（材料加工工程专业论文）yhg750移动式闪光焊轨机plc系统研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 钢轨闪光对焊技术是无缝线路建设的关键技术之一 成套的焊接设备一闪光焊轨 机是支撑它的必要手段 近几年 在国内钢轨焊接领域专家多年的努力下 我国自主 研发的移动式交流闪光焊轨机问世并投入生产应用 获得了良好的应用效果 为国家 铁路飞速发展做出了巨大贡献 但同时也提出了问题 如焊接过程可控性有待提到 各焊接参数关联性强 同时需手动测试电压 速度 参数设置时各参数的设定值为控 制信号值等 这使得工艺参数理解困难 工艺调试难度大 对技术人员要求高 针对上述不足 本文就p l c 控制系统进行研制以及完善上位机监控系统软件 其 主要工作如下 1 设计了具有8 个闪光控制阶段 采用变电流区间的比例及o n o f f 调节速度控制方式及加速过程分成两个相互独立控制的阶段并采用设定次数的速度逐 级增加控制模式的闪光焊接工艺 2 设计了速度和电压自动测试的p l c 程序 3 设计 了参数设置的p l c 程序 4 利用g x d c v e l o p e r 软件的梯形图编写功能完成包括闪光 焊工艺 测试及参数设置程序等整个控制系统程序的编写 结合在线监视功能完成软 件调试 5 完善了上位机监控系统的实时显示和参数设置两个功能模块 采用国产移动式闪光焊轨机进行多次试验 试验表明 1 p l c 控制系统可分别实 现电压和速度的自动测试 建立电压 速度真实值与其p l c 输出的控制信号值 p l c 值 的对应关系 并将p l c 值存储在相应的数据寄存器中形成数据库 2 测试程序稳 定 数据准确 测试效率高 操作方便快捷 3 p l c 控制系统可实现将上位机的真实 值转换为其对应的p l c 值并存储在相应数据寄存器中 实现了上位机参数设置的直观 化 4 新闪光焊接工艺增加了可设置工艺参数 焊接过程的可控性增强 工艺可调性 提高 该p l c 控制系统已在塞拉利昂等1 0 余个国内外项目应用 焊机的自动化集成化 程度高 控制系统对环境适应能力强且焊接质量稳定 焊接规范可调性好 工艺调试 方便简洁 获得好评 关键词 闪光焊轨机 p l c 系统 闪光焊 参数设置 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t r a i ln a s hb 们w e l dt e d m o l o g ri so n eo ft l l ek e yo fc o n s 仃u c t i o no f j o 砌e s s 一仃a c k 觚d c 0 i n p l e t en 懿hw e l d i l l ge 州p m 胁t n a s hr a i lw e l d e fi sm en e c e s s a r rm e a i l st 0s u p p o r ti t i t l r e c 饥ty e a r s w i t l lm ee 丘 o r t so fe x p e n si i ld o m e s t i cr a i lw e l d i n gf i e l df o ry e a r s o u r s e l f d c v e l o p e dm o b i l er a i la cn 嬲hw e l d e rh a sb e d e v c l o p e d 觚dp u t 硫 印p l i c a t i o i l s 觚dh 嬲o b t 咖e dt l l e9 0 0 de 脓t 孤dh 嬲m a d e 蓼e a tc o i 嘶b u t i o n st 0m er 叩i dd e v e l o p m e n t o fn a t i o n 2 l lr a i l w a y b u ta l s op u tf o r w a r dp r o b l e m s 叭c h 嬲t l l ec o m r o l l a b i l i t ro ft l l ew e l d i i l g p r o c e s st ob em e n t i o n e d w e l d i n gp a r a m e t e r sr e l e v 觚c ew i ms 仃0 n 吕a n dn e e dm 锄u a lt e s 缸g v 0 1 t a g e s p e e d p 觚哪e t e r ss 讹l gw i mt l l ec 0 蛐 ls i 盟a 1v a l u e i i l i c hi sd i 伍c u l t i e sw h e i l d e b u g 百n gp a r a m e t e r s a n du i l d e r s t a n d i n gn l ep r o c e s sp a r 锄e t e r s 觚dh 嬲al l i g h r e q u k e m e n tt ot l l es t a 圩o fm ede b u g 百n gp r o c 懿sd e m 锄d i n 吕 a c c 0 r d i n g t 0m e s es h o n a g e s t l l e p a p e rd e v e l o p e db yp l cc o n 臼 0 ls y s t e m 锄d 蛐p r o v e dp cm o