塑钢门窗数控四角焊接机设计说明书

- 1 -1 前言 1.1 塑钢门窗焊接机简介塑钢门窗是以聚氯乙烯(PVC)树脂为主要原料,加上一定比例的稳定剂、着色剂、填充剂、紫外线吸收剂等助剂,经挤出成型材。然后通过切割,焊接的方式制成门窗框扇,配装上橡塑密封条、毛条、五金件等附件而制成门窗,为增强型材的刚性,超过一定长度的型材空腔内需要填加钢衬,称之为塑钢门窗。塑钢门窗焊接的原理就是塑料热板焊接，亦称接触焊或对焊，用热板同时对两焊件的端面直接加热至熔融，再使两焊件端面接触并加压，冷却后，即形成牢固的结合焊缝，从而使两塑料焊件连接为一体。焊接机就是根据此原理设计出来的，一般焊接机焊接塑钢门窗的步骤为对型材定位、压紧型材、对型材端部进行加热、挤压焊接。1.2 国内外发展状况塑钢门窗是在本世纪 50 年代首先由前西德的 HULS 公司和 Hechst 公司开发，至今已有 60 多年的历史，它以其优异的性能和漂亮的外观,逐渐成为继传统的木、钢和铝合金门窗之后的新型建筑门。窗塑钢门窗以其可加工性强、保温节能性良好、隔音性能良好、 耐腐蚀性强、绝缘性优良等优点，受到世界各国的普遍重视。目前，德国、澳地利等国塑钢门窗已占门窗市场一半以上，英国市场占有率也达到了40%。我国于上世纪 80 年代就已经开始引进国外的塑钢门窗型材生产组装设备。但由于当时塑钢门窗刚刚被引入，人们对其不是很熟悉，加上国家政策导向不够明确，以及其他诸多因素的影响，发展比较缓慢。经过十几年的发展，到了 90 年代初，塑钢门窗渐渐得到了人们的认可，加上国家对环保材料的重视，此时在国家建设部的具体指导下，型材和门窗生产技术迅速发展起来，并在此基础上发展起了塑钢门窗组装设备制造行业。据业内权威人士统计，截止目前全国已有塑钢门窗型材引进生产线将近两千条，国产生产线也达到 1000 多条。特别是塑钢门窗焊接机从一开始的全部进口，到后来国内企业自己研发设计国产的焊接机，国内的焊接机技术发展还是比较快的。1.3 课题研究背景 目前国外的塑钢门窗焊接技术已经比较先近了，它采用数控技术实现了焊接过程的全部自动化，大大的提高了加工效率和精度.我国塑钢门窗加工起步比较晚，虽然经过几十年的发展，技术已经有了很大的提高，但是和国外同类先进设备相比，差距还是比较明显的，具体体现在以下几个方面：（1）设备的外形设计、表面处理、色泽运用具有较大的差距。 （2）设备零件加工精度、部件装配精度、易损件的配置- 2 -准确程度有一定差距。 （3）加热元件的技术水平、各类刀具的工艺水平、各类配套元件的专业化程度存在较大差距。 （4）自动控制的专业化水平、加工工艺的程序设计水平、优化软件的应用水平也有一定差距。因此国内的塑钢门窗焊接机在核心技术方面还有很大提高空间，需要进行改进设计。不能总依赖进口，得拥有自己国产的先进焊接机技术，这样才能促进门窗行业发展，而本课题就是在这种背景下提出来的，希望能够设计研发出技术达到国际先进水平的塑钢门窗焊接机。- 3 -2 总体方案的确定系统的总体框图如图 4.1电磁阀 驱动器各机械结构执行各动作可编程控制器指示灯指示下一步操作步进电动机气缸图 4.1 数控焊接机总体框图 机器的运动方式与伺服系统 设计出的数控四角焊接机要完成 X 轴 Y 轴的移动以及焊接过程中的各个环节的运动，机头在 X 轴 Y 轴方向的移动采用步进电动机半闭环控制系统驱动，焊接机焊接过程中的其他运动采用气动控制。这样可以简化结构，降低成本。塑钢门窗数控四角焊接机的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以机头在在 X 轴 Y 轴方向上的移动的传动方式采用丝杠传动机构，为了提高机构的刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。机头支撑机构采用圆形滚动导轨，这样可以减少两个相对运动面得动、静摩擦系数之差，从而提高了运动的平稳性，减小振动。考虑到电动机步距角和丝杠导程只能按标准取，为达到定位精度的要求，采用齿轮降速传动，同时可以减小丝杠所受的力矩。焊接过程中各个运动如定位、压紧、进给等采用气缸传动力矩。增加了运动的- 4 -平稳性，保证了加工精度。 控制系统本设计采用 PLC 控制系统，控制系统由可编程控制器、键盘及显示器，步进电动驱动器等组成。