機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的設(shè)計(jì)

1、目 錄中文摘要1 英文摘要2 1 緒 論3 1.1 點(diǎn)焊機(jī)器人介紹及其研究意義3 1.2 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)3 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀3 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)4 2 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的組成和原理6 2.2 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的電氣控制原理6 3 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分硬件設(shè)計(jì)8 3.1 安全保護(hù)系統(tǒng)8 隔離柵欄保護(hù)9 安全光柵保護(hù)9 急停回路10 3.2 PLC的選擇12 西門子s7-300PLC12 13 的選擇14 3.3 夾具系統(tǒng)14 電感式接近開關(guān)的工作原理15 氣缸的工作原理15 閥島的工作原理16 3.4 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)17 電磁閥的工作原理17 變頻器控制電路的設(shè)計(jì)19 轉(zhuǎn)臺(tái)

2、系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)19 3.5 焊接系統(tǒng)21 焊槍的工作原理 21 修磨器22 4 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分軟件設(shè)計(jì)24 4.1機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的工藝24 4.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)25 手動(dòng)模式軟件總體設(shè)計(jì)25 自動(dòng)模式軟件總體設(shè)計(jì)26 4.3 夾具系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)29 夾具系統(tǒng)手動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)29 夾具系統(tǒng)自動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)31 4.4 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)31 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)手動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)31 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)31 結(jié) 論34 謝 辭35 參考文獻(xiàn)36 附錄1主電源和220V電源分配電路圖37 附錄2 急?；芈?8 附錄3 安全門回路39 附錄4 變頻器上電回路40 附錄5 閥島與PLC連接電路

3、圖41 附錄6 修磨器控制電路圖42 附錄7 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)電路圖43 附錄8 數(shù)字輸入44 附錄9 數(shù)字輸出45 附錄10 系統(tǒng)啟動(dòng)，故障復(fù)位，暫停的軟件程序 46 附錄11 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和夾具系統(tǒng)的軟件程序47 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的設(shè)計(jì)摘要：本論文完成了機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)主要由夾具系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，機(jī)器人以及焊接系統(tǒng)等幾大模塊組成，整個(gè)系統(tǒng)用PLC進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中硬件部分圍繞夾具系統(tǒng)等幾大模塊進(jìn)行，完成了相應(yīng)模塊的控制電路以及整個(gè)系統(tǒng)的安全保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)分兩部分進(jìn)行，即系統(tǒng)在手動(dòng)模式下的運(yùn)行程序以及在自動(dòng)模式下的運(yùn)行程序。手動(dòng)模式一般用于機(jī)

4、器人系統(tǒng)安裝調(diào)試階段以及故障處理的時(shí)候，通過操作主控制柜上不同的按鈕可對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)，夾具進(jìn)行分別控制。自動(dòng)模式用于生產(chǎn)階段，系統(tǒng)運(yùn)行速度很快，可以減小生產(chǎn)周期。在自動(dòng)模式下夾具，轉(zhuǎn)臺(tái)，機(jī)器人，焊槍依據(jù)工藝要求的邏輯順序進(jìn)行動(dòng)作，完成對(duì)工件的點(diǎn)焊任務(wù)。關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)器人；點(diǎn)焊；電氣控制The design of spot welding robot electrical control systemAbstract：In this paper, the author designs the hardware and software of spot welding robot electrical

5、 control system. The system of spot welding robot which is controlled with PLC is composed of the fixture system, the turntable system, the robot and the welding system. Based on these modules, the design of the corresponding control circuits and the protection circuit of the entire system have been

6、 completed. The design of software is composed of two parts, namely the program of manual mode and the program of automatic mode. The manual mode is generally used in the installation stage of robot system and the period of troubleshooting. By operating the buttons on the main control cabinet, we ca

7、n control the fixture and the turntable respectively. In the production stage, in order to reduce the production cycle, the automatic mode is used. The system runs very fast under this mode and according to the logical sequence of process requirements the fixture, the turntable, the robot and the we

8、lding torches to complete the task of spot welding on the workpiece. Key words: PLC; robot; spot welding; electrical control1 緒 論1.1 點(diǎn)焊機(jī)器人介紹及其研究意義點(diǎn)焊機(jī)器人【spot welding robot】 用于點(diǎn)焊自動(dòng)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。世界上第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)于1965年開始使用，是美國Unimation公司推出的Unimate機(jī)器人，中國在1987年自行研制成第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人華宇-型點(diǎn)焊機(jī)器人。點(diǎn)焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)幾部分組

