《基于西門子PLC的一種高空作業(yè)吊籃焊接工裝控制系統(tǒng)設(shè)計》13000字

第一章緒論1.1研究背景及意義伴隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，各式各樣的高層建筑在我們身邊隨處可見，外墻涂料、裝飾裝修、物業(yè)管理清洗等高空作業(yè)所需要的吊籃已被廣大用戶使用，傳統(tǒng)的用腳手架和大繩高空作業(yè)已被吊籃所代替，節(jié)約時間、節(jié)省費用并且移動方便安全，大大降低工人的勞動強(qiáng)度。如今機(jī)械制造業(yè)發(fā)展極好，焊接技術(shù)的水平也隨著提高了很多。其在各類產(chǎn)品的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，合理的設(shè)計工裝夾具對提高工作效率和產(chǎn)品的合格率有特別重要的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，國外在焊接工裝的研究方面處于世界領(lǐng)先水平。他們已經(jīng)在住宅建筑、橋梁、救援等諸多領(lǐng)域設(shè)計研究出吊籃工裝夾具。國內(nèi)在焊接工裝的研究方面發(fā)展迅猛。目前，我國對于吊籃焊接工裝的要求越來越高，確保焊接工藝、保證焊接精度、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的等方面都被考慮進(jìn)吊籃焊接工裝的設(shè)計當(dāng)中。吊籃無論是在高層建筑救援現(xiàn)場還是在救援現(xiàn)場都表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，這不僅對工作人員的安全有很大的保護(hù)作用，而且對提高工作效率效果顯著。因此吊籃焊接工裝夾具的設(shè)計也顯得尤為重要。1.3應(yīng)用價值及應(yīng)用前景應(yīng)用焊接夾具，不僅可以極大的提高產(chǎn)品的合格率，而且大大提高了產(chǎn)品的精度和使用壽命。與此同時也是對勞動力的一種解脫，相關(guān)工作人員的生命安全就得到了保障。另外，使用焊接夾具，可以節(jié)約產(chǎn)品生產(chǎn)資金的投入，使企業(yè)在行業(yè)發(fā)展中獲得更好的收益[1]。焊接機(jī)器人在機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)過程中的應(yīng)用是特別重要的，焊接機(jī)器人的應(yīng)用使人工的高強(qiáng)度焊接作業(yè)大大降低，有力地促進(jìn)了焊接技術(shù)的快速發(fā)展。因此，吊籃工裝夾具的合理設(shè)計對于實現(xiàn)自動化焊接和提高生產(chǎn)效率有重大意義。

第2章整體方案設(shè)計2.1焊接工裝項目整體設(shè)計思路本項目主要是對吊籃焊接項目的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計其次是對其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，本設(shè)計對吊籃焊接的工裝夾具和變位機(jī)以及焊接機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計時，是根據(jù)產(chǎn)品選擇合適的焊接機(jī)器人，然后依據(jù)吊籃的尺寸和外形對工裝夾具進(jìn)行設(shè)計，然后根據(jù)要求選擇合適的變位來實現(xiàn)工裝夾具翻轉(zhuǎn)。夾具主要是來完成吊籃零部件定位和夾緊的，最后通過外部控制臺來實現(xiàn)變位機(jī)翻轉(zhuǎn)和焊接機(jī)器人的焊接工作，完成整個吊籃焊接的工作任務(wù)。為了確保整個系統(tǒng)在運行中不出現(xiàn)問題，本設(shè)計對整個系統(tǒng)做出如下的要求：（1）電氣設(shè)備足夠安全，各接線緊固無脫落現(xiàn)象，各指示燈按對應(yīng)工作狀態(tài)顯示，控制系統(tǒng)正常運行。（2）吊籃各部件定位精準(zhǔn)且夾緊牢固，夾具無破損、變形等現(xiàn)象。（3）外觀質(zhì)量：a.工作平臺平整、無凹陷、銹蝕等問題;b.各設(shè)備外觀涂漆或噴塑堅固，不應(yīng)有劃傷、破損及其他外觀損傷的問題。2.2焊接工裝項目整體設(shè)計整個系統(tǒng)分為：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)分為：（1）變位機(jī)構(gòu)（H形翻轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)本體、變位機(jī)控制柜）（2）工裝夾具機(jī)構(gòu)（氣動、電控、機(jī)械工裝夾具）（3）焊接機(jī)構(gòu)（6軸機(jī)器人本體、焊機(jī)電源、焊炬、送絲機(jī)、焊絲、機(jī)器人控制柜、示教器、穩(wěn)壓器、機(jī)器人通訊線）（4）安全系統(tǒng)（安全柵欄、報警系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)）控制系統(tǒng)分為：（1）人機(jī)交互系統(tǒng)（西門子觸摸屏、外部控制按鈕臺）（2）系統(tǒng)控制柜（西門子PLC、跟蹤模塊、防碰撞模塊、氣體過濾控制模塊、380V電源、220V電源、24V電源、控制柜專用空調(diào)）本設(shè)計中焊接為了更好的配合變位機(jī)，所以焊接機(jī)器人采用座裝的方式進(jìn)行安裝。