1、缸柱焊接设备的改进第 1 页 共 33 页缸柱焊接设备的改进摘要：对旧式机床对缸柱零件的焊接，采用了人工焊接，还采用大功率电机，采用接触器控制，大大增加了布线，使用寿命，以及劳动力。本论文主要写了对这种设备的改进，去掉了大功率的电机，变速箱、尾架和拖板等，保留床身。选用变频器拖动电机，摆线减速机，利用 PLC 电气控制，液压装置，可控二氧化碳气体保护焊机及自动送丝装置构成工程油缸及活柱筒自动焊接的专用设备。实践证明，该项技术节能降耗，降低劳动强度，提高了生产效率具有很好的应用前景。关键词：变频器 PLC 焊接缸柱焊接设备的改进第 2 页 共 33 页目 录第一章 缸柱焊接设备介绍 31.1 缸
2、柱焊机设备的概述31.2 各组成部分的特点41.3 原机床的工作特点4第二章 对原机床的机械结构改进72.1 夹紧装置的改进 72.2 焊接装置的改进 82.3 电机制动装置的改进92.4 对原机床床身的改进11第三章 对原机床电气硬件部分的改缸柱焊接设备的改进第 3 页 共 33 页进133.1 调速系统的改进133.2 控制部分的改进173.3 系统的主电路22第四章 系统软件部分的程序设计234.1 PLC 程序设计23结束语 29答谢辞 30参考文献31缸柱焊接设备的改进第 4 页 共 33 页第一章 缸柱焊接设备的介绍11 缸柱焊接设备的概述圆筒形、锥度圆筒形的焊接应用很广泛，焊接要
3、求也很高，一般的人工焊接比较麻烦，而且焊接的合格率也不是很高，而且效率还比较低。就拿现在煤矿上应用最多液压单体支柱，它是由油缸，活柱筒柱头接管，顶盖和底座组成。在活柱筒、柱头及接管两端焊接工艺时，采取老式的焊接工艺，首先操作工将工件活柱筒柱头，接管放在车床上，然后用机床上的三爪卡盘和机床尾架进行螺旋圆盘锁紧。再调节齿轮箱等进行机械调速，然后再采用手工电弧焊接。效率低，劳动强度大。而且焊接的产品容易变形，容易夹渣产生气孔造成压力泄漏，每工作日仅能焊接几十根合格产品。由于煤矿市场大量需求支护产品液压单体支住的情况下，这种生产方式和速度远远跟不上市场需求。为此针对这一情况我与厂里的老师傅一起合作对其
4、旧机床和传统的手工焊接进行技术改进，本文阐述了以下缸柱焊接自动控制系统，经过了实验和应用，该改进系统不仅降低了劳动强度提高了产品的质量，而且生产效率是原来的手工电弧焊接的 20 倍左右，取得了一定的经济效益。而且此项技术可以应用到多种钢管，圆筒形、锥度圆筒形的焊接上，操作方便，大大减少了劳动力，而且还增加了生产效益。缸柱焊接设备的改进第 5 页 共 33 页1.2 各组成部分的特点 （1）.原式机的结构：机床是用爪式夹紧和圆盘式压紧装置，通过人工对工件的固定，让后用电动机带动缸柱旋转，然后进行人工焊接作业。如下所示图 1-1 原机床结构示意图（2）.原机床的控制特点：在控制上，原机床是通过继电
5、器实现控制要求。如下图 1-2所示缸柱焊接设备的改进第 6 页 共 33 页图 1-2 原始机床的控制电路图表 1-1 各元件在电路中的功能表代号 名称 用途KM1 交流接触器 正转控制KM2 交流接触器 反转控制SB1 正转启动按钮 正转启动按钮SB2 反转启动按钮 反转启动按钮SBO 停止按钮 停止按钮KH1 热继电器 过载保护（3） 原机床的调速特点：在调速方面，原始机床通过齿轮调速箱进行调速。缸柱焊接设备的改进第 7 页 共 33 页图 1-3 齿轮调速的原理图（4） 原机床的制动：在制动上原机床采用机械制动，由于机床的转速不快，机床通过手动装置压紧制动片进行制动。（5）原机床的夹紧装
