雙圓周自動焊接設備的電氣系統(tǒng)設計

1、摘要：雙圓周自動焊接設備主要用于不銹鋼、碳鋼等筒形工件，兩條環(huán)縫同時對接的焊接。它采用氣壓傳動與電動機傳動相結合的方式對工件進行焊接。這種生產(chǎn)方式的速度比傳統(tǒng)的手工焊接有了很大的技術該進，本文闡述了雙圓周自動焊接設備的電氣控制系統(tǒng)，這種生產(chǎn)方式不僅降低了勞動強度提高了產(chǎn)品的質量而且生產(chǎn)效率比原來的手工焊接提高了很多倍，也取得了一定的經(jīng)濟效益，同時也適合現(xiàn)有的一般企業(yè)現(xiàn)實的技術改造方案。關鍵詞：焊接設備觸摸屏目 錄第章系統(tǒng)簡介（3）1.1 系統(tǒng)結構介紹（3）1.2 電氣工作方式要求（4）第章 電氣系統(tǒng)硬件設計（6）2.1 氣動回路的設計（6）2.2 無級調速系統(tǒng)（7）2.3 PLC型號的選擇與介

2、紹 （9）2.4 可視化方案的設計 （12） 2.5 觸摸屏與PLC的通信（14）2.6 系統(tǒng)電路圖設計（18）第3章 電氣系統(tǒng)軟件的設計（22）3.1 觸摸屏程序（22）3.2 PLC程序（28）結束語（36）答謝辭（37）參考文獻（38）第一章 系統(tǒng)簡介系統(tǒng)結構介紹該焊機主要用于碳鋼、不銹鋼圓筒形工件，兩條環(huán)縫同時對接焊接。 機械結構如圖1.1-1所示。該自動焊接設備主要由以下幾個部分組成。（1）自動焊機：焊接設備的主要組成部分。（2）氣源裝置：為入槍氣缸和壓緊氣缸提供氣源。（3）焊槍伸出機構：帶動焊槍對工件焊接。（4）工件旋轉與壓緊機構：夾緊工件時旋轉工件，圓周焊接。（5）電氣控制柜：對

3、設備狀態(tài)操作和監(jiān)控。（6）門裝置：焊接時防止吹風影響焊接效果。（7）設備支架：各種配件的載體。由于此焊接設備產(chǎn)品使用性較強，可靠性好，被廣泛應用于壓力容器，太陽能熱水器、消防器材、儲氣罐等行業(yè)！ 電氣工作方式要求根據(jù)客戶所需，該焊接設備電氣系統(tǒng)主要有以下6點要求：（1）氣壓傳動方式：工件的夾緊和焊槍的進給都采用氣壓傳動。（2）無級調速: 調節(jié)帶動工件旋轉的電動機速度，保證焊接工藝的要求。（3）有手動和自動兩種工作方式：1）手動狀態(tài)時對焊槍的進給、工件的壓緊、工件的正反向旋轉、焊接能單獨操作。2）當自動狀態(tài)時，工作流程如下圖1-1所示。(4）可視化操作：能方便的對焊接設備進行操作和監(jiān)控。(5）密

4、碼保護功能：能通過監(jiān)控設備對焊機做相應的密碼保護。(6）運行穩(wěn)定可靠：故障率低，維修方便。在以下章節(jié)中將對各種要求的解決方案和主要元件以及軟件的設計做相應的介紹。自動狀態(tài)模式下工件在自動狀態(tài)下回原點腳踏開關踩第一次壓緊工件 壓緊工件延時 腳踏開關踩第二次焊槍1，2 入槍 入槍延時時間到 按下啟動按鈕焊接開始工件正轉 工件轉過一圈后回到原點收弧計時 收弧時間到停止焊接收槍，計時 等待時間到工件反轉 回到原點松開工件圖1-1 自動狀態(tài)下焊機工作流程圖第二章 電氣系統(tǒng)硬件設計針對系統(tǒng)電氣方面提出的各種要求，這里主要介紹對于系統(tǒng)要求解決的方案，和部分電路的設計。2.1氣動回路的設計工件在焊接時，需要采

