機(jī)器人點(diǎn)焊論文

1、COMAU機(jī)器人點(diǎn)焊電氣控制部分的設(shè)計(jì)摘要： 本論文完成了機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)主要由夾具系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，機(jī)器人以及焊接系統(tǒng)等幾大模塊組成，整個(gè)系統(tǒng)用PLC進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中硬件部分圍繞夾具系統(tǒng)等幾大模塊進(jìn)行，完成了相應(yīng)模塊的控制電路以及整個(gè)系統(tǒng)的安全保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)分兩部分進(jìn)行，即系統(tǒng)在手動(dòng)模式下的運(yùn)行程序以及在自動(dòng)模式下的運(yùn)行程序。手動(dòng)模式一般用于機(jī)器人系統(tǒng)安裝調(diào)試階段以及故障處理的時(shí)候，通過(guò)操作主控制柜上不同的按鈕可對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)，夾具進(jìn)行分別控制。自動(dòng)模式用于生產(chǎn)階段，系統(tǒng)運(yùn)行速度很快，可以減小生產(chǎn)周期。在自動(dòng)模式下夾具，轉(zhuǎn)臺(tái)，機(jī)器人，焊槍依據(jù)工藝

2、要求的邏輯順序進(jìn)行動(dòng)作，完成對(duì)工件的點(diǎn)焊任務(wù)。關(guān)鍵詞： PLC；機(jī)器人；點(diǎn)焊；電氣控制1 緒 論1.1 點(diǎn)焊機(jī)器人介紹及其研究意義點(diǎn)焊機(jī)器人【spot welding robot】 用于點(diǎn)焊自動(dòng)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。世界上第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)于1965年開(kāi)始使用，是美國(guó)Unimation公司推出的Unimate機(jī)器人，中國(guó)在1987年自行研制成第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人華宇-型點(diǎn)焊機(jī)器人。點(diǎn)焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應(yīng)靈活動(dòng)作的工作要求，通常電焊機(jī)器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)，一般具有六個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)

3、和電氣驅(qū)動(dòng)兩種。其中電氣驅(qū)動(dòng)具有保養(yǎng)維修簡(jiǎn)便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。點(diǎn)焊機(jī)器人按照示教程序規(guī)定的動(dòng)作、順序和參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)焊作業(yè)，其過(guò)程是完全自動(dòng)化的，并且具有與外部設(shè)備通信的接口，可以通過(guò)這一接口接受上一級(jí)主控與管理計(jì)算機(jī)的控制命令進(jìn)行工作。焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。點(diǎn)焊機(jī)器人在汽車(chē)裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車(chē)裝配焊接的生

4、產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時(shí)又具有柔性焊接的特點(diǎn)，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對(duì)不同的車(chē)型進(jìn)行裝配焊接。應(yīng)用點(diǎn)焊機(jī)器人，有如下優(yōu)點(diǎn)：l 容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的完全自動(dòng)化；l 對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力將大大加強(qiáng)；l 可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及質(zhì)量；l 可以明顯改善工作條件。1.2 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1.2.1工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工

5、業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車(chē)裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開(kāi)始的。原因在于電阻點(diǎn)焊的過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對(duì)機(jī)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人企業(yè)憑借與各大汽車(chē)企業(yè)的長(zhǎng)期合作關(guān)系，向各大型汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)提供各類點(diǎn)焊機(jī)器人單元產(chǎn)品并以焊接機(jī)器人與整車(chē)生產(chǎn)線配套形式進(jìn)入中國(guó)，在該領(lǐng)域占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來(lái)越大，165公斤點(diǎn)焊機(jī)器

6、人是目前汽車(chē)焊接中最常用的一種機(jī)器人。2008年9月，機(jī)器人研究所研制完成國(guó)內(nèi)首臺(tái)165公斤級(jí)點(diǎn)焊機(jī)器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車(chē)焊接車(chē)間。2009年9月，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和性能提升的第二臺(tái)機(jī)器人完成并順利通過(guò)驗(yàn)收，該機(jī)器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類機(jī)器人水平。1.2.2 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，焊接機(jī)器人和其它工業(yè)機(jī)器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：l 機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高

