龍門(mén)數控自動(dòng)焊技術(shù)方案說(shuō)明

3.1 技術(shù)方案
3.1.1 設備用途
主要用于城軌車(chē)輛鋁合金車(chē)體頂蓋、底架、長(cháng)地板、空調板、受電弓板及側墻板、牽枕緩三大梁等大、中部件長(cháng)、直焊縫的自動(dòng)化焊接。
3.1.2 設備配置
（1）龍門(mén)焊設備走行機構                          1套
（2）焊接電源                                    2套
（3）送絲機構                                    2套
（4）焊槍                                        2套
（5）激光傳感系統                                2套
（6）擺動(dòng)器                                      2套
（7）焊接煙塵凈化系統                            2套
（8）安全系統                                    1套
（9）控制系統                                    1套
（10）受流器                                     1套
（11）移動(dòng)操作面板                               1套
（12）壓縮空氣                                   1套
（13）防護系統                                   1套
(14)  備品備件                                   1套
3.1.3  設備主要參數
（1）龍門(mén)焊設備中心距離                          11米
（2）焊接電源功率                                500A
（3）激光波長(cháng)                                    15MM
（4）焊接煙塵凈化系統                            自清潔
（5）焊槍承載                                    500A
（6）升降裝置橫向行程：                          10m
（7）焊縫位置距地面最高2000mm、最低500mm
（8）焊接電源額定輸出電流                        ≥  450A
（9）龍門(mén)縱向走行速度：                          0~10m/min
（10）升降裝置沿龍門(mén)橫向走行速度：               0~4m/min
（11）龍門(mén)下沿距地面高度：                       3230mm
（12）電能供應：設備的一次輸入電壓為三相AC 380V（±10%）50Hz，單相為220V（±10%）。
3.1.4 設備方案說(shuō)明
3.1.4.1  龍門(mén)焊設備方案圖
（1） 設備總體圖

 

 

（2）設備實(shí)物效果圖

 

 

（2）設備焊槍調整圖

 

 

（3）激光傳感器信號控制示意

 

 

（4）龍門(mén)焊設備手持操作器

 

 

（5）龍門(mén)焊設備手持操作器滑線(xiàn)架示意

 

 

（6）焊接90度方向更換調節功能

 

 

（7）設備俯視圖

 

 

（8）設備正式圖

 

（9）設備側視圖

 

 

（10）設備電氣控制框圖

 

 

3.1.4.2  設備方案說(shuō)明
（1）龍門(mén)走行機構
龍門(mén)走行機構運行在現有IGM導軌上，動(dòng)力供應采用受流器在現有滑觸線(xiàn)上取電，受流器設計采用和現有結構、尺寸相同的方式，能夠保證和現有滑觸線(xiàn)可靠結合，走行機構齒輪采用非標模數（3.3）齒輪，以保證和現有軌道齒條的可靠嚙合。
龍門(mén)行走機構采用三面限位導引輪組成，保證了龍門(mén)行走的精確平穩，走行機構采用雙側伺服驅動(dòng)，驅動(dòng)電機、齒輪、軌道齒條采用消間隙處理設計結構，保證運行的準確速度。
走行機構帶有龍門(mén)同步運行控制，龍門(mén)上安裝有兩套橫向運動(dòng)臂，運動(dòng)臂可以上下運動(dòng)，在運動(dòng)臂下端，固定焊槍、吸煙器、激光、橫向擺動(dòng)器、激光示教器，在運動(dòng)臂上，固定焊接煙塵凈化器、送絲機及各種走線(xiàn)。
在龍門(mén)走行機構側面，固定焊接控制機構，焊接控制機構配有拉線(xiàn)架保證該裝置可以到達任何位置，導線(xiàn)有序跟進(jìn)。
龍門(mén)走行機構頂側，為設備布置平臺，上面布置空氣壓縮機、煙塵過(guò)濾、控制柜、焊接電源和焊接氣瓶及綜合配電柜，滑觸線(xiàn)受流裝置布置在該平臺上，設計一支架保證受流器通過(guò)導線(xiàn)將電流導入綜合配電柜，配電柜內，配置空開(kāi)控制焊接電源、壓縮機、激光傳感器、煙塵凈化器、控制柜等。
（2）控制系統
     控制系統采用西門(mén)子全新一代可編程序控制器SIMATIC  S7-1200，SIMATIC S7-1200 小型可編程控制器充分滿(mǎn)足于中小型自動(dòng)化的系統需求，具有四路高速脈沖輸出，可以控制四臺伺服驅動(dòng)器，龍門(mén)焊接專(zhuān)機共有8臺伺服驅動(dòng)器（X軸兩臺，Y軸兩臺，Z軸兩臺，U軸兩臺），S7-1200支持主從通訊，因此采用兩臺S7-1200主機，主機控制兩個(gè)Z軸和兩個(gè)U軸，從機控制兩個(gè)X軸和Y軸。
     移動(dòng)操作面板采用西門(mén)子SIMATIC 移動(dòng)面板 177，SIMATIC 移動(dòng)面板 177具有5.7 寸和256 色觸摸屏，支持鍵控和觸摸，具有14 功能鍵（8 個(gè) LED）、使能和急停按鈕，支持PROFINET通訊協(xié)議，與主機PLC采用總線(xiàn)連接，可通過(guò)按鍵控制焊槍?zhuān)�在界面下選擇所需功能，并輸入相關(guān)參數(如電流、焊接速度等) 即可完成焊接程序的編制。