i l i t o 血gs y s t 锄s o 脚a r e w h o s em a i nw o r ki s 弱f o l l o w s 1 d e s i 嘶n gt h e f l a s hw e l d i i l gs y s t e m 7 i t l i c hh 硼e i g h tc o n t r o ls t a g e s 锄ds p e e dc o n t r o lm o d e 勰t h er a t i oo f t l l e 伽u n r 朗tr a n g eo fv 撕a b l es p e c dc o n t r o la d j l l s n n e 咄a n ds p e e du pm ep r o c c s si i l t 0t w 0 s t a g e so fm d 印 d e n tc o n 臼 0 1 1 i i l g 谢n la 西v e nn 瑚曲e ro f 鹤锄d 伊a d u a li n c r e 舔ei i ls p e e d 2 d e s i 鄹 i i l gm e p l c p r 0 黟a mo f 踟幻m a t i c t e s to fs p e c da n dv o l t a g e 3 d e s i 掣曲g l ep l c p r o 伊a mo fm ep a r 锄e t e 瑙 4 c o m p l e t i n g 廿1 ep l c l a d d e rp m 蓼锄w i t hm el a d d e r 劬c t i o n o fg x d e v e l o p 盯s o f 啊a r e 觚ds o f h 硼r ed e b u g 百n gp r o 黟锄 5 岫v i i l gm em o i l i t o r s y s t e mi 1 1 删 t i m ep cd i s p l a y 孤dp a r a m e t e r s u s i n gd o m e s t i cm o b i l en a s hb u t tw e l d c rf o rs e v e r a lt e s t s 舰c k i ts h o w s 廿l a t 1 p l c c o n t l 0 1s y s t 锄c 觚c o m p e t em ea u t o m 撕ct e s to fv 0 1 t a g e 觚ds p e e d 昭t a b l i s h l e c o r r e s p o n d m gr e l a t i o n s l l i pb e t w e e nt l l er e a lv a l u eo fv 0 1 t a g e s p e e d 砒l dm es i g n a lv a l u eo f p l co u 邮tc o n 缸d l p l c 锄ds t o r et l l 锄t 0f o mad a t a b 弱e 2 t h ep r o 蓼锄o ft e s ti s s t a b l e t l i g l le 伍c i e i l c y w i la a c u r 咖d a t a 觚dc o n v e n i 饥t0 p c r a t i o n 3 p l cc o n 仃0 ls y s t e i i l a d 缸e v 鹤i n t l l i t i v es e to fp a r a m e t e r sw i mp c 4 n e wn 嬲hw e l d i i l gp r o c e s si i l c r e 嬲e sm e p a r a m e t e r sw l l i c hc a nb es e tt o 锄de i 1 1 1 觚c e st l l ec 0 n t r 0 1 l a b i l i 哆o f t l l ew e l d i i l gp r o c e s sa n d i n l p r o v e sm ep r o c e s sa d j u s t a b l e t h ep l cc o n 缸o ls y s t e mh 硒b e l l s e di i lm o r em 觚l0d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l p r o j e c t 印p l i c 撕o i l s 蚰c h 弱s i e r r al e o m t h ew e l d e rh 嬲廿1 ea b i l 时o fh i 曲砬e 孕a t i o na n d a u t o m a t i o n t h ec o n t r o ls y s t e mh 嬲e n v i r o m n e n t a la d a p 切b i l i 吼t l l ew e l d i i l gq l l a l i t mw c l d i i l g s p e c i f i c a t i o na d j u s t a b i l i 劬9 0 0 dd e b u g g i i l gp r o c c s s 锄dh 嬲b e 肌w d lr c c e i v c d k e y w o r d s n 础r a i lw e l d e r p l cs y s t e m n 础b 