摘要：
點(diǎn)焊機(jī)作為一種重要的工業(yè)用具，在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中占著舉足輕重的位置。點(diǎn)焊是一種重要的焊接工藝，具有生產(chǎn)效率高、成本低、節(jié)省材料和易于實(shí)現(xiàn)自動化等特點(diǎn)。如今，傳統(tǒng)的點(diǎn)焊機(jī)控制方式已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需求，本文對四工位點(diǎn)焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。為了保證四工位點(diǎn)焊機(jī)高效節(jié)能又能安全可靠的運(yùn)作，可采用可編程控制器PLC來實(shí)現(xiàn)對四工位點(diǎn)焊機(jī)系統(tǒng)的控制，來完成四工位點(diǎn)焊機(jī)在高地項(xiàng)目柔性自動化生產(chǎn)流水線的物料裝配的控制。
關(guān)鍵字：點(diǎn)焊機(jī)、PLC控制 、控制系統(tǒng)、自動化
1 文獻(xiàn)綜述
隨著科技的發(fā)展，為了減少勞動力再生產(chǎn)線上的機(jī)械勞動，尋找創(chuàng)新的道路開發(fā)利用，節(jié)約不必要的人力支出和人員勞動，開發(fā)了自動化生產(chǎn)流水線。自動化生產(chǎn)線是產(chǎn)品生產(chǎn)過程所經(jīng)過的路線，即從原料進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場開始，經(jīng)過加工、運(yùn)送、裝配、檢驗(yàn)等一系列生產(chǎn)生產(chǎn)線活動所構(gòu)成的路線[1]。然而這些自動化的操作大量的節(jié)約了成本。
在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強(qiáng)度，甚至于危及生命。自從點(diǎn)焊機(jī)問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解[2]。點(diǎn)焊機(jī)可在不用人力的情況下焊接物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線[3]。本設(shè)計是為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)的手動和自動化的轉(zhuǎn)化，改變以往點(diǎn)焊機(jī)的單純手動送料，減少了勞動力，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)！而且四工位點(diǎn)焊機(jī)的設(shè)計是由于工作環(huán)境惡劣，不允許人員長時間在旁邊工作的情況下孕育而成的[4]。不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。
柔性生產(chǎn)線是把多臺可以調(diào)整的機(jī)床(多為專用機(jī)床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動運(yùn)送裝置組成的生產(chǎn)線。按照輸送系列產(chǎn)品大體可以分為：皮帶流水線、板鏈線、倍數(shù)鏈線、插件線、網(wǎng)帶線、懸掛線及滾筒流水線這七類流水線。一般包括牽引件、承載構(gòu)件、驅(qū)動裝置、張緊裝置、改向裝置和支承件等。流水線輸送能力大，運(yùn)距長，還可在輸送過程中同時完成若干工藝操作，所以應(yīng)用十分廣泛。在當(dāng)今世界自動化生產(chǎn)流水線相對比較普遍，當(dāng)然還有少部分落后國家還在運(yùn)用人力的流水線生產(chǎn)物料。運(yùn)用柔性自動化的生產(chǎn)流水線是我國目前乃至全世界的發(fā)展目標(biāo)也是現(xiàn)在普遍的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。點(diǎn)焊機(jī)一般由控制器來控制時間、電流等參數(shù)，運(yùn)用點(diǎn)焊機(jī)并開發(fā)出更多工位的點(diǎn)焊機(jī)在今后的工業(yè)生產(chǎn)中。
2 選題的背景及意義
隨著社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具——點(diǎn)焊機(jī)。與此同時也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動，在這些生產(chǎn)活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作長時間的工作，點(diǎn)焊機(jī)則正好適應(yīng)這類工作。防止了一些化學(xué)物品對人類的傷害[5]。
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機(jī)器作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)等重復(fù)性并且勞動強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
點(diǎn)焊機(jī)是按照給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動移動、焊接的操作的自動機(jī)械裝置[6]。實(shí)現(xiàn)了自動化的工作并減少了很多不必要的人工勞動。本文對多工位點(diǎn)焊機(jī)利用PLC的控制進(jìn)行了詳細(xì)的研究。
點(diǎn)焊機(jī)的工作原理是利用正負(fù)兩極在瞬間短路時產(chǎn)生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來達(dá)到使它們結(jié)合的目的[7]。點(diǎn)焊機(jī)是由焊頭、點(diǎn)焊槍等組成。點(diǎn)焊槍是四工位點(diǎn)焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心。利用電磁閥控制點(diǎn)焊槍的伸縮及溫度。
3 研究內(nèi)容
3.1四工位點(diǎn)焊機(jī)的基本工作原理
點(diǎn)焊機(jī)系采用雙面雙點(diǎn)過流焊接的原理，工作時兩個電極加壓工件使兩層金屬在兩電極的壓力下形成一定的接觸電阻，而焊接電流從一電極流經(jīng)另一電極時在兩接觸電阻點(diǎn)形成瞬間的熱熔接，且焊接電流瞬間從另一電極沿兩工件流至此電極形成回路，不傷及被焊工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
