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，工藝和工序進程完全憑施工人員經(jīng)驗和眼力判定，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散而進行再結(jié)晶的塑性狀態(tài)，瀉壓推凸勢必嚴重影響再結(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

針對上述諸多問題，提出移動式小型氣壓軌道自動化焊機改造項目。整套設(shè)備采用模塊化設(shè)計，保壓推凸。由可編程序控制器（PLC）控制整個焊接過程，氧氣和乙炔流量控制采用PID調(diào)節(jié)，人機介面完成參數(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

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)束包括打印報告數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲在內(nèi)一次性完成，最后自動將機械復位，為下次焊接作好準備。

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，將兩段待焊鋼軌對嚴，下一步自動地開啟兩個氣體質(zhì)量流量控制器，點燃加熱器，擺火機構(gòu)開始慢速

圖2 主工藝畫面

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)按鈕隨時調(diào)節(jié)氧氣乙炔流量和配比，使其加熱火力達到最佳狀態(tài)。

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現(xiàn)。PLC通過磁性標尺的相對位置變化檢測到預(yù)頂鍛量達到設(shè)定值時，自動將系統(tǒng)壓力降到待頂壓力值，加熱器繼續(xù)加熱，待加熱時間到設(shè)定值后立即進入頂鍛工步，同時擺火速度加快，磁性標尺檢測到頂鍛量等于設(shè)置的數(shù)值時則關(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處保壓狀態(tài)不變，爾后推凸閥動切換到進刀位置，系統(tǒng)油壓上調(diào)的同時開始推凸操作，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狀態(tài)，如果推凸壓力在增大趨勢時突然變小說明推凸結(jié)束。整個焊接周期五分鐘左右時間。

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，爾后油泵電動機停止工作。PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫面編號寄存器（SNIR）將人機切換到“工作報告”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外，還有一個USB接口（USB Host Ver1.1口用于接駁可移動U盤）,通過在人機畫面放置一個按鈕,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)儲到個人計算機上作為技術(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)實現(xiàn)

4.1 電控系統(tǒng)

（1）人機界面：人機介面型號選擇臺達DOP-AE80THTD型觸摸屏。其特點是DOP-AE80THTD型人機介面，在野外冬季工作溫度可以達零度；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個串通訊接口UART和2個USB接口，其中COM2/RS458和可編程序控制器（PLC）相連；一個USB Host Ver1.1口用于接駁移動U盤，作為整個畫面內(nèi)容轉(zhuǎn)儲。

人機介面中的焊接參數(shù)設(shè)置畫面運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)部時鐘與人機介面時鐘時，要求同步，用GETSYSTEMTIME命令和資料搬移MOV命令，配合畫面上“系統(tǒng)時間日期按鈕”十分方便地將實時時間設(shè)置在PLC中，這樣PLC內(nèi)時鐘與人機時鐘和當?shù)貢r區(qū)時間三者統(tǒng)一，保正作業(yè)記錄的實時性和準確性。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)置等完全用實數(shù)，既三位整數(shù)二位小數(shù)表示。而加熱時間參數(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)置不合符要求人機則會用閃動“錯”字和聲音報警，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：①預(yù)頂壓力 12.34 Mpa ；②待頂時間 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系統(tǒng)的核心，由CPU單元含數(shù)字量和擴展模擬量模塊組成。其中數(shù)字量完成各個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獨立的具有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的標準電流信號對應(yīng)壓強0—60Mpa。

4.2 油泵與壓機系統(tǒng)

超高壓油泵使傳遞動力的液壓油產(chǎn)生最大壓強達到60Mpa ，供油量每分鐘4立升以上。電動錐式調(diào)壓閥，壓力傳感器，PLC和人機介面構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，油泵壓力穩(wěn)準快地跟蹤人機所設(shè)置壓力值。電動式超高壓截止閥門能使油路在高低壓的條件下快速進行換向并有保持壓功能等；其閥門的位置由接近開關(guān)（OMRON--PNP）限制。壓機總承是在高壓油泵作用下能產(chǎn)生最大70噸力，滿足鋼軌在焊接時頂鍛和推凸、保壓等工步所需要的力。保正在焊接全部過程中兩段鋼軌中心在一條直線上，使軌頂面底面軌腰對齊，滿足機械強度要求。油泵和壓機之間油路用專門快速連結(jié)器交連。目前在壓強大于32.5 Mpa時換向在液壓控制領(lǐng)域里還是尖端技術(shù)。

4.3 加熱系統(tǒng)

