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(dòng)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(jì)。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(dòng)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(dòng)化
1 文獻(xiàn)綜述
隨著科技的發(fā)展，為了減少勞動(dòng)力再生產(chǎn)線上的機(jī)械勞動(dòng)，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(dòng)，開發(fā)了自動(dòng)化生產(chǎn)流水線。自動(dòng)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(dòng)所構(gòu)成的路線[1]。然而這些自動(dòng)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(dòng)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(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線[3]。本設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)的手動(dòng)和自動(dòng)化的轉(zhuǎn)化，改變以往點(diǎn)焊機(jī)的單純手動(dòng)送料，減少了勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)！而且四工位點(diǎn)焊機(jī)的設(shè)計(jì)是由于工作環(huán)境惡劣，不允許人員長時(shí)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(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)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(tái)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(huì)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(dòng)，逐漸演變成自動(dòng)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(shí)也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動(dòng)，在這些生產(chǎn)活動(dòng)中，有些是屬于高危險(xiǎn)的，對人體傷害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作長時(shí)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(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器作為自動(dòng)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(gè)國家工業(yè)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)移動(dòng)、焊接的操作的自動(dòng)機(jī)械裝置[6]。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的工作并減少了很多不必要的人工勞動(dòng)。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(shí)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(shí)兩個(gè)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(shí)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(gè)工作臺(tái)不動(dòng)，由一個(gè)點(diǎn)焊機(jī)控制。由兩個(gè)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(dòng)化專業(yè)高地建設(shè)項(xiàng)目中柔性自動(dòng)化生產(chǎn)流水線的物料裝配，所設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)軌跡，需要通過設(shè)置脈寬來控制步進(jìn)電動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)到不同的工位。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使運(yùn)動(dòng)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(dòng)器、電磁閥、點(diǎn)焊槍等元器件組成。
點(diǎn)焊機(jī)啟動(dòng)—停止按鈕負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的停止和啟動(dòng)。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(tái)步進(jìn)電機(jī)來控制。由于步進(jìn)電機(jī)需驅(qū)動(dòng)器。故PLC得輸出信號(hào)是直接輸入到驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示：
圖1 點(diǎn)焊機(jī)信號(hào)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(dòng)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(gè)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(shí)針方向進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)工位點(diǎn)焊時(shí)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(shí)運(yùn)行一個(gè)單位時(shí)間到工位一工作2秒鐘后；y軸停止不動(dòng)，x軸向右正轉(zhuǎn)運(yùn)行2個(gè)單位時(shí)間到達(dá)工位二工作6秒后；x軸停止不動(dòng)，y軸反轉(zhuǎn)2個(gè)單位時(shí)間到達(dá)工位三工作2秒鐘后；y軸停止不動(dòng)，x軸反轉(zhuǎn)2個(gè)單位時(shí)間到達(dá)工位四工作3秒后x軸y軸都是正轉(zhuǎn)1個(gè)單位時(shí)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(jì)
四工位點(diǎn)焊機(jī)控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)由各種開關(guān)、按鈕、傳感器、位置信號(hào)等組成，實(shí)時(shí)反映點(diǎn)焊機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)。輸出信號(hào)主要由各種電磁氣閥、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(hào)。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(dòng)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(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱以及自動(dòng)報(bào)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(jià)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(hào)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(dòng)電路來產(chǎn)生脈沖，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一步。它是步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)的，因此稱之為步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是受脈沖信號(hào)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(dòng)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(dòng)比的方法來實(shí) 現(xiàn)，如軸向傳動(dòng)比設(shè)置為100：1，若按本設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距變小，不能帶動(dòng)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(dòng)控制
電磁閥是用來控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動(dòng)。電磁閥用于控制液壓流動(dòng)方向，工廠的機(jī)械裝置一般都由液壓鋼控制，所以就會(huì)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(gè)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(huì)被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動(dòng)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(huì)進(jìn)入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動(dòng)油剛的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞竿帶動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
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(jì)中，利用西門子s7 200系列的plc驅(qū)動(dòng)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(dòng)。而又如何利用兩臺(tái)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(dòng)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(jì)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(shí)。
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(jì)任務(wù)書要求，完成開題報(bào)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(jì)算，確定各器件的型號(hào)；
2011年03月——04月，構(gòu)建控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)電氣原理圖；用戶程序設(shè)計(jì)；準(zhǔn)備中期檢查；
2011年05月，模擬調(diào)試，畢業(yè)設(shè)計(jì)文稿定稿；準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯；
2011年06月上旬，畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)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?？墒裹c(diǎn)焊機(jī)在各個(gè)工位都能夠在所要求的時(shí)間內(nèi)正常的運(yùn)行工作。
可能的創(chuàng)新點(diǎn)：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
參考文獻(xiàn)
【1】張萬忠等.可編程控制器應(yīng)用技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002
【2】楊軍.OMRON PLC在真空電子束焊機(jī)中的應(yīng)用[J]電焊機(jī) 2003
【3】常斗南.可編程序控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)[M]北京;機(jī)械工業(yè)出版社 2000
【4】方文鵬.電焊設(shè)備[M]信陽:空軍第一航空學(xué)院1989
【5】鐘肇新等.可編程控制器原理及應(yīng)用.廣州：華南理工大學(xué)出版社，1991.
【6】方文鵬，胡進(jìn)，丁麗麗，等．PLC在點(diǎn)焊機(jī)KD7型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用IJ】．電焊機(jī)，2002．
【7】唐新新，程方杰，廉金瑞，等．逆變與交流點(diǎn)焊機(jī)焊接【藝性能比較【”電焊機(jī)。2005．
【8】趙家瑞．逆變焊接與切割電源IM]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社。1995．
【9】趙熹華. 壓力焊[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社 1990.
【10】中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)，電阻焊(111)專業(yè)委員會(huì)．電阻
焊理論與實(shí)踐【M】．北京：機(jī)槭工業(yè)出版社，1994．
【11】何信龍。李胃銀．PICl6C7X入門與應(yīng)崩范例[MI．北京：清
華大學(xué)出版杜．2002．
【12】柯鋒．周永鵬．黃錦恩．等，PWM恒流充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【J】．
電子蒞術(shù)應(yīng)用，2002。(3)：4，-“．
【13】蔣嗣榮．洪振華．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]．陜西：西北電訊工程
學(xué)院出版杜，1985
【14】中國工程物理研究院,機(jī)械制造工藝研究所,四川,綿陽,62190
【15】張萬忠 劉明芹.電器與PLC控制技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008