个控制环节编制了相应的控制软件，并 进行了实验室模拟试验及工厂生产现场模拟试验，系统均能够正常工作。至此， 可以认为本控制系统已基本能完成本直管对接焊机的控制任务，满足工艺要求。 关键词：可编程序控制器( p l c ) ，伺服驱动，弧压控制( a v c ) t i g 焊接，m i g 焊接，人机界面( h m d t h ed e s i g n i n ga n dm 悯n g o fs t r a i g h tt u b e b u t tw e l d i n g 姒c h i n e t h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fs t r a i g h tt u b eb u t tw d d i n gm a c h i n ef o r b o i l e rm a l 【i n gi ss t u d i e di nt h i sp a p e r w e l d i n ge q u i p m e n ti so n et h a tg e n e r a t e ss t r o n gn o i s e ，t h u sw eu s e p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) t h a th a v eh i g ha n t i - n o i s ea b i l i t ya n dh i g h r e l i a b i l i t y am i t s u b i s h sp l c i su s e df o rm a s t e rc o n t r o l l e r ，i ti sc o m b i n e d w i t l lo t h e rf u n c t i o nm o d u l e st oc o m p l e t ec o n t r o lp r o c e s s o u rt a s ki s c o n f i g u r i n gh a r d w a r ec o n f i g t l r a t i o na n dp r o g r a m m i n gi t sc o n t r o ls o f t w a r e t om e e tt h en e e d so fc o n t r o l l i n g a c c o r d i n gt o t h et e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n ，t h i sw e l d i n gm a c h i n e s h o u l dh a v ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：w e l d i n gp a r a m e t e r si n p u t ，w e l d i n gt o r c h h o r i z o n t a ls w i n gi nav a r i a b l er a n g ea n dv e l o c i t y ，a r cv o l t a g ec o n t r o l l i n g ( a v c ) ，t u b er o t a t i n g ，w e l d i n gp a r a m e t e r sc o n t r o l l i n g ，w e l d i n gw i r ef e e d c o n t r o l l i n ga n ds oo n c o r r e s p o n d i n g l y ，i nt h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， m i t s u b i s h sp l cf x 2 ni su s e df o rk e r n e lc o n t r o l l e r ，p o s i t i o n i n gm o d u l e f x 2 n 一1 p gi su s e df o rc o n t r o l l i n gt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lm o t i o no f w e l d i n gt o r c h ，a dc o n v e r t i n gm o d u l ei s u s e df o rf e e d i n gb a c ka r c v o l t a g ea n dm 1 gw e l d i n gw i r ef e e dv e l o c i t yt ok e r n e lc o n t r o l l e r ，d a c o n v e r t i n gm o d u