機器人點焊論文

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

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

3、和電氣驅(qū)動兩種。其中電氣驅(qū)動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應(yīng)用較為廣泛。點焊機器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進行點焊作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設(shè)備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計算機的控制命令進行工作。焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。點焊機器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生

4、產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時又具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進行裝配焊接。應(yīng)用點焊機器人，有如下優(yōu)點：l 容易實現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動化；l 對生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力將大大加強；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)機器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.2.1工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工

5、業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(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)與國外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)。工業(yè)機器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關(guān)系，向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點焊機器人單元產(chǎn)品并以焊接機器人與整車生產(chǎn)線配套形式進入中國，在該領(lǐng)域占據(jù)市場主導(dǎo)地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機器

6、人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008年9月，機器人研究所研制完成國內(nèi)首臺165公斤級點焊機器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經(jīng)過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，該機器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達到國外同類機器人水平。1.2.2 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究。從機器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機器人和其它工業(yè)機器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面：l 機器人操作機結(jié)構(gòu)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，實現(xiàn)機器人操作機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高

7、負載/自重比。l 機器人控制系統(tǒng)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機的開放型控制器方向發(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)的性能進一步提高，實現(xiàn)軟件伺服和全數(shù)字控制；人機界面更加友好l 機器人傳感技術(shù)：機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、焊接機器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。l 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公

8、司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。l 虛擬機器人技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙控操作和人機交互。l 機器人性能價格比：機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修，而單機價格不斷下降。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)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，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行研究。2 機器人點焊系統(tǒng)電氣控制部分的組成和原理2.1 機器人點焊系統(tǒng)電氣控制部分的組成機器人點焊系統(tǒng)由機器人系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)構(gòu)成，工作站采用PROFIBUS+數(shù)字I/O實現(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 機器人點焊系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖2.2 機器人點焊系統(tǒng)的電氣控制原理系統(tǒng)上電，初始化機器人的狀態(tài)，主要包括機器人是否在原位，機器人工作是否完成；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，獲取和機器人工作站有

10、關(guān)的生產(chǎn)線的多個狀態(tài)，如輸送線是否處于自動狀態(tài)；相關(guān)傳感器的信號是否正常等。對于安全信號，則分等級處理，重要的安全信號通過和機器人的硬線連接，引起機器人急停；級別較低的安全信號通過PLC給機器人發(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，輸送線控制器通過傳感器來確定車型并通過編碼方式向機器人點焊工作站發(fā)出相應(yīng)的工作任務(wù)，點焊控制器接受任務(wù)并調(diào)用相應(yīng)的機器人程序進行焊接。焊接過程中，系統(tǒng)檢測機器人的工作狀態(tài)，如機器人發(fā)生錯誤或故障，系統(tǒng)自動停止機器人及焊槍的動作。當(dāng)機器人在車身不同的部位焊接時，需要不同的焊接參數(shù)?？刂坪笜寗幼鞯暮附涌刂破髦锌纱鎯Χ喾N焊接規(guī)范，每組焊接規(guī)范對應(yīng)一組焊接工

11、藝參數(shù)。機器人向PLC發(fā)出焊接文件信號，PLC通過焊接控制器向焊槍輸出需要的焊接工藝參數(shù)。車體焊接完成后，機器人可按設(shè)定的方式進行電極修磨。3 機器人點焊系統(tǒng)電氣控制部分硬件設(shè)計3.1 安全保護系統(tǒng)點焊機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對人員或設(shè)備構(gòu)成威脅。在機器人動作范圍內(nèi)，必須采取隔離措施保護，這些隔離保護措施可以是隔離柵欄，光柵，光幕，空間掃描裝置等。本設(shè)計采用隔離柵欄和光柵的保護措施。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 安全門回路3.1.1 隔離柵欄保護隔離柵欄的作用是將機器人的工作區(qū)域與外界隔離開來。設(shè)有一個

