摩擦焊機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摩擦焊機控制系統(tǒng)設(shè)計1 摩擦焊接技術(shù)概述1.1 摩擦焊焊接原理摩擦焊是利用工件接觸端面相對旋轉(zhuǎn)運動中相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。圖1.1是摩擦焊的基本形式，兩個圓斷面的金屬工件摩擦焊接前，工件1夾持在可以旋轉(zhuǎn)的夾頭上，工件2夾持在能夠向前移動加壓的夾頭上。焊接開始時，工件1首先高速旋轉(zhuǎn)，然后工件2向工件1方向移動、接觸，并施加足夠大的摩擦壓力，這時開始了摩擦加熱過程，摩擦表面消耗的機械能直接轉(zhuǎn)換成熱能。當通過一段選定的摩擦時間，或達到規(guī)定的摩擦變形量(即工件2向前的摩擦位移量)，即接頭金屬的摩擦加熱溫度達到焊接溫度以

2、后，立即停止工件1的轉(zhuǎn)動，同時工件2向前快速移動，對接頭施加較大的頂鍛壓力，使其產(chǎn)生一定的頂鍛變形量。壓力保持一段時間以后，松開兩個夾頭，取出焊件，全部焊接過程就此結(jié)束，通常全部焊接過程只需23s的時間。圖1.1 摩擦焊原理示意圖1、2焊件 3、4夾具 n轉(zhuǎn)速 p壓力1.2 摩擦焊焊接參數(shù)摩擦焊的主要參數(shù)有轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦時間、摩擦變形量、停車時間、頂鍛時間、頂鍛壓力、頂鍛變形量。其中，摩擦變形量和頂鍛變形量（總和為縮短量）是其他參數(shù)的綜合反應(yīng)。(1) 轉(zhuǎn)速與摩擦壓力。轉(zhuǎn)速和摩擦壓力直接影響摩擦扭矩、摩擦加熱功率、接頭溫度場、塑性層厚度以及摩擦變形速度等。轉(zhuǎn)速和摩擦壓力的選擇范圍很寬，它們

3、不同的組合可得到不同的規(guī)范，常用的組合有強規(guī)范和弱規(guī)范。強規(guī)范時，轉(zhuǎn)速較低，摩擦壓力較大，摩擦時間短；弱規(guī)范時，轉(zhuǎn)速較高，摩擦壓力小，摩擦時間長。(2) 摩擦時間。摩擦時間影響接頭的加熱溫度、溫度場和質(zhì)量。如果時間短，則界面加熱不充分，接頭溫度和溫度場不能滿足焊接要求；如果時間長，則消耗能量多，熱影響區(qū)大，高溫區(qū)金屬易過熱，變形大，飛邊也大，消耗的材料多。碳鋼工件的摩擦時間一般在140s范圍內(nèi)。(3) 摩擦變形量。摩擦變形量與轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦時間、材質(zhì)的狀態(tài)和變形抗力有關(guān)。要得到牢靠的接頭，必須有一定的摩擦變形量，通常選取的范圍為110mm。(4) 停車時間。停車時間是轉(zhuǎn)速由給定值下降到零

4、時所對應(yīng)的時間，直接影響接頭的變形層厚度和焊接質(zhì)量。當變形層較厚時，停車時間要短；當變形層較薄而且希望在停車階段增加變形層厚度時，則可加長停車時間。(5) 頂鍛壓力、頂鍛變形量和頂鍛速度。頂鍛壓力的作用是擠出摩擦塑性變形層中的氧化物和其他有害雜質(zhì)，并使焊縫得到鍛壓，結(jié)合牢靠，晶粒細化。頂鍛壓力的選擇與材質(zhì)、接頭溫度、變形層厚度以及摩擦壓力有關(guān)。材料的高溫強度高時，頂鍛壓力要大；溫度高、變形層厚度小時，頂鍛壓力要小（較小的頂鍛壓力就可得到所需要的頂鍛變形量）；摩擦壓力大時，相應(yīng)的頂鍛壓力要小一些。頂鍛變形量是頂鍛壓力作用結(jié)果的具體反映，一般選取16mm。頂鍛速度對焊接質(zhì)量影響很大，一般為1040

