（材料加工工程专业论文）小型数控移动式钢轨气压焊控制系统的改进.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前应用于现场的钢轨气压焊设备存在人机交互界面差、操作不方便、在 焊接过程中经常出现死机现象等问题，增加了工人的劳动强度，而且影响了焊 接质量。因此，对钢轨气压焊设备进行改进设计具有重要意义。 本论文根据现场钢轨气压焊的特点和焊接工艺要求，对原系统的软、硬件 进行了设计，以f x - 4 0 m r 型p l c 为核心的控制系统，针对原系统中d d m 智能 仪表抗干扰能力差，经常死机等问题，利用触摸屏取代d d m 智能仪表进行参数 设置和显示。将触摸屏应用到以p l c 为核心的控制系统中，不仅省略传统的按 钮、按键和指示灯等，减少大量的配线，提高控制系统的可靠性。 经现场调试表明：新型的控制系统人机界面更加友好、可视化程度高，操 作方便，抗干扰能力强，参数修改更加简便，可靠性高，确保了钢轨的焊接质 量，具有广泛应用前景。 关键词：钢轨；气压焊；触摸屏；p l c ；人机界面；自动控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t p r e s e n t l y ，t h e r e a r es o m e p r o b l e m s s u c ha s p o o r h m i ， h a r d o p e r a b i l i t y ，t h ec o n t r o ls y s t e mc r a s ha n ds oo n t h ep r o b l e m s i n c r e a s el a b o ri n t e n s i t yo fw o r k e r s ，a n dm a k ei m p a c to nt h eq u a l i t yo f w e l d i n g i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot r a n s f o r mt h ec o n t r o ls y s t e mo fg a s p r e s s u r ew e l d i n gi nt h ef ie l d a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g i c a lr e q u e s ta n dt h ep r o c e s so fr a i1g a s p r e s s u r ew e l d i n g ，s o m et r a n s f o r m a t i o na n dd e s i g no nt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eism a d eb a s e do nt h eo l dc o n t r o ls y s t e m an e wc o n t r o ls y s t e m ， w h ic hisb a s e do nf x l ，- 4 0 m rp l ca st h ec o n t r o lc o r eo ft h en e ws y s t e m ， h a sb e e ns u c c e s s f u ll y d e v e l o p e d d d m ( d i g i t a ld i s p l a y a n d m e m o r y i n s t r u m e n t ) w a su s e df o rd a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p l a y ，w h o s e a n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yi sp o o r ，a n ds o m e t i m e sm a k et h ec o n t r o l s y s t e mc r a s h ，s ot p ( t o u c h p a n e l ) i su s e di nt h en e wc o n t r o ls y s t e m i n s t e a do fd d m t h ea p p l i c a t i o no ft p ，n o to n l yl e a v eo u tt r a d i t i o n b u t t o n ，p r e s s e dk e ya n di n d i c a t i n gl a m p ，r e d u c em a n yw i r i n g s ，a n di m p r o v e t h er e l i a b i l i t yo fs y s t e m i ti sp r o v e dt h a tt h i sn e wc o n t r o ls y s t e mh a sb e t t e rh m i ，h i g h v i s u a l i z a t i o n ，e a s yo p e r a t i o n ，g o o da n t i j a m m i n ga b i l i t y ，h i g h r e l i a b i l i t y ， e a