基于PLC 的低溫熔覆系統(tǒng)設(shè)計

賈雨涵，薛亞平，王韜越，馬業(yè)春，湯 欣，黃 睿，張 陳

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引 言

在國內(nèi)外市場競爭激烈、企業(yè)勞動力成本高、生產(chǎn)效率要求不斷提高等情況下，國內(nèi)以傳統(tǒng)熔覆為主的焊補(bǔ)方式嚴(yán)重制約國內(nèi)低溫熔覆水平的提升[1]，影響裝備制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量。目前低溫熔覆焊材產(chǎn)能達(dá)到750 萬噸，產(chǎn)率維持在60%左右，但閑置產(chǎn)能逐年下滑。低溫熔覆鋼材出口量的增長能夠有效分流國內(nèi)低溫熔覆鋼材的部分產(chǎn)能，但與目前國內(nèi)低溫熔覆設(shè)備產(chǎn)能相比，焊材產(chǎn)能過剩的形勢依然嚴(yán)峻，同時國內(nèi)低溫熔覆加工工藝與發(fā)達(dá)國家相比還有不小的差距[2]。在低溫熔覆加工過程中，會遇到不同部位低溫熔覆焊接的問題，不僅影響生產(chǎn)效率，而且導(dǎo)致低溫熔覆的品質(zhì)不佳[3-4]。若能將材料利用率提高到發(fā)達(dá)國家水平，每年將節(jié)省鋼材3 500 萬噸。根據(jù)“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要決議相關(guān)內(nèi)容[5]，以人工焊補(bǔ)為主導(dǎo)工藝的中國企業(yè)已將焊接自動化列為企業(yè)五年技術(shù)改造的重點目標(biāo)，即使不考慮新增產(chǎn)能的影響，僅對中國企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)能的低溫熔覆設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造升級，也將產(chǎn)生巨大的低溫熔覆自動化設(shè)備需求。低溫熔覆自動化設(shè)備的技術(shù)水平是國家科技水平的重要體現(xiàn)，決定了國家重大核心技術(shù)水平[6]。為了適應(yīng)現(xiàn)代化加工制造需求，設(shè)計出一種低溫熔覆精度和效率較高的自動化低溫熔覆系統(tǒng)顯得尤為重要[7]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 控制要求

用于安裝固定滑軌的傳送主體擁有兩個可拆卸的固定滑軌[8]，連接在焊補(bǔ)傳送主體的左右兩側(cè)并固定滑軌相對中部的滾珠絲杠；同時所述固定滑軌外側(cè)分別設(shè)有與固定滑軌相適配的左右安裝滑軌，對所述左右安裝滑軌外側(cè)壁進(jìn)行固定連接，進(jìn)而完成焊補(bǔ)空間位置的改變；以氣缸、電機(jī)與靜壓滑軌傳動機(jī)構(gòu)為核心組成的三維運動裝置實現(xiàn)焊補(bǔ)槍熔覆位置的微調(diào)，進(jìn)而完成不同情況下的熔覆任務(wù)[9]。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示，螺旋式焊補(bǔ)軌跡的低溫熔覆系統(tǒng)設(shè)計裝置分別由傳送定位部分、機(jī)械焊補(bǔ)部分組成。傳輸部分是一種可調(diào)耐磨機(jī)床滑軌機(jī)構(gòu)，軌道的一端固定連接限位卡板，卡板的內(nèi)部活動連接有擋板，限位卡板的一側(cè)螺紋連接有螺絲，在限位卡板上插入擋板，可以防止滑塊滑出軌道；滑軌一側(cè)固定連接有安裝片，安裝片的上表面開設(shè)有通孔和矩形槽，矩形槽可以限制移動塊移動的距離，防止出現(xiàn)位置偏移的情況；軌道的內(nèi)壁開設(shè)有滑動槽，滑動槽的內(nèi)壁固定連接有金屬板，滑動槽的中部滑動連接有滑動軸，滑動軸在內(nèi)部轉(zhuǎn)動；軌道的一側(cè)固定連接有電機(jī)，電機(jī)的輸出端固定連接有絲桿，絲桿的一端固定連接有軸承，軸承的外表面固定連接有支撐板，支撐板絲桿提供支撐，使裝置更加穩(wěn)定，實現(xiàn)了通過機(jī)械結(jié)構(gòu)精確和長時間地進(jìn)行調(diào)控，減少人工操作。焊補(bǔ)裝置安裝在鋼構(gòu)地軌上，依靠鋼構(gòu)地軌中的滑軌以及電機(jī)帶動整個焊補(bǔ)裝置沿X方向運動，同時兩側(cè)內(nèi)部滑軌可進(jìn)一步增加傳動的穩(wěn)定性。立柱上的滑軌與滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)能夠帶動橫梁沿Z軸運動進(jìn)而改變焊補(bǔ)高度，其兩側(cè)也裝有滑軌用于穩(wěn)定傳動。焊槍快速接頭座上設(shè)有焊槍快速接頭緊固螺母，將焊槍快速接頭過渡轉(zhuǎn)接件鎖緊在焊槍快速接頭座上。抓頭在上述傳動機(jī)構(gòu)的聯(lián)合作用下能夠在三維空間內(nèi)進(jìn)行位置的微調(diào)，實際工作時需要將焊補(bǔ)件固定在工件固定座上，通過Y向驅(qū)動裝置可以驅(qū)動旋轉(zhuǎn)定位裝置沿導(dǎo)軌裝置的導(dǎo)槽進(jìn)行精確的位置移動，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)定位裝置的Y向高精度整體移動定位。當(dāng)旋轉(zhuǎn)定位裝置移動到對應(yīng)位置后，通過Z向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)工件在Z軸上的旋轉(zhuǎn)，通過X向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)工件在X向的平面上精確旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以實現(xiàn)工件在X向平面上的精確定位。X向旋轉(zhuǎn)盤安裝在X向旋轉(zhuǎn)安裝座頂部且底部通過沿Z向設(shè)置的蝸輪與蝸桿對接，X向旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)安裝在X向旋轉(zhuǎn)安裝座側(cè)面上且通過輸出軸與蝸桿連接。實際工作時，通過X向旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動X向旋轉(zhuǎn)盤在X向平面上進(jìn)行360°的精確旋轉(zhuǎn)，并且可以保證焊補(bǔ)位置穩(wěn)定，防止焊補(bǔ)位置的變動，提高焊補(bǔ)質(zhì)量。

