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基于的汽车后桥焊接专机控制系统

作者:贝搏体育登路  来源:  时间:2021-11-24 00:32  点击:

  2015 年 1 月 机械设计与制造工程 Jan . 2015 第 44 卷 第 1 期Machine Design and Manufacturing Engineering Vol. 44 No. 1 DOI:10. 3969 / j. issn. 2095 - 509 X. 2015. 01. 015 基 于 S7 -200 PLC 的 汽 车 后 桥 焊 接 专 机 控 制 系 统 潘垚锟,刘波 ( 中北大学 机械与动力工程学院,山西 太原030051) 摘要:针对汽车后桥焊接生产现状进行研究,提出了一种低成本的后桥自动焊接专机。 以 S7 - 200 PLC 为核心设计汽车后桥壳焊接专机控制系统 ,利用昆仑通态触摸屏设计人机交互界面, 通 过变频器实现对专机伺服电机的精准控制, 该专机系统性能稳定、 操作简便, 具有较高的自动化 程度。 焊接产品焊缝均匀、过渡平滑, 质量符合后桥壳设计工艺要求, 可在小批量车型的设计生 产中推广使用。 关键词:S7 - 200 PLC;焊接专机;伺服电机;触摸屏 中图分类号:TP278文献标识码:B文章编号:2095 - 509 X(2015)01 - 0062 - 04 后桥是汽车关键部件之一, 起支撑作用, 受力 复杂,承受作用于路面和车架或车身之间的垂直 [1 - 2] 力、纵向力和横向力 。 焊接是后桥生产制造过 程中主要的加工方式, 对于大批量、 自动化程度要 求高的大型汽车企业,常采用机器人工作站焊接生 产线的方式,通过一个个工作站的焊接作业, 完成 对后桥的焊接。 对于小批量或者专职零部件生产 的企业,从经济成本的角度来看, 可以采用焊接专 机来替代工作站, 采取气动或电动控制夹紧, 用 PLC 控制整个系统完成整个焊接过程。 本文介绍 的就是这样一种由 PLC 控制的低成本、 高精度的 后桥焊接专机系统,专机在设计时采用伺服电机控 制工件,从而达到更高的精度。 单、成本低等优点, 同时避免了单独使用二氧化碳 气体焊出的焊缝发黑、飞溅物较多的缺点。 2 机械系统和工艺流程 专机系统可分成机械系统和电气系统。 专机 系统整体构造如图 1 所示,包括电气柜、焊机电源、 1 系统简介 该专机系统需要焊两道焊缝,分别是桥壳盖与 桥体之间的焊缝和桥体与加强圈之间的焊缝。 这 [3] 两道焊缝为两道规则的圆形环焊缝 , 从设计和 经济的角度分析,采用“ 焊枪不动, 工件旋转” 的设 计方案。 在工件定位夹紧、 气缸将焊枪送进到位 后,开始送丝引弧,进行焊接作业。 在此过程中,焊 枪固定不动,由专机系统通过驱动器控制伺服电机 带动工件以一定的速度进行旋转,完成焊接。 采用二氧化碳和氩气混合气保护焊的焊接方 法进行自动焊接,具有生产效率高、对油锈不敏感、 焊接变形小、冷裂纹倾向小、采用明弧焊接、操作简 收稿日期 :2014 - 12 - 22 作者简介 :潘垚锟 (1990—) ,男 ,江西玉山人 , 中北大学硕士研究生 ,主要研究方向为机电液系统的状态监测及智能控制 。 图 1系统设备示意图 焊枪、 气缸等。 为便于装卡, 在专机焊接前一道工 序时,已将桥壳盖、桥体和加强圈之间进行了点焊, 使之相连。 采用三爪卡盘定位,压紧气缸压紧的方 式对工件进行定位夹紧。 三爪卡盘撑出对工件定 [4] 位,仅剩 x 方向的转动自由度 , 压紧气缸起固定 作用,保证加工精度。 三爪卡盘一端用来定位工 件,另一端与伺服电机相连,焊接时,通过伺服电机 带 动三爪卡盘进而带动工件旋转 。 焊枪固定在送 ?62? 2015 年第 1 期潘垚锟:基于 S7 - 200 PLC 的汽车后桥焊接专机控制系统 进气缸上,由气缸带动运动, 气缸搭载在可调的平 [5] 台上 ,平台可对焊枪的焊接角度和空间位置进 行调整,以达到最佳焊接效果。 两道焊缝的工艺要 求不同,焊枪的焊接电压和电流也不一样, 设定左 焊枪电流 190 A,电压 21. 0 V,右焊枪电流 200 A, 电 压 24. 4 V。 为便于装卸工件,选择脚踏开关控制定位夹紧 气缸。 装卡时,工人操作吊具将工件放置在合适位 置,控制脚踏开关完成对工件的定位夹紧。 脚踏开 关设置 4 次为一循环周期, 第一次是三爪卡盘撑 开;第二次是压紧气缸压紧; 第三次是压紧气缸收 回;第四次是三爪卡盘收回。 借助脚踏开关,一个 工人即可完成整个后桥专机焊接操作,节约了企业 的人力成本。 系统运行分手动和自动两种模式,手动模式在 调试时使用,在系统进入正常生产使用时必须选择 自动模式。 