s i e rp a r a m e t e rm o d i f i c a t i o n i tk e e p st h eq u a l i t yo f r a i ls t a b l e ，a n dw i l la p p l l e dw i d e l yw i t hb e t t e rp r o s p e c t k e y w o r d s ：r a i1 ：g a sp r e s s u r ew e l d i n g ：t o u c h p a n e l ：p l c ：h m i ：a u t o m a t i c c o n t r o l 西南交通大学 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 不保密留，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：聚噬参、 日期：矽d z6 、i 指导老师签名：弧卜2 ” 日期：沙罗d 占多 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 利用触摸屏取代了d d m 智能仪表进行参数设置和显示，不仅可以省 略传统的按钮、按键和指示灯等，减少大量的配线，提高控制系统的可靠 性。 2 改进后的控制系统要做到体积小、重量轻、抗干扰能力更强，可靠 性更高，对其搬运、维护更方便。 3 人际交互界面更加友好，使设备的操作更简单、直观、方便。 z 加7 6 、乡 味以孓 切久 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 课题研究的背景及现状 随着国民经济的迅猛发展，铁路运输行业也取得了突飞猛进的发展，经 过六次大提速，铁路运输速度显著提高。近几年，国家投入大量资金大力发 展铁路运输装备，大力发展城市轨道和地铁，通过引进国外的先进制造技术， 我国先后生产制造了城际“和谐号动车组系列( c r h l 、c r h 2 、c r h 3 、c r h 5 ) ， 其最高时速可达3 5 0 公里小时，而且将来用于京沪高铁的动车组的速度可达 4 0 0 公里d , 时。 为了适应国民经济的快速发展，我国的铁路运输朝着高速、重载的方向 发展。要实现高速重载的目标，必须大力发展高速重载轨道结构技术。对于 高速重载轨道结构技术而言，无缝线路以其无可争议的优越性为各国铁路所 承认，成为高速、重载铁路的最优选择。1 1 1 钢轨焊接是高速重载无缝线路建设中的关键环节。目前世界各国一般采 用闪光焊、气压焊、铝热焊、电弧焊接等四种方法进行钢轨焊接。在这四种焊 接方法中，电弧焊接钢轨技术由于焊接质量不能保证，国内基本不使用该方法； 铝热焊设备简单、操作方便，对工人的技术水平要求不高，耗时短，由于其组 织为铸造组织，晶粒粗大，强度和韧性低，质量不稳定，断头率较高；闪光焊 焊接速度快，焊接质量稳定，工艺先进，自动化程度高，焊接质量好，但其设 备较复杂，焊机一次性投资大，所需电源功率大，目前世界各国工厂内焊接主 要采用这种方法：气压焊的一次性投资小，无需大功率电源，焊接时间短，焊 接质量好，多用于现场。【2 1 目前，我国一般采用闪光焊进行基地焊，小型移动 式气压焊多用于现场移动焊接。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 原气压焊机采用d d m 表对钢轨焊接的各个参数进行设定和修改，并显示 各个参数的数值，但经近年来现场应用发现其控制系统存在软件和硬件上的 缺陷，系统无法在恶劣的环境下正常工作并存在死机等问题。解决上述问题 对提高现场气压焊的焊接质量具有积极意义。 1 2 无缝线路及其发展 所谓无缝线路，就是把钢轨焊接起来的线路，所以又称焊接长钢轨线路。 1 3 1 无缝线路既是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速、重载轨道结构的最 有选择，它以无可争议的优越性为各国铁路所认同。各国铁路竞相发展无缝线 路，目前已累计铺设3 0 多万千米。 随着无缝线路的应用和发展，各国铁路对无缝线路的稳定性、长钢轨的 温度力和胀缩等理论问题，进行了广泛的实验研究。当今铁路已经跨入了全 面推广运用无缝线路的新时代，无论是高速铁路还是重载铁路，其轨道结构 无一不优先选用无缝线路。 国内外铺设无缝线路的实践经验证明，无缝线路与有缝线路相比，它在 技术经济上有明显的优越性。据一些国家统计，在节约劳力和延长设备使用 寿命方面，无缝线路比有缝线路可节约线路维修费用3 5 一7 5 。此外，无缝线 路平顺性好，使行车平稳，旅客舒适，因而获得了迅速发展。特别近几年来， 随着无缝线路数量的急剧增长和质量的不断提高，使线路结构进入了一个新 阶段，为行驶重载列车创造了良好条件。【3 】 各国为适应高速铁路的发展，大力发展并改善无缝线路，使无缝线路在 技术上有了显著地进步。到2 0 0 1 年，各国已建成的高速铁路，据资料统计约 为4 8 6 0 k m ( 复线) ，在建的高速铁路约为1 8 4 0 k m ( 复线) ，总延展长度合计 1 3 4 0 0 k m 。1 3 至2 0 0 3 年，时速2 0 0 公里以上的高速铁路运营里程约4 4 0 0 k m ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 若包括时速2 0 0 公里，线程总营业里程已超过1 5 0 0 0 k $ 。 