將機(jī)器人穩(wěn)壓器和機(jī)器人控制柜全部放入系統(tǒng)控制柜中，使用系統(tǒng)控制柜提供的電源為穩(wěn)壓器和機(jī)器人供電（使其受空調(diào)作用，防止溫度過高）。機(jī)器人應(yīng)與變位機(jī)的安裝位置要合理配合，變位機(jī)應(yīng)在機(jī)器人工作范圍內(nèi)；工裝夾具采用氣動手動一體夾具，通過PLC的電信號對電磁閥夾緊松開進(jìn)行控制，工裝夾具安裝在變位機(jī)的工位上。焊機(jī)和變位機(jī)控制柜擺放在系統(tǒng)控制柜旁邊，方便操作，系統(tǒng)控制柜為其提供電源。西門子觸摸屏安裝在系統(tǒng)控制柜的柜子門上，方便使用和查看系統(tǒng)信息，外部控制臺采用遠(yuǎn)程遙控操作，省去了繁瑣的線路傳輸，并且可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況隨意擺放位置。系統(tǒng)控制柜中含有一整套報警系統(tǒng)，其中包括本項目的各個設(shè)備部分，報警信息可以通過顯示屏直觀地顯示出來，并且當(dāng)出現(xiàn)報警時還會伴有蜂鳴器報警和報警燈顏色變化（由綠色變?yōu)榧t色）。焊槍上有防碰撞模塊，發(fā)生碰撞之后，所有設(shè)備會立即停止，防止發(fā)生更為嚴(yán)重的事故。跟蹤控制模塊會依據(jù)工件表面形狀，自動調(diào)整焊槍與工件之間的距離，使其完成更好的焊接。并且在本項目設(shè)備外圍適當(dāng)距離安裝安全柵欄，防止工作期間有人誤進(jìn)發(fā)生事故。滿足人的使用安全且方便的設(shè)計。2.2.1焊接工裝項目機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)分為：變位、夾具機(jī)構(gòu)。吊籃焊接原理圖如圖2.1所示圖2.1吊籃焊接原理圖圖2.1吊籃焊接原理圖

2.2.2焊接工裝項目控制系統(tǒng)設(shè)計吊籃焊接工裝設(shè)計需要滿足焊接工作中半自動化或盡可能多自動化。在工裝夾具中的自動控制部分主要使用氣動控制，氣動元件更容易進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制，從而氣動系統(tǒng)在許多自動化生產(chǎn)中被廣泛使用。在焊接過程中，旋轉(zhuǎn)是由電動機(jī)來實現(xiàn)的，它具有操作比電動機(jī)控制簡單的優(yōu)點，因此可以大大減少輔助機(jī)構(gòu)的設(shè)計（與電機(jī)控制控制相比）。此外，焊接速度由軸上的電機(jī)來調(diào)節(jié)，整個機(jī)電配合的整體作業(yè)過程如下：（1）接通電源,電機(jī)復(fù)位.（2）按下“工作”按鈕,電機(jī)正轉(zhuǎn),焊接完成后再次旋轉(zhuǎn)。（5）然后根據(jù)設(shè)定的電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來裝配，可以焊接不同的部位。（6）電機(jī)停止完成焊接任務(wù)。本設(shè)計中的變位機(jī)、焊接機(jī)器人和工裝夾具及安全系統(tǒng)主要是通過PLC來實現(xiàn)控制。本設(shè)計通過局域網(wǎng)實現(xiàn)電腦和PLC的連接將程序傳輸?shù)絇LC中，然后可以準(zhǔn)備焊接工作。將吊籃的各部件安裝到夾具體上通過PLC控制夾具夾緊，當(dāng)夾緊完畢后有信號反饋，通過PLC控制變位機(jī)進(jìn)行翻裝及焊接機(jī)器人檢測焊縫進(jìn)行焊接任務(wù)。在焊接工作期間變位機(jī)和焊接機(jī)器人通過PLC控制相互配合，變位機(jī)通過翻裝變動位置，焊接機(jī)器人不斷改變工作軌跡，相互配合著完成焊接工作。同時，可以根據(jù)工裝后的吊籃來調(diào)用程序，人機(jī)交互界面有著信息的傳輸和顯示控制系統(tǒng)。如圖2.2所示。圖圖2.2控制系統(tǒng)框圖焊接機(jī)器人工裝夾具安全系統(tǒng)變位機(jī)人機(jī)交互界面PLC

第3章焊接工裝硬件設(shè)計3.1吊籃變形分析3.1.1變形分析（1）主臂上拱度F：主臂上的上拱度不能超過S/10，雙臂橋架主臂跨中上拱度為(0.9~1.4)S。應(yīng)該在溫度適宜的情況下用標(biāo)桿尺和經(jīng)緯儀測量上拱度。（S為主臂跨度）（2）用鋼直尺、等高塊等工具測量主臂水平旁彎F1，彎值應(yīng)小于或等于0.5S‰且當(dāng)S小于或等于19.5m時，旁彎值小于或等于5mm；當(dāng)S大于19.5m時，旁彎值應(yīng)小于或等于8mm。（3）使用鋼直尺和線錘測量主臂腹板的垂直度h小于或等于H/200（H為腹板垂直高度），在大筋板處測量。3.1.2工藝分析（1）觀察臂斷面，在中心軸線的左右其形狀和焊縫分布區(qū)別不大，因此焊接后一般就不會出現(xiàn)旁彎。