龍門數(shù)控自動焊技術(shù)方案說明

3.1 技術(shù)方案
3.1.1 設(shè)備用途
主要用于城軌車輛鋁合金車體頂蓋、底架、長地板、空調(diào)板、受電弓板及側(cè)墻板、牽枕緩三大梁等大、中部件長、直焊縫的自動化焊接。
3.1.2 設(shè)備配置
（1）龍門焊設(shè)備走行機構(gòu)                          1套
（2）焊接電源                                    2套
（3）送絲機構(gòu)                                    2套
（4）焊槍                                        2套
（5）激光傳感系統(tǒng)                                2套
（6）擺動器                                      2套
（7）焊接煙塵凈化系統(tǒng)                            2套
（8）安全系統(tǒng)                                    1套
（9）控制系統(tǒng)                                    1套
（10）受流器                                     1套
（11）移動操作面板                               1套
（12）壓縮空氣                                   1套
（13）防護系統(tǒng)                                   1套
(14)  備品備件                                   1套
3.1.3  設(shè)備主要參數(shù)
（1）龍門焊設(shè)備中心距離                          11米
（2）焊接電源功率                                500A
（3）激光波長                                    15MM
（4）焊接煙塵凈化系統(tǒng)                            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）龍門縱向走行速度：                          0~10m/min
（10）升降裝置沿龍門橫向走行速度：               0~4m/min
（11）龍門下沿距地面高度：                       3230mm
（12）電能供應(yīng)：設(shè)備的一次輸入電壓為三相AC 380V（±10%）50Hz，單相為220V（±10%）。
3.1.4 設(shè)備方案說明
3.1.4.1  龍門焊設(shè)備方案圖
（1） 設(shè)備總體圖

 

 

（2）設(shè)備實物效果圖

 

 

（2）設(shè)備焊槍調(diào)整圖

 

 

（3）激光傳感器信號控制示意

 

 

（4）龍門焊設(shè)備手持操作器

 

 

（5）龍門焊設(shè)備手持操作器滑線架示意

 

 

（6）焊接90度方向更換調(diào)節(jié)功能

 

 

（7）設(shè)備俯視圖

 

 

（8）設(shè)備正式圖

 

（9）設(shè)備側(cè)視圖

 

 

（10）設(shè)備電氣控制框圖

 

 

3.1.4.2  設(shè)備方案說明
（1）龍門走行機構(gòu)
龍門走行機構(gòu)運行在現(xiàn)有IGM導軌上，動力供應(yīng)采用受流器在現(xiàn)有滑觸線上取電，受流器設(shè)計采用和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、尺寸相同的方式，能夠保證和現(xiàn)有滑觸線可靠結(jié)合，走行機構(gòu)齒輪采用非標模數(shù)（3.3）齒輪，以保證和現(xiàn)有軌道齒條的可靠嚙合。
龍門行走機構(gòu)采用三面限位導引輪組成，保證了龍門行走的精確平穩(wěn)，走行機構(gòu)采用雙側(cè)伺服驅(qū)動，驅(qū)動電機、齒輪、軌道齒條采用消間隙處理設(shè)計結(jié)構(gòu)，保證運行的準確速度。
走行機構(gòu)帶有龍門同步運行控制，龍門上安裝有兩套橫向運動臂，運動臂可以上下運動，在運動臂下端，固定焊槍、吸煙器、激光、橫向擺動器、激光示教器，在運動臂上，固定焊接煙塵凈化器、送絲機及各種走線。
在龍門走行機構(gòu)側(cè)面，固定焊接控制機構(gòu)，焊接控制機構(gòu)配有拉線架保證該裝置可以到達任何位置，導線有序跟進。
龍門走行機構(gòu)頂側(cè)，為設(shè)備布置平臺，上面布置空氣壓縮機、煙塵過濾、控制柜、焊接電源和焊接氣瓶及綜合配電柜，滑觸線受流裝置布置在該平臺上，設(shè)計一支架保證受流器通過導線將電流導入綜合配電柜，配電柜內(nèi)，配置空開控制焊接電源、壓縮機、激光傳感器、煙塵凈化器、控制柜等。
（2）控制系統(tǒng)
     控制系統(tǒng)采用西門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足于中小型自動化的系統(tǒng)需求，具有四路高速脈沖輸出，可以控制四臺伺服驅(qū)動器，龍門焊接專機共有8臺伺服驅(qū)動器（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Z軸和兩個U軸，從機控制兩個X軸和Y軸。
     移動操作面板采用西門子SIMATIC 移動面板 177，SIMATIC 移動面板 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 LED）、使能和急停按鈕，支持PROFINET通訊協(xié)議，與主機PLC采用總線連接，可通過按鍵控制焊槍，在界面下選擇所需功能，并輸入相關(guān)參數(shù)(如電流、焊接速度等) 即可完成焊接程序的編制。

