电阻焊接设备及焊接控制方法.pdf

本发明提供了一种电阻焊接设备及焊接控制方法，电阻焊接设备由机架、电控箱及PLC系统、焊接变压器、动作机构、焊机控制器、废品箱、光纤传感器及传感器控制器组成；其中动作机构由底板、主机架、垂直气缸、主直线导轨、直线导轨、定位手动压爪、定位工装、直线轴承、主直线轴承、定位螺母、调节压力弹簧、丝杆、伺服电机、联轴器、位移传感器、夹紧汽缸、压力传感器、左电极、右电极、左右直线导轨、左右直线轴承、辅机架、连接杆和夹紧压板构成。由于采用压力传感器及跟踪系统收集压力信号和位移传感器及跟踪系统收集位移信号，通过PLC运行程序控制，使对金属工件的焊接采用动态在线控制可全面全程监控各焊接控制点，焊接形变量控制在0.01-0.45mm之间，确保了焊接的质量。

1、  一种电阻焊接设备，其特征在于由机架(I)、电控箱及PLC系统(II)、焊接变压器(III)、动作机构(IV)、焊机控制器(V)、废品箱(VI)、光纤传感器(VII)及传感器控制器(VIII)组成，电控箱及PLC系统(II)位于机架(I)的下部，焊接变压器(III)位于机架(I)中部工作台的右侧，焊机控制器(V)与传感器控制器(VIII)位于机架(I)中部工作台的左侧，废品箱(VI)位于机架(I)底部的一角，光纤传感器(VII)位于机架(I)中部工作台的外侧，动作机构(IV)位于机架(I)中部工作台中心部位；其中动作机构由底板(1)、主机架(2)、垂直气缸(3)、主直线导轨(4)、直线导轨(5)、定位手动压爪(6)、定位工装(7)、直线轴承(8)、主直线轴承(9)、定位螺母(10)、调节压力弹簧(11)、丝杆(12)、伺服电机(13)、联轴器(14)、位移传感器(15)、夹紧汽缸(16)、压力传感器(17)、左电极(18)、右电极(19)、左右直线导轨(20)、左右直线轴承(21)、辅机架(22)、连接杆(23)和夹紧压板(24)构成，主机架(2)竖立在底板(1)一端，主机架(2)上端设置垂直汽缸(3)，定位螺母(10)安装固定在垂直气缸(3)的上端，主机架(2)垂直汽缸下设置有主直线导轨(4)，主直线轴承(9)与主直线导轨(4)配合设置，由垂直汽缸向下的伸缩杆上套有整套焊接装置的辅机架(22)安装在主直线轴承(9)上，在辅机架(22)的左端部位固定有夹紧汽缸(16)，可调节压力弹簧(11)、压力传感器(17)、左右直线导轨(20)依次安装在夹紧汽缸(16)右面的辅机架(22)上，位移传感器(15)固定在可调节压力弹簧(11)的中间，左右直线轴承(21)与左右直线导轨(20)配合设置，在辅机架(22)的右端部设置有右电极(19)，可调节压力弹簧(11)通过紧固件与压力传感器(17)连接、压力传感器(17)再连接至连接杆(23)的一端，连接杆(23)的另一端与左电极(18)通过夹紧压板(24)紧固连接，直线导轨(5)固定在底板(1)上与主机架相对的另一端，直线轴承(8)与直线导轨(5)配合设置，直线轴承(8)之上装有定位工装(7)，定位手动压爪(6)固定在定位工装(7)上，伺服电机(13)固定在底板(1)之下，伺服电机(13)转动轴通过联轴器(14)与位于定位工装(7)下半部的丝杆(12)连接。

2、  根据权利要求1所述的电阻焊接设备，其特征在于伺服电机的行程范围0-40mm，位移精度0.001mm。

3、  根据权利要求2所述的电阻焊接设备，其特征在于伺服电机的行程范围0-10mm。

4、  根据权利要求1所述的电阻焊接设备，其特征在于压力传感器量程范围为0-200N，精度0.001N；位移传感器测量行程为0-10mm，独立线性0.2％，采样速率40000次/秒，分解能力0.02％，直线性±0.3％，输出反应时间0.075ms。