6、置：圆盘式螺旋压紧装置是用螺母的原理。用人力进行夹紧的。缸柱焊接设备的改进第 8 页 共 33 页图 1-4 原机床的夹紧示意图1-螺钉 螺杆，2-螺母孔1.3 原机床的工作特点(1） 劳动强度大，无法实现自动控制。(2). 产品容易变形，容易夹渣产生气孔造成压力泄漏。(3). 人工焊接作业对焊接工人的要求高。(4). 生产效率低，不能实现现代化生产需求。第 2 章 对原机床的机械结构改进2.1 夹紧装置的改进(1).原机床特点：一般原机床上的夹紧装置都有螺旋式的旋盘，通过螺母的原理，慢慢地进行把工件夹紧，既浪费了时间，又增加了劳动力。(2)改进设想：要求 在夹紧或推工件的动作中要稳速而且速度
7、不能过快，在力量还要有一定强度，最好是压力可调的。(3)设备的选用：比如在活柱筒柱头与接管的焊接：首先要将他们用夹紧装置缸柱焊接设备的改进第 9 页 共 33 页在一起才能实现焊接，夹紧装置我们采用的是液压夹紧，它是由电动机带动液压泵产生动能推动执行元件液压缸来实现的。液压系统中有控制元件：1.溢流阀（作背压用）2.二位四通电磁换向阀（实现夹紧放松的油路控制） 。如图 2-1 所示。图 2-1 夹紧装置原理图在实际操作中，首先调整溢流阀至系统需要的压力（大约2.5Mpa）,由于此时二位四通电磁换向阀处于失电状态，得电按钮，这时二位四通电磁换向阀阀芯左移，左腔的油经二位四所以液压缸活塞杆处于回程
8、状态，当放上工件后，按 1CT 电磁铁通电磁换向阀回油箱，直至夹紧工件后，开始焊接，焊接完毕脚踩开关按钮，电磁铁失电，油缸活塞杆回程送开工件，取下工件进行下一次操作。2.2 焊接装置的改进(1).原机床的焊接方式：老机床是采用人工焊接。缸柱焊接设备的改进第 10 页 共 33 页（2）.原机床的焊接特点：焊接的失败率高，劳动强度大，生产效率低。（3）.焊接设备的改进：CO2 气体保护焊机采用由变压器可控硅整流模块、平衡电抗器、滤波电路、电抗器等组成，输出连续可调的直流电压。采用零同步方式，点控制电压经单节晶体管（PUT 管） ，移相及形成脉冲列，输出放大管通过驱动控制整流模块，实现焊接电压的连
9、续可调。（4）.CO2 气体保护焊机简介：电气系统主要由 5 部分组成：电源、主回路、遥控盒、控制电路、送丝机。其主要特点如下：1）遥控盒来的焊接控制信号，分别对焊接电流进行调节。2）焊接转移控制电路分别在引弧时进行高电压、慢送丝控制，在引弧完成后，自动转入正常焊接控制和灭弧瞬间消除熔球的控制，以及送气、断气的控制。3）停焊时，对主变压器进行延时断电控制。4）外电波动时具有补偿控制。（5）.送丝机的选用：随着工业的发展，送丝装备越来越好，自动送丝机的发展很快，CO2/MAG 送丝机有提前送气、滞后停气、点动送丝、点动送气等功能外，还具有：慢送丝引弧，保证引弧平稳，减少飞溅；收弧控制，防止焊丝粘
10、连工件并填补弧坑及马达驱动线路无触点限流及过载保护等功能。线路板具有较强的抗网压及送丝阻力波动的能力，送丝稳定。它是 CO2 气保护焊机生产厂家的得力助手，又是 CO2 气保护焊机使用厂家的维护之友。用它取代进口机因电路复杂而年久失修，能重新恢复主机电源的功效。凡是 500A 以下的电源都能配套适用。配有单驱动或双驱动送丝机构，供用户选择。只要原机上提供AC24V 或 AC30V 电压即可适用，获得满意的好评。缸柱焊接设备的改进第 11 页 共 33 页图 2-2 CO2/MAG 送丝机实物图（6）. 二氧化碳气体保护焊机及 CO2/MAG 送丝机的工作过程：按下焊枪开关，电磁阀 YU 获电吸