5、用夾緊裝置夾緊才能焊接，同時入槍也需要上下伸縮。這里采用氣動傳動。氣動傳動是以空氣為工作介質進行能量傳遞的一種形式。驅動工作的動力是由氣源裝置提供的，氣源裝置的主體式空氣壓縮機，由于空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣所含的雜質比較多，因而不能直接提供給設備，因此一般氣源裝置還包括空氣凈化裝置，同時設備使用時一般也使用空氣凈化裝置進一步凈化壓縮空氣。該焊機工作時需要有兩個焊槍的分別進給，和工件的壓緊，下圖2-1所示的氣動原理圖就可以實現(xiàn)該功能。圖2-1 雙圓周自動焊接機氣動原理圖系統(tǒng)中有主要用到的控制元件有：(1）單控兩位五通電磁閥 （YC1,YC2,YC3）(2）雙作用式普通氣缸(3）氣動三聯(lián)件 實際操

6、作中，首先調節(jié)調壓閥到系統(tǒng)所需要的壓力，初始化時電磁閥處于失電狀態(tài)。焊機工作時，先放上工件，當YC1得電時壓緊氣缸壓緊工件，YC2、YC3得電時入槍氣缸帶動焊槍移動至焊接處，開始焊接。焊接完畢后電磁閥失電，氣缸回到原始狀態(tài)，松開工件，焊接完畢?？蓤?zhí)行下一次操作。2.2無級調速系統(tǒng)工件焊接時，工件的旋轉是靠電動機帶動的，旋轉時需要無級調速，實現(xiàn)無級調速的可選用變頻器和直流調速兩種方法。變頻調速：采用交流電動機，通過變頻器端子外接電壓或電流的變化而達到頻率的改變，實現(xiàn)無級的要求。直流調速：采用直流電動機，改變電樞電壓可調節(jié)電動機的旋轉速度。由于直流電動機比交流電動機有較好的調速和啟動性能，因此設備

7、中采用直流調速的方法，選用直流電動機（博山微電機SK400A 220V 4A），直流調速電源(輸入AC220V 輸出DC0-220V 8A)。調速電源采用脈寬調制技術（PWM）,通過調節(jié)調速電阻的大小控制輸出方波的占空比，使負載上的有效電流功率從0%-100%之間可調。從而調節(jié)電動機的轉速。直流調速系統(tǒng)如圖2-2所示。 圖2-2 直流調速電源接線圖用到的主要元件有：(1)電源指示燈（小圓形指示燈）、電壓指（DELIXI 85L）(2)PWM直流調速電源（輸入AC220V 輸出DC24V）(3)直流電動機（博山微電機SK400A220V 4A）(4)接觸器(CJX2-1201 220V 50HZ

8、 M5)。使用時，調節(jié)直流電源的調速電阻則可以改變電樞輸出端（直流電動機的電樞電壓輸入端）的電壓?？刂芀M1,和KM2的得電則可改變電動機電樞電壓的方向，選擇電動機的旋轉方向。（KM1得電工件正轉，KM2得電工件反轉）2.3 PLC型號的選擇與介紹在傳統(tǒng)的焊接設備中都選用繼電器電路，繼電器控制電路初次投入成本低，但是工作不穩(wěn)定，維修不方便，如果改變工作流程就得重新配線。為了克服這些缺點，現(xiàn)在一般都采用PLC控制系統(tǒng)。此設備選擇PLC控制電路，同時也可以很方便的能滿足系系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠的要求。PLC是一種專用的工業(yè)計算機，下面簡單的介紹一下PLC的工作原理。（1） 整體結構和工作原理PLC實質上

