（材料加工工程专业论文）基于plc的电渣焊控制系统的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 电渣焊分为丝极电渣焊、板极电渣焊和熔嘴电渣焊，是一种在垂直位置 或者接近垂直位置使用的高效单道焊工艺过程，用于连接厚度大于3 0 m m 的 钢板或部件。就目前国内外现状看来，对电渣焊系统的自动控制研究相当有 限，目前尚无自主知识产权的国产化丝极电渣焊设备。国内使用的电渣焊机， 多数是仿制前苏联产品，目前已严重老化，急需国产替代设备。 据此，本文对目前国内的电渣焊技术进行学习和深入研究后，依据生产 现场的要求以及电渣焊焊接工艺的要求，首先，对电渣焊的自动控制的总体 方案进行了研究和设计。以p l c 控制单元为核心、结合晶闸管直流调速技术 实现对焊丝进退和焊接机头升降的控制；结合变频调速和传感技术对焊丝的 摆动速度和幅度进行控制；结合单独设计的延时电路实现焊丝在摆动折返点 停留时间的调节。 然后，在对电渣焊的焊接设备功能研究基础上，详细研究了系统的硬件 结构，提出了改善方法，并对本设计中的硬件设备进行了介绍，包括主控装 置p l c 、变频器、旋转编码器、晶闸管直流调速器、及延时电路以及电路原 理图的详细设计。 最后，根据电渣焊的加工工艺，对系统的流程进行了设计，并对关键设 计进行了详细的说明：焊丝摆动系统的设计、延时电路的设计。 总之，本文设计的基于p l c 的电渣焊控制系统操作方便，运行稳定可靠， 性能较好，满足工作要求，同时保证产品的质量，具有一定的工程实用价值。 关键词：电渣焊；可编程控制器；自动焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t e l e c t r o s l a gw e l d i n gd i v i d e di n t oe l e c t r o s l a gw e l d i n gw i t hw i r ee l e c t r o d e ， e l e c t r o s l a gw e l d i n gw i t hp l a t ee l e c t r o d e ，e l e c t r o s l a gw e l d i n gw i t ht u b ee l e c t r o d e i t i sas i n g l e - c h a n n e lh i 曲- p e r f o r m a n c ew e l d i n gp r o c e s sw o r k i n gi nt h ev e r t i c a l p o s i t i o no rc l o s et ov e r t i c a lp o s i t i o n i ti su s e dt oc o n n e c tt h es t e e lp l a t et h i c k n e s s o f2 5 m mo rg r e a t e rt h a nt h ep a r t s a p p e a r s i n go nt h ec u r r e n ts t a t u sq u oa th o m e a n da b r o a d ，r e s e a r c ho ft h ee l e c t r o s l a gw e l d i n gs y s t e mf o rt h ea u t o m a t i o ni s l i m i t e d t h e r ei sn oi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s o fh o m e - m a d e e q u i p m e n to fe l e c t r o s l a gw e l d i n gw i t hw i r ee l e c t r o d e m o s to fd o m e s t i c e l e c t r o s l a gw e l d i n gm a c h i n ei n t r o d u c ef r o mt h ef o r m e rs o v i e tu n i o nb e f o r e19 6 2 ，h a s a l r e a d yb e e ns e r i o u s l y s od o m e s t i ca l t e r n a t i v ee q u i p m e n ti sm u c h n e e d e d a c c o r d i n g l y , t h i sp a p e rd e s i g n st h eg e n e r a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e c t r o s l a g w e l d i n g a f t e r d e e p l yr e s e a r c h i n g o n c o n t r o l l i n g m e t h o da n d p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s b a s e d o n a n a l y z i n g t h e d e v e l o p m e n ts t a t u s a n dt r e n do f g e a r p r o c e s s i n g ，t h ep