1 引言

鐵路和軌道交通的路軌是在工程現(xiàn)場(chǎng)完成接軌焊接的，最終使一般長(zhǎng)50米短鋼軌條經(jīng)焊接成為長(zhǎng)距無(wú)縫鐵軌。現(xiàn)場(chǎng)完成接軌焊接使用的氣壓焊技術(shù)和設(shè)備，過(guò)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(kāi)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(shì)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(wú)法推凸或焊縫被拉開(kāi)，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(duì)上述諸多問(wèn)題，提出移動(dòng)式小型氣壓軌道自動(dòng)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(guò)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(huà)面監(jiān)控，USB口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)，作業(yè)次數(shù)記錄打印等。克服人為因素與環(huán)境溫度對(duì)焊接質(zhì)量的影響，減少操作人員及勞動(dòng)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(dòng)自動(dòng)控箱操作面板上“啟動(dòng)”按鈕之后，以下各個(gè)工步將按照所設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)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(chǔ)在內(nèi)一次性完成，最后自動(dòng)將機(jī)械復(fù)位，為下次焊接作好準(zhǔn)備。

3.1 系統(tǒng)啟動(dòng)

按下啟動(dòng)按鈕，PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫(huà)面編號(hào)寄存器（SNIR）將人機(jī)切換到“工作狀態(tài)一覽表”畫(huà)面，見(jiàn)圖2所示。油泵起動(dòng)油壓從0 Mpa升到預(yù)頂壓強(qiáng)，將兩段待焊鋼軌對(duì)嚴(yán)，下一步自動(dòng)地開(kāi)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(kāi)始慢速

圖2 主工藝畫(huà)面

擺動(dòng)，鋼軌焊接端面在無(wú)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?jī)?nèi)氣體壓力有向低變化趨勢(shì)；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(chǎng)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(guò)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)。

3.2 接軌焊接控制

軌道接軌焊接的工藝由頂鍛與推凸過(guò)程實(shí)現(xiàn)。PLC通過(guò)磁性標(biāo)尺的相對(duì)位置變化檢測(cè)到預(yù)頂鍛量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)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(cè)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(dòng)切換到進(jìn)刀位置，系統(tǒng)油壓上調(diào)的同時(shí)開(kāi)始推凸操作，刀架前移趨動(dòng)推刀除掉焊瘤部分。PLC通過(guò)壓力傳感器判別推凸?fàn)顟B(tài)，如果推凸壓力在增大趨勢(shì)時(shí)突然變小說(shuō)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(dòng)切換到推凸退刀位置，使其退刀到位后，高壓油泵壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)到0 Mpa，爾后油泵電動(dòng)機(jī)停止工作。PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫(huà)面編號(hào)寄存器（SNIR）將人機(jī)切換到“工作報(bào)告”畫(huà)面并啟動(dòng)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(huà)面轉(zhuǎn)儲(chǔ)，自動(dòng)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(dòng)U盤(pán)）,通過(guò)在人機(jī)畫(huà)面放置一個(gè)按鈕,此按鈕屬性為：據(jù)取畫(huà)面，其功能將本畫(huà)面上的全部?jī)?nèi)容以BMP格式存儲(chǔ)在可移動(dòng)U盤(pán)上（人機(jī)編輯軟件Sersion 1.05.76版本有此功能，要求U盤(pán)格式化為FAT32）。這樣焊接工作數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史趨勢(shì)曲線等資料十分方便地通過(guò)U盤(pán)轉(zhuǎn)儲(chǔ)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(dòng)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(hào)選擇臺(tái)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(yáng)光陰影下圖形和文本顯示清晰。（估測(cè)DOP-AE80THTD亮度在350cd/m２）。

DOP-AE80THTD的顯示分辯率為640×480；65536種顏色；畫(huà)面和數(shù)碼照片一樣逼真，外觀精美大方。開(kāi)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(dòng)U盤(pán)，作為整個(gè)畫(huà)面內(nèi)容轉(zhuǎn)儲(chǔ)。

人機(jī)介面中的焊接參數(shù)設(shè)置畫(huà)面運(yùn)用了畫(huà)面開(kāi)啟宏和畫(huà)面關(guān)閉宏功能及畫(huà)面周期宏功能Cycle。在校對(duì)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(huà)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(huì)用閃動(dòng)“錯(cuò)”字和聲音報(bào)警，一直到設(shè)置正確顯示“對(duì)”字為止。并且系統(tǒng)掉電后所設(shè)置的參數(shù)也不會(huì)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(zhǎng)度 12.34 mm ；④待頂壓力 12.34 Mpa ；⑤頂鍛長(zhǎng)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(huà)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(cè)和限位及氣體流量微調(diào)等功能；模擬量A/D部分對(duì)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(duì)氧氣和乙炔氣體質(zhì)量流控制閥門開(kāi)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(hào)對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)0—60Mpa。

4.2 油泵與壓機(jī)系統(tǒng)