1 3 钢轨焊接技术 长钢轨的焊接是无缝线路铺设中的关键环节，它的外形尺寸的平顺性和 内部质量，对保证无缝线路的正常运行十本关键。实践证明，如果钢轨焊接 质量不高，会使日后的养护维修工作后患无穷，严重者，尚危及行车安全。 因此，严格执行工艺规定，认真实行全面质量管理，是提高焊接质量的重要 保证。 我国的长钢轨焊接工作始于1 9 5 7 年，首先采用了从捷克引进的长钢轨电 弧焊技术，但是此类焊接方法，焊接质量不稳定，不能满足行车的需要。于1 9 6 3 年起，各路局相继推广采用了气压焊、接触焊( 闪光焊) 来焊接钢轨。到目前 为止，全路已建成十几个焊轨工厂，各厂焊接工艺不断完善，焊接质量也不断 在提高。【3 】目前，我国无缝线路的钢轨焊接方式主要有闪光焊( 又称接触焊) 、 铝热焊、气压焊等三种。闪光焊主要依靠引进国外先进的焊轨设备；铝热焊主 要采用法国、德国铝热焊设备和焊剂，还有少量为国产；气压焊设备主要为国 产设备，目前已研制出数控技术，基本消除了人为因素的影响，焊接质量显著提 高。1 4 1 3 1 气压焊接法 气压焊接又可分为塑性焊接及熔化焊接，其主要区别在于：前者将金属 加热到塑性状态，在固定的顶锻压力作用下，产生了顶锻量，当顶锻到一定 量后，金属构件即被焊接戊一体，然后去除凸出量，再进行正火处理。而后 者是先将金属加热到熔化状态，再施加压力，将熔化的金属及杂质挤出，金 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 属件即被焊接成一体，再去除凸出量，进行正火处理即可。由于前者具有设 备简单，操作容易、质量优良等特点，故通常都采用塑性焊接法焊接钢轨。 目前我国主要采用气压焊移动式焊接方法，由于小型移动式气压焊设备 简单，具有体积小，重量轻的特点，在工地移动比较便利，在操作上也比较 方便，焊接质量，接近厂焊的水平，采用这种设备在工地焊接联合接头已经 取得较好的焊接效果，并已经在各个铁路局推广。但由于是流动作业，在焊 接过程中，受到列车通过、自然气候、外界环境的干扰和影响较多。【3 ，5 】 1 3 2 闪光对焊法 闪光焊接( 接触焊) 的基本原理是根据电流通过某一电阻时，会产生热 量，利用这一热量熔焊被焊接件。其产生热量的大小可有以下公式计算： q = k i 2r t 式中k 换算系数0 2 4 ； i 接触面通过的电流( a ) ； r 接触面的电阻( a ) ； t 接触的时间( s ) ； 卜接触面上产生的热量( j ) 。 当两焊接钢轨之间，通过一个大电流时，因钢轨之间存在着很大电阻， 根据以上电热效应原理，就会产生大量的热量，使钢轨本身迅速得到加热。 由于钢轨之间的接触面，不可能很平，首先接触的只有几个点，这些接触点， 在千分之几秒的瞬间很快被加热到熔化状态，因而在钢轨之间形成了数个液 体金属的过梁。这些过梁，在进步加热过程中被“爆炸 而破坏，熔化的 金属粒子，从钢轨接触的缝隙中飞溅而出，形成闪光，与此同时，一部分热 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 量直接传给钢轨，进一步加热钢轨。钢轨通过断续预热和连续闪光的作用， 端面的温度逐渐达到均匀化，形成一薄层熔化金属，防止周围气体的侵入。 与此同时，迅速施加顶锻力，把两钢轨挤压在一起，将闪光时形成的火口得 到充分的闭合，并且使全部液体金属挤出，并使缝隙中不再产生新的氧化层。 闪光焊根据闪光特点分为预热闪光对焊和连续闪光对焊。f 1 1 根据电流特点 可分为交流闪光对焊和直流闪光对焊。目前常用的交流闪光焊机以乌克兰巴顿 研究所生产的k 型为主流机型，女n k 3 5 5 a 、k 1 9 0 玎k 、k 9 0 0 等，还有美国霍兰德 ( h o l l a n d ) 公司制造的k 3 3 5 h 型钢轨闪光焊机；常用的直流闪光焊机以瑞士以 s h ll a t e r 公司的g a a s 8 0 焊机为主流机型，女g g a a s 8 0 7 0 0 型和g a a s 8 0 5 8 0 型焊 机。脉冲闪光焊机是一种新型的闪光焊机，是在连续闪光焊的基础上由巴顿电 焊所库丘克雅琛科院士开发出来的没有明显短路一断路预热过程的新型焊 机，例如美国的k 3 5 5 h 型和乌克兰的k 1 0 0 0 型属于脉冲闪光焊机类型。【3 4 】 1 3 3 铝热焊法 1 9 2 4 年德国首先把铝热焊法用于长钢轨的焊接。铝热焊接法它采用的工具 设备比较简单，特别适宜于工地流动作业。因此，普遍把它作为焊接长钢轨联 合接头和修复断轨的方法。 铝热焊焊接原理是铝在一定的高温条件下，与氧有较强的化学亲和力，它 可以从很多重金属的氧化物中夺取氧，使重金属还原，同时放出一定的热量， 将金属熔成铁水，浇铸施焊。铝热焊接，就是利用这种氧还原的化学反应作用。 它的主要化学反应式为： 3 f e o + 2 a l = 3 f e + a 1 203 + 8 3 5 3 j 3 f e 203 + 2 a i = 2 f e + a 1203 + 8 3 0 2 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 3 f e 30 4 + 8 a 1 = 9 f e + 4 a 1203 + 3 2 3 7 7 j 铝热焊接法，是将配选好的铝热焊剂，放在特制的坩埚中，用高温火柴 引燃焊剂，产生强烈的化学反应，得到一定高温的钢水及熔渣，待反应平静后， 根据工艺要求，格高温的钢水注入到事先已预热的砂型中，将砂型中对接好的 钢轨端部熔化，冷却后去除砂型，并及时整型，两节钢轨即焊接成一个整体。 