a p e rr e s e a r c h e so nc o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e c t r o s l a gw e l d i n g f i r s t ，p l ci st h ec o r eo fs y s t e m c o m b i n i n gt h et e c h n o l o g yo ft h y r i s t o rs p e e d c o n t r o l ，i tr e a l i z e sw e l d i n gw i r ef e e d i n ga n de n h a n c e m e n to fe l e c t r i cw e l d i n g m a c h i n e c o m b i n i n gt h ei n v e r t e rt e c h n o l o g ya n ds e n s i n gt e c h n o l o g y ，i tc o n t r o l s w i r es p e e da n dm a g n i t u d eo ft h es w i n g c o m b i n i n gt i m ed e l a ye l e c t r o n i cc i r c u i t s ， i tr e a l i z e sr e g u l a t i o no fw i r es t a yt i m ea tt h er e t u r np o i n t se c o n d ，o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ef u n c t i o n so ft h em a c h i n e ，t h ep a p e r s p e c i f i c a l l ys m d i e st h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f m a i nc o n t r o lc o m p o n e n t - - p l c ，c o n v e r t e r s ，r o t a r ye n c o d e r , t h y r i s t o rd cs p e e d g o v e r n o r , t i m ed e l a ye l e c t r o n i cc i r c u i t sa n dc i r c u i tp r i n c i p l ec h a r t t h i r d ，t h ep a p e rd e e p l yd i s c u s s e st h ek e yc o n t r o lt e c h n iq u e so ft h em a c h i n e ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l il 页 s u c ha st h eo s c i l l a t i n gc o n t r o lo fw e l d i n gw i r ef o re l e c t r o s l a gw e l d i n ga n dt i m e d e l a ye l e c t r o n i cc i r c u i t s e t c t h ec o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o s l a gw e l d i n gt h a t t h i sp a p e rp r o p o s e di s c o n v e n i e n t ，r e l i a b l ea n dq u a l i f yf o rt h ew o r kd e m a n d i ta l s ot a i li n c r e a s e p r o d u c t i v i t y , g u a r a n t e eq u a l i t ya n dh a sp r a c t i c a lv a l u e si ne n g i n e e r k e yw o r d s ：e i e c t r o s l a gw e l d i n g ：p l o ；a u t o m a t c 鹏l d i n g 西南交通大学囱南父通大罕 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。本人授权西南交通大学可以将本论 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 印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：昱法 日期： 2 0 0 9 4 2 2 指导老师签名： 日期：2 0 0 9 4 2 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 焊接自动化技术发展与焊接过程控制的研究现状 在现代制造业生产中，焊接是重要的工艺方法之一。随着制造业的现代 化进展，在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工、建筑和电 子等行业中的应用越来越广泛。