l ei s u s e df o rc o m m a n do ft u b er o t a t i n gv e l o c i t y ， w e l d i n gc u r r e n ta n dt i gw e l d i n gw i r ef e e dv e l o c i t y ，p a n a s o n i c ss e r v o d r i v es y s t e mi su s e df o rd r i v i n gw e l d i n gt o r c hi nh o r i z o n t a la n dv e r t i c a l d i r e c t i o n ，m i t s u b i s h sh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) i s u s e df o r w e l d i n gp a r a m e t e r si n p u t i na d d i t i o n ，w ed e s i g na n dm a k et h ei s o l a t i n g 2 c i r c u i to fa r cv o l t a g ef o ra r cv o l t a g ef e e d b a c k b a s e do na b o v eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，w eh a v e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o ls o f t w a r ef o re a c hc o n t r o lb l o c k p r o g r a m m e d a n dm a d e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si n l a b o r a t o r y a n dw o r k s h o p t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sw e r es u c c e s s f u l ，t h ec o n t r o ls y s t e mr u np r o p e r l y t h e r e f o r e w ec a nc o n s i d e rt h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mc a na c c o m p l i s ht h ec o n t r o lt a s k o ft h i ss t r a i g h tt u b eb u t tw e l d i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) ，s e r v od r i v e ， a r cv o l t a g ec o n t r o l l i n g ( a v c ) ，t i gw e l d i n g ， m i g w e l d i n g ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) 3 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密f i 2 , 在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：金免军 指导教师签名：衾荔已 e t 期：2 ，o ? 年，月哆日日期：如j 年，月巧e t 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：金么象等 日期：2 口硝年1 月z 5 日 上海交通大学学位论文答辩决议书 申 请者 岔德并 所在学科 彤劾孔 ( 专业) 论文题目 直。髫对惚畸机嗍圣溯、象悄助 答辩日期 d 猾屯目7 弓日 地点 闳纷谴甚吨耐锄拯 答辩委员会成员 姓名单位职称签名 叶苞_ 兰二趣蠡叠文青睨乞2 移尔缁才莨 苏f 专弩乏未、二强航至诚奋剐岂涉南王 石；南 箍啦日三诌融而咆乞砺散至翻教玻 破吻日 余毳 上匆壹也t 而吨五互雩裁列箍玻尔藐 茏解7 2 也谒缸于嘭孝同毪料稚小哆昂诌君皇娟嗍甬。彬 多i l ) ，色国i 酗、1 瑶i v 均v j 夏- , 扎交内治劢蟛i 咿p 气复利鬈彤易 碓讫如猡曼寐钰毛乏“谵怠也i 匍挺猫秽解缓五孑岂哀际 刁趣? 饥功嗬一专钆匆i 奸是一萄莨好石苞j 动谚汔交口 枞狲斟潲卿一渤 前言 直管对接焊机是电站锅炉生产的必备设备，用于将市场标准长度的管子焊接 成满足锅炉生产用的长管。由于锅炉生产的特殊性，对于焊缝的要求相当高，而 且这种焊接质量的保证必须建立在焊机良好的控制性能上。