可以直接在控制器上编程，也可以将编好的程序转入到控制器中，机器就会根据系统的指令自动完成加工过程。- 5 -3 械系统设计机械系统设计内容包括：确定焊接机的整体机械结构和配关系包括机头、机头支架。下来进一步确定步进电动机的脉冲当量，运动部件的惯性计算，确定伺服电机、传动及导向元件的设计、计算机选用，5.1 塑钢门窗数控四角焊接机机械结构设计 塑钢门窗数控四角焊接机的机械系统主要由机机架、四个机头两大部分组成。5.1.1 机架机架包括支撑机机架的底座、支撑机头的机架和带动机头运动的伺服进给机构。底座采用矩形钢管和钢板焊接而成，结构合理、刚性强。机座和机架之间采用铰链形式进行连接，以便于调整，安装及运输：设备安装到位是，再用支架刚性连接。5.1.2 焊接机机头塑钢门窗数控四角焊接机一共有四个机头，四个机头的组成结构是完全相同的，只是按照不同的角度安装在不同的位置。每个机头包括定位机构、压紧机构、加热机构，进给机构几部分。几个机构可按可编程控制器的程序控制，分别完成对型材的定位、压紧、加热、挤压焊接等工作。图 5.1 板机构 定位机构 定位机构的作用是使型材准确定位，即实现对型材在焊接开始时的定位以及焊接过程中与焊接结束时的加热调整阶段与挤压阶段的限位，从而保证焊接尺寸、角强度等要求。定位机构又包括定位板、焊接过程中的机械限位机- 6 -构、工作台及定位块等。定位板结构如图 5.1 包括定位板，进给气缸、进给导轨等。定位板平时是缩在两工作台中间的缝隙中的，和 X 轴成 45角。当需要定位是，气缸把它垂直的提上来直到合适的位置。定位板到位后，它不会和工作台上的刀刃接触，而是两面离刃口各有 2mm 的距离，放上型材后，两个型材的端面会和定位板两面接触，那个 2mm 就是型材加热要消耗的量。机械限位机构由定位限位气缸，加热限位气缸、限位块等组成。 加热板机构 加热板机构的作用是实现对型材的加热，即使合面部位型材加热熔融之粘流态，以便实现接下来的结合面的对接。如图 5.3，加热板机构由加热板，进给气缸，导轨等组成。加热板由金属板、加热元件、绝缘材料等组成。它的内部分布着管状加热元件，加热板外部包敷聚四氟乙烯焊布，防止加热时焊渣粘在加热板上。端子的外端加绝缘的耐高温的瓷护套，防止端子与机器其他金属部分相接漏电。当定位板缩下去后，加热板就会在汽缸的推动下，沿着与 X 轴成 45的方向伸入到两个型材断面的缝隙中去，对其进行加热。它也是沿着 45线安装的，为了保证加热板能够准确的深入到缝隙中去。它是在气缸的推动下沿着导轨移动的。图 5.3 热板机构 压紧机构 压紧机构的作用是与工作台共同作用实现型材定位后的压紧固定，使型材在保持正确的定位状态下进行焊接。压紧机构包括压紧钳，压紧气缸、气缸支架、压紧机构进给气缸等。压紧气缸固定在支架上，进给气缸推动支架前进后退，当压紧钳到达工作台上方并且和工作台对齐时，停止进给，这时压紧气缸就会降下压钳对工件进行压紧。安装定位板时，为了为其提供足够大的工作空间，进给气缸可以将压紧机构沿水平线退回，提供一些空间。 进给机构 这里所说的进给机构主要是在焊接过程中的进给，即实现焊接余量的消耗并最终形成焊缝，进给机构包括进给气缸、进给导轨等。从加热开始进给机构就开始提供进给作用直到焊接结束。- 7 -5.2 机械传动部件的设计与选用5.2.1 滚珠丝杠螺母副的设计与计算由于机头在 X 轴和 Y 轴上都要移动，以 Y 轴和 X 轴上都需要滚珠丝杠，并且X 轴上需要两个，但是由于所承受的德在和相差很大，所以需要选择两种型号的丝杠。首先选择 Y 轴上所需要丝杠的型号： 大工作载荷的 计算 mF在 Y 轴上移动部件的总重量 =3000N，滚动导轨上的摩擦因素 求得G05.滚动丝杠副的最大工作载荷：N=15(N)305.mF 最大动载荷 的计算Q工作台移动的的速度 = 6000 mm/min ,初选丝杠导程 mm 此时丝杠 10Ph转速=600(r/min) n/（5.1）取滚珠丝杠的使用寿命 =15000h,带入计算公式T601/NTL（5.2）得丝杠寿命系数 540L查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-30，取载荷系数 =1.2，滚道硬wf度为 60HR,取硬度系数 =1.0,代入公式hFmhwFfLoQ3（5.3）得最大动载荷 .NFQ72634 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择平湖国科精工精密机械有限公司生产的 DFT05010 型滚珠丝杠副，为外循环，其公称直径为50mm,导程为 10mm,循环滚珠为 2.5 圈*2 列，精度等级为 5 级，额定动载荷为5940N，大于 ，满足要求。