四工位點焊機電氣控制系統設計

摘要：
點焊機作為一種重要的工業用具，在當今工業生產中佔著舉足輕重的位置。點焊是一種重要的焊接工藝，具有生產效率高、成本低、節省材料和易於實現自動化等特點。如今，傳統的點焊機控制方式已經不能滿足系統的需求，本文對四工位點焊機電氣控制系統進行設計。為了保證四工位點焊機高效節能又能安全可靠的運作，可採用可程式設計控制器PLC來實現對四工位點焊機系統的控制，來完成四工位點焊機在高地專案柔性自動化生產流水線的物料裝配的控制。

關鍵字：點焊機、PLC控制 、控制系統、自動化
1 文獻綜述
隨著科技的發展，為了減少勞動力再生產線上的機械勞動，尋找創新的道路開發利用，節約不必要的人力支出和人員勞動，開發了自動化生產流水線。自動化生產線是產品生產過程所經過的路線，即從原料進入生產現場開始，經過加工、運送、裝配、檢驗等一系列生產生產線活動所構成的路線[1]。然而這些自動化的操作大量的節約了成本。
在工業生產和其他領域內，由於工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至於危及生命。自從點焊機問世以來，相應的各種難題迎刃而解[2]。點焊機可在不用人力的情況下焊接物體，動作靈活多樣，適用於可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用於柔性自動線[3]。本設計是為了實現點焊機的手動和自動化的轉化，改變以往點焊機的單純手動送料，減少了勞動力，提高了生產效率，實現了自動化生產！而且四工位點焊機的設計是由於工作環境惡劣，不允許人員長時間在旁邊工作的情況下孕育而成的[4]。不僅可以提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。
柔性生產線是把多臺可以調整的機床***多為專用機床***聯結起來，配以自動運送裝置組成的生產線。按照輸送系列產品大體可以分為：皮帶流水線、板鏈線、倍數鏈線、外掛線、網帶線、懸掛線及滾筒流水線這七類流水線。一般包括牽引件、承載構件、驅動裝置、張緊裝置、改向裝置和支承件等。流水線輸送能力大，運距長，還可在輸送過程中同時完成若干工藝操作，所以應用十分廣泛。在當今世界自動化生產流水線相對比較普遍，當然還有少部分落後國家還在運用人力的流水線生產物料。運用柔性自動化的生產流水線是我國目前乃至全世界的發展目標也是現在普遍的工業生產技術。點焊機一般由控制器來控制時間、電流等引數，運用點焊機並開發出更多工位的點焊機在今後的工業生產中。
2 選題的背景及意義
隨著社會和科學技術的發展，工業生產的操作方式也發生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智慧化的生產方式，人類也逐漸無法完成某些生產過程，所以為了適應生產的需要出現了特殊的生產工具——點焊機。與此同時也出現了一些新的生產活動，在這些生產活動中，有些是屬於高危險的，對人體傷害較大，有些領域不適宜人類工作長時間的工作，點焊機則正好適應這類工作。防止了一些化學物品對人類的傷害[5]。
在當今大規模製造業中，企業為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業機器作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業所認同並採用。工業機器的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業自動化的水平，目前，工業機器人主要承擔著焊接、噴塗、搬運等重複性並且勞動強度極大的工作，工作方式一般採取示教再現的方式。
點焊機是按照給定程式、軌跡和要求實現自動移動、焊接的操作的自動機械裝置[6]。實現了自動化的工作並減少了很多不必要的人工勞動。本文對多工位點焊機利用PLC的控制進行了詳細的研究。
點焊機的工作原理是利用正負兩極在瞬間短路時產生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來達到使它們結合的目的[7]。點焊機是由焊頭、點焊槍等組成。點焊槍是四工位點焊機電氣控制系統的核心。利用電磁閥控制點焊槍的伸縮及溫度。