7、負(fù)載/自重比。l 機(jī)器人控制系統(tǒng)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性；控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)軟件伺服和全數(shù)字控制；人機(jī)界面更加友好l 機(jī)器人傳感技術(shù)：機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺(jué)傳感器和力傳感器，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。l 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國(guó)KUKA公

8、司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過(guò)去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過(guò)去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。l 虛擬機(jī)器人技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。l 機(jī)器人性能價(jià)格比：機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高l 多智能體

9、調(diào)控技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。2 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的組成和原理2.1 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的組成機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)構(gòu)成，工作站采用PROFIBUS+數(shù)字I/O實(shí)現(xiàn)彼此通信3。該系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖2.2 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的電氣控制原理系統(tǒng)上電，初始化機(jī)器人的狀態(tài)，主要包括機(jī)器人是否在原位，機(jī)器人工作是否完成；系統(tǒng)的水、氣、光柵是否正常。系統(tǒng)和生產(chǎn)線控制器通訊，獲取和機(jī)器人工作站有

10、關(guān)的生產(chǎn)線的多個(gè)狀態(tài)，如輸送線是否處于自動(dòng)狀態(tài)；相關(guān)傳感器的信號(hào)是否正常等。對(duì)于安全信號(hào)，則分等級(jí)處理，重要的安全信號(hào)通過(guò)和機(jī)器人的硬線連接，引起機(jī)器人急停；級(jí)別較低的安全信號(hào)通過(guò)PLC給機(jī)器人發(fā)“外部停止”命令。系統(tǒng)的任務(wù)選擇是由線控制器完成的，輸送線控制器通過(guò)傳感器來(lái)確定車(chē)型并通過(guò)編碼方式向機(jī)器人點(diǎn)焊工作站發(fā)出相應(yīng)的工作任務(wù)，點(diǎn)焊控制器接受任務(wù)并調(diào)用相應(yīng)的機(jī)器人程序進(jìn)行焊接。焊接過(guò)程中，系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)器人的工作狀態(tài)，如機(jī)器人發(fā)生錯(cuò)誤或故障，系統(tǒng)自動(dòng)停止機(jī)器人及焊槍的動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器人在車(chē)身不同的部位焊接時(shí)，需要不同的焊接參數(shù)?？刂坪笜寗?dòng)作的焊接控制器中可存儲(chǔ)多種焊接規(guī)范，每組焊接規(guī)范對(duì)應(yīng)一組焊接工

11、藝參數(shù)。機(jī)器人向PLC發(fā)出焊接文件信號(hào)，PLC通過(guò)焊接控制器向焊槍輸出需要的焊接工藝參數(shù)。車(chē)體焊接完成后，機(jī)器人可按設(shè)定的方式進(jìn)行電極修磨。3 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分硬件設(shè)計(jì)3.1 安全保護(hù)系統(tǒng)點(diǎn)焊機(jī)器人的工作范圍必須符合安全要求，即必須在任何情況下都不會(huì)對(duì)人員或設(shè)備構(gòu)成威脅。在機(jī)器人動(dòng)作范圍內(nèi)，必須采取隔離措施保護(hù)，這些隔離保護(hù)措施可以是隔離柵欄，光柵，光幕，空間掃描裝置等。本設(shè)計(jì)采用隔離柵欄和光柵的保護(hù)措施。另外，系統(tǒng)中設(shè)有急?；芈罚员愀鞣N突發(fā)情況下將系統(tǒng)停止，確保人員和設(shè)備的安全。圖3.1 安全門(mén)回路3.1.1 隔離柵欄保護(hù)隔離柵欄的作用是將機(jī)器人的工作區(qū)域與外界隔離開(kāi)來(lái)。設(shè)有一個(gè)

