熊經(jīng)先，顏君波，熊健華，袁有明

（1.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西桂林 541004；2.桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

銀基合金材料組件因其良好的電性能而廣泛應(yīng)用于低壓電器領(lǐng)域。在當(dāng)前的銀基組件加工制造業(yè)中，涉及的設(shè)備種類非常多，中頻直流逆變電源焊機就是其中之一，它通常應(yīng)用于鋁合金板、銅線材焊接及工業(yè)繼電器觸點、交流接觸器觸點等低壓電器觸頭產(chǎn)品的焊接加工中，是電工合金行業(yè)必備的生產(chǎn)加工設(shè)備。

目前市面上傳統(tǒng)的中頻直流逆變電源焊機在機構(gòu)原理上較為簡單，主要組成部分為工作臺、中頻逆變電源等裝置，電氣控制系統(tǒng)往往只有一些簡單的腳踏開關(guān)、交流接觸器、小型中間繼電器、電源開關(guān)、限位開關(guān)及運行按鈕，這些電氣部件組成的電氣控制系統(tǒng)能夠滿足一般的手動操作生產(chǎn)要求。在設(shè)備正常運行的情況下，操作者需要實時關(guān)注銀基組件的質(zhì)量問題，定時檢驗銀基組件的外形尺寸、銀點溢出、銀點位置、銀點表面瑕疵等情況，耗費了大量的時間精力；此外，人工操作的工作效率極低，存在誤操作導(dǎo)致次品率的增加，降低了產(chǎn)品效益。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，銀基組件的生產(chǎn)質(zhì)量及工藝要求進一步提高，傳統(tǒng)中頻直流逆變電源焊機存在著速度慢、效率低，無法實現(xiàn)自動檢測產(chǎn)品外觀及尺寸、計數(shù)控制停機、次品分離等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重制約著銀基組件生產(chǎn)工藝的發(fā)展，也無法提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低人工成本。因此，研究如何減少人為干預(yù)，提高銀基組件自動化焊機的運行效率及在線檢測分離次品、遇故障自動停機等問題成為各企業(yè)關(guān)注的焦點。

針對上述問題，設(shè)計了一種基于信捷PLC 控制器的直線式銀基材料組件自動焊機，利用PLC 的各種邏輯控制功能，通過CCD 圖像處理器、硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計，解決傳統(tǒng)中頻直流逆變電源焊機的各種缺陷問題。

1 設(shè)備工作原理分析

1.1 設(shè)備原理

設(shè)備原理框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備原理框圖

從圖1 可知，經(jīng)過落料沖壓后的成型銅帶通過放料盤依次進入銅帶定位工位、焊接工位、銀點剪切力檢測工位、外觀尺寸檢測工位、分撿工位及銅帶送料工位等，最后進入收料盤中；待焊接銀點由銀帶送料裝置運送至焊接工位，通過中頻逆變電源進行放電焊接；完成焊接動作后，銅帶下移一個工位，進入銀點剪切力檢測工位，該工位由氣缸及壓力傳感器組成，每次定額施加一定的壓力檢測銀點是否虛焊；完成剪切力檢測后銅帶下移到外觀尺寸檢測工位，通過CCD 圖像成型后進行相關(guān)瑕疵識別；完成圖像在線檢測后進入剪料工位，若上一步工位檢測出產(chǎn)品有瑕疵，則可以在此工位通過氣缸剪切裝置把其剪掉，避免殘次品進入良品中；銅帶的每次移動，均通過銅帶送料裝置完成。觸摸屏提供焊接參數(shù)、工位動作角度、更換電極點數(shù)及焊接速度的設(shè)置，通過觸摸屏可以方便靈活地設(shè)置每種材料焊接的工藝參數(shù)，提高設(shè)備的通用性。

1.2 設(shè)備伺服系統(tǒng)中的運動控制

設(shè)備最核心的控制邏輯來自于銀帶伺服系統(tǒng)中的位置編碼器，該編碼器反饋的角度值是控制焊機上所有動作的基礎(chǔ)，每個動作節(jié)拍必須在一定的角度內(nèi)完成；經(jīng)過焊接動作分析可知，伺服電機每旋轉(zhuǎn)一周為360°，如表1所示。

表1 焊機動作與伺服電機編碼器對應(yīng)角度

設(shè)備開始運動的起始動作是銅帶送料，該動作在0°開始60°結(jié)束；接著銅帶定位裝置在61°開始85°時結(jié)束；然后進行送銀點及銀點送料到位檢測，該動作由86°開始160°結(jié)束；接下來進行焊接，該動作由161°開始200°結(jié)束；再進行剪切力檢測，該動作由201°開始240°結(jié)束；再接著進行CCD 圖像檢測動作，該動作由241°開始300°結(jié)束；最后進行上死點檢測動作，該動作由301°開始360°結(jié)束，其功能主要是確保每次故障或者人為停機時焊機處于初始0°狀態(tài)。經(jīng)過對運動控制的設(shè)計，使設(shè)備的動作節(jié)拍得到精準(zhǔn)高效的控制，完成全自動焊接過程。

1.3 焊接電源系統(tǒng)