11、合，送气，供电开始，首先高电压，慢送丝引弧系统，消螺球电路动作，为防止焊丝末端与溶池粘连，保证吸弧稳定。松开焊枪开关继电器释放，送丝停止，防止焊丝粘连，主电路供电停止，实现空载节电。2.3 电机制动装置的改进（1） 老式焊接机床的减速装置：应用减速片，通过压紧的装置进行机械制动。（2）老式焊接机床的减速装置特点：摩擦大，损耗大制动不平滑。（3）经综合考虑，选择了摆线针轮减速机。1）. 摆线针轮减速机介绍：在机械设备中，不能将变频器作为减速器使用，因为需要将高速运行的电动机减速为低速运行时，机械减速器是恒功率特性：若速度减少为 1/N 倍，则力矩提升 N 倍。变频调速器则为恒转矩特性，不能提升转
12、矩。为此在机械设备应用变频器时，首先将电动机通过机械减速系统，减少所需的最高转速（此时转矩以提升倍数） ；而后在应用变频器进行无极调速，达到所需的调速范围这样即满足了调速范围的要缸柱焊接设备的改进第 12 页 共 33 页求，又能提高电动机转矩，达到较为理想的调速效果。图 2-3 摆线针轮减速机实物图2）、摆线针轮减速机特点：1. 摆线针轮减速机由于采用摆线针齿啮合，实现了多齿同时啮合传动，避免了产生断齿的可能性。2. 由于传动啮合件采用滚动磨擦，所以故障少，寿命长，效率高。3. 摆线针轮的独特结构型式，适用于频繁起动和正反两向运转，由于它的传动比取决于摆线齿的齿数，故体积小，传 动比范围广。
13、结构相对也较为简单，便于维修。2.4 对原机床床身的改进通过观察，我们对旧的 C6140 车床，通过稍微改进。可以实现对缸柱焊接的需求。缸柱焊接设备的改进第 13 页 共 33 页图 2-4 C6104 车床的实物图我们在原机床只保留床身的情况下将电机与减速机固定放置在床身的侧，将液压油缸顶紧装置固定放置在床身右侧，在床身上再固定放置一门形固定焊具架以保持焊具的稳定及送丝，可控硅二氧化碳气体保护焊机放置在床身的左侧，电控柜放置在床身的左上方固定在门形左侧立柱上。液压泵站放在床身右侧。送丝装置放在门架可调处。如下图 2-5 所示缸柱焊接设备的改进第 14 页 共 33 页图 2-5 改进机床的结
14、构图表 2-1 电气元件清单元件名称 型号 数量三相异步电动机机 YS-7134 550W-380V 1二氧化碳气体保护焊机 NBK-350A 1送丝机 CO2/MAG 1脚踏开关 TLFS-M1 1行程开关 T2-8108 1数字式时间继电器 JS14P 数字式时间继电器 1C6104 车床 C6104 1第三章 对原机床电气硬件系统的改进3.1 调速系统的改进缸柱焊接设备的改进第 15 页 共 33 页（1）.老式机床的调速方式：采用齿轮调速。（2）.老式机床的调速特点：调速不太平滑，制动控制需要一定技术，因为在焊接的时候一圈完成以后，还有一件很重要的工序就是收弧，要求要平滑的速度。（3）
15、 改进方案：采用变频器进行调速。 （4）变频器简介：1） 变频器的工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n60 f(1s)/p (1)n异步电动机的转速； F异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由式(1)可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 050Hz 的范围内变化时，电动机转速调 节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 2）变频器的特点：1使电机在启动时需要的功率更低，是电机能够平滑的运行。2速度可调，方便，可以通过 PLC 进行控制，调到你想