9、成，由于為了適應(yīng)靈活動(dòng)作的工作要求，通常電焊機(jī)器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)，一般具有六個(gè)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(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)兩種。其中電氣驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。點(diǎn)焊機(jī)器人按照示教程序規(guī)定的動(dòng)作、順序和參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)焊作業(yè)，其過程是完全自動(dòng)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(jí)主控與管理計(jì)算機(jī)的控制命令進(jìn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人

10、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(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。點(diǎn)焊機(jī)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產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時(shí)又具有柔性焊接的特點(diǎn)，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對(duì)不同的車型進(jìn)行裝配焊接。應(yīng)用點(diǎn)焊機(jī)器人，有如下優(yōu)點(diǎn)：l 容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動(dòng)化；l 對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力將大大加強(qiáng)；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(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀我國的工業(yè)機(jī)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(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)

11、動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)。工業(yè)機(jī)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(diǎn)焊開始的。原因在于電阻點(diǎn)焊的過程相對(duì)比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對(duì)機(jī)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(jī)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(diǎn)焊機(jī)器人單元

12、產(chǎn)品并以焊接機(jī)器人與整車生產(chǎn)線配套形式進(jìn)入中國，在該領(lǐng)域占據(jù)市場(chǎng)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(diǎn)焊機(jī)器人是目前汽車焊接中最常用的一種機(jī)器人。2008年9月，機(jī)器人研究所研制完成國內(nèi)首臺(tái)165公斤級(jí)點(diǎn)焊機(jī)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(tái)機(jī)器人完成并順利通過驗(yàn)收，該機(jī)器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類機(jī)器人水平1。 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，焊接機(jī)器人和其它工業(yè)機(jī)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(gè)方面

13、：l 機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。l 機(jī)器人控制系統(tǒng)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機(jī)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(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)軟件伺服和全數(shù)字控制；人機(jī)界面更加友好l 機(jī)器人傳感技術(shù)：機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和

14、自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。l 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)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(jī)器人技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)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(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。l 機(jī)器人性能價(jià)格比：機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高

15、精度、高可靠性、便于操作和維修，而單機(jī)價(jià)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(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高l 多智能體調(diào)控技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)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(jìn)行研究2。2 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的組成和原理2.1 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分的組成機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)構(gòu)成，工作站采用PROFIBUS+數(shù)字I/O實(shí)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(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖2.2 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的電氣控制原理系

16、統(tǒng)上電，初始化機(jī)器人的狀態(tài)，主要包括機(jī)器人是否在原位，機(jī)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(jī)器人工作站有關(guān)的生產(chǎn)線的多個(gè)狀態(tài)，如輸送線是否處于自動(dòng)狀態(tài)；相關(guān)傳感器的信號(hào)是否正常等。對(duì)于安全信號(hào)，則分等級(jí)處理，重要的安全信號(hào)通過和機(jī)器人的硬線連接，引起機(jī)器人急停；級(jí)別較低的安全信號(hào)通過PLC給機(jī)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(jī)器人點(diǎn)焊工作站發(fā)出相應(yīng)的工作任務(wù)，點(diǎn)焊控制器接受任務(wù)并調(diào)用相應(yīng)的機(jī)器人程序進(jìn)行焊接。焊接過程中，系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)器人的工作狀態(tài)，如機(jī)器人發(fā)生錯(cuò)誤或故障，系統(tǒng)自動(dòng)停

17、止機(jī)器人及焊槍的動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器人在車身不同的部位焊接時(shí)，需要不同的焊接參數(shù)。控制焊槍動(dòng)作的焊接控制器中可存儲(chǔ)多種焊接規(guī)范，每組焊接規(guī)范對(duì)應(yīng)一組焊接工藝參數(shù)。機(jī)器人向PLC發(fā)出焊接文件信號(hào)，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(jī)器人可按設(shè)定的方式進(jìn)行電極修磨。3 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分硬件設(shè)計(jì)3.1 安全保護(hù)系統(tǒng)點(diǎn)焊機(jī)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(huì)對(duì)人員或設(shè)備構(gòu)成威脅。在機(jī)器人動(dòng)作范圍內(nèi)，必須采取隔離措施保護(hù)，這些隔離保護(hù)措施可以是隔離柵欄，光柵，光幕，空間掃描裝置等。本設(shè)計(jì)采用隔離柵欄和光柵的保護(hù)措施。另外，系統(tǒng)中設(shè)有急停回路，以便各種

