范 強，董洪波

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 控制系統(tǒng)設(shè)計背景簡介

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，近些年國內(nèi)生產(chǎn)模式也加速向自動化、智能化轉(zhuǎn)型，PLC(可編程邏輯控制器)和機器人成為工業(yè)自動化、智能化不可或缺的重要組成部分[1-3]。本文針對中煤科工集團西安研究院有限公司設(shè)計的煤礦用全液壓鉆機在進行部件(如圖1所示的焊接托板1、調(diào)角油缸支座2、斜撐桿支座3[4])焊接時勞動強度大的問題[5]，以伺服內(nèi)置PLC為核心，利用其集成度高、低功耗、開放性好的優(yōu)勢[6]，設(shè)計了焊接平臺的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可控制焊接平臺翻轉(zhuǎn)到不同的焊接角度，定位精確、可靠，同時具備人工和機器人兩種焊接模式[7]。本焊接平臺控制系統(tǒng)的研制成功可為其他翻轉(zhuǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)的研究提供參考。

1—焊接托板；2—調(diào)角油缸支座；3—斜撐桿支座

2 工位需求分析

如圖2所示，焊接平臺主要機械結(jié)構(gòu)包括減速機1、轉(zhuǎn)軸2、定位銷3、平臺反面焊接件和夾具4、焊接翻轉(zhuǎn)平臺5、平臺正面的焊接件和夾具6等。該焊接平臺分正/反面0°、45°、135°共6個工位，正/反面0°為人工或機器人焊接工位，正/反面45°、135°為人工上下料工位。焊接件在平臺翻轉(zhuǎn)到45°或135°時，由人工裝夾在焊接平臺上，然后由控制系統(tǒng)控制焊接件人工手動焊接完成，或是由機器人進行焊接作業(yè)。

1—減速機；2—轉(zhuǎn)軸；3—定位銷；4—平臺反面焊接件和夾具；5—焊接翻轉(zhuǎn)平臺；6—平臺正面的焊接件和夾具

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制要求

該焊接平臺控制系統(tǒng)除了能實現(xiàn)平臺翻轉(zhuǎn)到不同角度工位外，還應(yīng)該具備以下功能：

1)緊急停止。焊接平臺在工作過程中，若出現(xiàn)意外情況，只需按下急停按鈕，平臺會立即停止工作。意外事件處理完畢后，按下復(fù)位按鈕，平臺回到0°焊接工位。

2)翻轉(zhuǎn)定位異常報警。焊接平臺在翻轉(zhuǎn)之前定位銷必須收回，即將要翻轉(zhuǎn)到固定角度工位時，定位銷必須提前伸出，使平臺以電機輸出的設(shè)定轉(zhuǎn)矩值靠緊定位銷。若定位銷未穩(wěn)定伸出或收回，則系統(tǒng)報警提示。

3)伺服電機轉(zhuǎn)矩模式下的脈沖定長。選擇伺服電機的轉(zhuǎn)矩控制模式，計算該平臺機械零點到各個角度工位的行程脈沖，即可實現(xiàn)平臺精確、可靠定位。

3.2 硬件電路實現(xiàn)

根據(jù)2.1的控制要求，控制系統(tǒng)硬件組件及操作按鈕布局如圖3、4所示。以運控PSDAP-A9伺服驅(qū)動器1及其內(nèi)嵌PLC和與焊接機器人通訊的I/O擴展板2為控制核心，配合A9系列伺服電機(功率750 W，額定扭矩2.4 N·m，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最大扭矩7.2 N·m，2 500線光學(xué)編碼器。)、減速比為1 434∶1的減速機實現(xiàn)平臺的精確可靠翻轉(zhuǎn)。SMC氣動換向閥控制SMC氣缸實現(xiàn)定位銷的插拔動作，保證平臺定位可靠。用雙色指示燈7來實現(xiàn)定位銷未可靠插拔后的報警。其他組件為電源模塊3、Schneider的空氣開關(guān)4、電磁繼電器5、中間繼電器6以及按鈕、開關(guān)等電氣元件。