（2）在角縫焊接中會產(chǎn)生波浪變形，主要是因為腹板中間部位會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，與筋板接連出的角焊縫會出現(xiàn)角變形，隨之波浪變形也就出現(xiàn)了。3.2吊籃焊接變形的控制3.2.1組焊順序（1）分別定位夾緊各蓋板和腹板。各個板件間定位夾緊后形成的焊縫應(yīng)該錯開200mm以上，并且在長度的這個方向上要預(yù)留出焊接的收縮余量。為保證前面提到的上撓度，也應(yīng)該提前留出上撓度，腹板跨中預(yù)制上拱度為跨度的1.6‰，上撓度應(yīng)該為圓滑的拋物線形態(tài)。用高溫加熱來得到上饒度不可取，加熱后會產(chǎn)生比較大的殘余應(yīng)力，因為在工作過程中，應(yīng)力松弛、下降，上撓也會消失。（2）在組焊吊籃各部件時，焊接的順序應(yīng)該是由內(nèi)而外施焊來獲得所需要的旁彎。這種裝焊方式，使可能造成下?lián)系牟考暮缚p先行施焊，從而焊接變形存在極少，而不會產(chǎn)生撓曲。3.3焊接機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計3.3.1焊接機(jī)器人的選型按著吊籃焊接項目的需求，為了更好地配合變位機(jī)進(jìn)行焊接，綜合焊接實際情況。此項目選用川崎品牌型號為RS020N的焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接工作。此焊接機(jī)器人應(yīng)采用座裝的方式進(jìn)行安裝。此機(jī)器人為實用的6軸焊接機(jī)器人，并且此機(jī)器人具有一定的負(fù)載能力，因為機(jī)器人手臂前端需要安裝焊槍。并且在焊接機(jī)器人的前端有傳感器，此傳感器主要是識別焊縫使機(jī)器人有更精確的運動軌跡。此傳感器對吊籃的焊接精度起著決定性作用。此焊接機(jī)器人通過對垂直關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，前端6軸的有效負(fù)荷為20公斤，手臂1.8米，設(shè)計精細(xì)，安裝便捷且靈活，使用總線結(jié)構(gòu)便于應(yīng)用的擴(kuò)展，定位中精度高，可應(yīng)用于切割、焊接、碼垛、運輸、裝卸等領(lǐng)域。此款機(jī)器人可以很好地滿足本項目的焊接需求，此款機(jī)器人的性能指標(biāo)參數(shù)如下表3.1：表3.1性能指標(biāo)參數(shù)結(jié)構(gòu)垂直多關(guān)節(jié)形（6自由度）單軸最大動作范圍軸1(回旋)340°軸2（上臂）260°軸3（下臂）283°軸4（手腕回旋）400°軸5（手腕擺動）280°軸6（手腕回轉(zhuǎn)）540°單軸最大運動速度軸1195°/s軸2175°/s軸3180°/s軸4360°/s軸5360°/s軸6550°/s外側(cè)最大工作半徑1811mm內(nèi)側(cè)最小工作半徑317mm重復(fù)定位精度±0.08mm負(fù)載質(zhì)量軸6最大載荷20kg重量250kg安裝方式直立/懸掛3.3.2焊接機(jī)器人基座的設(shè)計焊接機(jī)器人選型完成后，根據(jù)設(shè)計需求需要設(shè)計一個基座，此基座主要是為了提高焊接機(jī)器人本體的穩(wěn)定性，來進(jìn)一步提高焊接精度。同時還便于后期位置改變。1、基座材料的選擇因為碳素鋼相比于其他材料有很好的韌性，抗沖壓能力強(qiáng)，在機(jī)械設(shè)備制造行業(yè)廣泛應(yīng)用，普遍作為墊板、角鋼等使用，因此選取Q235A作為焊接機(jī)基座的材料。2、基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計基座有支撐各個零部件和使各部件準(zhǔn)確連接起來的作用，最重要的是確保焊接過程的穩(wěn)定性和流暢性。基座各部件通過螺栓進(jìn)行固定和連接，固定驅(qū)動軸和從動軸。3.3.3焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計除了一體化示教外，可以用AS語言來示教編程的特用I/0信號。通過使用此種方式，特用I/O信號有更大的應(yīng)用范圍并有多種使用方法。下表3.2的指令用來控制通用I/0信號。表3.2指令功能指令功能輸出信號控制SIGNAL開/關(guān)通用輸出信號(逐個)BITS開/關(guān)通用輸出信號(成組)RESET關(guān)斷通用輸出信號(作用于所有信號)RUNMASK控制機(jī)器人停止時的通用輸出信號PULSE脈沖輸出通用輸出信號DLYSIG延遲輸出通用輸出信號輸入信號控制SWAIT等待到通用輸入信號的條件滿足為止SIG()判斷通用輸入信號的條件是否滿足BITS()按指定的參數(shù)，讀取通用輸入信號ON/ONI一旦收到通用輸入信號，中斷程序執(zhí)行3.4焊接系統(tǒng)設(shè)計3.4.1焊接分類自動化焊接有助于提高裝配焊接的質(zhì)量，并能提高焊接的工作效率。其不僅有本體焊機(jī)還有電源和控制箱等輔助設(shè)備。