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件 连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺寸精确 的制成品的生产手段。因此，保证焊接产品质量的稳定性和提高劳动生产率 已成为焊接生产发展亟待解决的问题。 1 1 1 焊接自动化技术发展 由于诸多因素的推动，如焊接冶金物理化学过程的复杂性、合理工艺的 制定与实现、焊接质量的稳定性、应用的灵活性、操作的安全性及经济性等， 使得实现对焊接过程的自动控制、焊接工艺制造的自动化的需求越来越迫切。 另外，计算机技术、控制理论、人工智能、电子技术及机器人技术的发展为 焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中，取 得了很多成果，焊接过程自动化已成为焊接技术的生长点之一。从焊接技术 发展来看，焊接自动化、机器人化以及智能化已成为趋势。研究焊工的智能 行为对焊接自动化的发展具有重要的启发意义晗3 。一个熟练的焊工所表现出 的高度适应能力，是任何焊接机器人所无法比拟的，在手工和半自动焊接过 程中，一个高水平的焊工通过观察接头的位置、熔池的行为、电弧形状和焊 道外观可以感知焊接状态，如果实际焊接过程同最佳状态不一致，可以手动 调节各种规范参数使之达到最佳，以获得高质量的焊缝1 。如果希望焊接过 程由机械装置来完成，即实现焊接过程自动化，首先需要类似人体感官的焊 接传感器，焊接传感器是一个基于对影响焊接结果的内部和外部条件的检测 从而能检测和控制焊接操作的探测器；还需要类似于焊工的对焊接过程的认 识，即能够描述焊接过程各种状态的知识，也就是对焊接过程模型化；最后 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 还需要类似于人脑思维的控制器，以实现合理的控制规律。熟悉焊接过程的 人很容易理解在焊接过程中开环控制或示教系统不能完全实现高质量的自动 化焊接，因为这种系统无法补偿焊接状态的实时变化及各种意想不到的外来 干扰，从这种观点看，焊接过程控制也是当前焊接领域前沿最重要的组成部 分引。 1 1 2 焊接过程控制的研究现状 焊接过程自动控制的最终目的在于获得满意的焊接质量，近年来，对于 宏观焊接质量( 如熔透控制、接头尺寸等) 的控制已取得了较大的进展，对 于微观焊接质量( 焊缝的金相组织及机械性能) 的控制正处于起步阶段。焊 接过程控制正由宏观向微观、由简单控制向系统的智能控制发展。智能控制 系统设计的目的类似于自适应控制系统，但它们之间仍存在差异。对智能控 制系统而言，比自适应系统的算法所能承受的不确定性因素的程度大得多。 智能控制的目的就是在系统存在大范围的不确定性条件下设计一个具有满意 性能的系统h 3 。 在处理大程度的不确定因素时，经典控制系统通常的做法是依靠人的干 预。但是对实时系统，人的干预是不能接受的，这样就促使人们去寻找解决 传统方法所不能解决的强不确定性和非线性问题的方法，近年来人们试图进 一步发展现代控制理论以解决这个问题，如研究和发展了自适应控制，变结 构控制等，可以说它们是现代控制理论向智能化方向发展的分支。但是由于 它们从认识和方法上都过于依赖现代控制理论，因而至今都不能从根本上解 决不确定性和非线性问题，这使得自动控制理论向更新的方向智能控制迈进。 智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制和信息处理系统。智能控制的 基本特点是不依赖或不完全依赖被控对象的数学模型，而主要是利用人的操 作经验、知识和推理技术以及控制系统的某些信息和性能得出相应的控制动 作。由于这一特点，智能控制在不确定性、非线线过程控制中比现代控制理 论中系统辨识方法的自适应控制具有更好的鲁棒性阳3 。目前人们认为智能控 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 制有三种途径，它们是：作为控制系统自适应环节的专家系统；作为控制系 统决策环节的模糊计算；作为控制系统补偿环节的神经网络。采用这三种途 径对系统控制的方法分别称为专家系统、模糊控制和神经网络控制旧刮。 1 。2p l c 在焊接自动化技术中的应用 可编程控制器是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和 通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。它采用可编程存储器作为 内部指令记忆装置，具有逻辑、排序、定时、计数及算术运算等功能，并通 过数字或模拟输入输出模块控制各种形式的机器及过程。随着现代科学技术 的迅猛发展，可编程控制器不仅仅只是作为逻辑的顺序控制，而且还可以接 收各种数字信号、模拟信号、进行逻辑运算、函数运算和浮点数运算等。更 高级的可编程控制器还能进行模拟输出，甚至可以作为p i d 控制器使用。目 前p l c 广泛应用于石油、化工、冶金、汽车、电力等行业。在焊接自动化领 域的应用越来越普遍n 。 1 2 1p l o 的基本概念 国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i t t e e ) 在1 9 8 7 年颁布的 p l c 标准草案中对p l c 作了如下定义：“p l c 是一种专门为在工业环境下应 用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编程的存储器，用来在其 内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令， 并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程 n 2 1 。