为了提高焊管效率， 保证焊接质量，直管对接焊机势在必备。 八十年代中期，我厂进口了日本三k 公司的直管对接焊机，其他的锅炉生产 厂也引进了类似的设备。限于当时的控制技术水平，日本三k 公司的焊机控制系 统设计在现在来看是比较落后的，主要采用了继电控制和模拟电子控制技术。所 以其可靠性、控制性能和功能都比较差。当历史进入到二十一世纪，一方面，曰 益扩大的锅炉生产规模需要更多的直管对接焊机来满足生产需要；另一方面，日 新月异的控制技术能够完成各种复杂的控制要求。该设备研制的必要性和可能性 都已具备。我们可以选择任意一种适合的控制技术来满足工艺要求。所以我们和 外国同行是处在同一起跑线上，而且可以做得比他们更好，因为我们知道自己需 要什么。 可编程续控制器p l c 技术，随着现代计算机技术和电子技术的发展，其可靠 性越来越高，功能也越来越强大，对于一般的工业控制已游刃有余，完全能够胜 任。在本课题中，我们的控制对象是一台用于拼接钢管的自动焊机，从控制技术 而言，要求实现对t t g 和m i g 焊接参数的控制及其它焊接辅助动作的控制，这将 涉及到位置控制、a d 、d a 转换、人机接口等一系列控制技术。同时该焊机现场 工作环境相当恶劣。一方面，环境温度比较高，灰尘大。另一方面，在焊接条件 下，电磁干扰相当严重。所以必须采用可编程续控制器p l c 这样一种具有较强功 能同时具有高可靠性控制技术。 本课题研制的焊机要求能焊接的多种尺寸及材质的钢管，所以应该能随时方 便地输入和储存所对应各种焊接参数。这样就要求具有良好的人机交互性。为此 采用了触摸屏技术，用于输入焊接参数和监视实际的焊接参数。 本焊机的研制还将涉及到复杂的控制软件编制工作和人机界面的开发工作， 位置控制、a d 、d a 转换、人机接口等一系列控制技术的实现均依赖于一定控制 软件。 作为一台焊机，势必涉及到焊接技术。焊接技术的探讨并不是本课题的主要 目标，但是我们必须从理论上深刻理解焊接技术理论和技术，从而采用合适的焊 接技术并使焊机控制系统的功能能很好地配合这种技术，恰当地控制焊接参数和 焊接过程，以最终焊接出符合工艺要求和质量要求的合格产品。在本课题中，采 用了t i g 焊打底、m i g 焊主焊及横向摆动的焊接技术，满足了焊接质量和产量两方 面的要求。 本焊机实际上是一台机械、电气、焊接一体化的数字控制设备，涉及到三 个领域的技术。三个方面必须相互合理配合，才能制造出具有高的生产效率、良 好的焊接质量的自动焊枫。机械部分不是我们讨论的目标。我们将着重讨论电气 控制系统和相关的焊接控制技术。 2 第一章焊接方法 焊机的一切构成和控制必须建立在能满足生产和工艺要求的焊接方法的基础 上，只有当我们确立了具体的焊接方法之后，才能确定焊机的机械结构和电气控 制系统。根据工艺要求，在本焊机中将采用t i g 焊封底和m i g 主焊盖面的焊接加 工方式。 翅 ，一 o 。，3 3 图卜1t i g 焊接 f i g1 - 1t i gw e l d i n g 1 - 1t i g 焊 t i g 焊即钨极氩弧焊( 见图卜1 ) ，它以 燃烧于非熔化电极与焊件间的电弧作为热源。 在图中，l 是喷嘴，2 是钨极，3 是电弧，4 是 焊缝，5 是工件，6 是熔池，7 是填充焊丝，8 是氩气。 电极和电弧区及熔化金属都用一层氩 气保护，使之与空气隔离。钨极氩弧焊的电极 通常是用钨极或钨合金棒，用于保护的额气体 通常是氩气或氦气及氩与氦的混合气体。焊接 时填充焊丝从钨极的前方添加。t i g 焊可广泛地应用于飞机制造、化工等工程中， 具有很高的焊接质量。但是，由于t i g 焊电极的载流能力有限，电弧功率受到限 制，焊接速度较低，故在本课题研制的焊机中，仅用于进行焊逢的封底。 图l 一2t i g 电源接法 f i g1 - 2t i gp o w e rc o n n e c t i o n 为了获得稳定的电弧燃烧，我们采用 直流t i g 焊，因为它没有极性的变化。在这 种情况下，宜采用直流正接的接法。此时， 工件为正极性，而钨极则为负极性。当钨极 则为负极性时，在相同的焊接电流下，钨极 的发热量要比钨极则为e 极性时要小。这 样，钨极的烧损就比较小。换言之，在同样 的钨极尺寸和烧损情况下，就可以承受较大的电流量。这时，钨极的电流密度相 对比较大，电弧的稳定性也得到了提高。 当焊接电流采用脉冲电流时，将使得电弧压力增加，电弧挺度增加，从而焊 接过程将更加趋于稳定。改变脉冲焊接电流的占空比，可获得不同的电弧形态， 最终获得焊缝形状。 、北享 图卜3m i g 焊接 f i g1 - 3m i gw e l i n g 卜2m i g 焊 m i g 焊即熔化钨极氩弧焊( 见图卜3 ) 。在图 卜3 中，1 是喷嘴，2 是焊丝兼电极，3 是电弧，4 是焊缝，5 是工件，6 是熔池，7 是氩气。 t i g 焊虽然能够获得优良的焊接质量，但由 于焊接效率低，不能满足规模生产的要求。