 

（3）數字化逆變焊接電源TPS 5000

◆TPS5000為先進(jìn)節能的全新數字化逆變焊接電源，它的心臟部分是一個(gè)微電腦處理芯片，由它實(shí)現數字化焊接過(guò)程控制，其控制前所未有的精確、可靠，焊接性能優(yōu)越，焊接質(zhì)量?jì)?yōu)良, 可保證近乎無(wú)飛濺焊接，開(kāi)創(chuàng )焊接領(lǐng)域新紀元；高頻逆變技術(shù)，極大的減小變壓器和電抗器體積，能耗大大降低，為新一代節能產(chǎn)品。數字化控制技術(shù)，可實(shí)現：短路過(guò)渡時(shí)，每次短路過(guò)程可控，保證近乎無(wú)飛濺穩定焊接低電流射流過(guò)渡，完全程序化控制，新功能的增加無(wú)需硬件更改，通過(guò)手提式電腦輸入最新版本軟件即可配置焊接專(zhuān)家程序，脈沖回燒控制。
◆ TPS5000 型焊機在任何狀態(tài)下都不會(huì )發(fā)生焊絲與工件粘結現象。 因為高速運行的DSP（數字信號處理器）一旦發(fā)現有�；〉目赡�，既給出信號在�；∏凹尤胍粋�(gè)脈沖，將焊絲端部的最后一滴熔滴推入熔池，使之與焊絲分離，避免粘絲，該焊接電源設計了最先進(jìn)的引弧方法，引弧的每一個(gè)環(huán)節都經(jīng)過(guò)周密考慮，每一步都實(shí)現程序化控制，保證了引弧的可靠性。為了保證重引弧容易，焊機還設計了回燒脈沖程序，�；『蠛附z不會(huì )結球。
◆TPS 5000 數字化逆變焊機及其特殊鋁焊接功能 ，由子鋁合金良好的熱傳導性，故在引弧部位不易熔透，造成焊縫起始位置易產(chǎn)生未熔合。
 TPS5000焊機針對這一點(diǎn)，由程序控制采用瞬間高能量引弧,大電流建熔池后，遞減至正常焊接電流進(jìn)行焊接。另一方面鋁合金熔點(diǎn)低，容易在焊縫終點(diǎn)造成能量聚積,造成燒穿.故TPS5000焊機在Rci控制系統控制下在焊接結束時(shí)電流自動(dòng)衰減收弧。無(wú)飛濺引弧，包括鋁合金焊接SFI（無(wú)飛濺引�。┸浖�，此技術(shù)可以達到無(wú)飛濺引弧. 焊接開(kāi)始時(shí), 焊絲首先以低速送進(jìn), 一但接觸到工件表面后既停止, 立即接通引弧用低電流, 同時(shí)焊絲回抽至設定長(cháng)度, 電弧引燃. 由于采用數字化技術(shù), 此過(guò)程可以100%重復精確進(jìn)行. TPS 5000具有內置無(wú)飛濺引弧程序. 
◆同步脈沖技術(shù)，此技術(shù)主要用于鋁合金自動(dòng)焊熔化控制，并可實(shí)現表面波紋狀成型。 即通過(guò)兩個(gè)不同能量的脈沖組合交替變化而實(shí)現.  焊縫表面呈銀白色.
◆技術(shù)參數：
配備閉環(huán)式水冷卻系統
焊接電流： 3 - 500安培， 350 A時(shí)100％暫載率
工作電壓： 14.2 - 39 V
額定功率： 15,6 kVA
重量：  36 kg

