自動化點焊控制系統設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。 電源PLC 的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的可靠得電源系統是無法正常工作的，因此PLC 的制造商對電源的設計和制造也十分重視，一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內可以不采取其它措施，而將PLC 直接連接到交流電網上去。 PLC系統的其他設備編程設備：編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。也就是我們系統的上位機。 PLC的機構類型（1） 按硬件的結構類型分類：編程控制器是專門為工業生產環境設計的。為了便于在工業現場安裝，便于擴展，方便接線，其結構與普通計算機有很大區別，常見的有箱體式，模塊式，及疊裝式三種結構。箱體式PLC一般用于規模小，輸入輸出點數固定，不需要擴展的場合。模塊式PLC一般用于規模較大，輸入輸出點數多，輸入輸出點數比例靈活的場合。疊裝式PLC具有二者的優點。（2） 按應用規模及功能分類：為了適應不同工業生產過程的應用要求，PLC能夠處理的輸入信號數量是不一樣的。一般將一路信號稱作一個店，將輸入輸出點數的總和稱為機器的點。按照點數的多少，可將PLC分為超小，小，中，打，超大等五大類型，如下表31所示：表31 PLC的結構分類超小型小型中型大型超大型64點以下64—128點128—512點512—8192點8192點以上 PLC的工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。 （1） 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映像區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映像區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證任何情況下，該輸入均能被讀入。 （2） 用戶程序執行階段在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。 （3） 輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。【16】 PLC的基本性能指標（1） PLC 的主要特點：①高可靠性a. 所有的I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業現場的外電路與PLC 內部電路之間電氣上隔離。b. 各輸入端均采用RC濾波器，其濾波時間常數一般為10~20ms。c. 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。d. 采用性能優良的開關電源。e 對采用的器件進行嚴格的篩選。f. 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟、硬件發生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。g. 大型PLC 還可以采用由雙CPU 構成冗余系統或有三CPU 構成表決系統,使可靠性更進一步提高。②采用模塊化結構為了適應各種工業控制需要除了單元式的小型PLC 以外絕大多數PLC 均采用模塊化結構PLC 的各個部件包括CPU 電源I/O 等均采用模塊化設計由機架及電纜將各模塊連接起來系統的規模和功能可根據用戶的需要自行組合。 ③編程簡單易學 PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式對使用者來說不需要具備計算機的專門知識因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握 ④安裝簡單維修方便 PLC不需要專門的機房可以在各種工業環境下直接運行使用時只需將現場的各種設備與PLC 相應的I/O 端相連接即可投入運行各種模塊上均有運行故障指示裝置便于用戶了解運行情況和查找故障由于采用模塊化結構因此一旦某模塊發生故障用戶可以通過更換模塊的方法使系統迅速恢復運行 （2） 工作速度工作速度是指PLC的CPU執行指令的速度及對急需處理的輸入信號的響應速度。工作速度是PLC工作的基礎。速度高了，才可能通過運行程序實現控制，才可能不斷擴大控制規模，才可能發揮PLC的多種多樣的作用。 （3） 控制規模 控制規模代表PLC控制能力，看其能對多少輸入、輸出點及對多少路模擬進行控制。 控制規模與速度有關。因為規模大了，用戶程序也長，執行指令的速度不快，勢必延長PLC循環的時間，也必然會延長PLC對輸入信號的響應。為了避免這個情況，PLC的工作速度就要快。所以，大型PLC的工作速度總是比小的要快。 控制規模還與內存區的大小有關。規模大，用戶程序長，要求有更大的用戶存儲區。同時點數多，系統的存儲器輸入、輸出的信號區（輸入輸出繼電器區或稱輸入、輸出映射區）也大。這個區大，相應地內部器件（解釋見后）也要增多，這些都要求有更大的系統存儲區。 控制規模還與輸入、輸出電路數有關。如控制規模為1024點，那就得有1024條I/O電路。這些電路集成于I/O模塊中，而每個模塊有多少路的I/O點總是有數的。所以，規模大，所使用的模塊也多。 （4） 組成模塊 常見的PLC模塊有： CPU模塊，它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、規模都由它的性能來體現。 電源模塊，它為PLC運行提供內部工作電源，而且，有的還可為輸入信號提供電源。 I/O模塊，它集成了I/O電路，并依點數及電路類型劃分為不同規格的模塊。 內存模塊，它主要存儲用戶程序，有的還為系統提供輔加的工作內存。