馬曉東 機制08-1說明書

1、 （二二 一一 二二 年年 六六 月月 本科畢業(yè)設(shè)計說明書本科畢業(yè)設(shè)計說明書學(xué)校代碼：學(xué)校代碼： 1012810128學(xué)學(xué) 號：號： 題題 目目： 棱管法蘭自動焊機棱管法蘭自動焊機 PLCPLC 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)學(xué)生生姓姓名名 ：學(xué)學(xué) 院院 ： 機機 械械 學(xué)學(xué) 院院系系 別別：機機械械設(shè)設(shè)計計制制造造及及其其自自動動化化系系專專 業(yè)業(yè)：機機械械設(shè)設(shè)計計制制造造及及其其自自動動化化班班 級級指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師 ：摘 要焊接技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)制造中是一種很重要的加工工藝，焊接過程的質(zhì)量和效率直接影響產(chǎn)品的成本。與手工焊接相比，自動化焊接平均提高生產(chǎn)效率2.53倍，降低生產(chǎn)總成本3050%，焊

2、縫無損檢測一次合格率達(dá)99%以上。因此，加速研究焊接自動化技術(shù)，研制開發(fā)高水平的焊接自動化設(shè)備，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，增強功能和通用性，將成為今后幾年我國提高自動焊接技術(shù)的主要任務(wù)。本課題針對送變電、風(fēng)力機、大型戶外廣告牌塔筒的棱管與法蘭自動焊接工藝，在自動焊接機床的設(shè)計過程中引入焊接機器人的結(jié)構(gòu)和控制方法，使得該機床兼有焊接機器人的某些優(yōu)點，通用性和智能性與焊接專機相比顯著增強，但成本卻比焊接機器人大大降低。本文選用西門子PLC S7-200及擴展模塊EM-233，通過控制驅(qū)動1臺變頻器、2臺步進(jìn)電動機、2臺異步電動機、8臺伺服電動機來實現(xiàn)自動焊接。該裝備能夠連續(xù)完成棱管和法蘭自動組對以

3、及棱管與兩端法蘭內(nèi)外面自動焊接。關(guān)鍵詞:自動焊接技術(shù)、 棱管、S7-200、變頻器、電機 AbstractWelding technology in manufacturing metal structure is one kind of important processing technology, welding process quality and efficiency directly affects the cost of the product. Compared with manual welding, automatic welding average increase p

4、roduction efficiency of five point of two to three times, reduce the production cost of the percentage of thirty to fifty, non destructive testing of welds a pass rate of more than the percentage of ninety-nine. Accordingly, accelerate the research of welding automation technology, research and deve

5、lopment of high level automation of welding equipment, welding to ensure the stability of product quality, enhance the function and general, will be henceforth a few years of our country to improve the main task of automatic welding technology.The topic for electricity, wind machine, large-scale out

6、door advertising tower ribbed tube and flange in automatic welding, automatic welding machine is introduced in the design process of welding robot structure and control method of welding robot, makes the machine has certain advantages, versatility and intelligence and special welding machine were si

7、gnificantly enhanced, but the cost was significantly lower than the welding robot. This paper uses Siemens PLC S7-200and extended module EM-233, by controlling the driving1 inverters, two stepping motors, two asynchronous motor, eight servo motors to realize automatic welding. The equipment can be c

8、ompleted continuously ribbed tube and the flange on the automatic group and ribbed tube and flange ends to the inside and outside automatic welding.Key words: automatic welding technology, ribbed pipe, S7-200, inverter, motor目 錄引言.1第一章 緒 論.21.1 焊接自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .21.1.1 國內(nèi)外焊接自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 .21.1.2 計算機技術(shù)

9、在焊接自動化中的應(yīng)用 .31.1.3 焊接自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢 .41.2 自動焊接開放式數(shù)控系統(tǒng)簡介 .41.2.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)基本特征 .41.2.2 基于 PLC 的自動焊接開放式數(shù)控系統(tǒng) .51.3 課題背景、來源、意義與主要研究內(nèi)容 .61.3.1 課題背景.61.3.2 課題來源與意義.61.3.3 課題的主要研究內(nèi)容.71.4 系統(tǒng)控制方案 .71.5 檢測方案 .81.6 插補技術(shù) .8第二章 PLC 的應(yīng)用及對各電機的控制 .102.1 PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域.102.2 PLC 的工作原理及功能特點.102.2.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu).102.2.2 PLC 工作

10、原理.112.2.3 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).122.3 PLC 的選型及編程方式.122.4 PLC 對三相異步電機的控制及選型.122.4.1 PLC 對三相異步電機的控制.122.4.2 三相異步電機的選型 .132.5 PLC 對伺服電機的控制及選型.132.5.1 PLC 對伺服電機的控制.132.5.2 伺服電機的選型.142.6 PLC 對步進(jìn)電機的控制及選型.152.6.1 PLC 對步進(jìn)電機的控制.152.6.2 步進(jìn)電機的選型.162.7 PLC 對變頻器的控制及選型.16第三章 硬件要求.18第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計計算.19第五章 編制控制程序.215.1 自動焊接機的工作

11、流程圖 .215.2 各電動機的具體動作說明 .225.3 I/O 分配表.22結(jié)論與展望.25參考文獻(xiàn).26附錄.28致謝.43引 言焊接在金屬結(jié)構(gòu)制造中是一種很重要的加工工藝，幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬噸巨輪到不足 1 克的微電子元件，在生產(chǎn)中都不同程度地依賴焊接技術(shù)，焊接己經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個領(lǐng)域?，F(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，不斷對焊接技術(shù)提出更新更高的要求，而現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的新成就又為焊接方法和焊接專用設(shè)備的發(fā)展提供了寬廣而又深厚的技術(shù)平臺。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的焊接機械化和自動化程度高到 65%以上，焊接機器人制造技術(shù)日趨成熟，而我國僅有 10%，專用成套焊接設(shè)備和自動化焊接設(shè)備大部分依賴進(jìn)

