卡车驾驶室底部焊接夹具的控制系统设计

王善刚 战佩艳 张 爽 付胡代 高金刚

(①长春工程学院机电工程学院，吉林 长春130012;②中国电信白山分公司，吉林 白山134300 )

卡车驾驶室给驾乘人员提供了安全的架乘空间，在发生事故时，车身相关部件能充分吸收撞击的能量，降低人员所受的冲击，因此，卡车驾驶室焊接质量和工艺极为重要。某卡车厂原有对卡车驾驶室底部焊接基本靠工人用手拉葫芦等设备来完成的，工序繁琐，焊接人员的工作空间有限，使生产效率受到极大影响。我们根据企业要求，研发了卡车驾驶室底部焊接夹具，夹具属于焊接工艺过程的辅助设备，其良好的控制系统不仅可以保证焊接产品的尺寸精度及外观变形范围，而且还能提高生产效率;这里主要介绍对夹具控制系统的设计。

1 焊接夹具的结构组成及其工作流程

卡车驾驶室底部焊接夹具的实际设备如图1 所示。夹具主要由一个整体平台、检测系统、气压系统、上下端固定系统、锁定系统以及控制系统组成。

夹具的工作流程如下:(1)开机后，控制面板及动力柜上的电源指示灯亮，选择车型A 型或B 型;(2)选择自动档位，将驾驶室车体吊装到夹具上，放好位置;(3)安装好驾驶室后，检测系统向PLC 发出有工件可以运行的指令，按“抬起”按钮，夹紧气缸A1、A2、B、C1、C2 伸长，推动销子、钩子固定好驾驶室车体，PLC驱动变频器，变频器控制电动机将装有车体的夹具翻转到位，到位后PLC 驱动锁紧气缸D1、D2、D3 伸长，插入销子，锁定夹具上车体的位置，工作人员即可到工作台进行车体焊接作业;(4)焊接作业完成后，确保工作台无人后，启动“落下”按钮，PLC 驱动锁紧气缸D1、D2、D3 收缩，销子拔出后，变频器控制电动机将车体随夹具一同落下回到原始位置，夹紧气缸A1、A2、B、C1、C2 收缩，销子、钩子拔出，工作人员即可将驾驶室车体吊离，完成一个车体的焊接操作。

2 焊接夹具控制系统的总体结构

根据卡车驾驶室底部焊接夹具的功能和工作流程，进行了控制系统的总体结构设计，结构框图如图2所示。由图可见，卡车驾驶室底部焊接夹具的控制系统由PLC、变频器、交流电动机、气动电磁阀、气缸、控制按钮、金属感应器及指示灯等元器件组成。

卡车驾驶室底部焊接夹具进行工作时，首先，通过控制面板上的“抬起”控制按钮发出指令，PLC 接到指令后控制气动电磁阀动作，驱动气缸固定好驾驶室的上下两端，以便于夹具抬起过程中驾驶室不至于掉落;接着PLC 向变频器发出正转和速度指令，变频器根据指令控制交流电动机旋转，通过齿轮传动带动夹具上的车体到达指定的位置，金属感应器检测到该位置后，向PLC 发出反馈信号，PLC 控制气动电磁阀锁定夹具并驱动指示灯发出信号;当启动“落下”按钮时，PLC控制锁定电磁阀松开夹具，接着PLC 向变频器发出反转和速度指令，变频器根据指令控制交流电动机旋转落下驾驶室车体，金属感应器检测到夹具上的车体回到原位后，向PLC 发出反馈信号，PLC 接到指令后控制气动电磁阀动作，驱动气缸松开驾驶室车体的上下两端，从而完成一次循环动作。

3 硬件的选择以及PLC、变频器的配置

根据卡车驾驶室底部焊接夹具的工作需要，选用以西门子S7-200 CPU226CN 小型PLC 为主控设备，带有24 个输入继电器和16 个输出继电器，来作为夹具的控制核心;变频器选择了FRENIC-MEGA 系列的FRN5.5G1S-4C 变频器，交流电动机选用德国SEW 公司生产的型号为DV112M4/BMG/HF 的4 kW、380 V交流电动机，检测元件用欧姆龙有限公司生产的E2E-X5E1-Z 金属感应器来作为检测设备;PLC 输入继电器地址为I0.0～I2.7，输出继电器地址为Q0.0 ～Q1.7。PLC I/O 分配图，如图3 所示;变频器配置如图4所示。

4 夹具控制系统的软件设计

卡车驾驶室底部焊接夹具的控制系统首先满足驾驶室自动翻转过程:慢速启动—中速运行—高速运行—中速运行—慢速停止，如图5 所示的驾驶室翻转抬起和翻转落下V-S曲线图;根据卡车驾驶室底部焊接夹具自动翻转的要求，对变频器的速度、频率进行调节，各个动作过程夹具的翻转速度是不同的，变频器的输出频率也随之而变，因此给变频器设定3 个输出频率:低频、中频、高频，变频器参数设定如表1 所示;处理好PLC 与变频器的通讯联系，设定如表2 所示。

卡车驾驶室底部焊接夹具运行时，启动抬起按钮，PLC 向气压阀发出固定好工件的命令，气压缸向PLC反馈是否完成任务的信号，如完成，则PLC 向变频器发出转向和速度信号，变频器驱动交流电动机带动夹具翻转，到达限位后，PLC 向锁定气压阀发出锁定命令并锁定夹具，完成焊接任务后回原位，松开夹紧气缸;卡车驾驶室底部焊接夹具PLC 顺序功能图如图6所示。

表1 变频器参数设定

5 结语

卡车驾驶室底部焊接夹具的控制系统设计是帮助企业进行的自动化改造，夹具的电气设备连接完成后，进行了设备调试，试加工，结果显示，夹具抬起和落下时运行平稳，工位和焊接的空间合适，便于操作人员对驾驶室底部进行焊接;夹具的使用是把新的技术引入到旧的系统中，彻底改变了焊接人员的恶劣工作环境，原来焊接一个车体的时间现在可以完成两个车体的焊接工作，大大提高了生产效率;该设备已投放于某卡车厂中使用，取得了良好的经济效益。

表2 PLC 与变频器通讯设定

［1］郑阳平. 皮带机智能控制系统的研究［J］.制造业自动化，2014，36(2):112-113.

［2］周建中，项余建，王隆太.可实时监控的皮革真空干燥机控制系统的设计开发［J］. 制造业自动化，2009，31(10):131-133.

［3］李红，李庆祥，张浩. 高能螺旋压力机新型控制系统研究［J］.锻压技术，2013(2):98-100.

［4］孙剑萍，汤兆平.基于变频器通讯的PLC 在同跨架起重机防撞系统中的应用［J］.制造业自动化，2009，31(10):55-57.