12、安全門(mén)，機(jī)器人在自動(dòng)模式下工作時(shí)速度相當(dāng)快，如果有人打開(kāi)安全門(mén)，試圖進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人會(huì)自行停止工作，以確保人員安全。按照DIN EN 294 、DIN EN349和DIN EN 811確定隔離柵欄網(wǎng)孔的規(guī)格。隔離柵欄高度的設(shè)計(jì)，必須使人手無(wú)法從上面伸進(jìn)隔離范圍。柵欄分塊的大小根據(jù)柵欄的強(qiáng)度確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須避免柵欄彎曲過(guò)度。入口（安全門(mén)）只有一個(gè)，且和機(jī)器人自己的保護(hù)裝置以及上一級(jí)的緊急關(guān)斷裝置相聯(lián)。本設(shè)計(jì)的安全門(mén)回路如圖3.1所示。圖3.2 安全光柵3.1.2 安全光柵保護(hù)為確保安全，轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不允許人員進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域。安全光柵位于裝件區(qū)兩側(cè)，一側(cè)是發(fā)射端，一側(cè)是接受端。如

13、果有人在轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)試圖從裝件區(qū)進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域必定要穿過(guò)安全光柵，這樣接收端便接收不到發(fā)射端發(fā)射的光，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺(tái)停止信號(hào)。本設(shè)計(jì)安全光柵回路如圖3.2所示。3.1.3 急?；芈吩跈C(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些突發(fā)情況，例如工人在調(diào)試機(jī)器人過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作偏離軌跡而要撞上轉(zhuǎn)臺(tái)夾具或焊鉗電極與板件粘結(jié)等，這就需要及時(shí)排除險(xiǎn)情。本設(shè)計(jì)中，在機(jī)器人示教器上以及主控制柜的控制面板上分別設(shè)有急停按鈕，便于在出現(xiàn)緊急情況時(shí)能將系統(tǒng)停止工作，以免發(fā)生安全事故。如圖3.3所示，急?；芈钒ò踩芈吩谠O(shè)計(jì)時(shí)都采用了雙回路的形式，確保急?；芈返挠行?。 (a) 急?；芈?b) 給機(jī)器人外部急停

14、(c) 給變頻器急停信號(hào)和急停復(fù)位(b) 變頻器上電回路圖3.3 急?；芈?.2 PLC的選擇3.2.1 西門(mén)子s7-300PLCS7-300PLC主要有以下模塊組成：l CPU模塊 CPU模塊不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。l 信號(hào)模塊（I/O模塊） 輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡(jiǎn)稱I/O模塊，分為開(kāi)關(guān)量輸入，輸出模塊（DI/DO）和模擬量輸入，輸出模塊（AI/AO）。信號(hào)模塊是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁。模塊是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁。 輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕，選擇開(kāi)關(guān)，

15、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)，光電開(kāi)關(guān)等來(lái)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)。模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器，測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流，電壓信號(hào)，或者直接接收熱電阻，熱電偶提供的溫度信號(hào)。 開(kāi)關(guān)輸出模塊用來(lái)控制接觸器，電磁閥，電磁鐵和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，變頻器等執(zhí)行器。l 功能模塊（FM模塊）主要用于完成某些對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求很高的控制任務(wù)，例如高速計(jì)數(shù)，位置控制和閉環(huán)控制。l 接口模塊（IM模塊） CPU模塊所在的機(jī)架稱中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納全部模塊，可增設(shè)一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。接口模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可

16、以為擴(kuò)展機(jī)架供電。l 通信處理器（CP） 通信處理器（CP）用于PLC之間，PLC與遠(yuǎn)程I/O之間，PLC與計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將S7-300接入以太網(wǎng)，MPI，PROFIBUS-DP和AS-i，或者用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等。l 電源模塊（PS模塊）PLC一般使用AC200V電源或DC24V電源，電源模塊（PS）用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的DC24V電壓，供其他模塊和輸出模塊的負(fù)載使用。3.2.2 SoftPLCSoftPLC控制技術(shù)亦稱Softlogic和基于PC的控制技術(shù),對(duì)于它還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確而統(tǒng)一的定義。西門(mén)子公司將軟PLC的定義為“集控制、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理、通訊等功能于一臺(tái)