5、  根据权利要求4所述的电阻焊接设备，其特征在于压力传感器量程范围为0-100N；位移传感器测量行程0-5mm/0.2”。

6、  根据权利要求1所述的电阻焊接设备，其特征在于焊接设备控制的焊接压力为0～200N，焊接电流为100～3000A，焊接形变量为0.01～0.45mm。

7、  根据权利要求1所述的电阻焊接设备，其特征在于焊接过程中控制的焊接压力为60N，焊接电流为2000A，焊接形变量为0.4mm。

8、  一种电阻焊接设备的焊接控制方法，其特征在于对金属工件焊接采用可编程控制器PLC通过自动程序控制方法进行控制，自动程序焊接控制的过程如下：开机→启动自检程序→放入焊接工件后夹紧定位手动压爪，输入操作信号垂直汽缸带动焊接装置下降→夹紧汽缸夹紧被焊接工件，同时压力传感器和位移传感器开始工作，将压力信号和位移信号传送给传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC，焊接条件符合参数设定范围的由PLC输出信号给焊机控制器；若焊接条件不符合参数设定范围，则机器亮红灯与蜂鸣器报警→PLC对数据分析后将信号传输给焊机控制器→焊机控制器输出焊接信号→第一个焊点焊接完成夹紧汽缸松开→垂直气缸带动焊接装置恢复原位→伺服电机运转由丝杆带动定位工装由第一个焊点位置运转到下一个焊点位置→垂直汽缸带动焊接装置下降→夹紧汽缸夹紧被焊接产品，同时压力传感器和位移传感器开始工作，将压力信号和位移信号传送给传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC，焊接条件符合参数设定范围的由PLC输出信号给焊机控制器；若焊接条件不符合参数设定范围，则机器亮红灯与蜂鸣器报警→PLC对数据分析后将信号传输给焊机控制器，→焊机控制器输出焊接信号→第二个焊点焊接完成夹紧汽缸松开→垂直汽缸带动焊接装置恢复原位→伺服电机运转由丝杆带动定位工装由第二个焊点位置运转到第一个焊点位置。

9、  根据权利要求8所述的电阻焊接设备的焊接控制方法，其特征在于对金属工件焊接采用可编程控制器PLC通过手动分步操作方法进行控制，采用分步输入手动操作信号的方法如下：(1)、使垂直汽缸向下推动焊接装置进入焊接位置；(2)、夹紧汽缸推动夹紧被焊接产品，同时压力传感器和位移传感器开始工作，将压力信号和位移信号传送给传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC分析，焊接条件符合参数设定范围的由PLC输出信号给焊机控制器再由焊机控制器控制焊机完成焊接；若焊接条件不符合参数设定范围，则机器亮红灯与蜂鸣器报警；(3)、焊接完成后夹紧汽缸复位、垂直汽缸复位；(4)、伺服电机运转由丝杆带动定位工装移动到下一焊点位置；(5)、操作垂直汽缸向下推动焊接装置进入焊接位置；(6)、夹紧汽缸推动夹紧被焊接产品，同时压力传感器和位移传感器开始工作，将压力信号和位移信号传送给传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC分析，焊接条件符合参数设定范围的由PLC输出信号给焊机控制器再由焊机控制器控制焊机完成焊接；若焊接条件不符合参数设定范围，则机器亮红灯与蜂鸣器报警；(7)、焊接完成后夹紧汽缸复位、垂直汽缸复位。