18、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(hù)隔離柵欄的作用是將機(jī)器人的工作區(qū)域與外界隔離開來。設(shè)有一個(gè)安全門，機(jī)器人在自動(dòng)模式下工作時(shí)速度相當(dāng)快，如果有人打開安全門，試圖進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人會(huì)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(jì)，必須使人手無法從上面伸進(jìn)隔離范圍。柵欄分塊的大小根據(jù)柵欄的強(qiáng)度確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須避免柵欄彎曲過度。入口（安全門）只有一個(gè)，且和機(jī)器人自己的保護(hù)裝置以及上一級(jí)的緊急關(guān)斷裝置相聯(lián)。本設(shè)計(jì)的安全門回路如圖3.1所示。圖3

19、.2 安全光柵3.1.2 安全光柵保護(hù)為確保安全，轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不允許人員進(jìn)入機(jī)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。如果有人在轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)試圖從裝件區(qū)進(jìn)入機(jī)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(tái)停止信號(hào)。本設(shè)計(jì)安全光柵回路如圖3.2所示。3.1.3 急停回路在機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些突發(fā)情況，例如工人在調(diào)試機(jī)器人過程中出現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作偏離軌跡而要撞上轉(zhuǎn)臺(tái)夾具或焊鉗電極與板件粘結(jié)等，這就需要及時(shí)排除險(xiǎn)情。本設(shè)計(jì)中，在機(jī)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(shí)能將系統(tǒng)停止工作，以

20、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(jì)時(shí)都采用了雙回路的形式，確保急?；芈返挠行浴?(a) 急?；芈?b) 給機(jī)器人外部急停(c) 給變頻器急停信號(hào)和急停復(fù)位(b) 變頻器上電回路圖3.3 急停回路3.2 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(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。l 信號(hào)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(hào)模塊是聯(lián)系外

21、部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁。模塊是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)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(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕，選擇開關(guān)，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(hào)。模擬量輸入模塊用來接收電位器，測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流，電壓信號(hào)，或者直接接收熱電阻，熱電偶提供的溫度信號(hào)。 開關(guān)輸出模塊用來控制接觸器，電磁閥，電磁鐵和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動(dòng)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(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求很高的控制任務(wù)，例如高速計(jì)數(shù)，位置控制和閉環(huán)控制。l 接口模塊（IM模塊） CP

22、U模塊所在的機(jī)架稱中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納全部模塊，可增設(shè)一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。接口模塊用來實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴(kuò)展機(jī)架供電。l 通信處理器（CP） 通信處理器（CP）用于PLC之間，PLC與遠(yuǎn)程I/O之間，PLC與計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(fù)載使用4。 SoftPLCSoftPLC控制技術(shù)亦稱Softl

23、ogic和基于PC的控制技術(shù),對(duì)于它還沒有一個(gè)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(jī)界面、數(shù)據(jù)處理、通訊等功能于一臺(tái)PC的解決方案”；3S公司定義SoftPLC為“一種能將工業(yè)PC機(jī)轉(zhuǎn)換為高端PLC的軟件”“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(yùn)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(jī)上依靠一定的軟件平臺(tái)，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(diǎn)： 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)

24、場(chǎng)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(包括高級(jí)語言),可允許用戶根據(jù)需求,靈活擴(kuò)展系統(tǒng)功能。 l 遵循國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和事實(shí)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(jī)的資源，如大容量的內(nèi)存、高速CPU及其它硬件。 l 具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。 相對(duì)于傳統(tǒng)PLC，軟PLC的CPU處理速度更快，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，能夠利用PC機(jī)的軟件平臺(tái)處理一些比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)類型，如浮點(diǎn)數(shù)和字符串等。 l 具有友好的人機(jī)界面，便于操作。 l 具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。 軟PLC既可以與企業(yè)管理信

25、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(yùn)行，實(shí)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 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(jìn)行過程控制和運(yùn)動(dòng)控制。 l 節(jié)約成本和培訓(xùn)費(fèi)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(fèi)用5。3.2.3 PLC的選擇本設(shè)計(jì)使用德國KUKA公司生產(chǎn)的機(jī)器人，這種機(jī)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

