一种可用于钢棒料气体保护焊和埋弧焊的自动控制系统的制作方法

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种可用于钢棒料气体保护焊和埋弧焊的自动控制系统。

背景技术

气体保护焊是利用气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，具有无渣、焊接效率高、焊件焊后变形小以及利于焊接过程自动化等特点。在机械工厂中，往往先通过气体保护焊接的方式将不同直径的45号钢棒料连接，然后进行车削加工。焊接时需要在钢棒料连接处焊一圈，且要求焊接均匀，可采取钢棒料不动而使焊枪绕钢棒料连接处焊接一圈的方式，也可采取将焊枪置于连接处不动而钢棒料匀速旋转一圈的方式。

埋弧焊是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，适用于大圆弧筒体的焊接。由于不锈钢比45号钢成本更高，为节约成本，同时防止钢棒料生锈，生产钢棒料时，一般采用埋弧焊接的方式在45号钢等易锈的钢棒料筒体外均匀裹上一层不锈钢，然后进行车削加工。埋弧焊的焊枪、焊剂漏斗、送丝机构等都安装在水平移动台上，为了使钢棒料筒体外的不锈钢均匀且饱满，在控制钢棒料均匀旋转的同时，需控制安装有焊枪的水平移动台按照设定的速度移动。

上述钢棒料的气体保护焊采用人工或者半自动焊接方式，不仅存在焊接不均匀、焊接质量低、劳动强度大和焊接效率低等问题，而且只能由人判断是否焊接满一圈，焊接一圈的时间不可自动控制。虽然埋弧焊接采用的是自动焊接方式，但是部分操作仍需手动进行，且未与气体保护焊的控制相结合。因此，需要设计一套实现钢棒料气体保护焊和埋弧焊的自动控制控制系统，以解决采用手动或半自动方式进行钢棒料气体保护焊中存在的问题，通过一套控制系统实现钢棒料气体保护焊和埋弧焊的自动化，提高焊接质量和焊接效率，减小工人的劳动强度，降低控制系统的成本。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种可用于钢棒料气体保护焊和埋弧焊的自动控制系统，包括plc控制器及硬件部分、触摸屏和控制系统软件，其特征在于：所述plc控制器及硬件部分包括plc控制器、按钮/开关、继电器、钢棒料旋转模块、焊枪左右移动机构、焊枪上下移动模块和焊枪前后移动模块，触摸屏用于人机交互，控制系统软件包括plc软件和触摸屏程序。

所述的钢棒料旋转模块包括钢棒料旋转手脉、钢棒料旋转伺服驱动器和钢棒料旋转伺服电机，钢棒料旋转伺服驱动器工作于位置/速度混合模式；钢棒料旋转手脉用作外部脉冲发生器，用于位置模式下手动控制钢棒料旋转伺服电机旋转；焊接过程中钢棒料旋转伺服驱动器在速度模式下控制钢棒料旋转伺服电机带动钢棒料自动匀速旋转。

所述的焊枪左右移动机构包括左右移动手脉、左右移动伺服驱动器和左右移动伺服电机，左右移动伺服驱动器工作于位置/速度混合模式；位置模式下左右移动手脉实现焊枪左右移动，速度模式下左右移动伺服驱动器实现焊枪自动左右匀速移动。

所述的焊枪上下移动模块包括上下移动步进电机驱动器和上下移动步进电机，由plc控制器发出脉冲使上下移动步进电机驱动器驱动上下移动步进电机运行而实现焊枪上下移动，上下移动步进电机只工作于点动模式。

所述的焊枪前后移动模块包括前后移动步进电机驱动器和前后移动步进电机，由plc控制器发出脉冲使前后移动步进电机驱动器驱动前后移动步进电机运行而实现焊枪前后移动，前后移动步进电机只工作于点动模式。

所述的plc控制器及硬件部分以plc控制器为核心，plc控制器与触摸屏及钢棒料旋转伺服驱动器、左右移动伺服驱动器之间通过rs485通讯；所述的按钮/开关包括电源开关、急停按钮、复位按钮和焊接模式选择开关等，各按钮/开关与plc控制器之间电路连接，继电器用于控制焊枪电源的通断，plc控制器检测按钮/开关信号的变化，plc控制器的输出控制继电器动作。

