西门子模块6ES7222-1HF22-0XA8型号含义
汽车车桥作为汽车底盘行驶系中的重要组成部分，受力复杂，它不但承重和传力，还承受巨大的动载荷和静载荷所形成的弯矩和扭矩，为此要求后桥有足够的强度、刚度和韧性。在众多焊缝中。桥壳的焊接质量是直接关系到汽车的行驶安全和乘客及司机人身安全。因此保证后桥的焊接质量是十分重要的。
1 焊接性分析
1.1 材料焊接性
目前汽车车桥所用材料多为低碳钢系列，以20钢为主，其化学成分(质量分数，％)为：0．17.o．23C．0．17~0．37Si，0．35~0．65Mn，Cr<o．23，ni<0．3．cu<0．25。p<0．035。s<0．035。可见其c和其它提高淬透性的合金元素含量较少，故在冷却过程得到的淬硬相比较少，冷裂倾向较小；在此类合金中主加元素为mn，故mn的含量较大，而< p="" style="margin: 0px; padding: 0px;">
在冶炼过程中对S的含量又进行了严重控制，这就保证了具有较大的Mn／S值．降低低熔点共晶物形成的几率，对热裂纹有很好的抑制作用。因此这种材料的焊接性相对较好。焊接冷裂、热裂倾向较小．常规的焊接方法均可应用于此材料的焊接。但是，考虑到生产效率问题。现在汽车车桥的焊接方法基本多采用CO：气体保护焊。
1.2 工艺可行性
CO2气体保护焊作用一种高效的焊接方法已在下程生产上得到广泛的应用。C02气体保护焊的电弧穿透力强。生产率比焊条电弧高l～3倍；CO2气体保护焊采用短路过渡技术可以用于全方位的焊接，对于薄壁构件焊接质量高，焊接变形小，焊接速度快；CO2气体价格便宜，且焊前对焊件处理可从简。其焊接成本只有埋弧焊和焊条电弧焊的40％～50％；CO2气体保护焊易实现机械化和自动化，在汽车焊接中还可减少对设备、场地、工装夹具的多次投入而减少成本，提高生产效率；抗锈能力较强，焊缝含氢量低。成一体，其结构如图l所示。由于汽车车桥在整车中不但要支撑车身，还要传递载荷，所以其受力情况比较复杂，为了清楚反映车桥负载状况下的作用情况，对车桥整体进行了应力应变有限元模拟分析，其结果发现，三段式连接的中部连接处应力集中现象较明显。这是由于连接处存在较大的缝隙(为焊接而采用的坡口)。焊接接头的出现本身就破坏了结构的完整性易产生应力突变。而焊接过程又是一个急冷急热的过程，焊缝金属凝固过程为非平衡结晶，大量残余应力无法及时释放，而滞留在结构内部造成应力集中现象。
图1 汽车车桥结构示意图
从强度计算结果来看．由于加载和结构上的原因，在结构局部地方存在应力集中(大应力出算结果表明有动荷系数时应力集中现象加大．大应力值上升，同时疲劳寿命减小。因此对汽车车桥焊接工艺的研究很有必要。
3 焊接工艺优化
由上述分析可以发现，由于汽车车桥所用材料属于低碳钢，焊接性较好，但由于其结构的特殊性．大量残余应力的存在将诱发焊接缺陷。使材料的疲劳寿命无法满足相应的标准要求，因此对传统的焊接工艺进行优化改造尤为重要。PLC控制技术作为一种新兴的控制技术，由于具有反应速度快、精度高、体积小的优点并已在工业生产上得到广泛使用。为此将PLC控制技术引入CO2气体保护焊过程中，通过PLC控制丁艺过程中的起弧、稳弧、息弧，并对与之相配合装夹具进行jingque地引导，进而保证焊接质量的可控性和可再现性。经过相应的前期调试试验，对焊接工艺参数进行了相应的优化设计，其佳的工艺参数范围见表l，焊现位置)问题，在制造过程中应加强工艺保证；计接材料为ER49．1。
表1 焊接工艺参数Tab．1 The welding proce鲻bbbbbeters
4 焊接接头性能分析
为了验证PLC控制下C02气体保护焊工艺参数的可行性和优性，对此参数下的焊接接头进行相应的力学性能和显微组织分析。
4.1 硬度分析
由于汽车车桥结构的特殊性。在加工、检测过程中很难将其加工成拉伸试件进行拉伸试验，而传统热轧钢的抗拉强度与硬度之间有一定的比例关系，即抗拉强度等于硬度值的3．5倍，所以对焊接接头进行相应的硬度试验．以此近似评价其抗拉强度。图2为焊接接头的硬度分布图。可见其硬度的大值出现在焊接接头的区域，母材和焊缝的硬度均低于HAZ．而母材与焊缝相对比，焊缝的硬度略高于母材。通过硬度数据分布图可明显发现焊缝处硬度分布比较均匀．通过硬度折换成抗拉强度也达到相应的技术要求，这说明应用PLC控制的自动焊机在给定的焊接工艺参数范嗣内能够有效的控制焊接缺陷。并且很好的解决了未焊透问题．使焊接接头的力学性能达到相应的技术要求。