FQ- 8 - 传动效率的计算 将公称直径 =50mm,导程 =10mm,代入公式:0dhP0/arctnd（5.4） 得丝杠螺旋升角 =3.66。将摩擦角 =10，代入公式：ta/（5.5）得传动效率 =95.6%. 刚度的验算X、Y 轴上丝杠的支撑均采用“单推-单推”的方式，丝杠的两端各采用一对推力角接触轴承，面对面组配，左右支撑中心距离约为 a=3200mm，钢的弹性模量.1 ;查表得滚珠直径 =6.35mm，丝杠底径 d =41.2mm,则丝杠横截2E510MpaWD2面积1332.5(mm ) 4/2S2（5.6）算的丝杠在动载荷 作用下产生的拉/压变形量:FQ=2634.7 =0.03(mm) Esam/1 )5.1320.2/(35（5.7）根据公式3)/0(DwdZ（5.8）求得单圈滚珠数 Z=22；滚珠的圈数 列数为 2.5 2 得滚珠总数量 Z =110.丝杠预紧时，取轴向力 F =5N.则由公式 3/mYJ10/10.232ZDFYJW（5.9）求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 =0.0006mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向2负载的 1/3,所以实际变形量可减小一半，取 为 0.0003.将以上算出的 和 代入12公式= + 总 12- 9 -（5.10）求得丝杠的总变形量 =0.0303.丝杠的有效行程为 3000mm，由机电一体化系统设总计课程设计指导书表 3-27 可知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在 2500-3150mm 时，行程偏差允许达到 0.096mm.可见丝杠刚度足够。压杆稳定性校核 根据公式：mkKFaEIfF2（5.11）计算失稳时的临界载荷 。取支撑系数 =1;由丝杠底径 =41.2mm,求得 截面惯KFkf2d性矩=141363.9(mm ) 64/2dI4（5.12）压杆稳定安全系数取 为 3；滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 3200mm。K代入上式，得临界载荷 =9527.87N,远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。F用同样的方法进行 X 轴上的丝杠螺母副型号的选择。 大工作载荷 的计算 m在 X 轴上移动部件的总重量 G=1500N，滚动导轨上的摩擦因素 =0.005.求得滚动丝杠副的最大工作载荷：=0.005 1500N=7.5(N)mF 最大动载荷 FQ 的计算工作台移动的的速度 v = 6000 mm/min ,初选丝杠导程 = 6mm，此时丝杠转速hPn =6000 mm/ min/ 6mm=1000(r/min)hP/取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,带入公式（5.2 ）得丝杠寿命系数=60 1000r/min 15000h /10 =9000L6查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-30，取载荷系数 =1.2，滚道硬度为wf60HR。取硬度系数 =1.0,代入公式（5.3）得最大动载荷 FQ=87（N）hF初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择平湖国科精工精密机械有限公司生产的 DFT06206-5 型滚珠丝杠副，为外循环，其公称直径为 32mm,导- 10 -程为 6mm,循环滚珠为 2.5 圈 2 列，精度等级为 5 级，额定动载荷为 2520N，大于FQ,满足要求。 