9、就是一種工業(yè)專用的計算機。與普通計算機相比，PLC不僅有專用的借口，而且還有使用于工業(yè)控制的編程語言。其結構圖如下圖2.3-1所示。圖2.3-1 PLC結構圖(2)工作過程PLC控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的繼電器控制電路有相同之處，也是由輸入，邏輯控制和輸出三部分組成。PLC內部可以看成是由許多輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等組成。PLC循環(huán)掃面工作過程一般包括五個階段：內部處理與自診斷、通信處理、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新。工作過程就是用戶程序的執(zhí)行過程，由于采取了循環(huán)掃面的工作方式，所以在無跳轉的情況下都是從第一條指令開始順序到最后一條指令，結束后在進行下一次掃描。每一次掃描

10、所用的時間稱為掃描周期。執(zhí)行過程中主要由三個階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出處理。1)采樣階段：按順序讀取全部輸入點的狀態(tài)并寫入輸入映像寄存器。2）程序執(zhí)行：CPU根據(jù)用戶程序，按照輸入和輸出的狀態(tài)進行邏輯運算并將結果寫入輸出映像寄存器。3)輸出處理：CPU執(zhí)行完所有指令并把結果寫入輸出鎖存器中，并將信息輸出驅動外部負載。（3）PLC型號的選擇在選擇PLC型號時首先確定系統(tǒng)的輸入/輸出功能和點數(shù)，其匯總表如2.3-1所示。表2.3-1 輸入/輸出匯總表輸入輸出代號作用代號作用SB1啟動KM1正轉SB2急停KM2反轉SA1手動/自動KA1焊接1SQ1行程開關KA2焊接2SA2腳踏開關YC1入槍1Y

11、C2入槍2YC3壓緊市面上PLC品牌種類很多，選擇時考慮在充分滿足系統(tǒng)要求的情況下同時也要考慮到成本。由于此設備的控制不復雜，這里選擇LSMTSTER-K120S系列經(jīng)濟型30點的PLC，如圖2.3-2所示。基本數(shù)據(jù)領域如下表2.3-2所示。圖2.3-2 LS 30點的PLC表2.3-2 LS K120系列PLC基本數(shù)據(jù)領域表PLC型號K120系列備注數(shù)據(jù)領域 P P000-P63F輸入輸出繼電器 M M000-M191F輔助繼電器 KK000-K31F保護繼電器 LL000-L63F連接繼電器 FF000-F63F特殊繼電器T 100ms:t000-t19110ms:t192-t2501ms

12、:t251-t255定時器改變參數(shù)可改變數(shù)據(jù)領域 CC000-C255計數(shù)器 S步進 DD0-D4999數(shù)據(jù)寄存器2.4 可視化操作的方案設計在PLC控制的基礎上可視化操作的有多種選擇，如組態(tài)、文本顯示器、觸摸屏等。這里使用觸摸屏，它比組態(tài)使用較方便，比文本顯示器更加直觀。下面對觸摸屏做一些簡單的介紹。(1) 特點：1）操作便捷，使用者只要按下屏幕上的文字或者圖片按鈕就可以實現(xiàn)對機器的控制。2）人機交流方便，即使是不懂得設備具體工作流程的人只要看到屏幕上生動的圖樣和文字描述就能對機器操作。而且很容易監(jiān)控機器的運行狀態(tài)。3）響應速度快。直接和PLC通信，簡化了接線。4）安全穩(wěn)定，防塵防水汽，正常

13、操作不會出現(xiàn)故障，對系統(tǒng)無任何影響，系統(tǒng)維修方便，而且便于對PLC內容的修改和管理操作。（2） 分類：1） 表面聲波觸摸屏 2） 電阻式觸摸屏 3) 電容式觸摸屏 4） 紅外線式觸摸屏（3）觸摸屏的工作原理 這里以電阻式觸摸屏為列，電阻式觸摸屏屏幕部分是一塊與顯示器表面非常配合的符合薄膜，由一層玻璃作為基層，表面涂上一層透明的導電層，上面再蓋上表面硬化，光滑的塑料層。它的內面也有一層透明導電層，在兩層之間由隔離點隔開結緣。結構圖如圖2.4-1所示。當手指或者筆觸摸時，兩層導體間就有了一個接觸點，因為其中一面導體接通Y軸的5V均勻電場，當一接通時，測得電壓和5V電壓比較就可以得到這個坐標 同樣X