12、安全門，機器人在自動模式下工作時速度相當(dāng)快，如果有人打開安全門，試圖進入機器人工作區(qū)域內(nèi)，機器人會自行停止工作，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，必須使人手無法從上面伸進隔離范圍。柵欄分塊的大小根據(jù)柵欄的強度確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須避免柵欄彎曲過度。入口（安全門）只有一個，且和機器人自己的保護裝置以及上一級的緊急關(guān)斷裝置相聯(lián)。本設(shè)計的安全門回路如圖3.1所示。圖3.2 安全光柵3.1.2 安全光柵保護為確保安全，轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)動時不允許人員進入機器人工作區(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)臺工作時試圖從裝件區(qū)進入機器人工作區(qū)域必定要穿過安全光柵，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)臺停止信號。本設(shè)計安全光柵回路如圖3.2所示。3.1.3 急停回路在機器人點焊系統(tǒng)的調(diào)試運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)一些突發(fā)情況，例如工人在調(diào)試機器人過程中出現(xiàn)機器人動作偏離軌跡而要撞上轉(zhuǎn)臺夾具或焊鉗電極與板件粘結(jié)等，這就需要及時排除險情。本設(shè)計中，在機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)計時都采用了雙回路的形式，確保急?；芈返挠行?。 (a) 急停回路(b) 給機器人外部急停

14、(c) 給變頻器急停信號和急停復(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，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。l 信號模塊（I/O模塊） 輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱I/O模塊，分為開關(guān)量輸入，輸出模塊（DI/DO）和模擬量輸入，輸出模塊（AI/AO）。信號模塊是聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和CPU模塊的橋梁。模塊是聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和CPU模塊的橋梁。 輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕，選擇開關(guān)，

15、數(shù)字撥碼開關(guān)，限位開關(guān)，接近開關(guān)，光電開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號。模擬量輸入模塊用來接收電位器，測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流，電壓信號，或者直接接收熱電阻，熱電偶提供的溫度信號。 開關(guān)輸出模塊用來控制接觸器，電磁閥，電磁鐵和報警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動調(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實時性和存儲容量要求很高的控制任務(wù)，例如高速計數(shù)，位置控制和閉環(huán)控制。l 接口模塊（IM模塊） CPU模塊所在的機架稱中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可增設(shè)一個或多個擴展機架。接口模塊用來實現(xiàn)中央機架與擴展機架之間的通信，有的接口模塊還可

16、以為擴展機架供電。l 通信處理器（CP） 通信處理器（CP）用于PLC之間，PLC與遠程I/O之間，PLC與計算機和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將S7-300接入以太網(wǎng)，MPI，PROFIBUS-DP和AS-i，或者用于實現(xiàn)點對點通信等。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),對于它還沒有一個準(zhǔn)確而統(tǒng)一的定義。西門子公司將軟PLC的定義為“集控制、人機界面、數(shù)據(jù)處理、通訊等功能于一臺

17、PC的解決方案”；3S公司定義SoftPLC為“一種能將工業(yè)PC機轉(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PLC硬件支持下,在普通PC上開發(fā)和運行程序的軟件解決方案”。因此，SoftPLC可以說是傳統(tǒng)PLC的軟件解決方案,能夠在PC機上依靠一定的軟件平臺，完成PLC的所有功能,并具有開放的體系結(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： l 具有開放的體系結(jié)構(gòu)。 SoftPLC具有寬范圍的I/0端口和多種現(xiàn)場總線的接口,支持多種硬件，能解決傳統(tǒng)PLC互不兼容的問題,并具有第三方軟件接口，可支持多種語言編程(包括高

