摘要：针对人工焊接作业存在危险、生产效率低等缺点，提出了一套基于PLC为核心控制器的智能焊接专机系统，运用三维制图软件对其结构进行了详细设计，给出了球阀焊接专机的主体机械结构图。综合了自动化控制技术、传感器技术等技术，对焊接专机控制系统的硬件和软件进行了设计。目前，该球阀焊接专机系统已经在生产企业得到实际应用，应用结果表明：该自动焊接专机系统运行平稳，同时提高了焊接质量，并且大大地降低了工人的劳动强度，具有较高的实用价值。
关键词：PLC；非标准；焊接专机
随着制造业对工业加工的精密度、效率要求标准的日益提高，自动焊接技术的优势越发明显，智能化、自动化的焊接专机设备将是工业焊接的发展方向，应用会越来越广。本文针对天津丹弗斯阀门有限公司的球阀焊接时劳动强度大的问题，以PLC为核心控制器，运用伺服控制技术，设计了球阀焊接专机控制系统，实现了球阀焊接的全自动化控制。该焊接专机实现了20种以上球阀工艺的自动焊接功能，系统记录了每个阀门的焊接位置信息和焊接参数信息，选择待焊接工件的规格型号后，可直接调用该工件的数据参数，操作方便，定位准确。本焊接专机的研制成功为其他专机设备的研究提供参考［1－2］。
1结构组成及工作原理
球阀焊接专机结构主要由4个部分构成，其结构示意图如图1所示，主要包括主机头（主轴）1、机架2、十字架3（包括上下轴、前后轴、水平轴、摆动轴）、副机头4。焊枪装置安装在十字架的摆动轴下方。该焊接专机主要工作过程如下：由人工将待加工球阀工件5放置到主轴上，由卡盘卡住，副机头由气缸控制伸出（操作者通过按钮控制），顶住工件，通过主机头和副机头将焊接工件固定住。选择待焊接工件的型号，系统自动调出工件焊接参数和焊接位置数据信息。操作者按下自动启动按钮，十字架上的各个运动轴自动运行到待焊接位置，延时1s后，主轴旋转，启动焊接功能，完成焊接工艺［3－4］。
1．1主轴工作台
主轴工作台如图2所示。主轴工作台由基座1、电机与减速器2、小齿轮3、回转支承4、卡盘5构成。待加工工件需要安装在主轴上，并完成夹紧动作，由主轴带动工件做圆周运动，为实现此功能设计了主轴工作台。根据不同工艺，需要调节主轴工作速度和旋转角度，主轴是采用伺服电机带动减速机驱动回转支承实现的。主轴电机扭矩的计算：（1）负载扭力计算T＝F*L（1）式中，F为待加工工件的重力，L为重心到主轴重心距离。（2）电机扭矩计算Tm＝T／（i1*η1*i2*η2）（2）式中，Tm为电机扭矩，T为负载扭矩，i1为减速比，取i1为70，η1为减速器机械效率，取η1为96．04％，i2为齿轮比，取i2为103；η2为小齿轮机械效率，取η2为98％。按照最大负载计算，取负载重为500kg，重心到主轴重心距离L为0．6m。
1．2十字架工作台
十字架是主要完成水平、升降、伸缩运动控制功能的。升降轴和伸缩轴由伺服电机带动滚珠丝杠实现的；水平轴是由伺服电机带动齿轮齿条实现的。其结构图如图3所示。（1）伸缩轴扭矩计算Ta1＝（Fa1*l1）／（2*3．14*n1）（3）式中，Ta1为伸缩轴扭矩，Fa1为模组和焊枪的摩擦力，摩擦力等于重力乘以摩擦系数，重力取10kg，摩擦系数取0．01，l1为导程，取10mm，η1为正效率，取98％。（2）升降轴扭矩计算Ta2＝（Fa2*l2）／（2*3．14*n1）（4）式中，Ta2为升降轴扭矩，Fa2为升降轴负载的重力与摩擦力之和，重力取80kg，摩擦系数取0．01，l2为导程，取10mm，η1为正效率，取98％。水平轴扭矩计算：Ta3＝T*η3*（i2*η2）（5）式中，Ta3为水平轴扭矩，T为水平轴负载的重力，重力取100kg，η3摩擦系数取0．01，r为齿轮半径，取r为0．019m，i2为减速比，取i2为100，η2为减速器机械效率，取η2为96．04％。
2焊接专机电气控制系统设计
2．1伺服控制电路设计
本研究中，各个运动轴的运动控制是通过伺服电机实现的。伺服控制器有三种控制方式，分别是通讯控制、脉冲控制、模拟量控制。由于焊接专机的各个运动轴需要实现定位和调速控制，故本文采用脉冲方式实现对伺服驱动器的控制，伺服控制系统连接线路图如图4所示。伺服驱动器的控制信号主要有脉冲信号、方向信号、伺服使能信号、伺服准备好信号（伺服反馈信号）。
2．2控制系统软件设计
系统软件设计包括PLC程序设计和人机交互界面设计两个部分［5］。PLC程序包括参数初始化、运动轴控制程序、数据转换与处理程序、输入输出程序、通讯程序等。
2．2．1主控流程设计。根据用户需求，设计焊接专机自动控制系统的软件程序，实现从焊接启动到焊接结束的工作过程，主程序的工作流程，如图5所示。
2．2．2伺服控制程序。伺服电机的控制程序包括运动轴启动程序AXIS0＿CTRL、手动控制程序AXIS0＿MAN、位置控制程序AXIS0＿GOTO、原点搜索程序AXIS0＿RSEEK、原点更改程序AXIS0＿LDPOS等。部分程序如图6所示。伺服电机控制程序的功能如下：运动轴启动程序：运动轴使能功能，受电源相序、急停按钮、停止按钮等开关控制，在异常情况下，对运动轴起到保护作用；手动控制程序：用于在手动调试状态下，完成轴的移动动作命令；位置控制程序：自动状态下，用于实现运动轴绝对坐标轨迹，完成定长运动；原点更改程序：定长运动的辅助功能，用于设定坐标轴原点位置，设定坐标轴基准原点。
3结束语
本文以西门子PLC为核心控制器设计了一套自动焊接专机系统，详细介绍了其结构构成及其工作原理，给出了电气控制系统的部分硬件设计和程序设计。目前，本研究成果已在工业现场投入使用，设备运行稳定，抗干扰性强，取得良好效果。设备投产后，为生产企业节约了3个人力，提升了生产效率。该焊接专机设备具有操作简单、自动化程度高、控制精度高等优点，具有较高的实用和推广价值。
作者：李大伟 单位：辽宁装备制造职业技术学院