摩擦焊机控制系统设计

1 摩擦焊机控制系统设计摩擦焊机控制系统设计 1 摩擦焊接技术概述摩擦焊接技术概述 1 1 摩擦焊焊接原理摩擦焊焊接原理 摩擦焊是利用工件接触端面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热 使端部 达到热塑性状态 然后迅速顶锻 完成焊接的一种压焊方法 图 1 1 是摩擦焊 的基本形式 两个圆断面的金属工件摩擦焊接前 工件 1 夹持在可以旋转的夹 头上 工件 2 夹持在能够向前移动加压的夹头上 焊接开始时 工件 1 首先高 速旋转 然后工件 2 向工件 1 方向移动 接触 并施加足够大的摩擦压力 这 时开始了摩擦加热过程 摩擦表面消耗的机械能直接转换成热能 当通过一段 选定的摩擦时间 或达到规定的摩擦变形量 即工件 2 向前的摩擦位移量 即 接头金属的摩擦加热温度达到焊接温度以后 立即停止工件 1 的转动 同时工 件 2 向前快速移动 对接头施加较大的顶锻压力 使其产生一定的顶锻变形量 压力保持一段时间以后 松开两个夹头 取出焊件 全部焊接过程就此结束 通常全部焊接过程只需 2 3s 的时间 图 1 1 摩擦焊原理示意图 1 2 焊件 3 4 夹具 n 转速 p 压力 1 2 摩擦焊焊接参数摩擦焊焊接参数 摩擦焊的主要参数有转速 摩擦压力 摩擦时间 摩擦变形量 停车时间 顶锻时间 顶锻压力 顶锻变形量 其中 摩擦变形量和顶锻变形量 总和为 2 缩短量 是其他参数的综合反应 1 转速与摩擦压力 转速和摩擦压力直接影响摩擦扭矩 摩擦加热功率 接头温度场 塑性层厚度以及摩擦变形速度等 转速和摩擦压力的选择范围很 宽 它们不同的组合可得到不同的规范 常用的组合有强规范和弱规范 强规 范时 转速较低 摩擦压力较大 摩擦时间短 弱规范时 转速较高 摩擦压 力小 摩擦时间长 2 摩擦时间 摩擦时间影响接头的加热温度 温度场和质量 如果时间 短 则界面加热不充分 接头温度和温度场不能满足焊接要求 如果时间长 则消耗能量多 热影响区大 高温区金属易过热 变形大 飞边也大 消耗的 材料多 碳钢工件的摩擦时间一般在 1 40s 范围内 3 摩擦变形量 摩擦变形量与转速 摩擦压力 摩擦时间 材质的状态 和变形抗力有关 要得到牢靠的接头 必须有一定的摩擦变形量 通常选取的 范围为 1 10mm 4 停车时间 停车时间是转速由给定值下降到零时所对应的时间 直接 影响接头的变形层厚度和焊接质量 当变形层较厚时 停车时间要短 当变形 层较薄而且希望在停车阶段增加变形层厚度时 则可加长停车时间 5 顶锻压力 顶锻变形量和顶锻速度 顶锻压力的作用是挤出摩擦塑性 变形层中的氧化物和其他有害杂质 并使焊缝得到锻压 结合牢靠 晶粒细化 顶锻压力的选择与材质 接头温度 变形层厚度以及摩擦压力有关 材料的高 温强度高时 顶锻压力要大 温度高 变形层厚度小时 顶锻压力要小 较小 的顶锻压力就可得到所需要的顶锻变形量 摩擦压力大时 相应的顶锻压力要 小一些 顶锻变形量是顶锻压力作用结果的具体反映 一般选取 1 6mm 顶 锻速度对焊接质量影响很大 一般为 10 40mm min 1 3 摩擦焊的特点及应用摩擦焊的特点及应用 摩擦焊新技术具有一系列突出优点 焊接质量高 稳定可靠 焊件尺寸精度 高 能耗低 节能效果显著 节约原材料 摩擦焊新技术不用焊条 不用焊丝 不用焊药 不用保护气体 生产效率高 便于实现自动化 具有广泛的可焊性 摩擦焊无弧光 无火花 无毒害 操作环境整洁 有利于环境保护 由于摩擦焊是一种高质量 高效率 无毒无害的自动化的焊接方法 具有 3 上述的突出优点 并且技术经济效果显著 因而在在航空航天 核能 船舶 兵器 汽车 海洋开发 石油天然气 机械制造等高新技术和传统产业部门得 到了越来越广泛的应用 2 控制系统总体方案设计控制系统总体方案设计 2 1 分析被控对象分析被控对象 图 2 1 为摩擦焊机控制系统示意图 其由主机 机床 液压系统和控制系统 组成 