17、PC的解決方案”；3S公司定義SoftPLC為“一種能將工業(yè)PC機(jī)轉(zhuǎn)換為高端PLC的軟件”；http：/i t-網(wǎng)站上稱“SoftPLC是一種能使用戶在無(wú)PLC硬件支持下,在普通PC上開(kāi)發(fā)和運(yùn)行程序的軟件解決方案”。因此，SoftPLC可以說(shuō)是傳統(tǒng)PLC的軟件解決方案,能夠在PC機(jī)上依靠一定的軟件平臺(tái)，完成PLC的所有功能,并具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)PLC相比，SoftPLC技術(shù)具有符合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)： l 具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。 SoftPLC具有寬范圍的I/0端口和多種現(xiàn)場(chǎng)總線的接口,支持多種硬件，能解決傳統(tǒng)PLC互不兼容的問(wèn)題,并具有第三方軟件接口，可支持多種語(yǔ)言編程(包括高

18、級(jí)語(yǔ)言),可允許用戶根據(jù)需求,靈活擴(kuò)展系統(tǒng)功能。 l 遵循國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IHEC6ll3l-3標(biāo)準(zhǔn)和IEC6149l標(biāo)準(zhǔn)。 l 能充分利用 PC機(jī)的資源，如大容量的內(nèi)存、高速CPU及其它硬件。 l 具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。 相對(duì)于傳統(tǒng)PLC，軟PLC的CPU處理速度更快，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，能夠利用PC機(jī)的軟件平臺(tái)處理一些比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)類型，如浮點(diǎn)數(shù)和字符串等。 l 具有友好的人機(jī)界面，便于操作。 l 具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。 軟PLC既可以與企業(yè)管理信息系統(tǒng)相連，便于企業(yè)的整合，也可以監(jiān)控工廠的設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及在線監(jiān)控、編輯、仿真、調(diào)試等功能。 l

19、 能夠執(zhí)行比較復(fù)雜的控制算法。軟PLC除了能夠完成傳統(tǒng)PLC的PID調(diào)節(jié)和離散I/O控制外，還能進(jìn)行過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制。 l 節(jié)約成本和培訓(xùn)費(fèi)用。 由于軟PLC具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，用戶不必拘泥于廠家限制，可以根據(jù)需求，合理選擇硬件和軟件，以節(jié)約成本；由于軟PLC遵循許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能節(jié)約人員培訓(xùn)費(fèi)用。3.2.3 PLC的選擇本設(shè)計(jì)使用德國(guó)KUKA公司生產(chǎn)的機(jī)器人，這種機(jī)器人集成了由KW-Software公司開(kāi)發(fā)的SoftPLC MULTIPR0G3.5，此軟件可用指令表、結(jié)構(gòu)化文本以及梯形圖、功能圖和順序功能圖。所有語(yǔ)言都可混合于一個(gè)項(xiàng)目中。機(jī)械順序功能圖表語(yǔ)言( MSFC)也可以使用。由于循環(huán)

20、運(yùn)行，因此它只需較短的試運(yùn)行期。擴(kuò)展的診斷功能只產(chǎn)生極少的停頓周期。而且，在自動(dòng)化模式下可以很容易操作。西門(mén)子的ET200是基于現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP或PROFINET的分布式I/O。它接收的數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸給PLC的CPU，CPU經(jīng)過(guò)處理后再把信號(hào)通過(guò)ET200的輸出輸送出去。由于機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的夾具，焊槍，轉(zhuǎn)臺(tái)等有許多控制信號(hào)，而且現(xiàn)場(chǎng)與控制柜距離較遠(yuǎn)，因此將這些信號(hào)連接至ET200,ET200作為從站與機(jī)器人主站之間通訊，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人SoftPLC對(duì)夾具等的控制。3.3 夾具系統(tǒng)本設(shè)計(jì)中共有兩套夾具，分別位于轉(zhuǎn)臺(tái)的A/B面，用于板件的定位。在轉(zhuǎn)臺(tái)的每一面都有兩個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)，

21、如果板件放置無(wú)誤，則接近開(kāi)關(guān)接通，夾具才可動(dòng)作。用氣缸作為夾具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣缸的動(dòng)作信號(hào)以及動(dòng)作所需的氣體都過(guò)閥島來(lái)控制。閥島作為機(jī)器人子站通過(guò)總線與ET200相連，從而實(shí)現(xiàn)SoftPLC對(duì)夾具的控制。 3.3.1 電感式接近開(kāi)關(guān)的工作原理如圖3.4所示，電感式接近開(kāi)關(guān)由三大部分組成：振蕩器、開(kāi)關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬板件接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬板件內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)，傳輸?shù)絇LC，作為夾具關(guān)閉的必要條件。此時(shí)，接近開(kāi)關(guān)的工作指示燈會(huì)點(diǎn)亮。如果指示燈沒(méi)有點(diǎn)亮，則說(shuō)明板件位置沒(méi)