傩w e l d 堍 p a r a m e t e fs 觚n g s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 课题研究背景及现状 铁路运输是既可满足人类社会可持续发展又经济实惠的大众化交通方式 是国家 的重要基础设施 国民经济的大动脉 国务院最新出台的 中长期铁路网规划 和 综 合交通网中长期发展规划 给铁路建设带来新的发展机遇 铁路建设面临新挑战 无缝线路是铁路运输的推广线路 在全世界范围都得到广泛应用 无缝线路可以 大量地减少铁路线路中的接头轨缝 减少火车行车过程中车轮通过接头时对钢轨的冲 击 减轻对钢轨和列车车轮的损耗 提高行车安全和乘坐舒适度 据统计无缝线路可 延长钢轨使用寿命2 0 3 0 降低线路养护和维修费用3 0 左右 减少行车阻力1 0 l 从经济角度 环境保护及可持续发展方面考虑 都非常乐观 用于铺设无缝线路的钢轨一般要经过两次焊接 即基地焊和现场焊 国内外常用 到的钢轨焊接方法主要有电弧焊 铝热焊 气压焊 钢轨闪光对焊四种 2 1 它们的焊接 原理不同 各有优缺点 因而其应用范围和使用情况也不尽相同 钢轨闪光对焊因其 焊接效率高 接头质量优良且稳定性好 在国内外都得到了广泛的应用 不仅如此 更是成为我国钢轨焊接的主流方法 并且也逐渐从基地焊应用推广到现场焊 在闪光 焊接设备方面 闪光焊机也迅速发展 闪光焊轨机有固定式和移动式两种 固定式闪 光焊机主要用于焊轨厂或者焊轨基地的钢轨基地焊 而移动式闪光焊机既可以用于实 现钢轨基地焊也可以组装成焊轨作业车实现钢轨现场焊 根据焊接中使用电源的类型 闪光焊机又有直流闪光焊机和交流闪光焊机 现阶段 在我国的无缝线路钢轨闪光焊接中 主要使用的焊机有 瑞士s h n a t e r 公 司的g a a s 8 0 系列固定式直流焊机及a m s 系列移动式焊机 乌克兰巴顿焊接研究所 的k 1 9 0 k 1 0 0 0 型固定式及k 3 5 5 k 9 2 0 k 9 2 2 等移动式交流焊机 瑞典伊萨公司的 z f r 型固定式直流闪光焊机 我国自主研发的u n 一2 0 0 型固定式及u n 5 1 5 0 z u n 5 1 5 0 z b 型及y h g 7 5 0 型移动式交流闪光焊机 其中g 认a s 8 0 系列和k 系列占市场 份额较大 但随着国产闪光焊机性能的不断完善 最近几年 进口焊机逐步被其代替 并且国产焊机也逐步出口到亚非国家 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 钢轨闪光对焊 1 2 1 钢轨闪光对焊基本原理 1 钢轨2 夹钳 电极 3 焊接变压器f f 夹紧力f u p 顶锻力v s 送进速度 图1 1 钢轨闪光对焊原理图 钢轨闪光对焊的基本原理是利用焊接电流流经焊接钢轨回路时 自身电阻所产生 的热量来加热钢轨端面 并在加热结束后迅速施加顶锻力使焊接端面焊连的过程 如 图1 1 所示 将待焊接的两根钢轨分别夹紧于位于焊机静夹具和动夹具的四个电极中 焊接变压器通以电源 电流流经焊接钢轨回路 当焊机动夹具送进时 两根钢轨接触 的瞬间 不是两钢轨端面的完全接触 而是端面上的一些微小的凹凸点接触 这些触 点存在较大的电阻 通以电流的电阻就产生电阻热 这些电阻热加热这些微小触点 在瞬间就可以将其熔化 熔化后的金属液在两个钢轨的焊接端面形成液态金属过梁 钢轨不断送进 微小触点迅速增加 钢轨端面瞬间就充满液态过梁 此时过梁的高温 和流经它的高密度焊接电流迫使过梁中的金属蒸发 过梁爆破 焊机动夹具以一定速 度连续地送进钢轨 钢轨端面就不断产生液态过梁并不断的爆破 连续的过梁爆破使 得金属液体成闪烁的细小颗粒状不断向四周飞溅 就形成了闪光 大量的高温液态过 梁不仅通过端面逐渐向钢轨的纵深方向传递热量 加热钢轨 使钢轨获得较好的温度 分布 同时金属气化和闪光爆破形成良好的保护气氛 使外界空气中的氧气成分不易 接触钢轨焊接端面 减小了钢轨端面金属氧化的可能性 经过一定时间的闪光后 焊 接端面将出现一层均匀的液态金属膜 同时沿钢轨纵向也形成了一定宽度的塑性变形 温度区 此时施加足够大的顶锻力 终止闪光爆破 随即关断电源 使焊件端面的间 隙和过梁爆破后留下的火口迅速封闭 并将端面的高温液态金属及氧化物夹杂挤出 同时在接头区还产生一定的塑性变形 使接触面的金属达到原子结合 在结晶面产生 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 共同晶粒获得致密的热锻造组织 形成牢固的焊接接头 虽然在闪光加热过程中有金 属熔化 但闪光焊实质上为塑性状态下的固相焊接 6 1 1 2 2 钢轨闪光对焊工艺 发展至今 闪光对焊在生产效率 接头质量以及可焊材料种类等方面都得到大幅度 改善 焊接工艺也不断更新 根据闪光加热的特点 钢轨闪光对焊分为连续闪光焊 预热闪光焊 脉冲闪光焊 脉动闪光焊四种 1 连续闪光焊 连续闪光焊即为在整个焊接过程中 通过钢轨端面连续不断且均匀的闪光来加热 钢轨 最后项锻获得焊接接头的方法 这种焊接方法具有电流小 端面接触电阻大的 特点 因而对焊接设备的输出功率要求不高 但是其加热区窄且不均匀 使得接头焊 缝易产生灰斑等缺陷 同时焊接耗时长 焊接效率低 无法焊接高合金高强度钢轨 图1 2 为k 9 0 0 焊机采用连续闪光焊方法的工艺曲线图 图1 2k 9 0 0 焊机连续闪光焊工艺曲线 2 预热闪光焊 预热闪光焊就是以短路为主要的加热方式来快速加热待焊钢轨使其达到设定温度 