法兰焊接自动化控制系统设计

王维凯

（嘉兴景焱智能装备技术有限公司（上海分公司），上海200000）

1 项目概况

本项目为全自动化法兰焊接控制系统的设计项目。基于某流量计有限公司的招标资料要求，在焊接工作台结构方面，主要可分为焊接平台与转台，将自动化系统运用至其中，可为小型焊接提供支撑、紧固、变位的作用，以此满足法兰元件的多种焊接需求，并基于自动化系统，使法兰焊接的精细度得以深化，进而提升焊接操作的水准。而从功能性角度来看，此种焊接自动化控制系统的设计，还需具备焊接流程跟踪、监视的功能，以便持续为法兰焊接提供可靠的技术操控平台，同时能够凭借数据的传导与影像的管理，降低焊接弧光等问题的发生概率，使法兰焊接的整体流程与各项参数更详细的展现在自动化控制系统内，由此检修与操作人员便能够根据法兰焊接的实际效果，对后续焊接技术进行持续优化，并为智能化等技术的应用奠定扎实基础。故而，如何做好法兰焊接自动化控制系统的设计，并合理配置工作台的整体结构，便需要得到设计人员的重视。

2 法兰焊接全自动工作台系统结构及工作原理

2.1 整体结构

工作台整套系统主要由焊接电源、控制柜、送丝机构、移动式焊接操作机与滚轮架、焊剂自动输送与回收系统、视频监控系统、焊丝跟踪器与电气控制系统构成。其中，电气系统主要由主变压器、控制变压器、整流器、控制与点火PC 板、冷却风机、输出仪表、继电器、接触器及PLC 控制系统构成。而控制系统结构则由触摸屏、伺服电机、上位机、PLC 控制器、驱动器、摆动气缸、电磁阀与磁性开关构成。

2.2 工作原理

为有效解决法兰焊接形状复杂、位置约束大、弧光大等问题，更便于人员观察与调整。在PLC 控制系统应用期间，可基于数据控制焊接平台的翻转与回转，通过耦合器使PLC 系统与焊接系统关联，做好人机界面的排布，并选择适宜的操作模式，录入各类焊接技术的数据，便能够通过面板控制电源的输出功率。其次，PLC 控制器基于主机系统，可对输出脉冲数据进行处理，并基于编程信息向传感器与编码器传达指令，以便定位控制、原点复位、梯形控制等功能得以实现。最后，借由PWM输出功能，可任意控制传感器等装置的脉频输出效果。而视频监控系统的运用，则能够通过影像数据观察焊缝的平整度等数据，若是数据与系统要求存有偏差，则能够通过复位、点动、模式、示教、报警与通讯等功能，使焊接问题在最短时间内得到解决，使电气自动化技术与焊接工艺彻底融合，真正解决法兰焊接外观无保障、操作繁琐、维护较难等问题，使焊接质量得到更好的保障。[1]

3 电气整体控制方案

根据法兰焊接自动化控制系统设计要求可知，控制系统需满足上位机数据采集与工艺流程监视的要求，同时还需为上位系统的指令提供接收与反馈的渠道，才能使电气整体控制方案效果得以保障。故此，电气整体控制方案需要从电控系统、变频装置、法兰、升降结构等角度进行管控。其中，电控系统装置需要做好接地、过载、电路、失压、限位与缺相等保护措施，以便电控系统能够持续处于稳定的运行状态；在电气整体结构设计中，控制电机的电压宜选用DC24V 直流电压，所有变频器等装置的配置应远离控制电机等装置，并且变频器与电机线缆长度应控制在100m 范围内，避免因线缆问题，使电气控制系统丧失电能供应来源；为确保法兰结构焊接精准，需在十字操作臂内设置保护连锁信号，降低误操作的发生概率；而在升降结构组建中，需在工作与非工作位置设置安全销，以便及时得到电控信号，使电气控制系统的指令得以持续。并且，在升降结构内，还需配置特定的编码器，用来检测升降机的运转速率，确保法兰焊接流程稳定且可靠。[2]

4 自动化控制系统设计

4.1 电气硬件设计

法兰焊接工作台为满足信号响应与传输的功能需求，在电气硬件配备方面，涵盖了主控柜、触摸屏、电机、变频器、交接与变位夹具、安全与联锁、停止器等装置。

为使PLC 与总线得到充分利用，需提供一套技术完备的主控柜，连接中控室及以太网内但上位监控系统进行通讯，基于I/O 的方式将控制系统与设备层互锁。期间，主控柜上需配置触摸屏，以便通过画面内容显示工作台与工艺的运行状态，为操作人员提供更可控的管理平台。若是系统存有故障问题，控制台需在接收到故障信号后，借由触摸屏弹出警告，以便问题得到及时解决，并且控制柜面板上需设置消音按钮，以此消除警报声音；其次，为确保操作台与系统持续处于稳定、安全的运行状态，驱动装置内的电机减速装置需配有断电与过热保护装置，而升降结构中的变频器，则需要配有适宜的制动电阻；再次，在升降、法兰结构与变位转换等位置，需设置操作站，在操作期间需通过检测元件对各位置进行监测，以便操作台的使用持续处于稳定状态。其中跟踪系统需要与操作站联动，而在转接口或升降结构处，还需配置独立的手动操作平台，配置急停按钮；最后，未免工作台受断电、停气、误操作与其他异常状况的影响，设计人员需配置声光报警与适当的保护措施。其中，系统应具备出现误操作时，系统自调误动作的功能，并且可通过硬线连锁与其他装备提供电气控制渠道，避免设备故障造成大范围的影响。另外，可将CMA 接入工业以太网系统内，做好主机运行的衔接，若存有主机停线的情况，则法兰焊接也需要停止工作；若法兰焊接停止工作，则设置在升降结构部位的检测元件需将信号传递至主机平台，实现系统报警。[3]

