基于PLC的电机定子铁心自动焊接的研究

摘要：本文分析了定子铁心手工焊接的缺陷；探讨了利用自动焊接来解决定子铁心焊缝质量问题的方法，通过PLC对自动焊接系统进行控制完成自动焊接动作；对回转工作台进行控制实现工件配合焊接系统自动分度旋转。提出了定子铁芯立式自动焊接装置的设计方案。

关键词：定子铁心 自动焊接 PLC 传感器 伺服电机 气动装置

中图分类号：TM38 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0008-01

1 前言

电机定子铁心的焊接方式通常采用手工电弧焊，即沿定子铁心外圆上一条条纵向的焊道依次焊接。这种人工操作的工艺方法，生产效率低，生产周期长，工人操作时要保持高度集中的注意力，劳动强度大；而产品质量受焊工持枪移动速度的快慢、是否稳定、均匀所影响，会产生较大的差异。焊接时因局部热变形产生应力（热量输入大），焊后工件会因应力不均变形，质量不稳定， 焊缝在定子片毛刺的回弹力作用下易开裂，须采用严格的焊接工艺和焊后矫正变形的措施，要花费较多的工时。

为克服现有工艺的不足，特设计了一种定子铁心立式自动焊接装置，具有自动化程度高，生产效率高，焊后工件质量好的优点。

2 思路与设计方案

本装置的基本构成单元是：机械装置、执行装置、能源、传感器、控制器和焊接系统。

（1）机械装置：实现焊接运动的机构，配合焊接系统进行动作。

（2）执行装置：驱动机械装置运动的电动机、液压及气动装置等。

（3）能源：驱动电动机的电源等。

（4）传感器：检测机械运动、焊接参数、焊接质量。

（5）控制器：用于工件、焊枪动作控制的可编程控制器以及电子控制系统。

（6）焊接系统：包括焊接电源、气体保护焊焊机、焊枪等。

由伺服电机驱动工件回转台，以实现定子铁心的分度旋转，使定子铁心的焊道逐个与焊枪对应，进行焊接；焊枪可实现水平前进、后退，以及沿焊道的纵向升降移动。

采用对称的一对/多对焊枪同时自动焊接，可进一步提高生产效率，节省较多的工时；另一方面，采用对称焊接，焊接时产生的热变形是对称的，因而产生的应力也是对称的，所以焊后工件变形更小，能有效避免焊缝开裂的情况发生。

由x，y方向的两个交流伺服电机来驱动丝杠，限位气缸对焊枪进行精确定位，等x，y平面内定位完毕，z轴方向的交流伺服电机开始工作，焊枪运动到焊接位置，焊接完成后，x，y，z轴方向的交流伺服电机反转，并回到起始位置，准备下一加工。另外，加上光电传感器用于精确定位，若焊枪未到达指定位置，可强制整个系统急停，并报警。

装置中有工作模式设置，伺服系统的开启、停止、重启，继续和回零等信号输入到控制端口，通过这些控制端口，PLC可对焊接机进行上述控制。同时，也具有焊枪处于运行模式时伺服系统的开、停、就绪、报警和急停等状态的输出端口，通过读取这些端口的状态，PLC就能获知焊枪的焊接基本状态，带动焊枪以定速移动，且能自动调整电弧的电压电流，即实现全自动焊接。

电气控制柜采用PLC控制方式，配备有自动控制系统和A/D转换器，在焊接过程中系统将来自装置的各种指令信号送到模拟量输入模块，通过信号处理，再将此模拟数据转换成数字量后，启动模拟输入模块与PLC之间的数据交换程序。PLC读入该数字信号，并将此数据与设定数据相比较，转换后的数字量传到PLC控制器中，经过运算，PLC控制器发出输出指令，输出指令由继电器 、接触器等执行器件执行，推动伺服电机的运转、及各个气缸器件的动作。

定子铁心焊缝是利用铁心外圆的U 型工艺槽，由于高温液态熔池重力和电弧力的作用，下行焊接相对于上行焊接，焊接电流和速度均大一些，进而要求氩气流量也适当加大，故以采用上行焊接方式，以保证焊接引弧可靠， 电弧稳定。

下面详述本装置，如图1所示：1-压紧模具、2-定子铁心、3-焊枪、4-焊枪升降架、5-回转台、6-焊枪水平移动架、7-支撑柜、8-电气控制柜、9-伺服电机、10-主动齿轮、11-从动齿套、12-链条导轨机构。

在支撑柜上安装回转台5，该回转台由伺服电机驱动，伺服电机的输出轴安装主动齿轮10，该主动齿轮与回转台外周所固装的从动齿套11相啮合。

在回转台外侧的支撑柜7上安装焊枪水平移动架6，在其上安装焊枪升降架4，在该升降架上安装焊枪3。水平移动架为水平导向安装在支撑柜上的电磁移动小车。焊枪通过链条导轨机构12安装在焊枪升降架上。 焊枪水平移动架为对称的一对或多对焊枪水平移动架，在该对称的焊枪水平移动架上均安装焊枪升降架，在该对称的焊枪升降架上相向安装焊枪。伺服电机9、电磁移动小车以及链条导轨机构12均与电气控制柜8连接。

工作原理：将压紧后的定子铁心2连同压紧模具1一同装卡定位于回转台上，开启控制柜，回转台带动压紧模具，使定子铁心旋转一定角度，焊接水平移动架平移靠近定子铁心，焊枪升降移动同时完成焊接。焊接完成后，再旋转一定角度，使下一条焊道与焊枪对准，再进行焊接。焊枪的前进、后退，提升、下降，左、右移动，起弧、收弧（同电源联机），采用PLC控制器进行控制。

3 结语

（1）采用自动焊接技术，能有效降低劳动强度，提高生产效率，同时解决了加工过程中焊工持枪移动速度快慢不同、不稳定、不均匀的问题，从而有效保证焊接质量、增强产品性能。

（2）采用自动焊接技术，能提高目前工艺水平、改善劳动者工作条件、减少烟尘、噪音和辐射、降低材料与能源消耗、降低成本、扩大市场占有率。

参考文献

[1]刘岳臣.定子铁心外圆结构及焊接设备的改进.中小型电机，1988（2）.

[2]魏小林.PLC技术项目化教程.清华大学出版社，2010.

[3]王昌明.传感与测试技术.北京航空航天大学出版社，2005.