悬臂埋弧焊及自动跟踪系统设计

刘东伟

摘要：本文分析了目前我司箱型柱焊接现状，焊接设备工作原理，设计改造思路及方法，机械传动选型、控制系统选型及自动跟踪控制系统的编程，系统接线及调试。

关键词：箱型、焊接设备、自动跟踪系统

一、前言

2018年初我司因为有一大批钢结构箱型柱需要加工，在焊接工序公司现有的设备无法满足箱型柱焊接需求，如果采用外协加工，会产生较高的外协成本，如果重新采购设备，则要从申报项目审批、设备招标采购、到安装调试投入使至少需要4-5个月时间，根本无法满足工程要货期。在这样的背景下，我专门根据箱型柱加工类型范围设计了一台悬臂埋弧焊，时间周期只需要30天，经过计划和评估完全能够满足工程交货期。

二、设计思路

1、设计思路;由于该批箱型柱截面大多在600-800mm范围内，而且板厚都在14-16mm左右，因此设备可以按加工要求定制，可大大节省设备占地面积，焊接电源采用2台ZX-1250A小车埋弧焊进行改造，省去焊接电源采购成本，电气控制部分采用PLC+变频器，因该部分可以在任何电气市场采购到，所以没有货期限制。设备机身由工厂的余料方钢及钢板等制作，大大节省了设备开发设计及制作时间和成本。在焊接时由于轨道误差，以及放置的箱型柱与设备机身不可能完全平行，设计一套焊缝自动跟踪系统能够解决该问题，并能提高工作效率。

2、机架设计;根据需要焊接的箱型柱设计主机架，主机架由小车平台及立柱和横梁组成，小车平台由2只主动轮2只从动轮及驱动减速机和电机组成，小车平台具有支撑焊臂及放置焊接电源的功能，是整个设备的行走机构。横梁具有固定左右移动滑台、焊臂焊枪、焊丝盘等功能（见附图1）。

3、电气控制;采用PLC触摸屏一体机，为减少变频器控制线路以及方便调节和显示速度，PLC和变频器之間采用模拟量控制，同时也减少了控制面板上的实体开关按钮，在触摸屏上实现焊接和空行速度的切换与调节。自动跟踪系统采用2只接近开关作为焊接焊缝的检测，两个接近开关之间距离相差1cm，与箱型柱之间相差5cm这样在焊接时焊丝始终在焊缝的合适位置，达到跟踪目的（见附图二）。

4、轨道设计;轨道采用φ20圆钢焊接在宽150mm厚12mm的钢板上，钢板固定在地面，并且安装时调整好轨道中心距。

5、部件选型;焊接电源采用工厂现有的半自动埋弧焊机，型号为ZX-1250，为节省空间及投入成本，控制部分选用PLC触摸屏一体机1台型号MC24MR-12MT-500-ES-B，变频器1台CDI-EM60 0.75KW ，驱动电机减速机2套RV050-100-63B5，焊臂移动采用重型双线轨滚珠丝杆直线导轨滑台2套，含步进电机及驱动器，小车行走主动及从动轮，根据轨道而设计加工而成，轮槽φ22mm，轮外径为150mm。

6、程序设计;6.1、小车行走程序设计思路，因为采用变频器开环控制，不需要反馈信号，为提高系统控制可靠性及简化电路，变频器采用模拟量控制，PLC一体机的AD端接电位器，将电位器的模拟量输入到PLC进行数模转换一路信号用DA端输出供变频器模拟信号输入控制焊接行走速度，一路信号在PLC内部经过转换将输入电压信号转换为数据显示，由触摸屏显示行走速度。小车空车行走时速度由触摸屏设定预置，在PLC内用到传送指令。6.2、焊臂移动及焊缝自动跟踪;左右两边焊臂的移动在手动时由PLC外部输入两组左移右移信号，由PLC输出指令分别驱动两台步进电机驱动器，在焊接时焊缝的自动跟踪由焊臂上安装的传感器完成，每个焊臂安装2个传感器进行检测，第一个检测焊缝的位置兼做限位，第二个检测焊枪的偏移量，当焊枪偏离焊缝时PLC马上输出指令，步进驱动器开始矫正动作，使焊缝始终保持1mm误差范围内。（附图3自动跟踪程序）。

三、安装与调试

1、按照设计图制作焊接小车，焊接电源放置在焊接小车两端，焊臂分别安装在左右移动滑台上，确认控制线路无误后即可上电，理论上上电基本可按设计程序执行。

2、启动焊接小车空走，空走速度在触摸屏上预置，确保预置范围能达到空行要求，再转换到焊接模式，由控制面板上的速度电位器调节速度，确保焊接过程速度符合焊接要求。

3、调试自动跟踪系统，在焊接区域放置一条箱型柱，将焊臂手动移动靠近箱型柱直至限位，手动调整焊枪使焊枪中心对准焊接部位，调节第二个传感器，确保检测距离比第一个大1mm，理论上1mm是最理想状态，但由于机械振动误差建议调节为2mm，按下焊接启动按钮，小车开始按焊接速度行走，焊臂开始根据箱型柱的偏移量进行纠偏，观察纠偏过程焊枪的移动情况，如果太慢不能及时的进行纠偏，如果太快会导致焊缝有轻微咬边现象，此时需要在触摸屏上设置纠偏时步进电机的脉冲频率，设置完成后模拟运行2-3次循环，没有异常后即可正常投入使用。

参考文献

[1] 彭亚楠， 张武， 谢映，等. 触摸屏PLC一体机在太阳能热水控制系统中的应用， 机电技术， 2015（03）：65-67.

[2]曹丽婷， 田景文， 聂雪媛. 焊接机器人焊缝自动跟踪系统[J]. 微计算机信息， 2006， 22（03S）：77-79.