PLC与TP04G显示器对UN50型铜铝管焊机的控制

摘要：由于铜价上涨，制冷行业中“铝代铜”成为发展趋势。在原有基础上，采用可编程控制器PLC与文本显示器相结合，控制铜铝管焊机，使焊接间参数控制精度达0.001s。给出了PLC与文本显示器的参数设置和计算机软件编程的过程。改用50kVA容量的焊接线圈扩大了铜铝管的焊接范围，可以焊接6mm-20mm的铜铝管。 关键词：可编程控制器；文本显示器；铜管；铝管；焊接； 0 引言 近年来，受国际市场和国内需求影响，铜价格呈上涨趋势。2005年铜价在3万元/吨至4万元/吨，而在2006年初已超过4.5万元/吨，年中最高超过8.5万元/吨，现维持在6万元/吨左右。“铝代铜”已成为制冷行业的发展趋势，如今市场上已有一定比例的制冷电器采用铝管代替铜管制造“两器”。但铝与其他材料的焊接性能较差，从而替代不是完全的，即在制冷管路中要用铜铝管接头作为过渡。铜和铝的电阻率都较低,但导热率又较高,焊接范围很窄,从而铜铝焊接属于异种金属的焊接。目前国内的焊接设备一般能焊接直径在6mm-12mm间的铜铝管。本文在原有基础上改进了设备，采用可编程控制器PLC与文本显示器协同控制的方法进行控制，使焊接参数控制精度由原来的0.01s提高到0.001s。为了扩大铜铝管的应用范围，改用50kVA容量的焊接线圈，实现了20mm铜铝管的焊接。 1 铜铝管焊机控制系统总体设计 1.1 铜铝管焊接工艺过程分析[1,2] 在设计控制系统前，应分析铜铝管的焊接工艺过程。 如图1所示，铜铝管焊接工艺过程可分解为6个动作：上料与定位——夹紧——推进——焊接——松开——退回。定位时，铜管和铝管在夹具上共要限制除轴向转动外的5个自由度。实践证明，轴向定位精度对焊接质量影响较小，而其他4个自由度的定位精度对焊接质量影响较大，故在夹具设计及安装时考虑了这个问题，采用特殊方法保证了铜铝管的径向、绕坐标轴转动的定位精度。定位后，启动焊接程序，由压紧气缸运动而夹紧，确保焊接过程中铜管和铝管完全处于控制系统控制之下。由于管材整体形状未定，考虑到焊接质量及外形美观，铝管为端面夹紧，铜管端面露出10mm左右夹紧。夹紧后，控制程序启动推进气缸，使铜管向铝管推进；当铜管与铝管接触后，控制程序启动焊接回路，此时在铜铝管间产生大电流，使铜管和铝管接触面上发热升温，温度可接近或达到铝的熔点，直到铝管将铜管锥面全部包住，控制程序关断推进气缸，停止推进，并切断焊接回路，停止电流加热；继续压紧保持，待铜铝管焊接接头温度有所下降，连接牢固后，控制程序再关断压紧气缸，夹具松开，下料；下料后，推进机构退回原位，准备下次焊接。 1.2 控制系统的总体设计[3,4] 可把前述的焊接过程整理为：启动—压紧—延时(t0)—推进—接触—延时(t1)—焊接—保持(t2)—松开—延时(t3)—退回。根据使用的I/O点数、定时及定时时间随时变更的要求和价格因素，选用中达电通公司的ES14型可编程控制器和TP04G文本显示器。ES14有8个输入点、6个输出点。ES14与TP04G采用RS232协议通信。PLC的I/O分配如表1所示，外部接线如图2所示。采用WPLsoft软件和TPeditor软件进行编程，而后输入ES14与TP04G中。 表1 PLC的I/O分配表 输入 功能 输出 功能 X0 SB0(预调/焊接) Y0 PQ0(电磁阀) X1 SB1(脚踏开关) Y1 PQ1(电磁阀) X2 ST1(行程开关) Y4 KA(焊接线圈) X3 SB2(急停开关) Y5 急停指示 2 PLC的编程过程 2.1 PLC的参数设置 采用计算机编写PLC程序前，需要在WPLsoft软件中对PLC机种和通信进行设置，如图3所示，其中机种选择“ES/EX/SS Series”即可，程序容量必须选4000 Steps，否则无法传输程序，通信设定主要内容是“通信端口”、“通信波特率”及“通信站号”等。 (a)PLC机种设置 (b)PLC通信设置 图3 PLC机种与通信设定 2.2 PLC编程及传输 根据前面分析，在WPLsoft软件中的编辑区利用梯形法进行编程，程序内容见文献[3,4]，图4给出了PLC编程界面。程序编完毕后，将专用的PC-PLC数据线接好，而后在WPLsoft软件中选择“通信”-“PC<=>PLC”，将程序传输至PLC中，最后启动PLC，运行程序。 图4 PLC编程界面 3 TP04G显示器的编程过程 3.1 TP04G显示器的参数设置及开机画面 本文采用TP04G文本显示器，其屏幕最多可显示4行文字。首先对TP04G进行通信设定并设置开机画面，如图5所示，其中通信设定与PLC通信设定类似。在TPeditor软件中绘制开机画面，然后传入TP04G文本显示器，在TP04G的“开机画面”设定中选择“使用者自定”，当TP04G给电启动时，先出现图6(b)的开机画面。 (a) TP04G通信设置 (b) TP04G开机画面 图5 TP04G显示器通信设置及开机画面 3.2 TP04G显示器编程与传输 由前述，铜铝管焊接时需要调整的参数是时间参数，经简化令1.2中的t3=t0，从而编程中设置3个时间变量即可。图6给出了TP04G显示器编程界面，其中“时间1”、“时间2”和“时间3”分别对应1.2中的t0、t1和t2；“0.00”和“0.000”表示当前时间数据值。“#.##”和“#.###”表示时间数据输入口，通过编辑即可改变焊接时间数据，其范围限定在0.01s-5.00s和0.001s-5.000s。程序编辑完毕后，也要通过专用的“PC-TP04G”数据线将页面程序输入TP04G中，传输过程与PLC程序传输类似。当TP04G启动后，先出现开机画面，而后即出现图6中的时间控制界面。 图6 TP04G显示器编程界面 PLC与TP04G第一次开机后，立即将焊接时间的参考数据输入，而后进行试焊，再根据焊接效果适当调整。 4 6mm和20mm铜铝管的焊接 根据以往经验与试验分析，当时间1取1.00s，时间2取0.535s，时间3取1.90s时，6mm铜铝管的焊接效果较好；当时间1取1.15s，时间2取0.655s，时间3取2.05s时，20mm铜铝管的焊接效果较好；图7给出了6mm和20mm铜铝管焊接试件照片，上边为铝管，下边为铜管。 图7 6mm和20mm铜铝管焊接试件照片 5 结论 (1)采用可编程控制器PLC和文本显示器相结合，对铜铝管对焊机的焊接时间参数进行控制，焊接时间控制精度达到0.001s，既提高了对焊机性能，又降低了生产成本，满足了对铜铝管对焊机的使用要求。 (2)实现6mm-20mm铜铝管的焊接，扩大了铜铝管接头的应用范围，从而可为企业带来可观的经济效益。 参考文献 [1] 张希川,张悦.铜铝管焊接系统原理设计[J].沈阳工业大学学报, 2005(5):506-509 [2] 张希川,张悦,马玉强.基于功能分析的铜-铝管对焊机的设计[J].现代制造工程, 2006(3):120-129 [3] 张希川，李启东，郭全英等.可编程控制器(PLC) 在铜铝管焊接中的应用[J].沈阳工业大学学报，2005(2):155-158 [4] 张希川,张悦.PLC控制型铜铝管对焊机[J].管道技术与设备,2005(6):29-31 [5] 吴建强，姜三勇编著．可编程控制器原理及其应用[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998 [6] 常斗南主编．可编程序控制器原理•应用•实验[M]．北京：机械工业出版社，2003 第一作者：张悦(1980- )，男，博士研究生，研究方向：机械加工新技术，发表科技论文5篇，通迅地址：哈尔滨工业大学422信箱转制造楼503室，邮编: 150001， e-mail：hitzhangyue@hit.edu.cn