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【摘 要】为了便于搬运并且在搬运过程中避免变形，建筑钢网在被层叠后，需要在上面和底面放置固定架起到固定作用。钢网固定架由标准方钢焊接而成。本文主要介绍了基于PLC控制的四轴联动钢网固定架自动焊接系统的整体设计、电机的运动控制方式、以及便捷的人机界面设计。此系统具有成本低、自动化程度高、可扩展性好等特点。
【关键词】钢网固定架；自动焊接；电机控制；人机界面
引言
建筑钢网是一种新型的建筑材料，可以起到加固墙体作用，从而代替传统的钢筋。建筑钢网尺寸一般为2.5米长、0.8米宽、0.05米厚。由于比较薄，钢网比较柔软，容易变形。在运输时，需要把多张钢网层叠为1米高度，然后在上面和底面放上固定架，再把固定架和钢网捆绑在一起，保证在运输中不变形。
钢网固定架由两根40×25和四根25×25的方管焊接而成，方管的厚度均为2mm。40×25的方管放置在两侧，并且与25×25的方管的两头焊接在一起，从而形成一个架子（如图1所示）。为了保证固定架的强度，要求在每个连接面上焊接左侧、右侧和上面三条焊缝。
目前的焊接，由人工手持焊条进行焊接，效率低下，成型一致性不够好。本文提出了一种四轴自动焊接系统，采用步进电机[1]、伺服电机[2]、PLC和人机界面[3]实现运动和控制，采用自动焊机和自动送丝机，进行全自动焊接。
图1 钢网固定架 1-40×25方管；2-25×25方管
1 机械结构
机械结构主要由以下几部分组成（见图2）：
图2 系统机械结构图
1-待焊接工件；2-旋转电机；3-高度运动电机；
4-横向运动电机；5-高度丝杠导轨模组；6-横向导轨；
7-纵向导轨；8-纵向电机
定位平台：在定位平台上有基准面，并配有夹具。用户需要把方管放置在基准面上，并通过夹具夹紧。此定位平台保证定位误差小于正负0.3毫米；
横向运动结构：龙门上安装有两根圆形精密导轨，导轨上有滑块。滑块通过电机和齿轮齿条可以在导轨上滑动。为了保证精确定位，采用伺服电机；
纵向运动结构：在纵向安装有电机和齿轮齿条，从而带动龙门架在纵向运动。为了保证精确定位，采用伺服电机；
高度运动结构：高度方向采用行程为100毫米，1605的滚珠丝杆模组，以及步进电机组成。在模组的滑块上，安装有旋转焊枪的结构；
焊枪旋转结构：在焊接过程中，需要不断的改变焊枪方向。焊枪旋转由步进电机带动，并且保证旋转中心和焊枪头在同一垂直线上。
2 控制设计
本系统控制采用PLC控制器。其电气设计框图如图3所示（见图3）。此系统共采用一个PLC，其输入包括四个限位开关、按键、触摸屏。触摸屏和PLC之间通过RS422协议进行通讯。其输出包括四个步进或伺服电机、焊枪开关和状态指示等。
PLC控制器对焊枪的控制通过一个继电器实现，当继电器闭合时，焊机自动送丝起弧；当继电器断开时，焊机停止送丝灭弧。
图3 电气设计框图
3运动控制
在设计运动轨迹时，需要考虑焊接时间最短、运动轨迹精确、焊接质量高。在焊接过程中，焊枪被不断移动，而工件固定不动。
为了使得焊接时间最短，焊枪沿纵向先完成一侧的四道焊缝，然后再横向移动到另一侧，完成剩余的四道焊缝。
为了保证运动轨迹精确，焊枪从物理坐标起点开始运动。物理坐标起点也即四个限位开关都被接触的位置。根据运动轨迹设置，依次完成焊接。最终，自动复位到物理坐标起点。
为了保证焊接质量，需要焊枪和焊缝的距离在正负0.5毫米的误差内，并且确保焊枪与焊缝成45度角。在对同一道焊缝的焊接时，需要由下至上完成一侧的焊接；然后连续再焊接上面焊缝，然后再由上至下完成另一侧的焊接。如此连续焊接，保证了焊缝成型美观和焊接强度（见图4）。在工件的倒角处，采用圆弧插补技术实现光滑焊接。