主机系统 含主轴箱 旋转与移动夹具 滑动平台 施力油缸与床身 是 摩擦焊机的主体 其作用是通过旋转夹具与移动夹具向焊件提供工艺所规定的 转速 扭矩 摩擦压力及顶锻压力 实现滑台快进 快退 工进等辅助运动 它是焊机系统的执行机构 液压系统的作用是提供焊机各动作机构 主轴离合器 制动器 旋转夹具 移动夹具 和施力系统 施力油缸 的液压动力源 以及保证 主轴旋转及滑台运动部件的充分润滑 焊接过程所需的动作顺序 液压元件的 执行由控制系统完成 图 2 1 摩擦焊机控制系统示意图 2 2 液压系统设计液压系统设计 摩擦焊机液压系统是控制主轴的启动和制动 夹具的加紧和松开 滑台的 4 9 4 M 3 87 夹盘1液压缸 滑台液压缸夹盘2液压缸 6 5 1 2 进退 液压系统是整个焊接过程的执行者 在焊接过程中扮演相当重要的作用 该液压控制系统由油泵电动机 油泵 三位四通电磁换向阀 比例方向阀 卸 荷阀 比例溢流阀 压力表以及油缸组成 如图 2 2 所示 其各部分作用如下 夹盘 1 液压缸通过控制三位四通电磁换向阀 9 左右换向实现工件 1 的加紧与松 开 夹盘 2 液压缸通过控制三位四通电磁换向阀 7 左右换向实现工件 2 的加紧 与松开 由比例换向阀 8 转换油路方向及比例调节流量 控制油缸 带动摩擦 焊机滑台运动的方向及速度 实现快进与工进及完成顶锻动作 比例溢流阀 3 用来调节油泵出口压力 以及顶锻压力 卸荷阀 4 用于卸除液压泵的压力 使 油泵电机无负载直接启动 1 油箱 2 过滤器 3 比例溢流阀 4 卸荷阀 5 单向阀 6 压力表 7 9 三位 四通电磁换向阀 8 比例换向阀 图 2 2 摩擦焊机的液压系统图 2 3 控制系统设计控制系统设计 控制系统采用可编程控制器 PLC 与工业控制计算机 IPC 相结合的测控模 式 PLC 控制系统用于完成焊接过程的主控制 并使用触摸屏对其进行相应的 控制操作 两者之间采用 232 总线通信 IPC 测控系统完成数据采集以及状态 5 PLC RS232 触摸屏 夹盘1夹紧 夹盘1松开 夹盘2松开 夹盘2夹紧 比例溢流阀 变频器主轴电动机 接触器油泵电动机 温度传感器 继电器 加热 制冷柜 卸荷阀 滑台换向阀 左位 前进 滑台换向阀 右位 后退 IPC PCI1711 压力传感器 电流传感器 PCL833 光栅尺 编码器 显示器打印机 快进转工进 行程开关 快退转慢退 行程开关 继电器 数 据 采 集 控 制 信 号 RS485 滑台左限位 开关 滑台右限位 开关 检测等功能 控制系统总体方案框图如图 2 3 所示 各部分作用如下 图 2 3 控制系统总体方案框图 通过由 PLC 变频器与主轴电动机组成的变频调速系统 用于对主轴转速 的调节 电流传感器实时检测系统的电流变化 以及进行电流的过流过载检测 液压系统中液压油的状态直接影响液压系统的性能 通过温度传感器测量油箱 内的油温 反馈到 PLC 中 通过继电器控制器对其加热或使用制冷柜制冷 保 证液压油工作在最佳状态 由于顶端压力的大小是影响焊接质量的关键因素之 一 故将轴向压力采用闭环控制 通过压力传感器反馈 液压系统中有卸荷阀 故油泵电动机通过接触器直接启动 由快进转工进以及快退转慢退行程开关输 入到 PLC 中 由 PLC 输出控制信号 经过比例放大器 调节阀口开度大小比 例调节流量 来改变滑台的运动速度 光栅尺用于检测滑台的运动位置以及两 焊接件接口处的变形量 触摸屏用于对控制参数的设置以及相应的控制操作 6 VinVout GND VR1 7812 VinVout GND VR2 7912 GND C1 C6 C7 C4 AC 220V GND T1 Trans CT N L C5 D1 12V 12V QF 传传AC380VAC380V传传AC220VAC220V QF KM1 实现人机交互 PCI1711 与 PCL833 对电流传感器 压力传感器和编码器 光 栅尺信号的数据采集 通过 IPC 实时显示 