基于PLC控制汽车传动轴专用焊机的设计与开发

1、基于PLC控制汽车传动轴专用焊机的设计与开发张永波（日照职业技术学院机电工程学院 山东 日照 276826）摘要：为了解决汽车传动轴制造过程中的焊接质量和焊接效率问题，开发了基于PLC控制的汽车传动轴专用焊接设备。结合该设备技术要求、主要参数、工作原理和汽车传动轴焊接工艺要求，给出了其控制系统的硬件设计、软件设计流程图和PLC梯形图程序。该汽车传动轴专用焊接设备能够通过控制系统对焊接过程进行实时控制，保证焊接后传动轴达到预定的质量要求，同时大大提高了传动轴的焊接效率。通过修改控制程序的设定参数，可以适用不同型号的传动轴焊接，提高了该设备的适应性。关键词：汽车传动轴 PLC 焊接设备中图分类号：

2、TG409 文献标识码：ABase on PLC Development of Automobile Transmission Shafts Welding DeviceZHANG Yongbo (School of Mechanical and Electrical Engineering, Rizhao Polytechnic College, Rizhao 276826 China)Abstract: To solve the quality and efficiency problem on automobile transmission shafts manufacturing pr

3、ocess, special welding machine based on PLC was researched and developed. The hardware, software and PLC ladder program of this machine were designed on the combination of its technical requirements, main technical parameters, operating principle, and transmission shafts welding technological requir

4、ements. Real-time control on welding process through the control system of this machine assures the quality of work-piece, and greatly improves the welding efficiency. The setting parameters of the control system can be changed to meet the different welding requirements. High automation and flexibil

5、ity in welding process are obtained with this machine.Keywords: automobile transmission shafts; PLC; welding machine0 前言传动轴作为汽车工业的重要零部件，在汽车产业中占据了重要的位置。传动轴的制造工艺和加工质量体现了我国汽车零部件的生产能力。我国汽车零部件的加工设备也逐步用专业自动线生产设备代替手工生产，目前我国传动轴也已经采用半自动化流水线设备，由于自动化程度不高，工艺繁琐，所以迫切需要研发高精度的专业传动轴生产设备，加快传动轴设备研制和技术改造对改变我国零部件的生产现状有重

6、要意义1。1设备研制的技术要求与主要参数1.1技术要求额定电压380V（三相）；额定功率54KW；气源压力0.5MPa。1.2主要技术参数（1）焊接电流：60350A（2）焊接电压：1731V（3）焊枪行走速度：0.110mm/m（4）夹具旋转角度：3600（5）压缩空气：0.40.6Mpa。2汽车传动轴专用焊接设备的组成与工作原理汽车传动轴专用焊接装置由6部分组成：定位驱动机构、焊枪固定调整机构、焊接电源和送丝装置、CO2气源及气体调制器、变频及测控系统。）定位驱动机构驱动机构由电机（2S110Q）和谐波减速器（XB01-80-200）,齿轮Z1、齿轮Z2、主轴、卡盘组成。谐波减速器体积小，

7、速比大，精度高。经谐波减速后输出转速7r/m，满足低速长时间驱动的要求，对空心传动轴和长花键轴采用卡盘加尾架的定位方式，即可保证旋转精度的要求。2）焊枪固定调整机构固定焊枪，实现焊枪的多向进给与调整。同时实现多向角度调整，同时调整后可快速锁紧，焊接位置对焊接质量影响很大。采用对刀辅具来辅助人工对刀，实现快速对刀。3) 焊接电源和送丝装置采用松下YM-350KR1YTA型CO2气体保护焊机及所配 YW-35KB1YTA型送丝装置。4) CO2气源及气体调制器为保证焊接质量, CO2气体需经过预热干燥处理且保持稳定压力。5) 变频及控制系统采用台达VFD-A/230V/18.5kw变频器，实现07