而m i g 焊用焊丝本身作电极，电流可大大提高，生产效 率也随之大大提高。所以在中等厚度以上的金属 焊接中获得了广泛的应用。 与t i g 焊相比，熔化钨极氩弧焊对熔池的保 护要求较高。如果保护不良，焊缝表面会起皱皮，所以氩气流量和喷嘴口径都要 比t i g 焊来得大。 在m i g 焊中，焊接电源的极性，采用的是直流反接。与t i g 焊一样，m i g 焊 可采用脉冲电流焊接。与连续电流焊接相比，m i g 焊在采用脉冲电流焊接时，具有 较宽的电流调节范围，有利于实现全位置焊接，而且可有效地控制输入热量，改 善焊接质量。 4 第二章焊接过程参数的自动调节 为了获得稳定的焊接过程，首先必须依据焊件的实际情况正确选择电弧焊过 程参数。电弧焊过程参数主要是决定焊缝输入能量的焊接电流i 、电弧电压u 、焊 接速度v w 。在选定了合适的焊接参数后，还应保证在焊接过程中焊接参数保持不 变，这样才能保证焊缝成形和内在质量。我们的任务之一就是要采用适当的控制 方式来实施对焊接参数的控制及保持焊接过程中焊接参数的恒定。 2 - 1 电弧的静特性曲线 图2 - 2 电弧静特性区，电压随着电流的增加而增加，电弧静特 f i g u r e2 - 2a f cs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c 性是上升特性。 2 影响电弧静特性的因素 a 电弧长度的影响 图2 3 电弧长度对电孤静特性的影响 f i g2 - 3a r cl e n g t h i t ss t a t i c c h a r a c t e r i s t i cr e l a t i o n l 图2 - 4 电弧电压与电弧长度的关系 f i g2 - 4a r cv o l t a g e i t sl e n g t h r e l a t i o n 当电弧长度增加时，电弧特性的位置将提高。当焊接电流增加时，电弧电压 将随之增加。 b 保护气体种类的影响 由于各种气体的电离能不同及各种气体的热物理性能的不同，使得在一定的 电流值时，相同的弧长具有不同的弧压。例如导热系数高的气体由于对电弧的冷 却作用大，所以使得电弧显著增加。 c 周围气体介质压力的影响 匿 图2 - 5 介质对弧长弧压关系的影响 f i g2 - 5m e d i u m a r cl e n g t ha n d a r cv o l t a g er e l a t i o n 图2 - 6 电弧电压与气体压力的关系 f i g2 - 6a r cv o l t a g e g a sp r e s s u r e r e l a t i o n 嗲 乡一 乩 一 一 一 r 竖 当其它参数不变时，气体介质的压力的变化将引起电弧电压的变化。气体压 力越大，则气体粒子密度增加，对电弧的冷却作用越强，从而使电弧电压升高。 u 2 - 2 焊接过程稳定性及外部干扰 图2 - 7 电弧静态工作点的波动 f i g2 - 7a r cq u i e s c e n tp o i n tw a v i n g 当我们了解了电弧的静特性极其影响 因素之后，就可以来分析焊接过程的稳定性 及其干扰因素。由于电弧焊过程的两个最主 要的能量参数i 和u 的稳定值是由电源的外 特性和电弧静特性曲线的交点决定的，因此 对i 和u 的稳定值的外界干扰来自两个方 面。 1 使电弧静特性发生的外界干扰因素有： 送丝速度波动、焊具相对于焊缝表面距离的 波动、焊剂、保护气体、母材、和电极成分不均或污染物引起的波动。当上述波 动发生时，电弧特性将移至虚线位置，从而使电弧稳定工作点沿电源外特性从a 点移到b 点。 2 使电源外特性发生的外界干扰因素主要是弧焊电源的供电网路电压的变化。当 该波动发生时，电源外特性将往左移至虚线位置，从而使电弧稳定工作点沿电弧 特性从a 点移到c 点。 在上述所有的干扰中，以弧长的干扰最为严重，影响最大。 2 3 电弧电压自动调节系统 通过上述分析我们可以知道，如果能消除干扰最为严重的弧长波动，就能使 焊接参数基本趋于稳定。而弧长与弧压基本上成正比关系，所以只需控制弧压保 持不变，就能维持弧长不变，最后维持焊接参数恒定。从自动调节系统的结构来 看，这是一个以电弧电压为被调量，以送丝速度或焊炬与工件距离为操作量的闭 环控制系统。 1 t i g 焊的弧压控制 t i g 焊的电极是不熔化钨极电极，其焊接弧长就是电极顶点与工件表面之间的距 离。由于工件表面的不平整，其弧长在焊接过程中是有变化的。 给 圈281 i g 电源的外特性 f i g2 - 8t i gp o w e re x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c 图2 9t i g 焊电极距离调节 f i g2 - 9t i gw e t d i n gt o r c hr e g u l a t i n g 卜匝丑刨蚴鳓螂l p 图2 一1 0t i g 弧压自动调节系统 f 遮2 - 1 0t i ga t ev o l t a g ea u t o m a t i o nr e g u l a t i n gs y s t e m 长) 为了维持焊接过程中的弧长不变，可采用上图所示的弧压闭环调节系统。