图4 焊接轨迹图
图中红色线条表示焊缝的轨迹；箭头表示焊缝方向
4 人机界面
为了使得该系统能够适应多规格产品的焊接，采用了以触摸屏和按键组合的方式的人机界面。各种规格产品的差别主要在于方管的大小、数量、壁厚、位置，这些差别需要焊枪改变其行走路线、速度和焊接时的行程和速度。
在触摸屏上，提供了简单直观的编程方式。用户可以方便的通过添加、删除和编辑指令，从而形成一套指令集，每一套指令集适用于某一规格的产品的焊接。用户针对不同的规格，只要方便的旋转指令集即可。
每一条指令由下面元素组成：
指令类型：包括电机控制、焊机控制
对于电机控制指令，由下面元素组成：
1）电机序号：横向、纵向、高度和旋转
2）电机速度
3）电机运动方向
4）电机行程
5）电机结束运动条件：一共有两种旋转，一种为走完设定行程；另一种为碰到指定限位开关
对于焊机控制指令，由下面元素组成：
开关：焊机开时，起弧；焊机关时，灭弧
上述电机控制指令和焊机控制指令的交叉组合，即可实现移动焊枪到焊缝位置、开始焊接、结束焊接、再移动焊枪到下一个焊缝位置等动作。
如此人机界面设计，大大增强了该系统不但对现有规格产品，也对将来可能出现的新规格产品焊接的兼容性。
5 结语
该系统采用PLC控制四轴系统实现了钢网固定架的自动焊接。在人工定位夹紧好工件后，只需要按下开始按键，即由系统接管后续的焊接工作，在焊接过程中无需人工干预。
从实际使用得出，应用该系统可以替代80%以上人工工作，焊接成型美观，焊接产量比人工焊接高出一倍以上。
参考文献：
[1]李国友，程硕.基于步进电机的微量计量泵控制系统的研究与实现[J].电机与控制应用，2012（1）.
[2]贾志成，李春爽.基于单片机控制步进电机的小车位移研究[J].电机与控制应用，2013（2）.
[3]陈叶荣，刘祺.节拍式流水线电机出厂试验系统设计[J].电机与控制应用，2012（8）.
作者简介：
马大勇（1963—）工程师， 机械设计制造及自动化专业，主要从事机电一体化及自动化焊接设计及研究。
【关键词】钢网固定架；自动焊接；电机控制；人机界面
引言
建筑钢网是一种新型的建筑材料，可以起到加固墙体作用，从而代替传统的钢筋。建筑钢网尺寸一般为2.5米长、0.8米宽、0.05米厚。由于比较薄，钢网比较柔软，容易变形。在运输时，需要把多张钢网层叠为1米高度，然后在上面和底面放上固定架，再把固定架和钢网捆绑在一起，保证在运输中不变形。
钢网固定架由两根40×25和四根25×25的方管焊接而成，方管的厚度均为2mm。40×25的方管放置在两侧，并且与25×25的方管的两头焊接在一起，从而形成一个架子（如图1所示）。为了保证固定架的强度，要求在每个连接面上焊接左侧、右侧和上面三条焊缝。
目前的焊接，由人工手持焊条进行焊接，效率低下，成型一致性不够好。本文提出了一种四轴自动焊接系统，采用步进电机[1]、伺服电机[2]、PLC和人机界面[3]实现运动和控制，采用自动焊机和自动送丝机，进行全自动焊接。
图1 钢网固定架 1-40×25方管；2-25×25方管
1 机械结构
机械结构主要由以下几部分组成（见图2）：
图2 系统机械结构图
1-待焊接工件；2-旋转电机；3-高度运动电机；
4-横向运动电机；5-高度丝杠导轨模组；6-横向导轨；
7-纵向导轨；8-纵向电机
定位平台：在定位平台上有基准面，并配有夹具。用户需要把方管放置在基准面上，并通过夹具夹紧。此定位平台保证定位误差小于正负0.3毫米；
横向运动结构：龙门上安装有两根圆形精密导轨，导轨上有滑块。滑块通过电机和齿轮齿条可以在导轨上滑动。为了保证精确定位，采用伺服电机；