 

（3）數(shù)字化逆變焊接電源TPS 5000

◆TPS5000為先進節(jié)能的全新數(shù)字化逆變焊接電源，它的心臟部分是一個微電腦處理芯片，由它實現(xiàn)數(shù)字化焊接過程控制，其控制前所未有的精確、可靠，焊接性能優(yōu)越，焊接質(zhì)量優(yōu)良, 可保證近乎無飛濺焊接，開創(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(jié)能產(chǎn)品。數(shù)字化控制技術(shù)，可實現(xiàn)：短路過渡時，每次短路過程可控，保證近乎無飛濺穩(wěn)定焊接低電流射流過渡，完全程序化控制，新功能的增加無需硬件更改，通過手提式電腦輸入最新版本軟件即可配置焊接專家程序，脈沖回燒控制。
◆ TPS5000 型焊機在任何狀態(tài)下都不會發(fā)生焊絲與工件粘結(jié)現(xiàn)象。 因為高速運行的DSP（數(shù)字信號處理器）一旦發(fā)現(xiàn)有�；〉目赡埽�既給出信號在�；∏凹尤胍粋�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(shè)計了最先進的引弧方法，引弧的每一個環(huán)節(jié)都經(jīng)過周密考慮，每一步都實現(xiàn)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(shè)計了回燒脈沖程序，�；『蠛附z不會結(jié)球。
◆TPS 5000 數(shù)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，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行焊接。另一方面鋁合金熔點低，容易在焊縫終點造成能量聚積,造成燒穿.故TPS5000焊機在Rci控制系統(tǒng)控制下在焊接結(jié)束時電流自動衰減收弧。無飛濺引弧，包括鋁合金焊接SFI（無飛濺引�。┸浖�，此技術(shù)可以達到無飛濺引弧. 焊接開始時, 焊絲首先以低速送進, 一但接觸到工件表面后既停止, 立即接通引弧用低電流, 同時焊絲回抽至設(shè)定長度, 電弧引燃. 由于采用數(shù)字化技術(shù), 此過程可以100%重復精確進行. TPS 5000具有內(nèi)置無飛濺引弧程序. 
◆同步脈沖技術(shù)，此技術(shù)主要用于鋁合金自動焊熔化控制，并可實現(xiàn)表面波紋狀成型。 即通過兩個不同能量的脈沖組合交替變化而實現(xiàn).  焊縫表面呈銀白色.
◆技術(shù)參數(shù)：
配備閉環(huán)式水冷卻系統(tǒng)
焊接電流： 3 - 500安培， 350 A時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，新式開放型扁平設(shè)計, 易于調(diào)整�？梢员ＷC長期無故障送絲。此送絲機的突出特點為穩(wěn)定的4輪主動輪驅(qū)動式送絲，電機上的數(shù)字式轉(zhuǎn)速計監(jiān)測送絲速度，并通過控制系統(tǒng)加以調(diào)整從而保證恒定的送絲速度。為進行氣動焊槍清理，標準設(shè)備配備有電磁閥， 飛濺分離液注入器。送絲機同時配備有冷卻水和氣體流量監(jiān)測裝置。與鋼焊絲不同之處是鋁合金焊絲較軟,這就要求焊絲進給無滑動. 四輪主動驅(qū)動式送絲可以保證在相對較低的壓力下進給無滑動, 由于壓緊力較低不會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，并帶有電纜組件用中央接頭。焊絲盤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。
◆技術(shù)參數(shù)：
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