p l c 及其有关的外围设备都应该按照易于与工业控制系统形成一个整体， 易于扩展功能的原则而设计 。通过以上定义可以了解到，相对于一般意义上 的计算机，p l c 并不仅仅是具有计算机的内核，它还配置了许多适用于工业 控制的器件。它实质上是经过一次开发的工业控制用计算机。但是，从另一 方面来说，它是一种通用机，不经过二次开发，它就不能在任何具体的工业 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 设备上使用。不过，自诞生以来，电气工程技术人员感受最深刻的也正是p l c 二次开发编程十分容易。它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院 走进了厂矿企业，变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力所能及的工 作。再加上其体积小、可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善、适用性强、 安装接线简单等众多优点，p l c 在工业控制中得到了非常广泛的应用n 引。 1 2 2p l c 在焊接自动化中的应用 早期的焊接控制系统多采用中间继电器触点逻辑电路或是二极管矩阵逻 辑电路作为程序控制单元，设备结构复杂、故障率很高，在很大程度上影响 到焊接质量和效率。p l c 具有可靠性高，抗干扰能力强；功能完善，适用性 强；易学易用，系统设计周期短，维护方便，改造容易；体积小，重量轻， 能耗低等优点。而且p l c 的输入量可以直接为按钮或是触点开关量，输出口 带载能力强，可直接驱动电磁阀或继电器。因此采用p l c 作为控制单元，系 统连线简单，省去众多触点控制环节，故障率大为降低；采用软件编程，程 序设定和修改极为方便，且时间控制精确，控制精度高，可满足多种焊接条 件的需要n 引。 目前p l c 广泛应用于自动焊接设备，作为焊接自动控制系统的控制核心。 利用p l c 提高焊接设备控制系统的可靠性，利用p l c 实用、灵活的编程方法 增强控制系统功能。如成都焊研科技有限责任公司为三菱帕杰罗越野车设计 制造的后桥壳焊接生产线，整个生产过程由p l c 可编程控制器作为中心控制 环节，大量采用非接触式传感器件和光电编码控制环节。该生产线通过焊接 工位机械手实现自动化控制，运行规范，可靠。尹金玉、杨玉珍等人研制的 汽车消声器工件自动焊接控制系统中也是采用p l c 作为系统的控制核心。该 系统焊接质量稳定，工人只需进行一次按钮操作即可完成全部焊接过程，大 大降低了劳动强度，显著提高了生产效率。目前利用p l c 作为控制单元研制 成功的焊接控制系统广泛的应用在真空扩散自动焊接装置、环形焊缝的自动 焊接装置、涡轮增压器手臂阀自动化焊接设备、等离子弧全自动焊接机、阀 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 门密封面堆焊系统等其它自动焊接装置n 扣1 刚 1 3 电渣焊综述 1 3 1 电渣焊的基本原理 电渣焊是一种以电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源的熔化焊接方 法，如图1 1 所示n7 1 。焊前先把工件垂直放置，在两工件间留有一定间隙( 一 般为2 0 4 0 毫米) ，在工件下端装好引弧板，上端装好引出板，并在工件两 侧表面装好强迫成形装置。开始焊接时，使焊丝与引弧板短路起弧，不断加 入少量焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待渣池达到一定深 度时，增加焊丝送进速度并降低焊接电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，转 入 图1 - i电渣焊原理示意图 卜工件2 一金属熔池3 一渣池4 一导电嘴 5 一焊丝 6 一强迫成形装置7 一引出板8 一金属熔滴9 一焊缝i o - 弓i 弧板 电渣焊接过程。由于高温熔渣具有一定的导电性，当焊接电流从焊丝端部经 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 过渣池流向工件时，在渣池内产生的大量电阻热将焊丝和工件边缘熔化熔化 的金属沉积到渣池下面形成金属熔池。随着焊丝的送进，熔池不断上升并冷 却凝固而形成焊缝。由于焊渣始终浮于金属熔池上部，这不仅保证了电渣过 程的顺利进行，而且对金属熔池起到了良好的保护作用。随着焊接熔池的不 断上升和焊缝的形成，焊丝送进机构和强迫成形装置也不断的向上移动，从 而保证了焊接过程连续进行。 由上述过程可见为保证电渣过程稳定，要求浮在熔池上方的熔池必须具 有一定的深度和一定的容积，因此，焊缝须处于垂直位置或接近于垂直位置， 并在被焊工件两侧表面装有强迫成形装置。此外，为了防止造渣开始处因电 渣过程不稳定面产生未焊透、夹渣等缺陷，必须装有引弧板。在焊缝末端， 为了防止产生缩孔、裂缝等缺陷，又必须装有引出板n 引。 1 3 2 电渣焊的种类 目前国内外应用的电渣焊方法根据使用的电极形状主要有以下几种： 1 、板极电渣焊 图】2 为板极电渣焊示意图。它是用金属板条作为熔化电极的。