(長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022)

引言

近年來我國高速軌道交通行業(yè)和建筑行業(yè)發(fā)展迅速，在建筑體內(nèi)起主力支撐作用的鋼筋籠[1]需求量巨大。由于鋼筋籠滾焊機在我國的應(yīng)用和研發(fā)起步較晚[2]，現(xiàn)有的鋼筋籠加工設(shè)備在焊接過程中焊接動作不穩(wěn)定，且焊點焊接時間與鋼筋籠轉(zhuǎn)速有關(guān)，靈活性差[3-5]。

針對以上問題，本研究基于歐姆龍NJ301-1200系列自動化控制器，設(shè)計了一種焊點動態(tài)定位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制氣缸運動， 可對鋼筋籠焊點進(jìn)行捕捉-跟隨焊接-回原點等動作循環(huán)。該控制系統(tǒng)的優(yōu)點如下：在跟隨焊接過程中，焊槍與焊點之間距離固定，其焊接動作穩(wěn)定[6]，焊接質(zhì)量好；采用自動加工方式[7-8]，焊點整齊一致，生產(chǎn)效率高[9]，操作便捷[10]，可對生產(chǎn)過程實時監(jiān)控，人機交互性好[11-12]。

1 焊點動態(tài)定位原理及過程分析

圖1所示為鋼筋籠結(jié)構(gòu)示意圖，在鋼筋籠加工過程中，主筋繞鋼筋籠中心做定軸轉(zhuǎn)動，同時帶動箍筋螺旋狀纏繞在主筋上焊接而成，箍筋與主筋的交點即為焊點。

圖1 鋼筋籠結(jié)構(gòu)示意圖

圖2所示為焊點動態(tài)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，壓輪氣缸帶動整個焊點動態(tài)定位系統(tǒng)上下運動，水平氣缸可以帶動豎直氣缸在水平方向運動，豎直氣缸可以帶動鉤爪在豎直方向運動。焊點動態(tài)定位原理如下：

圖2 焊點動態(tài)定位機構(gòu)示意圖

首先由壓輪氣缸帶動焊點動態(tài)定位系統(tǒng)整體下移，使壓輪壓在螺旋狀箍筋上，由此確定焊點運動平面；在焊點運動平面內(nèi)，由水平氣缸和豎直氣缸帶動鉤爪捕捉主筋，當(dāng)鉤爪捕捉到主筋時，焊點的位置可以由焊點運動平面和主筋所在直線的交點唯一確定，之后鉤爪跟隨主筋運動，從而實現(xiàn)焊點的動態(tài)定位，圖3為鉤爪局部放大圖。

圖4所示為焊點動態(tài)定位系統(tǒng)氣動原理圖。由焊點動態(tài)定位原理，可將氣動回路動作分為：焊點運動平

圖3 鉤爪局部放大圖

面確定和焊點平面內(nèi)主筋循環(huán)定位兩部分。

(1) 焊點運動平面確定過程分析如下：由于焊點動態(tài)定位系統(tǒng)重量很大，在加工過程中，如果其自身重力全部施加在箍筋和主筋上，將會超過主筋可承受范圍。因此在壓輪氣缸控制回路里添加了平衡重量壓力調(diào)節(jié)閥。在確定焊點運動平面時，壓輪下降閥左位接通，使壓輪氣缸上腔充氣，同時壓輪上升及平衡重量閥右位接通，氣體通過平衡重量壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)入壓輪氣缸下腔，在壓輪氣缸上腔氣壓，壓輪氣缸下腔氣壓和焊點動態(tài)定位系統(tǒng)自身重力的共同作用下，壓輪氣缸活塞桿向下移動，使壓輪壓在箍筋上，由此確定焊點運動平面。當(dāng)鋼筋籠加工完成后，壓輪下降閥右位接通，壓輪氣缸上腔與大氣接通，壓輪上升及平衡重量閥左位接通，氣體直接進(jìn)入壓輪氣缸下腔，使壓輪氣缸活塞桿向上運動，回到原位。

(2) 焊點平面內(nèi)主筋循環(huán)定位過程分析如下：起初，水平氣缸和豎直氣缸處在原點位置，鋼筋籠旋轉(zhuǎn)，當(dāng)主筋上升與鉤爪接觸，此時鉤爪捕捉到主筋；在主筋的帶動下，豎直氣缸活塞桿被動壓縮，在水平方向上帶動水平氣缸活塞桿被動壓縮，當(dāng)主筋旋轉(zhuǎn)到最高點時，開始向下運動，此時豎直氣缸活塞桿主動伸出，驅(qū)使鉤爪與主筋保持接觸，水平氣缸活塞桿繼續(xù)被動壓縮；當(dāng)水平氣缸活塞桿被動壓縮碰觸到返程開關(guān)時，豎直氣缸活塞桿主動縮回，使鉤爪脫離主筋，鉤爪脫離主筋之后，水平氣缸活塞桿主動伸出帶動豎直氣缸反程運動，當(dāng)水平氣缸活塞桿伸出，碰觸到擋塊時停止伸出，同時接通原點開關(guān)，使豎直氣缸活塞桿主動伸出，帶動鉤爪運動到初始位置后停止運動，等待捕捉下一根主筋。至此，一個焊點定位周期完成。