传动效率的计算 将公称直径 =32mm,导程 =6mm,代入公式（5.4）得丝0dhP杠螺旋升角 =3.416。将摩擦角 =10，代入公式（5.5） ，得传动效率 =95.48%. 刚度的验算X、Y 轴上丝杠的支撑均采用“单推-单推”的方式，丝杠的两端各采用一对推力角接触轴承，面对面组配，左右支撑中心距离约为 a=2000mm，钢的弹性模量E=2.1 查表得滚珠直径 =3.969mm，丝杠底径 =25.9mm,则丝杠横截面510MpaWD2d积526.6mm4/2dS2算的丝杠在动载荷 FQ 作用下产生的拉/压变形量:=87 =0.0157mm.EsaFm1 )6.510./(根据公式（5.8）求得单圈滚珠数 Z=22；滚珠的圈数 列数为 2.5 2 得滚珠总数量=110.丝杠预紧时，取轴向力 = /3=2.5N.则由公式（5.9）求得滚珠与螺纹滚ZYJmF道间的接触变形量 =0.0006mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的 1/3,所以实2际变形量可减小一半，取 为 0.0003.将以上算出的 和 代入公式（5.10）求得12丝杠的总变形量 =0.0163。.丝杠的有效行程为 2000mm，由机电一体化系统设计总课程设计指导书表 3-27 可知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在 2500-3150mm 时，行程偏差允许达到 0.065mm.可见丝杠刚度足够。压杆稳定性校核 根据公式（5.11）计算失稳时的临界载荷 .取支撑系数KF=1 丝杠底径=25.9mm,求得 截面惯性矩 =22077.4（mm ）;kf 64/2dI4压杆稳定安全系数取 K 为 3；滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 2000mm。代入上式，得临界载荷 =3809.2,远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。F5.2.3 导轨及滑块设计及选型塑钢门窗数控四角焊接机所需的导轨分为圆导轨和方形直线导轨。其中圆导轨主要应用于 X 轴方向和 Y 轴方向上机头的移动，两个方向上所选的型号相同。都是选用平湖国科精工精密机械有限公司生产的。其中圆导轨选择公司生产的型号为 STBR30s 的导轨.X 轴方向的长度为 2000mm,Y- 11 -轴方向上的长度为 3200mm.导轨副型号为 STBR30uu.直线导轨所选型号有两种，一种是用于焊接进给的直线导轨，其型号为BCH30B.余下其他的所选型号为 BCH20B .5.2.4 步进电动机减速箱的设计及选用为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时为了是滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能的小，所以需要在电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。已知工作台的脉冲当量 =0.01mm/脉冲,滚珠丝杠的导程 =10mm,初选步进电动机的步距角 =0.75。根据减速比计算公式hYp360/hPi（5.13）求得减速比 =25/12.大小齿轮的模数均为 1mm，齿数比为 75:36，材料为 45 质钢，i齿表面淬硬后达 55HRC。减速箱中心距为 (75+36) 1/2=55.5（mm）.大小齿轮厚度都为 20mm.5.3 进给伺服系统的设计5.3.1 步进电动机的计算与选型 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq已知滚珠丝杠的公称直径 =50mm,总长 L=3200mm,导程 =10mm，材料密0dhYP度 =7.85 kg/cm ,移动部件总重量约为 3000N，小齿轮宽度 =20mm,直径310 1b=20mm;大齿轮宽度 =20mm,直径 =75mm;传动比 =25/12.1d2b2i参照机电一体化系统设计课程设计指导书表 4-1，计算各个零件的转动惯量。