14、軸也一樣，這就是電阻式觸摸屏的工作原理。圖2.4-1 電阻式觸摸屏結構圖（4）主要功能雙圓周自動焊機選用維綸MT6056i觸摸屏，該系列主要面向PLC。功能強大，使用方便，能過滿足工作要求。一般觸摸屏主要有以下七個功能，） 指示燈：顯示位元件或者字元件狀態(tài)。） 開關：位狀態(tài)開關，功能鍵等。） 各種動態(tài)圖表。） 數(shù)據(jù)顯示：數(shù)字、文字。） 數(shù)據(jù)輸入：數(shù)字文字。） 報警。） 靜態(tài)顯示。（5） 觸摸屏的選擇在選擇觸摸屏時和PLC的選擇時一樣也考慮到價格，這里選用比較經(jīng)濟的維綸 MT6056i（320234）觸摸屏。操作方便減少了大量導線和按鈕。可對焊槍的入槍時間及壓緊和收弧時間很方便的調節(jié)調節(jié)。維綸M

15、T600系列觸摸屏還有以下幾個特有的功能：（）有和WINDOWS系列操作系統(tǒng)一樣的快選窗口和任務欄，一般預設在第四個窗口。（）在彈出窗口中有窗口控制功能鍵，使窗口最大化或者最小化。（）可以在線或者離線模擬，節(jié)省程序調試時間。使用觸摸屏時主要是利用開關元件、顯示元件、數(shù)字元件輸入和讀寫PLC內部軟元件及寄存器（如LS-PLC內部的P、M、T、C、D），再配合各種顯示元件如表棒，趨勢圖，等來顯示PLC的內部狀態(tài)，再結合各種窗口切換功能鍵、HMI內部軟元件等就可以做出相應程序。2.5 觸摸屏與PLC的通信在操作過程中會涉及到觸摸屏和PLC之間的信息交換，這種交換就是通信。PLC與計算機、PLC與外圍

16、設備、PLC與PLC之間的通信統(tǒng)稱為PLC的通信。（1）數(shù)據(jù)傳送方向1）單工通信數(shù)據(jù)的傳送始終是同一個方向，不能反向傳送。如圖2.5-1（A）所示。2）半雙工通信數(shù)據(jù)在不同時刻可以在兩個方向上傳送。如圖2.5-1(B)所示3）全雙工通信數(shù)據(jù)可以在兩個方向上同時傳送。如圖2.5-1(C)所示（A）(B)(C)圖2.5-1 半工、半雙工、全工通信示意圖（2）PLC的通信接口PLC采用串行通信的方式，常用接口有RS-232C、RS-422A、RS-485A。1）RS-232C串行通信接口RS-232接口采用的是標準的25針D型連接器。但在使用時一般用不到所有的25針，大部分使用時只用到其中的9個管腳

17、，如圖2.5-2所示，起管腳定義如下表2.5-1所示。一般PLC都采用這種通信方式。但是RS-232傳輸距離不大，傳輸速率較低，抗干擾能力較差。圖2.5-2 9針串口管腳圖表2.5-1 9針串口管腳功能表針號信號縮寫信號名稱1CD載波信號檢測2RD(RXD)接收數(shù)據(jù)3SD(TXD)發(fā)送數(shù)據(jù)4DTR(ER)數(shù)據(jù)端準備5SG信號接地6DSR(DR)數(shù)據(jù)準備好7RS(RTS)請求發(fā)送8CS(CTS)清除發(fā)送9RI(CI)調用指示2）RS-422A串行通信接口為了克服RS-232C的缺點隨后又推出了RS-422A的接口。采用平衡差分傳輸方式。全雙工通信方式。具有足夠好的抗干擾能力。3）RS-485A串