8、r/m的无级调速，满足长时间低速驱动的要求，并且结构紧凑、可靠。通过PLC监控焊接电源、送丝装置、气体调制器等焊接工艺参数条件，如出现异常则报警、停机2。焊机工作原理：开始根据工件将焊枪对刀位置设置好，将工件中部大件放在工件支架上，然后将工件两端部分通过止口定位安装到工件中间部位，使工件处于定位位置，此时设备处于焊接准备状态，按下工件夹紧按键将工件夹紧，按下启动按键，程序开始运行，工件在汽缸作用下提升到焊接位置，工件旋转、焊接、工件停止焊接、汽缸下行、卸件，一个循环完成。图1 焊机机械结构图、控制系统构成选用台达公司的可编程控制器为控制核心，其输入点为16点、输出点为8点，输出类型为继电器输出

9、，可满足通断交流或直流负载。以10.4寸A970为显示终端，中间加以光电耦合、电子感应传感器等来实现焊接过程的自动化控制，控制部分的设计为手动、自动工作等操作方式34。手动主要供系统调试和设备维修时使用，通过控制台台板上的手动控制按钮可分别操作各工序单独进行，另设计部分指示信号灯。整个系统的输入信号为数字量和模拟量，输出负载信号均为数字量，分负载信号和指示信号两部分。输入输出接口分配见表1，PLC控制原理图见图2：表1 PLC输入输出接口分配表输 入输 出端子编号说明端子编号说明X0手动焊接按钮Y0步进电机脉冲输出X1自动焊接按钮Y1步进电机方向控制X2双枪焊接按钮Y2焊机方向X3循环启动按钮

10、Y3焊机引弧X4工件压紧按钮Y4工件压紧X5工件松开按钮Y5工件松开X6主轴启动按钮Y6托架下降X7手动引弧按钮Y7托架上升X10托架上限位X11托架下限位图2 PLC 控制原理图工件定位过程中要完成上、下方向的运动；夹紧过程工作台沿机床导轨在水平方向的平动、焊接过程工件在水平面内的旋转运动，均由交流伺服电机通过伺服驱动模块和CNC输出点相连，实现控制系统的控制指令所要求的动作过程。控制过程所需要的工件位置信号和机床状态信号是由位置检测元件产生的使用了光电传感器，限位开关和接近开关，分别用于工件的检测，轴向限位和定位。它们分别通过接口电路和PLC输入点相连，从而将各自的信号传输到PLC，作为控

11、制的输入信号。焊接加工过程所需要的焊接电源和相应的送丝机构都有直接的远程控制接口。可以通过接口电路接至PLC输出点。使得控制系统可对起弧、息弧及电流切换等过程进行控制。实际电路中，由于输出点的负载能力较弱。故采用继电器输出。其负载能力取决于继电器触点的输出能力；同时继电器输出可将控制电路和外围功率驱动电路分离，实现电气隔离。此外，输出电路中接入发光二极管用以显示输出点是否有输出信号。、系统软件部分设计.1系统软件通信协议的设定通讯时，PLC采用的通讯格式如表2所示：表2.PLC通讯协议数据传输方式起止同步（ASYNC）波特率9600bps起始位1位停止位1位奇偶校验偶数字符码ASC7位最终的绝

12、对数据PM通过表3中的公式求出。驱动器的设置与串行模块的设置必须严格遵守上述通讯格式，才能保证通讯数据的正确传输。表3.绝对数据换算表PE=MXR+P0PE从编码器读取的当前值PM=PE-PSM多匝数据P0初始增量型脉冲数反转模式（Pn000.0=1）时为下述算式PS在设置的那一点上读取的初始增量型脉冲数（该值由指令控制器保存与管理）PE=-MXR+P0PM用户系统中所需使用的当前值PM=PE-PSR编码器旋转一圈的脉冲数(分频后的值)软件部分设计主要涉及到带动旋转部分的电机转速的调节。.2步进电机控制方案在定位移动过程中，为了保证定位精度则要降低速度，即定位过程分为粗定位阶段和精定位阶段。实