滚珠丝杠的转动惯量（5.14 82DmJjs） 代入数据算的 =154kgcmsJ3移动部件折算到丝杠上的转动惯量- 12 -jhwmPJ2)(（5.15）代入数据算的转动惯量 =7.607kgcmwJ3齿轮转动惯量82DmJjZ（5.15）=0.259 kg. cm =4.877 kgcm .1zJ32zJ3假设电动机转子的转动惯量 =5 kgcm 。则加在步进电动机转轴上的总惯量为=43.62（ kgcm ） 221/iJJswzzeq 3（5.16） 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 eqT包括三部分：一部分是快速启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 ；eqT maxT一部分是移动部件折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还有一部分是滚珠丝杠预紧f后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 。因为滚动丝杠副传动效率很高， 相对0T0于 和 很小，可以忽略不计。所以maxTffaeqTmx（5.17）快速启动时折算到电动机转轴上的最大转矩1602maxameqtnJT（4.18）式中 为工作台移动时电动机的最高转速，单位为 r/minmn步进电动机由静止加速至 所需的时间，单位为 S。at mn其中360maxvn- 13 -（5.19）式中 为工作台的最快移动速度，为 6000mm/min;max为步进电动机步距角，预选电动机的步距角为 0.75为脉冲当量，为 0.01mm/脉冲将以上各数值代入公式算的 =1250r/minmn设步进电动机由静止加速到 所需时间 =0.4s,传动总效率 =0.7。则由公式 at1602maxameqtnJT（4.20）求得 =2.038Nm。maxT移动部件折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:iGPThf2（5.21）公式中 为导轨的摩擦因数，滚动导轨取 0.005为传动链总效率，取 0.7代入上式算的 =0.0164NmfT所以快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩： =2.308+0.0164=2.3244Nm 。 eqT 步进电动机最大静转矩的选定 考虑步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机最大静转矩时，需考虑安全因素。此处取安全系数 K=4，则步eqT进电动机最大静转矩应满足要求：=4 2.3244 Nm =9.3 Nm eqaTmx（5.22）所以根据以上 和 选取型号为 110BC380F 磁阻式步进电动机，其为三相六拍，eqTmaxj最大静转矩为 11.76 Nm，空载启动频率 1200HZ,空载运行频率为 12000HZ,转动惯量为 9kgcm 。35.3.2 步进电动机性能的校核 最快工进速度时电机输出转矩校核- 14 -工作台最快移动速度 为 6000mm/min，脉冲当量 =0.01mm/脉冲，电动机对maxv应的运行频率= (HZ ) 60axmaxf 10.min/（5.23）在此频率下,电动机的输出转矩 大于起动时的负载转矩 =2.3244 NT.23ax eqTNm，满足要求。 最快移动式电动机运行频率校核与最快移动速度 =6000mm/min 对应的电动机运行频率 .查表maxv Hzf10max可知电动机的空载运行频率可达 12000 ,可见没有超出上限。Hz启动频率计算已知电动机转轴上的总转动惯 =43.62 kgcm ，电动机转子的转动惯量 =9 eqJ3 mJkgcm ，电动机不带任何负载时的空载启动频率 ,则步进电动机克服惯3 Hzfq120性负载启动频率 496.3(HZ) (5.24) JmffeqL/1上式说明，要想保证电动机起动时不失步，任何时候启动频率都必须小于496.3 .