摘 要：應(yīng)用觸摸式液晶屏即人機(jī)介面，直接輸入焊接參數(shù)，顯示參數(shù)、歷史趨勢曲線，控制工程現(xiàn)場軌道接軌焊接。
關(guān)鍵詞：軌道 頂鍛 現(xiàn)場 自動化

1 引言

鐵路和軌道交通的路軌是在工程現(xiàn)場完成接軌焊接的，最終使一般長50米短鋼軌條經(jīng)焊接成為長距無縫鐵軌。現(xiàn)場完成接軌焊接使用的氣壓焊技術(shù)和設(shè)備，過去二十幾年一直延用手工操作類型的氣壓焊設(shè)備，工藝和工序進(jìn)程完全憑施工人員經(jīng)驗(yàn)和眼力判定，頂鍛與推凸工步不連貫，頂鍛完成后必須將壓力瀉釋方能開始推凸，其弊端是此刻鋼軌焊縫處溫度仍在1200℃左右，焊縫處金屬原子正處于互相擴(kuò)散而進(jìn)行再結(jié)晶的塑性狀態(tài)，瀉壓推凸勢必嚴(yán)重影響再結(jié)晶效果，降底焊接質(zhì)量，稍有延遲焊縫處溫度快速下降，尤其冬季里施工更為明顯，甚至無法推凸或焊縫被拉開，人為因素多并且難以保正焊接參數(shù)一致性。

2 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

針對上述諸多問題，提出移動式小型氣壓軌道自動化焊機(jī)改造項(xiàng)目。整套設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，保壓推凸。由可編程序控制器（PLC）控制整個(gè)焊接過程，氧氣和乙炔流量控制采用PID調(diào)節(jié)，人機(jī)介面完成參數(shù)設(shè)置，畫面監(jiān)控，USB口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲，作業(yè)次數(shù)記錄打印等。克服人為因素與環(huán)境溫度對焊接質(zhì)量的影響，減少操作人員及勞動強(qiáng)度。保正焊接質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成
3 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

檢查氧氣和乙炔鋼瓶出口壓力是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)，在確認(rèn)冷卻系統(tǒng)水管暢通條件下，按動自動控箱操作面板上“啟動”按鈕之后，以下各個(gè)工步將按照所設(shè)置的參數(shù)自動地執(zhí)行下去；直到焊接結(jié)束包括打印報(bào)告數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲在內(nèi)一次性完成，最后自動將機(jī)械復(fù)位，為下次焊接作好準(zhǔn)備。

3.1 系統(tǒng)啟動

按下啟動按鈕，PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫面編號寄存器（SNIR）將人機(jī)切換到“工作狀態(tài)一覽表”畫面，見圖2所示。油泵起動油壓從0 Mpa升到預(yù)頂壓強(qiáng)，將兩段待焊鋼軌對嚴(yán)，下一步自動地開啟兩個(gè)氣體質(zhì)量流量控制器，點(diǎn)燃加熱器，擺火機(jī)構(gòu)開始慢速擺動，鋼軌焊接端面在無污染條件下加熱升溫，我們稱謂此為待頂工步，在此期間鋼瓶內(nèi)氣體壓力有向低變化趨勢；加熱器本身溫度上升使火孔縮小，為此在氧氣和乙炔氣體質(zhì)量流量的控制中應(yīng)用了PID調(diào)節(jié)程序,使其加熱功率大，火焰穩(wěn)定，熱力場分布合理，這方面手工操作方式的氣體控制箱是不能比擬的。在此期間也可以通過自控箱上的微調(diào)按鈕隨時(shí)調(diào)節(jié)氧氣乙炔流量和配比，使其加熱火力達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖2 主工藝畫面
3.2 接軌焊接控制

軌道接軌焊接的工藝由頂鍛與推凸過程實(shí)現(xiàn)。PLC通過磁性標(biāo)尺的相對位置變化檢測到預(yù)頂鍛量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動將系統(tǒng)壓力降到待頂壓力值，加熱器繼續(xù)加熱，待加熱時(shí)間到設(shè)定值后立即進(jìn)入頂鍛工步，同時(shí)擺火速度加快，磁性標(biāo)尺檢測到頂鍛量等于設(shè)置的數(shù)值時(shí)則關(guān)閉氧氣和乙炔閥門，停止擺火和加熱。保壓閥切換保壓位置使壓機(jī)處保壓狀態(tài)不變，爾后推凸閥動切換到進(jìn)刀位置，系統(tǒng)油壓上調(diào)的同時(shí)開始推凸操作，刀架前移趨動推刀除掉焊瘤部分。PLC通過壓力傳感器判別推凸?fàn)顟B(tài)，如果推凸壓力在增大趨勢時(shí)突然變小說明推凸結(jié)束。整個(gè)焊接周期五分鐘左右時(shí)間。