13、现上述过程可以使步进电机的脉冲频率相同，而脉冲当量不同，但这种方法需要两套变速机构。为了节省硬件设备，同时考虑步进电机的启动是一个加速过程，为了维护电机及其驱动设备，要求驱动脉冲频率线性增加，所以本系统采用脉冲当量不变，改变脉冲频率的方法。台达系列的PLC具有高速脉冲输出功能，由于在启动和定位移动过程中PLC要输出一定数量的多串脉冲，因此确定用PTO(高速脉冲输出)的多段管线方式。多段管线方式，即一次设定多段脉冲的属性，属性存储在V存储器的包络表中。PTO开始工作后，CPU自动从V存储器区的包络表中读出每个脉冲串的特性。相关的参数可由下式计算：.3 控制系统软件的整体设计焊接过程控制主程序具体

14、执行过程如下(以一次焊接的全过程来描述各组成部分的动作)：(1)数据设定。操作人员首先要根据焊接工艺技术人员拟订的焊接参数输入机，主要是焊接电流、电压、速度。通过TD400的数据输入按键，很容易的以数字方式输入，按下数据确认键后，数据实际已经通过TD400与S7200PLC之间设定好的交换速率送入PLC的程序指定数据变量。(2)开始焊接，进入引弧程序。在启动焊接之前，需要调整好焊接机头的位置和焊丝的伸出长度，这可以通过操作键盘的功能按钮调整，十分方便。在按下启动按钮后2秒，程序启动，首先送出焊接电流给定和焊机电源启动指令，以及焊接引弧电压给定，一般是要求焊机输出大于45V；同时启动直流电机，按

15、照设定的焊接速度，以一个固定的送丝速度(称为引弧送丝速度，用于引弧，速度很低)送出焊丝。(3)引弧成功。进入正常焊接。PLC通过电流传感器，检测焊接电流，当焊丝与工件开始接触短路时，该电流被检测到，如果电流大于设定的引弧判断电流阀值，认为此时电弧己经点燃，应该快速进入自动调节送丝方式，以便维持电弧。通过电流判断，调用自动焊接子程序，启动定时中断，开始将送丝速度的调整交给PID调节器。此时，PID程序不断读入焊接电压，并与事先己经输入的焊接电压，做PID运算，输出的计算量作为送丝的位置给定。直流电机闭环控制开始作用，当焊接电压因某种原因升高时，PLC系统会加快送丝速度，减少焊丝与工件之间的距离，

16、也就是电弧长度，由前述可知，在一定环境条件下，电弧电压与电弧长度成正比，因而，就降低了电弧电压；当电弧电压降低时，则调节动作相反。在这种动态的调整过程中，焊接电压保持稳定；焊接电流的稳定则依赖于焊接电源本身的恒流(降特性)来实现。(4)焊接结束。当两道道焊缝完成后，按下停止按钮，PLC首先停止送丝和前进动作，此时，焊丝尚与工件有粘连，延时2s后，焊接电流将焊丝熔化，断开，停止焊接电源的输出，熄灭电弧。调整机头的位置，进行下一次的焊接，本次焊接结束。.4 软件程序框图上工件托起工件定位夹紧启动焊接程序焊接开始工件旋转焊接完毕，夹具复位工件下行卸工件图3 软件程序框图4.5PLC控制梯形图5、结论（1）焊接质量好自动焊接装置实现了工件与焊接工艺相适应的最佳转速。工作前PLC对工件转速,焊接工艺条件进行自动查找，对工件旋转精度、保护气体温度进行检测，工作时监控焊接状态，避免了人为因素对焊接质量的影响。（2）生产效率高采用自动送丝方式，生产效率为手工电弧焊的23倍；对刀简便，对刀一次可实现同工序零件一个批次的焊接。（3）适应性好适当改造夹具和调整软件参数后可适应其它轴类零件的自动焊接。参考文