三偏心蝶阀蝶板等离子喷焊过程PLC控制系统研究.pdf

文章编号 100225855 2006 0520024204 作者简介陈克选1962 - ,男,山西临猗人,教授,从事焊接设备的研究工作。 三偏心蝶阀蝶板等离子喷焊过程PLC控制系统研究 陈克选,刘国清,李春旭,蔡秀鹏 兰州理工大学,甘肃 兰州 730050 摘要 介绍了三偏心蝶阀自动跟踪等离子喷焊设备。控制系统采用CPM2A - 60CDT - D型 PLC 可编程控制器 为控制核心,实现喷焊工艺过程控制及喷焊面实时跟踪控制。给出了PLC 控制系统的硬件实现及软件设计。 关键词 可编程控制器;等离子喷焊;自动跟踪;三偏心蝶阀 中图分类号 TG43411 文献标识码 B Development of PLC system in process controlling plasma transferred arc CHEN Ke - xuan , LIU Guo - qing , LI Chun - xu , CAI Xiu - peng Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou 730050 , China Abstract This paper introduces the automatic tracing equipment of PTA plasma transferred arc applied in triple eccentric butterfly valve.Its control system is designed on the basis of PLC Pro2 grammable Logical Controller whose model is CPM2A - 60CDT - D.PLC realizes the functions of PTA craftwork and real - time tracing workpiece.The hardware realization and software design of whole control system are analyzed. Key words PLC; PTA ; automatic tracing; triple eccentric butterfly valve 1 概述 等离子喷焊是利用氩气等离子电弧作为热源, 采用合金粉末作为填充金属的一种熔敷合金的工艺 方法 〔1〕。由于该方法具有喷焊层质量和工艺稳定 性好,成形尺寸范围宽,母材对合金冲淡率低,合 金粉末材料范围广且制备简单,生产效率高等特 点,因此,在机械零件的修复以及新产品的表面改 性等方面得到了广泛的应用。随着计算机技术和微 电子技术的迅猛发展,在等离子喷焊过程中采用 PLC作为控制器,既提高了设备的可靠性,扩展 工艺适应性,又满足了工业自动化发展的要求。 2 结构 三偏心蝶阀蝶板的密封面为一圆锥沿某一母线 垂直所截而产生的,此面即为所需喷焊面。针对其 需要设计的等离子喷焊设备主要包括等离子喷焊电 源、PLC控制系统、工作转台、喷焊枪、送粉机 构、传感器和变位机等机械部件 〔3〕 图 1 。 11 喷焊控制柜 21 转移弧电源 31 非转移弧电源 41 喷焊操纵架 51 送粉器 61 升降电机 71 步进电机 81 摆动器 91 喷焊枪 101 传感器 111 三偏心蝶阀 121 变位机 图1 组成结构 等离子喷焊电源采用双电源方式,非转移弧和 转移弧分别由独立的电源单独供电,这样既无相互 影响,又便于两个焊接规范的调节。焊接电源由专 用非转移弧逆变电源和专用转移弧逆变电源构成, 42 阀 门 2006年第5期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 其电流调节范围分别为20～160 A及40～400 A。 喷焊枪采用DHT - 400C型喷焊专用等离子焊 枪。送粉器采用刮板式,送粉量通过旋钮调节,可 保证喷焊工艺的稳定性。摆动器用于调整喷焊面宽 度。气路提供可调节的离子气和保护气。水路提供 焊枪的冷却水,需采用可靠的水压开关以防止无水 或水流量不足时烧坏焊枪。 传感器、变位机、止口盘、步进电机及丝杠螺 母等行走机构,根据蝶板密封面的特殊几何形状及 跟踪需要选用。变位机和止口盘装夹工件使得喷焊 面呈水平状态,能消除喷焊面的纵向跳动,保证喷 距。