本设计中采用软件升降频，起动频率只有 100 。Hz Hz综上所述，所选电动机型号完全符合要求。5.3.3 编码器的选用塑钢门窗数控四角焊接机采用半闭环控制，在电动机的尾部转轴上安装有增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角 =0.75，可知步进电动机转一圈时需要控制系统发出 360/ =480 个步进脉冲。所以选择分辨力为 120 线的编码器，其型号为 ZLK-A-120-05VO-10-H:盘状空心型，孔径 10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压为+5v, 每转输出 120 个 A/B 脉冲，信号为电压输出。5.3.4 气缸的计算与选用塑钢门窗数控四角焊接机中共需要三种型号的气缸，一种是压紧机构中推动压紧钳的压紧缸和推动压紧机构水平移动的进给缸，一种是加热熔融和挤压焊接过程- 15 -中的进给缸，第三种是加热板和定位板所需的进给缸。这三种气缸都选用无缓冲双向作用汽缸，安装方式为凸缘式。选用无锡市汇宏液压气动有限公司生产的其中压紧机构中推动压紧钳的压紧缸和推动压紧机构水平移动的进给缸所选型号为 QGB63-150-B,汽缸内经为 63mm，行程范围为 0150mm，工作压力范围0.150.8Mpa ,推力 1250N,拉力 1120N.加热熔融和挤压焊接过程中的进给缸所选型号为 QGB80-65-B，汽缸内经为80mm，行程范围为 065mm，工作压力范围 0.150.8Mpa,推力 2010N,拉力 1880N.加热板和定位板所需的进给缸所选型号为 QGB40-300-B，汽缸内经为 40mm，行程范围为 0300mm，工作压力范围 0.150.8Mpa,推力 500N,拉力 450N。6 控制系统设计本次设计控制系统采用 PLC 控制系统。其中控制系统分为电气控制和气动控制两部分。其中电气控制系统可以概括为可编程序控制器对整机工作过程的控制系统和温度控制系统两大部分。气动系统主要是通过控制电磁阀的带电与否来控制气缸的运动。6.1 电气控制的设计- 16 -6.1.1 温度控制系统焊接机的温度控制系统是独立于动作自动控制系统之外的又一电气控制系统。它的在作用是实现焊接工作中的加热板温度的自动控制。图 6.1 为温度控制系统电气原理图；图 6.2 为温度控制系统控制原理示意图。图 6.1 温度控制系统电气原理图图 6.2 温度控制系统控制原理示意图为获得良好的焊接角强度，一般塑料门窗焊接机的加热系统的温度设定在240270C 之间。该温度不是加热板接触型材温度，而是加热板内部热电偶测量部位的温度，加热板表面温度通常比设定温度低 8-15，加热板的温度达到180200时型材就会熔融到粘流态。焊接机的温度设置可根据焊接工艺要求、环境温度及型材的具体情况进行适当的调整，以便获得最佳的焊接角强度等性能指标。温控表通电之初，预先设定的温度值高于加热板的温度(即室温)：此时，热电偶将其测得的加热板温度信号转变成电信号传递到温控表内，温控表内控制调节电路将其与设定温度进行比较，比较结果实测温度低于设定温度时，输出一个信号给输出- 17 -继电器，使输出继电器线圈闭合；于是，加热板通电全功率加热，加热板温度上升。这样，在通电之初的一段时间内，继电器始终处于通电状态，加热板温度不断上升。当加热板温度接近设定值或超过设定值时，热电偶将其测得的加热板温度信号变成电信号传递到表内，表内继电器触点断开，使得继电器 KA 线圈失电，继电器 KA 触点断开，加热板断电，温度下降。当温度下降到设定值以下某一点时，继电器 KA 的线圈又吸合，加热板又通电升温。这样，热电偶不断将实际测得的温度变成电信号传给温控表，温控表根据实际值与设定值的比较，控制继电器的通与断的不断变换，从而把温度控制在一个稳定的范围内.6.1.2 自动加工控制系统在数控四角焊接机中，可编程序控制器的输入接线端子对应的输入有：“机头的移动” 、 “垂直压紧” “进给” “定位” “加热” “自动运行” “急停”等。自动加工系统是控制焊接机完成各个加工过程的最重要的控制系统，启动机器后，将编好的加工程序输入到可编程控制器以后，执行程序操作后，焊接机就会按照程序一步一步执行各个操作，如“定位” “压紧” “加热” “焊接”等，直到加工完成。