铝热焊在我国无缝线路铺设的初期和断轨抢修中，都起到了重要作用。另 外，由于道岔某些部位的焊接空间较小，无法用气压焊或闪光焊进行焊接，也 需要用铝热焊进行焊接，在跨区间无缝线路的焊联中应当发挥其应有的作用。 1 7 1 1 3 4 焊接质量的对比 焊接质量以接触焊、气压焊较佳，不论极限强度、屈服点或疲劳强度，均 能达到钢轨母材的9 0 以上。铝热焊较差，极限强度只及钢轨母材的7 0 左右， 屈伏点与接触焊质量接近，但疲劳强度只及原钢轨的4 5 川o 。根据实验资 料，以钢轨母材为1 0 0 ，其比较如表1 - 1 所示。1 3 表1 - 1 各种焊接方法焊接接头的质量比较 项目接触焊气压焊铝热焊 疲劳未经热处理 9 09 57 0 强度经热处理后 1 0 01 0 0 冷弯破坏载荷 8 5 一9 0 9 07 0 挠度 6 0 _ 一7 06 5 7 51 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 钢轨气压焊接技术 1 4 1 气压焊在我国的发展 我国对气压焊技术的研究是从1 9 5 7 年开始的。在无缝线路铺设的最初阶 段，气压焊是用于厂焊( 基地焊) ，而现场联合接头的焊接，基本上采用铝热 焊技术来完成。但是，由于固定式气压焊( 厂焊) 生产能力低下，逐渐被闪光 基地焊取代，而铝热焊接头性能差，断头率高，也逐渐被移动式气压焊所取代。 从7 0 年代末，国内先后有些单位参照日本气压焊设备机型，成功研制出了夹轨 底式气压焊机。【6 8 9 】 在深入消化吸收国外的气压焊技术的基础上，国内研制成功了卧式双柱结 构，以斜铁加紧轨腰的新式移动式气压焊机。该焊机采用对开单混合室的射吸 式加热器、双流量计控制箱和三段压力法的焊接工艺。自从气压焊推广以来， 经过气压焊工作者的不懈努力，气压焊设备在功能和质量上有了很大的提高， 从结构上趋于小型化，轻便化，更适合现场施工，同时向焊接工程车方向发展， 这样更便于移动，同时增加了起吊机构，减少了现场工人的劳动强度，提高了 效率。 目前比较先进的气压焊设备是新近通过鉴定的小型数控式钢轨气压焊轨 机，解决了手动气压焊的一系列问题。其设备主要包括数字化控制箱、保压推 凸型压接机、新型超高压油泵、加热器、摆火架和数控正火机。该设备具有以 下特点：【1 0 】 1 ) 采用电机带动齿轮进行调压和换向，取代了原有的手动调节油压的 方法。 2 ) 采用位移传感器监测焊接过程的位移，进而控制顶锻量，取代了原 有的标定顶锻量的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 ) 采用数据采集系统，监测焊接过程，达到判断焊接质量的目的。 4 ) 采用数控箱控制气体的流量和焊接过程，取代了原有的手动调节气 体和人工干预的问题。 5 ) 采用曲柄连杆机构进行摆火，取代了手动摆火的方法。 1 4 2 小型移动式气压焊设备介绍 移动式气压焊设备主要包括：压接机( 包括推凸装置) ，加热器、控制箱、 水冷装置，高压电动泵站及辅助配套部分：有直轨器，除瘤割炬、端磨机、顶 磨机、手把砂轮、管路系统、氧气瓶、燃料气瓶( 乙炔瓶或液化石油气瓶) 及发 电机组等，各部分联系如图1 - 1 。【1 1 f l r 1 一d 鼻冉量无帆 k 爿 手传砂糖抚 图1 - 1 移动式气压焊机设备示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 2 1 火焰加热器 加热器是气压焊的关键设备。它是利用可燃气体与助燃气体的正确配比， 构成热效率高、均匀加热钢轨断面的火焰，且保持燃烧稳定、安全可靠、使 加工的钢轨端面加热到塑性状态。 通常采用的加热器，为张开式的，在焊完钢轨后，将加热器移开。其结 构形式，为喷射式单枪筒多火焰的，加热器本身附有循环水冷却系统。加热 器的火孔根据所焊的钢轨类型及所用的燃气来决定。火孔的配置及火孔的大 小应保证钢轨均匀受热。加热器火孔必须保持出气畅通，当孔眼堵塞时，要 用小于该火孔孔径 的通针来排除堵塞物。更换新加热器时，要进行多次试验，直到选定合理的 焊接工艺为止。1 3 按加热器的工作原理可分为射吸式、等压式和综合两者特点的强混式加 热器。从其结构特点可分为对开式( 如图1 2 所示) 和开启式两类。而对开 式加热器又分为单混合室和双混合室两类。开启式加热器都是单混合室的。【8 】 对开单混合室加热器的气路系统是对称分布的，两侧的混合气都是由同一混合 室供给，因此保证了两侧混合气质量的均匀性，火焰质量较高。对开双混合室 加热器的气路也是对称布置的，但两侧体的混合气分别由各自的混合室供给， 受混合室和外部条件的影响，难以保证两侧混合气质量的一致性。因此，目前 用得最多的加热器就是对开单混合室的射吸式、等压式和强混式加热器。【8 9 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 一 ；霭繁熏0 1 4 2 2 电动泵站 图卜2 对开式加热器结构图 本系统采用的是超高压电动泵站，超高压电动泵站是移动式钢轨气压焊机 的动力源。该泵站采用了独特的集成式控制阀体技术，取代了传统泵站控制阀 体的分立式设计结构，由径向塞泵、单向阀、溢流阀、截止阀和三位四通阀、 滤油器等组成。它提供动力使压接机完成预顶、项锻、推瘤等任务。”1 电动泵 站如图卜3 所示。 