12、口。近幾十年，我國焊接生產(chǎn)的機械化自動化水平有較明顯的提高，但從總體上看手工焊接仍然占據(jù)相當(dāng)大的比重，約 7 成的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品都是采用手工焊接完成的。比如鍋爐封頭焊接通管、管與管之間以任何角度焊接等復(fù)雜空間曲線接縫的焊接任務(wù)，由于沒有國產(chǎn)自動焊接設(shè)備能夠完成這項焊接作業(yè)，有實力的企業(yè)一般購買價格昂貴的焊接機器人，而一般企業(yè)則采用手工焊接，致使生產(chǎn)效率低、焊接質(zhì)量差。較之發(fā)達(dá)國家，我國的焊接設(shè)備無論是品種、數(shù)量、技術(shù)水平、自動化程度還是高新技術(shù)應(yīng)用等都與其存在較大的差距。20 世紀(jì) 90 年代，計算機技術(shù)在工業(yè)界的應(yīng)用得到了飛速發(fā)展，一些先進(jìn)的設(shè)計思想開始融入到焊接領(lǐng)域中，現(xiàn)代焊接自動化技術(shù)就主

13、要是依靠計算機控制技術(shù)來實現(xiàn)的。焊接過程是一個復(fù)雜的機電、化學(xué)、物理過程，但是它可以依賴計算機高精度的計算和大容量的存儲特性，自動準(zhǔn)確的建立焊接過程的數(shù)學(xué)模型，調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)焊接生產(chǎn)的數(shù)控化、自動化與智能化。自動焊接設(shè)備的計算機伺服控制技術(shù)是目前焊接生產(chǎn)自動化的一個發(fā)展方向，是目前焊接生產(chǎn)自動化技術(shù)研究的主體內(nèi)容之一，同時也是制約我國焊接設(shè)備自動化水平提高的瓶頸性因素。因此，加速研究伺服控制技術(shù)，研制開發(fā)高水平的焊接自動化設(shè)備，增強其功能和通用性，將成為今后幾年我國提高自動焊接技術(shù)的主要任務(wù)。第一章 緒 論1.1 焊接自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.1.1 國內(nèi)外焊接自動化技術(shù)的

14、發(fā)展現(xiàn)狀國外的焊接自動化技術(shù)發(fā)展水平較高，自動控制技術(shù)在焊接中的應(yīng)用較為成熟。典型的如瑞典 ESAB 公司的 ADI 系列管焊機川與 ADZ 系列管焊機，法國的 POLYSOUDE焊管機專業(yè)公司生產(chǎn)的 AUTOTIG140 型焊機，其焊接程序直接由面板上的鍵盤編寫，可記憶 24 套焊接程序。美國的 Weld logic , Inc.公司的管道全位置焊接設(shè)備，采用全微機控制，能存儲多段，多參數(shù)的焊接程序，在友好的人際界面提示下，用戶可以方便的進(jìn)行操作。這類設(shè)備功能強大，可以實現(xiàn)自動引弧、自動焊接，有的甚至還能夠自動檢測設(shè)備的故障和分析焊接質(zhì)量。美國的 Weld logic，Inc.公司的AWS-

15、2000 采用 IBM 的 PC 機作為控制核心，包括的功能有:精密焊接電源，機械式焊槍擺動，伺服控制的行走機構(gòu)，保護(hù)氣體控制，伺服控制的自動送絲機，自動采集數(shù)據(jù)等。所有的這些設(shè)備被安裝在一個堅固的模塊式機箱內(nèi)，其特點是焊接程序存儲量大，閉環(huán)控制所有的焊接工藝參數(shù)，Canfield 大學(xué)以計算機為基礎(chǔ)采用 VMF 總線控制臺對焊接電源和全部傳動軸如軌道頭、氣體流量控制閥等進(jìn)行實時監(jiān)測控制，在計算機與 VMF 控制臺、控制臺與焊接電源 CPU 之間采用串行通訊模式，所有的焊接參數(shù)都存儲在主計算機的數(shù)據(jù)庫中，借以實現(xiàn)管道的自動焊接。我國焊接自動化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用首先從研制自動焊接裝備開始，并且也已

16、經(jīng)取得了較大的成就。南昌航空工業(yè)學(xué)院設(shè)計了自動焊可編程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用日本立石公司的 C40P 型可編程控制器作為控制單元，采用霍爾傳感器檢測機頭旋轉(zhuǎn)位置，檢測精度達(dá)到 0.7。北京石油大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合研制了球罐焊接機器人，該系統(tǒng)采用兩點式視覺伺服反饋系統(tǒng)，選用工業(yè)控制級可編程控制器作為核心控制器件，外加自制的電機驅(qū)動等輔助電路，實現(xiàn)了對五自由度球罐焊接機器人的柔性磁輪的控制、跟蹤機構(gòu)的控制和焊槍擺動機構(gòu)的控制，并使之協(xié)調(diào)聯(lián)動，滿足焊接過程的要求。山東大學(xué)以凸輪仿形原理對焊接機械自動化進(jìn)行了專題研究，由于它屬于機械控制，其主要缺陷是柔性較低。天津市焊接研究所研制了一種四軸聯(lián)動弧焊機床，只

17、能完成處于同一面上焊縫的自動焊接。合肥工業(yè)大學(xué)研究開發(fā)了一種四坐標(biāo) CNC 自動焊機，主要用于焊接角縫。焊接自動化技術(shù)的研究應(yīng)該是建立在機、電、焊等各單項技術(shù)研究的基礎(chǔ)之上的。基于我國技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，研制開發(fā)高水平自動焊接設(shè)備尤其需要“電”和“焊”兩個單項技術(shù)加速研究、優(yōu)先發(fā)展。國內(nèi)對于“焊”單項技術(shù)的研究非常重視，取得了大量的研究成果。有關(guān)“電”單項技術(shù)的研究主要包括焊接電源、檢測和控制三個技術(shù)層面，目前對于焊接電源與檢測方法兩個技術(shù)層面的研究得到了重視，取得了一定的研究成果，控制技術(shù)層面是實現(xiàn)焊接自動化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要對焊槍、焊接件的運動進(jìn)行自動控制，然而，以自動焊接伺服控制作為專題進(jìn)行研

18、究的人員非常少，取得的研究成果較少而且不理想。例如，復(fù)雜空間曲線接縫的焊接(如鍋爐封頭與接管的焊接、管與管之間以任何角度的焊接等)在實際生產(chǎn)中占有較大的比重，但是我們對其自動焊接伺服控制技術(shù)的研究及其高水平自動焊接機床設(shè)備開發(fā)還是一項空白。1.1.2 計算機技術(shù)在焊接自動化中的應(yīng)用計算機在焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用起步較早，并且正逐步向焊接科研、生產(chǎn)、管理等各個領(lǐng)域深入發(fā)展。其應(yīng)用也是多方面的，概括地說來，主要包括計算機輔助焊接過程控制、焊接結(jié)構(gòu)的計算機輔助設(shè)計與制造、焊接專家系統(tǒng)、焊接工程數(shù)據(jù)庫、焊接機器人和模式識別、數(shù)值分析模擬和計算機仿真等六個方面。作為現(xiàn)代工業(yè)的一個重要加工環(huán)節(jié)，焊接過程的自動化