18、行通信接口在RS-422的輸出端設置一個輸出“使能端”，則形成RS-485接口。半雙工通信方式。可連接多達128個收發(fā)器，實現(xiàn)真正的多點雙向通訊。RS-485可以采用兩線和四線方式。四線引腳管腳定義如下表2.5-2所示。表2.5-2 RS-485A四線腳號引腳號引腳名稱說明1RDA數(shù)據(jù)接收信號線A2RDB數(shù)據(jù)接收信號線B3SDA數(shù)據(jù)接收信號線A4SDB數(shù)據(jù)接收信號線B5GND接地信號線(3) 維綸觸摸屏與LS-PLC的通信維綸觸摸屏的通信接口類型為RS-232,也可以選用RS-485。LS-PLC為RS-232C接口。1）通信電纜接線圖觸摸屏與PLC的接線是通過CPU單元的通信口和WeinVi

19、ew 人機接口連接。通信電纜接線圖如圖2.5-3所示。圖2.5-3 通信電纜接線圖硬件連接正確后在觸摸屏編程時還需要用軟件設置，菜單欄-編輯-系統(tǒng)參數(shù)設置，如圖2.5-4所示。打開對話框，可以選擇HMI的型號、連接PLC的類型、密碼設置等。圖2.5-4 系統(tǒng)參數(shù)設置圖在站號設置HMI、PLC推薦設置為0，也可以修改為0-255。觸摸屏對LS-PLC的可操作范圍如下表所示2.5-3所示。表2.5-3 PLC可操作范圍表PLC 地址類型可操作范圍說明P0-255F輸入輸出點K0-255F保持點M0-255F輔助點L0-255F連接繼電器點F0-255F特殊繼電器點T/C0-255定時計數(shù)器TV0-

20、255定時當前值CV0-255計數(shù)當前值D0-9999數(shù)據(jù)寄存器說明：因為型號不同，可能實際操作時的范圍不同。2.6 系統(tǒng)電路圖設計在確定了該系統(tǒng)硬件后，根據(jù)PLC型號和對PLC輸入 /輸出端口做以下設置，以便編程時方便使用，如下表2.6-1所示。表2.6-1 PLC I/O地址分配表輸入輸出代號輸入地址作用代號輸出地址作用SB1P0啟動KM1P40正轉SB2P1急停KM2P41反轉SA1P2手動/自動KA1P42焊接1SQ1P3行程開關KA2P43焊接2SA2P4腳踏開關Y1P44入槍1Y2P45入槍2Y3P46壓緊根據(jù)系統(tǒng)的工作方式，和焊機運行要求設計出自動焊接設備的電氣原理圖如下2.6-

21、1 和2.6-2所示，元件清單如表2.6-2。圖2.6-1 雙圓周自動焊機主電路圖圖中開關電源主要為觸摸屏提供電源。KA1，KA2為外圍電路，控制自動焊接機的工作狀態(tài)。圖2.6-2 雙圓周自動焊機PLC接線電路圖。表2.6-2 原件清單表名稱型號數(shù)量觸摸屏維綸 MT6056i（320234）1可編程控制器MTSTER-K120S1接觸器CJX2-1201 220V 50HZ M52熔斷器DELIXI D247-632空氣開關DELIXI R18-32-380V-32L1中間繼電器DELIXI HH52P-AC240V-5A2PWM直流調速電源輸入AC220V 輸出DC0-220V 8A1電壓表