除通过程序控制外，还可以通过操作面板上的按钮输入。(1)步进电动机的驱动控制本次设计所选用的为型号 110BC380F 磁阻式步进电动机，步距角为 0.75三相六拍运行方式。采用用 PLC 控制，位置检测采用旋转编码器，其型号为 ZLK-A-120-05VO-10-H，因此在 PLC 上加装高速计数器（内插板） ，型号为 CQM1H-CTB41，可编程控制器为 OMRON C200HS,直接插在 CQM1H-CPU51 的槽内。步进电动机的控制驱动流程原理如图 6.3 ， 其中环形分配器和功率放大器组成驱动电源，驱动电源将数控装置送来的脉冲信号和 方向信号按照要求的配电方式自动的循环供给电动机各绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。因此，只要控制输入的脉冲数量和频率就可精确的控制步进电动机的转角和转速。图 6.4 为 plc 和驱动器的连接图。 图 6.3 步进电动机控制驱动流程图- 18 -图 6.4 plc 与驱动器的连接环形分配器选用硬件环形分配器及通用可编程逻辑器件组成的环形分配器，型号为 CH250，如图 6.4.硬件环形分配器的可靠性和抗干扰能力强，并且具有较好的响应速度， 且直观、维护方便。电动机正转时通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CA-A;反转时通电顺序为 A-AC-C-CB-B-BA-A。功率放大器选用斩波恒流驱动电路，如图 6.6 斩波恒流驱动电路使步进电动机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯频特性有明显提高，使绕组中脉冲电流边沿陡，快速响应好，整个系统功耗低，能够保证步进电动机在很大的频率范围 内都能输出恒定的转矩。设计出的步进电动机控制电路图如附图 3.图 6.45CH250 环形分配器（a）管脚图 （b） 三相六拍接线图- 19 -图 6.5 斩波恒流驱动电路原理图（2）气缸的控制 气缸的运动主要是控制器根据输入的信号来控制各气缸所对应的换向电磁阀是否通电，电磁阀通电，然后气源向气缸内输入气体，使气缸活塞杆水平移动，进而带动各机构的机械运动。6.2 气动控制系统 6.2.1 气缸换向回路的设计 气动系统的执行元件包括四个机头上的定位板缸、加热板缸、压紧缸、压紧机构推动缸、焊接进给缸。气源经气源处理三联体后，分为五条气动支路，分别控制不同的气缸，使其实现相应的功能。定位板缸、加热板缸、压紧缸、压紧机构推动缸的换向回路采用二位五通换向阀的换向回路，如图 6.7 为双作用缸的换向回路，当有 K1 信号时，换向阀换向处于左位，气缸无杆腔进气，有杆腔排气，活塞杆伸出；当 K1 信号撤除，加入 K2 信号时，换向阀处于右位，气缸进排气方向互换，活塞杆缩回。采用一只二位的换向阀的换向回路，一般只能在气缸的二个终端位置才能停止。而挤压焊接气缸需要在多个位置停留，所以换向回路采用三位换向阀，图 6.8多位运动控制回路当三位换向阀两侧均无控制信号时，阀处于中位，此时气缸停留在某一位置。当阀的左端加入控制信号时，使阀处于左位，气缸右端进气，左端排气，活塞向上运动。在活塞运动过程中若撤去控制信号，则阀在对中弹簧的作用下又回到中位，此时气缸两腔里德压缩空气均被封住，活塞停止在某一位置上。要使活塞继续向左运动，必须在换向阀左侧再加入控制信号。另外如果阀处于中位上，要使活塞向右运动，只要在换向阀右侧加入控制信号使阀处于右侧即可。- 20 -k1k2图 6.7 双作用缸的换向回路图 6.8 多位运动控制回路- 21 -6.2.2 气动系统设计本次设计的气动系统程序控制采用行程程序控制，如图 6.9 为行程程序控制的方框图，由图可知，当执行机构的某一动作完成后，由行程发信器发出一个信号，此信号输入逻辑控制回路，经逻辑运算后，发出控制信号，指挥执行原件动作。执行元件的动作完成后，又发出一个信号给逻辑控制回路，使整个程序循环的进行下去，实现程序所规定的一系列动作，它属于一个闭环控制系统。由于挤压焊接时气缸需要二次进给，所以本设计是多缸多往复形成程序设计。在气控回路中，采用五只气缸。