4.2 PLC 控制设计

控制柜操作面板应与组态计算机内数据库关联，通过软件的模拟测试与模拟生成的项目文件可视化。其中，软件可提供多种图形控件、功能组件与控制器件库，基于组态数据实现系统的操作功能，并借助监控系统，使PLC 系统内的实时数据得以传输、记录、显示、存储与处理；其次，在PLC 系统可用语句表与梯形图进行编程，在编译结束后，通过计算机通讯平台导入PLC 操作平台内。其中，系统程序主要由主程序、子程序与中断程序三部分构成，主程序负责工件选择、手动加工与新工艺参数的转换，子程序带参数融入加工流程，而电动机则需连接子程序与中断程序，以便控制电机的运行、减速与停止。

最后，为降低工作台传动误差，焊接结构外圆的旋转需通过齿轮传动实现，通过旋转周数控制电动机的脉冲量（标准量=5840）。而从焊接角度来看，焊接工件规格较多，这使得焊点数值常存在差异，若直接通过脉冲与焊点数计算，则极易产生小数点误差，使PLC 系统的操作产生持续性的数据误差。故此，可采用以下算法克服小数积累的偏差。

其中：N ——焊点数；

K ——计数值；

Y ——电动机脉冲数。

基于上述运算公式，可知电动机脉冲总数仍为5840 个，在外圆旋转一周后，焊点数的变化并不会使计数值产生小数点，如此便避免了累积误差等问题，并且焊点间距的可控性也得到了显著提升。[4]

4.3 误差补偿方案

在法兰工件焊接过程中，受焊接十字架结构的设计、回转与翻转传动方案的设计等因素影响，焊接工艺误差总是无可避免的，为避免焊接质量受影响，便需要对关键部件的选型与及时校正给予重视。其中，焊接工作台控制系统在设计期间，需根据功能需求构架以PLC 技术为核心的半闭环伺服控制系统，基于电气硬件、功能模块软件的设计，对法兰焊接自动化控制系统进行调试，以便系统功能特征更便于识别；其次，为更清晰的了解系统误差，可基于数据建立数学模型，通过临界比例度法的运用，对PID 控制系统的参数进行校正，随后操作人员可对焊接工作台的各项尺寸与定位参数进行精密检测，以便判断焊接误差的产生原因，通过数据模型的解析，将误差补偿方案导入PLC 控制系统内，为PID 控制器提供持续的模糊自适应算法，以便为PLC 控制系统奠定可持续优化的平台[5]；最后，为保障数学模型与校正参数的可用性，需通过法兰焊接平台的操作进行试验，评估焊接工作台与法兰焊接的整体工作效率，做好流程的监视与数学模型的建立，使PLC 系统运行特征与潜在问题更便于发觉。[6]其中，监测重点需放在焊机、送丝机构上，检测送丝的速度与焊丝直径，分析是否能够满足法兰焊接自动化操作的速率与质量要求，同时还需根据电气PLC 控制系统，判断悬臂运行速度、十字架上升及下降速度、焊缝工艺速度、伺服速度与升降速度等数值是否匹配，若存在偏差，则需要通过PID 控制系统对整体焊接结构的参数进行校正。[7]

5 系统调试及深化设计

为确保法兰焊接自动化控制系统实用性优异，本项目对各类装置的技术参数进行了详细的调查。其中，法兰焊接悬臂的有效伸缩行程为600mm，进给速度为200～2000mm/min，传动方式为滑动丝杆式与无极调速，升降行程为800mm，立柱回转范围在±180°，手动托板调节范围为50*50mm。在电机的选用上，焊接电流为280A，焊接电压为28V，焊丝直径为1.0～2.0，焊接速度为8mm/s，焊缝宽度为150mm。

对比设计要求，可知尽管功能性满足工业自动化加工的要求，但是设计方案并未对线缆的选用给予专业化的对策。故此，在深化设计中，需确保为主控柜周围的网路线缆与联锁线缆安装防护罩，在设备线路敷设方面，应避免使用明线或电缆，且设备操作高度与走线形式应考虑到人体工程学的要求。其次，线缆需符合设计、规范与标准要求，导线颜色应规范，线缆需提供穿线槽，并做好软管与穿线管保护。

6 结论

法兰焊接自动化控制系统的有效构建，既能够为工业焊接工作的开展提供效率更快，精度更高的数据管控平台，使法兰焊接的质量水准得以显著提升，同时凭借完善的数据传导与处理系统，更能够基于各类设备的运转特征，分析潜在的系统风险，将数据递交至控制柜显示屏上，使故障风险得以迅速解决。故而，在论述法兰焊接自动化控制系统设计期间，必须明确自动化控制系统的硬件与软件结构，确定潜在的误差风险，并提出适宜的优化解决方案，确保PLC 控制系统运行稳定，才能为后续高质量的法兰焊接工作奠定基础。