方便实时了解系统的工作状态 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 3 1 供电系统电路供电系统电路 3 1 1 系统主供电电路系统主供电电路 在摩擦焊控制系统中 采用了 AC380V 动力电和 AC220V 市电作为该系统 的主电源 因为在该控制系统中 选用了 AC380V 的油泵电动机 主轴旋转电 动机和制冷柜 AC220V 的可编程控制器 工业控制计算机 三位四通的电磁 换向阀 卸荷阀和加热器 系统主供电电路由电网输出 AC380V 与 AC220V 经过空气开关 其用于实现过电流保护 过电压保护以及短路保护 输出 AC380V 供系统中各设备使用 其电路图如图 3 1 所示 图 3 1 系统主供电电路图 3 1 2 电源转换电路电源转换电路 本系统采用 AC380V 和 AC220V 作为系统的供电电源 而电流传感器供电 电压为 DC12V 光栅尺 编码器和温度传感器为 DC12V 比例溢流阀与比 例方向阀为 DC24V 为了防止干扰 比例阀电源与传感器电源不共地 压力传 感器为 DC5V 故需要电源转换电路 AC220V 通过变压器降压后 经过桥式 整流电路得到直流 通过稳压芯片 7812 7912 和 7824 便得到 DC12V 和 DC24V DC12V 又通过 ASM1117 稳压芯片 输出 DC5V 其电路图如图 3 2 所示 7 VinVout GND VR3 7824 C9 C10 A C 220V N L C8 D3 T2 GND 24V 250 R6 R5 C1 10Ki R4 10Ki R3 10Ki R2 10Ki R1 D1 D2 R7 C2 250 R8 12V GND GND 12V 9 10 8 3 411 U1C LM2902 7 5 6 2 411 U1B LM2902 411 1 3 2 1 U1A LM2902 14 12 13 4 411 U1D LM2902 12V 12V 12V 12V 12V 传 传 传 传 传 12V 12V 8 3 2 4 1 U2ALM393M R3 12V 12V GND AC 380V 传 传 传 S3 KM1 12V KM1 S1S2 12V 图 3 2 电源转换电路图 3 1 3 过流保护电路过流保护电路 本控制系统中 各设备允许在额定电流下工作 不允许超过其额定电流工 作 为了避免烧坏系统的各部分 因此必须加过流保护电路 如图 3 3 所示 当电流传感器测得的电流值大于电流设定值时 比较器 LM393 输出 12V 使继 电器得电 吸合常闭触点 使其断开 接触器 KM1 线圈失电 系统断电 达 到过流保护的作用 图 3 3 过流保护电路 D2 Vin 3 GND 1 Vout 2 U1 ASM1117 5 1K R1 5V12V 106 25V C3 106 10V C2 GND 8 3 2 可编程控制器控制系统可编程控制器控制系统 3 2 1 可编程控制器可编程控制器 PLC 之所以得到迅速的发展和越来越广泛的应用 是因为它具有一些优点 PLC 的输入 输出系统完善 性能可靠 能够适应于各种形式和性质的开关量和 模拟量信号的输出和输入 在 PLC 内部具备计数器 中间继电器等的许多控制 功能 而且还具有良好的联网通信功能 PLC 的硬件结构全部采用模块化结构 安装方便 接线简单 而且可以通过不同的模块组合 适应不同规模 功能复 杂程度的各种控制要求 PLC 能直观地反映现场信号的变化状态和控制系统的 运行状态 非常有利于系统的维护和监控 PLC 可采用梯形图编程和语句编程 多种方式 给编程人员带来了极大的方便 PLC 性能稳定 可靠性高 且具有 较高的性价比 3 2 2 可编程控制器接线电路 待定 可编程控制器接线电路 待定 基于上述优点 且摩擦焊工艺相对复杂 控制对象较多 故将可编程控制 器 PLC 系统应用于该控制系统 配合触摸屏作为控制系统的主控制器 