26、形圖、功能圖和順序功能圖。所有語言都可混合于一個(gè)項(xiàng)目中。機(jī)械順序功能圖表語言( MSFC)也可以使用。由于循環(huán)運(yùn)行，因此它只需較短的試運(yùn)行期。擴(kuò)展的診斷功能只產(chǎn)生極少的停頓周期。而且，在自動(dòng)化模式下可以很容易操作。西門子的ET200是基于現(xiàn)場(chǎng)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(hào)通過ET200的輸出輸送出去。由于機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的夾具，焊槍，轉(zhuǎn)臺(tái)等有許多控制信號(hào)，而且現(xiàn)場(chǎng)與控制柜距離較遠(yuǎn)，因此將這些信號(hào)連接至ET200,ET200作為從站與機(jī)器人主站之間通訊，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人SoftPLC對(duì)夾具等的控制。3.3

27、 夾具系統(tǒng)本設(shè)計(jì)中共有兩套夾具，分別位于轉(zhuǎn)臺(tái)的A/B面，用于板件的定位。在轉(zhuǎn)臺(tái)的每一面都有兩個(gè)電感式接近開關(guān)，如果板件放置無誤，則接近開關(guān)接通，夾具才可動(dòng)作。用氣缸作為夾具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣缸的動(dòng)作信號(hào)以及動(dòng)作所需的氣體都過閥島來控制。閥島作為機(jī)器人子站通過總線與ET200相連，從而實(shí)現(xiàn)SoftPLC對(duì)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(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬板件接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，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(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)

28、，傳輸?shù)絇LC，作為夾具關(guān)閉的必要條件。此時(shí)，接近開關(guān)的工作指示燈會(huì)點(diǎn)亮。如果指示燈沒有點(diǎn)亮，則說明板件位置沒有放好，夾具則不會(huì)關(guān)閉，否則會(huì)將板件壓變形6。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(gè)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(hào)，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(jìn)氣口輸入，并在活塞左端面上的力克服了運(yùn)動(dòng)摩擦力，負(fù)載等反作用力，推進(jìn)活塞前進(jìn)，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(dòng)夾具夾緊。當(dāng)活塞前進(jìn)到位時(shí)，接近

29、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(hào)，閥島收到信號(hào)后，關(guān)閉相應(yīng)氣路。同樣，當(dāng)PLC接收到夾具松開信號(hào)時(shí)，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(dòng)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(gè)夾具系統(tǒng)共有2套夾具，每套4組，每組2個(gè)，總共用到16個(gè)氣缸。如果每個(gè)氣缸都通過分立的電磁閥來控制，勢(shì)必會(huì)帶來大量信號(hào)，能量的管件和連線。當(dāng)這些管件和連線跟隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因泄露，堵塞，虛接或短路而引發(fā)的故障率就會(huì)較高，同時(shí)還給設(shè)備的管理和維護(hù)帶來不便。除此之外，在整個(gè)點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中必須要經(jīng)過對(duì)所有分立元件的選型，驗(yàn)收

30、，組裝，調(diào)試以及整機(jī)安裝等繁多費(fèi)時(shí)的步驟，必須投入大量的人力和費(fèi)用。這不僅是整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)，制造周期延長，而且常常因?yàn)槿藶橐蛩爻霈F(xiàn)設(shè)計(jì)或制造錯(cuò)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。基于此，本設(shè)計(jì)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(chǎng)總線的閥島有一個(gè)總線輸入口和一個(gè)總線輸出口，這樣當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)帶現(xiàn)場(chǎng)總線閥島或其他帶現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備時(shí)，可以由近至遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)。這大幅度節(jié)省了接線時(shí)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(hù)更方便。如圖3.6所示為閥

31、島與ET200總線通訊。圖3.6 閥島與ET200總線通訊3.4 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)為了減小系統(tǒng)的工作節(jié)拍，提高系統(tǒng)工作的連貫性，本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)臺(tái)的方式將兩種不同的板件連續(xù)地送到機(jī)器人工位進(jìn)行焊接。3.4.1 電磁閥的工作原理轉(zhuǎn)臺(tái)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位時(shí)，需要用定位銷將轉(zhuǎn)臺(tái)固定住，機(jī)器人才能對(duì)板件進(jìn)行焊接。如果轉(zhuǎn)臺(tái)沒有固定，機(jī)器人在工作過程中會(huì)引起轉(zhuǎn)臺(tái)的偏位，導(dǎo)致焊點(diǎn)不在設(shè)計(jì)的位置，造成板件的報(bào)廢。本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)臺(tái)用到兩個(gè)定位銷，正轉(zhuǎn)到位和反轉(zhuǎn)到位各一個(gè)。通過控制電磁閥的通斷帶動(dòng)氣缸的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)定位銷的上升與下降。本設(shè)計(jì)中用的電磁閥是單電控直動(dòng)式電磁閥7，既利用電磁力直接推動(dòng)閥桿（閥芯）換向，其工作原理如圖3.