t i g 焊电极距离依靠电动机来调节。 t i g 焊的焊接电源采用的是具有陡降外特性的电源，当弧长从l 1 变化为l 2 时，焊接电流基本上保持1 1 不变，可维持焊接电流恒定。再依靠上述闭环调节系 统来保证弧压及孤长的恒定，这样，就可维持焊接过程中焊接参数的稳定性。 t i g 焊的电流调节是依靠调节焊接电源的外特性来调节的，如上图所示，当 8 其外特性为曲线( 虚线) 2 时，焊接电流则调整为1 2 。 2 m i g 焊的弧压控制 m i g 焊的电极是熔化极电极，焊丝即为其电极。其焊接弧长就是焊丝末端与 工件表面之间的距离。由于在一定的焊接电流下，也即在一定的焊丝熔化速度下， 送丝速度的快慢将影响着弧长及弧压的大小。 给 图2 一l lm g 电源的外特性 f 垃2 - 1lm i gp o w e re x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c 图2 一t 2m t g 焊送丝调节 p i g2 - 1 2t i gw e l d i n gw i r ef e e dr e g u l a t i n g 卜厦 怪机p 罔2 1 3m i g 弧压自动调节系统 f i g2 - 1 3m i g a r cv o l t a g ea u t o m a t i o nr e g u l a t i n gs y s t e m 得u = u gk ( k + k u ) + ik i ( k + k u ) 上式为电弧电压调节系统的静态特性，它表示变速送丝自动焊接过程中稳定 电弧电压与焊接电流和给定控制量之间的关系。假定k 、k i 、k u 为常数，则上式 可看作一直线方程。 由上式得d u d i = k i ( k + k u ) 当k 足够大时，d u d i 将趋于零，这时系统特性为接近于平行电流坐标轴的直 线。另外，由于m i g 焊电源选用的是具有陡降外特性的电源。因此这种自动电弧 焊接过程中，调节电源外特性可调节焊接电流；调节送丝给定电压( 平均送丝速 度) 可调节焊接电压。电源外特性调节范围确定焊接电流调节范围，送丝速度调 节范围确定了电弧电压的调节范围。 由于m i g 焊的焊接电源采用的是具有陡降外特性的电源，当弧长变化时，可 维持焊接电流恒定。再依靠上述闭环调节系统来保证送丝速度的恒定，从而保证 弧压及弧长的恒定，这样，就可维持焊接过程中焊接参数的稳定性。 上述焊接电压和焊接电流的调节一般是采用两只按钮才能调节。但是，实际 上为了保证电弧过程的稳定性和合理焊缝成形，电弧电压和焊接电流应有恰当的 配合，通常电弧电压应随焊接电流增加而有适当增长。采用能使焊接电流和电弧 电压自动保持恰当比例的控制系统使解决这个问题的有效途径。在实际的系统构 成中，可利用我们前面得出得结论：u = u g 姒“k u ) + i k i ( k + k u ) 来进行控制。 1 0 第三章t i g 焊和m i g 焊的焊接工艺程序及参数 在自动化的焊机中，焊接工艺程序也是保证焊接质量的重要方面。例如，送 气和停气的时间、电弧的引燃时间和熄灭时间等等，都关系到焊接质量。这就要 求整个焊接过程必须按照一定的程序来进行。由于t i g 焊和m i g 焊的工艺差异， 其具体焊接过程和控制对象的也有所不同，现分别分析如下。 3 1 焊接控制方式及其控制对象 一、本焊机中控制的对象 1 t i g 和m i g 焊接电源 2 送丝电动机 1 焊炬电动机 2 控制保护气体的电磁阀 3 焊缝的横向摆动电动机 4 控制其它辅助动作的电磁阀和电动机 二、控制方式 1 一根完成的长管由多根短管焊接而成。在本课题中，根据工厂实际的加工要求， 最多由6 根管子组成。这样，就最多有5 个焊口。由于每根管子的材质可能是 不同的，故每个焊口的焊接规范可能是不一样的。 2 在一个具体的焊口中，可能只有t i g 焊，也可能只有m i g 焊。还可能是t i g 焊封底，m i g 焊主焊。 3 对于每一种具体的焊接方法t i g 焊或m i g 焊，都可能要焊几层，也就是说管 子要转几圈。在本课题中，最多可焊接6 层。 4 根据上述的工艺方式，可以确定，其中有一部分焊接规范是共用的，而有些焊 接参数则是不同的。例如，每一层的焊接电流等是不同的。下面我们将详细说 明。 5 上述焊接规范必须事先通过输入设备( 人机界面) 存储在计算机系统中供焊接 时调用。 3 - 2t i g 焊接工艺程序和参数 一、公共的工艺程序和参数 图3 一l 是t i g 焊接工艺的焊接程序和有关参数，现说明如下： t l ：预送气时间。o _ _ 9 秒可调，每级1 秒。