10、  根据权利要求8或9所述的电阻焊接设备的焊接控制方法，其特征在于产品焊点制程能力指数CPK为1.71。

电阻焊接设备及焊接控制方法
技术领域
本发明涉及焊接设备，特别是指一种对小金属物件进行焊接的电阻焊接设备及焊接控制方法。
背景技术
现有对小金属物件进行焊接采用人工或气动驱动方式的电阻焊接设备，一般是通过控制焊接电流与焊接时间来控制焊接效果，由于焊接位移和焊接压力并不保持恒定，同时无法进行实时监控，因而导致焊接过程存在着较大的质量波动，影响了产品的焊接质量。因此目前对小金属物件的电阻焊接设备的焊接性能还有待进一步的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就在于针对现有电阻焊设备存在的焊接质量不稳定的状况，提供一种对被焊接工件采用高精度压力传感器及跟踪系统收集压力信号和高精度位移传感器及跟踪系统收集位移信号，通过PLC(全称Programmable Logic Controller即可编程控制器)运行程序控制，对金属类工件进行全过程焊接监控，从而实现被焊接产品在线焊接条件下保证焊接质量稳定的电阻焊接设备及焊接控制方法。
本发明的电阻焊接设备由机架、电控箱及PLC系统、焊接变压器、动作机构、焊机控制器、废品箱、光纤传感器及传感器控制器组成，电控箱及PLC系统位于机架的下部，焊接变压器位于机架中部工作台的右侧，焊机控制器与传感器控制器位于机架中部工作台的左侧，废品箱位于机架底部的一角，光纤传感器位于机架中部工作台的外侧，动作机构位于机架中部工作台中心部位；其中动作机构由底板、主机架、垂直气缸、主直线导轨、直线导轨、定位手动压爪、定位工装、直线轴承、主直线轴承、定位螺母、调节压力弹簧、丝杆、伺服电机、联轴器、位移传感器、夹紧汽缸、压力传感器、左电极、右电极、左右直线导轨、左右直线轴承、辅机架、连接杆和夹紧压板构成，主机架竖立在底板一端，主机架上端设置垂直汽缸，定位螺母安装固定在垂直气缸的上端，主机架垂直汽缸下设置有主直线导轨，主直线轴承与主直线导轨配合设置，由垂直汽缸向下的伸缩杆上套有整套焊接装置的辅机架安装在主直线轴承上，在辅机架的左端部位固定有夹紧汽缸，可调节压力弹簧、压力传感器、左右直线导轨依次安装在夹紧汽缸右面的辅机架上，位移传感器固定在可调节压力弹簧的中间，左右直线轴承与左右直线导轨配合设置，在辅机架的右端部设置有右电极，可调节压力弹簧通过紧固件与压力传感器连接、压力传感器再连接至连接杆的一端，连接杆的另一端与左电极通过夹紧压板紧固连接，直线导轨固定在底板上与主机架相对的另一端，直线轴承与直线导轨配合设置，直线轴承之上装有定位工装，定位手动压爪固定在定位工装上，伺服电机固定在底板之下，伺服电机转动轴通过联轴器与位于定位工装下半部的丝杆连接。
本发明的电阻焊接设备装置伺服电机的选用可以根据所焊接产品的焊接精度要求以及焊接力的大小进行选择，一般行程范围0-40mm，位移精度0.001mm。压力传感器选用量程范围为0-200N，精度0.001N。位移传感器选用测量行程为0-10mm，独立线性0.2％，采样速率40000次/秒，分解能力0.02％，直线性±0.3％，输出反应时间0.075ms。在工作时，压力传感器和位移传感器将压力信号和位移信号传送给传感器控制器，经传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC，PLC经处理分析后发出信号给焊接电流控制器完成输出焊接。PLC可以选用基恩士系列产品，也可以选用松下系列或者其它相适应的PLC系列产品。焊接过程中控制的焊接压力为0-200N，焊接电流为100～3000A，焊接形变量为0.01～0.45mm。当电阻焊接设备进行焊接时，将被焊接工件放入定位工装压好定位手动压爪后，通过PLC控制焊接操作，由垂直气缸推动设置在辅机架上的由夹紧汽缸、左电极、右电极、左右直线导轨、左右直线轴承等整套零部件组成的焊接机构通过主直线导轨与主直线轴承为导向进入焊接位置，此时由定位螺母控制垂直汽缸的行程，夹紧汽缸推动左电极由直线导轨与直线轴承导向与固定的右电极夹紧焊接点进行焊接。焊接过程中由压力传感器测试焊点压力的变化，由位移传感器测试焊点的位置变化，将传感器信号传送给传感器控制器，经传感器控制器处理分析后分别输出信号给PLC，由PLC综合分析处理后输出焊接信号或者直接报警停止工作。在整套装置工作时，压力传感器和位移传感器主要对焊接压力和焊接形变量作动态监测并控制焊接控制器的工作状态，焊接过程中伺服电机运转通过丝杆带动定位工装由第一个焊点位置运转到第二个焊点位置，焊完后再由伺服电机运转通过丝杆带动定位工装运转至其它的焊点位置，直至由最后的焊点位置返回到第一个焊点位置全部焊接周期完成。焊接完成后垂直气缸带动焊接机构恢复原位。在焊接过程中若有任一焊接过程参数超出设定范围的，PLC即输出报警信号，机器自动报警并锁定所有设备动作，必须将不合格产品投入废品箱，触发废品箱上部的光纤传感器发出复位信号，方可将机器复位，然后输入操作信号循环进行下一焊接工件的焊接。