5、mm/min。1.3 摩擦焊的特點及應(yīng)用摩擦焊新技術(shù)具有一系列突出優(yōu)點:焊接質(zhì)量高、穩(wěn)定可靠、焊件尺寸精度高，能耗低，節(jié)能效果顯著，節(jié)約原材料，摩擦焊新技術(shù)不用焊條、不用焊絲、不用焊藥、不用保護氣體，生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化，具有廣泛的可焊性，摩擦焊無弧光、無火花、無毒害。操作環(huán)境整潔，有利于環(huán)境保護。由于摩擦焊是一種高質(zhì)量、高效率、無毒無害的自動化的焊接方法，具有上述的突出優(yōu)點，并且技術(shù)經(jīng)濟效果顯著，因而在在航空航天、核能、船舶、兵器、汽車、海洋開發(fā)、石油天然氣、機械制造等高新技術(shù)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)部門得到了越來越廣泛的應(yīng)用。2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1 分析被控對象圖2.1為摩擦焊機控制系統(tǒng)示

6、意圖，其由主機(機床)，液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。主機系統(tǒng)(含主軸箱、旋轉(zhuǎn)與移動夾具、滑動平臺、施力油缸與床身)是摩擦焊機的主體，其作用是通過旋轉(zhuǎn)夾具與移動夾具向焊件提供工藝所規(guī)定的轉(zhuǎn)速、扭矩、摩擦壓力及頂鍛壓力，實現(xiàn)滑臺快進、快退、工進等輔助運動，它是焊機系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。液壓系統(tǒng)的作用是提供焊機各動作機構(gòu)(主軸離合器、制動器、旋轉(zhuǎn)夾具、移動夾具)和施力系統(tǒng)(施力油缸)的液壓動力源，以及保證主軸旋轉(zhuǎn)及滑臺運動部件的充分潤滑。焊接過程所需的動作順序、液壓元件的執(zhí)行由控制系統(tǒng)完成。圖2.1 摩擦焊機控制系統(tǒng)示意圖2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計摩擦焊機液壓系統(tǒng)是控制主軸的啟動和制動、夾具的加緊和松開、滑臺的進退

7、，液壓系統(tǒng)是整個焊接過程的執(zhí)行者，在焊接過程中扮演相當重要的作用。該液壓控制系統(tǒng)由油泵電動機、油泵、三位四通電磁換向閥、比例方向閥、卸荷閥、比例溢流閥、壓力表以及油缸組成，如圖2.2所示。其各部分作用如下：夾盤1液壓缸通過控制三位四通電磁換向閥9左右換向?qū)崿F(xiàn)工件1的加緊與松開；夾盤2液壓缸通過控制三位四通電磁換向閥7左右換向?qū)崿F(xiàn)工件2的加緊與松開；由比例換向閥8轉(zhuǎn)換油路方向及比例調(diào)節(jié)流量，控制油缸，帶動摩擦焊機滑臺運動的方向及速度，實現(xiàn)快進與工進及完成頂鍛動作；比例溢流閥3用來調(diào)節(jié)油泵出口壓力，以及頂鍛壓力。卸荷閥4用于卸除液壓泵的壓力，使油泵電機無負載直接啟動。1油箱 2過濾器 3比例溢流閥

8、 4卸荷閥 5單向閥 6壓力表 7、9三位四通電磁換向閥 8、比例換向閥圖2.2 摩擦焊機的液壓系統(tǒng)圖2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)與工業(yè)控制計算機(IPC)相結(jié)合的測控模式，PLC控制系統(tǒng)用于完成焊接過程的主控制，并使用觸摸屏對其進行相應(yīng)的控制操作，兩者之間采用232總線通信；IPC測控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集以及狀態(tài)檢測等功能，控制系統(tǒng)總體方案框圖如圖2.3所示，各部分作用如下：圖2.3 控制系統(tǒng)總體方案框圖通過由PLC、變頻器與主軸電動機組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)，用于對主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；電流傳感器實時檢測系統(tǒng)的電流變化，以及進行電流的過流過載檢測；液壓系統(tǒng)中液壓油的狀態(tài)直接影響液