所述的控制系统软件包含气体保护焊模式和埋弧焊模式，这两种模式又分别包括自动控制方式和手动操作方式。

所述的触摸屏界面上设有旋转伺服on按钮、左右移动伺服on按钮、焊枪向前按钮、焊枪向后按钮、焊枪向上按钮、焊枪向下按钮，气体保护焊模式下的手/自动模式切换按钮、自动焊启动按钮、钢棒旋转速度设置、钢棒料直径设置和焊接完指示灯；埋弧焊模式下的手/自动模式切换按钮、自动焊启动按钮、钢棒旋转速度设置、焊缝间距设置、钢棒料长度设置、钢棒料直径设置、往复焊接次数设置和焊接完指示灯，操作旋转伺服on按钮和左右移动伺服on按钮分别使控制钢棒料旋转和控制焊枪左右移动的伺服电机为on；焊枪向前按钮、焊枪向后按钮、焊枪向上按钮和焊枪向下按钮均为脉冲型按钮，通过操作这四个按钮，分别使焊枪向前、向后、向上和向下点动运行；气体保护焊模式下，操作气体保护焊模式下的手/自动模式切换按钮可以切换手动和自动焊模式，气体保护焊的钢棒旋转速度设置用于自动焊时对钢棒料旋转速度进行设定，气体保护焊的钢棒料直径用于输入当前焊接的钢棒料的直径，按一下气体保护焊的自动焊启动按钮则启动自动焊接过程，钢棒料焊接完毕时气体保护焊的焊接完指示灯亮；埋弧焊模式下，操作埋弧焊模式下的手/自动模式切换按钮可以切换手动和自动焊模式，埋弧焊的钢棒旋转速度设置用于设定自动焊时钢棒料的旋转速度，埋弧焊的焊缝间距设置用来设定焊缝之间的距离，埋弧焊的钢棒料直径和埋弧焊的钢棒料长度用来输入当前钢棒料的直径和长度，埋弧焊的往复焊接次数设置用于设定焊枪水平方向往复移动的次数，按一下埋弧焊的自动焊启动按钮则启动自动焊接过程，钢棒料焊接完毕时埋弧焊的焊接完指示灯亮。

所述的plc软件的工作流程如下：(1)焊接模式选择：首先打开电源开关后，控制系统的所有执行部件复位到初始状态；然后设置控制钢棒料旋转的伺服电机和控制焊枪左右移动的伺服电机为on；然后plc检测焊接模式选择开关的状态，选择进入气体保护焊模式或者埋弧焊模式；(2)气体保护焊：若选择气体保护焊模式，则首先手动控制焊枪左右、上下和前后移动，使焊枪头置于需要焊接的位置；然后进行手/自动模式选择，选择手动操作模式，则是手工焊接，若选择自动模式，则进行自动焊接；自动模式下，首先进行钢棒料直径设置和钢棒料旋转速度设置，然后按下自动焊启动按钮，启动自动焊时包括开启焊枪电源、开始送丝且开始旋转钢棒料，然后判断是否焊满一圈，如果焊满一圈，则焊接结束，停止旋转钢棒料、停止送丝并切断焊枪电源；(3)埋弧焊：若选择埋弧焊模式，则首先手动控制焊枪左右、上下和前后移动，使焊枪头置于焊接起始位置；然后进行手/自动模式选择，选择手动操作模式，则是手工焊接，若选择自动模式，则进行自动焊接；自动模式下，首先进行钢棒料直径设置、钢棒料旋转速度设置、需焊接的钢棒料长度设置、焊缝间距设置和往复焊接次数设置等焊接参数的设置，然后按下自动焊启动按钮，启动自动焊时包括开启焊枪电源、开始送丝、开始旋转钢棒料和开始移动焊枪，然后判断是否焊接完，若焊接结束，则停止旋转钢棒料、停止移动焊枪、停止送丝并切断焊枪电源。