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

 

 

（4） 焊接擺動

◆為實現(xiàn)Y軸方向焊槍能通過穩(wěn)定的輕微擺動實現(xiàn)蓋面焊縫等較寬焊縫的焊接，在垂直軸Z軸的下加裝擺動U軸，U軸有PLC發(fā)送脈沖指令控制，U軸采用直線模組形式，雙直線導軌和滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，確保傳動的精確性，通過伺服電機連接滾珠絲杠帶動焊槍實現(xiàn)左右精確擺動，擺動程序由移動操作面板自定義編程輸入，并可預(yù)存多組參數(shù)，滿足不同工件需求，可實現(xiàn)如下圖擺動路徑。

 

 

                         擺動U軸三維模型

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

（5）激光焊縫跟蹤Smart Laser Probe（SLS-025）
  
◆激光焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)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)射回來的光束，同時通過過濾器將非正常的信號濾除，以便能正確跟蹤焊縫的實際位置。此傳感器通過內(nèi)部吹出的氣體防止焊接煙塵的污染。

◆本設(shè)備采用英國Meta視覺公司最新推出的新一代智能型激光焊縫跟蹤系統(tǒng)（Smart Laser Probe），其技術(shù)特點、產(chǎn)品性能如下：
高分辨率：SLS傳感器內(nèi)部采用百萬像素級的CMOS攝像機、嵌入式電子元器件和高分辨率顯示設(shè)備。
高采樣率：將圖像處理軟硬件集成在傳感器內(nèi)部，其采樣速率達到每秒30幀，能夠適應(yīng)高焊接速度和高跟蹤精度要求。動態(tài)窗口技術(shù)還能獲得更高的采樣速率。
高適應(yīng)性：結(jié)合多年現(xiàn)場實際使用經(jīng)驗，算法更加優(yōu)化，能適應(yīng)更復雜的焊縫特點．同時增加了先進的抗反射技術(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(tǒng)對外具有網(wǎng)絡(luò)通訊，模擬量通訊和數(shù)字量通訊，多功能I/O接口可以同更多設(shè)備相連�？梢灾苯涌刂浦本�滑架或者與焊接專機控制器通訊．
傳感器溫度適應(yīng)范圍更廣：達到-40 °C 到 +55°C，能滿足極端焊接環(huán)境，如跨境管線焊接等需求。
◆可視化窗口：系統(tǒng)采用彩色觸摸屏顯示器替代傳統(tǒng)的黑白工業(yè)監(jiān)視器，操作者可以通過顯示器一覽系統(tǒng)的工作過程，對系統(tǒng)進行分析和維護。
經(jīng)典手控盒：手控盒經(jīng)重新設(shè)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得到系統(tǒng)狀態(tài)信息。
◆該激光傳感器構(gòu)成如下

 

◆激光焊縫跟蹤在龍門焊專機上的實現(xiàn)：
在焊接過程中激光跟蹤傳感器將實時數(shù)據(jù)傳遞給激光控制系統(tǒng)，激光控制系統(tǒng)經(jīng)過計算處理后，將執(zhí)行的位移量通過模擬量和開關(guān)量的形式發(fā)送給plc， plc通A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成實際位移量發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)（Z軸執(zhí)行上下偏移量，U軸執(zhí)行左右偏移量）

◆激光傳感器與龍門焊接控制系統(tǒng)的連接框圖

 