 

◆送絲機 型號VR 4000 4R/G/W/E Wire feeder送絲機
   VR系列送絲機，新式開(kāi)放型扁平設計, 易于調整�？梢员ＷC長(cháng)期無(wú)故障送絲。此送絲機的突出特點(diǎn)為穩定的4輪主動(dòng)輪驅動(dòng)式送絲，電機上的數字式轉速計監測送絲速度，并通過(guò)控制系統加以調整從而保證恒定的送絲速度。為進(jìn)行氣動(dòng)焊槍清理，標準設備配備有電磁閥， 飛濺分離液注入器。送絲機同時(shí)配備有冷卻水和氣體流量監測裝置。與鋼焊絲不同之處是鋁合金焊絲較軟,這就要求焊絲進(jìn)給無(wú)滑動(dòng). 四輪主動(dòng)驅動(dòng)式送絲可以保證在相對較低的壓力下進(jìn)給無(wú)滑動(dòng), 由于壓緊力較低不會(huì )將較軟的鋁合金焊絲擠壓變形或損傷鋁合金焊絲表面.
送絲機帶有鉸接式支架，可配合使用20kg焊絲盤(pán)，并帶有電纜組件用中央接頭。焊絲盤(pán)直接安裝于機器人手臂上，操作人員不必借助梯子站在地面上即可以容易地更換焊絲盤(pán)。
◆技術(shù)參數：
適用焊接電源    齒輪速比   送絲速度  焊絲直徑
  TS/TPS系列    24:1   0-22m/min  0.8-1.6mm

供貨時(shí)按照直徑1.2mm和1.6mm焊絲的焊接進(jìn)行配置。
◆TPS500與控制系統PLC的通信
I-kit Rob5000 InterfaceI/O通訊接口具有數字量輸入輸出和模擬量輸入輸出功能，可以與焊接專(zhuān)機數據交換，PLC發(fā)送模擬量信號控制焊接功率和弧長(cháng)，焊機發(fā)送模擬量信號反饋實(shí)際焊接電流和電壓，PLC發(fā)送數字量信號控制電焊機的送絲、送氣、點(diǎn)火和控制模式等。
◆TPS500與控制系統PLC的通信圖表

 

 

（4） 焊接擺動(dòng)

◆為實(shí)現Y軸方向焊槍能通過(guò)穩定的輕微擺動(dòng)實(shí)現蓋面焊縫等較寬焊縫的焊接，在垂直軸Z軸的下加裝擺動(dòng)U軸，U軸有PLC發(fā)送脈沖指令控制，U軸采用直線(xiàn)模組形式，雙直線(xiàn)導軌和滾珠絲杠結構，確保傳動(dòng)的精確性，通過(guò)伺服電機連接滾珠絲杠帶動(dòng)焊槍實(shí)現左右精確擺動(dòng)，擺動(dòng)程序由移動(dòng)操作面板自定義編程輸入，并可預存多組參數，滿(mǎn)足不同工件需求，可實(shí)現如下圖擺動(dòng)路徑。

 

 

                         擺動(dòng)U軸三維模型

◆擺動(dòng)U軸主要技術(shù)參數
左擺動(dòng)速度范圍：  0～3 m/min
右擺動(dòng)速度范圍：  0～3 m/min
擺 幅 范 圍：     ± 50mm
左停留時(shí)間范圍：  0～5.0s(0.1s為調節單位)
右停留時(shí)間范圍：  0～5.0s(0.1s為調節單位)
◆擺動(dòng)U軸主要技術(shù)參數
左擺動(dòng)速度范圍：  0～3 m/min
右擺動(dòng)速度范圍：  0～3 m/min
擺 幅 范 圍：     ± 50mm
左停留時(shí)間范圍：  0～5.0s(0.1s為調節單位)
右停留時(shí)間范圍：  0～5.0s(0.1s為調節單位)
中心停留時(shí)間范圍：0～5.0s(0.1s為調節單位)