中頻直流逆變電源是整套設(shè)備的核心所在。其工作原理如圖2所示。

圖2 焊接電源工作原理

該電源系統(tǒng)主要由中頻逆變控制器和變壓器兩部分組成。中頻逆變控制器包含三相電源輸入模塊、IGBT 模塊、電源驅(qū)動模塊、主控板及編程器等；變壓器包含次級電流互感器、溫度傳感器及變壓線圈等。焊接參數(shù)由編程器或者PLC 觸摸屏錄入，主控板提供RS485 通訊接口，便于焊接電源與PLC 通訊，電源驅(qū)動模塊負責(zé)驅(qū)動IGBT 模塊；變壓器上的次級電流互感器負責(zé)給主控板反饋焊接次級電流，而溫度傳感器起到避免焊接電源過熱的功能。該電源系統(tǒng)工作頻率為1 kHz，最大輸出電流可達18 kA，主要用于各種低壓元件觸點、導(dǎo)線的焊接，在當(dāng)前主流的銀基材料焊接中，中頻逆變電阻焊機是實現(xiàn)大電流短時間的工藝技術(shù)要求之一。由于焊接電極材料的使用壽命有限，設(shè)備上設(shè)計了計數(shù)停機功能，通過焊接電源進行計數(shù)反饋，達到修磨電極設(shè)定值時PLC 控制設(shè)備停機，確保設(shè)備運行穩(wěn)定可靠。

1.4 CCD在線檢測、剪切力檢測及殘次品剪切裝置分析

CCD 圖像識別在線送料檢測裝置主要用于當(dāng)設(shè)備正常運行時，如果檢測到不良品出現(xiàn)，首先進行次品（NG 打標(biāo)）標(biāo)記，在后續(xù)殘次品剪切工位中直接剪切分離，避免邊料或廢料混入正常良品中；若檢測到設(shè)備連續(xù)產(chǎn)生次品，系統(tǒng)將自動停機。剪切力檢測模塊與CCD在線檢測原理類似，該模塊通過調(diào)節(jié)氣壓大小來確定推銀點的剪切力大小，若焊接不牢固或者焊接剪切力達不到要求，銀點將會被推掉而無剪切力反饋值，系統(tǒng)判定為次品會在剪切工位中直接剪切分離，連續(xù)出現(xiàn)剪切力不合格的情況系統(tǒng)將自動停機，工作示意圖如圖3所示。

圖3 CCD在線檢測、剪切力檢測及殘次品剪切裝置工作示意圖

在設(shè)備正常運行時，銅帶每走一步，這三個模塊都由PLC 控制運行一次。殘次品剪切裝置主要由下料管和一個氣缸構(gòu)成，氣缸的運動由PLC 驅(qū)動氣動電磁閥實現(xiàn)，其主要功能是分離殘次品（NG 剔除），省去人工挑選。

2 焊機控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件

焊機控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、伺服控制系統(tǒng)、中頻直流逆變焊接電源、CCD 圖像處理器、測力傳感器、U 型光電傳感器、漫反射型光電傳感器及電磁閥等部件組成。PLC 選用信捷XD5 系列，CPU 型號為XD5-60T-E，此模塊自帶36入/24 出的NPN 信號接口，AB 兩路RS485 通訊接口，支持X-NET現(xiàn)場總線功能，支持高速計數(shù)（高達80 kHz）、2～10 軸脈沖輸出（高達100 kHz）、頻率測量等特殊功能，支持1～16 個擴展模塊?？紤]到PLC 需要同步銀帶伺服控制系統(tǒng)、銅帶伺服控制系統(tǒng)、中頻直流逆變焊接電源及CCD 圖像處理器，本設(shè)備采用modbus RTU 通訊，以PLC 為主站，其他功能系統(tǒng)為從站的通訊方式，該通訊方式可連接31個從站同步運行。銀帶與銅帶控制伺服控制系統(tǒng)采用脈沖型伺服驅(qū)動器，它分為三種控制方式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制，其輸入形態(tài)可分為：脈沖+方向、AB相脈沖、CW/CCW 信號等三種電信號；U 型光電傳感器及漫反射型光電傳感器使用0～24 VDC 直流NPN 信號輸出，其功能主要是檢測銅帶及銀帶是否送料正常，是否缺料停機。觸摸屏使用信捷TGM465 系列，通過RS232 通訊接口與PLC 通訊?？偪刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件

焊機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是PLC 程序設(shè)計和觸摸屏頁面組態(tài)設(shè)計。PLC 主程序主要包括系統(tǒng)參數(shù)初始化、銅帶及銀帶缺料停機設(shè)計、中頻逆變電源控制設(shè)計、銀點剪切力檢測設(shè)計、CCD 在線檢測設(shè)計、殘次品剪切控制設(shè)計、銅帶送料伺服電機設(shè)計、銀帶送料伺服電機設(shè)計及接受觸摸屏參數(shù)設(shè)置設(shè)計。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

觸摸屏的組態(tài)設(shè)計主要是人機交互的界面，設(shè)計當(dāng)前組件生產(chǎn)數(shù)、組件最大生產(chǎn)數(shù)、銀帶伺服電機轉(zhuǎn)速、當(dāng)前運行角度等信息的顯示，此外，需要設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸屏控制焊機的運行及停止，根據(jù)不同材料及不同的組件規(guī)格設(shè)置相應(yīng)的焊接速度，形成焊接工藝參數(shù)配方庫；在生產(chǎn)前調(diào)取所需的焊接工藝配方，即可進行相關(guān)組件產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，降低操作人員的操作難度及技術(shù)要求，確保生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

（1）經(jīng)過對一種銀基材料組件自動焊機設(shè)備的設(shè)計研究，通過PLC、人機交互界面、傳感器和伺服驅(qū)動器的運用，實現(xiàn)了對中頻逆變電阻焊機工作過程中產(chǎn)品質(zhì)量的在線檢測及設(shè)備停機的自動控制，滿足了銀基材料生產(chǎn)組件的工藝需求。

（2）銀基材料組件自動焊機設(shè)備的運用有效提高了銀基材料生產(chǎn)元件組件的自動化程度和生產(chǎn)效率，減少了人力資源消耗，降低了生產(chǎn)成本。