9、壓系統(tǒng)的性能，通過溫度傳感器測量油箱內(nèi)的油溫，反饋到PLC中，通過繼電器控制器對其加熱或使用制冷柜制冷，保證液壓油工作在最佳狀態(tài)；由于頂端壓力的大小是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，故將軸向壓力采用閉環(huán)控制，通過壓力傳感器反饋；液壓系統(tǒng)中有卸荷閥，故油泵電動機通過接觸器直接啟動；由快進轉(zhuǎn)工進以及快退轉(zhuǎn)慢退行程開關(guān)輸入到PLC中，由PLC輸出控制信號，經(jīng)過比例放大器，調(diào)節(jié)閥口開度大小比例調(diào)節(jié)流量，來改變滑臺的運動速度；光柵尺用于檢測滑臺的運動位置以及兩焊接件接口處的變形量。觸摸屏用于對控制參數(shù)的設(shè)置以及相應(yīng)的控制操作，實現(xiàn)人機交互；PCI1711與PCL833對電流傳感器、壓力傳感器和編碼器、光柵尺

10、信號的數(shù)據(jù)采集，通過IPC實時顯示，方便實時了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1供電系統(tǒng)電路3.1.1 系統(tǒng)主供電電路在摩擦焊控制系統(tǒng)中，采用了AC380V動力電和AC220V市電作為該系統(tǒng)的主電源。因為在該控制系統(tǒng)中，選用了AC380V的油泵電動機、主軸旋轉(zhuǎn)電動機和制冷柜，AC220V的可編程控制器、工業(yè)控制計算機、三位四通的電磁換向閥、卸荷閥和加熱器。系統(tǒng)主供電電路由電網(wǎng)輸出AC380V與AC220V，經(jīng)過空氣開關(guān)，其用于實現(xiàn)過電流保護、過電壓保護以及短路保護，輸出AC380V供系統(tǒng)中各設(shè)備使用。其電路圖如圖3.1所示圖3.1 系統(tǒng)主供電電路圖3.1.2 電源轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)采用A

11、C380V和AC220V作為系統(tǒng)的供電電源，而電流傳感器供電電壓為DC12V，光柵尺、編碼器和溫度傳感器為DC12V，比例溢流閥與比例方向閥為DC24V，為了防止干擾，比例閥電源與傳感器電源不共地，壓力傳感器為DC5V，故需要電源轉(zhuǎn)換電路。AC220V通過變壓器降壓后，經(jīng)過橋式整流電路得到直流，通過穩(wěn)壓芯片7812、7912和7824便得到DC12V和DC24V。DC12V又通過ASM1117穩(wěn)壓芯片，輸出DC5V，其電路圖如圖3.2所示。圖3.2 電源轉(zhuǎn)換電路圖3.1.3 過流保護電路本控制系統(tǒng)中，各設(shè)備允許在額定電流下工作，不允許超過其額定電流工作，為了避免燒壞系統(tǒng)的各部分，因此必須加過流

12、保護電路，如圖3.3所示。當電流傳感器測得的電流值大于電流設(shè)定值時，比較器LM393輸出-12V，使繼電器得電，吸合常閉觸點，使其斷開，接觸器KM1線圈失電，系統(tǒng)斷電，達到過流保護的作用。圖3.3 過流保護電路3.2 可編程控制器控制系統(tǒng)3.2.1 可編程控制器PLC之所以得到迅速的發(fā)展和越來越廣泛的應(yīng)用，是因為它具有一些優(yōu)點：PLC的輸入輸出系統(tǒng)完善，性能可靠，能夠適應(yīng)于各種形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量信號的輸出和輸入，在PLC內(nèi)部具備計數(shù)器、中間繼電器等的許多控制功能，而且還具有良好的聯(lián)網(wǎng)通信功能；PLC的硬件結(jié)構(gòu)全部采用模塊化結(jié)構(gòu)，安裝方便、接線簡單，而且可以通過不同的模塊組合，適應(yīng)不同規(guī)