此外，為了防止氣缸運動速度過大，對系統(tǒng)硬件產(chǎn)生沖擊，在壓輪氣缸、豎直氣缸和水平氣缸的氣動回路里都裝有調(diào)速閥，用來調(diào)節(jié)各個氣缸活塞桿的運動速度。

圖4 氣動系統(tǒng)示意圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

焊點動態(tài)定位機構(gòu)控制系統(tǒng)共有16個數(shù)字輸入信號：手、自動切換轉(zhuǎn)換開關(guān)，開始按鈕，停止按鈕，急停按鈕，壓筋氣缸上升、下降轉(zhuǎn)換開關(guān)，豎直運動氣缸上升、下降轉(zhuǎn)換開關(guān)，水平運動氣缸左移、右移轉(zhuǎn)換開關(guān)，豎直氣缸上、下限位開關(guān)，水平氣缸左、右限位開關(guān)，原點開關(guān)，返程開關(guān)；8個數(shù)字輸出信號：分別控制壓筋氣缸上升、上腔排氣二位電磁閥，壓筋氣缸下降、重量平衡二位電磁閥，豎直氣缸上升、下降二位電磁閥，水平運動氣缸左移、右移二位電磁閥。由于鋼筋籠箍筋的螺旋狀纏繞運動需要在3個電動機的協(xié)同控制下完成，所以控制系統(tǒng)選用歐姆龍NJ301-1200運功控制器。該控制器采用模塊式結(jié)構(gòu)，背板總線連接，配置靈活、裝配方便、便于擴展，用戶可根據(jù)控制要求靈活地配置各種模塊，完善優(yōu)化控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需求選用1個16點數(shù)字輸入模塊CJ1W-ID211，1個16點數(shù)字輸出模塊CJ1W-OD211，為方便以后控制系統(tǒng)增加控制點，輸出模塊留有一定余量[13]。配合觸目屏，可實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控。焊點動態(tài)定位機構(gòu)控制系統(tǒng)硬件配置框圖如圖5所示。

其I/O輸入輸出變量地址分配如表1、表2所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件配置框圖

手動模式按鈕I0.0自動模式I0.1開始按鈕I0.2停止按鈕I0.3原點開關(guān)I0.4返程開關(guān)I0.5壓筋氣缸上升開關(guān)I0.6壓筋氣缸下降開關(guān)I0.7豎直氣缸上升開關(guān)I0.8豎直氣缸下降開關(guān)I0.9水平氣缸左移開關(guān)I0.10水平氣缸右移開關(guān)I0.11豎直氣缸上限位開關(guān)I0.12豎直氣缸下限位開關(guān)I0.13水平氣缸左限位開關(guān)I0.14水平氣缸右限位開關(guān)I0.15

表2 I/O輸出變量地址分配表

由于鋼筋籠種類繁多，在對不同形狀，不同樁徑的鋼筋籠焊點進(jìn)行定位時，豎直氣缸和水平氣缸的初始位置有所不同，控制系統(tǒng)需要具備調(diào)節(jié)各個氣缸初始位置的功能。此外，根據(jù)主筋和箍筋的直徑不同，焊接時間也會相應(yīng)變化，返程開關(guān)和原點開關(guān)的位置也需要作出相應(yīng)的調(diào)整。因此控制系統(tǒng)分為了手動控制和自動控制兩種模式。

手動控制模式用于調(diào)整豎直氣缸、水平氣缸以及返程開關(guān)和原點開關(guān)的位置，另外，壓輪氣缸的上下運動也是在手動控制模式下完成；自動模式用于正式加工過程。自動控制流程圖如圖6所示。

圖6 自動控制流程圖

此外，控制系統(tǒng)設(shè)計了急停開關(guān)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時切斷控制信號。控制系統(tǒng)還具備焊點統(tǒng)計功能，返程開關(guān)每接通一次，已加工焊點數(shù)量增加一次，用于確認(rèn)焊點焊接率，評估鋼筋籠生產(chǎn)質(zhì)量。

3 結(jié)論

本研究分析了鋼筋籠加工過程中焊點運動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了焊點動態(tài)定位系統(tǒng)氣動原理圖，根據(jù)氣動系統(tǒng)控制要求，制定了焊點動態(tài)定位控制方案，基于歐姆龍NJ301-1200控制器，設(shè)計了焊點動態(tài)定位控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：可實現(xiàn)對動態(tài)焊點的捕捉-跟隨焊接-回原點動作循環(huán)控制，焊點焊接一致性好；在鋼筋籠加工過程中，對動態(tài)焊點跟隨焊接時，焊槍與焊點相對距離一定，焊接動作穩(wěn)定；可根據(jù)鋼筋籠形狀和大小作出相應(yīng)的調(diào)整，靈活性好，適應(yīng)性強；可對生產(chǎn)過程實時監(jiān)控，交互性好。