32、7所示。圖(a)所示電磁線圈未通電時(shí)，P、A斷開，閥沒有輸出。圖(b)所示電磁線圈通電時(shí)，電磁鐵推動(dòng)閥芯向下移動(dòng)，使P、A接通，閥有輸出。 (a) 線圈斷電時(shí)的狀態(tài)(b) 線圈通電時(shí)的狀態(tài)圖3.7 單電控直動(dòng)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(jì)本設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)是通過變頻器來控制的。電機(jī)設(shè)有兩種轉(zhuǎn)速，即低速和高速。當(dāng)系統(tǒng)在手動(dòng)模式時(shí)，出于安全考慮，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電機(jī)始終處于低速狀態(tài)；而在自動(dòng)模式下，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)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(hào)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)為低速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)停止位接近開關(guān)感應(yīng)到信號(hào)，電機(jī)則停止。在這種情況下，低速運(yùn)動(dòng)作為轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)由高速

33、狀態(tài)到停止?fàn)顟B(tài)的一個(gè)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(tái)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)位于轉(zhuǎn)臺(tái)的兩側(cè)上設(shè)有兩對(duì)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(tái)兩側(cè)還設(shè)了超程保護(hù)，以便在停止位接近開關(guān)故障時(shí)，電機(jī)能停下來，防止發(fā)生碰撞。在轉(zhuǎn)臺(tái)上還設(shè)有制動(dòng)器，用于在緊急狀況下，電機(jī)能夠抱閘停止。圖3.9所示為轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的電路原理圖。(a) 轉(zhuǎn)臺(tái)定位 (b)轉(zhuǎn)臺(tái)減速(c) 轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)圖3.9 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的電路原理3.5 焊接系統(tǒng) 焊槍的工作原理本設(shè)計(jì)中使用的焊鉗為氣動(dòng)焊鉗8，如圖3.10所示。通過氣缸來實(shí)現(xiàn)焊鉗的閉合與打開。該焊鉗共有三種動(dòng)作，既

34、大開，小開和閉合。焊鉗動(dòng)作過程及相應(yīng)動(dòng)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(dòng)作過程及相應(yīng)動(dòng)作功能焊鉗動(dòng)作過程動(dòng)作的功能大開小開避開障礙之后，到達(dá)焊點(diǎn)位置小開閉合開始打點(diǎn)閉合小開打點(diǎn)結(jié)束小開大開避開障礙，前往下一焊點(diǎn)位置圖3.10 C型氣動(dòng)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(shí)間之后電極頭表面會(huì)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(jì)中為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)節(jié)拍，為點(diǎn)焊機(jī)器人配備了一臺(tái)自動(dòng)電極修磨器，實(shí)現(xiàn)電極頭工作面氧化磨損后的修銼過程自動(dòng)化，同時(shí)也避免了人員頻繁進(jìn)入生產(chǎn)線帶來的安全隱患。電極修磨機(jī)由機(jī)器人的內(nèi)置Sfot

35、PLC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 修磨器控制電路4 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)電氣控制部分軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式即自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，因此軟件設(shè)計(jì)也分為自動(dòng)模式下的軟件設(shè)計(jì)和手動(dòng)模式下的軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)工人進(jìn)行示教程序調(diào)試（包括焊點(diǎn)及相應(yīng)軌跡的示教和修磨的示教），或進(jìn)行故障處理時(shí)，選擇手動(dòng)狀態(tài)，可以通過主控制柜上的各種按鈕來對(duì)夾具，轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行操作。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試完畢，能夠批量生產(chǎn)時(shí)，選擇自動(dòng)狀態(tài)，讓機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)自動(dòng)完成夾具的打開與夾緊，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人的點(diǎn)焊以及修磨器修磨。在主控制柜上有手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，A/B面選擇開關(guān)，四個(gè)夾

