摩擦焊机控制系统设计

1、摩擦焊机控制系统设计1摩擦焊接技术概述1.1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

2、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 23s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

3、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140s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

4、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 16

5、mm。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

6、的应用。2控制系统总体方案设计2.1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

7、图2.2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

8、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：主轴电动机油泵电动机加热制冷柜继电器数据采集控制信号卸荷阀快进转工进行程开关变

9、频器接触器触摸屏丿夹盘1夹紧夹盘1松开夹盘2夹紧PLC夹盘2松开温度传感器滑台换向阀 左位-前进滑台换向阀 右位-后退快退转慢退行程开关PCI17111电流传感器压力传感器滑台左限位 开关IPC1PCL833光栅尺编码器滑台右限位 开关显示器打印机图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

10、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，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3.1供电系统电路3.1.1系统主供电电路在摩擦焊控制

11、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DC 12V，光栅尺、编码器和温度传感器为 DC12V，比例溢流阀与

12、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DC 12V和DC24V。 DC12V又通过ASM1117稳压芯片，输出DC5V，其电路图如图3.2所示。图3.2电源转换电路图3.1.3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

13、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3.2可编程控制器控制系统3.2.1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

14、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。322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 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。电压

15、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左限位行程开关快退转慢退行程开关右限位行程开关旋转夹具 夹紧检测EM235模块温度传感器12V=RS232 :触摸屏变频器'jRS485 ；INPUT I0OUTPUTC0M1AC220V1112I3141516171819O0O1O203040506070809 010 011 012 013 014 015 016 017 018图3.4可编程控制器接线图0电压正常指示灯滑台原位指示灯电压报警J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10J11J12J13J14J15移动夹具夹旋转夹具夹滑台快进滑台工进顶锻 保压主轴

16、旋转 松开移动夹滑台快退 夹紧报警. 滑台慢退松开旋转夹 加热器 制冷柜卸荷油泵电动机比例溢比例方流阀向阀EM235模块比例放大电路r124V3.3 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

17、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。基于上述优点，选用台湾研华 610工业控制计算机，使用

18、AC220V 供电。 3.3.2 控制系统的监测1 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

19、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电流传感器的电流一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，因此需要电流一电压转换电路，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

20、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。X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

21、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

22、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。3.3.3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。3.4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，