后再通过连续闪光完成焊接的方法 预热是通过两钢轨端面的多次 长时间短路 产 生极大的短路电流 短路电流在端面电阻上生成巨大的热量并剧烈加热钢轨端面的方 式来实现 而钢轨端面的短路又可以通过控制电源的接通与断开或者两端面的闭合或 分离来实现 这种焊接方法具有焊接变压器输出功率较大 加热区宽 加热效率高 金属耗损量小的特点 发展至今 通过引进次级整流 三相低频 矩形波输入等新技 术 使得其加热效率更有保证 典型的应用代表为s 1 1 1 l a t e r 公司的g a a s 8 0 焊机 图 1 3 为其焊接工艺曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 时闸 图1 3g a a s 8 0 焊机预热闪光焊接工艺曲线 3 脉动闪光焊 脉动闪光焊是由乌克兰巴顿焊接研究所基于增加液态过梁存在时间进而提高钢轨 加热效率的机理提出的 基本原理是通过人为控制液态过梁存在时间 通过强制爆破 过梁形成闪光 获得焊接回路既不短路也不断路的稳定闪光过程 大大提高钢轨加热 效率 实现低电压下的钢轨闪光加热焊接过程 它的实现形式为 通过液压振动器在 动架基本的移动动作上叠加一个振幅为0 2 o 3 m m 频率为5 2 5 h z 的振动 使得动架 送进的速度能瞬时变化 进而钢轨端面间隙也交替的瞬时减小和增大 并在液态过梁 存在的临界值左右摆动 从而实现对液态过梁存在时间的人为控制 这种焊接方法具 有闪光颗粒细小 过程稳定 集中加热能力强 热影响区窄 加热效率高的焊接工艺特 点 而且能焊接高强钢 合金钢及异种钢 图1 4 为脉冲闪光焊接工艺曲线 墨 罨 氲 b 脉冲闪光焊 图1 4 脉冲闪光焊接工艺曲线 4 脉冲闪光焊 脉冲闪光焊是在脉动闪光焊的基础上发展起来的 是为了解决由于液压振动器的 磨损引起焊机早起疲劳损坏的困难以及整个焊机控制系统引进了p l c 和高精度的液压 伺服技术的情况下提出的 其基本控制思想是通过焊接电流反馈控制焊机动架送进及 后退速度来不断调整钢轨两端面的间隙 实现对液态过梁存在时间的控制 现有的 硒2 0 k 9 2 2 k 1 0 0 0 均采用了此种焊接方法 主要通过实施速度与焊接电流自适应的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 工艺 凭借灵敏的控制系统以及实时监控系统 跟踪焊接过程 不断调整钢轨两端面 间距离从而使焊接电流稳定在一个设定的范围内 从而获得高效的钢轨加热过程 其 与脉动闪光焊接具有同样的焊接效果 图1 5 展示了典型的脉动闪光焊接工艺 图l 一5 脉动闪光焊接工艺曲线 1 2 3 钢轨闪光对焊新技术 为了适应大截面 高效率钢轨焊接的需要 国内外钢轨焊接工程师们对焊接工艺进 行了一系列研究 创造出了程控电压闪光法和基于最大输出功率的高效钢轨闪光焊工 艺 1 程控电压闪光法 所谓程控电压闪光法即为在钢轨闪光烧化过程 根据闪光过程的需要 采取变 化的焊接电压来完成整个闪光过程 并通过控制程序实现焊接电压自动切换的方法 变化的焊接电压能更高效的实现钢轨的闪光加热过程 其控制的基本过程如图1 6 所示 在钢轨闪光初期时 钢轨端面处于室温状态 温度较低 钢轨接触端面的接触 电阻也比较小 但是触点却增加得很快 电流产生的热量传导迅速 因而接触触点 的温度低 热量少 此时适当提高焊接电压 进而可以提高焊接电流增大钢轨焊接 端面的热量输入 使得触点温度可以迅速升高并使之熔化产生过梁随之爆破产生闪 光 随着闪光的进行 钢轨端面温度逐渐升高 端面的总电阻也变大了 过梁的爆 破速度也加快了 此时适当的降低焊接电压 进而减少焊接端面的热量输入 从而 降低了钢轨端面闪光的激烈程度 维持连续稳定的闪光 增加了金属液态过梁在端 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 面间存在的时间 减少了随着火花飞溅带走的热量 提高了钢轨的加热效率 增大 了加热区宽度 到了闪光末期 当钢轨端部加热区形成一定宽度 即达到温度的动 平衡以后 再次提高焊接电压 增大焊接端面热量输入 使得端面间形成连续并激 烈稳定的闪光 可以营造出良好的自保护气氛效果 避免钢轨端面的液态金属膜被 氧化而产生焊接缺陷 这种控制思想现已在国内外钢轨闪光焊接中得到普遍应用 u 图1 6 程序控制闪光焊接电压过程示意图 2 基于最大输出功率的高效钢轨交流闪光焊工艺 在钢轨闪光对焊的闪光中前期阶段 闪光的主要作用实现钢轨的加热 获得良 好的温度分布区 因而高效优质的加热效果是此阶段闪光的目的 基于最大输出功 率的高效钢轨交流闪光焊工艺就是针对此提出的 其基本控制思想是保持焊接电流 在焊机输出最大功率的电流范围内 使焊机输出最大有效功率 进而使焊接回路获 得最大的热量输入 提高钢轨的加热效率 缩短加热时间 提高生产率 其控制模 型提出的前提条件是焊机具有高灵敏度和高精度的液压控制系统 高速率的数据采 集系统及可编程控制器控制系统 工艺的实现采用了电流恒值控制方式 通过采用 焊接电流作为反馈量 建立焊机送进速度与焊接电流的关系 通过控制送进速度的 大小和方向进而实现焊接电流的控制 跚其控制模型的硬件结构如图1 7 所示 送 进速度与电流的关系如式 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 7 焊接电流恒值控制硬件结构图 送进速度与焊接电流关系式 矿 格 格 u l 2 2 j 工艺的实现描述为 