18、級語言),可允許用戶根據(jù)需求,靈活擴展系統(tǒng)功能。 l 遵循國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和事實上的工業(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機的資源，如大容量的內(nèi)存、高速CPU及其它硬件。 l 具有更強的數(shù)據(jù)處理能力。 相對于傳統(tǒng)PLC，軟PLC的CPU處理速度更快，能夠在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，能夠利用PC機的軟件平臺處理一些比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)類型，如浮點數(shù)和字符串等。 l 具有友好的人機界面，便于操作。 l 具有強大的網(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)備運行，實現(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，還能進行過程控制和運動控制。 l 節(jié)約成本和培訓(xùn)費用。 由于軟PLC具有開放的體系結(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)費用。3.2.3 PLC的選擇本設(shè)計使用德國KUKA公司生產(chǎn)的機器人，這種機器人集成了由KW-Software公司開發(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。所有語言都可混合于一個項目中。機械順序功能圖表語言( MSFC)也可以使用。由于循環(huán)

20、運行，因此它只需較短的試運行期。擴展的診斷功能只產(chǎn)生極少的停頓周期。而且，在自動化模式下可以很容易操作。西門子的ET200是基于現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP或PROFINET的分布式I/O。它接收的數(shù)據(jù)通過總線傳輸給PLC的CPU，CPU經(jīng)過處理后再把信號通過ET200的輸出輸送出去。由于機器人點焊系統(tǒng)的夾具，焊槍，轉(zhuǎn)臺等有許多控制信號，而且現(xiàn)場與控制柜距離較遠，因此將這些信號連接至ET200,ET200作為從站與機器人主站之間通訊，從而實現(xiàn)機器人SoftPLC對夾具等的控制。3.3 夾具系統(tǒng)本設(shè)計中共有兩套夾具，分別位于轉(zhuǎn)臺的A/B面，用于板件的定位。在轉(zhuǎn)臺的每一面都有兩個電感式接近開關(guān)，

21、如果板件放置無誤，則接近開關(guān)接通，夾具才可動作。用氣缸作為夾具的執(zhí)行機構(gòu)，氣缸的動作信號以及動作所需的氣體都過閥島來控制。閥島作為機器人子站通過總線與ET200相連，從而實現(xiàn)SoftPLC對夾具的控制。 3.3.1 電感式接近開關(guān)的工作原理如圖3.4所示，電感式接近開關(guān)由三大部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬板件接近這一磁場，并達到感應(yīng)距離時，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放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，傳輸?shù)絇LC，作為夾具關(guān)閉的必要條件。此時，接近開關(guān)的工作指示燈會點亮。如果指示燈沒有點亮，則說明板件位置沒

22、有放好，夾具則不會關(guān)閉，否則會將板件壓變形。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，其被分活塞為兩個腔室：有桿腔（簡稱頭腔或前腔）和無桿腔（簡稱尾腔或后腔）。有活塞桿的腔室成為有桿腔，無活塞桿的腔室稱為無桿腔7。當(dāng)PLC接收到夾具夾緊信號，通過總線傳輸?shù)介y島，閥島打開相應(yīng)氣路，壓縮空氣從無桿腔端的進氣口輸入，并在活塞左端面上的力克服了運動摩擦力，負載等反作用力，推進活塞前進，有桿腔內(nèi)的空氣經(jīng)該端排氣口排入大氣，使活塞伸出，從而帶動夾具夾緊。當(dāng)活塞前進到位時，接近開關(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，閥島收到信號后，關(guān)閉相應(yīng)氣路。同樣，當(dāng)PLC接收

23、到夾具松開信號時，壓縮空氣從有桿腔輸入，無桿腔氣體從排氣口排出，完成夾具松開動作。圖3.4 電感式接近開關(guān)圖3.5 氣缸工作原理3.3.3 閥島的工作原理整個夾具系統(tǒng)共有2套夾具，每套4組，每組2個，總共用到16個氣缸。如果每個氣缸都通過分立的電磁閥來控制，勢必會帶來大量信號，能量的管件和連線。當(dāng)這些管件和連線跟隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時，因泄露，堵塞，虛接或短路而引發(fā)的故障率就會較高，同時還給設(shè)備的管理和維護帶來不便。除此之外，在整個點焊機器人系統(tǒng)的設(shè)計過程中必須要經(jīng)過對所有分立元件的選型，驗收，組裝，調(diào)試以及整機安裝等繁多費時的步驟，必須投入大量的人力和費用。這不僅是整個系統(tǒng)的開發(fā)，制造周期延長，而且常