（5）激光焊縫跟蹤Smart Laser Probe（SLS-025）
  
◆激光焊縫跟蹤傳感系統工作原理如下：
激光發(fā)生器安裝于跟蹤器之中。激光傳感器產(chǎn)生的激光束由棱鏡散射成一激光條帶，照射到工件表面上。
安裝于傳感器之中的光敏器件接受從工件發(fā)射回來(lái)的光束，同時(shí)通過(guò)過(guò)濾器將非正常的信號濾除，以便能正確跟蹤焊縫的實(shí)際位置。此傳感器通過(guò)內部吹出的氣體防止焊接煙塵的污染。

◆本設備采用英國Meta視覺(jué)公司最新推出的新一代智能型激光焊縫跟蹤系統（Smart Laser Probe），其技術(shù)特點(diǎn)、產(chǎn)品性能如下：
高分辨率：SLS傳感器內部采用百萬(wàn)像素級的CMOS攝像機、嵌入式電子元器件和高分辨率顯示設備。
高采樣率：將圖像處理軟硬件集成在傳感器內部，其采樣速率達到每秒30幀，能夠適應高焊接速度和高跟蹤精度要求。動(dòng)態(tài)窗口技術(shù)還能獲得更高的采樣速率。
高適應性：結合多年現場(chǎng)實(shí)際使用經(jīng)驗，算法更加優(yōu)化，能適應更復雜的焊縫特點(diǎn)．同時(shí)增加了先進(jìn)的抗反射技術(shù)，針對高反射性材料如鋁合金和不銹鋼，其跟蹤性能大幅提高。
多功能I/O：系統對外具有網(wǎng)絡(luò )通訊，模擬量通訊和數字量通訊，多功能I/O接口可以同更多設備相連�？梢灾苯涌刂浦本�(xiàn)滑架或者與焊接專(zhuān)機控制器通訊．
傳感器溫度適應范圍更廣：達到-40 °C 到 +55°C，能滿(mǎn)足極端焊接環(huán)境，如跨境管線(xiàn)焊接等需求。
◆可視化窗口：系統采用彩色觸摸屏顯示器替代傳統的黑白工業(yè)監視器，操作者可以通過(guò)顯示器一覽系統的工作過(guò)程，對系統進(jìn)行分析和維護。
經(jīng)典手控盒：手控盒經(jīng)重新設計，更加堅固耐用，其包括了多行彩色LED顯示按鈕，使操作者可以從手控盒及時(shí)得到系統狀態(tài)信息。
◆該激光傳感器構成如下

 

◆激光焊縫跟蹤在龍門(mén)焊專(zhuān)機上的實(shí)現：
在焊接過(guò)程中激光跟蹤傳感器將實(shí)時(shí)數據傳遞給激光控制系統，激光控制系統經(jīng)過(guò)計算處理后，將執行的位移量通過(guò)模擬量和開(kāi)關(guān)量的形式發(fā)送給plc， plc通A/D轉換將模擬量轉換成實(shí)際位移量發(fā)送給執行機構（Z軸執行上下偏移量，U軸執行左右偏移量）

◆激光傳感器與龍門(mén)焊接控制系統的連接框圖

 