将输出功率最大时电流值设为式 1 中三个电流基值点 通 过电流互感器采集到的焊接电流经电流变送器及a d 模块处理后送p l c 与设定值比 较 得出送进速度的控制信 经d a 模块转换后送液压驱动控制电路放大处理 最后 通过液压系统实现对动夹具的速度控制 进而调整焊接电流使之保持在最大输出功率 时的电流范围内 实现最大功率输出下的高效闪光焊接 1 3 论文主要工作及意义 1 闯题提出 根据国产y h g 7 5 0 移动式钢轨闪光焊轨机多年的运用情况来看 现有的焊机在硬 件方面配置比较完善 能执行焊接所需的各种动作 软件方面也能实现基本的焊接过 程控制 实时监控功能 完成钢轨焊接 获得焊接接头 但是在设备的自动化 智能 化 功能集成化程度上考虑 还有待提高 集中表现在以下几个方面 i 焊接控制系统柔性 可控性差 焊接过程控制阶段划分简单 各个阶段的电压 速 度 电流等焊接参数关联性强 焊机的脉动程序中闪光过程各个阶段采用电流固定 区间变幅比例控制动夹具的送进与回拉速度 不能良好的结合与适应各个阶段钢轨 焊接端面的焊接情况 即动夹具的送进与回拉速度与钢轨端面的烧化加热速度匹配 性差 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 i i 焊机采用手动校准焊接电压和焊接速度方式 耗时费力 电压校准采用万用表测试 焊接变压器输出值并且以表格形式记录于笔记本且事后存放于电脑中以便备案查 用 速度的校准则采用秒表计时 从上位机监控界面读取位移相应数值 再根据位 移求得相应速度的方法实现 并采用多点求平均值来减小误差 最后再用e x c e l 或 手动计算出速度公式 完成校准 两种校准方式都很笨拙 需要操作人员较多 而 且耗时多 效率低 还会引入人工误差 加之测量仪器的误差 使得最后校准结果 误差增大 图l 一8 原有y h g 一7 5 0 移动式闪光焊轨机参数设置界面 i i i 工艺调试难度大 对技术人员要求高 如图1 8 所示 参数设置界面上的焊接各个 参数的设定值都不直观 都采用了p l c 控制信号值 如图中电压设定值7 8 0 等 而焊接实际电压据以往经验可知都在4 3 0 v 以下 而速度设定值 3 0 6 8 2 7 2 0 与 焊机实际速度值 1 2 彻 s 等 根本无法联系到一起 这样的数据在焊机工艺调试 时 修改工艺参数设定值及理解各个参数的实际意义都带来巨大的困难 需要反复 的人工转换 才能满足工艺调试的需要 耗时费力 增加了工艺人员的工作量 同 时也使得调试周期增长 i v 加速阶段人为可控制性差 加速阶段值设定了一个加速极限值 通过程序内部固定 比例1 2 的比值来设定慢加速段和快加速段的加速终了值 在加速增量的实现上 是通过固定次数的斜坡输出指令的办法 斜坡输出指令使得加速过程受程序扫描周 期的影响 同时两个固定使加速阶段控制呆板 可调性和适应性都差 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 主要工作及意义 针对y h g 7 5 0 移动式闪光焊机存在的问题和不足 本论文主要从以下几个方面展 开对p l c 控制系统的研制及完善上位机监控系统软件 1 重新设计钢轨脉动闪光焊接控制程序 2 焊接电压和速度测试的p l c 程序设计 3 工艺参数直观化设置的p l c 程序设计 4 重新设计上位机监控系统参数设置的可视化界面和模块程序 5 完成p l c 控制系统的软件调试 6 p l c 控制系统的试验分析及结论 通过上述工作 可以实现对国产闪光焊机软件系统的完善 提升国产焊机整体性 能 这对提高国内轨道焊接技术及轨道装备的现代化水平 更好地服务于我国高速铁 路的无缝线路建设 提高国际竞争力 增大设备与技术出口 增加外汇收入 提高国 民经济具有积极的意义 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章y h g 一7 5 0 移动式闪光焊轨机 y h g 7 5 0 移动式闪光焊轨机采用了集装箱整体框架及悬挂式机头设计 采用了现 代先进的机 电 液一体化技术 具有自动焊接 自动推瘤 移动作业等多种特殊功 能可用于基地焊 现场单元焊及锁定焊 焊机结构框图如图2 1 所示 主要由机械部 分 电气控制系统 液压伺服系统 和冷却系统及供电系统等五部分组成 2 1 机械部分 图2 一ly h g 7 5 0 移动式闪光焊轨机结构示意图 图2 2y h g 7 5 0 移动式闪光焊轨机机头实物图 器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 机械部分主要指焊机机头 其主要功能是用于实现焊接过程中各种动作及电源的 输入 其中动作主要包括钢轨的夹紧 对中 前进 后退 顶锻 推瘤等 机头分为 动架和静架两部分 用于焊接电源输入的两个焊接变压器对称分布于静架上 用于钢 轨对中的中心轴贯穿整个机头 用于钢轨加紧的两个夹紧油缸分别竖直安装在动 静 架上 而用于速度控制 项锻力输出的两个顶锻油缸则对称分布在动架的左右两边 用于完成推瘤动作并做成钢轨形状的推瘤刀安装在动架上并随动架一起运动 除此之 外 机头上还分别安装了位移传感器 油压传感器 油路集成块以及方便人工操作的 人工操作面板 其实物图如2 2 所示 2 2 电气控制系统 电气控制系统如图2 3 所示 是整个焊机的控制中心 完成各种焊接操作的输入 与指令的输出 其主要功能是完成各种焊接工艺参数的数据采集 控制信号模拟量 