机电接口技术大作业

40T相位摩擦焊控制系统设计一、绪论1.1 相位摩擦焊简介摩擦焊接作为一种金属固相热压焊，利用摩擦发热的原理，让两个焊件的结合面做高速的相对运动，同时对焊接的工件施加载荷。

通过械摩擦运动在材料的焊接表面之间产生足够热量，使接合面的材料达到热塑性状态。

然后在快速顶锻力的作用下，通过材料的塑性变形和扩散过程形成焊接接头。

摩擦焊接技术可应用于不同金属材料之间（如铜和铝、钛和铜、铝和钢等）的焊接，使其能够完成普通焊接方法无法达到的特殊工程任务要求。

摩擦焊接具有焊缝小、高效、节能等优点（高质量的摩擦焊接强度大，甚至优于材料本身的强度，焊接的速度通常是普通焊接的数倍），同时不需要助焊剂和保护气体，不易产生对人体有害的烟尘和强光。

摩擦焊的质量与焊接过程中工件相对转速、施加载荷大小、接合面摩擦时间、顶端压力及其形变量等工艺有密切联系。

1.2摩擦焊的突出特点及广泛应用前景摩擦焊新技术具有一系列突出优点:(1) 焊接质量高、稳定可靠、焊件尺寸精度高。

(2) 耗能低,节能效果显著。

(3) 节约原材料。

通常摩擦焊比靠电能转化为热能的普通焊接节省原材料1% 2以上。

(4) 摩擦焊新技术有4个不用的优点(不用焊条、不用焊丝、不用焊药、不用保护气体)。

(5) 生产效率高,便于实现自动化,可比普通的电弧焊生产率提高6一20倍;比电阻焊或闪光焊提高5倍。

(6) 具有广泛的可焊性。

如能使金属与塑料、陶瓷等非金属材料完成焊接。

(7) 改善劳动条件。

由于摩擦焊是一种高质量、高效率、无毒无害的自动化的焊接方法,具有上述的突出优点,并且技术经济效果显著,因而在国内外得到了广泛应用。

1.3 相位摩擦焊工作原理针对有相位配合要求的工件焊接，一般的摩擦焊不能保证焊接面角度的对准，所以需要采用相位摩擦焊接的方法。

摩擦焊接按时间顺序可大致分为四个阶段：1.将移动端工件靠近旋转端工件；2.在相对较低的轴向压力下，使两个焊接组件接触并保持一定的时间。

此阶段主要用于清理焊接端面，并使接合处材料达到所需的预热状态，在第三个阶段开始之前减小摩擦系数。

3.加大轴向压力并维持一定时间，使得摩擦产热加剧，焊接处材料在高热条件下逐渐达到热塑性状态后，尽快停止主轴转动。

4.加压顶锻，同样保持一定时间，完成摩擦焊接。

结束，辅助装置工作，去掉工件上的焊接毛刺后，移动端的夹具首先松开，并沿滑道后退，触发初始位置的行程开关时停止，回到原位；最后主轴端的夹具松开，工作人员取下焊好的工件；整个焊接到此结束。

进行下一次焊接时重复此流程。

二、整体方案确定2.1 相位摩擦焊机功能结构相位摩擦焊系统主要包括主轴系统、液压马达推杆进给加压系统、控制系统及辅助装置。

主轴系统由主轴电机、带传动、旋转主轴、轴承、电子机械定位装置、制动装置、主轴端夹具等组成。

液压马达推杆进给加压系统由液压马达及其油路系统、滚珠丝杠传动、移动滑台及滑道、移动端夹具等组成。

控制系统则包括：主轴电机的调速与制动、主轴的相位检测与定位、液压马达的调速及其液压系统的控制、滑台的行程和位移的检测、推杆压力检测、夹具夹紧和松开等。

辅助装置包括润滑、冷却、去毛刺等设备。

相位摩擦焊机的主要结构如图2所示，主轴电机通过齿形带传动带动主轴做旋转运动，使得卡盘A夹持的工件A与尾座卡盘B夹持的工件B之间产生相对运动。

推杆液压马达通过滚珠丝杠螺母传动系统带动工件B沿滑道做直线运动，从而为工件A和工件B摩擦焊接时提供适宜的轴向压力，以及足够的顶锻力。

1-主轴箱2-卡盘A 3-工件A 4-工件B 5-卡盘B6-推杆液压马达7-滚珠丝杠8-机座9-齿形带传动10-主轴电机图2 相位摩擦焊机结构简图2.2 相位摩擦焊机的总体控制方案根据相位摩擦焊机的功能结构和工作原理，综合设计的要求，可知控制系统要实现一下功能：（1）手动/自动操作转换功能；（2）输入开关信号：启停型号、急停信号、各种行程开关、调试按钮开关等；（3）输出开关量：电机的启停控制、液压系统动作开关控制、状态指示灯等；（4）进给加压滑台的压力闭环控制；（5）滑台移动直线位移的检测；（6）主轴电机的调速、制动、定位和转矩控制以及状态的检测；（7）工作状态、工作参数显示及总体协调控制。

根据控制要求，系统要完成开关量的输入输出控制，主轴的调速、位置、转矩控制，液压系统的压力闭环控制，人机交互界面等工作。

这就需要计算能力强、实时性好、便于人机交互开发的控制系统。

所以采用工业控制中常用的PC-PLC 控制方案。

其中，控制系统部分分为两大控制单元，分别是以PLC为核心的控制单元和以工业控制PC计算机为核心的控制单元。

工业控制PC计算机通过串口实现与PLC控制器、触摸屏的双向通信，同时借助于PCI总线上连接的数据采集板卡完成编码器、电流传感器、光栅尺等反馈信号的输入。

在这种控制功能结构下，工控机算上进行一些复杂算法和信息的处理，然后发送控制信息到PLC，协调PLC控制部分对主轴系统的调速、位置、力矩等控制，同时采集的重要运行参数，以及通过触摸屏实现人机交互功能。