◆激光傳感器操作步驟如下：
開(kāi)機：
開(kāi)機前先確保手控盒與系統連接正常，傳感器與系統連接正常。
第一步 打開(kāi)控制箱內的空開(kāi)。
第二步 打開(kāi)控制箱門(mén)上的電源開(kāi)關(guān)（箱門(mén)上的左邊）。向右旋為開(kāi)，向左旋為關(guān)。
第三步 把系統模式打到RUN狀態(tài)(箱門(mén)右邊的上)，把激光鑰匙開(kāi)關(guān)打到ON狀態(tài)(箱門(mén)右邊的下)。
跟蹤操作步驟：
第一步 確保無(wú)錯誤提示！主控箱和顯示屏啟動(dòng)之后，手控盒上的狀態(tài)燈（STATUS）不亮，若為紅色則表示有錯誤，再觀(guān)察顯示屏上顯示是什么錯誤，排除錯誤后再進(jìn)行手控盒相關(guān)的操作。
第二步 打開(kāi)激光！按下手控盒上的激光器打開(kāi)按鈕（LASER ），相應的指示燈亮(為黃色)。這時(shí)傳感器的高亮度的激光條紋出現。
第三步 確保系統對焊縫分析成功！傳感器的激光條紋出現后，先把焊槍和焊點(diǎn)調整到正確的位置上，再對傳感器進(jìn)行上下左右的微調，使得顯示屏界面上出現清晰的分析圖像(以分析圖像位于方框的正中央為最佳),同時(shí)觀(guān)察圖像，確保系統成功分析出焊縫（圖像中心出現黃色的小十字代表分析成功）。如果無(wú)論怎樣進(jìn)行手動(dòng)調整都不能成功分析出焊縫，則需要用筆記本電腦進(jìn)行重新設置。
第四步 設置參考點(diǎn)！確保焊縫分析成功后，就可進(jìn)行參考點(diǎn)設置，在打開(kāi)激光條紋的前提下，同時(shí)按下LASER和SEAM兩個(gè)按鈕，延時(shí)5秒再松開(kāi)，然后再一次打開(kāi)激光條紋，同時(shí)觀(guān)察圖像，確認綠色的小方框與黃色的小十字是否重合在一起，如果重合則代表參考點(diǎn)設置成功，如果沒(méi)重合則需要重新設置，即重復剛才的步驟：同時(shí)按下LASER和SEAM兩個(gè)按鈕，延時(shí)10秒再松開(kāi)，然后再一次打開(kāi)激光條紋，觀(guān)察圖像中的綠色小方框與黃色的小十字是否重合。重合就表示參考點(diǎn)設置成功。如果重復多次都沒(méi)設置成功就需要用筆記本電腦來(lái)設置，或者聯(lián)系META技術(shù)人員。
第五步 開(kāi)始自動(dòng)跟蹤！參考點(diǎn)設置成功后按開(kāi)始按鈕（START），然后手控盒最下面一排的三個(gè)燈：LASER（激光），STATUS(狀態(tài))，SEAM(焊縫)，同時(shí)亮就表示圖像分析成功，并進(jìn)入自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，可以起弧，開(kāi)始焊接。如果三個(gè)燈沒(méi)有同時(shí)亮，則表示圖像分析不成功，系統沒(méi)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤狀態(tài)。這時(shí)則需要人為觀(guān)察，判斷，找出原因。
第六步 跟蹤過(guò)程中的微調！如果在自動(dòng)跟蹤過(guò)程中發(fā)現跟蹤有少許偏離，調整的方式有兩種，第一種方法是在自動(dòng)跟蹤狀態(tài)下，按下OFFSET按鈕，然后通過(guò)手控盒上的方向鍵來(lái)調整，但屬于點(diǎn)動(dòng)調整，每按一下，移動(dòng)0.1mm，第二種方法是關(guān)閉自動(dòng)跟蹤，即按一下STOP按鈕，再打開(kāi)激光，再通過(guò)方向鍵來(lái)調整，然后重新設置參考點(diǎn)，再重新進(jìn)入自動(dòng)跟蹤狀態(tài)。但根據你們廠(chǎng)實(shí)際的焊接工藝來(lái)看，最好別采用第二種方法，因為在生產(chǎn)過(guò)程中整個(gè)管抖動(dòng)太厲害，無(wú)法準確重新設置參考點(diǎn)。
關(guān)機：
先通過(guò)手控盒關(guān)掉激光，再關(guān)掉主控箱上的電源開(kāi)關(guān)。
傳感器日常維護：
每天焊接前都需要將傳感器最前端的保護片抽下來(lái)，用酒精浸濕的干凈的不起毛的布擦拭，傳感器的內部沒(méi)有操作者需要維護的任何部分，千萬(wàn)不要拆開(kāi)傳感器。再就是傳感器電纜的拆裝都必須是在斷電的狀態(tài)下，傳感器的理論工作溫度范圍是0攝氏度到50攝氏度之間，如果低于0攝氏度，傳感器啟動(dòng)不了，一般溫度保持在30-40之間,在冬天保持在和室溫差不多，夏天以傳感器表面沒(méi)有冷凝水為宜。傳感器的溫度在顯示屏界面上能夠觀(guān)察到。
（6）焊接煙塵吸收和過(guò)濾凈化裝置

焊接煙塵凈化器采用自清潔煙塵凈化器，其技術(shù)參數如下:
流量：    220立方米/小時(shí)
電機功率： 2 X 0.95 KW
吸管口徑： Φ50毫米
過(guò)濾效率： > 99%
過(guò)濾后煙塵排放符合相關(guān)國內標準。