假设 A 是定位缸，B 是压钳到位缸，C 是压紧缸，D 是加热缸，E 是焊接进给缸。焊接过程的全自动动作程序如下图 6.10 ： 外 部 输 入 信 号 逻 辑 控 制 回 路 转 换 放 大 原 件 执 行 机 构行 程 发 信 号图 6.9 为行程程序控制的方框图定 位 进 压 紧压 钳 到 位 定 位 退 加 热 板 进延 时 3s挤 压 气 缸 一 次 进 给延 时 5s挤 压 退加 热 板 退挤 压 气 缸 二 次 进 给挤 压 退 延 时 3s压 紧 退图 6.10 焊接过程全自动程序- 22 -7 钢门窗数控四角焊接机简介7.1 设备用途与特点塑钢门窗数控四角焊接机是用于塑料门窗焊接加工的专用设备，适用于大批量生产中矩形框、扇焊接场合。该机具有平面布置的四个机头，可一次自动完成一个矩形框的焊接过程。四个机头中右边两个在伺服电机带动丝杠转动下，可以沿着 Y轴方向在一定范围内左右移动，同样左右机头上边两个机头在伺服电机带动丝杠转动下，也可沿着 X 轴方向在一定范围内移动，这样的设计可以使塑钢门窗数控四角焊接机在一定尺寸范围内按照设定的尺寸加工窗框。每个机头上有型材定位系统、型材压紧机构、加热机构、进给机构等，在焊接机数控系统预先设置程序的控制下，分别实现对型材的定位、夹紧、型材加热使焊接面处于熔融状态、挤压对接等焊接过程。本机采用数控系统可实现对机头运动定尺时补偿综合机械误差，加之机头运动全部采用直线运动副，焊接成品精度高；同时，在数控系统控制下，焊接较大窗型时，上面两个机头可自动下行接料，操作方便：本机具有自动化程度高、操作方便、生产效率高等特点，适合于对生产门窗工艺技术要求较高、批量较大的高档门窗生产厂。7.2 主要技术参数表 7.1 塑钢门窗数控四角焊接机技术参数输入功率 8.0kw工作气压 0.5-0.8Mpa输入电源 380v 50Hz加工型材宽度 120mm加工型材高度 20120mm加工窗框尺寸 300mm 300mm 1800mm 3000mm设备外形尺寸 5000 2100 26007.3 塑钢门窗数控四角焊接机工作原理及过程塑钢门窗数控四角焊接机焊接窗框的原理和普通焊接机焊接窗框原理相同，都是将型材加热至熔融状态，然后通过挤压使其焊接在一起。而其具体执行各个动作原理是根据输入的信号，可编程控制器的程序输出的开关量，控制电磁阀得电与否。电磁阀再根据其所得电与否的控制，执行换位的动作或原位不动；电磁阀的换位与否则控制气动执行原件气缸的回程或进给运动，气缸再进一步带动各机械机构的动作。其焊接窗框的过程如下：- 23 -（1）尺寸确定 将所需加工窗框的尺寸输入到控制器中，四个机头会自动到达准确的位置。（2）型材定位 这一阶段在工作台下边的定位板在气缸的作用下被提起，此时定位板的两面不会和工作台接触，两边各有 2mm 的空间，放入型材此时，两个型材相对的端部要和加热板两边接触，接下来放下压紧钳，压紧型材，使其固定住。（3）型材加热 压紧钳压紧型材后，定位板缩回去，加热板在汽缸的推动下，深入到定位板之前的空间中，对型材进行加热，此时进给气缸会对型材有一个进给，使其露出工作台的两毫米能够全部熔融，等到达机械定位处时，进给停止，大约 2至 3 秒后，型材在气缸的作用下退回到刚才定位的位置，此时加热板推出。（4） 挤压焊接 加热板推出之后就要进行挤压焊接了，挤压对接分为挤压和对接两个过程。挤压阶段，型材熔融结合部位在气缸的的推动下，进行二次进给。二次进给过程中，行程不断增加，直到二次进给挤压机械限位处，进给行程结束。对接阶段 挤压行程至被挤压机械限位处，进给机构处于二次进给终了位置，直至设定挤压对接时间结束。该阶段为对接阶段。对接阶段的作用是使焊缝冷却，已达到一定的焊接强度。（5）取出窗框 焊接完成之后。压紧钳升起，右边的两个机头退后一段距离，取出窗框，整个加工过程就完成了。- 24 -8 结 论根据塑钢门窗焊接原理，结合国内外现有焊接机的技术，设计研发出了塑刚门窗数控四角焊接机。它能够一次性精确的加工出矩形窗框或窗扇，基本上实现了塑刚门窗焊接过程的全部自动化，大大提高了塑钢门窗加工效率，节省了人力物力。更能够促进塑钢门窗焊接行业的发展虽然塑刚门窗数控四角焊接机与国内现有的焊接设备相比，技术算得上是比较先进的地方，但是还是有