传感器用于采集工件待焊面进入水平位置后在 水平线上的移动,经PLC处理由步进电机带动行 走机构调整焊枪的水平位置,从而完成喷焊面的跟 踪。 3 工艺动作要求 在喷焊程序设计中,从送气开始到喷焊结束, 各工艺动作要按一定的顺序和时间间隔衔接起来, 这就是工艺动作程序 〔1〕。根据等离子喷焊工艺要 求,从通冷却水和送气开始直到喷焊完毕,喷焊工 艺过程必须按照一定的时序进行图 2 。 图2 等离子喷焊流程 喷焊系统工作过程中应保持水路畅通,以防止 无冷却水烧坏喷嘴。工作气应提前输送滞后关闭, 以保护电极熔池不被氧化。非转移弧引燃后,应立 即切除高频,以防止高频对系统的干扰。转移弧引 燃后可选择非转移弧切除或保留两种方案。 4 PLC控制系统 在等离子喷焊设备中选择PLC作为控制核心 有许多优点。① 功能完善。各种各样的I/ O接口, 可接受处理与发送开关量、模拟量以及脉冲量,可 满足喷焊所需的工序流程控制和焊缝位置跟踪控 制。各种各样的通信接口,与外部设备连接方便。 丰富的外部设备,可建立友好的人机界面,以进行 人机信息交换。②使用方便。PLC控制逻辑的建 立是依靠程序,即用程序代替了硬件接线。另外, PLC的硬件是高度集成化的,已集成为各种小型 化的模块。③ 工作可靠 〔4〕。 411 组成 控制系统选用OMRON公司的CPM2A - 60CDT - D型PLC作为控制系统的核心,使得系 统的各执行机构按控制要求协调顺序工作。选用 CPM1A - MAD01模块将位移传感器检测的标准电 信号转化成PLC能处理的数字信号,经PLC进行 数据处理后,由脉冲输出口产生控制步进电机驱动 器的脉冲信号,从而由步进电机带动执行机构使得 焊枪对喷焊面进行跟踪图 3 。 图3 喷焊控制系统 412 PLC I/ O分配 CPM2A - 60CDT - D可编程控制器其I/ O端 子共60点,输入为36点,输出24点。 输入 端 口 地 址 范 围 为IR0000～IR0011、 IR0100～IR0111和IR0200～IR0211 ,共有36个 输入端口。IR0000～IR0003具有高速计数等功能, IR0006和IR0007具有中断输入功能 〔5〕, 为利于系 统扩展,将这些口保留不作一般输入口。为实现应 急处理的控制,保证PLC对应急情况的及时响应, 采用IR0004和IR0005作为急停及水压欠压的中 断输入口。用于喷焊方式选择以及各工艺流程控制 的输入信号有程检、焊接、手动档、自动档、水 泵、离子气、保护气、高频、非转移弧、转移弧、 摆动、送粉、跟踪、转台、自动结束和手动结束 等,共采用16个一般输入口。 输出 端 口 地 址 范 围 为IR1000～IR1007 , 522006年第5期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. IR1100～IR1107 , IR1200～IR1207 ,共有24个输 出端口。IR1000和IR1001还具有脉冲输出功能, 本系统采用IR1000作为脉冲输出口, IR1001为系 统扩展保留,不作为一般输出口。用于控制的输出 信号有水泵、离子气、保护气、高频、非转移弧、 转移弧、摆动、送粉、跟踪、转台、脉冲方向、急 停指示和水压报警等,共采用13个一般输出口。 由于采用的晶体管输出型的PLC ,要输出控制相 应的设备及指示灯需使用中间继电器。 图4 焊缝跟踪示意图 413 自动跟踪及计算 由于喷焊面窄,待焊点轨迹复杂,要实现高质 量的喷焊,须对焊枪进行精确的位置和速度控 制 〔6〕。研究焊枪从一个位置前进到下一个位置在 水平方向上需要的矫正量,而传感结果体现的是获 取采样这一时刻工件喷焊面的绝对位置,并不是需 要的矫正量,所以必须对传感器所得的结果进行调 整。 设位置n的传感结果用an表示,从位置n- 1 到位置n的水平方向矫正值用sn表示。当蝶阀到 达初始位置设为位置0,a0 0前,不进行位 置调整,到达初始位置时焊枪正对焊点。蝶阀由位 置0转到位置1时,所需的水平位置矫正值s1a1 -a0a1。由位置1转到位置2时,所需矫正值 s2a2-s1。由位置2到位置3时,所需矫正值s3 a3-s2-s1。依此类推,由位置n- 1到位置n 所需的水平方向矫正值为 snan-sn- 1-sn- 2-⋯-s2-s1an-∑ n- 1 i 1 si 由此得到了矫正量,即可得到步进电机的脉冲 方向及脉冲个数,从而可实现焊枪对焊缝的跟踪。 此计算方法可消除累计误差及调整突发的误差。