电弧引燃时，提前向电弧区送给保护 气流或焊剂，电弧熄灭后保护气流应继续保留一段时间。 t 2 ：初始电流时续时间。0 o 一9 9 秒可调，每级0 1 秒。以较小的电流开始起弧 焊接，以获得较好的起始焊接成形。 t 3 ：电流上升时间。0 1 一o 5 秒可调，每级0 1 秒。 t 6 ：所焊接的管子的转动延时时间。0 o 9 9 秒可调，每级o 1 秒。必须在初始 电流建立后，稍晚一些再建立焊接速度。 t 7 ：送丝延时时间。0 o 一9 9 秒可调，每级0 1 秒。在初始电流时续期间，并不 立即送丝，需延时一段时间后，才开始送丝。 t 8 ：a v e 控制延时时间。0 o q 9 秒可调，每级0 1 秒。a v c 即a r cv o l t a g ec o n t r o l 电弧电压控制的缩写。一般当焊接电流正式建立后，才开始a v c 控制。 t 9 ：摆动延时时间。0 o 9 9 秒可调，每级0 1 秒。为了保证管子对接时的焊缝 具有一定的宽度，焊炬沿管子轴向来回摆动。 t l o ：搭接延时时间。0 。o 9 。9 秒可调，每级0 。1 秒。管子从零度开始焊接时，开 始的焊缝处于初始电流及电流上升期间，焊缝比较浅和窄。当管子旋转到3 6 0 度位置时，焊接不能马上停止，应该过头一点使末端焊缝与起始焊缝搭接起 来。 t 1 1 ：电流下降时间。0 0 9 9 秒可调，每级0 1 秒。为了使焊缝平滑过渡，应使 焊接电流逐渐减小。 t 1 2 ：收弧时间。0 o _ _ 9 9 秒可调，每级0 1 秒。熄弧时要保证弧坑填满，所以要 采用电流衰减熄弧。 t 1 3 ：管子旋转停止延时时间。0 o 一9 9 秒可调，每级o 1 秒。当电流开始下降时， 管子旋转并不马上停止，而是延时停止。 t 1 4 ：送丝停止延时时间。为了保证焊丝充分填满，应在电流开始下降时，延时一 定时间再停止送丝。 t 1 5 ：保护气迟后关断延时。o 一9 秒可调，每级1 秒。为了保证所有的电弧，包括 正常电弧、收弧电弧均在保护气的保护之下，保护气应在电弧完全熄灭后， 延时一段时间方可关断保护气。 i s ：起始电流。5 - - 3 0 0 a 可调，每级l a 。 i c ：收弧电流。5 - - 3 0 0 a 可调，每级1 a 。 二、每一焊层的焊接参数 每一焊层的焊接参数有可能是不同的。在本课题研制的焊机中，共有6 层焊 层，需设置不同或相同的焊接参数。 图3 - 1 每焊层的焊接参数 f i g3 - 1w e l d i n gp a r m e t e r so fe a c hw e l d i n gp a s s 峰值电流。5 - - 3 0 0 a 可调，每级1 a 。 峰值时间。0 0 3 一1 2 0 秒可调，每级0 0 1 秒。t i g 脉冲电流的峰值电流时 续时间，即脉冲宽度。 基值电流。5 3 0 0 a 可调，每级1a 。t i g 脉冲电流的基值电流。 基值时间。0 0 5 2 5 0 秒可调，每级0 0 1 秒。t i g 脉冲电流的基值电流时 续时间，即脉冲宽度。 a v c 控制电压值。o 一2 0 0 v 可调，每级0 1 v 。即t i g 焊接电压值。 t i g 脉冲电流的峰值电流时续期间对应的焊丝送丝速度。o 一3 0m m i n 可调， 岫即 n n 啮即 每级0 1 m m i n 。由于峰值电流时续期间与基值电流时续期间的电流不同， 焊丝的熔化速度也不一样，所有送丝速度也应该不同。 v b ：t i g 脉冲电流的基值电流时续期间对应的焊丝送丝速度。o 一3 0m m i n 可 调，每级0 1 m m i n 。 v g ：管子旋转速度。0 。l 6 0r m p 可调，每级0 1 r m p 。焊接时管子作旋转运动。 该速度即焊接速度。 w o ：摆动宽度。0 2 5 0m m 可调，每级0 1 m m 。焊接时，为了形成一定的焊 缝宽度，焊枪沿管子轴向作摆动运动。该参数设置焊枪沿管子轴向来回摆动 的宽度，也即焊缝宽度。 v o ：摆动速度。6 1 0 0c y c l e m i n 可调，每级1c y c l e m i n 。设置来回摆动的频 率。 t h ：摆动停顿时间。0 o 9 9 秒可调，每级0 1 秒。在摆动的两极限位置，焊枪 并不马上返回，而是作一停顿。 h ：焊枪提升高度。o 一9 9 啪可调，每级0 1 m m 。在焊完一层之后进入下一层 时，由于上一层已形成了一定高度的焊缝，所以下一层时须将焊枪提高一定 量。 1 4 图3 2 t a # 接参数拉时序闺 喜晕奄轻il_l叫l_ll磊军箩。 cj。 n - l 憎m |； jl 1rli科叫i f 眨 - 一型毫。鲫晕歌 ； c荨f【)一翻q唾 ， 嚼但颦壬 妊哲剥毫舞磬犟毒 肇r s 牮 文j 掣棼 3 - 3m i g 焊接工艺程序和参数 一、公共的工艺程序和参数 公共的工艺程序和参数见图3 - 3 ，其参数数量及其意义与t i g 焊大致相同， 但有些参数不一样。