摘  要：應用觸摸式液晶屏即人機介麵，直接輸入焊接參數，顯示參數
、曆史趨勢曲線
，控製工程現場軌道接軌焊接。

　　關鍵詞：軌道 頂鍛  現場  自動化

　　1  引言

　　鐵路和軌道交通的路軌是在工程現場完成接軌焊接的
，最終使一般長50米(mi)短(duan)鋼(gang)軌(gui)條(tiao)經(jing)焊(han)接(jie)成(cheng)為(wei)長(chang)距(ju)無(wu)縫(feng)鐵(tie)軌(gui)。現(xian)場(chang)完(wan)成(cheng)接(jie)軌(gui)焊(han)接(jie)使(shi)用(yong)的(de)氣(qi)壓(ya)焊(han)技(ji)術(shu)和(he)設(she)備(bei)
，過(guo)去(qu)二(er)十(shi)幾(ji)年(nian)一(yi)直(zhi)延(yan)用(yong)手(shou)工(gong)操(cao)作(zuo)類(lei)型(xing)的(de)氣(qi)壓(ya)焊(han)設(she)備(bei)
，工(gong)藝(yi)和(he)工(gong)序(xu)進(jin)程(cheng)完(wan)全(quan)憑(ping)施(shi)工(gong)人(ren)員(yuan)經(jing)驗(yan)和(he)眼(yan)力(li)判(pan)定(ding)
，頂(ding)鍛(duan)與(yu)推(tui)凸(tu)工(gong)步(bu)不(bu)連(lian)貫(guan)，頂(ding)鍛(duan)完(wan)成(cheng)後(hou)必(bi)須(xu)將(jiang)壓(ya)力(li)瀉(xie)釋(shi)方(fang)能(neng)開(kai)始(shi)推(tui)凸(tu)

，其(qi)弊(bi)端(duan)是(shi)此(ci)刻(ke)鋼(gang)軌(gui)焊(han)縫(feng)處(chu)溫(wen)度(du)仍(reng)在(zai)1200℃左zuo右you，焊han縫feng處chu金jin屬shu原yuan子zi正zheng處chu於yu互hu相xiang擴kuo散san而er進jin行xing再zai結jie晶jing的de塑su性xing狀zhuang態tai
，瀉xie壓ya推tui凸tu勢shi必bi嚴yan重zhong影ying響xiang再zai結jie晶jing效xiao果guo，降jiang底di焊han接jie質zhi量liang，稍shao有you延yan遲chi焊han縫feng處chu溫wen度du快kuai速su下xia降jiang

，尤you其qi冬dong季ji裏li施shi工gong更geng為wei明ming顯xian
，甚shen至zhi無wu法fa推tui凸tu或huo焊han縫feng被bei拉la開kai

，人ren為wei因yin素su多duo並bing且qie難nan以yi保bao正zheng焊han接jie參can數shu一yi致zhi性xing。

　　2 係統原理設計 

　　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。整套設備采用模塊化設計，保壓推凸。由可編程序控製器（PLC）控製整個焊接過程
，氧氣和乙炔流量控製采用PID調節
，人機介麵完成參數設置，畫麵監控
，USB口kou數shu據ju轉zhuan儲chu，作zuo業ye次ci數shu記ji錄lu打da印yin等deng。克ke服fu人ren為wei因yin素su與yu環huan境jing溫wen度du對dui焊han接jie質zhi量liang的de影ying響xiang，減jian少shao操cao作zuo人ren員yuan及ji勞lao動dong強qiang度du。保bao正zheng焊han接jie質zhi量liang持chi續xu穩wen定ding。係xi統tong組zu成cheng如ru圖tu1所示。　　

圖1 係統組成

　　3  係統工藝設計

　　檢查氧氣和乙炔鋼瓶出口壓力是否在規定的範圍之內
，在確認冷卻係統水管暢通條件下，按動自動控箱操作麵板上“啟動”按鈕之後，以下各個工步將按照所設置的參數自動地執行下去


；直到焊接結束包括打印報告數據轉儲在內一次性完成，最後自動將機械複位，為下次焊接作好準備。

　　3.1 係統啟動

　　按下啟動按鈕，PLC中係統控製區畫麵編號寄存器（SNIR）將人機切換到“工作狀態一覽表”畫麵，見圖2所示。油泵起動油壓從0 Mpa升到預頂壓強，將兩段待焊鋼軌對嚴，下一步自動地開啟兩個氣體質量流量控製器，點燃加熱器，擺火機構開始慢速　