数字量的转换与处理 钢轨焊接过程顺序控制的实现及监视 主要由电压控制及显示 系统 工业计算机监控系统 p l c 可编程控制器系统等组成 其各自的硬件组成及主 要功能分别见表2 1 表2 2 表2 3 图2 3 电气控制柜系统示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 表2 1 电压控制及显示系统 稳压调压及显示电路 电流互感器 电流变送器 电压变送器 两个电压显示表 一个电流显示表 通过焊接电网网压负反馈补偿网压 维持焊接 电压的稳定 通过晶闸管触发电路改变晶闸管导通角的大 小 实现焊接电压的调节控制 通过电流表电压表显示网压电压 焊接电流 焊接 电压 表2 2p l c 可编程控制器系统 p l c 可编程控制器系统 硬件组成主要功能 小型p l c 一台 两个模拟量输入模块加 一个模拟量输出模块d a p l c 输出继电器板 信号放大板 完成各种焊接参数模拟量的输入输出转 换 通过p l c 程序实现焊接过程的顺序控制 p l c 输出继电器板 信号放大板实现输 出控制信号的隔离与放大 表2 3 工业计算机监控系统 工业计算机监控系统 硬件组成 主要功能 工业控制用计算机一台 数据采集板卡 液晶显示器 键盘 鼠标等 打印机一台 实现对各个焊接参数的采集及存储 实现焊接工艺参数的设置并写入p l c 实现对焊接过程的显示及监控 完成焊接质量的初步评判 2 3 液压伺服系统 图2 4 液压泵站图2 5 电磁阀控制系统实物图 液压伺服系统是整个焊机的动力回路 实现焊机所需的各种压力的输出 由液压 泵站 液压循环回路及电磁阀控制系统组成 液压泵站和电磁阀控制系统的主要组成 部分及各部分作用分别如表2 4 和表2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 4 液压泵站主要装置构成表 液压泵 液压出油电机用于将电能转换为液压能 进而转换为机械能 液压油箱用于液压油的储存 温度传感器 油循环冷却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 电机 液压油风冷装置 况下对液压油进行保温处理 保证液压油的流动性和其他物 加热器理性能 滤油器保证系统液压油的清洁度在允许范围能 进而确保液压循环 系统的畅通性 防止油路堵塞 保护液压比例阀 以保证系 统的工作可靠和元件的使用寿命 液体压力变送器 压力表用于油路主压力的检测和显示 溢流阀用于调节油路压力 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 表2 5 电磁阀控制系统主要装置构成表 两个y 型接法的三位用于分别控制夹紧油缸 使焊机输出左夹紧 右夹紧 左松开 四通电磁换向阀右松开 左张开及右张开八个动作 一个h 型接法的三位用于控制顶锻缸 迅速输出大流量液压油 实现焊接顶锻阶段 四通电磁换向阀的巨大顶锻力的输出 一个h 型接法的三位使液压油输出的流量连续成比例地得到控制 实现闪光焊接过 四通比例电磁伺服阀程中焊机高灵敏度 快响应速度的送进后退速度控制 2 4 冷却系统 图2 6 冷却水循环回路示意 冷却系统是闪光焊机不可或缺的组成部分 是钢轨焊接过程能顺利完成的保证 主要用于实现由焊接变压器 汇流排 导电轴 夹钳等组成的焊接回路的冷却 防止 上述工作元件工作时产生的热量使得其过热而烧损 保证焊接顺利进行和各种元件的 使用寿命 冷却水路分四路 一对并联的变压器二次线圈和静夹具电极形成两路冷却 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 水路 一对动夹具电极形成两路冷却水路 如图2 6 所示 2 5 供电系统 供电系统是焊机的电源部分 实现钢轨焊接过程中的电能输入 以及焊机的照明 灯系统 冷却系统 液压系统 控制柜系统的供电 由柴油发电机组 自耦变压器及 自耦变压器组成 柴油机发电机组提供电a c 4 0 0 v 的工频交流电 经自耦变压器实现 3 8 0 v 的单相工频电源输出 2 6 电压电流控制原理 g 7 5 0 移动式闪光焊轨机通过将电能转化为热能实现钢轨的焊接 根据电阻热 原理q 1 2 r 试7 i t 可知 焊接电压u 焊接电流i 是实现焊接的最重要的两个工艺参数 只有控制好焊接电压 焊接电流 匹配好两者关系才能实现高效节能的钢轨闪光对焊 获得高质量的接头焊缝 2 6 1 焊接电压的控制原理 电压的控制是指根据焊接过程的需要及时的改变电压的大小并且保证电压的稳定 y h g 一7 5 0 移动式闪光焊轨机电压的调节控制分为两个步骤 如图2 7 所示 首先是焊 接电压的初步调节 其次是焊接电压的晶闸管稳压调压 图2 7 焊机主电力路 1 焊接电压的初步调节 无论我们是采用工业电源供电 还是焊机自带的柴油发电机供电 都只能提供3 8 0 4 0 0 v 士5 的工频交流电源 而在钢轨的闪光焊接过程中 为提高钢轨加热效率 和保证焊接质量 控制系统采用了马鞍式的焊接电压控制方式 电压分为高压组和低 压组两种 为了防止晶闸管稳压调压时采用过大的控制角a 而影响焊缝质量 需对焊 接电压做一个初步的调节 所谓初步调节即为完成一个电压的升高或降低的过程 通 过改变自耦变压器的原副边线圈匝数比 即改变其焊接电压输入接头的位置来设定高 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 低压组的电压值 2 焊接电压的晶闸管稳压调压 