24、常因為人為因素出現(xiàn)設(shè)計或制造錯誤，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?；诖耍驹O(shè)計中夾具系統(tǒng)中所用到的汽缸都是通過Profibus DP總線型閥島這一電氣一體化的控制元件來控制的7。帶現(xiàn)場總線的閥島有一個總線輸入口和一個總線輸出口，這樣當(dāng)系統(tǒng)中有多個帶現(xiàn)場總線閥島或其他帶現(xiàn)場總線設(shè)備時，可以由近至遠串聯(lián)連接。這種閥島與外界的數(shù)據(jù)交換只需要通過一根兩股或四股的屏蔽電纜實現(xiàn)。這大幅度節(jié)省了接線時間，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)計采用轉(zhuǎn)臺的方式將兩種不同的板件連續(xù)地送到機器人工位進行焊接。3.4.1 電磁閥的工作原理轉(zhuǎn)臺在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位時，需要用定位銷將轉(zhuǎn)臺固定住，機器人才能對板件進行焊接。如果轉(zhuǎn)臺沒有固定，機器人在工作過程中會引起轉(zhuǎn)臺的偏位，導(dǎo)致焊點不在設(shè)計的位置，造成板件的報廢。本設(shè)計中轉(zhuǎn)臺用到兩個定位銷，正轉(zhuǎn)到位和反轉(zhuǎn)到位各一個。通過控制電磁閥的通斷帶動氣缸的運動，從而實現(xiàn)定位銷的上升與下降。本設(shè)計中用的電磁閥是單電控直動式電磁閥7，既利用電磁力直接推動閥桿（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，P、A斷開，閥沒有輸出。圖(b)所示電磁線圈通電時，電磁鐵推動閥芯向下移動

26、，使P、A接通，閥有輸出。 (a) 線圈斷電時的狀態(tài)(b) 線圈通電時的狀態(tài)圖3.7 單電控直動式電磁閥工作原理1電磁鐵 2閥芯 3彈簧3.4.2 變頻器控制電路的設(shè)計本設(shè)計中，轉(zhuǎn)臺電機是通過變頻器來控制的。電機設(shè)有兩種轉(zhuǎn)速，即低速和高速。當(dāng)系統(tǒng)在手動模式時，出于安全考慮，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時電機始終處于低速狀態(tài)；而在自動模式下，當(dāng)轉(zhuǎn)臺電機啟動之后就處于高速狀態(tài)，直到減速位的接近開關(guān)感應(yīng)到信號時，電機轉(zhuǎn)為低速運動，當(dāng)停止位接近開關(guān)感應(yīng)到信號，電機則停止。在這種情況下，低速運動作為轉(zhuǎn)臺電機由高速狀態(tài)到停止?fàn)顟B(tài)的一個過渡過程。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)臺系統(tǒng)的電路設(shè)

27、計位于轉(zhuǎn)臺的兩側(cè)上設(shè)有兩對電感式接近開關(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)臺兩側(cè)還設(shè)了超程保護，以便在停止位接近開關(guān)故障時，電機能停下來，防止發(fā)生碰撞。在轉(zhuǎn)臺上還設(shè)有制動器，用于在緊急狀況下，電機能夠抱閘停止。圖3.9所示為轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的電路原理圖。(a) 轉(zhuǎn)臺定位 (b)轉(zhuǎn)臺減速(c) 轉(zhuǎn)臺制動圖3.9 轉(zhuǎn)臺系統(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)計中使用的焊鉗為氣動焊鉗，如圖3.10所示。通過氣缸來實現(xiàn)焊鉗的閉合與打開。該焊鉗共有三種動作，既大開，小開和閉合。焊鉗動作過程及相應(yīng)動作功能如表3.1所示。圖3.11為焊鉗的控制電路。表3.1 焊鉗動