在結構上內存模塊都是附加于CPU模塊之中。4 點焊控制系統總體方案設計點焊設備由控制系統裝置、機械結構、焊接電源、傳感器裝置、輔助裝置組成。其控制系統根據點焊的工藝和使用環境，我采用PLC控制，因為它在工業環境中安全可靠、抗干擾能力強，而單片機控制系統抗干擾能力比較差，工業環境中使用不可靠。PLC產品有很多種，這里我選用了三菱FX2n類型的產品，因為三菱PLC具有以下特點。（1） PLC具有很高的可靠性，抗干擾能力。通常的平均無障礙時間都在30萬小時以上；（2） 系統設計周期短，維護方便，改造容易，功能完善，實用性強；（3） 干擾能力強，具有硬件故障的自我檢查功能，目前空中各種電磁干擾日益嚴重，為了保證交通控制的可靠穩定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環境下正常工作的PLC；（4） 近年來PLC的性能價格比有較大幅度的提高，是的實際應用成為可能。 系統設計要求（1） 系統要有報警功能。（2） 具有多軸運動。（3） 有操作運動指示燈。（4） 急停功能，要求在任何情況下使用，以便保證安全、（5） 速度選擇功能，可以選擇多種速度。（6） 復位功能，按下復位按鈕，系統中一些元件回到設定原點后啟動。（7） 行程限位與傳感器檢測。（8） 自動夾緊與松開。 機械結構的設計現在許多點焊接設備的機械結構一般為機床式、一體式、關節機器人等。從應用和成本上來說，我選擇機床式結構。X軸以方管和面板為底座，選用四個滑塊為支撐，利用絲杠螺母來傳動動力。Y軸和Z軸的設計基本與X軸一致，只是Z軸采用了同步帶輪來帶動絲杠。通過CATIA和電機軟件來分析各個軸所需的扭矩和承受的載荷，并最終確定個軸的尺寸和大小。機床式結構是現在設計最為普遍的結構設計，應用已非常成熟，它共有3個軸控制，可以實現對空間XY面的定位，Z軸可以上下控制，其工作臺可以旋轉，以保證焊接靈活性。 床身結構設計一般機床都采用三坐標設計，這樣的設計較機器人簡單。其設計周期較短，適合一般復雜的零件點焊。為了適應較復雜的零件點焊，我設計了一個工作臺可以旋轉，更好的適應零件的變化。在適當的變化下，可以選擇能旋轉的焊鉗，這樣就可以滿足一般復雜零件的焊接。根據要焊接的零件大小來設計機床三個軸的行程，通過數模驗證最終X軸行程為970mm、Y軸行程為704mm、Z軸行程為659mm。 焊搶結構的選擇焊槍有C型和X型兩個類型。C型焊槍一般是一端不動，另一端運動。它是通過氣缸或電磁閥驅動焊嘴與另一端接觸，然后焊接電源通電，將兩個焊件結合在一起。C型焊槍如下圖41：圖41 C型焊鉗C型點焊鉗用于點焊垂直及接近垂直的焊點，電極作直線運動。而X型焊槍是上下兩個可以運動，就像剪刀一樣。如下圖42：圖42 X型焊鉗在電磁吸合后，兩個焊嘴相貼，然后電源通電是兩工件粘合在一起，完成焊接。這種焊槍適合點焊XY面和YZ面。根據焊件的形狀，主要焊點都集中在XY平面，所以本次焊槍選用C型焊槍。如果焊件有不一樣的焊點，根據具體情況選用，現在市場上的焊槍都有標準化的，可以替換使用。一般情況下，焊點距離制件邊緣超過300mm的情形選擇X型焊鉗，焊點距離制件邊緣小于300mm的情形可以選擇X、C型焊鉗。 動力裝置的選擇現在工業使用的動力裝置都是電動機帶動傳動裝置傳動到執行機構上。電動機產品在市場上有許多種，有直流電動機、交流電動機之分；有步進電動機、伺服電動機之分；有同步電動機、異步電動機。根據具體的應用選擇不同類型的電動機完成所需要的任務。電動機帶動軸類旋轉轉換為直線運動，可以使執行裝置運動。 伺服電機圖43 伺服電機伺服電機（圖43）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的電動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自傳現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。 步進電機圖44 步進電機步進電機（圖44）是將電脈沖信號轉變為角位移或纖尾翼的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，成為“步距角”，它的旋轉式以固定的角度一步一步運動的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器家就是為步進電機分時供電的，多時序控制器。雖然步進電機已被廣泛應用，但步進電機并不能像普通的直流電機和交流電機一樣在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等多專業知識。步進電機分為以下三種：① 永磁式步進電機② 反應式步進電機③ 混合式步進電機 伺服電機與步進電機系能比較步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。二者比較如下：（1） 控制精度不同176。、176。，176。 176。、176。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，176。；德國百格拉公司（BERGER LAHR）176。、176。、176。、176。、176。、176。、176。、176。，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360176。/10000=176。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360176。/131072=。176。的步進電機的脈沖當量的1/655。（2） 低頻特性不同步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。（3） 過載能力不同步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。（4） 矩