由氣源、壓力表、控制器；氣體混合器；乙炔回火防止器，外燃型加熱器；氣體過濾器及氣體快速接頭；冷卻循環(huán)泵等組成。加熱器的火焰孔徑大小及分布應(yīng)保正鋼軌斷面處受熱均勻，按照焊接工藝標準將鋼軌加熱到塑性狀態(tài)的溫度（一般為1300℃）。應(yīng)有防止管路回火和防止漏氣等安全措施。控制器比較復雜；由PLC部分開關(guān)量、模擬單元、人機介面、兩個氣體質(zhì)量控制器（D07—9E）組成。特點流量大200SML（N2）；線性度±0.2％F.S；準確度高±1.5％F.S；重復精度±0.2％F.S；響應(yīng)時間1Sec；泄漏率＜1×10-8SCCSHe；具有氣體通道清洗、關(guān)閉、閥控功能

4.4 磁性標尺

由電阻式位移傳感器和5.2V基準電源構(gòu)成，其測量精度達百分之一豪米。三塊釹鐵硼鑲嵌其中，使用時安裝拆卸十分便利，不需要設(shè)定磁尺幾何原點。頂鍛量是由PLC程序自動檢測并運算出鋼軌位移量的相對差值，由人機介面直接顯示出來。鋼軌被加熱到200—1000℃時軸向膨漲明顯，則人機界面直接顯示出來是負值，同時系統(tǒng)壓力有所上升，人機介面實時地動態(tài)地反映焊接過程各個參數(shù)的變化。

4.5 擺火機構(gòu)

由直流可調(diào)速電動機和可變式曲柄連桿機構(gòu)及滑動小臺車組成，點動按鈕能使加熱器火孔正對準兩鋼軌間焊縫，保正點火時焊縫間無積碳污染。擺火電動機轉(zhuǎn)動速度由程序改變，擺火位移線速度按余弦規(guī)律變化，這樣能使得鋼軌受熱效果達到最佳化。

5 軟件設(shè)計

PLC系統(tǒng)配置與梯形圖編程，人機介面用畫面編輯Screen Editor編程（Sersion 1.05.7），兩部分相互配合。

5.1 PLC編程
PLC程序采用模塊化方式，將控制程序根據(jù)功能分為不同邏輯塊即子程序，在主程序（ OB1）中可以根據(jù)條件調(diào)用不同的邏輯塊，其特點是主程序簡單明了，調(diào)試方便，由于邏輯塊是有條件的調(diào)用，所以CPU利用率高，與人機介面通訊可靠。

5.2 觸摸屏編程

（1）設(shè)定模組參數(shù)：系統(tǒng)控制區(qū)8個字長。通迅設(shè)置：①人機站號 0 ； ②PLC預(yù)置站號2 ； ③通迅端口RS-485 ； ④停止位1Bits ；⑤波特率 9600 ； ⑥奇偶校驗 Even。

（2）用畫面Gycle宏完成PLC內(nèi)時鐘與人機內(nèi)時鐘同步,創(chuàng)建一個所謂系統(tǒng)畫面,并放置<系統(tǒng)時間日期>按鈕,其畫面開啟宏和畫面關(guān)閉宏指令巨集如下:

SETB （2@V490.0） //系統(tǒng)畫面開啟宏V490.0=1

END

CLRB （2@V490.0） //系統(tǒng)畫面關(guān)閉宏490.0=0

END

在系統(tǒng)畫面上可以隨時地調(diào)整人機內(nèi)時鐘（星期暫不用），配合PLC時鐘寫命令，完成時鐘同步。

$100=GETSYSTEMTIME

(2@V236) =$100 //年

(2@V238) =$101 //月

(2@V240) =$102 //日

(2@V242) =$104 //時

(2@V244) =$105 //分

(2@V246) =$106 //秒

END

（3）歷史趨勢曲線：系統(tǒng)壓力與標尺位移共用1號緩沖區(qū)，讀取PLC地址2@1000；數(shù)值單位4（字）；取樣周期1000 ms ；取樣點111 ；觸發(fā)源 PLC ；記錄時間日期 Yes ；
氧氣流量與乙炔流量共用2號緩沖區(qū)，讀取PLC地址2@1008；數(shù)值單位4（字）；取樣周期1000 ms ；取樣點111 ；觸發(fā)源 PLC ；記錄時間日期 Yes 。

6 結(jié)束語

應(yīng)用自動控制鋼軌氣壓焊接設(shè)備，一次性連續(xù)地對十五個鋼軌焊接頭進行破壞性落錘試驗，合格率為百分之百。在實際線路上經(jīng)過一年多千余次焊接施工，合格率為百分之百，用戶反映良好。基于臺達自動化技術(shù)平臺的智能型移動式鋼軌氣壓焊接設(shè)備已經(jīng)通過路局技術(shù)鑒定。