图2 8 晶闸管稳压调压电路原理图 焊接电压的晶闸管稳压调压是在电网电压经过初步调节后 针对各焊接阶段具体 焊接电压的实际大小进行的微小调节和稳压过程 保证电压的稳定 避免焊接电压波 动影响接头焊缝的质量 晶闸管稳压调压就是通过改变晶闸管的导通角来改变焊接输 出电压的有效值 具有稳压调压精度高 反应速度快 输出功率大 体积小的特点 1 8 2 4 2 卯 其调节原理如图2 8 从焊接变压器原边采集的电压信号送电压变送器 转换为啦5 v 的直流信号送给 p l c 程序处理后获得送稳压调压电路的电压给定信号u g u g 与反馈信号u f 比较得到 移相控制信号 通过稳压调压板得到晶闸管控制极触发信号 来控制晶闸管导通角的 大小 进而实现焊接电压的稳压调压 2 6 2 焊接电流的恒值控制 图2 9 电流恒值控制系统硬件原理图 电流恒值控制原理可简单描述为 利用电流负反馈控制送进速度 改变电阻端面间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 进而实现焊接电流的控制 即当实际电流大于设定值时 钢轨回拉 增大钢轨端面间 电阻 进而减小电流 而当实际电流小于设定值时 钢轨送进 减小端面间电阻 增 大电流 通过改变送进速度 改变端面间电阻 改变焊接电流大小 进而使平均电流 稳定在设定值 其控制系统硬件原理图如图2 9 所示 在闪光过程中 焊接电流互感 器采集焊接变压器原边不断变化的焊接电流作为反馈信号 并送往信号调理电路处理 处理后的模拟量信号经 d 模数转换器转换为数字量后再送往p l c p l c 通过预先设 定好的速度控制程序完成数据处理 输出用于钢轨送进速度控制的数字量 再经过d a 数模转换器后得到模拟量 经放大板电路放大后输送出至比例阀 通过控制比例阀发 口大小和方向进而实现液压油缸的油量和方向控制 即实现钢轨送进速度的控制 完 成焊接电流的闭环控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章p l c 控制系统软件设计 3 1 控制系统设计要求 针对y h g 7 5 0 移动式闪光焊轨机存在的问题和不足 对其p l c 控制系统进行重 新设计 所研制的控制系统应达到以下要求 1 控制系统具有可调节性强 适应性好 控制柔性好的闪光焊接工艺 2 控制系统具有调整功能 实现焊机各种焊接动作的手动调节功能 完成钢轨焊接前 的调整及准备工作 3 控制系统具有焊接过程中手动操作焊机前进后退的功能 避免因焊接过程焊机项 死 发生事故 4 控制系统具有自动测试焊接电压和速度的功能 且两种测试可分开独立进行 5 控制系统具有直观化参数设置功能 自动将上位机参数设置界面中各工艺参数的真 实值转换为p l c 值并存储 3 2 总体方案设计 为了达到系统设计要求 在钢轨焊接控制程序方面 为提高焊接过程的可控可调 性 降低各焊接参数间的关联性 本设计采用如下方案 细化焊接阶段 焊接总控制 阶段由原来的1 2 个增加为1 4 个 其中原有焊接过程划分的6 个阶段细分8 个阶段 加速阶段一分为二 其速度控制方式上面取消了原有的斜坡指令 采用设定次数的等 增量速度递增控制模式 同时速度控制采用设置各阶段的三个电流值的方法实现独立 电流区间的比例控制 在测试和直观化参数设置功能方面 考虑到都属于数据处理的 范畴 采用通过p l c 的数据寄存器建立数据库和调用数据库数据的方案 1 阶段细化 为了提高加热效率 增加了预闪阶段 用于实现焊接开始时钢轨端面的快速闪平 同时为了提高加速过程的可控性 将原加速阶段一分为二 成两个独立控制阶段 焊 机有保压推瘤和非保压推瘤两种工艺 阶段细化后 两种工艺归纳为1 4 个阶段 其各 自状态简单描述如下 1 1 0 阶段为两种推瘤工艺下共同的阶段 而1 l 1 4 则根据推瘤 工艺各自选择 1 预闪阶段 通过采用较高的焊接电压 在端面冷状态下能激发闪光 实现钢轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 端面的预热并去除钢轨端面的杂质和污物 2 高压i 阶段 经过预闪 钢轨端面得到初步加热 温度有所升高但还是比较低 需继续利用高压来激发闪光并增大烧化速度来提高闪光密度 使得钢轨更好的被加热 3 高压i i 阶段 此时钢轨端面温度得到了较大改善 激发闪光相对容易 适当的 降低焊接电压 可以降低闪光爆破率 提高端面加热效率 4 低压i 阶段 此阶段是闪光加热的重要阶段 是主要的加热阶段 此时钢轨温 度已经升高 选用低电压就可以维持稳定的闪光 匹配合适的速度 可以得到缓和的 闪光爆破 减少由于激烈闪光造成的火口 减弱金属蒸发烧损 提高加热效率 5 低压i i 阶段 继续采用焊接低电压加热钢轨 但适当提高电压 为低压 阶段 连续闪光过渡 6 低压 阶段 在低压i i 阶段的基础上适当的升高焊接电压 匹配合适的其它焊 接参数 形成稳定的烧化加热钢轨 提高端面温度 7 加速i 阶段 作为闪光烧化的末阶段之一 采用焊接高电压 形成连续激烈的 爆破闪光 形成良好的保护气氛 8 加速i i 阶段 闪光的最后一个阶段 继续提高电压 使端口获得一定厚度的金 属膜 并且继续采用连续的爆破保护端口不被氧化 为顶锻做准备 9 顶锻阶段 通过项锻缸施加顶锻力 迅速封闭端口 挤出液态金属层 产生塑 性变形 形成接头焊缝 1 0 保压阶段 顶锻过后继续施加压力一段时间 防止刚形成的高温焊缝局部拉裂 1 1 退刀合刀阶段 非保压推瘤工艺中 