19、和智能化是保證焊接質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改變勞動條件的重要手段，也是未來焊接技術(shù)的發(fā)展方向，而計算機在這一過程中發(fā)揮著不可缺少的作用。計算機技術(shù)在上個世界 80 年代以來在焊接工程中逐步得到應(yīng)用，國際焊接學(xué)會、英國焊接研究所、美國焊接學(xué)會做了很大的努力。從 1986 年開始就先后多次召開關(guān)于計算機在焊接方面應(yīng)用的專會議，推動了計算機在焊接工程中的廣泛應(yīng)用。我國在 1989 年就曾召開過“焊接專家系統(tǒng)研討會” ，此后焊接學(xué)會和焊接協(xié)會又在 1992 年和 19%年聯(lián)合召開了兩次“全國計算機在焊接中的應(yīng)用交流會” ，對我國計算機在焊接工程中的應(yīng)用起到了很大的促進(jìn)作用。將焊接過程的自動化與智能化有機的

20、結(jié)合起來，即可構(gòu)成智能焊接操作機-焊接機器人，目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國家己較為廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。其中更具有普遍意義的是，許多專用成套焊接設(shè)備和自動化焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)將 PC 機優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理能力和良好的界面用于焊接工藝參數(shù)的輸入和管理，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和計算機在焊接過程控制中的應(yīng)用研究，使得上述的控制系統(tǒng)不斷改進(jìn)、從而減小了焊接施工勞動強度、降低了成本、提高了焊接質(zhì)量。1.1.3 焊接自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢焊接生產(chǎn)自動化是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的方向?，F(xiàn)代焊接自動化技術(shù)將在高性能的微機波控制焊接電源基礎(chǔ)上發(fā)展智能化焊接設(shè)備，在現(xiàn)有的焊接機器人基礎(chǔ)上發(fā)展柔性焊接工作站和焊接生產(chǎn)線，最終實現(xiàn)焊接計算

21、機集成制造系統(tǒng) CIMS。其發(fā)展趨勢集中體現(xiàn)在一下三個方面:(1)成套焊接設(shè)備微機自動化控制技術(shù)的發(fā)展微機控制系統(tǒng)在各種自動焊接與切割設(shè)備中的作用不僅是控制各項焊接參數(shù)，而且必須能夠自動協(xié)調(diào)成套焊接設(shè)備各組成部分的動作，實現(xiàn)無人操作，即實現(xiàn)焊接生產(chǎn)數(shù)控化、自動化與智能化。(2)焊接設(shè)備智能控制技術(shù)的發(fā)展把人工智能技術(shù)引入焊接設(shè)備形成了焊接設(shè)備的智能控制系統(tǒng)，這一領(lǐng)域具有代表性的是焊接過程的模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和焊接專家系統(tǒng)。其顯著特點是:控制過程涉及領(lǐng)域?qū)＜业闹R、經(jīng)驗，建立知識庫及推理實現(xiàn)相應(yīng)的決策，進(jìn)行控制。在高性能波控制焊接電源基礎(chǔ)上發(fā)展智能化的焊接設(shè)備，是今后焊接設(shè)備的發(fā)展方

22、向。(3)焊接計算機集成制造系統(tǒng) CIMS 技術(shù)的發(fā)展在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的 CIMS 是集下料、裝配、焊接等為一體的機器人生產(chǎn)中心，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)真正的高精度、全自動化的現(xiàn)代化革命，是未來焊接生產(chǎn)的發(fā)展方向。(4)焊縫跟蹤焊接自動化技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分之一，而現(xiàn)代焊接自動化技術(shù)又是一個高新技術(shù)群，將電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息和軟件技術(shù)迅速地引入焊接領(lǐng)域，不斷提高焊接生產(chǎn)的自動化程度，實現(xiàn)焊接過程控制的智能化、焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化以及焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的集成化，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件，已成為焊接自動化技術(shù)發(fā)展的趨勢所在。1.2 自動焊接開放式數(shù)控系統(tǒng)

23、簡介1.2.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)基本特征IEEE 定義開放式數(shù)控系統(tǒng)為符合系統(tǒng)規(guī)范的應(yīng)用可以運行在多個銷售商的不同平臺上，可以與其它的系統(tǒng)應(yīng)用互操作，并且具有一致風(fēng)格的用戶交互界面。開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)普遍采用模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，并向外提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口，其基本特征為：(1)可移植性系統(tǒng)的功能軟件與設(shè)備無關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機理，使構(gòu)成系統(tǒng)的各功能模塊可來源于不同的開發(fā)商，并且通過一致的設(shè)備接口，使各功能模塊能運行于不同供應(yīng)商提供的硬件平臺之上。(2)可擴展性系統(tǒng)的功能、規(guī)?？梢造`活設(shè)置，方便修改，可根據(jù)使用的要求不同，增加或減少功能模塊，以滿足不同場合對數(shù)控系統(tǒng)的要求。

24、(3)可互補性指構(gòu)成系統(tǒng)的各硬件模塊、功能軟件的選用不受單一供應(yīng)商的控制，可根據(jù)其功能、可靠性及性能要求相互替換，而不影響系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)運行。1.2.2 基于 PLC 的自動焊接開放式數(shù)控系統(tǒng)PLC 技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC 的性能，特別是其運算速度、存儲容量、FO 接口能力、可靠性等方面的顯著提高，使得用它作為數(shù)控裝置的控制系統(tǒng)成為可能。近幾年基于 PLC 的數(shù)控系統(tǒng)成為 CNC 發(fā)展的主要方向。與以前的數(shù)控系統(tǒng)相比，基于PLC 的數(shù)控系統(tǒng)(簡稱 PLCNC)具有如下優(yōu)點:(l)成本低，采用 PLC 作為控制系統(tǒng)的核心，可以節(jié)省開發(fā)專用硬件的費用，從而大大降低系統(tǒng)的成本。(2)具有開放性 PL

