基于PLC和触摸屏的闪光对焊机控制系统改造.pdf

2023No9(上)设备管理与维修技术与改造101基于PLC和触摸屏的闪光对焊机控制系统改造张少林，王飞伟，靳喜泉（西部超导材料科技股份有限公司，陕西西安710000)摘要：介绍一种基于PLC和触摸屏的闪光对焊机控制系统的工作原理及系统组成。该系统采用西门子S7-200SmartPLC作为控制器、博图组态软件作为监控软件I，根据闪光对焊机工作原理设计PLC控制程序，并根据实时监控和远程控制要求设计基于触摸式组态软件的人机交互监控界面。该系统能有效解决传统闪光对焊机不适应钛合金材料焊接的情况，大幅提高钛合金棒材对焊成功率，明显改善钛合金棒材焊缝质量，提高钛合金焊机生产效率，有力保障生产流程顺利进行，具有显著经济效益。关键词：PLC；触摸屏；闪光对焊机中图分类号：TG442文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.390引言随着国家综合实力的不断提升和工业自动化需求的日益增加，各类钛合金产品的需求量日益增加，钛合金产品在航空航天、军工产品、高端医疗耗材等领域的使用越来越普遍。钛合金不同于一般金属材料，对各道生产工艺都有特殊的要求，如果采用常规工艺进行钛合金加工，极易产生表面裂纹、组织缺陷等一系列问题，影响产品质量。传统生产设备主要应用于铁、铝、铜等常规金属材料，对于钛合金的适应性较差。闪光对焊机是一种广泛用于棒材纵向连接的焊接设备。其工作原理是利用对焊机两端的棒料接触，通过低电压的强电流，待钛合金棒料被加热到一定温度软化后，进行轴向加压顶锻，形成对焊接头。在长期使用中发现，闪光对焊机对钛合金棒材焊接效果较差，焊接后物料端头裂纹多，焊接成功率低。为提高焊接成功率，保证焊接质量，需要对闪光对焊机控制系统进行优化改造，使其适应钛合金棒材焊接要求。系统组成及功能介绍1闪光对焊机控制系统分为热量控制和动作控制两部分3，热量控制为控制系统核心，动作控制围绕热量控制展开。热量控制阶段如图1 所示，具体分为3 个阶段：第一阶段为闪光建立阶段P1,该阶段主要通过对焊件施加短时间高压电流实现对焊件的快速加热，形成液体金属“过梁”，由于液体过梁中的电流密度极高，使过梁中的液体金属蒸发、过梁爆破。随着电极夹钳的缓慢推进，过梁也不断产生与爆破，在蒸气压力和电磁力的作用下，液态金属微粒不断从接口间喷射出来，形成火花急流，即闪光，从而建立焊件加热回路；第二阶段为稳定加热阶段P2，该阶段主要通过对焊件持续施加长时间低压电流实现对焊件加热，在随着闪光过程持续进行，工件逐渐缩短，端头温度也逐渐升高，随着端头温度的升高，过梁爆破的速度将加快，电极夹钳的推进速度也逐渐加大，在闪光过程结束前，工件整个端面已经形成一层液体金属层，并在一定深度上使金属达到塑性变形温度，该区域内焊件的温度已经达到规定的焊接温度；第三阶段为冲压焊接阶段P3，该阶段主要通过对焊件施加短时间闪光对焊机的机械部分主要由焊接护板、棒料夹持气缸、电极夹钳、送料油缸等部件构成。闪光对焊机动作控制流程如图2 所示4。动作控制的核心是根据每个放热阶段的持续时间要求，控制每个机械部件的动作速度和动作位置，并在规定位置发出控制信号，实现加热模式转换，满足热量控制的高压电流，使焊件在高压顶锻的情况下相互挤压，焊接接口间隙迅速减小并使过梁停止爆破，完全挤出端面的液态金属及氧化夹杂物，使洁净的塑性金属紧密接触，并使接头区产生一定的塑性变形，形成交互结晶接头，实现焊接功能。每个阶段的持续时间分别为T1、T 2 和T3。对于不同的焊件材料，闪光对焊的每个阶段所需的热量不同，由于闪光对焊机放电加热元件和每个阶段放电电流大小是固定的，调节每个热量阶段放热总量的方式为调整每个阶段的持续时间T。因此，热量控制系统围绕每个阶段的持续时间展开。P3P1P2-11T1T2T3时间/图1闪光对焊机热量控制阶段要求，确保对焊成功率和焊接质量。2控制系统设计闪光对焊机控制系统主要由可控硅控制电路板、PLC控制核心、晶闸管控制模块等元件构成。为实现对可控硅放电元件的精确控制，选用PAC16P单相移相调压板作为可控硅的触发电路，该调压板能接收PLC输出的4 2 0 mA模拟电流信号，根据模拟信号大小调节可控硅的导通角，从而控制焊件加热电流的大小。该调压板的输出脉冲具有极高的对称性和稳定性，输出信号不易随温度发生变化，使用过程中无需对脉冲对称度和限位进行调整。