圖2 主工藝畫麵

　　擺動，鋼軌焊接端麵在無汙染條件下加熱升溫，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量流量的控製中應用了PID調節程序,使shi其qi加jia熱re功gong率lv大da，火huo焰yan穩wen定ding
，熱re力li場chang分fen布bu合he理li，這zhe方fang麵mian手shou工gong操cao作zuo方fang式shi的de氣qi體ti控kong製zhi箱xiang是shi不bu能neng比bi擬ni的de。在zai此ci期qi間jian也ye可ke以yi通tong過guo自zi控kong箱xiang上shang的de微wei調tiao按an鈕niu隨sui時shi調tiao節jie氧yang氣qi乙yi炔que流liu量liang和he配pei比bi
，使shi其qi加jia熱re火huo力li達da到dao最zui佳jia狀zhuang態tai。

　　3.2 接軌焊接控製

　　軌道接軌焊接的工藝由頂鍛與推凸過程實現。PLC通(tong)過(guo)磁(ci)性(xing)標(biao)尺(chi)的(de)相(xiang)對(dui)位(wei)置(zhi)變(bian)化(hua)檢(jian)測(ce)到(dao)預(yu)頂(ding)鍛(duan)量(liang)達(da)到(dao)設(she)定(ding)值(zhi)時(shi)，自(zi)動(dong)將(jiang)係(xi)統(tong)壓(ya)力(li)降(jiang)到(dao)待(dai)頂(ding)壓(ya)力(li)值(zhi)，加(jia)熱(re)器(qi)繼(ji)續(xu)加(jia)熱(re)
，待(dai)加(jia)熱(re)時(shi)間(jian)到(dao)設(she)定(ding)值(zhi)後(hou)立(li)即(ji)進(jin)入(ru)頂(ding)鍛(duan)工(gong)步(bu)，同(tong)時(shi)擺(bai)火(huo)速(su)度(du)加(jia)快(kuai)，磁(ci)性(xing)標(biao)尺(chi)檢(jian)測(ce)到(dao)頂(ding)鍛(duan)量(liang)等(deng)於(yu)設(she)置(zhi)的(de)數(shu)值(zhi)時(shi)則(ze)關(guan)閉(bi)氧(yang)氣(qi)和(he)乙(yi)炔(que)閥(fa)門(men)
，停(ting)止(zhi)擺(bai)火(huo)和(he)加(jia)熱(re)。保(bao)壓(ya)閥(fa)切(qie)換(huan)保(bao)壓(ya)位(wei)置(zhi)使(shi)壓(ya)機(ji)處(chu)保(bao)壓(ya)狀(zhuang)態(tai)不(bu)變(bian)
，爾(er)後(hou)推(tui)凸(tu)閥(fa)動(dong)切(qie)換(huan)到(dao)進(jin)刀(dao)位(wei)置(zhi)
，係(xi)統(tong)油(you)壓(ya)上(shang)調(tiao)的(de)同(tong)時(shi)開(kai)始(shi)推(tui)凸(tu)操(cao)作(zuo)，刀(dao)架(jia)前(qian)移(yi)趨(qu)動(dong)推(tui)刀(dao)除(chu)掉(diao)焊(han)瘤(liu)部(bu)分(fen)。PLC通過壓力傳感器判別推凸狀態，如果推凸壓力在增大趨勢時突然變小說明推凸結束。整個焊接周期五分鍾左右時間。

　　3.3 降溫保壓控製

　　推凸結束後推凸閥自動切換到推凸退刀位置，使其退刀到位後，高壓油泵壓力自動調節到0 Mpa，爾後油泵電動機停止工作。PLC中係統控製區畫麵編號寄存器（SNIR）將人機切換到“工作報告”畫麵並啟動打印程序

，將其打印輸出（根據需要可以多次打印輸出）。次刻壓機仍然在保壓
，直到焊口自然冷卻後方撤壓。

　　3.4 數據記錄

　　關於畫麵轉儲，自動控製箱麵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口用於接駁可移動U盤）,通過在人機畫麵放置一個按鈕,此按鈕屬性為：據取畫麵，其功能將本畫麵上的全部內容以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）。這樣焊接工作數據報表和曆史趨勢曲線等資料十分方便地通過U盤轉儲到個人計算機上作為技術留檔
，為以後查閱分析總結打印提供原始數據，如圖3所示。 

 圖3 工藝數據記錄

　　4 自動化係統實現

　　4.1 電控係統

　　（1）人機界麵：人機介麵型號選擇台達DOP-AE80THTD型觸摸屏。其特點是DOP-AE80THTD型人機介麵，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

；畫麵和數碼照片一樣逼真，外觀精美大方。開發使用方便，功能完善強大的編輯軟件賦有人性化，完全適合該係統要求。配置2個串通訊接口UART和2個USB接口，其中COM2/RS458和可編程序控製器（PLC）相連；一個USB Host Ver1.1口用於接駁移動U盤
，作為整個畫麵內容轉儲。