22、DELIXI 85L1直流電動機1急停按鈕K30-81R011手自動轉換開關選擇開關1啟動按鈕按鈕開關1二位五通電磁閥單電控 AC-220V DC-24V3開關電源輸入AC220V 輸出DC24V1電源指示燈小圓形指示燈1腳踏開關凱昆-單腳踏開關1行程開關思諾奇 AZ61121第三章 電氣系統(tǒng)軟件的設計3.1 觸摸屏程序打開維綸EB8000軟件，選擇觸摸屏類型，和PLC類型。如圖所示。窗口一般從十號開始，新建窗口，編輯如下圖3-2畫面，插入文字元件，功能鍵切換基本窗口至窗口11.如圖3-3所示。圖3-2 窗口10圖3-3 窗口11窗口11中插入功能鍵切換基本窗口?！笆謩硬僮鳌薄白詣硬僮鳌薄皡?shù)

23、設定”分別切換至窗口12，如圖3-4所示、窗口13，如圖3-5所示，窗口14，如圖3-6所示。圖3-4 手動操作窗口畫面中各元件的屬性如下表3-1所示表3-1 窗口12中各元件屬性表畫面元件名稱元件屬性功能備注手動操作狀態(tài)文字元件提示操作畫面狀態(tài)壓緊位狀態(tài)切換開關讀寫PLC地址讀寫M0003入槍1位狀態(tài)切換開關讀寫PLC地址讀寫M0004入槍2位狀態(tài)切換開關讀寫PLC地址讀寫M0005焊接1位狀態(tài)切換開關讀寫PLC地址讀寫M0006焊接2位狀態(tài)切換開關讀寫PLC地址讀寫M0000正轉位狀態(tài)切換開關讀寫PLC地址讀寫M0001反轉位狀態(tài)切換開關讀寫PLC地址讀寫M0002原位位狀態(tài)顯示元件讀取P

24、LC地址讀P0003返回功能鍵切換窗口自動操作功能鍵切換窗口圖3-5 自動操作畫面畫面中各元件的屬性如下表3-2所示表3-2 窗口13中各元件屬性表畫面元件名稱元件屬性功能備注自動操作狀態(tài)文字元件提示操作畫面狀態(tài)壓緊位狀態(tài)顯示元件讀寫PLC地址讀P0046入槍1位狀態(tài)顯示元件讀寫PLC地址讀P0044入槍2位狀態(tài)顯示元件讀寫PLC地址讀P0045焊接1位狀態(tài)顯示元件讀寫PLC地址讀P0042焊接2位狀態(tài)顯示元件讀寫PLC地址讀P0043正轉位狀態(tài)顯示元件讀寫PLC地址讀P0040反轉位狀態(tài)顯示元件讀寫PLC地址讀P0041原位位狀態(tài)顯示元件讀取PLC地址讀P0003啟動位狀態(tài)設置開關寫PLC地

25、址讀寫M0008停止位狀態(tài)設置開關寫PLC地址讀寫M0009返回功能鍵切換窗口自動操作功能鍵切換窗口參數(shù)設置功能鍵切換窗口收弧時間顯示元件字元件顯示圖3-6 窗口14畫面畫面中各元件的屬性除返回元件為切換功能鍵外其它都為數(shù)字輸入元件。收弧時間、壓緊時間、入槍時間、等待時間，分別寫入PLC元件 D3500、D3501、 D35022、 D3503 。按下FK-1位置處顯示如下畫面3-6-1畫面。圖3-6-1密碼設置單元 進入操作需要輸入密碼，正確后才能進入圖3-7畫面。圖3-7 密碼設定窗口寫入D3600值，按下OFF確認密碼輸入切換M0800.開啟計時程序。圖3-8提示畫面寫入D3602，輸入正確密碼后焊機方可重新使用。3.2 PLC程序打開LS編程軟件，快捷圖標如。設置系統(tǒng)參數(shù)鎖存區(qū)，M0800-M1000 、C100-C255、D3500-D4500。參數(shù)設置好后首先編輯時間保護程序如下圖3.2-1所示。圖3.2-1 保護程序的