3 研究內容
3.1四工位點焊機的基本工作原理
點焊機系採用雙面雙點過流焊接的原理，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另一電極時在兩接觸電阻點形成瞬間的熱熔接，且焊接電流瞬間從另一電極沿兩工件流至此電極形成迴路，不傷及被焊工件的內部結構。
四工位點焊機的四個工作臺不動，由一個點焊機控制。由兩個步進電機控制X軸Y軸的執行。
3.2 系統方案
此次研究的課題是來源於電氣工程及其自動化專業高地建設專案中柔性自動化生產流水線的物料裝配，所設計的是四工位點焊機電氣控制系統。利用PLC來控制，用步進電機來驅動點焊機，來實現點焊機的執行。
由於這次方案中涉及到不同方向的運動軌跡，需要通過設定脈寬來控制步進電動機的執行速度，可以把執行速度定位單位速度，通過控制步進電機執行時間來控制電機在X軸Y軸的位移。
3.3點焊機PLC控制系統的結構框圖
點焊機的工作原理十分簡單，採用S7—200對步進電機進行控制，從而達到點焊機多點運動焊接的目的。通過S7—200PLC對步進電機的正反轉的控制，可使點焊機的焊接觸頭運動到不同的工位。驅動步進電機使運動方向沿             X軸Y軸的方向來進行工作的。點焊機的控制系統中由PLC、感測器、步進電機、驅動器、電磁閥、點焊槍等元器件組成。
點焊機啟動—停止按鈕負責整個系統的停止和啟動。感測器主要負責檢測點焊機的位置。對於主要的輸出裝置有以下幾方面：主要是點焊槍PLC控制點焊槍的位置及開關狀態。對於點焊槍的位置控制由兩臺步進電機來控制。由於步進電機需驅動器。故PLC得輸出訊號是直接輸入到驅動器。對於點焊槍的開關狀態需要電磁閥來間接控制，所以PLC的另一部分輸出訊號需要傳送給電磁閥。使電磁閥通電，來促使點焊槍工作。點焊機訊號控制系統框圖如圖1所示：

                             圖1 點焊機訊號控制系統框圖
3.4點焊機PLC控制系統的工作流程
根據點焊機的控制要求，四工位點焊機的工作流程圖如圖2所示：

圖2 點焊機的工作流程圖
程式啟動後選擇所要求的工作方式，此四工位點焊機的工作方式有三種，四個工位以圓周均勻分佈，用步進電機進行控制工作。以順時針方向進行編號，每個工位點焊時間2、3、6秒不等。
第一種工作方式是點焊槍開始執行，x軸反轉y軸正轉同時執行一個單位時間到工位一工作2秒鐘後；y軸停止不動，x軸向右正轉執行2個單位時間到達工位二工作6秒後；x軸停止不動，y軸反轉2個單位時間到達工位三工作2秒鐘後；y軸停止不動，x軸反轉2個單位時間到達工位四工作3秒後x軸y軸都是正轉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 硬體系統設計
四工位點焊機控制系統的輸入訊號由各種開關、按鈕、感測器、位置訊號等組成，實時反映點焊機的當前工作狀態。輸出訊號主要由各種電磁氣閥、步進電機、驅動器及各種狀態指示燈等組成。根據控制要求列出輸入輸出訊號。下面簡單介紹各元器件在點焊機中的作用。
3.5.1 感測器在點焊機中的作用
隨著機械製造行業的發展，感測器行業也得到了大提速，隨著物聯網概念的日漸普及，感測器市場再次迎來快速發展機遇。在機械製造測試系統中，被作為一次儀表 定位，其主要特徵是能準確傳遞和檢測出某一形態的資訊，並將其轉換成另一形態的資訊。在於機床的執行中，感測器也起到重要的作用，感測器在機械製造中是不 可或缺的物件。在機械製造中，感測器技術是實現測試與自動控制的重要環節。
在各類感測器中壓力感測器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩定可靠、成本低、便於整合化的優點，可廣泛用於壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、 壓強的測量與控制。除此以外，還廣泛應用於水利、地質、氣象、化工、醫療衛生等方面。由於該技術是平面工藝與立體加工相結合，又便於整合化,所以可用來制 成血壓計、風速計、水速計、壓力錶、電子稱以及自動報警裝置等。壓力感測器已成為各類感測器中技術最成熟、效能最穩定、價效比最高的一類感測器