16、要速度。3. 比其他的调速方式更节能。4减少了老式减速的机械传动部分，大大降低了成本和空间，提高了稳定性。(5).变频器的型号选择根据表 2-1 所示的电动机选用的型号，我们选择了变频器型号为 FR-E500 的三菱变频器。缸柱焊接设备的改进第 16 页 共 33 页（6）.变频器的接线图1).变频器的接线图：图 3-1 变频器的接线示意图-引用变频器手册缸柱焊接设备的改进第 17 页 共 33 页(2).变频器的参数设定：1） 变频器的操作面板：图 3-2 变频器的操作面板2）在设定参数前首先要把变频器出厂设置。图 3-3 变频器的初始化到出厂设定缸柱焊接设备的改进第 18 页 共 33 页
17、） 变频器的参数设定：表 3-1 变频器参数的设定参数号 名称 设定值 出厂设定值79 操作模式选择 0 038 5V(10V)输入时频率5V 073 输入电压选择0-5V/0-10V0-5V 07 加速时间 1S 5S/10S8 减速时间 1S 5S/10S80 电机容量 0.55KW 99983 电机额定电压 380V 200V/400V84 电机额定频率 50HZ 50HZ缸柱焊接设备的改进第 19 页 共 33 页4）变频器的主电路接线图：图 3-4 变频器的主电路接线图3.2 控制部分的改进：(1） 原机床的控制方式：在控制上，老式机床通过继电器达到所需要的控制要求。(2） 原机床的
18、控制特点：布线比较繁琐，容易发生故障，很难实现自动化操作。缸柱焊接设备的改进第 20 页 共 33 页(3） 改进方法：应用 PLC。(4)PLC 的工作原理和特点：1）.整体结构和工作原理 ：PLC 实质上就是一种工业专用的计算机。与普通计算机相比，PLC 不仅有专用的接口，而且还有使用于工业控制的编程语言。其控制过程就相当于很多继电器或说是开关通过编程语言使达到需要的动作要求。其结构图如下图 3-5 所示。图 3-5 PLC 的工作原理图2）.PLC 的工作过程：PLC 控制系统和传统的继电器控制电路有相同之处，也是由输入，逻辑控制和输出三部分组成。PLC 内部可以看成是由许多输入继电器、
19、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等组成。PLC缸柱焊接设备的改进第 21 页 共 33 页循环扫面工作过程一般包括五个阶段：内部处理与自诊断、通信处理、输入采样、用户程序执行、输出刷新。工作过程就是用户程序的执行过程，由于采取了循环扫面的工作方式，所以在无跳转的情况下都是从第一条指令开始顺序到最后一条指令，结束后在进行下一次扫描。每一次扫描所用的时间称为扫描周期。执行过程中主要由三个阶段：输入采样、程序执行、输出处理。采样阶段：按顺序读取全部输入点的状态并写入输 入映像 寄存器。程序执行：CPU 根据用户程序，按照输入和输出的状态进行逻辑运算并将结果写入输出映像寄存器。输出处理：CPU
20、执行完所有指令并把结果写入输出锁存器中，并将信息输出驱动外部负载，形成实际输出。3）. PLC 的特点：1 可靠性好，抗干扰能力强。2 通用性强，扩充功能容易。3 指令系统简单，编程简单易学。4 结构紧凑，体积小，重量轻。5 维修简单，现场连接方便。（5）.根据输入输出地址分配表确定 PLC 的型号：根据如图的输入输出地址分配表，我们选择 PLC 的 F1N-40MR型号，如下接线图所示。表 3-2 PLC 的 I/O 地址分配表输入元件 代号 功能SBO X0 自动运行启动缸柱焊接设备的改进第 22 页 共 33 页SB1 X1 变频器供电SB2 X2 变频器运行SB3 X3 电机反转SB4