焊接機(jī)械裝備中的焊接工裝夾具是各類夾具，焊接變位機(jī)械是各種翻轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，焊件輸送機(jī)械是各零部件所用的上下料機(jī)構(gòu)，其他從屬裝置包括電源和具有清潔功能的等設(shè)備在此焊接項目中采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接，焊接系統(tǒng)主要是由電源、清槍站、焊炬、送絲機(jī)、送絲管、焊絲等組成。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接有焊縫質(zhì)量高、熔深比大、變形小、焊點無污染等多種優(yōu)點。焊接電源要與機(jī)器人控制柜進(jìn)行通信，這樣才能受機(jī)器人控制，需要使用通訊線來進(jìn)行信號的傳輸。通訊插頭要連接24V電源、GND，以及起弧、收弧、電壓、電流指令、保護(hù)氣體電磁閥、送絲機(jī)電源等信號。3.4.2焊接電源綜合實際焊接考慮，本項目采用麥格米特全數(shù)字IGBT逆變焊接電源,高速焊接電路控制,電弧更加穩(wěn)定，飛濺更低，更適合高速焊接。本焊機(jī)的工作參數(shù)如下表3.3：表3.3麥格米特全數(shù)字IGBT逆變焊接電源工作參數(shù)額定電壓/頻率三相無中線，380V50Hz允許電壓工作范圍電壓285V~475V電壓失衡率<土5%頻率30~80Hz輸入靜態(tài)耐壓線電壓520VAC不損壞輸入功率因數(shù)(額定狀態(tài))0.93額定空載電壓71v氣保焊額定輸出電流/電壓50A/16.5V~500A/39v輸出額定負(fù)載持續(xù)率環(huán)境溫度40℃時500A100%額定輸出電壓變化率<士5%(冷熱態(tài)以及輸入電壓土10%波動該焊接電源有豐富的焊接數(shù)據(jù)庫，可完成碳鋼、鍍鋅板、鋁合金等材料的焊接工作，在社會中各個領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。采用數(shù)字編碼器反饋，送絲力強(qiáng)勁,抗干擾能力強(qiáng)，送絲精確。操作簡單方便，采用一元化調(diào)節(jié)，操作簡單，全數(shù)字高速逆變控制，快速調(diào)節(jié)電弧電壓，焊接過程在較大的電弧電壓下穩(wěn)定，且能適應(yīng)不同的焊接，便可以很好的完成本焊接項目的工作。3.4.3清槍站清槍站簡單的說就是焊接清槍器，是眾多輔助設(shè)備中不可缺少的一個設(shè)備。清槍站主要有剪絲、清理飛濺、噴射防飛濺油三個動作，同時還有保護(hù)焊槍噴管、導(dǎo)電嘴的功能。此項目采用感應(yīng)式全自動反饋控制，清槍站獨立于機(jī)器人工作并且簡單便于調(diào)試，清槍站的安裝位置的要求低并且特別容易與焊槍配合，在工作時噴嘴只需要進(jìn)行一次調(diào)節(jié)，極大的簡化了工作程序，提高了工作效率。清槍站主要有以下作用：（1）清槍站的主要作用就是清潔機(jī)器人焊接中產(chǎn)生的飛濺雜物，避免造成堵塞，提高焊接質(zhì)量。（2）清除工作過程中產(chǎn)生的灰塵；（3）清槍站的自動清洗可以減少工作人員的工作量并保證其人身安全；（4）清槍站比人工清理更快捷、更準(zhǔn)時，可以提高工作效率并且降低生產(chǎn)成本；3.5變位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計焊接變位機(jī)是焊接工裝系統(tǒng)中必不可少的一部分，變位機(jī)的選擇和設(shè)計直接關(guān)系著焊接工作完成與否，只有選擇的變位機(jī)并做出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后將變位機(jī)與機(jī)器人建立聯(lián)系，才能更好的完成焊接工作。3.5.1變位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計對變位機(jī)提出的要求是:（1）焊接機(jī)器人在焊接過程中吊籃的各個部件間避免相互遮擋，影響焊接正常進(jìn)行；（2）焊接機(jī)器人焊接軌跡能與各部件間的焊縫一直，保證焊接的質(zhì)量;（3）工件裝卸要便捷、保證人員工作中的安全;根據(jù)以上要求本設(shè)計選用了H形翻轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)，此變位機(jī)主要由變位機(jī)本體、安裝夾具的底座和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及內(nèi)部的電氣部分組成。如圖3.1所示。圖3.1圖3.1焊接變位機(jī)變位機(jī)底座有足夠的強(qiáng)度和強(qiáng)度來支撐翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將工件的任意焊縫調(diào)到正確位置進(jìn)行焊接，使其在最適合的作業(yè)高度上安裝工件，提高工作效率同時確保焊接的質(zhì)量和安全。3.5.2變位機(jī)控制設(shè)計此項目變位機(jī)與機(jī)器人要實現(xiàn)信號傳輸，所以要利用PLC來進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換和傳輸，變位機(jī)的控制系統(tǒng)選用西門子smart-200PLC作為變位機(jī)的控制器。