纵向运动结构：在纵向安装有电机和齿轮齿条，从而带动龙门架在纵向运动。为了保证精确定位，采用伺服电机；
高度运动结构：高度方向采用行程为100毫米，1605的滚珠丝杆模组，以及步进电机组成。在模组的滑块上，安装有旋转焊枪的结构；
焊枪旋转结构：在焊接过程中，需要不断的改变焊枪方向。焊枪旋转由步进电机带动，并且保证旋转中心和焊枪头在同一垂直线上。
2 控制设计
本系统控制采用PLC控制器。其电气设计框图如图3所示（见图3）。此系统共采用一个PLC，其输入包括四个限位开关、按键、触摸屏。触摸屏和PLC之间通过RS422协议进行通讯。其输出包括四个步进或伺服电机、焊枪开关和状态指示等。
PLC控制器对焊枪的控制通过一个继电器实现，当继电器闭合时，焊机自动送丝起弧；当继电器断开时，焊机停止送丝灭弧。
图3 电气设计框图
3运动控制
在设计运动轨迹时，需要考虑焊接时间最短、运动轨迹精确、焊接质量高。在焊接过程中，焊枪被不断移动，而工件固定不动。
为了使得焊接时间最短，焊枪沿纵向先完成一侧的四道焊缝，然后再横向移动到另一侧，完成剩余的四道焊缝。
为了保证运动轨迹精确，焊枪从物理坐标起点开始运动。物理坐标起点也即四个限位开关都被接触的位置。根据运动轨迹设置，依次完成焊接。最终，自动复位到物理坐标起点。
为了保证焊接质量，需要焊枪和焊缝的距离在正负0.5毫米的误差内，并且确保焊枪与焊缝成45度角。在对同一道焊缝的焊接时，需要由下至上完成一侧的焊接；然后连续再焊接上面焊缝，然后再由上至下完成另一侧的焊接。如此连续焊接，保证了焊缝成型美观和焊接强度（见图4）。在工件的倒角处，采用圆弧插补技术实现光滑焊接。
图4 焊接轨迹图
图中红色线条表示焊缝的轨迹；箭头表示焊缝方向
4 人机界面
为了使得该系统能够适应多规格产品的焊接，采用了以触摸屏和按键组合的方式的人机界面。各种规格产品的差别主要在于方管的大小、数量、壁厚、位置，这些差别需要焊枪改变其行走路线、速度和焊接时的行程和速度。
在触摸屏上，提供了简单直观的编程方式。用户可以方便的通过添加、删除和编辑指令，从而形成一套指令集，每一套指令集适用于某一规格的产品的焊接。用户针对不同的规格，只要方便的旋转指令集即可。
每一条指令由下面元素组成：
指令类型：包括电机控制、焊机控制
对于电机控制指令，由下面元素组成：
1）电机序号：横向、纵向、高度和旋转
2）电机速度
3）电机运动方向
4）电机行程
5）电机结束运动条件：一共有两种旋转，一种为走完设定行程；另一种为碰到指定限位开关
对于焊机控制指令，由下面元素组成：
开关：焊机开时，起弧；焊机关时，灭弧
上述电机控制指令和焊机控制指令的交叉组合，即可实现移动焊枪到焊缝位置、开始焊接、结束焊接、再移动焊枪到下一个焊缝位置等动作。
如此人机界面设计，大大增强了该系统不但对现有规格产品，也对将来可能出现的新规格产品焊接的兼容性。
5 结语
该系统采用PLC控制四轴系统实现了钢网固定架的自动焊接。在人工定位夹紧好工件后，只需要按下开始按键，即由系统接管后续的焊接工作，在焊接过程中无需人工干预。
从实际使用得出，应用该系统可以替代80%以上人工工作，焊接成型美观，焊接产量比人工焊接高出一倍以上。
参考文献：
[1]李国友，程硕.基于步进电机的微量计量泵控制系统的研究与实现[J].电机与控制应用，2012（1）.
[2]贾志成，李春爽.基于单片机控制步进电机的小车位移研究[J].电机与控制应用，2013（2）.
[3]陈叶荣，刘祺.节拍式流水线电机出厂试验系统设计[J].电机与控制应用，2012（8）.
作者简介：
马大勇（1963—）工程师， 机械设计制造及自动化专业，主要从事机电一体化及自动化焊接设计及研究。