25、C 總線是一種開放性總線，這使得 PLCNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)具有開放性、模塊化、可嵌入的特點。機床廠和用戶一方面可以根據(jù)需要選擇合適的軟硬件模塊，以最低的成本組成性能最佳系統(tǒng)，另一方面也可方便地進(jìn)行二次開發(fā)，追加系統(tǒng)功能，實現(xiàn)功能的個性化。(3)軟件開發(fā)環(huán)境完備市場上大量的 PLC 軟件開發(fā)工具使系統(tǒng)開發(fā)工作量大大減少。(4)軟件資源豐富各種 CAD/CAM 軟件、工廠管理軟件、通信軟件、多媒體軟件可以大大提高 CNC 圖形顯示、動態(tài)仿真、編程和診斷功能?；陂_放式數(shù)控系統(tǒng)的焊接數(shù)控系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)開放，功能模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，性能強大的焊接數(shù)字化系統(tǒng)，將改變傳統(tǒng)的焊接數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)封閉的局面，解決變化

26、頻繁的需求與封閉控制系統(tǒng)之間的矛盾，從而建立一個統(tǒng)一的可重構(gòu)的系統(tǒng)平臺，增強系統(tǒng)的柔性。本文所設(shè)計的棱管法蘭自動焊接系統(tǒng)，可焊接多種型號的棱管，實時控制系統(tǒng)各模塊之間保留了統(tǒng)一的接口，根據(jù)用戶的需要可隨時添加所需的模塊，既滿足了用戶的需要，又提高了該系統(tǒng)的實用性。1.3 課題背景、來源、意義與主要研究內(nèi)容1.3.1 課題背景焊接在金屬結(jié)構(gòu)制造中是一種很重要的加工工藝，焊接過程的質(zhì)量和效率直接影響產(chǎn)品的成本，近幾十年，我國焊接生產(chǎn)的機械化自動化水平有較明顯的提高，但從總體上看手工焊接仍然占據(jù)相當(dāng)大的比重，約70%的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品都是采用手工焊接完成的，而發(fā)達(dá)國家65%以上的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品都采用自動焊

27、接設(shè)備完成，與手工焊接相比，自動化焊接平均提高生產(chǎn)效率2.5-3倍，降低生產(chǎn)總成本30-50%，焊縫無損檢測一次合格率達(dá)99%以上。較發(fā)達(dá)國家，我國的焊接設(shè)備無論是品種、技術(shù)水平、自動化程度還是高新技術(shù)應(yīng)用等都不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，國產(chǎn)自動焊接設(shè)備主要是一些自動化程度較低、功能單一的自動焊接設(shè)備，其中還有很多仍然需要手工操作的半自動焊接設(shè)備。復(fù)雜空間曲線接縫焊接任務(wù)在實際生產(chǎn)中占有較大的比重，由于沒有國產(chǎn)自動焊接設(shè)備能夠完成這種焊接任務(wù)，有實力的企業(yè)一般購買價格昂貴的焊接機器人進(jìn)行這項作業(yè)，而一般企業(yè)采用手工焊接，致使生產(chǎn)效率低、焊接質(zhì)量差。因此，加速研究伺服控制技術(shù)，研制開發(fā)高水平的焊

28、接自動化設(shè)備，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，增強功能和通用性，將成為今后幾年我國提高自動焊接技術(shù)的主要任務(wù)。為了增加塔筒的強度和剛度，在大型塔筒的制造中支撐件都由原來的圓管改為棱管，多級塔筒用法蘭相互連接而成。圓管法蘭焊接目前已有專用焊接設(shè)備，只要焊槍不動圓管轉(zhuǎn)動就可同時完成法蘭與圓管的內(nèi)外焊接。但棱管與法蘭的焊接時，要求焊槍和工件的距離、焊接速度、焊槍的角度要適時地隨著棱管的外形變化而變化。我區(qū)是國內(nèi)重要的能源基地，火電場和風(fēng)電場眾多，近年來，與之配套的生產(chǎn)企業(yè)也越來越多，對鐵塔的需求很大，自動焊機的需求也隨之增大。1.3.2 課題來源與意義本課題針對送變電、風(fēng)力機、大型戶外廣告牌塔筒的棱管與法

29、蘭焊接工藝，開發(fā)棱管法蘭自動焊機。課題來源于企業(yè)，在自動焊接設(shè)備的設(shè)計過程中引入焊接機器人的結(jié)構(gòu)和控制方法，使得該設(shè)備兼有焊接機器人的特點，通用性和智能型與焊接專機相比顯著增強，但成本卻比焊接機器人低。本次畢業(yè)設(shè)計使學(xué)生得到一次液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)的訓(xùn)練。提高學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、綜合實踐及應(yīng)用能力。1.3.3 課題的主要研究內(nèi)容本課題的主要研究內(nèi)容包括:(1)硬件系統(tǒng)的構(gòu)建采用西門子 PLC、變頻器、異步電機、伺服電機、步進(jìn)電機及其相應(yīng)驅(qū)動器組成五個自由度聯(lián)動的伺服控制硬件系統(tǒng)，通過 PLC 控制 12 個電機的運行以及各種信號處理。(2)焊槍動作數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建以其中棱管一條邊為

30、例，建立能正確、恰當(dāng)?shù)谋碚鲗嶋H系統(tǒng)特征的數(shù)學(xué)模型，即建立復(fù)雜空間曲線焊縫以及焊槍姿態(tài)的數(shù)學(xué)模型。(3)插補控制算法形成以焊接精度為約束條件，以等步長細(xì)分的插補方法完成對相貫線接縫的粗插補運算，將粗插補獲得的五軸向位移量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的步進(jìn)電機控制信號，并通過開關(guān)量發(fā)送到步進(jìn)電機電機驅(qū)動器上，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成動作，實現(xiàn)對相貫線焊縫的精插補。(4)自動焊接軟件系統(tǒng)平臺的開發(fā)利用 STEP7-Micro/WinV40 軟件構(gòu)建操作軟件系統(tǒng)平臺，以界面友好為設(shè)計目標(biāo)，按照功能進(jìn)行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)自動焊接數(shù)據(jù)處理、控制等需要的各種操作。(5)系統(tǒng)精度的分析、改善與初步試驗研究針對本文所設(shè)計的自動焊接機床開環(huán)

31、控制系統(tǒng)，討論了可能導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低的因素，并提出相應(yīng)的改善措施。通過對典型曲線的繪制，進(jìn)一步驗證算法的正確性。1.4 系統(tǒng)控制方案 我們設(shè)計的法蘭與柱管組對內(nèi)外環(huán)縫自動焊接設(shè)備，該設(shè)備不但能實現(xiàn)棱管的自動化焊接，更重要的是它將以前的組對焊接中兩個工序組合到一個工上，其中最主要的就是空心卡盤設(shè)計，使內(nèi)縫焊接與外縫焊接得以同時進(jìn)行，縮短了焊接時間，同時由于用工裝強制防止工件變形，被焊接件的轉(zhuǎn)動是靠卡盤提供，這樣就使焊接工件變形問題得到解決。棱管法蘭的焊接分兩步完成，第一步是組對，第二步是焊接，分兩個工序完成。在法蘭組對設(shè)備上先將法蘭固定在機床的法蘭卡盤上，然后再將棱管放在托輥上，通過調(diào)節(jié)托輥將棱