本发明具有如下优点：

提供了一种可用于气体保护焊和埋弧焊的自动控制系统，将气体保护焊的控制和埋弧焊的自动控制相结合，节约焊接设备和控制系统成本；能够根据需要选择气体保护焊模式或者埋弧焊模式，气体保护焊和埋弧焊模式都包括手动操作模式和自动焊模式，触摸屏用于人机交互，可在触摸屏上方便地设置焊接控制过程中的相关参数，控制系统自动化程度高、人工劳动强度低且焊接效率高；钢棒料旋转模块和焊枪水平方向左右移动机构都采用伺服电机进行控制，利用伺服驱动器的内部速度模式实现钢棒料匀速旋转和焊枪左右匀速移动，精确控制速度有助于焊缝均匀，提高焊接质量；控制系统的适应性和可靠性高，加以推广应用，可提高焊接机床整体自动化水平。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的控制系统结构示意图；

图3为本发明的触摸屏界面示意图；

图4为本发明的plc软件工作流程图；

图5为本发明的钢棒料外壁埋弧焊状态示意图；

上述图中：1—触摸屏，2—钢棒料旋转手脉，3—钢棒料旋转伺服驱动器，4—钢棒料旋转伺服电机，5—左右移动伺服驱动器，6—左右移动伺服电机，7—左右移动手脉，8—plc控制器，9—按钮/开关，10—继电器，11—前后移动步进电机驱动器，12—上下移动步进电机驱动器，13—前后移动步进电机，14—上下移动步进电机；15—旋转伺服on按钮，16—左右移动伺服on按钮，17—焊枪向前按钮，18—焊枪向后按钮，19—焊枪向上按钮，20—焊枪向下按钮，21—气体保护焊模式下的手/自动模式切换按钮，22—气体保护焊的自动焊启动按钮，23—埋弧焊模式下的手/自动模式切换按钮，24—埋弧焊的自动焊启动，25—埋弧焊的钢棒料长度设置，26—气体保护焊的钢棒旋转速度设置，27—气体保护焊的钢棒料直径设置，28—埋弧焊的钢棒旋转速度设置，29—埋弧焊的焊缝间距设置，30—埋弧焊的钢棒料直径设置，31—气体保护焊的焊接完指示灯，32—埋弧焊的往复焊接次数设置，33—埋弧焊的焊接完指示灯；34—钢棒料，35—焊枪，36—钢棒料首端，37—焊缝，38—钢棒料末端。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。本发明提供一种可用于钢棒料气体保护焊和埋弧焊的自动控制系统，包括plc控制器及硬件部分、触摸屏1和控制系统软件，plc控制器及硬件部分包括plc控制器8、按钮/开关9、继电器10、钢棒料旋转模块、焊枪左右移动机构、焊枪上下移动模块和焊枪前后移动模块，触摸屏1用于人机交互，控制系统软件包括plc软件和触摸屏程序。整体结构示意图如图1所示，自动控制系统结构图如图2所示。

钢棒料旋转模块包括钢棒料旋转手脉2、钢棒料旋转伺服驱动器3和钢棒料旋转伺服电机4，钢棒料旋转伺服驱动器3可工作于位置/速度混合模式；钢棒料旋转手脉2用作外部脉冲发生器，用于位置模式下手动控制钢棒料旋转伺服电机4旋转；钢棒料旋转伺服驱动器3在速度模式下能够实现焊接过程中钢棒料旋转伺服电机4带动钢棒料自动匀速旋转。

焊枪左右移动机构包括左右移动手脉7、左右移动伺服驱动器5和左右移动伺服电机6，左右移动伺服驱动器5可工作于位置/速度混合模式；位置模式下用左右移动手脉7控制左右移动伺服电机6实现焊枪左右移动；左右移动伺服驱动器5在速度模式下能够实现左右移动伺服电机6匀速转动从而带动焊枪自动左右匀速移动。

焊枪前后移动模块包括前后移动步进电机驱动器11和前后移动步进电机13，由plc控制器8发出脉冲使前后移动步进电机驱动器11驱动前后移动步进电机13运行而实现，前后移动步进电机13只工作于点动模式。