图卜3 超高压电动泵站 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 4 2 3 压接机 压接机也叫压机，是移动式气压焊设备的主要组成部分之一，它的作用是 夹紧两根被焊钢轨，按技术规定固定其相对位置，并提供加热焊接过程中的顶 锻力，保证钢轨接头端面焊接和在焊后完成推除焊瘤的要求。压接机按夹轨方 式分有夹轨底式和夹轨腰式两种。”期 目前，各路局在使用的移动式气压焊机均采用夹轨腰式压接机。这种压接 机有左横梁( 滑动横梁) 、导柱、右横粱、油缸、斜铁、加热器摆动机构等部 件所组成。其结构见图卜4 。闱 这种夹轨腰式压接机是双导柱卧式结构，以斜铁夹紧两被焊钢轨的轨腰。 这种压接机的特点有：( 1 ) 夹紧部位为轨腰，夹紧点位置布置在钢轨纵向“中心 轴”上，预顶及顶锻时被焊钢轨无旁弯力；( 2 ) 夹紧力是靠斜铁夹紧实现，夹 紧力随顶锻力成比例增加，夹持牢固，焊接中无打滑跑轨现象。焊后钢轨保持 平直，一般不需调直；( 3 ) 具有全断面推凸功能，可实现焊瘤的全断面推除， 消除了焊后气割除瘤时的恶劣工作条件和容易割伤轨底的弊病，保证了焊头的 质量；( 4 ) 装夹时，压机骑放在被焊钢轨上，轨底1 0 0 毫米以下不占用，省去 了挖渣工作，为现场施工创造了有利条件。1 t , 3 , 8 , 9 1 图卜4 夹轨腰式压接机结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 4 2 4 控制箱 控制箱主要有气体流量数显表、压力数显表、回火防止器、操控阀门、参 数选择按钮及修改按钮、功能选择按等组成。在焊接过程中，操作工人根据各 种仪表显示值，操作控制箱的各种按钮和控制氧气与可燃气体的流量配比，保 证加热器火焰的强度和钢轨各部分受热均匀，保证焊接过程顺利完成。 1 4 2 5 其他装置 此外，还包括直轨器、除瘤割炬、端磨机、顶磨机、手把砂轮、管路系统、 氧气瓶、燃料气瓶( 乙炔瓶或液化石油气瓶) 、加热器冷却装置，光电测温仪 和发电机等设备。【1 ，8 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第2 章新型气压焊控制系统硬件的研制 由于在无缝线路现场焊接过程中，原气压焊机经常出现死机现象，使焊 接过程无法进行下去，不但增加了现场操作工人的劳动强度，降低了生产效 率，而且对钢轨接头的质量造成了不良影响。根据钢轨现场焊接的工艺要求 和焊接过程出现的问题，对原气压焊控制系统进行改进。控制系统改进的目 的有两个：一是增强抗干扰能力，减少甚至杜绝死机现象的发生，保证钢轨 的焊接质量；二是提供更加良好的人际操作界面，便于实时修改各个参数， 使得操作更加简单方便。 2 1 改进后控制系统的技术要求 根据钢轨气压焊现场焊接的工艺要求，控制系统应满足以下的技术要求： 一、控制系统能够实现以下动作：钢轨预顶或松n 加热器供气和点火 - 加热器摆动_ 保n 降压- 加热器快摆及项锻- 停火、加热器停 摆_ 保压、推瘤及退刀一卸载- 压机松开以及焊后的正火工艺。 二、液压系统的能根据软件程序指令自动调压与换向，能够实时设置和 修改焊接各阶段压力值以及压力的恒值控制。 三、能够对氧气、乙炔流量大小进行实时设置、修改以及显示，实现对 氧气、乙炔的自动关闭、清洗。 四、能够对加热器的摆频、摆幅的进行实时调节。 五、控制系统应具有良好的操作界面和显示界面，使操作过程要更加简 单化，易于被工人所理解、掌握。 六、焊接时间及时序的控制。 七、实现对项锻位移量的实时设置、修改、检测和显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 八、由于本控制系统是用于现场作业，现场环境复杂，影响因素很多， 为应付意外情况的发生，系统应具备手动、自动双控功能。 九、改进后的控制系统要做到体积小、重量轻、抗干扰能力更强，可靠 性更高，对其搬运、维护更方便。 十、人际交互界面更加友好，使设备的操作更简单、直观、方便。 2 2 控制系统的总体设计 针对现场焊接出现的问题及改进后的设计要求，控制系统整体设计如图 2 1 所示。 p叫墅i c 机 ( 圃 或 工 回 控 机 ( 司 【 j习圉 参数设置r ：订 i 銎辫嚣h v x 系y up l c h 然 电动机、撸麓 嚣、电磁阎等 由触摸屏( 口) 和p l c 组成的软硬件系统是整个控制系统的核心，负责 对压力调节、油缸的动作、顶锻量、加热器的摆动进行监控，并且可以通过 操作面板上的按钮或在触摸屏上实时对各个参数进行设定和修改。 由于工控机、单片机、p l c 具有各自的特点： 1 、工控机虽然具有数据处理能力强、通讯功能强、编程语言丰富等特点， 但是对操作人员的要求较高，对工作环境要求也较高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 、单片机虽然具有体积小、功能强、可靠性高、功耗小、价格低廉、易 于掌握、应用灵活等多种优点，但是其抗干扰能力有限、片内存储容量不大 和开发周期较p l c 长，导致应用受到限制。 1 7 , 1 8 , 1 9 3 、可编程控制器具有结构简单、性能优越、易于编程、灵活通用、维护 方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能 力，更是得到用户的好评。目前己被广泛地应用于各种机械生产和生产过程 的自动控制中。【1 9 】 本控制系统是要用于钢轨的现场焊接，这就要求抗干扰能力要非常强， 能适应现场恶劣的环境，可编程控制器( p l c ) 正好满足此要求。