1—伺服驅(qū)動器；2—I/O擴展板；3—電源模塊；4—空氣開關(guān)；5—電磁繼電器；6—中間繼電器

7—雙色指示燈

4 PLC控制程序設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)操作流程

根據(jù)焊接平臺實際工作流程，確定控制程序流程圖，如圖5所示。操作時先打開總開關(guān)，然后再按下伺服電機上電按鈕，給伺服電機模塊供電。供電后，如果平臺不在機械零點，將通過正/反面0°按鈕使翻轉(zhuǎn)平臺自動找到機械零點，即伺服復(fù)位，然后通過正/反面選擇開關(guān)和自動/手動選擇開關(guān)選擇相應(yīng)的焊接工位和焊接模式，最后平臺運動到固定工位角度，由機器人或人工焊接，或人工上下料。整個過程中每個角度的定位銷插拔可靠，若未可靠插拔銷，則指示燈7報警。

圖5 系統(tǒng)控制程序流程圖

4.2 控制程序編寫

通過對翻轉(zhuǎn)平臺控制系統(tǒng)操作流程的分析，可以確定有如下輸入點：手動/自動模式選擇開關(guān)，正面/反面選擇開關(guān)，手動/自動模式下的0°、45°、135° 3個位置按鈕,急停按鈕,夾具打開及關(guān)閉按鈕,焊接平臺原點接近開關(guān)共9個開關(guān)量輸入。PLC輸出點數(shù)可以通過如下方式確定：3個工位角度控制氣缸插拔銷的電磁閥、三色報警指示燈、控制正/反面夾具動作的電磁閥等8個數(shù)字量輸出接口。

如圖5所示，平臺翻轉(zhuǎn)過程中是依據(jù)伺服電機轉(zhuǎn)矩運動模式下脈沖定位運動實現(xiàn)平臺的精確、可靠定位。在轉(zhuǎn)矩控制模式下，伺服電機輸出恒定的轉(zhuǎn)矩，即平臺可以靠緊在定位銷上，從而保證了焊接或上下料時平臺的穩(wěn)定性。該伺服電機行程脈沖計算公式如下：

式中：P為電機運行每圈所需的指令脈沖；R為編碼器分辨率；pr35/pr34為輸入脈沖電子齒輪比。經(jīng)計算和實際調(diào)試后，PLC發(fā)送給電機運行一圈所需的脈沖數(shù)P為12 976 000，據(jù)此可以計算出各個工位角度行程的脈沖數(shù)。45°焊接工位脈沖定位程序如圖6,7所示。

圖6 45°行程脈沖寫進R400寄存器

圖7 45°行程脈沖定位行走指令塊

5 焊接托板

鉆機焊接托板材質(zhì)為Q345，托板分為底板1、筋板2、連接塊3共3個部分，如圖8所示，每個焊接位置預(yù)留焊接坡口，在焊接翻轉(zhuǎn)平臺裝夾后焊接，焊后的焊縫平滑，沒有氣孔、夾渣等焊接缺陷，強度高，在鉆機使用壽命到達時，也未曾出現(xiàn)斷裂。

6 結(jié)束語

本文針對坑道鉆機焊接件焊接勞動強度大的問題，結(jié)合焊接翻轉(zhuǎn)平臺的焊接工藝，設(shè)計了焊接翻轉(zhuǎn)平臺的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用伺服內(nèi)嵌PLC作為主控制器，克服了傳統(tǒng)的PLC硬件接線復(fù)雜、不利于維修的不足。同時軟件開放性好，有利于以后升級改造。該系統(tǒng)實現(xiàn)了平臺精準、可靠地翻轉(zhuǎn)到固定工位,一鍵切換兩種工作模式的預(yù)期目標，提高了焊接的工作效率及焊接件的可靠性，提升了企業(yè)生產(chǎn)的自動化程度，具有較強的適用性。

1—底板;2—筋板;3—連接塊