数控PLC技术在机械转轴焊接中的应用

时间：2024-07-28

杨德云，冯鲜，谭飞

（无锡太湖学院机电工程学院，江苏无锡 214064）

0 引言

数字技术与电子信息技术的发展使工业控制中自动化的程度越来越高［1］，工业自动控制相对于传统人工控制而言，在工作效率和操作精度方面都有了本质上的改善［2］。但现代数字控制技术要基于一定的计算机编程理论，一线的操作人员无法熟练地编写计算机程序［3］，而数控PLC技术及基于PLC的组态软件的出现，从根本上解决了现代自动化数控技术与实际生产作业间的脱节问题［4］。机械转轴焊接属于高精度机械焊接加工的一种，机械转轴在工作中承受着极大的弯扭交变载荷、机械压力与磨损［5］，因此对于焊接的强度和精度都有着很高的要求［6］，传统手工或半自动的焊接模式，无法满足机械转轴焊接的高精度、高强度要求，使用数控PLC技术及相关组态软件控制机械臂的路线及焊接中的电流［7］，为机械转轴的高精度焊接处理，提供了一种全新的解决途径。PLC是一套以MCU微处理器为核心的可编程逻辑运算系统［8］，系统内部自带的存储器和逻辑数据库，可以存储大量已编写完毕的程序。数控PLC技术操作界面简单、直观，当操作者需要操作某种生产作业类别时，可以通过人机交互窗口直接调用已有程序或仅对原有程序做简单的修改，就可以直接使用组件［9］。可编程微处理按照实际使用者的要求执行各种逻辑运算，并通过数据指令输入、输出接口控制高精度的机械转轴焊接设备［10］。数控PLC技术克服了传统继电器接触控制精度低的缺点，程序指令更加清晰、准确、灵活，能够显著提高机械转轴焊接的效率和精度。

1 基于PLC控制原理的机械转轴焊接主控制程序

1.1 数控PLC内置组态软件特点

数控PLC技术及其组态软件的主要任务是通过可编程逻辑程序控制机械转轴的焊接，在保证焊接强度的基础上提高焊道外观的美观度和焊接精度。数控PLC技术解决了传统控制模式下人机交互的问题，因为PLC组态软件平台面向用户可实现多功能组态，操作人员可按照焊接的图纸要求调用和修改程序，无需每次操作都重新编程。数控PLC技术中使用的编程语言为梯形图语言，直观、形象、易于操作。用于机械转轴焊接的PLC组态软件控制使用虚拟的继电器开关，当系统输入逻辑程序时，焊接子程序被先寄存于映像器中以控制各个连接接口打开和关闭。数控PLC梯形图元件中的触点可以被多次引用，且梯形图编程语言遵循从左到右和自上而下的顺序，当一个操作指令执行完毕后下一个程序可以立即被引用，以保证机械转轴加工的连续性、准确性和工作效率，数控PLC系统内置的组态软件的主要特点如表1所示。

表1 数控PLC组态软件特点

1.2 基于PLC的机械转轴焊接主控程序

在机械转轴的焊接加工过程中，开始执行PLC程序时，焊接设备的操作者通过人机交互窗口调取程序，并将焊接的子程序输入到生产加工映像区。数控PLC组态软件从端口程序中识别出焊接程序是否处于初始状态，并应用PLC组态软件控制外部的继电器开关及各类电子元件开关，从而达到精确控制机械转轴焊接的目的。基于焊接程序和功能的需要，操作者将待加工的焊接零件置于操作台并卡紧，由PLC传感器控制焊接机械臂的行进路径，如果焊道超出了预先设定的范围，系统会自动报警并停工；如果在焊接过程中没有出现其他异常情况，程序会自动地执行到焊接过程的完毕。基于PLC技术与控制原理的机械转轴焊接主控制程序如图1所示。

图1 机械转轴焊接主控程序

数控PLC系统采用了与或控制继电器开关，并通过触点连接的方式达到虚拟控制的目的，由于逻辑电路采用了并联的方式，因此程序可以无限次被引用或循环使用，可复制的功能较强。基于数控PLC技术的机械转轴焊接还具有定时控制、计数控制、步进控制及数据处理等功能。对于复杂度较高的机械转轴焊接，PLC控制系统内部设有定时功能，便于操作者输入、调用和修改子加工程序，也有利于实现焊接操作的远程监控，省略了现场加工时人为监控的弊端。基于数控PLC技术的焊接系统内部安装有计数器，当加工数量达到一定的数值后系统会提示操作者检查机械臂是否存在故障及系统软件是否能够正常运行。在逻辑计数功能的基础上，增加了机械转轴焊接自动步进功能，PLC控制系统内置有专用的步进程序指令控制系统，当一个程序命令执行完毕之后，会自动进入下一个逻辑程序。随着数控PLC技术的不断发展，数据处理的功能越来越强大，在机械转轴产品的数控加工中，可以实现对程序的移位传输、数制转换等操作，使焊接加工过程更加智能化和便捷化，同时焊接的误差率也更低。数控加工过程中存在发生特殊情况而停工的情况不可避免，PLC控制系统自带记忆功能，当发生意外停工时，可以实施自动诊断并主动恢复程序。数控PLC程序的逻辑程序和语句都可以被修改和完善，操作人员可以利用编程器监视系统的运行状态，保证机械转轴焊接的精度和系统的稳定性。