此項目要實現(xiàn)盡可能自動化焊接，如此焊接機(jī)器人需要和我們的系統(tǒng)控制柜進(jìn)行通訊，需要將指令輸入到系統(tǒng)控制柜的PLC中，然后經(jīng)過PLC進(jìn)行輸出，來實現(xiàn)焊接機(jī)器人的控制。當(dāng)上件完畢之后，點擊控制臺上的夾緊按鈕，PLC接收到信號后，便會有匹配的信號輸出，來驅(qū)動電磁閥使變位機(jī)上的夾具夾緊工件。通過PLC的邏輯控制，如果不點擊夾緊按鈕，變位機(jī)是不會進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的，同理變位機(jī)翻轉(zhuǎn)完畢的信號無法傳輸?shù)綑C(jī)器人，所以也不會執(zhí)行焊接的程序。這樣可以防止在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)操作失誤，導(dǎo)致焊接工作中出現(xiàn)事故，發(fā)生危險。夾緊工件之后便旋轉(zhuǎn)到焊接角度（示教編程時已經(jīng)確定好角度），此時PLC便會發(fā)出指令控制焊接機(jī)器人移動到對應(yīng)工位，機(jī)器人便執(zhí)行程序，進(jìn)行焊接。如果變位機(jī)沒有夾緊工件或者沒有翻轉(zhuǎn)到焊接位置，機(jī)器人是不會進(jìn)行動作的，當(dāng)機(jī)器人抵達(dá)焊接位置之后，外部控制信號會收到機(jī)器人輸出的開始焊接指令，控制焊接電源輸出電流電壓，打開跟蹤，送絲機(jī)進(jìn)行送絲，保護(hù)氣體也會相應(yīng)打開。3.6工裝夾具系統(tǒng)設(shè)計焊接工裝夾具主要是把焊接零部件進(jìn)行定位和夾緊完成裝配任務(wù)，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接的設(shè)備。在焊接工作中分別有裝配和焊接兩個步驟，因為這兩個過程便有了兩種操作順序，一個是先裝配后焊接；另一個是邊裝配邊焊接。焊接夾具的特點與裝配和焊接的方式有關(guān)，主要有如下特點：（1）大部分焊接工作都是對各個零部件進(jìn)行焊接，焊接工作都是在一定的操作工序下進(jìn)行的，因此在裝配中定位和夾緊可以一步到位，也可以分部進(jìn)行。（2）焊接工序中因為高溫會有熱脹冷縮造成工件伸展或縮短，因此做了用工裝夾具施加剛性加固或反向變形的措施來減輕變形。同時為了減少焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力帶來的影響，個別零件需要向某個方向自由的變形。因此，焊接工裝對零件并不是全部進(jìn)行剛性緊固。（3）焊接工裝夾具在完成焊接后工件尺寸和重量有所增加，在夾具上卸載的難度較大。在焊接工作中，焊接件種類多，產(chǎn)品要求不同，所以焊接工裝也需要進(jìn)行不斷的調(diào)整。為了焊接快速高效、安全可靠、高質(zhì)量的完成所以需要提前對焊接工裝進(jìn)行歸類并選擇出合適的焊接工裝方式。自動化焊接裝夾工裝設(shè)計制作時，要在滿足安全性、實用性等各項要求的前提下進(jìn)行合理設(shè)計。工裝基體主要由底板、支撐裝置、定位裝置和夾緊裝置等構(gòu)成，如圖3.2所示。各部分之間的相互建立連接，利用螺栓、銷等定位。支撐、定位、夾緊裝置根據(jù)焊接工件的形狀及尺寸進(jìn)行結(jié)合定位。圖3.2工裝夾具圖3.2工裝夾具工裝夾具的組成主要是安裝在變位機(jī)工作臺上的工裝基體和工裝基體上的支撐裝置以及在支撐裝置上的定位裝置和夾緊裝置。在對支撐、定位、夾緊等裝置進(jìn)行設(shè)計時，要裝配和焊接作業(yè)可正常進(jìn)行情況下，依據(jù)需要生產(chǎn)的產(chǎn)品最大或最小規(guī)格進(jìn)行設(shè)計并且可以進(jìn)行簡單的調(diào)整，還要在一定范圍內(nèi)可以有尺寸的改變[8]。3.6.1定位及夾緊裝置設(shè)計設(shè)計定位夾緊裝置就要考慮到工件的自由度，在空間坐標(biāo)系下x、y、z三個軸來考慮自由度，三個方向上分別有一個自由度，在每個方向上都有一個圍繞自身旋轉(zhuǎn)的自由度，因此總共有六個自由度。在設(shè)計定位夾緊裝置時就需要限制這六個自由度來保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。定位裝置設(shè)計制作：吊籃定位設(shè)計可以用各種定位銷和U形定位壓緊機(jī)構(gòu)及壓緊限位擋塊來完成定位和夾緊的設(shè)計要求。U形定位夾緊機(jī)構(gòu)如圖3.3所示。此機(jī)構(gòu)經(jīng)常用于方形工件的定位支撐，U形塊的U形槽直接與方形工件接觸來完成定位和夾緊。圖3.3圖3.3U形定位夾緊機(jī)構(gòu)定位有定位銷和定位面兩種，圓形和菱形定位銷分別起到定位基準(zhǔn)和防止工件旋轉(zhuǎn)的作用;定位面一般為支撐面，支撐面有相應(yīng)得夾緊裝置進(jìn)行固定，使焊接產(chǎn)品在焊接過程中不會移動。其中吊籃的定位裝置與夾緊裝置設(shè)計為一體。夾緊位置必須靠近焊接部位且可以進(jìn)行支撐。在裝配工裝中，工件在沒有支撐的情況下是不能完成夾緊的，當(dāng)工件在工裝夾具上沒有合適的支撐位置時而且需要進(jìn)行夾緊就使用限位擋塊完成夾緊要求。