采用顶锻缸完成推瘤动作 所以推瘤前需 后退动夹具 合上推瘤刀 为推瘤预留适当的空间 1 2 推瘤阶段 非保压工艺中的去除焊瘤 获得外观成型较好的接头过程 i 3 保压推瘤进阶段 保压推瘤工艺中 送进推瘤刀去除焊瘤的过程 1 4 保压推瘤退阶段 去除焊瘤后 推瘤刀回原位 2 加速阶段速度控制 为了克服扫描周期对加速过程的影响 本次设计中 两个加速阶段的速度控制都 采用给定次数的速度逐级递增模式 其中加速i 阶段采用2 5 次速度增量累加法 加速 i i 阶段采用2 0 次速度增量累加法 3 送进与后退速度变区间比例控制 用于速度控制的变电流区间的变幅比例及o n o f f 控制方式的数学模型如图3 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 所示 所谓变电流区间就是通过在焊接的各个阶段分别设定图中的电流基值点i l 电 流基值点1 2 及电流基值点1 3 的值 以获得各个阶段不同的 1 2 1 1 和 1 3 1 2 这样的电流 区间 进而改变图中速度的斜率值 改变调节比例值 速度的控制进而描述为 当焊 接电流落在上述两个焊接电流区间时 采用图中公式所给出的比例值送进或者回拉钢 轨 当电流等于电流基值点1 2 的值时 钢轨不送进也不回拉 保持不动 当焊接电流 小于电流基值点i l 的值或者大于电流基值点1 3 的值时 采用o n o f f 控制 即按图中 所给速度值 v i 他 快速送进或迅速回拉钢轨 v m m s v l o 纡 矿 3 3 控制软件设计 k p 厶 k 嚣 承厶 篇 亿班厶 o 厶 图3 1 速度调节原理图 a 根据y h g 7 5 0 移动式闪光焊轨机的工艺要求及功能设计 p l c 控制软件系统复杂 而庞大 为了使程序的设计 编写 维护容易 且数据交换相对简单 论文采用模块 化程序设计法 这种方法是实现大型程序设计与编制的有效途径之一 可以将复杂的 问题简化为 系列简单模块的设计 其基本思想是 根据功能将程序划分为若干个相 互独立的模块 使得各个模块的设计及数据交换互不干扰 功能单一 思路清晰明了 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 容易理解 根据系统设计要求 我们将控制软件划分为以下八个模块 主程序模块 焊接顺 控子程序模块 电压测试子程序模块 速度测试子程序模块 参数设置子程序模块 焊机调整子程序模块 闪光焊接子程序模块及焊接空载子程序模块 其构成如图3 2 所示 图3 2 g 7 5 0 移动式闪光焊轨机p l c 控制软件模块构成图 各子程序模块主要功能介绍如下 1 主程序模块 提供p l c 程序入口出口 完成中断功能允许设置 高速计数通道的 选取 恒定扫描周期的设定启用 焊接工艺参数一位移 油压及电压采集值的预处 理 自动初始态的设置 系统压力的选择切换 焊接模式下焊机手动前进或后退动 作的输出 电压和速度控制信号的输出处理以及各个子程序的调用等操作 2 焊接顺控子程序模块 实现钢轨闪光焊接从闪光开始到形成接头焊缝结束整个焊接 过程的全自动顺序控制 3 电压测试子程序模块 建立焊接电压真实值与其对应的p l c 输出用控制信号值 定 义为电压p l c 值 之间的对应关系 并将电压p l c 值存储在相应的数据寄存器 中形成电压数据库 4 速度测试子程序模块 建立焊接送进速度的真实值与其对应的p l c 输出用控制信 号值 定义为速度p l c 值 之间的对应关系 并将速度p l c 值存储在相应的数据 寄存器中形成速度数据库 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 5 参数设置子程序模块 通过调用数据库中数据 完成上位机参数设置界面中各个阶 段焊接工艺参数 时间 电压 电流 位移 速度等 设定值的p l c 值转换 并 将对应p l c 值存储在相应数据寄存器中 6 闪光焊接子程序模块 实现钢轨闪光加热过程 7 焊机调整子程序模块 实现焊机各种焊接动作的手动控制功能 完成钢轨焊接前的 调整及准备工作 8 焊接空载子程序模块 实现焊接空载工艺 图3 3y h g 7 5 0 闪光焊轨机程序调用流程图 子程序调用关系如图3 3 所示 可编程控制器p l c 得电开始运行 从主程序进入 完成系统的上电复位 中断功能允许 置自动初始态等操作 根据模式开关的选择分 别进入调整 测试 焊接模式 模式开关处于非 焊接 档时 调用参数设置子程序 模式开关处于 调整 档时 调用焊机调整子程序 模式开关处于 测试 档时 进 入测试模式 同时若操作旋钮旋至 前进 位置时 则调用速度测试子程序 而若操 作旋钮旋至 后退 位置则调用电压测试子程序 当模式开关旋至 焊接 档时 调 用焊接顺控子程序 此时若操作旋钮旋至 后退 位置 则调用焊接空载子程序 否 则调用闪光焊接子程序 各子程序调用完毕后 将跳出子程序返回主程序 继续按顺 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 序运行后面的主程序 直至主程序的结束 3 3 1 主程序设计 主程序分为公共部分 工艺参数的采集及预处理 自动焊接过程中手动前进后退 控制信号的输出及子程序调用 其控制程序的算法设计简单 通过可编程控制器自带 指令的单一或者联合使用即可实现 1 公共部分 中断允许功能通过指令 e i 实现 高速计数通道的选择通过 t o 指令写入 通过 i s t 指令实现手动模式 自动模式等