32、管插入法蘭孔內(nèi)，通過點焊使法蘭與管固定，然后將焊件整體拆下，送到焊接工位，用自動焊接機，對法蘭與柱管之間的內(nèi)外縫實施焊接。焊接時，在法蘭內(nèi)外各設(shè)一把焊槍，主軸帶動管件轉(zhuǎn)動，焊槍通過擺動對內(nèi)外兩焊縫進(jìn)行焊接。這種方法是專門針對棱管與法蘭進(jìn)行焊接，通過程序設(shè)計也可以對圓管與法蘭的焊接，因為棱管放在可旋轉(zhuǎn)的托輥上，主軸可以帶動工件平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，焊槍與工件距離、焊接速度、焊槍角度也是時刻發(fā)生變化的。所以對棱管與法蘭可以進(jìn)行連續(xù)、自動焊接。1.5 檢測方案為了保證整個設(shè)備精度，和設(shè)備自動化程度，在設(shè)備重要部分安裝了檢測裝置。(1)卡盤自動對位裝置：一般來說，對管件兩端法蘭的連接孔有同軸等位置要求。在兩法蘭安

33、裝在卡盤上之后只要按一下復(fù)位按鈕，卡盤上的傳感器就能檢測到銷軸孔的位置，并啟動調(diào)整電機予以調(diào)整，直到滿足對位要求后停止，為柱管與法蘭的組對做好準(zhǔn)備。(2)兩卡盤面的距離檢測系統(tǒng)：為了控制工件長度，在托輥上設(shè)置了一個滾輪編碼器，可以檢測托輥的行走距離；在焊接工件時可以在觸摸屏上設(shè)置工件長度，在插入筒體后，按下托輥行走按鈕，托輥就會自動行走到設(shè)定位置，這樣就保證工件的長度。(3)托輥升降檢測裝置：當(dāng)工件焊接完成后，為了保證工件平穩(wěn)從卡盤上拆下來，在托輥升降電機上安裝了扭矩傳感器。這是由于法蘭是用壓板壓在卡盤上的，焊接完成后需先將托輥升起，托住焊件，然后再拆下壓板，但是如果托輥沒有支承住工件或者支撐

34、力小于工件重量，拆掉壓板就會對托輥產(chǎn)生沖擊。反之，如果托輥對工件支撐力過大就容易撞壞工件及其工裝設(shè)備，甚至燒壞升降電機。為了確保托輥、工件和其它設(shè)備安全，利用托輥升降裝置上安裝的扭矩傳感器測量托輥升降的力，在每次安裝新產(chǎn)品時只要設(shè)置托輥的頂升力，托輥在頂?shù)轿恢眉磳ぜ型辛Φ扔诠ぜ亓繒r，托輥電機就會自動斷電保護(hù)，使托輥立刻停止頂升運動。(4)該設(shè)備還安裝了各種防撞裝置，防止焊槍運動機構(gòu)與工件相撞，損壞設(shè)備。1.6 插補技術(shù)插補(Interpolation)就是根據(jù)所給定的進(jìn)給速度和輪廓線形的要求，在輪廓已知點之間，確定一些中間點的方法，這種方法稱為插補方法或插補原理。插補技術(shù)是機床數(shù)控的核心

35、技術(shù)之一。在 CNC 系統(tǒng)中，插補器的硬件功能全部或部分地由計算機的系統(tǒng)程序來實現(xiàn)。CNC 根據(jù)來自數(shù)據(jù)處理結(jié)果緩沖區(qū)中存儲的零件程序數(shù)據(jù)段的信息，以數(shù)字方式進(jìn)行計算，不斷向系統(tǒng)提供坐標(biāo)軸的位置命令，這種計算叫做插補計算，簡稱插補。插補軟件的任務(wù)是完成在輪廓出發(fā)點到終點的中間點的坐標(biāo)計算。尤其對于輪廓控制系統(tǒng)而言，插補是最重要的計算任務(wù)。插補必須是實時的，即必須在有限的時間內(nèi)完成計算任務(wù)，對各坐標(biāo)軸分配速度或位置信息。插補程序的運行時間和計算精度影響著整個 CNC 系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在此我們只介紹我們選用的脈沖增量插補。脈沖增量插補也稱為行程標(biāo)量插補，就是用軟件模擬 NC 系統(tǒng)常用的逐點比較法、

36、DDA積分法以及這兩種算法的改型算法。插補的結(jié)果是產(chǎn)生單個的行程增量，以一個個脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機。脈沖增量插補輸出的頻率主要受插補程序所用的時間限制，適用于中等精度和中等速度，以步進(jìn)電機為驅(qū)動元件。第二章 PLC 的應(yīng)用及對各電機的控制2.1 PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的高速發(fā)展，PLC 產(chǎn)品高度融合了計算機產(chǎn)業(yè)最先進(jìn)的技術(shù)與工業(yè)自動控制的經(jīng)典理論，在其功能及性能指標(biāo)上得以豐富和完善，從而突破了傳統(tǒng) PLC 的概念，在中、小型控制領(lǐng)域內(nèi)極大地擴展了其應(yīng)用范圍。在特定的范圍內(nèi)，高性能價格比己成為新型 PLC 的最突出的特點。PLC以其高可靠性、適應(yīng)

37、性強和使用方便等突出優(yōu)點在自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。另外，PLC 的制造成本不斷下降，而其功能卻不斷增強。目前在先進(jìn)工業(yè)國家中 PLC 已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)用面幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)，諸如鋼鐵、冶金、采礦、水泥、石油、化工、輕工、電力、機械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保、交通、建筑等各行各業(yè)。特別是輕工行業(yè)中，生產(chǎn)門類多、加工方式多變、產(chǎn)品更新?lián)Q代快，PLC 廣泛應(yīng)用在組合機床自動化生產(chǎn)線、專用機床、塑料機械、包裝機械、電梯等電氣設(shè)備中。PLC 已躍居現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱 PLC，ROBOT，CADCAM)的主導(dǎo)地位。PLC 廣泛的應(yīng)用在以下領(lǐng)域：1)邏輯控制領(lǐng)域；2)運動控制領(lǐng)域；3)