因此，改 进的控制系统所要采用的控制核心仍然是可编程控制器( p l c ) 。另外，原控 制系统在现场焊接过程中，经常出现死机现象，由于触摸屏的抗干扰能力强， 并且便于实时修改焊接参数，所以本系统采用了触摸屏取代原来的d d m 表， 并且和可编程控制器( p l c ) 组合使用，整体的抗干扰能力将增强。 2 2 1 控制系统的硬件结构框图 根据设计要求设计出来的控制系统的硬件结构框图如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 2p l c 的接口分配以及特殊功能模块的选择 2 2 2 1p l c 接口 根据前面控制系统的设计要求，可编程控制器( p l c ) 具有以下输入和 输出接口。 1 输入点： 1 ) 功能选择开关2 点，即调整档和正火档各占1 点，中间档为焊接档： 2 ) 功能按钮1 3 点，即为：预顶按钮、保压按钮、摆火按钮、低压按钮、 复位按钮、顶锻按钮、回原按钮、启动按钮和停止按钮各占1 点共9 点：而 松开按钮、推瘤按钮、退刀按钮是通过4 个点组成的1 6 4 编码器电路对可编 程控制器( p l c ) 进行输入的； 3 ) 调压电机、顶锻电机和推瘤电机的限位开关各占3 点共9 点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 输出点： 1 ) 调压电机、顶锻电机和推瘤电机的正反转各需2 点共6 点； 2 ) 摆火电机正反和快转各1 点共3 点； 3 ) 氧气、乙炔的关闭和清洗各2 点共4 点。 由以上可知，输入点2 4 点，输出点1 3 点，总共3 7 点。由于三菱公司的 f x 系列p l c 具有很好的性价比，f x2 系列是f x 系列中功能较强、速度较 快的微型整体式可编程控制器，对于本控制系统具有很好的适用性。因此， 本系统采用了f x i n 4 0 m r - d 作为控制核心。2 8 2 9 1 2 2 2 2p l c 的特殊功能模块的选择 本系统中所用的特殊功能模块为模数( a d ) 转换模块和数模( d a ) 转 换模块。氧气、乙炔质量流量控制器反馈信号的a d 转换，位移传感器反馈 信号的a d 转换，压力传感器反馈信号的a d 转换以及p l c 运算后相应指 令输出信号的d a 转换，共计4 个a d 转换和2 个d a 转换。因此，本系统 采用1 个模拟输入模块f x ：4 a d 和1 个模拟输出模块f x ：- 4 d a 。 2 2 2 3p l c 的接口分配 三菱f x ，- 4 0 m r d 型p l c 带有输入端子2 4 个和输出端子1 6 个，现将 各输入信号和输出信号分配给相应的输入输出端。分配后的输入输出编号入 如表2 1 和2 2 所示。 f x 。- 4 0 m r - d 具体硬件连线图如图2 - 3 所示。 表2 - 1 输入接口的分配 信号类型信号名称接口分配备注 功能切换调整 x 1 5 焊接为中间档，调整和正火 正火 x 1 6 都断开。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 启动 x 1 3 启动仅指气体的启动 停止 x 1 4 气体、摆火、计时停止 预项 x l 功能键 保压 摆火x 4 低压 x 5 功能切换开关打到调整挡 复位 x 6 时，相当于手动控制各阶段 项锻 x 7 动作。 回原 x 1 0 松开x o 、x 2 、x 1 1 、 推瘤x 1 2 ( 组合成 退刀 1 6 4 编码器) 氧气增加 通过编码器电路提高 氧气减小 p l c 输入端子的利用率，节 油压增加 x 0 、x 2 、x 1 1 、 省了p l c 输入端子的个数， x 1 2 ( 组合成同时提高了控制箱的空间 油压减小 1 6 4 编码器)利用率。 参数修改 乙炔增加 键 乙炔减小 参数确定 参数修改 信号检测电机限位开 x l7 - x 2 7 光电开关的输入 关 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 表2 - 2 输出接口的分配 信号类型 信号名称接口分配备注 摆火电机的摆火电机慢转 y 1 6 当y 1 6 合上，电机正转；y 1 合上电机反转；当y 1 7 与 控制输出摆火电机反转 y l y 1 6 、y i 两个任何一个合上 摆火电机快转 y 1 7 都快转。 调压电机的调压电机正转 y l o 注意互锁和延时。 控制输出调压电机反转 y 1 1 顶锻电机的顶锻电机正转 y 1 4注意互锁和延时。 控制输出顶锻电机反转 y 1 5 推瘤电机的 推瘤电机正转 y 1 2 注意互锁和延时。 控制输出推瘤电机反转 y 1 3 气体控制的 氧气关闭 y 4 注意互锁。 输出氧气清洗 y 5 乙炔关闭 y 6 注意互锁。 乙炔清洗 y 7 阶段特征的焊接参数采集 y o 用于焊接各个阶段的计算机 输出各阶段 y 2数据采集。 y 3 西南交通大学硕士研究生学位论文 静誓崭嚣簟 藿弋鬈囊鼻 囊峨；蜮鬈 篡膏i 睦 夥崭i 瞎 k 誓翻糖 鬟坼弹鬈i 蛀馨 墨嘲蕾与i 量喀 一舞孽弼 蠡l 蕊 1 4 嘲秣 睡懈 蝴k 藏 艇眯冀 第2 0 页 圈翱、上i12；蜊芝gq箸87叠)(。团 r母墩岳甓y翦a静”奢矗孽牡和一簦私射翳謦密r埘们毗描氍二=埘*啡r一肆 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 2 3 控制箱的结构 整个控制系统的硬件全部安装在控制箱里，由于气压焊机时用于现场焊 接，要经常移动，所以控制箱体积越小、重量越轻越好。 