36、具打開按鈕，四個(gè)夾具夾緊按鈕，定位銷上升按鈕，定位銷下降按鈕，轉(zhuǎn)臺(tái)正轉(zhuǎn)按鈕，轉(zhuǎn)臺(tái)反轉(zhuǎn)按鈕，急停按鈕，故障復(fù)位按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕。4.1機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)機(jī)器人點(diǎn)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(jì)中機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的工藝對(duì)于本章的軟件設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。圖4.1示意了機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的布局。根據(jù)這種布局，確定本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)工藝如下：假設(shè)初始時(shí)工作臺(tái)A面位于工件取放區(qū)，而工作臺(tái)B面位于機(jī)器人工位，而且機(jī)器人在原點(diǎn)。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(tái)開始正轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)到位時(shí)，定位銷2上升，固定轉(zhuǎn)臺(tái)，之后機(jī)器人開始對(duì)A面板件進(jìn)行焊接。與

37、此同時(shí)，工作臺(tái)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(dòng)作必須在機(jī)器人完成對(duì)A面的點(diǎn)焊任務(wù)之前完成。當(dāng)機(jī)器人完成對(duì)A面的點(diǎn)焊任務(wù)，回到原點(diǎn)之后，發(fā)出工作完成信號(hào)，此時(shí)，定位銷2下降，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)到位后定位銷1上升，機(jī)器人開始對(duì)B面板件進(jìn)行焊接。如此循環(huán)下去，直到有中斷打破循環(huán)10。圖4.1 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安裝示意圖4.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的程序，一定要有一個(gè)程序總流程圖，以便反映各個(gè)程序子模塊間的內(nèi)在聯(lián)系，表達(dá)各個(gè)子模塊的功能。4.2.1 手動(dòng)模式軟件總體設(shè)計(jì)手動(dòng)模式軟件總體流程圖如圖4.3所示。圖4.3 手動(dòng)模式軟件總體設(shè)計(jì)流程圖4.2.

38、2 自動(dòng)模式軟件總體設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)軟件任務(wù)的分析，得到自動(dòng)模式軟件總體流程圖如圖4.4所示。圖4.4 自動(dòng)模式軟件總體流程圖4.3 夾具系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 夾具系統(tǒng)手動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)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(gè)接近開關(guān)工作指示必須點(diǎn)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(huì)造成板件變形。如果至少有一個(gè)接近開關(guān)沒有工作，按夾具關(guān)閉按鈕則無效。此時(shí)應(yīng)該檢查板件是否放置正確，或接近開關(guān)信號(hào)線是否接觸良好。手動(dòng)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

39、件是轉(zhuǎn)臺(tái)必須到位，定位銷上升。以防轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，誤操作將夾具打開，出現(xiàn)安全事故。手動(dòng)模式夾具打開流程圖如圖4.6所示。圖4.5 手動(dòng)模式夾具關(guān)閉流程圖圖4.6 手動(dòng)模式夾具打開流程圖圖4.7 自動(dòng)模式夾具動(dòng)作流程圖 夾具系統(tǒng)自動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)在自動(dòng)模式下，無需手動(dòng)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(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作。圖4.7為自動(dòng)模式夾具動(dòng)作流程圖。4.4 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.4.1 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)手動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)通過機(jī)器人的教示器設(shè)定機(jī)器人初始位置也是機(jī)器人工作完成之后回到的位置為機(jī)器人原點(diǎn)（安全點(diǎn)），既機(jī)器人停在這點(diǎn)能確保轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不會(huì)因撞到機(jī)器人而損壞設(shè)備。手動(dòng)模式下，按轉(zhuǎn)臺(tái)正轉(zhuǎn)按鈕或轉(zhuǎn)臺(tái)反轉(zhuǎn)按鈕可以啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)只有在定位銷處于下降狀態(tài)才能啟動(dòng)，而定位銷下降的前提是機(jī)器人必須在原點(diǎn)。如果機(jī)器人不在原點(diǎn)，按定位銷下降按鈕是無效的。轉(zhuǎn)臺(tái)到位后，按下定位銷上升按鈕，將轉(zhuǎn)臺(tái)定位。圖4.8為手動(dòng)模式轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作流程圖。4.4.2 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)在自動(dòng)模式下，按照工藝流程，只要轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)的條件成立了，轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)。圖4.9所示為自動(dòng)模式下轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作流程圖 圖4.8 手動(dòng)模式轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作流程圖 圖4.9 自動(dòng)模式轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作流程圖