38、過程控制領(lǐng)域；4)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域；5)多級控制領(lǐng)域。2.2 PLC 的工作原理及功能特點為了介紹 PLC 的工作原理我們首先介紹 PLC 的基本結(jié)構(gòu)，然后介紹 PLC 的工作原理，最后介紹一下 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。2.2.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu)可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1 所示?？删幊绦蚩刂破髦饕?CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊、編程裝置和電源組成。圖 2.1 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖2.2.2 PLC 工作原理當(dāng) PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC 的 CPU

39、以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段，如圖 2.2 所示。圖 2.2 PLC 的掃描周期在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 IO 映像區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，IO 映像區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2.2.3 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由于本系統(tǒng)需要控制的對象較多，我們選擇集中控制系統(tǒng)。集中控制系統(tǒng)用一臺功能強大的 PLC 監(jiān)視、控制多個設(shè)備，形成中央集中式的

40、計算機控制系統(tǒng)。其中，各個設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)、連鎖關(guān)系、運行順序等統(tǒng)一由中央 PLC 來完成。如圖 2.3 所示圖 2.3 集中控制示意圖2.3 PLC 的選型及編程方式綜合各方面選型原則進(jìn)行考慮，我們選擇西門子公司的 S7-200 系列 PLC。由于本次設(shè)計涉及到多個電動機的控制，根據(jù) I/O 點分配表可以知道，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點 52 個、開關(guān)量輸出點 30 點。我們選擇 PLCS7-200 的 CPU 226 AC/DC /繼電器，24 輸入/16 輸出，另外需要選擇兩個擴展模塊 EM223 16 輸入/16 輸出 24VDC，共 56 個輸入，48 個輸出，足夠使用。SIEMENS 公司

41、的 step7 編程軟件有梯形圖、功能圖和語句表等多種編程語言，我們選擇梯形圖的方式。2.4 PLC 對三相異步電機的控制及選型2.4.1 PLC 對三相異步電機的控制在生產(chǎn)過程中,往往要求電動機能夠?qū)崿F(xiàn)正反兩個方向的轉(zhuǎn)動,如起重機吊鉤的上升與下降,機床工作臺的前進(jìn)與后退等等。由電動機原理可知，只要把電動機的三相電源進(jìn)線中的任意兩相對調(diào)，就可改變電動機的轉(zhuǎn)向。因此正反轉(zhuǎn)控制電路實質(zhì)上是兩個方向相反的單相運行電路，為了避免誤動作引起電源相間短路，必須在這兩個相反方向的單向運行電路中加設(shè)必要的互鎖。按照電動機可逆運行操作順序的不同，就有了“正-停-反”和“正-反-停”兩種控制電路。本設(shè)計就對三相異

42、步電動機的正反轉(zhuǎn)控制，順序起動等系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，還有其它的像制動和調(diào)速控制在這里我就不再設(shè)計，主電路都是一樣的，就控制電路有一點小差異，使用 PLC 控制三相異步電動機有很多好處的：不易老化，設(shè)備簡單，結(jié)構(gòu)合理，便于控制價格便宜等，三相異步電動機要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個旋轉(zhuǎn)磁場，三相異步電動機的定子繞組就是要來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。我們知道，在相電源與相之間是相差 120 度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也相差 120 度，這樣，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。電流每變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化時同步的。旋轉(zhuǎn)

43、磁場的轉(zhuǎn)速為 n=60t/p，式中 f 為電源效率，P 是磁場的磁極對數(shù)，n 的單位是每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，根據(jù)此式我們知道，電動機的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用的電源頻率有關(guān)，用 PLC 控制三相異步電動機也需要對電動機的屬性和旋轉(zhuǎn)方式有所了解，這樣才能控制好三相異步電動機的方向和特性，不至于使用不當(dāng)使電動機損壞，電動機的頻率一定要符合要求。2.4.2 三相異步電機的選型異步電機的選型如表 2-1 所示表 2-1 三相異步電動機選型名稱型號額定功率(KW)轉(zhuǎn)速（r/min )主軸電機（1 臺）Y160M2-85.5720床身電機（1 臺）Y132M-837102.5 PLC 對伺服電機的控制及選型2.5.1 P

44、LC 對伺服電機的控制交流伺服電機的定子裝有三相對稱的繞組，而轉(zhuǎn)子是永久磁極。當(dāng)定子的繞組中通過三相電源后，定子與轉(zhuǎn)子之間必然產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)場。這個旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。電機的轉(zhuǎn)速也就是磁場的轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)子有磁極，所以在極低頻率下也能旋轉(zhuǎn)運行。所以它比異步電機的調(diào)速范圍更寬。而與直流伺服電機相比，它沒有機械換向器，特別是它沒有了碳刷，完全排除了換向時產(chǎn)生火花對機械造成的磨損，另外交流伺服電機自帶一個編碼器?？梢噪S時將電機運行的情況“報告”給驅(qū)動器，驅(qū)動器又根據(jù)得到的“報告”更精確的控制電機的運行。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)

45、動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)） 。伺服電動機的控制方式包括轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制和位置控制，可以通過設(shè)置驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)而達(dá)到控制目的。因此可以通過 PLC 和驅(qū)動器兩個處理器來控制交流伺服電動機，這樣就能夠在他們之間靈活分配任務(wù)。在本設(shè)計中，要求控制交流伺服電動機的正反轉(zhuǎn)及速度，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制需要再通過電機的驅(qū)動器進(jìn)行設(shè)計。PLC 的作用是對驅(qū)動器進(jìn)行控制，開啟或關(guān)閉這些功能，從而實現(xiàn)對交流伺服電機的控制。伺服電機在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，它將接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為軸的角位移或

46、角速度輸出。在控制中我們采用模擬量控制方式，利用模擬量的大小和極性來控制電機的轉(zhuǎn)速和方向，從而簡單、方便的實現(xiàn)利用 PLC 輸出的模擬量實現(xiàn)對伺服電機的速度較為精準(zhǔn)的控制。 交流伺服電動機運動控制系統(tǒng)PLC主機的硬件接線圖，如圖2.4所示，根據(jù)使用說明書，我們采用外部輸入模擬量速度控制：根據(jù)模擬指令輸入(010V)的幅值、極性和驅(qū)動器參數(shù)F0cF0e的設(shè)置，控制電機運轉(zhuǎn)的速度及方向。圖 2.4 伺服電機控制系統(tǒng)硬件接線圖2.5.2 伺服電機的選型（1）托輥電動機托輥電機及驅(qū)動器選型如表 2-2 所示表 2-2 托輥電機及驅(qū)動器選型名稱電機型號額定功率(KW)驅(qū)動器型號左右單動電機（1 臺）12