28、作過程及相應(yīng)動作功能焊鉗動作過程動作的功能大開小開避開障礙之后，到達焊點位置小開閉合開始打點閉合小開打點結(jié)束小開大開避開障礙，前往下一焊點位置圖3.10 C型氣動焊鉗圖3.11 焊鉗控制電路3.5.2 修磨器焊鉗在焊接一段時間之后電極頭表面會氧化磨損，這是需要將其修磨之后才能繼續(xù)使用9。本設(shè)計中為了實現(xiàn)生產(chǎn)裝備的自動化，提高生產(chǎn)節(jié)拍，為點焊機器人配備了一臺自動電極修磨器，實現(xiàn)電極頭工作面氧化磨損后的修銼過程自動化，同時也避免了人員頻繁進入生產(chǎn)線帶來的安全隱患。電極修磨機由機器人的內(nèi)置SfotPLC控制，示教專門的電極修銼程序來完成電極修銼。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 機器人點焊系統(tǒng)電氣控制部分軟件設(shè)計本設(shè)計中機器人點焊系統(tǒng)有兩種運行模式即自動模式和手動模式，因此軟件設(shè)計也分為自動模式下的軟件設(shè)計和手動模式下的軟件設(shè)計。當(dāng)工人進行示教程序調(diào)試（包括焊點及相應(yīng)軌跡的示教和修磨的示教），或進行故障處理時，選擇手動狀態(tài)，可以通過主控制柜上的各種按鈕來對夾具，轉(zhuǎn)臺進行操作。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試完畢，能夠批量生產(chǎn)時，選擇自動狀態(tài)，讓機器人點焊系統(tǒng)自動完成夾具的打開與夾緊，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，機器人的點焊以及修磨器修磨。在主控制柜上有手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，A/B面選擇開關(guān)，四個夾具打開按鈕，四個夾具夾緊按鈕，定位銷上升按鈕，定位銷下降按鈕，轉(zhuǎn)臺正轉(zhuǎn)按鈕，轉(zhuǎn)臺反轉(zhuǎn)按鈕，急停按鈕，故障

30、復(fù)位按鈕，系統(tǒng)啟動按鈕。4.1機器人點焊系統(tǒng)的工藝設(shè)計機器人點焊系統(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)計中機器人點焊系統(tǒng)的工藝對于本章的軟件設(shè)計是至關(guān)重要的。圖4.1示意了機器人點焊系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場的布局。根據(jù)這種布局，確定本設(shè)計中的系統(tǒng)工藝如下：假設(shè)初始時工作臺A面位于工件取放區(qū)，而工作臺B面位于機器人工位，而且機器人在原點。當(dāng)系統(tǒng)上電，A面夾具打開，工人放入工件后，夾具關(guān)閉，定位銷1下降，轉(zhuǎn)臺開始正轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)臺到位時，定位銷2上升，固定轉(zhuǎn)臺，之后機器人開始對A面板件進行焊接。與此同時，工作臺B面夾具應(yīng)該打開，工人取出板件，并且放入新件，之后B面夾具關(guān)閉，這些動作必須在機器人完成對