21、 X4 电机正转SB5 X5 工件松开SB6 X6 工件夹紧SB7 X7 焊机伸出SB8 X10 焊机缩回SB9 X11 送丝机伸出SB10 X12 送丝机缩回SB11 X13 焊接开始SB12 X14 焊接停止FR1 X15 液压泵电机过载保护FR2 X16 变频器过载保护TX X17 数字时间继电器SB13 X20 手自动切换SQ X21 行程开关SB14 X22 急停SB15 X23 电机停转AC X24 变频器的故障保护输出原件 代号 功能KM2 Y0 液压泵启动KM1 Y1 变频器供电H1 Y2 焊接机伸出H2 Y3 送丝机伸出H3 Y4 变频器运行H4 Y12 反转缸柱焊接设备的改
22、进第 23 页 共 33 页H5 Y13 正转YU1 Y7 夹紧KM3 Y10 焊机启动YA Y11 数字时间继电器线圈图 3-6 PLC 的接线图缸柱焊接设备的改进第 24 页 共 33 页3.3 系统的主电路：图 3-7 电气控制主电路缸柱焊接设备的改进第 25 页 共 33 页第四章 系统的软件部分的程序设计4.1 PLC 程序程序：（1）系统在手动状态控制合上电源总开关 QF0，再合上 QF1，CO2 气体保护焊机供电，再依次合上 QF2、QF3、QF4、QF5、QF6 使各供电单元实现短路保护。按下按钮 SB2、SB8，接触器 KM1、KM2 动作，变频器供电，液压泵启动，KM1、K
23、M2 常开触点自锁并接通变频器控制运行电源和接通液压控制及 CO2 气体保护焊机控制电源。此时操作工将工件（活柱 筒、柱头、接管）一端放在减速器定位套上，另一端放在油缸活塞杆定位套上，脚踩开关 SB6，电磁阀 YU1 得电吸合，活塞杆伸出，将工件（活柱筒、柱头、接管）顶紧连接一体。按下 SB9 SB7 焊机伸出，送丝开始。再按下 SB4 电机反转。此时调整好焊枪位置，按下按钮 SB11(焊机自动送丝开关)，焊接送丝装置工作，CO2 气体保护焊机进行引弧焊接，当工件焊接好以后，按下按钮 SB10，SB8 送丝装置停止工作，焊机缩回。再按下按钮 SB15 电机停转，脚踩开关SB5，电磁阀 YU1
24、失电，油缸活塞杆回程松开，将工件（活柱筒）取下，进行下一周期焊接工作。控制部分经过 PLC 线路的改造后大大简化了控制电路的安装，缩小了控制电柜的体积，使员工操作方便，提高了机床工作的稳定性。也便于在自动状态下出现故障下，方便了的机床的维修。缸柱焊接设备的改进第 26 页 共 33 页(2).自动状态下的程序流程图：自动启动夹紧到位伸出到位一周时间到，定时 2 秒1 秒后夹紧工件自动焊接机伸出，送丝机伸出电动机正转，焊接开始收弧焊，焊丝机缩回，送丝机缩回电机转回原点缸柱焊接设备的改进第 27 页 共 33 页在手动部分工作稳定的前提下，可以应用自动程序达到省力，增加生产效率的目的，而且操作跟方
25、便。为了使编程更方便，我把手动状态下程序输出用辅助继电器代替，因为在编程中只有一次 Y的输出。所以在手自动的整体程序中就有所变化。（3） 系统手/自动软件部分总程序：系统在开机，停转或急停的情况下对系统复位。在自动模式转到手动模式时，对自动模式下的各种状态复位。松开工件缸柱焊接设备的改进第 28 页 共 33 页手动状态下的 X1 为变频器的启动，X6 是夹紧工件的按钮 X5是松开工件的按钮。X11 是焊丝机伸出按钮，X12 是焊丝机缩回按钮，X7 是焊机伸出，X10 是焊机缩回，X4 是电机正转，Y5 是电机反转的线圈常闭。X3 是电机正转，Y6 是电机反转的线圈常闭，X13 是焊接开始，X14 是停止焊接。 缸柱焊接设备的改进第 29 页 共 33 页在手动模式转到自动模式时，对手动模式下的各种状态复位。X0 是自动状态的启动按钮，M2 是焊机伸出，M3 是送丝机伸出。当按下启动 X0 1 秒后，M6 是电机正转，M20 是焊机启动，Y11是数字时间继电器的线圈，当数字时间继电器的时间到时，X17 闭合，焊接缩回，送丝机缩回，电机转回原位。缸柱焊接设备的改进第 30 页 共 33 页