47、0MB1.5GS0150A左右聯(lián)動電機（1 臺）120MB1.5GS0150A上下聯(lián)動電機（1 臺）190HB1500B-001000011SS-0120A（2）機械手電動機機械手電機及驅(qū)動器選型如表 2-3 所示表 2-3 機械手電機及驅(qū)動器選型名稱型號額定功率(KW)驅(qū)動器前后運動電機（2 臺）80CB075C-0100000.75GS0075A左右運動電機（1 臺）80CB075C-0100000.75GS0075A上下運動電機（2 臺）80CB075C-0100000.75GS0075A2.6 PLC 對步進(jìn)電機的控制及選型2.6.1 PLC 對步進(jìn)電機的控制步進(jìn)電機的控制電路包括 P

48、LC 和驅(qū)動電路兩大部分。本系統(tǒng) PLC 采用西門子公司的 S7-200 系列的 CPU226，它有 24 輸入/16 輸出，I/O 共計 40 點，滿足系統(tǒng)要求，并有一定的余量。PLC 用來產(chǎn)生頻率連續(xù)可變的脈沖信號，驅(qū)動電路包括環(huán)形分配器和功率放大器，環(huán)形分配器的主要功能是將 PLC 送來的一串指令脈沖，按步進(jìn)電機所要求的通電順序分配給步進(jìn)電機的驅(qū)動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通斷，實現(xiàn)步進(jìn)電機的運行及換向。當(dāng)步進(jìn)電機在一個方向上連續(xù)運行時，其各相通、斷的脈沖分配是一個循環(huán)，因此稱為環(huán)形分配器。環(huán)形分配器的輸出不僅是周期性的，又是可逆的。環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來實現(xiàn)，分別

49、稱為硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器的種類很多，它可由 D 觸發(fā)器或 JK 觸發(fā)器構(gòu)成，亦可采用專用集成芯片或通用可編程邏輯器件。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，將其存入 PLC 的存儲單元中即可。本文實現(xiàn)了用 PLC 軟件來完成脈沖的分配功能，使線路簡化，節(jié)省了硬件資源，降低系統(tǒng)的成本，并可靈活地改變步進(jìn)電機的控制方案。交流步進(jìn)電動機運動控制系統(tǒng) PLC 主機硬件接線圖，如圖 2.5 所示。圖 2.5 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)硬件接線圖2.6.2 步進(jìn)電機的選型焊槍擺動電動機選型如表 2-4 所示表 2-4 焊槍擺動電動機及驅(qū)動器選型名稱型號轉(zhuǎn)矩（Nm）驅(qū)動器焊槍擺動電機（

50、2 臺）86BYG350BH5SH-308062.7 PLC 對變頻器的控制及選型變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流） 、濾波、逆變（直流變交流） 、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖

51、2.6 示。圖2.6 變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)選用西門子變頻器MM440，采用PLC和變頻器調(diào)節(jié)交流異步電機轉(zhuǎn)速的方法。給定的速度與經(jīng)由PLC高速計數(shù)模塊反饋回來的實際速度相減產(chǎn)生速度誤差，經(jīng)PLC運算可得控制量，再由接口輸出到變頻器MM440以驅(qū)動交流電機，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。由于PLC與變頻器之間沒有采用D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而是采用了MM440進(jìn)行數(shù)字通信，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。測速裝置采用編碼器克服了過去調(diào)速系統(tǒng)中采用測速發(fā)電機輸出特性存在死區(qū)和非線性區(qū)，體積大，誤差大等缺點。第三章 硬件要求本系統(tǒng)以一臺小型 PLC 控制 12 臺電動機，整個系統(tǒng)由 PLC、變頻基礎(chǔ)傳動和驅(qū)動

52、器等組成?？刂葡到y(tǒng)采用西門子 S7-200 系列的 CPU226 及擴展模塊 EM223，PLC 是實時控制的核心，它根據(jù)焊接棱管與法蘭的參數(shù)提前設(shè)定主軸電機和床身電機速度，然后進(jìn)行組對工作，然后機械手運動開始焊接，通過伺服反饋各電機的速度，計算出各個電機的理論速度，然后向驅(qū)動器發(fā)送指令，設(shè)置各電機的速度，從而實現(xiàn)電機的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)構(gòu)成如下：1.電氣部分：（1）我們采用北京和利時公司生產(chǎn)的電動機，三相異步電機 2 臺，交流伺服電機 8 臺，步進(jìn)電機 2 臺，參數(shù)見前幾章列表。（2）變頻器：采用一臺西門子 MM440 系列變頻器對電機進(jìn)行變頻調(diào)速控制，這不僅增強了系統(tǒng)的控制性能而且減少了系統(tǒng)布

53、線和調(diào)試時間。所有的變頻器和電機的參數(shù)如：電機實際速度、電機電流、電機輸出力矩以及變頻器和電機的運行狀態(tài)都可以通過串行口來訪問。另外還可以實時地通過 PLC 來修改變頻器和電機的參數(shù)，例如變頻器的斜坡時間等。（3）PC 機一臺：采用 S7-200 編程軟件 STEP7-Micro-V4.0。（4）PLC：采用一臺西門子 S7-200PLC 及擴展模塊,選用 CPU 型號為 226 型號,擴展模塊型號為 EM223。CPU226 集成 24 輸入16 輸出共 40 個數(shù)字量 I0 點，EM223 集成 16 輸入16 輸出共 32 個數(shù)字量 I0 點。2.控制部分：西門子 S7-200 作為主站

54、，通過變頻器或驅(qū)動器將各電機連接起來，形成一個控制網(wǎng)絡(luò)，完成系統(tǒng)的控制。3.驅(qū)動部分：由西門子 Micromaster440 變頻器和電機驅(qū)動器等組成。4.通訊部分：系統(tǒng)通訊由兩部分組成：一是 PLC 與變頻器之間的通訊，二是 PLC 與驅(qū)動器之間的通訊。5.軟件部分：Windows XP Professional 操作系統(tǒng)，編程環(huán)境 STEP7-Micro/WinV4.0 SP4。第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計計算由檢測裝置可測得檢測點的坐標(biāo)，已知中心點的坐標(biāo)和中心線到檢測點的水平距離，則可求得 a ,b 邊的長度，從而可算出 c 邊的長度?？梢詳M定以 c 為半徑的圓在設(shè)定焊接周期點上完成焊接任務(wù)。焊