3.5.2  步進電機在點焊機的工作原理
步進電機又稱脈衝電機，它是將輸入的脈衝訊號轉換成相應的角位移和線性位移的控制電機，它可以看作為低速執行的同步電機，它由專用的驅動電路來產生脈衝，每輸入一個脈衝訊號步進電機就轉動一步。它是步進式運動的，因此稱之為步進電機。
    步進電機是受脈衝訊號控制的，因此它適合作為數字控制的伺服系統，它的直線位移或者角位移與脈衝量成正比，所以步進電機的速度或轉速也與脈衝的頻率成正比，通過改變脈衝的頻率就可以調節步進電機的速度。步進電機常規的控制方式一般採用開環控制方式，其控制方式由控制器產生脈衝給驅動電路來控制步進電機的速度和位置。
    對於步進電機的開環控制系統來說，其控制方式簡單、控制成本低、便於實現等優點；但是要實現高精度的位置控制是相當困難的，一般採用加大傳動比的方法來實 現，如軸向傳動比設定為100：1，若按本設計系統的採用的步進電機的0.1度，那麼經過減速以後步進電機的步距角度解析度為0.0001度，但是步進電 機本身速度不高，若增大步進電機的速度又會導致步進電機的輸出轉距變小，不能帶動負載；這對於貼標機的貼標速度效率是不可取的，另外在負載較大或者連續加 減速的情況下，步進電機容易發生失步或過沖現象，對於開環系統來說，這種現象造成的位置誤差是無法彌補的。
3.5.3 電磁閥在點焊機中的工作原理
電磁閥是利用電能流經線圈產生電磁吸力將閥芯***克服彈簧或自重力***吸引.分常開與常閉兩類.通常用於切斷油,水,氣等物質的流通.配合壓力,溫度感測器等電氣裝置實現自動控制
電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，屬於執行器；並不限於液壓，氣動。電磁閥用於控制液壓流動方向，工廠的機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，電磁閥裡有密閉的腔，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，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然後通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。
4 工作特色及其難點，擬採取的解決措施
4.1 工作特色及其難點
在此次的課題設計中，利用西門子s7 200系列的plc驅動步進電機的方法實現對點焊機的控制。點焊機的工作原理是運用X軸Y軸的執行方向來實現。而目前我所遇到的難點在於如何實現plc對於步進電機的驅動。而又如何利用兩臺步進電機來控制機械臂X軸Y軸的執行。
如何利用可程式設計控制器PLC來實現對四工位點焊機系統的控制，保證四工位點焊機高效節能又能安全可靠的運作，來完成四工位點焊機在高地專案柔性自動化生產流水線的物料裝配的控制。
4.2 擬採取的解決措施
看一些相關書籍，查詢有關的資料，對照前人的成果和自己的計算，思考和分析其中的規律。並且歸納和總結，使得自己更好的掌握和理解相應的知識。
5論文工作量及預期進度
2010年12月，按照畢業設計任務書要求，完成開題報告撰寫、開題答辯工作；
2011年01月——02月，著手完成系統方案和各類計算，確定各器件的型號；
2011年03月——04月，構建控制系統；設計控制系統電氣原理圖；使用者程式設計；準備中期檢查；
2011年05月，模擬除錯，畢業設計文稿定稿；準備畢業設計答辯；
2011年06月上旬，畢業設計答辯。
6 預期成果及其可能的創新點
預期成果：通過查閱文獻和資料，瞭解多工位加工系統的工作流程，通過設計四工位點焊機的控制系統，達到預期的要求能夠正常執行，可進行模擬除錯。可使點焊機在各個工位都能夠在所要求的時間內正常的執行工作。
    可能的創新點：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
參考文獻
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