原气压焊控制箱上下箱体操作面板如图2 - 4 和2 5 所示。控制箱整体如图 2 - 6 所示。【3 2 】 图2 _ 4 下箱体操作面板 图2 5 上箱体操作面板 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 幽2 - 6 原气压绰控制箱 本系统用触摸屏对焊接参数进行修改和设定，代替了原来的d d m 表。根 据触摸屏的尺寸，在保证原控制箱的体积没有变化的基础上，对控制箱的上 箱体的操作显示面板进行了改进，下面板不变。改进后的面板如图2 - 7 所示。 改进后的控制箱整体如图2 - 8 所示。 圈2 7 改进后的上面板 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 图28 改进后的控制箱 2 2 4 操作面板上参数按键电路设计 原来d i ) m 操作显示表是自带按钮，不需要设计，只是由于自带轻触按钮 太小，不便于现场操作，对其进行了按钮扩展，使用了型号更大的按钮，安 装在d d m 表的下方，如图2 - 6 所示。现用触摸屏取代了d d b l 表，可以直接监 控各个参数，通过触摸图形按键对各个参数进行设置和修改。为了在现场操 作方便，原来、操作面板上的8 个按钮继续使用。另外，也是为了节约p l c 的输入端子，同时也是为了节省箱体的空间。编码器电器原理图如图2 - 9 所 示。电路主要由2 个7 4 l s l 4 8 芯片、1 个7 4 l s 0 8 芯片、8 个9 0 1 3 三极管组成。 7 4 l s l 4 8 为8 线一3 线优先编码器，将8 条数据线( 0 7 ) 进行3 线 二进制优先编码。利用选通端( e i ) 和输出选通端( e o ) 可进行八进制扩展。 管脚图如图2 一1 0 所示。7 4 l s 0 8 为4 组2 输入端与门。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图2 - 9 上面板按钮编码器电器原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 iiiil jl i t1 5l ，1 21 fi o - - - 一 1255 ， i ，7u曩m册 图2 - 1 07 4 l s l 4 8 管脚图 引出端符号： 0 - - 7 编码输入端( 低电平有效) e i 选通输入端( 低电平有效) a 0 、a 1 、a 2 编码输出端( 低电平有效) g s 宽展端( 低电平有效) e 0 选通输出端 功能表：如表2 - 3 所示 表2 - 37 4 l s l 4 8 芯片的功能表 纳呐 o u 蛳如 e io123 567a 2a 1a o g se o hxxxx xxxhhhhh lh h h h h h h hhh hh l lxx x x xgxlllll h lxx x x x xlhllhlh lxg x xxlh hlhllh lx x x xlhhh1 hhlh lx x xlh h h hhlllh lxxlh h h h h hlhlh lxlh h h h hhhhllh llh h h h h h hhhhlh 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 根据功能表可知，当按下氧气增加按钮时，编码器电路的右边输出为： x o 为“0 ，x 2 为“1 ，x l l 为“1 ”，x 1 2 “1 ，即都为高电平，此时p l c 的输入端子x o ，x 2 ，x 1 1 ，x 1 2 导通。当按下氧气减小按钮时，编码器电路输出 为：x 0 为“0 ，x 2 为“0 ，x l l 为“1 ，x 1 2 “l 。同理，可以得出按下其 他参数调节按钮电路输出的值。 2 3 人际交互界面( h m i ) 尽管人们在选择设备及其控制技术时会考虑到设备之间的相互连接，但 人机界面设备与操作者之间的接口往往被忽视。随着生产自动化的日益 发展，人机界面的重要性更加凸现。 人机界面( 删i ) 的主要功能是取代传统的控制面板和显示仪表。传统控 制面板上的多排开关按钮及指示灯等，需要许多导线连到控制柜内，不仅连 接麻烦，而且故障率高，而人机界面由于将输入和输出结合在一起，它与控 制柜内p l c 控制器的连线简易，一条屏蔽电缆线就可把输入和输出全解决了， 还能有效地节省p l c 编辑空间和程序量、随时显示重要信息，有利于机械设 备的正常运行，便于维修。操作者只要直接触摸屏幕上的图形按钮，就可以 完成以前用按钮、开关完成的操作，实现对被控设备的操作控制，而且由于 能在屏幕上给出中文指示，人机交互界面友好，使设备的操作更加简单、直 观、方便，有效提高该设备的智能化、信息化和自动化控制程度。【3 3 】 2 3 1 触摸屏技术 触摸屏是用手或其他触摸感应介质直接触摸显示器操作电脑的一种输入 设备。它是最友好的计算机用户接口界面。 触摸屏最大的特点是就是操作简便、直接。使用者只要触摸显示器上的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 图形或文字，就能实现对计算机的操作，这样就摆脱了传统鼠标和键盘的操 作模式，使人机交互更为直接。触摸屏已经成为当前最简便的人机交互的输 入设备之一，它赋予了智能设备崭新操作界面。