三、液压系统设计3.1 液压系统简介液压系统按照定义是以油液作为工作介质，利用油液的压力能并通过控制阀门等附件操纵液压执行机构工作的整套装置。

一个完整的液压系统由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油五个部分组成。

本课题设计的摩擦焊机使用液压系统作为动力源的部分主要有液压马达滚珠丝杆进给系统、以及主轴端、滑台端夹具的动作。

进给部分的液压系统由于要实现滑台的移动、加压、保压、顶锻等工作，所以其液压回路要求具备可控的压力流量调节的功能。

夹具部分的液压系统主要实现夹紧和松开的动作，所以其液压回路要求具备可控的压力流量开关控制。

3.2 进给系统液压回路设计根据进给系统的摩擦焊的工作原理、进给系统的运动过以及通过PLC实现的压力回路控制等要求，设计出进给系统的液压回路如图3所示。

图3 滑台进给系统液压原理图油路系统包括油箱、过滤器、液压泵、止回阀、减压阀、比例溢流阀、单向阀、三位四通换向阀、液压马达、传感器等。

油箱油体经过滤器，由液压泵向系统回路供油。

减压阀处于油路入口端用于调节输入回路的油液压力。

比列溢流阀由PLC通过EM235模拟扩展模块输出控制，以改变流向液压马达的油体流量及压力，并结合压力传感器的使用实现压力闭环控制。

单向阀有PLC的开关量输出控制，实现油路的开闭。

三位四通阀同样由PLC的开关量输出控制，实现液压马达的换向，反应到滑台的动作就是前进与后退。

在此液压系统的基础上，就可以实现摩擦焊接时，滑台所要完成的所以动作。

3.3 夹具系统控制回路设计根据课题的设计要求，以及参考类似夹具的设计方法，综合考虑设计得到的夹具系统液压回路如图4所示。

图4 夹具系统液压原理图油路系统包括与进给系统共用的油箱、过滤器、止回阀，以及夹具系统自用的减压阀、三位四通换向阀、溢流阀、液压缸等。

其中减压阀和溢流阀都可以对压力进行调节，使得夹具针对不同的工件可以有不同的夹紧力。

三位四通换向阀通过PLC开关量控制，以实现夹具的夹紧和松开，当其处于中位时，系统卸荷，液压缸静止。

四、控制系统设计4.1 可编程控制器（PLC）简介：可编程序控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动控制装置,在工业生产中得到了广泛的应用。

可编程序控制器的生产和发展与继电器控制系统有很大的关系。

现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。

为了满足这一要求,生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性,这就需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统,使电气控制系统的工作更加可靠、更能适应经常变动的工艺条件。

可编程序控制器正是顺应这一要求出现的。

PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式一扫描技术。

当PCL投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段进行,即输入采样、用户程序执行和输出阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间,PCL的CUP以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段操作。

（1）输入采样阶段：在输入采样阶段,PCL以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入1/0映像区中的相应单元中。

输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/0映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段,PCL的CUP总是由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。

在扫描每一个梯形图时,又总是扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态,或者刷新该输出线圈在1/0映像区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

（3）输出执行阶段：当扫描用户程序结束后,PCL就进入输出刷新阶段。

在此期间,CUP按照1/0映像区内对应的状态和数据,刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。

这时,PCL才进入真正的输出执行阶段。

（4）PLC的保护方式：在设计系统的时候,由于焊接环境的电磁场的干扰、温度场的变化剧烈。

为了保证系统信号的安全可靠、控制系统的正常运行,在输入、输出端选择光电隔离方式。

光电隔离方式的存在,使得外界信号进入模板时,一些干扰信号,如电网电压峰值脉冲干扰、焊接电磁场干扰等,将无法进入CUP处理器中。

但是在系统回路中仅用光电隔离输出形式是不够的,可以采用屏蔽或电缆隔离的方式进行。

4.2 控制系统要求：PLC主要承担系统的开关量输入输出、电机运动等控制工作。

它主要完成四个部分工作：（1）通过串口通信接收PC计算机发送的相关命令，完成逻辑控制；（2）采集行程限位开关，手动按钮输入等操作信息，并按照程序控制进行输出；（3）由控制程序实现自动运行状态；（4）将一些重要的参数通过串口通信反馈给PC机，以便PC机对其进行计算处理。

为了实现PLC对模拟量的输入输出，增加一个PLC的A/D、D/A扩展模块，用于实现PLC对液压马达进给系统进行压力闭环控制。

4.3 PLC的型号选择本系统中，PLC控制的开关量信号包括主轴电机的启停、油泵电机的启停、润滑冷却回路电机的启停、机械定位置电磁阀的动作、夹具电磁阀的动作、液压马达的电磁阀动作、手动调试按钮的输入、行程限位开关的输入等。

输入点如下：系统启停按钮1个；系统复位按钮1个；手动/自动模式按钮2个；电机启停按钮3个（主轴电机、油泵电机、润滑冷却回路电机）；液压马达的启停1个；滑台移动2个（前进、后退）；夹具夹紧和松开各2个（主轴端、滑台端）；电子机械定位装置电磁阀1个；行程限位开关2个。