手动模式下,工件装卡后, 按下控制台 的点动按钮手动控制系统焊接。 控制台上有焊接、 点动、复位和急停 4 个按钮, 借助控制台可方便地 操作系统。 自动模式下,工件装卡后, 按下控制台 的焊接按钮,自动完成整个焊接过程。 焊接时若出 现紧急情况, 可按下急停按钮,系统停止。 按下复 位按钮,将使所有气缸回到初始位置。 焊接时,气缸送进焊枪,引弧焊接,同时伺服驱 动器控制伺服电机旋转以完成焊接作业;焊接完成 后,伺服驱动器控制电机停止旋转 ,气缸收回带动焊 枪回位,工人卸件。 调试时,进行焊枪角度和位置的 相关调整,调试完成后进入批量生产 ,除工件装卸和 定位夹紧需要人工操作外,其余过程可实现自动化 生产,无需额外操作。 系统流程图如图 2 所示。 3 控制系统 3. 1 控制系统主体设计 专机控制系统主要包括对自动焊接过程的控 制和监控。 根据设计要求,选择“ 触摸屏 + PLC ” 的 [6 - 7] 控制系统设计方案 。 系统的主结构图如图 3 所示,控制系统由触摸屏、 S7 - 200 PLC、 伺服驱动 器、2 台焊机等构成。 选择昆仑通态触摸屏设计人 机交互界面,触摸屏通过 RS485 总线和焊机相连, 可实现电流、电压等实时数据的更改与监控;通过 PPI 电缆和 PLC 相连,实现信息的交互。 PLC 通过 IO 电缆控制焊机、 伺服驱动器和焊接系统的其他 构件。 伺服电机由伺服驱动器控制,可实现电机的 启停、正反转和精准的速度控制。 图 3系统的主结构图 3. 2 焊机控制 焊机选择松下的 YD - 350 GR 型焊机, 是全数 字 CO2 / MAG 焊机, 支持 CO2 焊接、 MAG 焊接、 不 锈钢 MIG 焊接等多种焊接方法。 通过全数字控 制,从小电流领域到大电流,均可对电流状态进行 极其精细的控制,实现持续稳定的焊接。 焊机控制首先建立与专机的通讯。 焊机通过 DCT 与专机通讯, DCT 是专用的配置软件。 通讯 方式 为 2 线 位停止位。 作为主 动方,PLC 发送完数据后会等待 DCT 的回复,如果 DCT 接受后并校验正确, 回复给 PLC 一个确认代 码,PLC 可以继续发送下一个数据。 如果 PLC 发 送数据后, DCT 校验不正确, 会返回校验错 误代 码,则 PLC 接收到后应该重发。 此过程称为握手。 握手成功后,设置焊机的控制模式,需对电源 输出、检气控制、电机转动控制和电机方向控制的 控制模式进行设置,焊机电源的动作方式可通过串 口数据指令实现, 也可通过端子台控制, 这里选择 的是端子台控制方式。 ?63? 图 2控制系统流程图 2015 年第 44 卷 机械设计与制造工程 设置焊机的预置参数, 包括电流、 电压、 丝径、 材质等参数, 成功后, 焊机接收并校验正确回复。 在一台 PLC 同时控制多台焊机时, 如果焊接过程 中所有焊机都需要修改焊接电流电压,且时序要求 比较严格的情况下,必须在待机时就将焊接过程中 要用到的规范存储于焊机内,在焊接时通过焊枪开 关的切换来实现规范的修改,在焊接过程中是不允 许修改丝径、材质、气体等信息的。 设置焊机的动作指令, 指的是 PLC 需要给焊 机发送的指令。 焊接电源的动作可通过指令方式 控制,也可选择 IO 接口方式控制,在本系统中选择 IO 接口方式对焊机电源进行控制。 专机焊接选择无收弧焊接,其特点是可直接进 行主焊接,焊枪开关 “ ON ” 时, 电弧产生, 焊枪开关 “ OFF” 时,电弧停止, 无收弧操作。 专机设计为自 动焊接作业,伺服系统可以精准控制旋转角度, 保 证焊接到位,无需收弧操作。 3. 3 伺服电机控制设计 此前的专机常采用气缸、 电机、 接触器、 电磁 阀、行程开关相互配合从而完成焊接工作, 无法实 现自动化操作,整体机械结构复杂繁琐, 可靠性和 焊接精度更难以把控。 本文介绍的焊接专机在精 度上选用伺服系统来控制,伺服系统是根据给定值 来控制物体的位置、方位、状态等的自动控制系统, 可精确地跟随或复现某个过程, 具有简化操作、 数 据采集以及可重复性等特点。 伺服驱动器和伺服电机分别选择台达的 AS- DA - A2 系列和 ECMA 系列。 台达的伺服系统已 经非常成熟,拥有专业的控制软件, 可在电脑上对 驱动器进行参数设置并对电机进行调试。 ECMA 伺服电 机 搭 配 高 精 度 20 -bit 等 级 ( 1 280 000 p/ rev ) 编码器, 提升定位精度与低速运转稳定度, 速度响应频宽为 1 kHz,命令整定时间在 1ms 之内, 速度由 - 3 000 r / min 加至 3 000 r / min ,加速时间只 需 7 ms。 后桥焊接要求专机具备高精度和高反应 速度,伺服系统优异的性能可满足焊接要求, 为焊 接系统提供了良好的保障。 