焊枪上下移动模块包括上下移动步进电机驱动器12和上下移动步进电机14，由plc控制器8发出脉冲使上下移动步进电机驱动器12驱动上下移动步进电机14运行而实现，上下移动步进电机14只工作于点动模式。

plc控制器及硬件部分以plc控制器8为核心，plc控制器8与触摸屏1及钢棒料旋转伺服驱动器3、左右移动伺服驱动器5之间通过rs485通讯，以plc控制器8为主站，触摸屏1和钢棒料旋转伺服驱动器3、左右移动伺服驱动器5为从站，即一个主站操作3个从站，从站之间也可以通讯；所述的按钮/开关9包括电源开关、急停按钮、复位按钮和焊接模式选择开关等，继电器10用来控制焊枪电源的通断，plc控制器8检测按钮/开关9信号的变化，plc控制器8的输出控制继电器10动作。

控制系统包含气体保护焊模式和埋弧焊模式，这两种模式又分别包括自动控制方式和手动操作方式。

如图3所示：触摸屏界面上设有旋转伺服on按钮15、左右移动伺服on按钮16、焊枪向前按钮17、焊枪向后按钮18、焊枪向上按钮19、焊枪向下按钮20，气体保护焊模式下的手/自动模式切换按钮21、气体保护焊的自动焊启动按钮22、气体保护焊的钢棒旋转速度设置26、气体保护焊的钢棒料直径设置27和气体保护焊的焊接完指示灯31，埋弧焊模式下的手/自动模式切换按钮23、埋弧焊的自动焊启动按钮24、埋弧焊的钢棒旋转速度设置28、埋弧焊的焊缝间距设置29、埋弧焊的钢棒料长度设置25、埋弧焊的钢棒料直径设置30、埋弧焊的往复焊接次数设置32和埋弧焊的焊接完指示灯33。

操作旋转伺服on按钮15和左右移动伺服on按钮16分别使控制钢棒料旋转和控制焊枪左右移动的伺服电机为on；焊枪向前按钮17、焊枪向后按钮18、焊枪向上按钮19和焊枪向下按钮20都为脉冲型按钮，操作这四个按钮，分别使焊枪向前、向后、向上和向下点动运行；气体保护焊模式下，操作手/自动模式切换按钮21可以切换手动和自动焊模式，钢棒旋转速度设置26用于自动焊时对钢棒料旋转速度进行设定，钢棒料直径设置27用于输入当前焊接的钢棒料的直径，按一下自动焊启动按钮22则启动自动焊接过程，钢棒料焊接完毕时焊接完指示灯31亮；埋弧焊模式下，操作手/自动模式切换按钮23可以切换手动和自动焊模式，钢棒旋转速度设置28用于设定自动焊时钢棒料的旋转速度，焊缝间距设置29用来设定焊缝之间的距离，钢棒料直径设置30和钢棒料长度设置25用来输入当前钢棒料的直径和长度，往复焊接次数设置32用于设定焊枪水平方向往复移动的次数，按一下自动焊启动按钮24则启动自动焊接过程，钢棒料焊接完毕时焊接完指示灯33亮。

如图4所示，所述的plc软件的工作流程如下：(1)焊接模式选择：首先打开电源开关后，控制系统的所有执行部件复位到初始状态；然后设置控制钢棒料旋转的伺服电机和控制焊枪左右移动的伺服电机为on；然后plc检测焊接模式选择开关的状态，选择进入气体保护焊模式或者埋弧焊模式；(2)自动气体保护焊：若选择气体保护焊模式，则首先手动控制焊枪左右、上下和前后移动，使焊枪头置于需要焊接的位置；然后进行手/自动模式选择，选择手动操作模式，则是手工焊接，若选择自动模式，则进行自动焊接；自动模式下，首先进行钢棒料直径27和钢棒料旋转速度设置26，然后按下自动焊启动按钮22，启动时包括开启焊枪电源、开始送丝且开始旋转钢棒料，然后判断是否焊接满一圈，若焊接满一圈，则焊接结束，停止旋转钢棒料、停止送丝并切断焊枪电源；(3)自动埋弧焊：若选择埋弧焊模式，则首先手动控制焊枪左右、上下和前后移动，使焊枪头置于焊接起始位置；然后进行手/自动模式选择，选择手动操作模式，则是手工焊接，若选择自动模式，则进行自动焊接；自动模式下，首先进行钢棒料直径设置30、钢棒料旋转速度设置28、需焊接的钢棒料长度设置25、焊缝间距设置29和往复焊接次数设置32，然后按下自动焊启动按钮24，启动时包括开启焊枪电源、开始送丝、开始旋转钢棒料和开始移动焊枪，然后判断是否焊接完，若焊接结束，则停止旋转钢棒料、停止移动焊枪、停止送丝并切断焊枪电源。