就可以避免由夾緊引起的部件變形，影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。壓緊裝置用機(jī)械螺絲的方式。吊籃夾緊裝置主要采用自動夾緊氣缸，U形支撐。夾緊裝置與定位裝置設(shè)計成一個整體并且在定位裝置與支撐裝置支撐面之間位置改變時而進(jìn)行改變。通過比較氣壓傳動、液壓傳動、電力傳動三個后，夾緊裝置選用氣壓傳動，變位機(jī)選用液壓傳動變位機(jī)。將氣壓傳動作為夾具動力的主要原因如下：（1）氣壓傳動的動作反應(yīng)快，幾乎不存在滯后現(xiàn)象。（2）氣體介質(zhì)輸送便捷，即使泄露空氣對環(huán)境沒有任何污染，符合節(jié)能環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)。（3）氣體在傳輸過程中摩擦阻力小，能量損失少，更加節(jié)能。（4）氣體在運輸過程中便于儲存，并且便于實現(xiàn)過載保護(hù)。（5）夾具在對工件進(jìn)行夾緊時，不需要特別大的動力，氣壓傳動產(chǎn)生的動能足以夾具使用。將液壓傳動作為變位機(jī)動力的主要原因如下：（1）當(dāng)出現(xiàn)過載工況時更有利于對變位機(jī)進(jìn)行保護(hù)。（2）液體在流量上容易控制，可以進(jìn)行無級調(diào)速。（3）液壓傳動的動力相對較大，符合變位機(jī)的工作狀況。（4）液壓傳動的技術(shù)相對成熟，在應(yīng)用過程中出現(xiàn)問題的可能性更小。3.7安全系統(tǒng)設(shè)計安全系統(tǒng)的設(shè)計對生產(chǎn)安全極其重要，安全是生產(chǎn)的前提。由于我們在焊接中存在高溫、電等危險源。因此在此項目中設(shè)計到安全系統(tǒng)，來保證生產(chǎn)人員安全生產(chǎn)。本項目在整個焊接系統(tǒng)的工作區(qū)外圍設(shè)置了安全護(hù)欄，主要時防止無關(guān)人員進(jìn)入或者焊接機(jī)器人失控越出工作區(qū)，防止焊接時電火花飛濺造成人員的燙傷，保證相關(guān)工作人員的人身安全。在焊接機(jī)器人的內(nèi)部裝有防碰撞模塊，此模塊主要是通過PLC內(nèi)部的程序完成，當(dāng)機(jī)器人在工作中發(fā)生手臂誤碰撞，傳感器接收到信號會反饋到PLC中，然后機(jī)器人會立即停止工作。在對系統(tǒng)設(shè)計時還進(jìn)行了報警模塊設(shè)計，此模塊主要通過指示燈、蜂鳴器以及觸摸屏來進(jìn)行反饋，當(dāng)焊接工作中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會通過PLC反饋到各個報警設(shè)備中，報警指示燈由正常工作時的綠色變?yōu)榧t色，蜂鳴器報警并伴隨紅色報警燈閃爍，觸摸屏上顯示報警信息，與此同時焊接工作立即停止。3.8人機(jī)交互設(shè)計人機(jī)交互模塊可以使工作中對其機(jī)器的操作更加直接便捷，通過人機(jī)交互界面直接對整個焊接系統(tǒng)進(jìn)行控制。此項目人機(jī)交互系統(tǒng)主要分為觸摸顯示屏、無線操作臺兩個部分。此項目人機(jī)交互界面采用的是德國西門子SMARTLINE系列觸摸屏。其操作直觀便捷且系統(tǒng)穩(wěn)定。觸摸屏可以顯示監(jiān)控畫面、報警信息、I/O信號等并且可以在操作界面進(jìn)行操作。監(jiān)控界面：監(jiān)控界面上可以實時顯示機(jī)器人狀態(tài)、焊機(jī)狀態(tài)、防碰撞狀態(tài)、工作溫度等信息。如果有報警產(chǎn)生，監(jiān)控界面會立即顯示出報警信息，即出現(xiàn)問題的模塊，便于查看和生產(chǎn)。報警信息界面：通過報警界面顯示報警的具體內(nèi)容，同時在報警界面上可以查詢之前的報警信息，對檢修整改問題提供了便捷。I/O信息界面：此界面主要顯示控制部分中的的I/O輸入輸出信號，可以直觀的查看信號傳遞是否正常。此項目人機(jī)交互系統(tǒng)中還配有無線操作臺，通過電波的形式傳遞信號，通過中間接收器然后可以將信號傳輸給PLC，沒有了線控操作臺的凌亂。在操作上含有主電源、啟動、急停、暫停、復(fù)位、跟蹤、自動、手動等按鈕。主電源按鈕：主要控制電源通斷，按一下所有設(shè)備會接通電源，在通電的情況下長按至按鈕燈閃爍，松開按鈕，所有設(shè)備便會斷電。主電源按鈕實現(xiàn)了一鍵開關(guān)機(jī)的功能。暫停、啟動按鈕：在工作中，按一下暫停按鈕，焊接工件的任務(wù)便會停止，按一下啟動按鈕，其焊接的任務(wù)繼續(xù)進(jìn)行。急停按鈕：按下急停按鈕時，所有設(shè)備會立即停止工作，但不會斷電，處于報警狀態(tài)，當(dāng)擰開急停按鈕后，報警消除，所有設(shè)備恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。跟蹤按鈕：跟蹤按鈕是控制焊槍的跟蹤模塊，按下跟蹤后，在焊接工作中焊槍便可以隨焊縫高低變化而自動變動。復(fù)位按鈕：復(fù)位按鈕是在報警以后使用的，報警后，所有設(shè)備會立即停止工作。我們把報警解除后，需要按一下復(fù)位按鈕，所有設(shè)備便可以恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

