1 引言
铁路和轨道交通的路轨是在工程现场完成接轨焊接的，最终使一般长50米短钢轨条经焊接成为长距无缝铁轨。现场完成接轨焊接使用的气压焊技术和设备，过去二十几年一直延用手工操作类型的气压焊设备，工艺和工序进程完全凭施工人员经验和眼力判定，顶锻与推凸工步不连贯，顶锻完成后必须将压力泻释方能开始推凸，其弊端是此刻钢轨焊缝处温度仍在1200℃左右，焊缝处金属原子正处于互相扩散而进行再结晶的塑性状态，泻压推凸势必严重影响再结晶效果，降底焊接质量，稍有延迟焊缝处温度快速下降，尤其冬季里施工更为明显，甚至无法推凸或焊缝被拉开，人为因素多并且难以保正焊接参数一致性。
2 系统原理设计
针对上述诸多问题，提出移动式小型气压轨道自动化焊机改造项目。整套设备采用模块化设计，保压推凸。由可编程序控制器(PLC)控制整个焊接过程，氧气和乙炔流量控制采用PID调节，人机介面完成参数设置，画面监控，USB口数据转储，作业次数记录打印等。克服人为因素与环境温度对焊接质量的影响，减少操作人员及劳动强度。保正焊接质量持续稳定。系统组成如图1所示。
图1 系统组成
3 系统工艺设计
检查氧气和乙炔钢瓶出口压力是否在规定的范围之内，在确认冷却系统水管畅通条件下，按动自动控箱操作面板上“启动”按钮之后，以下各个工步将按照所设置的参数自动地执行下去;直到焊接结束包括打印报告数据转储在内一次性完成，最后自动将机械复位，为下次焊接作好准备。
3.1 系统启动
按下启动按钮，PLC中系统控制区画面编号寄存器(SNIR)将人机切换到“工作状态一览表”画面，见图2所示。油泵起动油压从0 Mpa升到预顶压强，将两段待焊钢轨对严，下一步自动地开启两个气体质量流量控制器，点燃加热器，摆火机构开始慢速摆动，钢轨焊接端面在无污染条件下加热升温，我们称谓此为待顶工步，在此期间钢瓶内气体压力有向低变化趋势;加热器本身温度上升使火孔缩小，为此在氧气和乙炔气体质量流量的控制中应用了PID 调节程序,使其加热功率大，火焰稳定，热力场分布合理，这方面手工操作方式的气体控制箱是不能比拟的。在此期间也可以通过自控箱上的微调按钮随时调节氧气乙炔流量和配比，使其加热火力达到最佳状态。
图2 主工艺画面
3.2 接轨焊接控制
轨道接轨焊接的工艺由顶锻与推凸过程实现。PLC通过磁性标尺的相对位置变化检测到预顶锻量达到设定值时，自动将系统压力降到待顶压力值，加热器继续加热，待加热时间到设定值后立即进入顶锻工步，同时摆火速度加快，磁性标尺检测到顶锻量等于设置的数值时则关闭氧气和乙炔阀门，停止摆火和加热。保压阀切换保压位置使压机处保压状态不变，尔后推凸阀动切换到进刀位置，系统油压上调的同时开始推凸操作，刀架前移趋动推刀除掉焊瘤部分。PLC通过压力传感器判别推凸状态，如果推凸压力在增大趋势时突然变小说明推凸结束。整个焊接周期五分钟左右时间。
3.3 降温保压控制
推凸结束后推凸阀自动切换到推凸退刀位置，使其退刀到位后，高压油泵压力自动调节到0 Mpa，尔后油泵电动机停止工作。PLC中系统控制区画面编号寄存器(SNIR)将人机切换到“工作报告”画面并启动打印程序，将其打印输出(根据需要可以多次打印输出)。次刻压机仍然在保压，直到焊口自然冷却后方撤压。
3.4 数据记录
关于画面转储，自动控制箱面板上除了微型热敏汉字打印机外，还有一个USB接口(USB Host Ver1.1口用于接驳可移动U盘),通过在人机画面放置一个按钮,此按钮属性为：据取画面，其功能将本画面上的全部内容以BMP格式存储在可移动U盘上(人机编辑软件Sersion 1.05.76版本有此功能，要求U盘格式化为FAT32)。这样焊接工作数据报表和历史趋势曲线等资料十分方便地通过U盘转储到个人计算机上作为技术留档，为以后查阅分析总结打印提供原始数据，如图3所示。
图3 工艺数据记录
4 自动化系统实现
4.1 电控系统
(1)人机界面：人机介面型号选择台达DOP-AE80THTD型触摸屏。其特点是DOP-AE80THTD型人机介面，在野外冬季工作温度可以达零度;夏季在阳光阴影下图形和文本显示清晰。(估测DOP-AE80THTD亮度在350cd/m2)。
DOP-AE80THTD的显示分辩率为640×480;65536种颜色;画面和数码照片一样逼真，外观精美大方。开发使用方便，功能完善强大的编辑软件赋有人性化，完全适合该系统要求。配置2个串通讯接口UART和2个USB接口，其中COM2/RS458和可编程序控制器(PLC)相连;一个USB Host Ver1.1口用于接驳移动U盘，作为整个画面内容转儲。
人机介面中的焊接参数设置画面运用了画面开启宏和画面关闭宏功能及画面周期宏功能Cycle。在校对PLC内部时钟与人机介面时钟时，要求同步，用 GETSYSTEMTIME命令和资料搬移MOV命令，配合画面上“系统时间日期按钮”十分方便地将实时时间设置在PLC中，这样PLC内时钟与人机时钟和当地时区时间三者统一，保正作业记录的实时性和准确性。其他如氧气流量设置，乙炔流量设置，位移量设置，预顶压力设置，顶锻压力设置等完全用实数，既三位整数二位小数表示。而加热时间参数设置等用三位整数表示。重要参数如预顶压力和待顶压力，如果您在数值上设置不合符要求人机则会用闪动“错”字和声音报警，一直到设置正确显示“对”字为止。并且系统掉电后所设置的参数也不会丢失。
设置参数一共八项：①预顶压力 12.34 Mpa ;②待顶时间 123 Sec ;③待顶长度 12.34 mm ;④待顶压力 12.34 Mpa ;⑤顶锻长度 1.23 mm ;⑥顶锻压力 12.34 Mpa ;⑦氧气流量 123.45 SLM ;⑧乙炔流量 123.45 SLM ，如图4所示 。