　　人機介麵中的焊接參數設置畫麵運用了畫麵開啟宏和畫麵關閉宏功能及畫麵周期宏功能Cycle。在校對PLC內部時鍾與人機介麵時鍾時，要求同步，用GETSYSTEMTIME命令和資料搬移MOV命令
，配合畫麵上“係統時間日期按鈕”十分方便地將實時時間設置在PLC中，這樣PLC內(nei)時(shi)鍾(zhong)與(yu)人(ren)機(ji)時(shi)鍾(zhong)和(he)當(dang)地(di)時(shi)區(qu)時(shi)間(jian)三(san)者(zhe)統(tong)一(yi)，保(bao)正(zheng)作(zuo)業(ye)記(ji)錄(lu)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)和(he)準(zhun)確(que)性(xing)。其(qi)他(ta)如(ru)氧(yang)氣(qi)流(liu)量(liang)設(she)置(zhi)，乙(yi)炔(que)流(liu)量(liang)設(she)置(zhi)，位(wei)移(yi)量(liang)設(she)置(zhi)
，預(yu)頂(ding)壓(ya)力(li)設(she)置(zhi)，頂(ding)鍛(duan)壓(ya)力(li)設(she)置(zhi)等(deng)完(wan)全(quan)用(yong)實(shi)數(shu)
，既(ji)三(san)位(wei)整(zheng)數(shu)二(er)位(wei)小(xiao)數(shu)表(biao)示(shi)。而(er)加(jia)熱(re)時(shi)間(jian)參(can)數(shu)設(she)置(zhi)等(deng)用(yong)三(san)位(wei)整(zheng)數(shu)表(biao)示(shi)。重(zhong)要(yao)參(can)數(shu)如(ru)預(yu)頂(ding)壓(ya)力(li)和(he)待(dai)頂(ding)壓(ya)力(li)，如(ru)果(guo)您(nin)在(zai)數(shu)值(zhi)上(shang)設(she)置(zhi)不(bu)合(he)符(fu)要(yao)求(qiu)人(ren)機(ji)則(ze)會(hui)用(yong)閃(shan)動(dong)“錯”字和聲音報警
，一直到設置正確顯示“對”字為止。並且係統掉電後所設置的參數也不會丟失。

　　 設置參數一共八項：①預頂壓力  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 工藝參數設置畫麵

　　（2）可編程序控製器PLC:可編程序控製器是整個係統的核心，由CPU單元含數字量和擴展模擬量模塊組成。其中數字量完成各個閥門位置檢測和限位及氣體流量微調等功能；模擬量A/D部分對氧氣和乙炔氣體質量流量采樣
、係統壓力采樣、鋼軌頂鍛位移量的采樣等。D/A部分對氧氣和乙炔氣體質量流控製閥門開度的控製，氣體質量流量的控製由兩個獨立的具有PID調節功能的閉環係統完成。壓力傳感器采用擴散矽型，內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壓強0—60Mpa。

　　4.2 油泵與壓機係統

　　超高壓油泵使傳遞動力的液壓油產生最大壓強達到60Mpa ，供油量每分鍾4立升以上。電動錐式調壓閥
，壓力傳感器
，PLC和he人ren機ji介jie麵mian構gou成cheng一yi個ge閉bi環huan控kong製zhi係xi統tong，油you泵beng壓ya力li穩wen準zhun快kuai地di跟gen蹤zong人ren機ji所suo設she置zhi壓ya力li值zhi。電dian動dong式shi超chao高gao壓ya截jie止zhi閥fa門men能neng使shi油you路lu在zai高gao低di壓ya的de條tiao件jian下xia快kuai速su進jin行xing換huan向xiang並bing有you保bao持chi壓ya功gong能neng等deng
；其閥門的位置由接近開關（OMRON--PNP）限製。壓機總承是在高壓油泵作用下能產生最大70噸力，滿足鋼軌在焊接時頂鍛和推凸、保(bao)壓(ya)等(deng)工(gong)步(bu)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)力(li)。保(bao)正(zheng)在(zai)焊(han)接(jie)全(quan)部(bu)過(guo)程(cheng)中(zhong)兩(liang)段(duan)鋼(gang)軌(gui)中(zhong)心(xin)在(zai)一(yi)條(tiao)直(zhi)線(xian)上(shang)，使(shi)軌(gui)頂(ding)麵(mian)底(di)麵(mian)軌(gui)腰(yao)對(dui)齊(qi)
，滿(man)足(zu)機(ji)械(xie)強(qiang)度(du)要(yao)求(qiu)。油(you)泵(beng)和(he)壓(ya)機(ji)之(zhi)間(jian)油(you)路(lu)用(yong)專(zhuan)門(men)快(kuai)速(su)連(lian)結(jie)器(qi)交(jiao)連(lian)。目(mu)前(qian)在(zai)壓(ya)強(qiang)大(da)於(yu)32.5 Mpa時換向在液壓控製領域裏還是尖端技術。