相同的参数简单列出如下，不作详细解释。而对不同的参数 则作一解释。 t l ：预送气时间。0 9 秒可调，每级1 秒。 t 2 ：初始电流时续时问。0 0 9 9 秒可调，每级0 1 秒。 t 3 ：电流上升时间。0 1 o 5 秒可调，每级0 1 秒。 t 4 ：电弧启动迟后时间。0 o 一9 9 秒可调，每级0 1 秒。 t 5 ：所焊接的管子的转动延时时间。0 o 9 9 秒可调，每级0 1 秒。t 6 ：摆动延 时时间。0 卜9 9 秒可调，每级0 1 秒。 t 6 ：摆动延时时间。 t 7 ：搭接延时时间。0 0 9 9 秒可调，每级0 1 秒。管子从零度开始焊接时，开 始的焊缝处于初始电流及电流上升期间，焊缝比较浅和窄。当管子旋转到3 6 0 度位置时，焊接不能马上停止，应该过头一点使木端焊缝与起始焊缝搭接起 来。 t 8 ：电流下降时间。0 o 9 9 秒可调，每级0 1 秒。为了使焊缝平滑过渡，应使 焊接电流逐渐减小。 t 9 ：收弧时间。0 o 9 9 秒可调，每级0 1 秒。 t 1 0 ：管子旋转停止延时时间。0 o 一9 9 秒可调，每级0 1 秒。 t 1 1 ：保护气迟后关断延时。o 9 秒可调，每级1 秒。 i s ：起始电流。5 - - 3 0 0 a 可调，每级l a 。 u s ：起始电压。1 5 o 一3 6 o v ，每级1 v 。与t i g 焊不同，除了设置电流值之外， 还需设置弧压值。 i c ：收弧电流。5 - - 3 0 0 a 可调，每级1 a 。 u c ：收弧电压。1 5 0 3 6 o v ，每级1 v 。 1 6 二、每一焊层的焊接参数 一焊层的焊接参数有可能是不同的。与t i g 焊一样，共有6 层焊层，需设置 不同或相同的焊接参数。与t i g 焊不同的是，m i g 焊的脉冲电流周期由于无需频繁 变动，故其脉冲频率在焊接电源上设定，而不是像t i g 焊那样需通过计算机控制 系统设置。 i ：焊接电流。5 0 3 5 0 a 可调，每级1 a 。 u ：焊接电压。1 5 o 一3 6 o v ，每级1 v 。 v g ：管子旋转速度。0 1 6 0r m p 可调，每级0 1 r m p 。 w o ：摆动宽度。0 2 5 0m m 可调，每级0 1 m m 。 v o ：摆动速度。6 1 0 0c y c l e m i n 可调，每级1c y c l e m i n 。 t h ：摆动停顿时间。0 0 9 9 秒可调，每级0 1 秒。 h ：焊枪提升高度。o 一9 9m m 可调，每级0 1 m m 。 图3 3m i g 焊接参数及时序图 1 8 一吖+ h q l 一 - 1 、 1 1 q 三晕面鞋运譬姆寰 ll百阻 。i 盆譬l莘萋 一 一型一19c)捌掣私 i f ； 煞。一捌掣隧 督惦颦珐 薄谱卜勘 第四章焊机电气控制系统的配置 从前面三章的分析可以知道，整个焊机的电气控制系统必须能够根据预先设 定的焊接参数，按照一定的工艺程序，采用适当的控制技术保证稳定的电弧燃烧， 从而生产出符合质量要求的产品。根据这一控制要求，我们来进行控制系统配置。 4 - 1 焊机机械系统构成简介 在进行电气控制系统设计之前，务必要了解焊机的机械系统构成。如图所示， 整个焊机由三个部分组成。 图4 - i 焊机的由玮e 结构简图 f i g4 - 1w e l d i n gm a c h i n ec o n f i g u r a t i o n l _ 焊枪平台焊枪平台安装在焊机的龙门架上。在焊枪平台上有小拖板和大拖板 两部分。小拖板可上下移动，以完成焊枪的垂直焊接位置定位及t i g 焊接的a v c 控制。大拖板可左右移动，以完成焊枪的水平焊接位置定位。 1 9 2 管子导向夹紧装置该部分用于管子的导入、导出、夹紧、定中、转动。分成 两个左右部分。左边部分的圆筒用于左边管子的导入，左夹头将管子夹紧、自 动定中：中间的升降挡块用于所对接的左右两根管子的轴向定位。右边部分的 圆筒用于管子的导入，左央头将管子夹紧、自动定中。该部分还用于驱动管子 转动，以完成焊接进给。 3 强送装置 强送装置用于将管子运送进入园简内及在焊接结束后将管子送出。 上述机械结构具有足够的机械刚度和机械精度，以保证各传动机构的传动 精度和焊接的控制精度，最终保证焊接质量。 4 2 控制系统的功能要求 控制系统必须具有如下功能： 1 所有焊接参数的输入、显示和存储功能。应具有某种人机界面与控制系统进行 对话，并将设定参数存储在系统中。 2 系统应能根据设定的焊接工艺参数和焊接程序自动控制焊接过程和焊接参数， 使焊机能按照预置的参数和程序进行焊接j j 7 - 。 3 t i g 焊和m i g 焊的多个焊层应能分别控制其焊接工艺参数。 4 每个焊口的焊接工艺参数能分别控制。 5 系统应能提供实际焊接参数的显示。 4 - 3 控制系统的构成 由于p l c 的高度成熟性和高度可靠性，适宜于应用在工业控制场合，特别像 本课题研究的焊接设备由于其较强烈的干扰，更是需要使用p l c 。