4.2 焊接接头金相分析
为了更清晰地揭示焊接接头力学性能变化的根本原因。对焊接接头进行了相应的显微组织分析，其金相图片见图3。可看出，无论是母材、焊缝还是，其组织形态均为P+F，只是两种组织的形态有所区别。在母材中P呈一定的方向性排列．在其晶界散落一定量的F，这为典型的轧制组织：而在焊缝组织中其规则的轧制组织已经无法找到．取而代之的是大量树枝晶和等轴晶；在地皑区域由于位置介于母材和焊缝之间，所以其组织也介于两者之间，只是组织有所粗大。这种组织形态与上述的硬度数据基本吻合，这充分说明PLC控制下的CO2气体保护焊工艺基本可行，而且质量过关。
3.2 系统硬件组态
PLC编程软件采用西门子SIMATIC STEP7 V5.4。启动软件后，进行硬件组态，选中SIMATIC300（1），双击右边窗口中的“硬件”图标，组态其硬件。将所选CPU和各输入、输出模块插入SIMATIC S7网络，并定义各模块I/O地址。依次将IM153-1、变频器挂到Profibus网络，设置PLC 为主站其地址为(2)，ET200M为从站，其地址设置为( 3) (注意设定地址须和ET200M硬件上拨码数字相同)，行走变频器, 回转变频器，变幅变频器地址分别设置为(4) (5) (6) 。变频器的从站地址必须与PROFIBUS 主站上配置的地址相一致，且总线上每个单元的地址必须是唯一的PLC 主站中的用户程序存取, 经过总线系统的通讯是完全由PLC 主站中的主接口和IM153-1接口进行处理。PLC 主站将数字量信号通过PROFIBUS-DP 总线经PROFIBUS 模块传送至变频器，PROFIBUS 模块安装在变频器的正面，通过RS485 串行接口与变频器通讯。其配置图如图5所示：
图5 系统硬件配置
4 斗轮堆取料机的PLC 控制
4.1 堆料程序控制
在堆料PLC 半自动控制程序中, 首先将大车预制在预定堆煤位置, 通过可编程终端画面上的堆料控制参数设定，设定堆料时悬臂架的变幅次数M1次和悬臂架回转次数M2次。启动堆料程序，则悬臂胶带、尾车胶带在程序的控制下顺序逻辑启动，给系统发出斗轮堆料作业信号并实现与系统胶带按堆料工况联锁。堆料机在堆料位自动运行状态堆料，随着物料的堆积，料堆逐渐升高，当物料碰到斗轮机上的物料开关时，悬臂上升一个高度，如此为上升设定的M1次。悬臂左回转一个角度，重复以前堆料，直至回转设定M2次。大车后退一段距离，悬臂向右回转M2倍角度，堆料M1次、回转M2次。大车再后退，重复工作，实现斗轮堆取料机的堆料PLC控制作业。其控制流程图如图6所示：
图6 堆料控制流程图
4.2 取料程序控制
在取料PLC控制程序中, 首先将大车开至预定取料位置。当接到系统取料指令和系统胶带取料运行后，启动取料程序，则悬臂胶带、斗轮在程序控制下顺序逻辑启动，通过回转角度式光电编码器分别进行取料初始角和取料终止角的角度采样，传送和存贮，确定悬臂回转的取料范围。则悬臂回转取料左转、右转时，分别与取料初始角和取料终止角进行比较，每相等1次，大车继续前进一段距离, 悬臂再左右回转取料，直至N1次。然后，大车后退N1倍距离到初始位置，悬臂下降一段距离，开始第二层取料，工艺与层同理；直至取完N2层。N1 的设置应为奇数才能实现全料层循环。其控制流程图如图7所示：
图7 取料控制流程图
4.3 信号、仪表指示监控
信号、仪表指示监控是靠PLC 与电压互感器可编程终端之间的通讯实现的，并组成可编程序终端辅助监控的斗轮堆取料机操作系统。采用可编程终端，斗轮堆取料机的状态信号，报警信号和仪表指示信号进入电压互感器可编程终端系统，可对斗轮堆取料机进行实时监控，方便、准确、快捷, 免去了盘式指示灯、仪表配线的繁琐, 同时丰富了显示功能。
5 结束语
斗轮堆取料机采用PLC控制具有故障率低、抗干扰性好、可靠性高、 运行稳定等优点，而PROFIBUS-DP总线的引入，能够节省大量的控制电缆及安装费用，安装简单，维护方便。PLC在工作期间，现场设备出现故障，能快速通过触摸屏查找并显示故障，方便维护人员检修设备，缩短了故障处理时间，同时由于控制电缆用量的减少，有效地降低了由控制电缆引发的各类故障，大大提高了斗轮堆取料机运行可靠性，取得了良好的运行效果，能够给企业带来良好的经济效益。
1 前言