设计要求电机低速转动,但长时间的低速转动 会损伤伺服电机, 影响定位精度, 因此采用选择加 减速器的方法以满足设计要求。 选择二级齿轮减 速器,一级减速比为 80∶1,二级减速比为 23∶8, 总减速比为 230:1。 三爪卡盘每转分成 3 600 000 分, 即 每 3 600 000 用 户 脉 冲 对 应 焊 接 角 位 移 360° 。 根据相关公式计算电子齿轮比为: ?64? 步,完成相应动作; PLC 的输入监控伺服系统的运 行。 3. 4 操作面板设计 焊接专机系统操作面板主要用于系统的监控 [8 - 9] 和参数设置 , 分 3 排布置。 第一排是触摸屏, 触摸屏上显示各气缸状态,左右焊枪的焊接电流、 电压,可根据焊接工艺,写入新的电流和电压,也可 通过触摸屏对气缸和焊枪进行操作控制。 第二排 显示电源通断情况, 借助 5 个指示灯, 分别显示系 统的主电源、焊机电源 1、 焊机电源 2、 电机电源和 控制电源这 5 部分电源通断情况,监测系统电源情 况。 第三排是 4 个选择开关,分别对运行状态、 运 行模式、产品类型、主电源通断进行控制,在焊接操 作前,需对各选择开关进行正确选择。 1 280 000 × 230 / (3 600 000) = 2 944 / 36 调试时,驱动器与电脑相连, 通过电脑对操作 模式、 电子齿轮比、 增益系数、脉冲数等进行设置, 将设置值保存。 操作模式选择 PR 位置模式, 驱动 器接受位置命令,命令由内部寄存器提供,利用 DI 信号选择寄存器编号。 在此模式下, PLC 可通过 IO 电缆控制伺服驱动器, PLC 的输出选择合适的 4 分析与讨论 这套自动焊接系统已完成设计制造和调试,投 入实际生产, 运行良好。 焊接件通过工厂检验测 试,符合设计要求。 相比传统焊接方式, 本系统具 备以下优点: a. 该焊接系统自动化程度高, 装卡方便,一人 便可完成整套焊接工作, 降低了工人的劳动强度, 节约了企业的人力成本。 b. 焊机可对电压电流进行精准监控和调整, 对不同规格的产品可快速完成设置,自动化程度更 高,适用范围更广。 c. 伺服系统具有较高的控制精度和反应速度, 可在设计的时间内完成加减速,为可靠焊接提供良 好的基础。 d. 焊缝外形均匀, 焊道与焊道、 焊道与母材之 间过渡平滑,焊渣和飞溅物清除干净,没有裂纹、气 孔等缺陷。 整体外观干净,漂亮。 随着汽车产业的飞速发展,相应的焊接设备需 求也在不断增加。 相比于机器人焊接工作站,焊接 专机价格相对低廉,焊接质量高,设计周期短,调试 方便,维修容易,值得在小批量车型的设计生产中 使用。 2015 年第 1 期潘垚锟:基于 S7 - 200 PLC 的汽车后桥焊接专机控制系统 [1] 李林 . 后桥壳总成生产线焊接工艺及关键设备 [ J ] . 现代零部 件 , 2011(4) :48 - 53. 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It choses S7 - 200 PLC as the core of the con - trol system with KunLun Tongtai touch screen , develops human machine interface for the precise control of the servo motor .This special welding machine for automobile rear bridge has the advantages of high stability , excel- lent operability and high degree of automation .The weld seam is uniform , smooth and meets the requirements of the rear axle housing design process . This low cost automatic welding machine can be widely used in the produce of small batch vehicles . Key words:S7 - 200 PLC ; special welding machine ; servo motor ; touch screen The special welding machine control system of automobile rear bridge based on the S7 - 200 PLC ?65?

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