31、A面的點焊任務(wù)之前完成。當(dāng)機器人完成對A面的點焊任務(wù)，回到原點之后，發(fā)出工作完成信號，此時，定位銷2下降，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臺到位后定位銷1上升，機器人開始對B面板件進行焊接。如此循環(huán)下去，直到有中斷打破循環(huán)。圖4.1 機器人點焊系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場的安裝示意圖4.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計對于一個復(fù)雜的程序，一定要有一個程序總流程圖，以便反映各個程序子模塊間的內(nèi)在聯(lián)系，表達各個子模塊的功能。4.2.1 手動模式軟件總體設(shè)計手動模式軟件總體流程圖如圖4.3所示。圖4.3 手動模式軟件總體設(shè)計流程圖4.2.2 自動模式軟件總體設(shè)計根據(jù)對軟件任務(wù)的分析，得到自動模式軟件總體流程圖如圖4.4所示。圖4.4 自動模式軟

32、件總體流程圖4.3 夾具系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.3.1 夾具系統(tǒng)手動模式軟件設(shè)計若夾具現(xiàn)狀為打開，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接近開關(guān)工作指示必須點亮，這說明接近開關(guān)已經(jīng)感應(yīng)到板件，板件放置無誤，按下夾具關(guān)閉按鈕之后，夾具夾緊，絕不會造成板件變形。如果至少有一個接近開關(guān)沒有工作，按夾具關(guān)閉按鈕則無效。此時應(yīng)該檢查板件是否放置正確，或接近開關(guān)信號線是否接觸良好。手動模式夾具關(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，取出板件。夾具能打開的必要條件是轉(zhuǎn)臺必須到位，定位銷上升。以防轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)動時，誤操作將夾具打開，出現(xiàn)安全事故。手動模式夾具打開流

33、程圖如圖4.6所示。圖4.5 手動模式夾具關(guān)閉流程圖圖4.6 手動模式夾具打開流程圖圖4.7 自動模式夾具動作流程圖4.3.2 夾具系統(tǒng)自動模式軟件設(shè)計在自動模式下，無需手動按夾具打開、關(guān)閉按鈕，只要按照工藝流程，夾具打開、關(guān)閉的條件滿足了，系統(tǒng)自動完成相應(yīng)動作。圖4.7為自動模式夾具動作流程圖。4.4 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.4.1 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)手動模式軟件設(shè)計通過機器人的教示器設(shè)定機器人初始位置也是機器人工作完成之后回到的位置為機器人原點（安全點），既機器人停在這點能確保轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)動過程中不會因撞到機器人而損壞設(shè)備。手動模式下，按轉(zhuǎn)臺正轉(zhuǎn)按鈕或轉(zhuǎn)臺反轉(zhuǎn)按鈕可以啟動轉(zhuǎn)臺。轉(zhuǎn)臺只有在定位銷處于下降狀態(tài)

34、才能啟動，而定位銷下降的前提是機器人必須在原點。如果機器人不在原點，按定位銷下降按鈕是無效的。轉(zhuǎn)臺到位后，按下定位銷上升按鈕，將轉(zhuǎn)臺定位。圖4.8為手動模式轉(zhuǎn)臺動作流程圖。4.4.2 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)自動模式軟件設(shè)計在自動模式下，按照工藝流程，只要轉(zhuǎn)臺啟動的條件成立了，轉(zhuǎn)臺自動啟動。圖4.9所示為自動模式下轉(zhuǎn)臺動作流程圖 圖4.8 手動模式轉(zhuǎn)臺動作流程圖 圖4.9 自動模式轉(zhuǎn)臺動作流程圖結(jié) 論在本次畢業(yè)設(shè)計中，對機器人點焊系統(tǒng)電氣控制部分的硬件和軟件進行了設(shè)計。本系統(tǒng)在硬件方面主要設(shè)計了以下幾個模塊：1) 安全保護系統(tǒng)；2) 夾具系統(tǒng)；3) 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)；4) 焊接系統(tǒng)；在軟件方面主要完成以下幾個程序模塊：1) 夾具系統(tǒng)手動模式的程序設(shè)計；2) 夾具系統(tǒng)自動模式的程序設(shè)計；3) 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)手動模式的程序設(shè)計；4) 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)手動模式的程序設(shè)計；本論文是在對“電器與可編程控制器”課