斗轮堆取料机，是大型散装物料装卸机械，广泛用于港口、矿山、钢厂、电厂等大宗散料如矿石、煤、砂石等在存储料场的堆放、提取作业，其工作连续性强，操作频繁。斗轮堆取料机传统的开关量顺序控制，是采用继电器和接触器构成的逻辑控制装置, 这种传统的控制装置能在一定的范围内满足自动控制的需要，但因需要大量的触点装置和电缆使其控制线路过于繁复、可靠性差和维修难度大。PLC 以其稳定的性能、低廉的成本、强大的功能及方便的编程等特点广泛应用于工业控制领域。
本文采用西门子触摸屏TP270 ，西门子 S7-300 可编程控制器，Profibus-DP ( 分布式I/O) 控制机上的各执行机构。控制网络简单，系统优化，完全满足机上的各执行机构的控制要求。
2 TP270触摸屏组态
Simatic TP270具有价格低廉、坚固耐用、结构紧凑、显示清晰、组态简单高效等优点，TP270的引入能够大大减少司机室内的仪表盘、指示灯、数码管等从而减少设备间的布线，使运行更加可靠，同时使设计人员能够根据实际情况灵活改变显示内容与方式，大大提高了整机的控制性能和水平。
本文采用Protool V6.0进行触摸屏画面组态，根据斗轮机设备需要及特性，画面设计总体分为一个主画面、六个子画面，其逻辑关系如图1所示：
图1 组态画面逻辑关系图
子画面共分为四大类：一是画面操作部分（在触摸屏上操作设备的运行、停止、堆料、取料等）；二是各设备状态显示（显示各设备到位位置及运行状态）及数据显示部分（显示机上各电机运行电流、行车、回转、变幅位置数值）；三是故障显示及故障报警列表、历史报警列表（显示各设备故障指示及故障查询）等；四是系统设定，在不退出程序的提提下，以方便对触摸屏本身各参数的设置。
部分PT画面如图2、图3所示:
图2 组态画面 故障报警
图3 组态画面 单动控制
组态程序编写完毕，用编程器为TP270下载程序时，要注意设定TP270的传送通道及传送波特率，考虑到下载速度，本例中波特率设置为115200。
3 系统组成及通讯
3.1 系统硬件配置
根据斗轮堆取料机的控制要求，结合目前运用成熟的总线技术，系统采用Profibus总线技术。系统由Profibus-DP网络和MPI网络共同组成。Prof ibus是一种开放式异步通信标准，可以实现各种自动化设备之间的数据交换，由3个兼容部分组成，即Prof ibus-DP、Prof ibus-PA和Prof ibus-FMS。Prof ibus-DP是一种开放式现场总线系统，实现快速响应和高速数据通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。Profibus-DP主站周期性地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息，除周期性用户数据传输外，提供职能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。采用RS485传输技术，物理传输介质为双绞线、双线电缆或光缆，波特率从9.6k～12Mbit/s。主战间为令牌方式传送，主战与从站为主－从传送，支持单主或多主系统。
MPI是一个多点接口通讯网络，多可连接125个MPI节点，通讯速率为187.5kbit /s。可以在不同的控制器之间传输数据，还可以作为一个Prof ibus-DP接口使用，操作员控制和监视设备HMI及编程设备PG可通过两种接口（MPI、Profibus-DP）连接。
根据斗轮堆取料机电气控制系统的特点，分别在上部电气室和下部电气室配备Profibus-DP主站和从站，触摸屏设置在司机室，以方便司机操作及故障查询。 上部电气室选用西门子S7-300 CPU315-2DP可编程控制器作为主站，CPU315-2DP本机具有1个MPI接口和1个DP接口，从站设在下部电气室，从站I/O 模块选用ET200M，选用IM153-1 通讯接口模块。大车行走、悬臂变幅及回转机构通过变频器来控制，变频器作为从站通过CBP2通讯板(Profibus通讯模块)连接在系统总线上。系统硬件配置如图4所示：
图4 Profibus系统组成
3．2 立体仓库的设备阶段控制
按照设备阶段控制的方法，根据立体仓库控制要求，将立体仓库控制分为设备待机、运行、异常故障、停止、复位等阶段。
设备待机阶段是指提升机各轴处于零点位置，且X轴和y轴旋转编码器置零时状态。
设备运行阶段是指根据库位和生产线的来料状态，完成出入库过程，当出现异常时转入异常处理状态。