第4章軟件設(shè)計4.1繪圖軟件此設(shè)計選擇了AutoCAD作為繪圖軟件，本設(shè)計中的二維圖形都是通過AutoCAD完成的。AutoCAD軟件功能齊全且操作簡單，即使非專業(yè)人員經(jīng)過簡單的了解后便可以很快的進(jìn)行操作，同時用戶之間可以同時有效地共享信息，AutoCAD軟件的數(shù)據(jù)庫也很大各類圖形都可以進(jìn)行繪制。使用AutoCAD軟件進(jìn)行編輯和繪制工作極大的提高了本設(shè)計的工作效率。并且AutoCAD有很多的版本，可以在不同的電子設(shè)備上安裝進(jìn)行操作。AutoCAD軟件主要進(jìn)行二維圖形的繪制，如果有需要也可以進(jìn)行簡單的三維圖形編輯，在與其他類似軟件的比較后，被AutoCAD軟件強(qiáng)大的功能和便捷的操作吸引了，因此在本設(shè)計中選用AutoCAD作為繪圖軟件。4.2建模軟件此設(shè)計使用SolidWorks建模軟件完成了本設(shè)計中的三維圖形建模。SolidWorks數(shù)據(jù)庫極大，有很多自身特有的模塊便于設(shè)計中使用。建模的一般思路為直接由線構(gòu)成體，即直接由草圖曲線繪制實體。在建模時，首先選擇定位基準(zhǔn)，然后要繪制草圖，然后對草圖進(jìn)行拉伸等操作形成完成零件圖的繪制。在完成零件圖的設(shè)計后要進(jìn)行裝配，此時就要使用裝配模塊。通過裝配模塊就可以將設(shè)計完成的各個零件圖進(jìn)行裝配。該軟件系統(tǒng)中有很多種配合方式，根據(jù)需要使用不同的配合方式便可以把各個部件裝配完畢，同時可生成裝配體的視圖。4.3編程軟件通過本系統(tǒng)所選用的PLC，在此設(shè)計中選用西門子STEP7-Micro軟件完成本設(shè)計的程序設(shè)計。該軟件擁有的函數(shù)庫，可以很好的將開發(fā)者想要的程序編寫出來，并且在后期尋找錯誤時，可以根據(jù)軟件的備注提醒，方便的查找出來。并且這款軟件含有豐富的數(shù)據(jù)庫、程序塊、數(shù)據(jù)塊、符號表、字符串、定時器等?？梢酝ㄟ^無線網(wǎng)或者直接輸入PLC的IP地址兩種方式進(jìn)行通信。通信后便可以直接將程序傳輸?shù)絇LC中。此次設(shè)計也涉及到西門子WINCC編程軟件，其中有很多操作功能，可以很好的進(jìn)行組態(tài)；“全集成自動化”的組成部分，在很多工業(yè)生產(chǎn)中都可以廣泛應(yīng)用。WINCC通過局域網(wǎng)與觸摸屏進(jìn)行通信，來配合觸摸屏使用。4.4仿真軟件此項目選用川崎公司的K-ROSET軟件作為仿真軟件。因為此項目選用的是川崎機(jī)器人，為了更好的實現(xiàn)本項目的仿真，所以選擇了K-ROSET軟件。此軟件中含有豐富的數(shù)據(jù)庫，其中包括焊接、切割、搬運等不同的專業(yè)數(shù)據(jù)，操作起來更加方便快捷?？梢灾苯永密浖Ρ卷椖扛鱾€模塊進(jìn)行仿真模擬，并且可以查看各個模塊的布置和裝配是否合理，還可以依據(jù)吊籃具體尺寸對其進(jìn)行離線編程操作。使用離線編程進(jìn)行編程，相比于工作人員用示教器進(jìn)行示教編程節(jié)約了大量時間，從而提高我們的生產(chǎn)效率。4.5PLCI/O分配表表4.1I/O分配表形式序號名稱PLC地址符號輸入1急停I0.0CPU-輸入02主電源I0.1CPU-輸入13保護(hù)氣體不足報警I0.5CPU-輸入54冷機(jī)報警I0.6CPU-輸入65碰撞開關(guān)I0.7CPU-輸入76焊接電源報警I1.0CPU-輸入87伺服器報警I1.1CPU-輸入98柜體溫度報警I1.3CPU-輸入109起弧機(jī)器信號1I1.4CPU-輸入1110開氣機(jī)器信號2I1.5CPU-輸入1211跟蹤機(jī)器信號3I1.6CPU-輸入1312工位1I2.2CPU-輸入1813工位2I2.3CPU-輸入1914啟動按鈕I2.6CPU-輸入2215停止按鈕I2.7CPU-輸入2316回零按鈕I3.1CPU-輸入2517手動按鈕I3.2CPU-輸入2618自動按鈕I3.3CPU-輸入2719復(fù)位按鈕I3.4CPU-輸入2820跟蹤按鈕I3.6CPU-輸入30輸出1主電源燈Q0.0CPU-輸出02綠燈Q0.1CPU-輸出13黃燈Q0.2CPU-輸出24紅燈Q0.3CPU-輸出35跟蹤指示燈Q0.4CPU-輸出46焊接跟蹤指示Q0.6CPU-輸出67跟蹤使能Q1.1CPU-輸出98手動輸出Q1.2CPU-輸出109自動輸出Q1.3CPU-輸出1110工位輸出1Q1.6CPU-輸入1411工位輸出2Q1.7CPU-輸出1512程序啟動Q2.0CPU-輸出1613程序停止Q2.1CPU-輸出1714機(jī)器人使能Q2.2CPU-輸出1815起弧Q2.3CPU-輸出1916伺服復(fù)位Q2.6CPU-輸出2217焊接電源復(fù)位Q2.7CPU-輸出234.6程序流程圖4.6.1系統(tǒng)總控制流程圖圖4.1系統(tǒng)總控制流程圖4.6.2變位機(jī)控制流程圖圖4.2變位機(jī)控制流程圖4.6.3夾具控制流程圖圖4.3夾具控制流程圖4.6.4焊接機(jī)器人控制流程圖圖4.4焊接機(jī)器人控制流程圖第5章調(diào)試與運行5.1硬件調(diào)試我們在系統(tǒng)正式工作之前要對其進(jìn)行硬件調(diào)試，我們要對所有設(shè)備進(jìn)行調(diào)試檢查。