22、有放好，夾具則不會(huì)關(guān)閉，否則會(huì)將板件壓變形。3.3.2 氣缸的工作原理如圖3.5所示，該氣缸為雙作用氣缸，其被分活塞為兩個(gè)腔室：有桿腔（簡(jiǎn)稱頭腔或前腔）和無(wú)桿腔（簡(jiǎn)稱尾腔或后腔）。有活塞桿的腔室成為有桿腔，無(wú)活塞桿的腔室稱為無(wú)桿腔7。當(dāng)PLC接收到夾具夾緊信號(hào)，通過(guò)總線傳輸?shù)介y島，閥島打開(kāi)相應(yīng)氣路，壓縮空氣從無(wú)桿腔端的進(jìn)氣口輸入，并在活塞左端面上的力克服了運(yùn)動(dòng)摩擦力，負(fù)載等反作用力，推進(jìn)活塞前進(jìn)，有桿腔內(nèi)的空氣經(jīng)該端排氣口排入大氣，使活塞伸出，從而帶動(dòng)夾具夾緊。當(dāng)活塞前進(jìn)到位時(shí)，接近開(kāi)關(guān)2感應(yīng)到活塞右邊的金屬面而接通，向閥島反饋夾具夾緊到位信號(hào)，閥島收到信號(hào)后，關(guān)閉相應(yīng)氣路。同樣，當(dāng)PLC接收

23、到夾具松開(kāi)信號(hào)時(shí)，壓縮空氣從有桿腔輸入，無(wú)桿腔氣體從排氣口排出，完成夾具松開(kāi)動(dòng)作。圖3.4 電感式接近開(kāi)關(guān)圖3.5 氣缸工作原理3.3.3 閥島的工作原理整個(gè)夾具系統(tǒng)共有2套夾具，每套4組，每組2個(gè)，總共用到16個(gè)氣缸。如果每個(gè)氣缸都通過(guò)分立的電磁閥來(lái)控制，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)大量信號(hào)，能量的管件和連線。當(dāng)這些管件和連線跟隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因泄露，堵塞，虛接或短路而引發(fā)的故障率就會(huì)較高，同時(shí)還給設(shè)備的管理和維護(hù)帶來(lái)不便。除此之外，在整個(gè)點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要經(jīng)過(guò)對(duì)所有分立元件的選型，驗(yàn)收，組裝，調(diào)試以及整機(jī)安裝等繁多費(fèi)時(shí)的步驟，必須投入大量的人力和費(fèi)用。這不僅是整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，制造周期延長(zhǎng)，而且常

24、常因?yàn)槿藶橐蛩爻霈F(xiàn)設(shè)計(jì)或制造錯(cuò)誤，從而延誤設(shè)備的投用日期甚至影響到設(shè)備的功能和質(zhì)量?；诖?，本設(shè)計(jì)中夾具系統(tǒng)中所用到的汽缸都是通過(guò)Profibus DP總線型閥島這一電氣一體化的控制元件來(lái)控制的7。帶現(xiàn)場(chǎng)總線的閥島有一個(gè)總線輸入口和一個(gè)總線輸出口，這樣當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)帶現(xiàn)場(chǎng)總線閥島或其他帶現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備時(shí)，可以由近至遠(yuǎn)串聯(lián)連接。這種閥島與外界的數(shù)據(jù)交換只需要通過(guò)一根兩股或四股的屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)。這大幅度節(jié)省了接線時(shí)間，而且由于連線的減少使設(shè)備所占的空間減小，設(shè)備維護(hù)更方便。如圖3.6所示為閥島與ET200總線通訊。圖3.6 閥島與ET200總線通訊3.4 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)為了減小系統(tǒng)的工作節(jié)拍，提高系統(tǒng)工作的