四工位點(diǎn)焊機(jī)的四個工作臺不動，由一個點(diǎn)焊機(jī)控制。由兩個步進(jìn)電機(jī)控制X軸Y軸的運(yùn)行。
3.2 系統(tǒng)方案
此次研究的課題是來源于電氣工程及其自動化專業(yè)高地建設(shè)項(xiàng)目中柔性自動化生產(chǎn)流水線的物料裝配，所設(shè)計的是四工位點(diǎn)焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)。利用PLC來控制，用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動點(diǎn)焊機(jī)，來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)的運(yùn)行。
由于這次方案中涉及到不同方向的運(yùn)動軌跡，需要通過設(shè)置脈寬來控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度，可以把運(yùn)行速度定位單位速度，通過控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時間來控制電機(jī)在X軸Y軸的位移。
3.3點(diǎn)焊機(jī)PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
點(diǎn)焊機(jī)的工作原理十分簡單，采用S7—200對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，從而達(dá)到點(diǎn)焊機(jī)多點(diǎn)運(yùn)動焊接的目的。通過S7—200PLC對步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的控制，可使點(diǎn)焊機(jī)的焊接觸頭運(yùn)動到不同的工位。驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使運(yùn)動方向沿 X軸Y軸的方向來進(jìn)行工作的。點(diǎn)焊機(jī)的控制系統(tǒng)中由PLC、傳感器、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器、電磁閥、點(diǎn)焊槍等元器件組成。
點(diǎn)焊機(jī)啟動—停止按鈕負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的停止和啟動。傳感器主要負(fù)責(zé)檢測點(diǎn)焊機(jī)的位置。對于主要的輸出設(shè)備有以下幾方面：主要是點(diǎn)焊槍PLC控制點(diǎn)焊槍的位置及開關(guān)狀態(tài)。對于點(diǎn)焊槍的位置控制由兩臺步進(jìn)電機(jī)來控制。由于步進(jìn)電機(jī)需驅(qū)動器。故PLC得輸出信號是直接輸入到驅(qū)動器。對于點(diǎn)焊槍的開關(guān)狀態(tài)需要電磁閥來間接控制，所以PLC的另一部分輸出信號需要傳送給電磁閥。使電磁閥通電，來促使點(diǎn)焊槍工作。點(diǎn)焊機(jī)信號控制系統(tǒng)框圖如圖1所示：
圖1 點(diǎn)焊機(jī)信號控制系統(tǒng)框圖
3.4點(diǎn)焊機(jī)PLC控制系統(tǒng)的工作流程
根據(jù)點(diǎn)焊機(jī)的控制要求，四工位點(diǎn)焊機(jī)的工作流程圖如圖2所示：
圖2 點(diǎn)焊機(jī)的工作流程圖
程序啟動后選擇所要求的工作方式，此四工位點(diǎn)焊機(jī)的工作方式有三種，四個工位以圓周均勻分布，用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制工作。以順時針方向進(jìn)行編號，每個工位點(diǎn)焊時間2、3、6秒不等。
第一種工作方式是點(diǎn)焊槍開始運(yùn)行，x軸反轉(zhuǎn)y軸正轉(zhuǎn)同時運(yùn)行一個單位時間到工位一工作2秒鐘后；y軸停止不動，x軸向右正轉(zhuǎn)運(yùn)行2個單位時間到達(dá)工位二工作6秒后；x軸停止不動，y軸反轉(zhuǎn)2個單位時間到達(dá)工位三工作2秒鐘后；y軸停止不動，x軸反轉(zhuǎn)2個單位時間到達(dá)工位四工作3秒后x軸y軸都是正轉(zhuǎn)1個單位時間，回到初始位置。第二、三種的工作方式與一類似。
3.5 硬件系統(tǒng)設(shè)計
四工位點(diǎn)焊機(jī)控制系統(tǒng)的輸入信號由各種開關(guān)、按鈕、傳感器、位置信號等組成，實(shí)時反映點(diǎn)焊機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)。輸出信號主要由各種電磁氣閥、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器及各種狀態(tài)指示燈等組成。根據(jù)控制要求列出輸入輸出信號。下面簡單介紹各元器件在點(diǎn)焊機(jī)中的作用。
3.5.1 傳感器在點(diǎn)焊機(jī)中的作用
隨著機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展，傳感器行業(yè)也得到了大提速，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的日漸普及，傳感器市場再次迎來快速發(fā)展機(jī)遇。在機(jī)械制造測試系統(tǒng)中，被作為一次儀表 定位，其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。在于機(jī)床的運(yùn)行中，傳感器也起到重要的作用，傳感器在機(jī)械制造中是不 可或缺的物件。在機(jī)械制造中，傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)。
在各類傳感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、 壓強(qiáng)的測量與控制。除此以外，還廣泛應(yīng)用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合，又便于集成化,所以可用來制 成血壓計、風(fēng)速計、水速計、壓力表、電子稱以及自動報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價比最高的一類傳感器