2 应用PLC技术的机械转轴精密焊接的实现过程

2.1 机械转轴焊接的相关参数设置

实施转轴焊接前，对待焊接零件做好去油、清洗和防锈处理，从焊接性能工艺角度及PLC控制程序的角度，做好系统性能分析及参数调整等工作。在机械转轴焊接中应考虑到金属表面的焊接热裂纹、应力及碳迁移的过程，最大限度地减少对金属焊缝的稀释作用，这些焊接时的基本要求都可以通过PLC电流控制的方式实现。机械转轴焊接中采用高电压、小电流的焊接方式，防止预热的温度过高对焊接性能产生不利影响。数控PLC焊接子程序的焊接预热范围在焊道两侧45 mm内，预热温度的升温采用数字预热方式，预热后待焊接机械转轴的表面温度不低于210℃，降低金属受热时应力对转轴焊接强度所产生的不利影响。焊接前需要对CO2焊丝的基本状态进行分析控制，否则会影响到焊道的平整性，焊丝的烘干温度保持在350℃，持续时间为0.5 h，彻底烘干水分，焊丝直径设置为2 mm，焊接时的电流设定为50～60 A，不宜过大。焊接时装配传动轴必须确保同轴度后再定位，焊丝选择抗氧化性能更高的CHS307A型焊丝，焊接完成后需要保温2 h。在数控PLC程序梯形图软件上，本文使用了XDP-485软件，该程序配备了离线编程的功能和程序的导入导出机制，在程序的使用中更加便捷。XDP-485软件除了自带的部分功能外，还可以通过PLC控制系统进行程序的初始化、设备的启停、编程数据的下载和上传，更方便现场操作者的读取和使用。

2.2 基于PLC技术的机械转轴精密焊接的实现流程

在组态软件的选择上PLC系统选用了操作性和易用性更好的Touch Win编程工具，该工具中具有多语言显示功能、三维立体动画模型编制功能和模拟三维图库。在系统程序的编制方面利用XDP-485组态软件进行总体设计，先对机械转轴总体的焊接操作流程进行规划，再对每一个步骤进行系统的规划。系统程序调用时，PLC组态软件通过DP接口写入程序，并进行程序数据的导入和导出。基于PLC技术的机械转轴焊接控制流程，如图2所示。

图2 基于PLC技术的机械转轴焊接控制流程

PLC组态软件在机械转轴焊接及子程序的调用中，能够实现CAD控制设计程序和CAE工程控制系统之间的自由转换。只要将主控程序模块和中断程序模块确定后，PLC组态控制软件就可以在数据冗余的模式下，保证焊接程序的功能更加稳定。操作人员打开程序菜单命令后开始按照既定的机械转轴焊接标准对程序进行操作。使用数控PLC组态软件时必须从登录界面进入，并正确输入用户名和密码，否则不能进入系统，这是系统的一种自我保护功能，可以保护用户设定好的程序不被随意篡改，保证机械转轴焊接质量的稳定性。主控程序包括初始化、子程序调用和程序检修等3个主要模块，应用数控PLC工作前，要将系统重置并调整好各个模块的参数。机械转轴焊接子程序是最重要的应用程序，包括工装卡具的位置调整、焊接参数的调整及机器人行进路径的设置等，当一个工件完成焊接后系统归零，进入下一个程序。如果当焊接过程中出现系统电流、电压的异常变化或剧烈波动，程序会主动中断并向操作人员报警。当主控程序发生故障时，PLC系统主动进入中断程序，人机交互界面会显示发生故障的位置，系统数据库也会将程序故障的类型进行记录，以便在后续的加工中循环比较。

3 技术应用与结果分析

3.1 参数稳定性控制结果验证

为验证数控PLC技术在实际工作中的应用效果，选定一家机械转轴产品加工企业D，该企业拥有10条机械转轴焊接生产线，于2017年7月开始使用PCL控制技术，D企业日生产能力为5 000台次。选择其中一条使用了PLC技术的大型机械转轴产品生产线作为研究样本，先观察6 h范围内（每0.5 h检测一次）PLC系统控制下焊接工作电流的变化情况，工作电流越稳定越有利于产品焊接质量的稳定，具体数据统计分析结果如图3所示。

图3 机械转轴焊接电流的稳定性控制对比

PLC控制方法下电流的输出被控制在50 A左右，这样更有利于机械转轴焊接稳定性提高。而传统半自动控制方法下焊接电流的波动性较大，这主要是由于焊接臂工作时电压和电流急剧升高，如果不采取有效的电流抑制方法，会影响焊道的外观和强度。

采用数控PLC技术最直接的效果是改善了焊接产品的废品率，统计分析了引入PLC技术后D企业焊接产品废品数量及废品等级点阵图，如图4和图5所示。

引入数控PLC技术后，机械转轴的焊接废品率得到了有效控制，且废品等级大部分被控制在一级和二级，能够被修复，以最大限度降低企业的损失。而在传统半自动控制系统下废品的数量明显高于PLC系统下废品的数量，由于缺乏对电流、电压及机械臂行进路径的有效控制，焊接废品数量较多，给焊接企业带来巨大的损失。

图4 数控PLC技术控制下焊接废品数量及废品等级点阵分布

图5 传统控制技术下焊接废品数量及废品等级点阵分布