本发明提供的钢棒料自动气体保护焊的工作原理是：将焊枪移动到焊接起始位置然后保持焊枪不动，选择气体保护焊模式，通过气体保护焊的手/自动模式切换按钮21选择自动焊模式，进行气体保护焊的钢棒料旋转速度设置26和气体保护焊的钢棒料直径设置27，按下气体保护焊的自动焊启动按钮22，此时plc控制继电器动作开启焊枪电源并开始送丝，且钢棒料开始匀速旋转。设钢棒料旋转速度为n(单位为r/min)，则可用触摸屏的宏指令计算出钢棒料旋转伺服电机4旋转一圈的时间t＝60000/n(单位为ms)。钢棒料旋转一圈，则焊接满一圈，因此可通过plc控制器8中的定时功能实现是否焊接完成的判断。焊接满一圈，plc控制器8停止旋转钢棒料、切断焊枪电源并停止送丝。

本发明提供的钢棒料外壁埋弧焊的工作原理是：如图5所示，将焊枪35移动到焊接起始位置，即钢棒料首端36，选择埋弧焊模式，通过埋弧焊的手/自动模式切换按钮23选择自动焊模式，进行埋弧焊的钢棒料长度设置25、埋弧焊的钢棒料旋转速度设置28、埋弧焊的焊缝间距设置29、埋弧焊的钢棒料直径设置30和埋弧焊的往复焊接次数设置32，按下埋弧焊的自动焊启动按钮24，此时plc控制继电器动作开始焊接，若焊接完成，plc控制器8使钢棒料停止旋转、焊枪停止移动、切断焊枪电源并停止送丝。设钢棒料旋转速度为n(单位为r/min)，焊缝间距应当小于焊缝37的宽度，设焊缝间距为l0(单位为mm)，钢棒料34的长度为l(单位为mm)，钢棒料34的直径为d(单位为mm)，则可计算出钢棒料34旋转一圈的时间t＝60000/n(单位为ms)，焊枪水平方向左右移动的速度v＝1000×l0/t(单位为mm/s)，焊枪从钢棒料首端36移动到钢棒料末端38的时间t1＝(l-l0)/v(单位为s)，从钢棒料首端36焊接到末端38的总时间t2＝t1+2×t。为了使钢棒料34外壁裹满不锈钢，需要往复焊接几次，往复焊接次数根据焊接经验设置，假定往复焊接次数为x。根据上述计算和描述，自动埋弧焊的具体流程是：(1)焊枪35移动到焊接起始位置，即钢棒料首端36处，焊枪35保持不动；(2)匀速旋转钢棒料34，沿钢棒料34外壁焊接一圈，所需时间为t；(3)然后焊枪35开始以速度v向钢棒料末端38移动，同时钢棒料34保持匀速旋转，此过程所需时间为t1；(4)然后焊枪35到达钢棒料末端38处，此时保持焊枪35停止移动，钢棒料34匀速旋转，在钢棒料末端38处焊满一圈，所需时间为t，此时在钢棒料外壁出现如图5所示的焊缝；(5)焊枪35开始以速度v从钢棒料末端38处向钢棒料首端36移动，同时钢棒料34匀速旋转，此过程用时也为t1，如此完成第一次往复焊接；(6)自动调整焊接起始位置，即将焊枪35从上一次焊接的起始位置向钢棒料末端方向匀速移动二分之一个焊缝间距l0，然后重复(2)-(5)焊接过程，如此按设定的往复焊接次数完成整个钢棒料34外壁的埋弧焊。

本发明的钢棒料气体保护焊和埋弧焊自动控制系统适应性强、可靠性高、自动化程度高，在气体保护焊和埋弧焊的设备中增设本发明所述的控制系统可提高焊接技术的整体自动化水平。本发明中涉及的plc软件程序设计部分为本领域技术人员根据需求可设计出的，在此不赘述，且系统中涉及到的伺服电机、伺服驱动器等各结构部件均为市面上可直接购买的产品。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。