25、連貫性，本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)臺(tái)的方式將兩種不同的板件連續(xù)地送到機(jī)器人工位進(jìn)行焊接。3.4.1 電磁閥的工作原理轉(zhuǎn)臺(tái)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位時(shí)，需要用定位銷(xiāo)將轉(zhuǎn)臺(tái)固定住，機(jī)器人才能對(duì)板件進(jìn)行焊接。如果轉(zhuǎn)臺(tái)沒(méi)有固定，機(jī)器人在工作過(guò)程中會(huì)引起轉(zhuǎn)臺(tái)的偏位，導(dǎo)致焊點(diǎn)不在設(shè)計(jì)的位置，造成板件的報(bào)廢。本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)臺(tái)用到兩個(gè)定位銷(xiāo)，正轉(zhuǎn)到位和反轉(zhuǎn)到位各一個(gè)。通過(guò)控制電磁閥的通斷帶動(dòng)氣缸的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)定位銷(xiāo)的上升與下降。本設(shè)計(jì)中用的電磁閥是單電控直動(dòng)式電磁閥7，既利用電磁力直接推動(dòng)閥桿（閥芯）換向，其工作原理如圖3.7所示。圖(a)所示電磁線圈未通電時(shí)，P、A斷開(kāi)，閥沒(méi)有輸出。圖(b)所示電磁線圈通電時(shí)，電磁鐵推動(dòng)閥芯向下移動(dòng)

26、，使P、A接通，閥有輸出。 (a) 線圈斷電時(shí)的狀態(tài)(b) 線圈通電時(shí)的狀態(tài)圖3.7 單電控直動(dòng)式電磁閥工作原理1電磁鐵 2閥芯 3彈簧3.4.2 變頻器控制電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)是通過(guò)變頻器來(lái)控制的。電機(jī)設(shè)有兩種轉(zhuǎn)速，即低速和高速。當(dāng)系統(tǒng)在手動(dòng)模式時(shí)，出于安全考慮，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電機(jī)始終處于低速狀態(tài)；而在自動(dòng)模式下，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)之后就處于高速狀態(tài)，直到減速位的接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到信號(hào)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)為低速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)停止位接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到信號(hào)，電機(jī)則停止。在這種情況下，低速運(yùn)動(dòng)作為轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)由高速狀態(tài)到停止?fàn)顟B(tài)的一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。圖3.8所示為變頻器控制電路。圖3.8 變頻器控制電路3.4.3 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的電路設(shè)

27、計(jì)位于轉(zhuǎn)臺(tái)的兩側(cè)上設(shè)有兩對(duì)電感式接近開(kāi)關(guān)，分別為正轉(zhuǎn)減速位，正轉(zhuǎn)停止位，反轉(zhuǎn)減速位和反轉(zhuǎn)停止位。另外在轉(zhuǎn)臺(tái)兩側(cè)還設(shè)了超程保護(hù)，以便在停止位接近開(kāi)關(guān)故障時(shí)，電機(jī)能停下來(lái)，防止發(fā)生碰撞。在轉(zhuǎn)臺(tái)上還設(shè)有制動(dòng)器，用于在緊急狀況下，電機(jī)能夠抱閘停止。圖3.9所示為轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的電路原理圖。(a) 轉(zhuǎn)臺(tái)定位 (b)轉(zhuǎn)臺(tái)減速(c) 轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)圖3.9 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的電路原理3.5 焊接系統(tǒng)3.5.1 焊槍的工作原理本設(shè)計(jì)中使用的焊鉗為氣動(dòng)焊鉗，如圖3.10所示。通過(guò)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)焊鉗的閉合與打開(kāi)。該焊鉗共有三種動(dòng)作，既大開(kāi)，小開(kāi)和閉合。焊鉗動(dòng)作過(guò)程及相應(yīng)動(dòng)作功能如表3.1所示。圖3.11為焊鉗的控制電路。表3.1 焊鉗動(dòng)