同样可 以根据被焊工件厚度不向采用一块或数块金属板条进行焊接。焊接时，板极 不须作横向摆动，只须向下送进，因而设备简单。板极电渣焊所用板极与丝 极相比较，其板极容易制备，这不仅经济、方便，而且对于某些难以拔制成 焊丝的合金钢材意义更大。板极电渣焊因受板极送进长度和自身刚度的限制， 所以一般适用于大断面短焊缝的焊接。 2 、熔嘴电渣焊 图1 3 为熔嘴电渣焊示意图。它是用焊丝和固定在工件间隙中并与工件 绝缘的熔嘴共同作为熔化电极的。熔嘴是由一个或数个导丝管与板极所组成， 其形状与被焊工件断面形状相似，它不仅起导电嘴的作用，而且被熔化后作 为焊缝填充金属的一部分。根据工件厚度不同，可采用一只、二只或多只熔 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 2 板极电渣焊示意图 卜工件2 一板极3 一强迫成形装置 图卜3 熔嘴电渣焊示意图 卜熔嘴2 一导丝管3 一焊丝4 - y _ 件 5 一强迫成形装置 嘴。该方法可以比板极电值焊焊接受大断面的工件并且适于焊接不规则断面 的工件。此外，焊缝的化学成分可通过熔嘴及焊丝的化学成分的恰当配合易 于进行调整。熔嘴电渣焊所用设备也是比较简单的，焊丝的送进只须一般的 送丝机构9 1 。 3 、丝极电渣焊 图1 4 为丝极电渣焊过程示意图。它是用焊丝作为熔化电极的。可按工 件厚度不同，采用1 3 根或更多的焊丝进行焊接。在焊丝根数不变的情况下， 为了增加所焊工件的厚度并使母材在厚度方向上受热熔化均匀，焊丝可沿工 件厚度方向作横向往复摆动。在采用多根焊丝焊接时，焊接设备和焊接技术 就比较复杂。丝极电渣焊方法一般用于焊接厚度为4 0 4 5 0 毫米和焊缝较长 的工件及坏焊缝的焊接。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 出水 进水 例卜4 丝极电渣焊不意图 卜导轨2 一焊机机头3 一操作盘4 一焊缝冷却成形滑块 5 一焊件6 一导电嘴7 一熔渣池8 一金属熔池 丝极电渣焊的规范参数主要备焊接电压、焊接电流( 送丝速度) 、渣池深 度、装配间隙。此外，还有焊丝根数、焊丝干伸出长度、焊丝摆动规范( 摆动 幅度、摆功速度、焊丝在摆幅两端的停留时间、焊丝摆至离工件边缘的距离) 、 冷却水的温度等。各规范参数对焊接过程和接头质量的影响以及选择方法如 下所述n 副。 a ) 焊接电压和焊接电流( 送丝速度) 焊接电压对母材熔深有显著的影响。当焊接电流不变时，增加焊接电压， 焊接线能量增加，并且因焊丝末端与金属熔池间距离增加，使对流作用得到 改善( 见图1 5 ) ，故母材熔深显著增加。焊接电流对母材熔深也有一定的影 响，如图1 6 所示。当焊接电压不变时，母材熔深随着焊接电流的增加而略 有增加，这是由于焊接电流增加时，焊接速度因送丝速度增加而增加，虽然 使焊接线能量降低了，但渣池的对流作用却增强了，故母材熔深略有增加。 但当电流超过一定值后，则母材熔深反而随电流增加而减小。这是因为 当电流( 即送丝速度) 过大时，焊丝末端与金属熔池间距离过小，对流作用 集中在焊丝末端的渣池内( 见图1 - 5 c ) ，不能很好地熔化母材边缘，故使母材 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 熔深反而减小。总之，增加焊接电流，金属熔池形状系数总是减小的，这是 因为电磁压缩效应对金属熔池的作们力随电流的增加而增加较大，使熔池液 面下凹增加较大，熔池深度增加较大所致n ”。 焊接电压和焊接电流( 送丝速度) 的选择要恰当地配合，并且应考虑到 单根焊丝所担负的焊接工件厚度、母材的成分、熔池深度等因素。 m 州 口) 6 、1 r ：， f ) 图1 - 5 焊丝末端与熔池间距离对母材熔深影响示意图 a ) 距离大b ) 距离小c ) 距离过小 b ) 熔池深度 e e 爨 辖 蕾 由 p p 萼尸2 锄心 t 3 v 、| 4 ， 一 一、 ， 3 6 y 一一 夕 、 、口 电流，a 图1 - 6 电流对母材熔深影响示意图 渣池深度对母材熔深有较大的影响。随着熔池深度增加，母材熔深减小。 这是因为渣池深度增加时，作为热源的渣池与母材接触面积增加，使输入母 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 材的热能分散。此外，当渣池深度增加时，因焊丝伸入渣池内的长度增加， 使电流分流作用增强，也使母材熔深减小。当熔池深度过大时，就可能产生 末焊透。但渣池深度也木能过浅，否则易产生飞溅，电渣过程不稳定。选择 渣池深度还应考虑到焊剂的物理性能，并随送丝速度的增加而增加。通常采 用渣池深度4 0 7 0 毫米心训。 c ) 装配间隙 随着装配间隙的减小，母材熔深是增加的。这是由于焊丝末端的对流作 用对母材的冲刷增强所致。但当装配间隙过小时，焊接电流从焊丝周侧流出 的分流电流大大增加，反而使熔深减小，这不仅容易产生末焊透，还会降低 焊缝的抗裂性能。装配间隙过小，还可能使焊机导电嘴与工件易于短路 打弧，影响焊接过程正常进行。装配间隙也不宜过大，否则不仅降低了生产 率，增加填充金属量，而且也会产生末焊透。 d ) 焊丝根数、焊丝干伸出长度 丝极电渣焊焊丝直径一般为3 毫米，其根数取决于焊件厚度。为了保证 焊透，单根焊丝所担负的工件厚度不应超过1 5 0 毫米。当焊件较厚时，最好 采用三根焊丝或者三的倍数的焊丝施焊( 焊丝与焊接电源采用跳级接法) ，这 可使电力网络三相负荷均匀。 e ) 摆动规范 适当增加焊丝的摆动速度或减少停留时间，可使焊缝层状结晶组织厚度 减小，并使母材熔探更为均匀。