3.5.2 步進(jìn)電機(jī)在點(diǎn)焊機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，它是將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移和線性位移的控制電機(jī)，它可以看作為低速運(yùn)行的同步電機(jī)，它由專用的驅(qū)動電路來產(chǎn)生脈沖，每輸入一個脈沖信號步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一步。它是步進(jìn)式運(yùn)動的，因此稱之為步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是受脈沖信號控制的，因此它適合作為數(shù)字控制的伺服系統(tǒng)，它的直線位移或者角位移與脈沖量成正比，所以步進(jìn)電機(jī)的速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖的頻率成正比，通過改變脈沖的頻率就可以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度。步進(jìn)電機(jī)常規(guī)的控制方式一般采用開環(huán)控制方式，其控制方式由控制器產(chǎn)生脈沖給驅(qū)動電路來控制步進(jìn)電機(jī)的速度和位置。
對于步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)來說，其控制方式簡單、控制成本低、便于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；但是要實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制是相當(dāng)困難的，一般采用加大傳動比的方法來實(shí) 現(xiàn)，如軸向傳動比設(shè)置為100：1，若按本設(shè)計系統(tǒng)的采用的步進(jìn)電機(jī)的0.1度，那么經(jīng)過減速以后步進(jìn)電機(jī)的步距角度分辨率為0.0001度，但是步進(jìn)電 機(jī)本身速度不高，若增大步進(jìn)電機(jī)的速度又會導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距變小，不能帶動負(fù)載；這對于貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)速度效率是不可取的，另外在負(fù)載較大或者連續(xù)加 減速的情況下，步進(jìn)電機(jī)容易發(fā)生失步或過沖現(xiàn)象，對于開環(huán)系統(tǒng)來說，這種現(xiàn)象造成的位置誤差是無法彌補(bǔ)的。
3.5.3 電磁閥在點(diǎn)焊機(jī)中的工作原理
電磁閥是利用電能流經(jīng)線圈產(chǎn)生電磁吸力將閥芯(克服彈簧或自重力)吸引.分常開與常閉兩類.通常用于切斷油,水,氣等物質(zhì)的流通.配合壓力,溫度傳感器等電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動控制
電磁閥是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。電磁閥用于控制液壓流動方向，工廠的機(jī)械裝置一般都由液壓鋼控制，所以就會用到電磁閥。
電磁閥的工作原理，電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是常開的，液壓油就會進(jìn)入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機(jī)械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動。
4 工作特色及其難點(diǎn)，擬采取的解決措施
4.1 工作特色及其難點(diǎn)
在此次的課題設(shè)計中，利用西門子s7 200系列的plc驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)焊機(jī)的控制。點(diǎn)焊機(jī)的工作原理是運(yùn)用X軸Y軸的運(yùn)行方向來實(shí)現(xiàn)。而目前我所遇到的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)plc對于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。而又如何利用兩臺步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)械臂X軸Y軸的運(yùn)行。
如何利用可編程控制器PLC來實(shí)現(xiàn)對四工位點(diǎn)焊機(jī)系統(tǒng)的控制，保證四工位點(diǎn)焊機(jī)高效節(jié)能又能安全可靠的運(yùn)作，來完成四工位點(diǎn)焊機(jī)在高地項(xiàng)目柔性自動化生產(chǎn)流水線的物料裝配的控制。
4.2 擬采取的解決措施
看一些相關(guān)書籍，查找有關(guān)的資料，對照前人的成果和自己的計算，思考和分析其中的規(guī)律。并且歸納和總結(jié)，使得自己更好的掌握和理解相應(yīng)的知識。
5論文工作量及預(yù)期進(jìn)度
2010年12月，按照畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書要求，完成開題報告撰寫、開題答辯工作；
2011年01月——02月，著手完成系統(tǒng)方案和各類計算，確定各器件的型號；
2011年03月——04月，構(gòu)建控制系統(tǒng)；設(shè)計控制系統(tǒng)電氣原理圖；用戶程序設(shè)計；準(zhǔn)備中期檢查；
2011年05月，模擬調(diào)試，畢業(yè)設(shè)計文稿定稿；準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計答辯；
2011年06月上旬，畢業(yè)設(shè)計答辯。
6 預(yù)期成果及其可能的創(chuàng)新點(diǎn)
預(yù)期成果：通過查閱文獻(xiàn)和資料，了解多工位加工系統(tǒng)的工作流程，通過設(shè)計四工位點(diǎn)焊機(jī)的控制系統(tǒng)，達(dá)到預(yù)期的要求能夠正常運(yùn)行，可進(jìn)行模擬調(diào)試。可使點(diǎn)焊機(jī)在各個工位都能夠在所要求的時間內(nèi)正常的運(yùn)行工作。
可能的創(chuàng)新點(diǎn)：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
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