缝合摩擦焊实验装置的电控系统设计

张旭博 邓秋实 刘建康 程旭明 孙 未

中国石油大学（华东） 山东青岛 266580

【文章摘要】

本文针对缝合摩擦焊的实验装置进行了电控系统的设计。本控制系统采用PLC 为主控制器，通过控制液压伺服阀和伺服电机来进行运动的控制。伺服电机和液压伺服阀分别控制主轴的轴向进给和高速旋转运动。本文在完成以PLC 为控制核心的控制系统基础上，分析计算，对PLC、液压泵、液压伺服阀、伺服电机等进行了选型。

【关键词】

缝合摩擦焊；主轴；液压系统；伺服电机

水下焊接技术是开发海洋资源最重要的技术之一。焊接过程中，由于水和水下压力的存在，所以焊接过程与在陆地上的焊接有的很大的差别。

1 总体设计方案

设计主要是实验焊机的电器控制元件及控制系统。本文缝合摩擦焊设备采用PLC 控制系统。整个电控系统我们以PLC 为主控制元件，采用人机界面为控制面板，操作简单直观。反馈的信号可以清晰的反应到界面上，控制信息通过人机界面传递给PLC，经由PLC 处理分析后，再把信号下传至执行单元。

2 PLC 及外围器件选型设计

2.1 PLC 选型

综合考虑经济等各方面，缝合摩擦焊电控系统的控制器设计选择西门子品牌的PLC。

2.1.1 PLC 控制规模确定

西门子PLC 按照控制规模有如下分类，微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等. 根据具体实验情况，本设计选择S7-200 微型PLC.

2.1.2 PLC 的CPU 模块选择

设计中用到的PLC 仅需要控制一个伺服电机和一个简单液压系统，要有模拟量的输入输出，并且可以连接扩展模块。所以综合考虑，选择CPU224（晶体管输出），在满足基本要求的基础上又留有余量，可供后期实验设备进行改进。

2.2 外围器件的选型

因为液压伺服阀的控制信号是模拟量的输入信号，所以PLC 不能直接输入信号，因此PLC 需要一个DA 扩展模块来实现对伺服阀的闭环控制。伺服电机驱动器的控制信号是通过PROFIBUS-DP 通信， 所以PLC 还需要一个带有PROFIBUS-DP 接口的扩展模块。

2.2.1 模拟量扩展模块的选择

设计选用模拟量扩展模块选择同时具有输入输出点的EM235。EM235 模拟量扩展模块可以提供了模拟量输入/ 输出的功能，可以直接与执行器和传感器相连，12 位的分辨率和多种输入/ 输出范围能够在不需要外加放大器的情况下与传感器和执行器直接相连；可以根据实际需要灵活扩展，并可以非常容易的调整用户程序等。

3 缝合摩擦焊焊接过程控制

3.1 缝合摩擦焊焊接动作过程描述

设计采用伺服电机来控制焊接主轴的进给运动，通过液压系统来控制主轴的高速旋转。具体控制过程如下：

启动伺服电机，控制焊接主轴头向下运动到被焊工件处；开启液压系统，液压马达开始旋转，带动主轴旋转；开始焊接，同时有主轴进给和主轴旋转；焊接完毕， 主轴停止旋转，同时向上运动；主轴复位， 关闭设备。

3.2 液压系统部分设计

3.2.1 液压控制原理

这个液压系统比较简单，用溢流阀控制系统的最高压力，用液压伺服阀控制马达的启停和主轴转速的调节。

3.2.2 液压动力元件选型

设计要求主轴最高转速为6000r/min，因此选用柱塞液压马达。 设计焊接具体要求如下：主轴旋转速度500r/min ～ 6000 r/min ；焊接压力最大值20kN ；主轴头液压马达最大扭矩50N·m。

本设计选择具体型号为A2FM12 的柱塞液压马达。马达排量为12ml/r，最高转速8000，最大流量96L/min，当压差为350bar 时，扭矩为67NM, 当压差为400bar 时，扭矩为76NM。

假设液压马达的出口压力为零，入口压力为P=30MP，则可以得到：液压泵的实际工作压力为35MP，由于沿途的流量损失，这里的损失系数选择k=1.1，所以流量q 为q=K·q2=110L/min 我们设定电动机向液压泵提供的转速为n=1500r/ min，排量Q 为 Q= q /n=73.3ml/r，根据公式算出本泵实际功率和实际转矩的大小： M=（15.9*73.3*35）/ （10*0.9）=453.2N. M ；P=(110*35)/(60*0.9)=71.3 设计要求主轴力较大，所以设计选择柱塞泵。如力源A2F80R2P1 即满足要求。

3.2.3 主轴旋转具体控制过程

控制过程：首先通过PLC 控制一个继电器来控制液压泵的启动和停止。转速控制信号由人机界面输入，经过PLC 处理经过模拟量扩展模块EM235 控制液压伺服阀工作，使液压马达获得相应的转速，同时，主轴上的转速传感器又将转速实时反馈到PLC, 形成闭环控制系统，完成对主轴转速的稳定控制。

3.3 缝合摩擦焊轴向运动控制

3.3.1 伺服电机

伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。其主要特点是：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

设计实验装置需要惯量大、进给速度低，做低速平稳运动，采用交流伺服电机。

3.3.2 伺服驱动器

（1）转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中。

（2）位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度。一般应用于定位装置。

（3）速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID 控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位回馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，增加了整个系统的定位精度。

设计选用速度模式，通过模拟量的输入对伺服电机进行控制。

3.3.3 主轴进给具体控制过程

具体控制方案是触摸屏是人机对话接口，控制信息需要通过触摸屏输入，然后信息通过通信端口出入PLC，经过PLC 的运算过后，以模拟量的形式传送到伺服控制器的模拟量输入端口，伺服控制器经过对模拟量的运算，然后驱动伺服电机输出连接丝杠的主轴所需要的转速。同时在主轴上安装一个速度传感器，将主轴的实时进给速度反馈给伺服控制器，形成一个闭环控制系统，达到输入速度的稳定输出。

【作者简介】

张旭博（1966—），男，陕西省西安市人，职务：学生，研究方向：焊接。028