但若焊丝摆动速度过大或停留时间过短，则 有可能在母材尚未熔化的情况下，热源已经移开，从而造成未焊透。故在保 旺焊透的情况下，可适当提高焊丝的摆动速度或降低停留时间。焊丝摆动速 度通常采用3 0 - - - 4 0 米时。焊丝停留时间一般力3 6 秒。在电渣焊过程中， 焊丝应始终处在焊接间隙的今心线上。当进行多丝焊接并摆动时，其摆动位 置可由图中的口、z 、口1 三个参数确定： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 f ：鱼竺2 二丝7(1-1) 咒 a = a ，( 1 - 2 ) 式中万被焊接工件厚度； n 一焊丝根数； a 焊丝至工件边缘距离； z 一焊丝间距离； 儡焊丝摆动幅度； 仉焊丝未摆过区间。 口值影响着母材熔深的均匀性，为保证可靠地焊透，在焊接过程中a 。 值应保持不变，a ，值一股取值1 0 2 5 毫米。 a 值取决于冷却滑块形槽的深度( 即焊缝加强高) ，它与焊丝摆动速度及 在滑块旁停留时间有关，通常取5 7 毫米。但当成形槽滑块深度达l o 毫米 时，口值可取o 2 毫米。若焊丝不作横向摆动时，口值一般大于2 0 2 5 毫米， 焊丝呈对称分布。 a l 值小于焊丝间距离j ，这样能获得均匀的熔宽。 d 冷却滑块的冷却水温度 冷却水温度影响着焊缝表面成形。随着水温的降低，焊缝表面鳞片粗糙。 若水温过低，有可能产生未焊透和咬肉等缺陷。但水温也不能过高，否则有 可能浇坏铜沿块。通常水温以5 0 6 0 。c 为宜阻7 1 。 1 3 3 电渣焊优缺点 电渣焊与一般电弧焊相比较，具有下述优点： 1 电渣焊可以一次焊接很厚的工件从而提高了焊接生产率。从理论上 讲，其所能焊接的工件厚度是无限的，但实际上受设备、电源容量和操作技 术等方面的限制，其焊接工件的厚度还是有限的。 2 电渣焊时工件不需要开坡口，只要使工件边缘之间保持一定的装配 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 间隙即可因而可以节约大量金属和加工时间。 3 由于电渣焊时金属熔池上面始终存在着一定体积的高温渣池，使熔 池中的气体和杂质较易析出，故电渣焊焊焊缝一般不易产生气孔和夹渣等缺 陷。 4 由于电渣焊焊接速度缓慢，其热源的热量集中程度远较电弧焊为弱， 所以使近缝区加热和冷却速度缓慢，这对焊接易淬火的钢种时，减少了近缝 区产生淬火裂缝的可能性。 5 因为电渣焊的母材熔深较易调整和控制，所以使焊缝金属中的填充 金属和母材金属的比例可在很大范围内调整( 可在1 0 - 7 0 内变化) ，这对于 调整焊缝金属的化学成分及降低焊缝金属中的有害杂质具有特殊意义。 电渣焊不仅是一种优质、高效、低成本的焊接方法，而且它还为生产、 制造大型构件和重型设备开辟了新途径，一些外形尺寸和重量受到生产技术 条件限制的大型铸造和锻造结构，可借助于电渣焊方法，用铸一焊、锻一焊或 轧一焊结构来代替，从而使工厂的生产能力得到显著提高。 由于电渣焊热源的特点和焊接速度缓慢，也使这种方法存在着一个主要 缺点，这就是因为焊缝金属和近缝区在高温( 1 0 0 0 以上) 停留时间长，易 于引起晶粒放大，造成焊接接头冲击韧性大大降低，所以往往要求工件焊后 进行正火热处理，以细化晶粒提高冲击韧性，这对于大型工件来说是比较困 难的。因此，如何提高电渣焊在焊态时的接头冲击韧性是目前电渣焊技术发 展中的一个重要课题。 我国在1 9 5 8 年开始研究和推广电渣焊，于六十年代初，就成功地焊接 了一万二千吨水压机。在七十年代，又成功地焊接了1 7 0 0 大型轧钢机、全电 渣焊的大型水轮机转轮、2 0 0 毫米厚的大断面铝母线等产品。目前，电渣焊 已在锅炉、石油化工、重型机械等行业中稳定地用于生产，并且在焊接生产 率、焊接质量、控制结构变形等方面有了较大提高n 引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 4 本论文研究的背景和意义 2 0 世纪5 0 年代初，乌克兰的巴顿电焊研究所发明了电渣焊，并用它代 替大电流埋弧焊过程来焊接厚壁压力容器上的纵向焊缝。与其它的大电流熔 焊过程不同，电渣焊不是电弧焊过程，其熔化焊丝和金属板边缘所需的热源 是电流通过液体熔渣所产生的电阻热。电渣焊适用于焊接厚度3 0 m m 以上的厚 板或大截面结构，可焊接碳钢、合金钢、铝等金属材料，在重型机械、船舶、 压力容器等制造业中应用普遍。根据焊接时所用的电极形状，电渣焊分为丝 极电渣焊、板极电渣焊和熔嘴电渣焊。 实现焊接过程的自动化是我国焊接行业的战略目标。目前我国以焊接技 术为主导技术的大中型企业的自动化程度己达到4 5 左右心，2 0 世纪7 0 年 代，在调查研究能够提高焊接速度的方法时，很多的人对电渣焊表示出了兴 趣，它被看成是提高生产率的重要工艺方法。但是，从那时起到现在，电渣 焊的发展只取得了很小的成效，对电渣焊的研究只取得的很小的进展。就目 前国内外现状看来，对电渣焊系统的自动化研究相当有限，目前尚无自主知 识产权的国产化丝极电渣焊设备。国内使用的电渣焊机，多数是仿制前苏联 产品，目前已严重老化，急需国产替代设备。 p l c 自产生以来发展极为迅速，代替了继电器控制系统。p l c 产品的产 量、销量及用量在所有工业控制装置中居首位，而且应用范围广泛，多年来 一直呈持续增长势头，市场对其需求仍在稳步上升。 