此外，该调压板具有完善的电路保护系统，一旦出现故障，保护系统能短时间发挥作用，有效防止误操作对电气元件造成的伤害，避免发生生产安全事故。在PLC的选用方面，经过对功能、价格、使用难度、通信功2023No9(上)设备管理与维修技术与改造102编辑毕来金品闸管打火放电，操作工将物料置于打开焊接护板关闭焊接护板进人P1功率放电模开始夹持区松开物料夹持气缸启动对焊机式，快速加热对焊启动夹持气缸部位送料油缸抵达冲压送料油缸匀速平焊接护板打开，夹气缸加速前冲，执对焊区，触发控制移，使对焊部位靠结束持气缸和送料油缸行锻压对焊操作信号，品闸管进入近，晶闸管保持P2复位P3功率放电模式功率放电模式图2闪光对焊机动作控制流程能等方面的考虑，选用西门子S7-200SmartPLC作为控制核心，该型号的的PLC具有2 4 个输人点，1 6 个输出点，且价格适中，性价比高，能够满足控制系统的需要。为实现对晶闸管放电的准确控制，在PLC基础功能上增加扩展模拟量输出模块AM6作为晶闸管控制信号通信模块5，该模块可以实现在PLC主机控制下4 2 0 mA的模拟量输出经过设计，控制系统有4 个输人点，8 个输出点，控制系统的IVO地址分配见表1。为了确保操作安全，本系统在确保各部件完成规定动作的前提下，增设了半闭环检测系统回，通过限位开关检测焊接护板的位置，确保在焊接护板关闭的情况下才可以执行加热对焊操作，保证了生产安全。控制系统硬件配置如图3 所示。表1闪光对焊机控制系统的I/O地址分配信号名称信号地址信号名称信号地址夹持气缸夹紧110.0油缸匀速平移Q0.2夹持气缸夹紧210.1油缸顶锻加速Q0.3启动对焊10.2调压板电源Q0.4顶锻到位开关10.3热量P1Q1.0夹持气缸放松1Q0.0热量P2Q1.1夹持气缸放松2Q0.1热量P3Q1.23人机交互界面设计闪光对焊机人机交互界面依托西门子博图工控组态软件V16进行设计，配合触摸屏实现人机交互。西门子博图工控组态软件V16具有灵活的可视化操作界面，可以实现多媒体演示功能，支持国内外多种品牌的数据采集与输出设备。并且，该组态软件可以实现与PLC的高速通信，实现实时监控。人机交互界面主要由参数设置区、动作调试按钮、加热电流监控、焊接区温度检测、超温报警等部分构成。操作人员可以在参数设置区设置各项工艺参数，调整对焊机热量控制和动作控制参数，满足不同规格钛合金棒材焊接要求。人机交互界面的设计结果如图4 所示。4系统调试与运行将编译后控制程序下载到PLC中并运行，然后打开人机交互界面，就可以获取闪光对焊机当前状态，实现工艺参数动态调整和生产过程关键参数实时监控。通过PLC自带网络通信模图3控制系统电控系统000毫秒起弧时间设定000安培焊接电流显示000毫秒顶锻时间设定000摄氏度可控硅温度显示000毫秒气缸回时间设定调压板电源000安培热量1 电流设定川OFF油缸点动可控硅超温000安培热量2 电流设定000安培热量3 电流设定汽缸点动图4人机交互界面块，可以实现工艺过程远程监控，整套系统运行可靠、稳定，自动化程度高，操作简便。闪光对焊机控制系统安装运行后，钛合金棒材焊接成功率大幅提高，焊接质量和生产效率明显提升，经济效益明显5结束语通过设计基于PLC和触摸屏的闪光对焊机控制系统，基本解决传统闪光对焊机不适应钛合金棒材焊接的问题，大幅提高钛合金棒材对焊成功率，明显改善钛合金棒材焊缝质量，为后续加工奠定良好的基础。并且，通过此次自动化改造，设备安全性得到大幅提升，从源头上杜绝误触、误操作带来的生产安全隐患，在保证生产安全的前提下，减少设备故障带来的损失，对减少故障损失具有重要意义。此外，也为相关产品开发提供了可行的技术思路，能有效减少开发成本和开发时间。参考文献1】邢婷婷，戴琨，牛彩雯，等.基于PLC的矿用圆环链闪光对焊机控制系统 J.焊接,2 0 1 6(1 2)：6 7-6 9,9.2】冯锦国,王大军,刘存根，等.基于PID的闪光对焊机控制系统设计 J焊接技术，2 0 1 6,4 5(2)：58-6 1.3】冯锦国，郝迎吉，赵英.KAS260闪光对焊机控制组件分析研究 J.电焊机,2 0 1 1,4 1(1)：2 0-2 3.4】冯锦国，刘存根，王大军.KAS260闪光对焊机焊接工艺研究 J.金属加工（热加工），2 0 1 0（1 6）：4 8-4 9.5张忠科，王希靖,达朝炳，等.气液增压装置在闪光对焊机上的应用 J.机械与电子，2 0 0 6（1 0）：3 0-3 2.6】李蔷，周友龙.一种闪光对焊机上的送进装置 J.设备管理与维修，2003(9):51.