本发明的电阻焊接设备对金属工件焊接采用PLC通过自动程序控制或手动分步操作方法进行控制。自动程序焊接控制的过程如下：开机→启动自检程序→放入焊接工件后夹紧定位手动压爪，输入操作信号垂直汽缸带动焊接装置下降→夹紧汽缸夹紧被焊接工件，同时压力传感器和位移传感器开始工作，将压力信号和位移信号传送给传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC，焊接条件符合参数设定范围的由PLC输出信号给焊机控制器；若焊接条件不符合参数设定范围，则机器亮红灯与蜂鸣器报警→PLC对数据分析后将信号传输给焊机控制器→焊机控制器输出焊接信号→第一个焊点焊接完成夹紧汽缸松开→垂直气缸带动焊接装置恢复原位→伺服电机运转由丝杆带动定位工装由第一个焊点位置运转到下一个焊点位置→垂直汽缸带动焊接装置下降→夹紧汽缸夹紧被焊接产品，同时压力传感器和位移传感器开始工作，将压力信号和位移信号传送给传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC，焊接条件符合参数设定范围的由PLC输出信号给焊机控制器；若焊接条件不符合参数设定范围，则机器亮红灯与蜂鸣器报警→PLC对数据分析后将信号传输给焊机控制器，→焊机控制器输出焊接信号→第二个焊点焊接完成夹紧汽缸松开→垂直汽缸带动焊接装置恢复原位→伺服电机运转由丝杆带动定位工装由第二个焊点位置运转到第一个焊点位置；根据焊接工作需要，PLC的工作控制程序不仅仅局限于2个焊点，可以控制多个焊点的焊接。当进行自动程序焊接时，PLC开机先打开整机总气源，启动完毕以及参数设定好之后通过自检程序正常后进入操作程序，将被焊接工件放入定位工装压好定位手动压爪后，输入操作信号垂直气缸推动焊接装置进入焊接位置，夹紧汽缸推动左电极与固定的右电极夹紧焊接点，在此过程中压力传感器、位移传感器以及PLC和焊机控制器同时工作，传感器信号传送给传感器控制器，经传感器控制器处理分析后分别输出信号给PLC，焊接条件符合参数设定范围即由PLC输出信号给焊机控制器再由焊机控制器控制焊机完成焊接，然后垂直汽缸带动焊接装置恢复原位。若焊接条件不符合压力传感和位移传感器参数设定范围则PLC直接输出报警信号红灯亮所有动作停止。焊接过程由压力传感器测试焊点压力的变化，并由位移传感器测试焊点的位置变化，数据由压力传感器和位移传感器传送给传感器控制器，经传感器控制器处理分析后分别输出信号给PLC，由PLC分析处理后决定是否输出信号给焊机控制器输出焊接信号，或直接报警停止工作。全过程中压力传感器的主控系统和位移传感器的主控系统可清楚显示到焊接过程中的压力变化和位移变化。焊接过程中通过伺服电机运转由丝杆带动定位工装由上一焊点位置运转到下一焊点位置，由垂直气缸推动焊接装置进入焊接位置，夹紧汽缸推动左电极与固定的右电极夹紧焊接点后进行焊接。在一个焊接周期内若有任一焊接过程参数超出设定范围的，PLC即输出报警信号，机器自动报警并锁定所有设备动作，必须将不合格产品投入废品箱，触发废品箱上部的光纤传感器发出复位信号，方可将机器复位，然后输入操作信号循环进行下一焊接工件的焊接。当进行手动焊接时，PLC开机打开整机总气源，当机器启动完毕以及参数设定好之后通过自检程序正常后进入操作程序，将被焊接产品放入定位工装压好定位手动压爪，然后采用分步输入手动操作信号的方法进行控制：1、使垂直汽缸向下推动焊接装置进入焊接位置；2、夹紧汽缸推动夹紧被焊接产品，同时压力传感器和位移传感器开始工作，将压力信号和位移信号传送给传感器控制器，经传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC分析，焊接条件符合参数设定范围的由PLC输出信号给焊机控制器再由焊机控制器控制焊机完成焊接；若焊接条件不符合参数设定范围，则机器亮红灯与蜂鸣器报警；3、焊接完成后夹紧汽缸复位、垂直汽缸复位；4、伺服电机运转由丝杆带动定位工装移动到下一焊点位置；5、操作垂直汽缸向下推动焊接装置进入焊接位置；6、夹紧汽缸推动夹紧被焊接产品，同时压力传感器和位移传感器开始工作，将压力信号和位移信号传送给传感器控制器，经传感器控制器分析处理后分别输出信号给PLC分析，焊接条件符合参数设定范围的由PLC输出信号给焊机控制器再由焊机控制器控制焊机完成焊接；若焊接条件不符合参数设定范围，则机器亮红灯与蜂鸣器报警；7、焊接完成后夹紧汽缸复位、垂直汽缸复位。电阻焊接设备按手动分步操作信号分别对每一焊点进行分步焊接。
本发明电阻焊接设备的整机技术性能指标如下。
电阻焊接设备整机技术性能指标