本系统将提高电渣焊控制过程的稳定性和准确性，自动化程度高，能适 应现场生产，节省了焊接时间，提高了生产效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 5 本论文主要完成的工作 本课题采用日本k o y o 公司的s h 一4 8 r 2 型p l c 作为焊接系统的控制核 心，结合欧陆公司的s d 51 2 晶闸管调速模块，以及l g 公司的变频器i g 5 和 光洋公司的旋转编码器来实现电渣焊的自动焊接。要求焊机能够很方便地调 节机嘴在工件装配间隙内的位置、连续向渣池内送进焊丝、使焊丝能够在间 隙中沿工件厚度方向作往复摆动并能控制摆动的速度及在两端的停留时间、 能自动控制与金属熔池上升速度相适应地向上移动机头与成型滑块。通过对 国内外电渣焊控制系统的研究以及对本课题所涉及的焊接控制系统的专门性 分析，针对目前存在的问题，本文要做如下的工作： 1 硬件系统设计：以p l c 为核心的控制系统的设计，包括选用用于同 p l c 进行进行配套使用的设备，如控制焊丝摆动速度的变频器、反馈焊丝摆 动幅度的旋转编码器、控制送丝速度和焊机提升速度的晶闸管调速器等。其 中，以p l c 为核心的控制系统设计则包括了p l c 外围接口电路设计、系统 电气构成设计等。 2 软件系统设计：主要是进行控制系统中运行软件的控制设计。其主要 内容是p l c 控制程序的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第2 章系统硬件昂早尔匀l 段i _ r 2 1控制系统的组成及工作原理 在本焊接设计中，焊丝的送进以及机头提升由直流电机完成，焊丝的送 进速度和焊接提升速度调节采用成熟的晶闸管调速模块实现，焊丝摆动由交 流电机控制丝杆螺母传动副完成，摆动速度由变频调速器实现调整，而系统 的整个控制由p l c 完成。控制系统框图如图2 1 所示： 旋 一蝴h 鼋蓑 转 编 一僦h 鼍莸 码 可 器 编 程i 水冷li 成型 控 叫系统r i 滑块 制 控 马是 变l 摆动 甬寺 f 频器h 焊机制 厶 口 延时 丝杆螺母 r 叫 电路 传动副 图2 1 控制系统框图 系统的控制核心为光洋公司的s h 4 8 r 2 型号p l c ，它具有2 8 点d c 2 4 v 输入，2 0 点继电器输出心引。根据电渣焊实际焊接要求晶闸管调速模块为欧陆 公司的s d 5 1 2 ，它具有运行稳定、端口接线简单、经久耐用的特点。旋转编 码器用于产生控制摆动幅度的计数脉冲。电渣焊焊丝摆动的特点是短行程， 往复频繁。用直流电机驱动焊丝摆动，控制直流电机正反转的接触器吸合、 断开频繁，容易损坏；采用变频器可以无触点改变交流电机的正反转，有助 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 于提高控制系统的可靠性。变频器采用l g 公司的i g 5 。摆动方向由p l c 控 制，摆动速度由连接于变频器的旋钮调节晗引。 2 1 1p l c 控制单元 1 9 6 8 年，通用汽车提出取代继电器控制装置的要求；1 9 6 9 年，美国数字 设备公司研制出世界第一台p l c ，在通用汽车自动装配线成功试用。p l c 以 其简单易懂、操作方便、可靠性高、灵活通用、体积小、使用寿命长等一系 列优点，很快地全球推广应用。随着集成电路技术和计算机技术的发展，p l c 在不断发展和完善，它正带领人类进入自动化的更高境地n 引。 2 1 1 1p l c 机型介绍 控制系统中，作为核心控制单元部件通常是单片机或p l c 。虽然单片机 具有体积分散、价格低廉、设计构件灵活等特点，但是由于单片机在干扰防 护，特别是在过程通道干扰防护、场干扰防护和印刷电路板干扰防护方面能 力较差；在光、电、磁及其混合场强干扰的外界条件下，单片机作为核心控 制单元的功能更加容易受影响心4 吨引。 p l c 的结构与单片机的却不太一样。p l c 在硬件防护上具有屏蔽、滤波、 隔离等措施，在软件上也有多项保护功能；编程简单明了，控制程序有很好 的柔性；采用模块化结构，扩充方便；控制单元的体积小，重量轻等许多优 点心7 删，因此系统选择p l c 作为核心控制单元。 k o y o 公司的s h 系列p l c 是一种性价比较高的整体型p l c ，它为用户提供了 采用传统的梯形图逻辑方法以及k o y o 特有的级式编程方法对一个控制系统进 行开发的能力。该系歹r j p l c 主要有3 个子系列产品：s h - 3 2 ，s h - 4 8 ，s h - 6 4 ；每 种p l c 可带最多1 6 点的扩展模块一个( 或一个模拟量模块) ，这样可组成最多 达8 0 点的系统。 s h 系歹u p l c 的主要特点如下： 1 ) 整体型结构，便于安装、接线； 2 ) 备有多种型号，可根据需要经济选择； 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 ) 有较快的处理速度，约3 m s 5 0 0 语； 4 ) 采用s 系列通用的编程语言，可利用原有软件资源； 5 ) 级式与梯形图语言共用，特别是新的级式指令，使程序更简单； 6 ) 有循环等控制指令和丰富的出局处理要求； 7 1 定时扫描功能，对应特殊、高速处理要求； 8 ) 具有2 k c p s 的高速计数点2 点，兼作外部中断点，配合使用；可有 8 种工作方式，当只使用1 个高速计数器时，计数速度可达5 k c p s ； 9 ) r u n 中改写程序方式( k e e p 方式) ，在运行中，可修改程序； 1 0 ) 暂停功能，可控制机械停止时输出的o n o f f 情况； 1 1 ) 程序存放采用e e p r o m ，无需后备电池； 1 2 ) 编程口兼作通用通讯口，可实现c c m 协议、无协议通讯； 1 3 ) 具有4 点软件滤波功能； 1 4 ) 口令功能，可有效保护程序资源不受侵害； 1 5 ) 特种扩展模块。