28、作過(guò)程及相應(yīng)動(dòng)作功能焊鉗動(dòng)作過(guò)程動(dòng)作的功能大開(kāi)小開(kāi)避開(kāi)障礙之后，到達(dá)焊點(diǎn)位置小開(kāi)閉合開(kāi)始打點(diǎn)閉合小開(kāi)打點(diǎn)結(jié)束小開(kāi)大開(kāi)避開(kāi)障礙，前往下一焊點(diǎn)位置圖3.10 C型氣動(dòng)焊鉗圖3.11 焊鉗控制電路3.5.2 修磨器焊鉗在焊接一段時(shí)間之后電極頭表面會(huì)氧化磨損，這是需要將其修磨之后才能繼續(xù)使用9。本設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)節(jié)拍，為點(diǎn)焊機(jī)器人配備了一臺(tái)自動(dòng)電極修磨器，實(shí)現(xiàn)電極頭工作面氧化磨損后的修銼過(guò)程自動(dòng)化，同時(shí)也避免了人員頻繁進(jìn)入生產(chǎn)線帶來(lái)的安全隱患。電極修磨機(jī)由機(jī)器人的內(nèi)置SfotPLC控制，示教專門(mén)的電極修銼程序來(lái)完成電極修銼。修磨器控制電路如圖3.11所示。圖3.11 修磨器控制

29、電路4 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式即自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，因此軟件設(shè)計(jì)也分為自動(dòng)模式下的軟件設(shè)計(jì)和手動(dòng)模式下的軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)工人進(jìn)行示教程序調(diào)試（包括焊點(diǎn)及相應(yīng)軌跡的示教和修磨的示教），或進(jìn)行故障處理時(shí)，選擇手動(dòng)狀態(tài)，可以通過(guò)主控制柜上的各種按鈕來(lái)對(duì)夾具，轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行操作。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試完畢，能夠批量生產(chǎn)時(shí)，選擇自動(dòng)狀態(tài)，讓機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)自動(dòng)完成夾具的打開(kāi)與夾緊，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人的點(diǎn)焊以及修磨器修磨。在主控制柜上有手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，A/B面選擇開(kāi)關(guān)，四個(gè)夾具打開(kāi)按鈕，四個(gè)夾具夾緊按鈕，定位銷(xiāo)上升按鈕，定位銷(xiāo)下降按鈕，轉(zhuǎn)臺(tái)正轉(zhuǎn)按鈕，轉(zhuǎn)臺(tái)反轉(zhuǎn)按鈕，急停按鈕，故障

30、復(fù)位按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕。4.1機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制軟件的依據(jù)是該系統(tǒng)的工藝。因此，確定本設(shè)計(jì)中機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的工藝對(duì)于本章的軟件設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。圖4.1示意了機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的布局。根據(jù)這種布局，確定本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)工藝如下：假設(shè)初始時(shí)工作臺(tái)A面位于工件取放區(qū)，而工作臺(tái)B面位于機(jī)器人工位，而且機(jī)器人在原點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)上電，A面夾具打開(kāi)，工人放入工件后，夾具關(guān)閉，定位銷(xiāo)1下降，轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始正轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)到位時(shí)，定位銷(xiāo)2上升，固定轉(zhuǎn)臺(tái)，之后機(jī)器人開(kāi)始對(duì)A面板件進(jìn)行焊接。與此同時(shí)，工作臺(tái)B面夾具應(yīng)該打開(kāi)，工人取出板件，并且放入新件，之后B面夾具關(guān)閉，這些動(dòng)作必須在機(jī)器人完成對(duì)

31、A面的點(diǎn)焊任務(wù)之前完成。當(dāng)機(jī)器人完成對(duì)A面的點(diǎn)焊任務(wù)，回到原點(diǎn)之后，發(fā)出工作完成信號(hào)，此時(shí)，定位銷(xiāo)2下降，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)到位后定位銷(xiāo)1上升，機(jī)器人開(kāi)始對(duì)B面板件進(jìn)行焊接。如此循環(huán)下去，直到有中斷打破循環(huán)。圖4.1 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安裝示意圖4.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的程序，一定要有一個(gè)程序總流程圖，以便反映各個(gè)程序子模塊間的內(nèi)在聯(lián)系，表達(dá)各個(gè)子模塊的功能。4.2.1 手動(dòng)模式軟件總體設(shè)計(jì)手動(dòng)模式軟件總體流程圖如圖4.3所示。圖4.3 手動(dòng)模式軟件總體設(shè)計(jì)流程圖4.2.2 自動(dòng)模式軟件總體設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)軟件任務(wù)的分析，得到自動(dòng)模式軟件總體流程圖如圖4.4所示。圖4.4 自動(dòng)模式軟