13、模、功能復(fù)雜程度的各種控制要求；PLC能直觀地反映現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)和控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，非常有利于系統(tǒng)的維護和監(jiān)控，PLC可采用梯形圖編程和語句編程多種方式，給編程人員帶來了極大的方便；PLC性能穩(wěn)定，可靠性高，且具有較高的性價比。3.2.2 可編程控制器接線電路（待定）基于上述優(yōu)點，且摩擦焊工藝相對復(fù)雜，控制對象較多，故將可編程控制器(PLC)系統(tǒng)應(yīng)用于該控制系統(tǒng)，配合觸摸屏作為控制系統(tǒng)的主控制器。選用西門圖3.4 可編程控制器接線圖子公司生產(chǎn)的S7-200型PLC?？梢酝鈹U展模擬輸入輸出模塊、數(shù)字輸入輸出模塊、位置控制模塊以及通信模塊，有2個模擬設(shè)置調(diào)整器，具備自整定PID控制器，通過P

14、WM可對電動機進行速度以及位置控制，實時時鐘等，配合KTP 600 Basic color DP觸摸屏使用。其接線電路如圖3.4所示。3.3 工業(yè)控制計算機監(jiān)測系統(tǒng)3.3.1 工業(yè)控制計算機工業(yè)控制計算機對焊接過程采集到的工藝參數(shù)進行處理，同時方便與用戶的人機交互；建立直觀的監(jiān)控界面;提供系統(tǒng)的運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)顯示；實時數(shù)據(jù)庫則記錄系統(tǒng)的歷史信息和統(tǒng)計信息，供分析和管理之用。采用工控機是由于其在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下強大的優(yōu)勢，優(yōu)勢如下:1、可靠性:工業(yè)PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕、震動、腐蝕和快速診斷和可維護性。2、實時性:工業(yè)PC對工業(yè)生產(chǎn)過程進行實時在線檢測與控制，對工作狀況的變化給予

15、快速響應(yīng)，及時進行采集和輸出調(diào)節(jié)，遇險自復(fù)位，保證系統(tǒng)的正常運行。3、擴充性:工業(yè)PC由于采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，因而具有很強的輸入輸出功能，最多可擴充20個板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場的各種外設(shè)、板卡相連，以完成各種任務(wù)。4、軟硬件兼容性:能同時利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統(tǒng)，多種編程語言，多任務(wù)操作系統(tǒng)，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。5、系統(tǒng)監(jiān)測和自復(fù)位:帶有看門狗電路，其能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時迅速報警，并在無人干預(yù)的情況下，使系統(tǒng)自動恢復(fù)運行?；谏鲜鰞?yōu)點，選用臺灣研華610工業(yè)控制計算機，使用AC220V供電。3.3.2 控制系統(tǒng)的監(jiān)測1 對系統(tǒng)電流與壓力監(jiān)測在本控制

16、系統(tǒng)中，選用臺灣研華PCI1711數(shù)據(jù)采集卡對系統(tǒng)的電流與壓力進行實時監(jiān)測，通過工業(yè)控制計算機實時顯示電流與壓力的變化，便于了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，避免過大的損失。PCI1711特點：PCI-1711是一款功能強大的低成本多功能 PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，支持即插即用，可以采用PCI總線與IPC通訊，有2路12位模擬量輸出通道，16路單端模擬量輸入，12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達100KHz，每個輸入通道的增益可編程，自動通道/增益掃描，卡上1K采樣FIFO緩沖器，16路數(shù)字量輸入及數(shù)字量輸出，可編程觸發(fā)器/定時器，用于A/D轉(zhuǎn)換時的定時觸發(fā)。圖3.5 電流傳感器的電流電壓轉(zhuǎn)換電路