超高壓油泵使傳遞動(dòng)力的液壓油產(chǎn)生最大壓強(qiáng)達(dá)到60Mpa ，供油量每分鐘4立升以上。電動(dòng)錐式調(diào)壓閥，壓力傳感器，PLC和人機(jī)介面構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，油泵壓力穩(wěn)準(zhǔn)快地跟蹤人機(jī)所設(shè)置壓力值。電動(dòng)式超高壓截止閥門能使油路在高低壓的條件下快速進(jìn)行換向并有保持壓功能等；其閥門的位置由接近開(kāi)關(guān)（OMRON--PNP）限制。壓機(jī)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(shí)頂鍛和推凸、保壓等工步所需要的力。保正在焊接全部過(guò)程中兩段鋼軌中心在一條直線上，使軌頂面底面軌腰對(duì)齊，滿足機(jī)械強(qiáng)度要求。油泵和壓機(jī)之間油路用專門快速連結(jié)器交連。目前在壓強(qiáng)大于32.5 Mpa時(shí)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜；由PLC部分開(kāi)關(guān)量、模擬單元、人機(jī)介面、兩個(gè)氣體質(zhì)量控制器（D07—9E）組成。特點(diǎn)流量大200SML（N2）；線性度±0.2％F.S；準(zhǔn)確度高±1.5％F.S；重復(fù)精度±0.2％F.S；響應(yīng)時(shí)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(biāo)尺

由電阻式位移傳感器和5.2V基準(zhǔn)電源構(gòu)成，其測(cè)量精度達(dá)百分之一豪米。三塊釹鐵硼鑲嵌其中，使用時(shí)安裝拆卸十分便利，不需要設(shè)定磁尺幾何原點(diǎn)。頂鍛量是由PLC程序自動(dòng)檢測(cè)并運(yùn)算出鋼軌位移量的相對(duì)差值，由人機(jī)介面直接顯示出來(lái)。鋼軌被加熱到200—1000℃時(shí)軸向膨漲明顯，則人機(jī)界面直接顯示出來(lái)是負(fù)值，同時(shí)系統(tǒng)壓力有所上升，人機(jī)介面實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)地反映焊接過(guò)程各個(gè)參數(shù)的變化。

4.5 擺火機(jī)構(gòu)

由直流可調(diào)速電動(dòng)機(jī)和可變式曲柄連桿機(jī)構(gòu)及滑動(dòng)小臺(tái)車組成，點(diǎn)動(dòng)按鈕能使加熱器火孔正對(duì)準(zhǔn)兩鋼軌間焊縫，保正點(diǎn)火時(shí)焊縫間無(wú)積碳污染。擺火電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到最佳化。

5 軟件設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)配置與梯形圖編程，人機(jī)介面用畫(huà)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(diǎn)是主程序簡(jiǎn)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(jī)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(gè)字長(zhǎng)。通迅設(shè)置：①人機(jī)站號(hào) 0 ； ②PLC預(yù)置站號(hào)2 ； ③通迅端口RS-485 ； ④停止位1Bits ；⑤波特率 9600 ； ⑥奇偶校驗(yàn) Even。

（2）用畫(huà)面Gycle宏完成PLC內(nèi)時(shí)鐘與人機(jī)內(nèi)時(shí)鐘同步,創(chuàng)建一個(gè)所謂系統(tǒng)畫(huà)面,并放置<系統(tǒng)時(shí)間日期>按鈕,其畫(huà)面開(kāi)啟宏和畫(huà)面關(guān)閉宏指令巨集如下:

SETB （2@V490.0） //系統(tǒng)畫(huà)面開(kāi)啟宏V490.0=1

END

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

END

在系統(tǒng)畫(huà)面上可以隨時(shí)地調(diào)整人機(jī)內(nèi)時(shí)鐘（星期暫不用），配合PLC時(shí)鐘寫(xiě)命令，完成時(shí)鐘同步。

$100=GETSYSTEMTIME

(2@V236) =$100 //年

(2@V238) =$101 //月

(2@V240) =$102 //日

(2@V242) =$104 //時(shí)

(2@V244) =$105 //分

(2@V246) =$106 //秒

END

（3）歷史趨勢(shì)曲線：系統(tǒng)壓力與標(biāo)尺位移共用1號(hào)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(diǎn)111 ；觸發(fā)源 PLC ；記錄時(shí)間日期 Yes ；
氧氣流量與乙炔流量共用2號(hào)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(diǎn)111 ；觸發(fā)源 PLC ；記錄時(shí)間日期 Yes 。

6 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用自動(dòng)控制鋼軌氣壓焊接設(shè)備，一次性連續(xù)地對(duì)十五個(gè)鋼軌焊接頭進(jìn)行破壞性落錘試驗(yàn)，合格率為百分之百。在實(shí)際線路上經(jīng)過(guò)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(tái)達(dá)自動(dòng)化技術(shù)平臺(tái)的智能型移動(dòng)式鋼軌氣壓焊接設(shè)備已經(jīng)通過(guò)路局技術(shù)鑒定。