选用西 门 OUTPUTINPUT I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I9 电压检测 开关 移动夹具 夹紧检测 快进转工进 行程开关 原位检测 接触检测 顶锻压力 检测 旋转夹具 夹紧检测 快退转慢退 行程开关 COM1 O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9 O10 O11 O12 O13 O14 AC220V 电压正常指示灯 电压报警 滑台原位指示灯 J5 J7 J6 J8 J2 J4 J3 J9 J10 J11 旋转夹具夹紧 滑台快进 滑台工进 顶锻 保压 主轴旋转 松开移动夹具 滑台快退 夹紧报警 滑台慢退 松开旋转夹具 O15 O16 J12 J13 加热器 制冷柜 O17 J14 卸荷 EM235模块 温度传感器 12V EM235模块 比例溢 流阀 比例方 向阀 24V 比例放大电路 左限位行 程开关 触摸屏RS232 变频器RS485 I8 右限位行 程开关 O18 J15 油泵电动机 J1 移动夹具夹紧 9 图 3 4 可编程控制器接线图 子公司生产的 S7 200 型 PLC 可以外扩展模拟输入输出模块 数字输入输出模 块 位置控制模块以及通信模块 有 2 个模拟设置调整器 具备自整定 PID 控 制器 通过 PWM 可对电动机进行速度以及位置控制 实时时钟等 配合 KTP 600 Basic color DP 触摸屏使用 其接线电路如图 3 4 所示 3 3 工业控制计算机监测系统工业控制计算机监测系统 3 3 1 工业控制计算机工业控制计算机 工业控制计算机对焊接过程采集到的工艺参数进行处理 同时方便与用户 的人机交互 建立直观的监控界面 提供系统的运行状态和相关参数显示 实时 数据库则记录系统的历史信息和统计信息 供分析和管理之用 采用工控机是 由于其在工业生产环境下强大的优势 优势如下 1 可靠性 工业 PC 具有在粉尘 烟雾 高 低温 潮湿 震动 腐蚀和快 速诊断和可维护性 2 实时性 工业 PC 对工业生产过程进行实时在线检测与控制 对工作状况 的变化给予快速响应 及时进行采集和输出调节 遇险自复位 保证系统的正 常运行 3 扩充性 工业 PC 由于采用底板 CPU 卡结构 因而具有很强的输入输出 功能 最多可扩充 20 个板卡 能与工业现场的各种外设 板卡相连 以完成各 种任务 4 软硬件兼容性 能同时利用 ISA 与 PCI 及 PICMG 资源 并支持各种操 作系统 多种编程语言 多任务操作系统 充分利用商用 PC 所积累的软 硬 件资源 5 系统监测和自复位 带有看门狗电路 其能在系统出现故障时迅速报警 并在无人干预的情况下 使系统自动恢复运行 10 基于上述优点 选用台湾研华 610 工业控制计算机 使用 AC220V 供电 3 3 2 控制系统的监测控制系统的监测 1 对系统电流与压力监测对系统电流与压力监测 在本控制系统中 选用台湾研华 PCI1711 数据采集卡对系统的电流与压力 进行实时监测 通过工业控制计算机实时显示电流与压力的变化 便于了解系 统的工作状态 及早发现系统异常 避免过大的损失 PCI1711 特点 PCI 1711 是一款功能强大的低成本多功能 PCI 总线数据采 集卡 支持即插即用 可以采用 PCI 总线与 IPC 通讯 有 2 路 12 位模拟量输 出通道 16 路单端模拟量输入 12 位 A D 转换器 采样速率可达 100KHz 每 个输入通道的增益可编程 自动通道 增益扫描 卡上 1K 采样 FIFO 缓冲器 16 路数字量输入及数字量输出 可编程触发器 定时器 用于 A D 转换时的定 时触发 图 3 5 电流传感器的电流 电压转换电路 电流传感器选用电流输出型双向的霍尔传感器 输出信号范围 4 20mA 采 用12V 电源供电 压力传感器选用电压输出型传感器 输出信号范围 