32、件總體流程圖4.3 夾具系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.3.1 夾具系統(tǒng)手動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)若夾具現(xiàn)狀為打開(kāi)，在放入板件之后需要將夾具關(guān)閉。夾具能夠關(guān)閉的必要條件是用于板件定位的兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)工作指示必須點(diǎn)亮，這說(shuō)明接近開(kāi)關(guān)已經(jīng)感應(yīng)到板件，板件放置無(wú)誤，按下夾具關(guān)閉按鈕之后，夾具夾緊，絕不會(huì)造成板件變形。如果至少有一個(gè)接近開(kāi)關(guān)沒(méi)有工作，按夾具關(guān)閉按鈕則無(wú)效。此時(shí)應(yīng)該檢查板件是否放置正確，或接近開(kāi)關(guān)信號(hào)線是否接觸良好。手動(dòng)模式夾具關(guān)閉流程圖如圖4.5所示。若夾具現(xiàn)狀為關(guān)閉，現(xiàn)需要將夾具打開(kāi)，取出板件。夾具能打開(kāi)的必要條件是轉(zhuǎn)臺(tái)必須到位，定位銷(xiāo)上升。以防轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，誤操作將夾具打開(kāi)，出現(xiàn)安全事故。手動(dòng)模式夾具打開(kāi)流

33、程圖如圖4.6所示。圖4.5 手動(dòng)模式夾具關(guān)閉流程圖圖4.6 手動(dòng)模式夾具打開(kāi)流程圖圖4.7 自動(dòng)模式夾具動(dòng)作流程圖4.3.2 夾具系統(tǒng)自動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)在自動(dòng)模式下，無(wú)需手動(dòng)按夾具打開(kāi)、關(guān)閉按鈕，只要按照工藝流程，夾具打開(kāi)、關(guān)閉的條件滿足了，系統(tǒng)自動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作。圖4.7為自動(dòng)模式夾具動(dòng)作流程圖。4.4 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.4.1 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)手動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)通過(guò)機(jī)器人的教示器設(shè)定機(jī)器人初始位置也是機(jī)器人工作完成之后回到的位置為機(jī)器人原點(diǎn)（安全點(diǎn)），既機(jī)器人停在這點(diǎn)能確保轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)因撞到機(jī)器人而損壞設(shè)備。手動(dòng)模式下，按轉(zhuǎn)臺(tái)正轉(zhuǎn)按鈕或轉(zhuǎn)臺(tái)反轉(zhuǎn)按鈕可以啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)只有在定位銷(xiāo)處于下降狀態(tài)

34、才能啟動(dòng)，而定位銷(xiāo)下降的前提是機(jī)器人必須在原點(diǎn)。如果機(jī)器人不在原點(diǎn)，按定位銷(xiāo)下降按鈕是無(wú)效的。轉(zhuǎn)臺(tái)到位后，按下定位銷(xiāo)上升按鈕，將轉(zhuǎn)臺(tái)定位。圖4.8為手動(dòng)模式轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作流程圖。4.4.2 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)在自動(dòng)模式下，按照工藝流程，只要轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)的條件成立了，轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)。圖4.9所示為自動(dòng)模式下轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作流程圖 圖4.8 手動(dòng)模式轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作流程圖 圖4.9 自動(dòng)模式轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作流程圖結(jié) 論在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)在硬件方面主要設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)模塊：1) 安全保護(hù)系統(tǒng)；2) 夾具系統(tǒng)；3) 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)；4) 焊接系統(tǒng)；在軟件方面主要完成以下幾個(gè)程序模塊：1) 夾具系統(tǒng)手動(dòng)模式的程序設(shè)計(jì)；2) 夾具系統(tǒng)自動(dòng)模式的程序設(shè)計(jì)；3) 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)手動(dòng)模式的程序設(shè)計(jì)；4) 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)手動(dòng)模式的程序設(shè)計(jì)；本論文是在對(duì)“電器與可編程控制器”課