【1 3 】 目前广泛使用的触模屏技术有四种基本类型：表面声波技术触模屏、电 阻技术触摸屏( 4 ，5 ，6 ，8 线) 、电容感应技术触模屏( 模拟式) 和红外线扫描 技术触模屏。声体波技术触模屏和近场成像投影式电容屏在市场上也有少量 应用。 1 9 7 1 年，美国s a mh u r s t 博土发明了世界第一个触摸感器。虽然那个传 感器作触摸屏并不很清晰，但却是人类研究触摸屏技术的开端。1 9 7 3 年这项 技术被美国工业研究评选为当年度1 0 0 项最重要的新技术产品之一。 触摸屏自从诞生之日起就受到人们的关注和喜爱。在1 9 8 2 年t e n n e s s e e 的k n o x v il l e 世界交易会上，在美国馆中第一次展出了3 3 台使用新式透明触 摸敏感控制板的电视机。这吸引了人们的目光，对很多人来说，这是他们第 一次观看和使用触摸。 1 9 9 1 年，触模屏进入中国。当时只是代理国外的红外和电容屏产品。同 年中国科研人员开始了红外触摸屏的研究。1 9 9 3 年中国红外触摸屏技术基本 成熟。1 9 9 6 年，诞生了中国第一台自主开发的触摸自助一体机。 随着计算机技术和网络技术的发展，触摸屏现在己广泛应用在销售点p o s 自助服务机、信息查询设备、娱乐设备、计算机为基础的训练和仿真、医疗 设备、移动和手持式系统、工业控制设备、办公自动化设备、信息家电等各 个领域，它已渗透到我们生活的各个方面。 1 3 1 2 3 2 触摸屏原理及应用 2 3 2 1 触摸屏的工作原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 为操作方便，采用触摸屏代替鼠标或键盘。工作时，首先用手指或其他物 体触摸触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输 入。触摸屏的本质是传感器，由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检 测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送至触摸屏控 制器。而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将 它转换成触点坐标，再送给c p u ，它同时能接收c p u 发来的命令并加以执行。 1 3 ，2 1 ，3 4 1 2 3 2 2 触摸技术的优势 触摸屏，是用户和计算机之间实现互动的最简单、最直接的方式。现在， 各行各业都已成功地将触摸屏的效用发挥到各自的应用领域中。触摸屏技术 的优异特性有如下的表现： 1 ) 简化了人机界面，使用户无需经过任何培训就能使用计算机； 2 ) 提高了精确度，消除了操作员误操作的可能性，因为供用户选择的菜 单设置非常明确； 3 ) 触摸屏取代了键盘和鼠标： 4 ) 结实耐用，可以承受键盘和鼠标易受损坏的恶劣环境； 5 ) 通过触摸屏可以快速访问所有类型的数字媒体，不会受到文本界面的 妨碍； 6 ) 底座更小，保证空间不被浪费，因为输入设备已完全整合到显示器中。 2 3 2 3 触摸屏的分类 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分为四种，它们分别 为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。每一类触摸屏都有其各 自的优缺点。 1 ) 电阻式触摸屏 电阻式触摸屏是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，它可 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，比较适合工业控制领域及办公室内 有限人的使用。电阻触摸屏共同的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料， 如果有人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。 2 ) 电容式触摸屏 电容屏反光严重，而且电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率 不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还会造成图像字符 的模糊。电容触摸屏在有导体靠近，会引起电容屏的误动作。电容触摸屏的另 一个缺点是用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应。 电容屏更主要的缺点是漂移。当环境温度、湿度改变，环境电场发生改变 时，会引起电容触摸屏的漂移，造成不准确。 3 ) 红外线式触摸屏 红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，此外，由于 没有电容充放电过程，响应速度比电容式快，但分辨率较低。红外线技术是触 摸屏产品最终的发展趋势。红外线触摸屏只要真正实现了高稳定性能和高分 辨率，必将替代其他技术产品而成为触摸屏市场的主流。 4 ) 表面声波触摸屏 清晰度较高：抗刮伤性良好( 相对于电阻、电容等有表面度膜) ：反应灵敏： 不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率高