可拓展s h 系列p l c 的使用领域。 s h 系列p l c 设有一个r s - 2 3 2 通讯口。通过这个通讯口即可与编程器、显示 设定单元通讯，又可与上位机进行通讯。与上位机的通讯又分为c c m 通讯( 下 位机功能) 、a b 型通讯及无协议通讯三种。 当s h 系y u p l c 与上位计算机或p l c 连接时，可采用c c m 协议进行通讯，c c d 协议是k o y o 公司的上位机通讯协议，通讯主局( 上位机) 保持通讯的主动权， 子局( s h 系y i j p l c ) 只能响应对其的呼叫。按照c c m 协议传送数据时，主局和 子局之间采用一应一答的方式。 a b 型通讯主要用于s h 系y u p l c 从上位机接收数据；而采用无协议通讯， s h 系y u p l c b p 可向外发送数据，又可以从外面接收数据心羽。 2 1 2 2 输入输出接口 i 0 模块是c p u 与现场i 0 设备之间连接的桥梁。输入模块的作用是接 收和采集现场设备的各种输入信号，比如按钮、数字拨码开关、限位开关、 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 接近开光、选择开关、光电开关、压力继电器等各种开关量信号和热电偶、 电位器、测速发电机以及各种变送器提供的模拟量输入信号，并将这些信号 转换为c p u 能够接收和处理的数字信号。输出模块的作用是接收经c p u 处理 过的数字信号，并把这些数字信号转换为被控设备所能接收的电压或电流信 号，以控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，或控制 指示灯、数字显示装置和报警装置等设备b 训。 p l c 的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备或 生产过程的检测与控制。通过各种输入输出接口模块，p l c 既可以检测到所 需的过程信息，又可将处理后的结果传送给外部过程，驱动各种执行机构， 实现工业生产过程的控制。实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构 所需的电平也是多种多样，而p l c 的c p u 所处理的只能是标准电平，正是通 过i o 接口实现了这种信号电平的转换。 本设计中，充分考虑实际情况以及成本核算，选用的s h - 4 8 r 2 型p l c 是 一种整体型可编程控制器，采用8 5 v - - - - 2 6 4 v 交流供电，2 8 点d c 2 4 v 输入，2 0 点继电器输出。由于p l c 的i o 信号电压较高，而c p u 模块的工作电压较低， 因而从外部引入的尖峰电压和诸如电力线、电气噪声等各种干扰很可能损坏 c p u 模块，使c p u 不能正常工作。为此，该p l c 内部电路与接线端子台( i 0 模块) 之间采用了光电隔离的保护方式。 在系统设计时，数字量输出模块的各输出点应尽量做到绝大多数点不同 时输出。同时，仔细考虑负载各自的情况。 s h 系列p l c 的扩展模块按其类型分为普通型i o 和特殊型i o 模块。普 通型i o 扩展模块据i o 点数及比例又分成很多类型。扩展模块通过一电缆 连接到s h 基本单元上，每一基本单元仅能连一个扩展模块。扩展电缆是做在 扩展模块上的，无需另配。s h 基本单元通过扩展电缆和i o 扩展模块交换数 据且为其提供5 v 、9 v 、2 4 v 电源，i o 扩展模块无需另加电源，本系统控制 摆动的输出端子需要与变频器以及延时电路联系，故扩展模块选用了 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 h - 1 6 c d d l 模块，它有8 点d c 2 4 v 输入，8 点晶体管输出。p l c 的i o 分配情 况如表2 - 1 所示。 表2 - 1p l c 的i 0 分配表 名称地址编号 名称地址编号 输入信号 输出信号 旋转编码器a 相 1 0 0送丝q 0 0 旋转编码器b 相 1 0 1 退丝q 0 1 上升 1 0 2上升 q 0 2 主 程 下降 1 0 3 下降q 0 3 序 参 点动送丝 1 0 4 送丝控制 q 0 4 数 调 点动退丝 1 0 5 升降控制q 0 5 节 盒 手动速度 启动 1 0 6 q 0 6 主 ( 送丝) 程 停止 1 0 7 序 引弧控制q 0 7 调试运行 1 1 0 正常速度q l o 电电流检测 1 11 息弧速度q 1 1 源 过流检测 1 1 2 焊接速度q 1 2 手动速度 上升到位 1 1 3q 1 3 ( 机头升降) 主 程下降到位 1 1 4试焊运行q 1 4 序 砸 上升 1 1 5 启动电源q 1 5 程 控 下降 1 1 6启动q 1 6 制 盒 左行q 6 0 停止 1 1 7 焊 丝 总停 1 2 0停止 q 6 l 摆 动 试焊运行 1 2 1 程 右行 q 6 2 序 左到位 1 2 2左限位q 6 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表2 1p l c 的i 0 分配表( 续) 右到位 1 2 3 右限位0