0 5V 采用 5V 电源供电 由于电流传感器的输出信号为 4 20mA 需将其转换成 1 5V 的电压信号 因此需要电流 电压转换电路 如图 3 5 所示 在主轴电动机 正反转时 电流的方向不同 当主轴电动机正转时 二极管 D1 导通 当主轴 电动机反转时 二极管 D2 导通 在本系统中 对系统电流与压力的数据采集进行了控制 通过 PLC 向 PCI1711 数据采集卡发送控制信号 来完成对系统电流与压力的数据采集 设 计数据采集判断电路 S5 由 PLC 控制 如图 3 6 所示 250 R6 R5 C1 10Ki R4 10Ki R3 10Ki R2 10Ki R1 D1 D2 R7 C2 250 R8 12V GND GND 12V 9 10 8 3 411 U1C LM2902 7 5 6 2 411 U1B LM2902 411 1 3 2 1 U1A LM2902 14 12 13 4 411 U1D LM2902 12V 12V 12V 12V 12V 12V 传 传 传 传 传 12V 12V Vout 11 12 U2A CD40106 34 U2B CD40106 C3 R9 GND 图 3 6 数据采集判断电路 2 对电动机转速与滑台位置监测对电动机转速与滑台位置监测 在本控制系统中 选用台湾研华 PCL833 三轴正交编码器及其计数器板卡 对主轴电动机的转速与滑台的位置进行实时监测 因为主轴电动机的转速与两 工件焊接接口的变形量是焊接质量好坏的关键因素 故通过工业控制计算机实 时显示转速与滑台位置 便于了解焊接的质量 PCL833 特点 三轴正交编码器及其计数器板卡 该板卡能让 IPC 机在运 动控制系统中执行位置监视功能 两者采用 ISA 总线相通讯 输入接口包括一 个用于增量正交编码的光电隔离及编码电路 有三个独立的 24 位计数器 其最 大正交输入速率是 1 0MHZ 其计数器模式的最大输入速率是 2 4MHZ 可以分 别对每个计数器进行配置 以用于正交解码 脉冲 方向计数或正反向计数 还 提供了 5 个数字输入通道 编码器选用增量式光电编码器 用于测量主轴旋转的转速 工业现场中 由于电磁干扰比较大 故选用 12V 供电 增强抗干扰能力 光电编码器实际上 在未经过处理电路时 输出时半正弦波 即使经过了处理电路 再经过如图 3 7 的电路处理 得到方波信号 并且采用差分方式 提高其抗干扰能力 图 3 7 光电编码器输出信号处理电路 光栅尺位移传感器 简称光栅尺 是利用光栅的光学原理工作的测量反馈 装置 可用作直线位移或者角位移的检测 其测量输出的信号为数字脉冲 具 有检测范围大 检测精度高 响应速度快的特点 故选用光栅尺用于滑台的位 置检测 供电电压 12V 10K R4 5V 100K R5 GND S5 PCI1711传 传 传 12 工业控制计算机 研华610 ISA PCI PCL833PCI1711 编码器 光栅尺 电流传感器 压力传感器 电源转换模块 AC220V 12V GND A B Z 5V GND GND 12V 12V 12V AC220V 4 20mA 0 5V 数据采集 判断电路 信号处理 电路 电流电压 转换电路 接PLC 显示器 打印机 3 3 3 监测系统接线图监测系统接线图 本系统的检测系统由工业控制计算机 PCI1711 数据采集卡 PCL833 三轴 正交编码器及其计数器板卡 电流传感器 压力传感器 编码器以及光栅尺组 成 其中 PCI1711 与 PCL833 直接插入工业控制计算机机箱的插槽中 而编码 器的处理电路 电流 电压转换电路 电源转换电路以及数据采集的判断电路在 自行设计的电路板中 故监测系统的接线图如图 3 8 所示 图 3 8 监测系统的接线图 3 4 油箱温度调节系统 待定 油箱温度调节系统 待定 摩擦焊机液压系统是控制主轴的启动和制动 夹具的加紧和松开 滑台的 进退 液压系统是整个焊接过程的执行者 液压油是液压系统的工作