◆激光傳感器操作步驟如下：
開機：
開機前先確保手控盒與系統(tǒng)連接正常，傳感器與系統(tǒng)連接正常。
第一步 打開控制箱內(nèi)的空開。
第二步 打開控制箱門上的電源開關(guān)（箱門上的左邊）。向右旋為開，向左旋為關(guān)。
第三步 把系統(tǒng)模式打到RUN狀態(tài)(箱門右邊的上)，把激光鑰匙開關(guān)打到ON狀態(tài)(箱門右邊的下)。
跟蹤操作步驟：
第一步 確保無錯誤提示！主控箱和顯示屏啟動之后，手控盒上的狀態(tài)燈（STATUS）不亮，若為紅色則表示有錯誤，再觀察顯示屏上顯示是什么錯誤，排除錯誤后再進行手控盒相關(guān)的操作。
第二步 打開激光！按下手控盒上的激光器打開按鈕（LASER ），相應(yīng)的指示燈亮(為黃色)。這時傳感器的高亮度的激光條紋出現(xiàn)。
第三步 確保系統(tǒng)對焊縫分析成功！傳感器的激光條紋出現(xiàn)后，先把焊槍和焊點調(diào)整到正確的位置上，再對傳感器進行上下左右的微調(diào)，使得顯示屏界面上出現(xiàn)清晰的分析圖像(以分析圖像位于方框的正中央為最佳),同時觀察圖像，確保系統(tǒng)成功分析出焊縫（圖像中心出現(xiàn)黃色的小十字代表分析成功）。如果無論怎樣進行手動調(diào)整都不能成功分析出焊縫，則需要用筆記本電腦進行重新設(shè)置。
第四步 設(shè)置參考點！確保焊縫分析成功后，就可進行參考點設(shè)置，在打開激光條紋的前提下，同時按下LASER和SEAM兩個按鈕，延時5秒再松開，然后再一次打開激光條紋，同時觀察圖像，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設(shè)置成功，如果沒重合則需要重新設(shè)置，即重復剛才的步驟：同時按下LASER和SEAM兩個按鈕，延時10秒再松開，然后再一次打開激光條紋，觀察圖像中的綠色小方框與黃色的小十字是否重合。重合就表示參考點設(shè)置成功。如果重復多次都沒設(shè)置成功就需要用筆記本電腦來設(shè)置，或者聯(lián)系META技術(shù)人員。
第五步 開始自動跟蹤！參考點設(shè)置成功后按開始按鈕（START），然后手控盒最下面一排的三個燈：LASER（激光），STATUS(狀態(tài))，SEAM(焊縫)，同時亮就表示圖像分析成功，并進入自動跟蹤狀態(tài)，可以起弧，開始焊接。如果三個燈沒有同時亮，則表示圖像分析不成功，系統(tǒng)沒進行自動跟蹤狀態(tài)。這時則需要人為觀察，判斷，找出原因。
第六步 跟蹤過程中的微調(diào)！如果在自動跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)跟蹤有少許偏離，調(diào)整的方式有兩種，第一種方法是在自動跟蹤狀態(tài)下，按下OFFSET按鈕，然后通過手控盒上的方向鍵來調(diào)整，但屬于點動調(diào)整，每按一下，移動0.1mm，第二種方法是關(guān)閉自動跟蹤，即按一下STOP按鈕，再打開激光，再通過方向鍵來調(diào)整，然后重新設(shè)置參考點，再重新進入自動跟蹤狀態(tài)。但根據(jù)你們廠實際的焊接工藝來看，最好別采用第二種方法，因為在生產(chǎn)過程中整個管抖動太厲害，無法準確重新設(shè)置參考點。
關(guān)機：
先通過手控盒關(guān)掉激光，再關(guān)掉主控箱上的電源開關(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，用酒精浸濕的干凈的不起毛的布擦拭，傳感器的內(nèi)部沒有操作者需要維護的任何部分，千萬不要拆開傳感器。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有冷凝水為宜。傳感器的溫度在顯示屏界面上能夠觀察到。
（6）焊接煙塵吸收和過濾凈化裝置

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