另外计算机技术 发展到今天，p l c 的强大功能足以胜任本课题所要求的控制任务，所以本直管对接 焊机的电气控制系统的核心控制器即为一个p l c 。在这罩我们选用日本三菱的f x 2 n 系列的p l c 。该p l c 具有丰富的周边设备，可以构成控制功能很强的控制系统。本 2 0 系统的构成如下 图4 - 2 控制系统构成框图 f 电4 - 2c o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n 一、构成部件说明： 1 主机f x 2 n 一1 2 8 m r 主控制器，用于开关量控制及完成a d 转换、d a 转换、位置控制等功能。 2 输入模块f x 2 n 一1 6 e x 主机的输入点数不够，用于扩展其输入点数。 3 输出模块f x 2 n 一8 e y r 主机的输出点数不够，用于扩展其输出点数。 4 脉冲发生模块( 1 ) f x 2 n 一1 p g 用于焊接平台小拖板的左右移动，也即焊枪的摆动控制。该模块在p l c 主机的 控制下驱动伺服驱动器，可完成对小拖板的速度和位置控制。 5 脉冲发生模块( 2 ) f x 2 n 一1 p g 用于焊接平台大拖板的上下移动控制，也即焊枪的上下移动。该模块在p l c 主 机的控制下驱动伺服驱动器，可完成对大拖板的速度和位置控制。 6 数模转换模块( 1 ) f x 2 n 一4 d a 用于将p l c 主机的控制运算结果的数字量转换成模拟量，来给出t i g 焊接电流 指令、m i g 焊接电流指令、m i g 焊接电压指令、管子转动速度指令。 7 数模转换模块( 2 ) f x 2 n 一2 d a 用于将p l c 主机的控制运算结果的数字量转换成模拟量，来给出t i g 送丝速度 令。 8 模数转换模块( 2 ) f x 2 n 一2 a d 用于将m i g 实际送丝速度反馈给系统，供操作者监视焊接参数用。 9 触摸屏f 9 4 0 g o t 人机界面，用于操作者将各焊口各焊层的焊接参数输入控制系统，并在屏幕上 监视主要的实际焊接参数。 1 0 ，伺服驱动器及伺服电机( 1 ) m s d a 0 4 2 a 1 a m s m a 0 4 2 a l a 松下伺服驱动器，与脉冲发生模块( 1 ) f x 2 n 一1 p g 配合用于焊接平台大拖板( 垂 直移动) 的驱动。 1 1 伺服驱动器及伺服电机( 2 ) m s d a 0 4 2 a 1 a m s m a 0 4 2 a 1 a 松下伺服驱动器，与脉冲发生模块( 2 ) f x 2 n 一1 p g 配合用于焊接平台小拖扳( 水 平移动) 的驱动。 1 2 伺服驱动器及伺服电机( 3 ) m s d a 2 0 2 a 1 a m s i a 2 0 2 a 1 a 松下伺服驱动器，与d a 模块( 1 ) f x 2 n 一4 d a 配合用于管子转动的驱动，控制焊 接速度和管子经向的焊接位置。 1 3 t i g 及m i g 焊接电源 t i g 电源为a e s 3 5 0 a ，m i g 电源为t r a 3 5 0 a 。 1 4 各种电磁阀 用于控制强送夹紧放松、保护气体的通断、每支焊枪的选择等 二、控制模块的选择及其参数 下面的控制模块是我们构成整个控制系统的主要模块。 i p l c 主控制器 三菱f x 2 n 系列p l c 具有良好的性价比，小型机的价格，中大型机的性能和功 能，能完成本课题研制的焊机的控制要求。 根据所要控制的开关量的数量，选用f x 2 n 一1 2 8 m r 。该控制器性能如下表： 编程语言梯形图、语句表 最大存储量1 6 k 步 程序存储器 内置存储器容量8 k 步 可选存储器卡 r a m 8 ke e p r o m4 8 1 6 ke p r o m1 6 k 基本指令2 7 条 指令种类 应用指令1 2 8 种，2 9 8 个 基本指令 o 0 8 us 运算处理速度 应用指令1 5 2us 一数1 0 0 us 不等 输入点数 最大1 2 8 点 输入输出点数 输出点数 最大1 2 8 点 输入方式 d c 2 4 v 光电隔离7 m s 滤波 输出方式继电器、晶闸管、晶体管 普通m o o o - 一m 4 9 9 辅助继电器 停电保持型m 5 0 3 0 7 1 特殊 m 8 0 0 0 _ m 8 2 5 5 状态寄存器s o - 一$ 9 9 9 定时器普通型 t 0 一t 2 4 5 积算型t 2 4 6 2 5 5 1 6 位 c o c 1 9 9 计数器3 2 位双向c 2 0 0 一c 2 3 4 3 2 位双向c 2 3 5 - - c 2 5 5 最高6 0 k h z 普通 d o d 1 9 9 数据寄存器 停电保持型d 2 0 0 一d 8 1 9 5 指针j u m p 、c a l l 用 p o p 1 2 7 输入中