跟 踪系统流程如图5所示。 图5 跟踪系统流程图 图6 主控制程序 62 阀 门 2006年第5期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 414 软件设计 控制系统要完成设备工作方式的选择,焊枪水 平移动跟踪控制、引弧、收弧、离子气、保护气和 送粉等喷焊工艺过程的控制,以及应对紧急情况的 急停或水压不足等故障控制。根据系统要求,设计 的主控制程序流程如图6。 5 联机调试及工艺试验 通过CX - Programmer编程软件编辑程序并写 入CPM2A - 60CDT - D的程序存储器中,在PLC 监控状态下运行,监视程序执行情况,待动作准确 无误且在系统各部分调试完毕后进行联机,并且分 别在手动和自动两种状态下试运行,然后进行了喷 焊工艺试验。 通过对不同直径尺寸三偏心蝶阀的反复喷焊工 艺试验,并且试验多种喷焊粉末,确定了符合三偏 心蝶阀质量要求的喷焊工艺。 对 于DN1000蝶 阀,推 荐 粉 末F321 D507Mo铁基合金粉末,焊枪高度10～12 mm , 主弧电流135～143 A ,维弧电流30～38 A ,转台 转速0105～0106 r/ s 控制盒显示值 , 送粉电机 电枢电压59 V 空载或41 V 负载 , 离子气流 量0138～014 m3/ h ,保护气流量0105～012 m3/ h , 送粉气流量011～0125 m3/ h ,摆动幅度715 mm , 摆动频率115～116 Hz ,摆动停留时间左右 119～2 s。 喷焊后焊面宽度约为20 mm ,厚度约为315 mm ,外观较好,喷焊面成形符合要求。车削加工 后X射线探伤,未发现气孔和裂纹。此焊接规范 符合喷焊要求。 6 结语 由于采用PLC控制,喷焊设备实现了小型化 和自动化,解决了等离子喷焊设备线路复杂和三偏 心蝶阀喷焊面跟踪困难等技术难题。该设备应用于 三偏心蝶阀的改性处理过程,运行稳定,可靠,能 够满足喷焊工艺要求,喷焊质量优良。 参考文献 〔1〕 高荣发,马小雄.离子弧喷焊 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1979. 〔2〕 郝承明.三偏心蝶阀密封结构分析与研究 〔J〕.阀门, 2001 , 1 20 - 25. 〔3〕 陈克选,李春旭.微机控制等离子喷涂设备的研制 〔D〕. 第九次全国焊接会议论文集, 2000. 〔4〕 宋伯生.PLC编程理论算法及技巧 〔M〕.北京机械工业 出版社, 2004. 〔5〕 江秀汉,汤楠.可编程控制器原理及应用 〔M〕.西安西 安电子科技大学出版社, 2000. 〔6〕 吕学勤,张轲,吴毅雄.焊缝自动跟踪的发展与展望 〔J〕. 机械工程学报, 2003 , 39 12 80 - 84. 收稿日期 20061071 07 上接第23页玻璃管上端通大气,液位传感器发 出讯号 4 ～20 mA计算精度015级由计算机处 理后显示或打印。 同时可将压力传感器安装在阀门进口端盖上, 将压力值同时显示或打印。也可将产品合格证内容 如制造厂名、出厂日期、产品名称、型号、公称压 力、公称通径,试用介质、温度、依据标准、检验 结论及日期、出厂编号、检验人员和负责人员签章 等同时打印。 3 计算机阀门测试系统 计算机阀门测试系统由电源、阀门压力传感器、 泄漏量压力传感器和数据变换器等组成图 1 。 311 主要技术指标 1电源 型号 D - 30BGD 输入 115～230 V , 0145 A 输出 24 V , 1 A 2数据变换器 型号 USB - 1 输入 0～20 mA A/ D转换 12 bit 输出方式 RS232 输出波特率 9600 bps 312 系统原理 计算机阀门测试系统如图1所示。 图1 计算机阀门测试系统原理 4 结语 随着现代阀门技术参数和技术性能的发展,对 阀门的生产制造和试验检测等工艺流程也提出新的 要求。科学合理的阀门检测已成为阀门设计和制造 必须重视的问题,同时也是技术监督检验机构急待 改进和完善的一项工作。 参考文献 〔1〕 GB/ T 13927 - 1992 ,通用阀门压力试验 〔S〕. 收稿日期 20061051 08 722006年第5期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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