3.3 降溫保壓控制

推凸結(jié)束后推凸閥自動切換到推凸退刀位置，使其退刀到位后，高壓油泵壓力自動調(diào)節(jié)到0 Mpa，爾后油泵電動機(jī)停止工作。PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫面編號寄存器（SNIR）將人機(jī)切換到“工作報(bào)告”畫面并啟動打印程序，將其打印輸出（根據(jù)需要可以多次打印輸出）。次刻壓機(jī)仍然在保壓，直到焊口自然冷卻后方撤壓。

3.4 數(shù)據(jù)記錄

關(guān)于畫面轉(zhuǎn)儲，自動控制箱面板上除了微型熱敏漢字打印機(jī)外，還有一個(gè)USB接口（USB Host Ver1.1口用于接駁可移動U盤）,通過在人機(jī)畫面放置一個(gè)按鈕,此按鈕屬性為：據(jù)取畫面，其功能將本畫面上的全部內(nèi)容以BMP格式存儲在可移動U盤上（人機(jī)編輯軟件Sersion 1.05.76版本有此功能，要求U盤格式化為FAT32）。這樣焊接工作數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史趨勢曲線等資料十分方便地通過U盤轉(zhuǎn)儲到個(gè)人計(jì)算機(jī)上作為技術(shù)留檔，為以后查閱分析總結(jié)打印提供原始數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 工藝數(shù)據(jù)記錄
4 自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 電控系統(tǒng)

（1）人機(jī)界面：人機(jī)介面型號選擇臺達(dá)DOP-AE80THTD型觸摸屏。其特點(diǎn)是DOP-AE80THTD型人機(jī)介面，在野外冬季工作溫度可以達(dá)零度；夏季在陽光陰影下圖形和文本顯示清晰。（估測DOP-AE80THTD亮度在350cd/m２）。

DOP-AE80THTD的顯示分辯率為640×480；65536種顏色；畫面和數(shù)碼照片一樣逼真，外觀精美大方。開發(fā)使用方便，功能完善強(qiáng)大的編輯軟件賦有人性化，完全適合該系統(tǒng)要求。配置2個(gè)串通訊接口UART和2個(gè)USB接口，其中COM2/RS458和可編程序控制器（PLC）相連；一個(gè)USB Host Ver1.1口用于接駁移動U盤，作為整個(gè)畫面內(nèi)容轉(zhuǎn)儲。

人機(jī)介面中的焊接參數(shù)設(shè)置畫面運(yùn)用了畫面開啟宏和畫面關(guān)閉宏功能及畫面周期宏功能Cycle。在校對PLC內(nèi)部時(shí)鐘與人機(jī)介面時(shí)鐘時(shí)，要求同步，用GETSYSTEMTIME命令和資料搬移MOV命令，配合畫面上“系統(tǒng)時(shí)間日期按鈕”十分方便地將實(shí)時(shí)時(shí)間設(shè)置在PLC中，這樣PLC內(nèi)時(shí)鐘與人機(jī)時(shí)鐘和當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)時(shí)間三者統(tǒng)一，保正作業(yè)記錄的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。其他如氧氣流量設(shè)置，乙炔流量設(shè)置，位移量設(shè)置，預(yù)頂壓力設(shè)置，頂鍛壓力設(shè)置等完全用實(shí)數(shù)，既三位整數(shù)二位小數(shù)表示。而加熱時(shí)間參數(shù)設(shè)置等用三位整數(shù)表示。重要參數(shù)如預(yù)頂壓力和待頂壓力，如果您在數(shù)值上設(shè)置不合符要求人機(jī)則會用閃動“錯”字和聲音報(bào)警，一直到設(shè)置正確顯示“對”字為止。并且系統(tǒng)掉電后所設(shè)置的參數(shù)也不會丟失。
設(shè)置參數(shù)一共八項(xiàng)：①預(yù)頂壓力 12.34 Mpa ；②待頂時(shí)間 123 Sec ；③待頂長度 12.34 mm ；④待頂壓力 12.34 Mpa ；⑤頂鍛長度 1.23 mm ；⑥頂鍛壓力 12.34 Mpa ；⑦氧氣流量 123.45 SLM ；⑧乙炔流量 123.45 SLM ，如圖4所示 。

圖4 工藝參數(shù)設(shè)置畫面
（2）可編程序控制器PLC:可編程序控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由CPU單元含數(shù)字量和擴(kuò)展模擬量模塊組成。其中數(shù)字量完成各個(gè)閥門位置檢測和限位及氣體流量微調(diào)等功能；模擬量A/D部分對氧氣和乙炔氣體質(zhì)量流量采樣、系統(tǒng)壓力采樣、鋼軌頂鍛位移量的采樣等。D/A部分對氧氣和乙炔氣體質(zhì)量流控制閥門開度的控制，氣體質(zhì)量流量的控制由兩個(gè)獨(dú)立的具有PID調(diào)節(jié)功能的閉環(huán)系統(tǒng)完成。壓力傳感器采用擴(kuò)散硅型，內(nèi)置壓力變送器和線性校正電路，24V供電，輸出4—20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號對應(yīng)壓強(qiáng)0—60Mpa。