17、電流傳感器選用電流輸出型雙向的霍爾傳感器，輸出信號范圍4-20mA，采用12V電源供電。壓力傳感器選用電壓輸出型傳感器，輸出信號范圍0-5V，采用5V電源供電。由于電流傳感器的輸出信號為4-20mA，需將其轉(zhuǎn)換成1-5V的電壓信號，因此需要電流電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖3.5所示。在主軸電動機正反轉(zhuǎn)時，電流的方向不同。當主軸電動機正轉(zhuǎn)時，二極管D1導(dǎo)通；當主軸電動機反轉(zhuǎn)時，二極管D2導(dǎo)通。在本系統(tǒng)中，對系統(tǒng)電流與壓力的數(shù)據(jù)采集進行了控制，通過PLC向PCI1711數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送控制信號，來完成對系統(tǒng)電流與壓力的數(shù)據(jù)采集，設(shè)計數(shù)據(jù)采集判斷電路，S5由PLC控制，如圖3.6所示。圖3.6 數(shù)據(jù)采集判斷電路

18、2 對電動機轉(zhuǎn)速與滑臺位置監(jiān)測在本控制系統(tǒng)中，選用臺灣研華PCL833三軸正交編碼器及其計數(shù)器板卡對主軸電動機的轉(zhuǎn)速與滑臺的位置進行實時監(jiān)測，因為主軸電動機的轉(zhuǎn)速與兩工件焊接接口的變形量是焊接質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素。故通過工業(yè)控制計算機實時顯示轉(zhuǎn)速與滑臺位置，便于了解焊接的質(zhì)量。PCL833特點：三軸正交編碼器及其計數(shù)器板卡，該板卡能讓IPC機在運動控制系統(tǒng)中執(zhí)行位置監(jiān)視功能，兩者采用ISA總線相通訊。輸入接口包括一個用于增量正交編碼的光電隔離及編碼電路；有三個獨立的24位計數(shù)器，其最大正交輸入速率是1.0MHZ，其計數(shù)器模式的最大輸入速率是2.4MHZ,可以分別對每個計數(shù)器進行配置，以用于正交解

19、碼、脈沖/方向計數(shù)或正反向計數(shù)；還提供了5個數(shù)字輸入通道。編碼器選用增量式光電編碼器，用于測量主軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。工業(yè)現(xiàn)場中，由于電磁干擾比較大，故選用12V供電，增強抗干擾能力。光電編碼器實際上在未經(jīng)過處理電路時，輸出時半正弦波，即使經(jīng)過了處理電路，再經(jīng)過如圖3.7的電路處理，得到方波信號。并且采用差分方式，提高其抗干擾能力。圖3.7 光電編碼器輸出信號處理電路光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置?？捎米髦本€位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點。故選用光柵尺用于滑臺的位置檢測，供電電壓12V。3.3.3 監(jiān)測系統(tǒng)接線圖本系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、PCI1711數(shù)據(jù)采集卡、PCL833三軸正交編碼器及其計數(shù)器板卡、電流傳感器、壓力傳感器、編碼器以及光柵尺組成。其中PCI1711與PCL833直接插入工業(yè)控制計算機機箱的插槽中，而編碼器的處理電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)據(jù)采集的判斷電路在自行設(shè)計的電路板中，故監(jiān)測系統(tǒng)的接線圖如圖3.8所示。圖3.8 監(jiān)測系統(tǒng)的接線圖3.4 油箱溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)（待定）摩擦焊機液壓系統(tǒng)是控制主軸的啟動和制動、夾具的加緊和松開、滑臺的進退，液壓系統(tǒng)是整個焊接過程的執(zhí)行者，液壓油是液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，在液壓系統(tǒng)中起著能量傳遞、系統(tǒng)潤滑、防腐、防銹、