设备异常阶段指生产过程中出现异常时，按下“停止”按键或“急停”，用手动方式，排除故障。按下“复位”键，转入复位进入设备待机状态。设备复位阶段指巷道提升机完成零点归位及编码器清零的过程。设备停止阶段指将运动的电机停止，等待指令过程。立体仓库的阶段控制在主程序中通过“按键”或状态量实现，其阶段控制流程图见图4。
图4 立体仓厍的设备阶段控制图
3．3 各个阶段的控制实现
3．3．1 设备运行阶段
根据系统控制要求及设备状态，设备运行阶段要完成：1)出入库判断及仓库状态的扫描，确定相应的库位及X轴、y轴坐标；2)根据坐标，各轴电机经加减速jingque定位；3)根据时序关系，确定状态，完成货物出入库。系统主要I／0地址分配见表1。
表1 立体仓库系统主耍l／o地址
仓位状态的确定。为了节省I／O输入点数，采用矩阵扫描的方式。将仓位状态开关一端接在矩阵的行线上，另一端接在矩阵的列线上，每个行线分别接PLC输出端，列线分别接PLC输入端，通过定时扫描，确定仓位的状态。
jingque定位。在立体仓库中提升机X轴和y轴直流无刷电机通过EM235输出的o～5V电压值控制电机的速度。通过目标位置的坐标转换成的脉冲值与各轴丝杠上的编码器值比较，确定速度的加减及运动的方向，以梯形速度曲线，保证jingque定位。编码器采用增量式编码器，对编码器的高速脉冲采用HSCl和HSC2高速计数器，用模式9，A／B相正交计数器模式完成编码器脉冲的计数。
编码器设置程序如下：
直流无刷电机的控制程序流程图如图5所示。
图5 直流无刷电机控制流程图
2.1.2 变频器选型及应用
由于PLC选用FX1N-40MR，为达到更好的工作性能，变频器也选择三菱FR-E500型。FR-E500型变频器是一款小型高性能通用型变频器，采用磁通矢量控制可以实现1Hz运行150％转矩输出，内置RS-485通信接口，柔性PWM实现低噪音运行。
变频器运行频率的设置方式有两种，种是固定变频器端口频率法，即选通不同端口输出不同频率的方式使用变频器，这样使用的好处是连线简单，无须使用复杂的软件，但缺点却是无法任意更改设置，灵活性差。第二种是应用FR-E500自带支持USS协议(通用串行接口协议)的通讯模块，使用USS协议，可以在上位机中通过软件设置变频器的输出频率，实时地在线更新设置，改变输出频率，其相应缺点是导致PLC程序十分复杂，而且通过USS协议设置频率的速度比种方法慢(种方法消耗时间少于10ms，第二种方法消耗时间在20-30之间)，考虑到在本文设计的系统中PLC的输出点相对较少，连线数目不多，从系统稳定性和实时性的角度考虑，采用种方式更合理。
根据变频器(FR—E500)的技术规格，以定长模块为例，其端口分配如表3所示。
表3 定长模块用变频器端口分配表
2.1.3 同步控制器选型及应用
市面上供应同步控制器的厂商较少，在这其中，以台湾台达的同步控制器性价比较高。因此，在本设备中选用台达同步控制器SCD-B系列的产品，型号为SCD0882lA：每台同步控制器可对8个单元的速度链进行控翩，每组速度链由反馈信号和单元输出两部分构成。在反馈信号端应输入传感器测量的钢板松紧情况的信号，以模拟量的形式输入给同步控制器，单元输出端口接变频器的频率设定器端口。
同步控制器工作时以一个模块电动机的转速为基准(主电机)，将其它电动机的转速与之匹配(从电机)。在本剪板机中以定长模块的电动机为基准，故在反馈信号输入端应对应的在单元二和单元三接入反馈信号。三个变频器的频率设定器端口均要连接到同步控制器的单元输出端口，通过控制器内部运算，达到同步控制的目的。根据同步控制器(SCD08821A)的技术规格，设计其端口分配如表4所示。
表4 同步控制器端口分配表
2.1.4 自动剪切机控制系统接线原理图
图3 PLC控制系统接线原理图
图3所示为自动剪切机PLC控制线路接线原理图。由于PLC内部能产生24V的直流电，所以可以直接对外部编码器和位移传感器进行供电。编码器采用OMRON公司的产品，型号为E6A2-CWZ5B1000P／R 0.5M。编码器的输出A、B两相分别接到PLC的X0、X1两端(PLC内部高速记数端)，通过内部2相输入(A-B相)计数器进行计数。同步控制器的输入端分别为单元二(校平模块)和单元三(送料模块)接入的两只非接触式位移传感器，为GEFRAN公司的IKlA型号的产品(模拟输出)，它们是同步控制器用来检测钢板松紧情况输入的信号。