圖1 機(jī)械機(jī)構(gòu)整體示意圖

2 控制設(shè)計

2.1 電氣控制組成

如圖2 所示，螺旋式焊補(bǔ)軌跡的低溫熔覆系統(tǒng)由以下兩大系統(tǒng)組成：①由單相異步電機(jī)驅(qū)動的傳送系統(tǒng)，主要包括單相異步電機(jī)、滾珠絲杠、滑軌；②由PLC 控制與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制的焊補(bǔ)系統(tǒng)，主要包括氣缸、伺服電機(jī)、靜壓滑軌、VB 編程可視化界面和PC 端人機(jī)交互。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2.2 電氣控制流程設(shè)計

首先應(yīng)用VB 軟件編寫總體可視化控制界面，實現(xiàn)與PLC 和傳感器的通信，通過上位機(jī)給系統(tǒng)發(fā)送指令并由VB根據(jù)算法計算焊補(bǔ)參數(shù)，確定車床主軸轉(zhuǎn)速、自動低溫熔覆的速度、手動位移速度以及各種參數(shù)補(bǔ)償后，選擇低溫熔覆方向。使用卡盤將低溫熔覆軸固定，并驅(qū)動電機(jī)帶動軸以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，保證低溫熔覆過程中低溫熔覆軸的穩(wěn)定。接著，調(diào)整焊槍和送絲機(jī)的位置，由于此次低溫熔覆采用單軸控制，所以焊槍等在Y軸和Z軸上的方向需要自己調(diào)整，同時也要手動調(diào)整焊槍送絲機(jī)的位置，保證主軸正常旋轉(zhuǎn)的情況下，焊槍與低溫熔覆軸保持一個合適的距離且保持穩(wěn)定。最后，依次打開送絲機(jī)、焊槍，開始自動焊接，直到焊接結(jié)束。如果中途暫停焊接，則再次調(diào)整低溫熔覆位置，繼續(xù)焊接。通過物聯(lián)網(wǎng)人機(jī)界面與PLC 通信，控制驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運動[10]。

2.3 總體流程設(shè)計

綜合多方面考慮，本設(shè)計使用PLC 控制程序，控制流程如圖3 所示。

圖3 整體流程設(shè)計

3 結(jié) 語

低溫熔覆作為一種新型綠色環(huán)保的表面改性技術(shù)，既可以對液壓缸、軸承、工作齒頭進(jìn)行新件表面改性，還可對舊件進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后的部件性能不亞于新品，大大延長了工程機(jī)械和關(guān)鍵零部件的使用壽命，有效降低了能源和資源消耗，同時解決了傳統(tǒng)焊補(bǔ)不均勻問題，且實現(xiàn)了多方位的低溫熔覆功能。

本文通過PLC 可編程控制系統(tǒng)可實時連續(xù)地進(jìn)行低溫熔覆。對低溫熔覆時間、速度等參數(shù)可任意地進(jìn)行精確調(diào)節(jié)控制，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)低溫熔覆系統(tǒng)的缺陷，使低溫熔覆修復(fù)功能更全面、更高效；并利用自動化控制系統(tǒng)，填補(bǔ)傳統(tǒng)低溫熔覆市場的空白，為低溫熔覆生產(chǎn)企業(yè)提供了焊斑均勻、焊后便于加工的低溫熔覆系統(tǒng)；同時還能對焊接參數(shù)進(jìn)行記憶存儲，不需要經(jīng)常調(diào)整低溫熔覆參數(shù)，減少材料浪費，進(jìn)而創(chuàng)造更高水平的效益。