　　4.3 加熱係統

　　由氣源
、壓力表、控製器；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；冷卻循環泵等組成。加熱器的火焰孔徑大小及分布應保正鋼軌斷麵處受熱均勻，按照焊接工藝標準將鋼軌加熱到塑性狀態的溫度（一般為1300℃）。應有防止管路回火和防止漏氣等安全措施。控製器比較複雜
；由PLC部分開關量、模擬單元、人機介麵、兩個氣體質量控製器（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；重複精度±0.2％F.S；響應時間1Sec；泄漏率＜1×10-8SCCSHe
；具有氣體通道清洗、關閉、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，不需要設定磁尺幾何原點。頂鍛量是由PLC程序自動檢測並運算出鋼軌位移量的相對差值，由人機介麵直接顯示出來。鋼軌被加熱到200—1000℃時軸向膨漲明顯，則人機界麵直接顯示出來是負值，同時係統壓力有所上升
，人機介麵實時地動態地反映焊接過程各個參數的變化。

　　4.5 擺火機構

　　由(you)直(zhi)流(liu)可(ke)調(tiao)速(su)電(dian)動(dong)機(ji)和(he)可(ke)變(bian)式(shi)曲(qu)柄(bing)連(lian)杆(gan)機(ji)構(gou)及(ji)滑(hua)動(dong)小(xiao)台(tai)車(che)組(zu)成(cheng)
，點(dian)動(dong)按(an)鈕(niu)能(neng)使(shi)加(jia)熱(re)器(qi)火(huo)孔(kong)正(zheng)對(dui)準(zhun)兩(liang)鋼(gang)軌(gui)間(jian)焊(han)縫(feng)，保(bao)正(zheng)點(dian)火(huo)時(shi)焊(han)縫(feng)間(jian)無(wu)積(ji)碳(tan)汙(wu)染(ran)。擺(bai)火(huo)電(dian)動(dong)機(ji)轉(zhuan)動(dong)速(su)度(du)由(you)程(cheng)序(xu)改(gai)變(bian)，擺(bai)火(huo)位(wei)移(yi)線(xian)速(su)度(du)按(an)餘(yu)弦(xian)規(gui)律(lv)變(bian)化(hua)，這(zhe)樣(yang)能(neng)使(shi)得(de)鋼(gang)軌(gui)受(shou)熱(re)效(xiao)果(guo)達(da)到(dao)最(zui)佳(jia)化(hua)。

　　5  軟件設計

　　PLC係統配置與梯形圖編程，人機介麵用畫麵編輯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，將控製程序根據功能分為不同邏輯塊即子程序，在主程序（ OB1）中可以根據條件調用不同的邏輯塊，其特點是主程序簡單明了，調試方便，由於邏輯塊是有條件的調用，所以CPU利用率高，與人機介麵通訊可靠。

　　5.2 觸摸屏編程

　　（1）設定模組參數：係統控製區8個字長。通迅設置：①人機站號 0 ； ②PLC預置站號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）用畫麵Gycle宏完成PLC內時鍾與人機內時鍾同步,創建一個所謂係統畫麵,並放置<係統時間日期>按鈕,其畫麵開啟宏和畫麵關閉宏指令巨集如下:

　　SETB （）  //係統畫麵開啟宏V490.0=1

　　END

　　CLRB （）  //係統畫麵關閉宏490.0=0

    END

　　在係統畫麵上可以隨時地調整人機內時鍾（星期暫不用），配合PLC時鍾寫命令
，完成時鍾同步。

　　  $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）曆史趨勢曲線：係統壓力與標尺位移共用1號緩衝區
，讀取PLC地址2@1000

；數值單位4（字）
；取樣周期1000 ms ；取樣點111 ；觸發源 PLC ；記錄時間日期 Yes ；

　　氧氣流量與乙炔流量共用2號緩衝區，讀取PLC地址2@1008；數值單位4（字）
；取樣周期1000 ms ；取樣點111 ；觸發源 PLC ；記錄時間日期 Yes 。

　　6 結束語

　　yingyongzidongkongzhigangguiqiyahanjieshebei
，yicixinglianxudiduishiwugegangguihanjietoujinxingpohuaixingluochuishiyan

，hegelvweibaifenzhibai。zaishijixianlushangjingguoyinianduoqianyucihanjieshigong，hegelvweibaifenzhibai
，yonghufanyinglianghao。jiyutaidazidonghuajishupingtaidezhinengxingyidongshigangguiqiyahanjieshebeiyijingtongguolujujishujianding。