55、槍的焊接動作圖如圖 4.1 所示。圖 4.1 焊槍動作示意圖具體計算：1.首先建立數(shù)學(xué)模型，建立如圖 4.2 所示坐標(biāo)系，圖 4.2 數(shù)學(xué)模型檢測點中心點焊接點abc2.計算設(shè)檢測點的坐標(biāo)為（m ,n）,有 a=n , b=m，則 (4-1)22cmn焊槍從焊點經(jīng)過時間 t 到檢測點，即 t 時間后，主軸電動機轉(zhuǎn)過角度 ，也就是棱管轉(zhuǎn)過角度 ，即有 (4-2)12 (4-3)1arcn(/ )tam n然后可得 2，則 (4-4)1122sinsinbcc (4-5)1122coscosacc則 (4-6)221sin(arcn(/ )xbbmmntam n (4-7)221cos(arcn(

56、/ )yaamntam nn 機械手要在 t 時間內(nèi)，向上或向下移動 （為機械手控制上下運動的伺服電動機動作） ，并且還要向左或向右移動 （為機械手控制前后運動的伺服電動機動作） ，焊槍的角度隨工件轉(zhuǎn)動擺動進(jìn)行插補焊縫。第五章 編制控制程序5.1 自動焊接機的工作流程圖自動焊機的工作流程圖如圖 5.1 所示圖 5.1 自動焊機的工作流程圖5.2 各電動機的具體動作說明首先把法蘭盤人工裝夾在卡盤上，然后根據(jù)棱管的直徑大小，手動調(diào)節(jié)兩對托輥之間的距離使之適合棱管的放置寬度。然后根據(jù)棱管的長度，調(diào)節(jié)控制遠(yuǎn)主軸端的托輥的伺服電動機，使這對托輥向左或向右單獨移動（這就需要電動機的正轉(zhuǎn)向左或反轉(zhuǎn)向右，配合

57、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速可以設(shè)定幾個固定值，托輥移動長度可以通過點動憑經(jīng)驗決定，動作根據(jù)具體情況而定，可以人工點動）使之適合棱管的放置長度。然后控制機床尾端的異步電動機使尾端卡盤向右移動防止妨礙棱管的放置（此步視棱管的長度及具體情況而定，主要為控制床身的長度變化，電機動作為正轉(zhuǎn)向左，反轉(zhuǎn)向右和轉(zhuǎn)速，人工點動） 。用天車把棱管放置在兩對已調(diào)節(jié)好間距和距離的托輥上。然后進(jìn)行組對工作，組對要求定位，組對時需要控制兩對托輥聯(lián)動進(jìn)行左右和上下移動的另外一對伺服電動機，先控制伺服電動機使托輥向上或向下移動使棱管的中心線與主軸箱的中心線重合（這就需要電動機正轉(zhuǎn)向上或反轉(zhuǎn)向下，同時配合適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速） ，然后控制伺服電動

58、機使兩對托輥聯(lián)動向左或向右移動完成與主軸箱上的卡盤裝夾工作并與法蘭盤組對（需要電動機正轉(zhuǎn)向左或反轉(zhuǎn)向右，同時配合適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速） ，然后控制機床尾端的異步電動機向左移動使尾端卡盤與棱管裝夾（需要電動機正轉(zhuǎn)前進(jìn)，同時配合適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，焊完后反轉(zhuǎn)回退） 。組對完畢后，就要開始焊接動作，首先啟動主軸異步電動機（配合適當(dāng)?shù)墓潭ㄋ俣燃罢崔D(zhuǎn)的調(diào)節(jié)，一般為正轉(zhuǎn)，焊完后停止即可） ，通過變頻器的調(diào)速，達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速。然后兩只機械手開始動作，控制機械手前后運動的伺服電動機開始動作（配合適當(dāng)?shù)乃俣燃罢D(zhuǎn)向前，反轉(zhuǎn)向后的調(diào)節(jié)，動作為先向前移動，焊完后再后退，然后停止） ，然后控制機械手左右運動的伺服電動機開始動作（配合

59、適當(dāng)?shù)乃俣燃罢D(zhuǎn)向左，反轉(zhuǎn)向右的調(diào)節(jié)，動作為先向左運動，焊完后向右運動，然后停止） ，然后控制機械手上下運動的伺服電動機開始動作（配合適當(dāng)?shù)乃俣燃罢D(zhuǎn)向上，反轉(zhuǎn)向下的調(diào)節(jié)，先向下運動，焊完后向上運動，然后停止） 。然后控制焊槍擺動的步進(jìn)電動機開始動作，擺動到最佳的焊接角度（配合適當(dāng)?shù)乃俣燃罢崔D(zhuǎn)的調(diào)節(jié)，點動調(diào)節(jié)，焊完后停止） 。5.3 I/O 分配表各元器件的 I/O 分配如表 5-1 所示表 5-1 各元器件的 I/O 分配表輸入信號輸出信號輸入元器件名稱（說明）代號輸入點編號輸出元器件名稱（說明）代號輸出點編號電動機 M1 啟動按鈕SB1I0.0M1 正轉(zhuǎn)Q0.0電動機 M1 停止按鈕SB

60、2I0.1M1 反轉(zhuǎn)Q0.1電動機 M2 正轉(zhuǎn)按鈕SB3I0.2M1 正轉(zhuǎn)點動Q0.2電動機 M2 反轉(zhuǎn)按鈕SB4I0.3M1 反轉(zhuǎn)點動Q0.3電動機 M2 停止按鈕SB5I0.4M2 正轉(zhuǎn)接觸器KM1Q0.4電動機 M2 熱保護(hù)繼電器FR1I0.5M2 反轉(zhuǎn)接觸器KM2Q0.5床身右限位開關(guān)SQ1I0.6SM3 啟動驅(qū)動器Q0.6床身左限位開關(guān)SQ2I0.7SM3 參數(shù)輸出Q0.7單托輥右行按鈕SB6I1.0Q1.0單托輥左行按鈕SB7I1.1SM4 啟動驅(qū)動器Q1.1單托輥右限位開關(guān)SQ3I1.2SM4 參數(shù)輸出Q1.2單托輥左限位開關(guān)SQ4I1.3Q1.3雙托輥聯(lián)動上行按鈕SB8I1.4