首先檢查各個設(shè)備外觀是否有完整，磕碰損壞的現(xiàn)象是不能存在的。因為磕碰很有可能會影響設(shè)備精度，使其不能完成高精度的焊接工作。然后我們在檢查系統(tǒng)的各個模塊，檢查各線路接線是否完整，有無脫落現(xiàn)象。確認(rèn)沒有問題后我們?yōu)楦髂K的設(shè)備供電，并逐一檢測各個模塊設(shè)備的電源電壓，檢測是否有超壓欠壓的情況，防止在工作過程中出現(xiàn)事故。在檢查各模塊可正常通電后，閉合各個模塊設(shè)備的空開，使其工作，并檢查各個設(shè)備是否可以正常工作。5.2軟件調(diào)試硬件調(diào)試完成，各設(shè)備運行沒有問題后，然后進(jìn)行軟件調(diào)試。軟件調(diào)試主要進(jìn)行PLC程序調(diào)試和觸摸屏程序調(diào)試。首先我們需要通過電腦修改路由器的IP地址，修改為需要的局域網(wǎng)IP地址，然后重置路由器并連接。通過網(wǎng)線使PLC和路由器建立聯(lián)系，如此PLC同電腦便連接到了同一個局域網(wǎng)。可以直接使用電腦連接路由器，然后打開西門子PLC編程軟件，在通訊中查找CPU，并找到此系統(tǒng)中的西門子PLC控制器，并建立通訊。便可以把電腦上的PLC程序進(jìn)行傳輸?shù)絇LC中。將PLC程序上傳完畢，然后對控制臺按鈕進(jìn)行檢測，我們依次按下控制臺按鈕，檢驗是否為相對應(yīng)的I/O指示燈閃爍，即輸入輸出是否一一對應(yīng)。在觸摸屏程序調(diào)試中，系統(tǒng)中的西門子SMARTLINE觸摸屏和PLC控制器連接方式相同。首先使電腦連接路由器，然后西門子WINCC編程軟件與觸摸屏進(jìn)行連接通訊，最后將程序下載到觸摸屏上。程序下載完畢后，要檢查觸摸屏程序里各項功能是否正常，各個面板顯示是否正常。5.3仿真調(diào)試我們把硬件和軟件調(diào)試完畢后。我們就可以在仿真軟件上進(jìn)行仿真測試了。此項目選用川崎公司的K-ROSET軟件作為仿真軟件。因為此項目選用的是川崎機(jī)器人，為了更好的實現(xiàn)本項目的仿真，所以選擇了K-ROSET軟件。下圖為本仿真軟件仿真視圖：

總結(jié)本文設(shè)計完成了開題報告中所涉及到的各個部分，完成了吊籃焊接工裝項目的各項設(shè)計要求。該設(shè)計可以保質(zhì)保量的完成吊籃的焊接工裝，并且極大的提高了焊接工作效率。本文首先對吊籃焊接工裝項目的發(fā)展背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并提出了本項目的研究的意義。然后對吊籃焊接工裝項目的整體機(jī)械設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了闡述。最后本文分別對吊籃焊接工裝項目的各個部分展開了系統(tǒng)的設(shè)計。本文在設(shè)計部分中主要完成了焊接工裝的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，在最后進(jìn)行了調(diào)試運行。在第一部分焊接工裝的硬件設(shè)計中，本設(shè)計通過對吊籃的變形和工藝進(jìn)行分析。然后對焊接機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計，從機(jī)器人的選型、基座設(shè)計到控制系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)我們焊接的需求選用了川崎的R系列機(jī)器人，并為了保證機(jī)器人工作時的穩(wěn)定性而對設(shè)計基座進(jìn)行了設(shè)計。接著對焊接系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，根據(jù)焊接的需要選擇了麥格米特全數(shù)字IGBT逆變焊接電源和符合要求的清槍站。再對變位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計依據(jù)吊籃的焊接選擇了合適的變位機(jī)并用SolidWorks進(jìn)行了繪制，變位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計通過PLC控制并設(shè)計出了控制原理，說明了焊接機(jī)器人與變位機(jī)的協(xié)調(diào)配合。避免出現(xiàn)配合誤差，在焊接中出現(xiàn)事故。然后對工裝夾具進(jìn)行了設(shè)計依據(jù)吊籃的尺寸設(shè)計定位和夾緊部件，夾具并選擇了有優(yōu)勢的氣動傳動。最后對吊籃焊接工裝項目進(jìn)行了安全系統(tǒng)和人機(jī)交互界面進(jìn)行了設(shè)計，分析可能出現(xiàn)安全事故的地方并進(jìn)行安全設(shè)計。依據(jù)我們對不同功能的需求，本著簡潔、便捷、直觀的原則對人機(jī)交互界面進(jìn)行了設(shè)計。在第二部分軟件的設(shè)計中，主要有繪圖軟件、建模軟