基于PLC流水線搬運與焊接組合動作控制系統(tǒng)設(shè)計

第1章緒論1.1課題研究目的及意義隨著社會的發(fā)展,傳統(tǒng)行業(yè)生產(chǎn)模式的局限性越來越大,其生產(chǎn)工序復(fù)雜，需要大量人力物力，極大影響了生產(chǎn)效率[1]，導(dǎo)致產(chǎn)品的更新速度越來越快,這對制造業(yè)生產(chǎn)線的自動化程度要求日趨提高。制造業(yè)經(jīng)歷了繼電控制技術(shù)生產(chǎn)線到PLC控制技術(shù),再到PCC控制技術(shù)。產(chǎn)品功能的多樣化對生產(chǎn)線的智能化提出了更高的要求。隨著工業(yè)生產(chǎn)與加工規(guī)模的擴大,為追求更高的工業(yè)生產(chǎn)與加工質(zhì)量,加工效率等,改進傳統(tǒng)生產(chǎn)制造工藝，實現(xiàn)設(shè)計,生產(chǎn)與高效安裝的有效融合[2]已成為整個行業(yè)領(lǐng)域研究和關(guān)注的重要內(nèi)容之一?？茖W(xué)技術(shù)和制造工藝的快速發(fā)展,特別是通訊技術(shù)及制造技術(shù)的發(fā)展,促使工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平不斷的提高。PLC自控系統(tǒng)也就是常說的可編程控制器，從本質(zhì)來看，屬于多學(xué)科融合的工業(yè)控制模式，綜合性較強，逐步在生產(chǎn)生活、電氣制造等方面發(fā)揮出重要作用[3],以PLC為核心的集成各種自動化專機和工業(yè)機器人的自動化系統(tǒng)已成為當今企業(yè)尋求產(chǎn)業(yè)升級,減少人力物力的損失,促進資源的節(jié)約、降低生產(chǎn)成本和保障經(jīng)濟效益追求的目標[4],是工業(yè)自動化領(lǐng)域研究的一個熱點方向。本課題通過研究工藝學(xué)基本理論方法,借鑒高端設(shè)備制造工藝方法和經(jīng)驗,結(jié)合當前搬運與焊接生產(chǎn)線的需求及特點,提高了自動化裝配水平，大幅降低了勞動力，提高了裝配品質(zhì)[5]，并針對滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)提出了相應(yīng)的改進方法。到現(xiàn)在為止，世界上的高端工業(yè)機器人具有高精度，高速，多軸，重量輕的趨勢。機器人技術(shù)涉及力學(xué)，電液技術(shù)，自動控制技術(shù)，傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)合，是一門跨學(xué)科的綜合技術(shù)，主要目的是了解機器人的工作原理并設(shè)計工件加工機器人的控制系統(tǒng)。可編程邏輯控制器（PLC）是一種專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的實時工業(yè)控制單元。隨著微電子技術(shù)，自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的快速發(fā)展，PLC在硬件配置，軟件編程，通信網(wǎng)絡(luò)功能和模擬控制方面取得了長足的進步，已成為工廠自動化的標準配置之一。由于自動化可以節(jié)省大量的人力，物力等，PLC還具有其他控制方法所不具備的特殊優(yōu)點，如通用性好，實用性強，硬件齊全，編程方法簡單，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。PLC.Robots在美國和加拿大等許多國家使用，例如采摘水果的機器人和在搬運與焊接線上應(yīng)用智能機器人。中國的自動化水平本身相對較低，在新老產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化過程中，較少的考慮自動化裝置，所以技術(shù)水平與其相比還有一定差距[6]。因此PLC控制的機器人數(shù)量仍然較少。本項目設(shè)計的機器人由PLC自動控制。通過這種設(shè)計進一步學(xué)習(xí)PLC的相關(guān)知識，了解世界先進水平，并盡可能地應(yīng)用它。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在搬運與焊接過程中,基礎(chǔ)件的搬運和焊接件的傳送、給料、搬運與焊接作業(yè)可部分或全部地實現(xiàn)半自動化或自動化。原始的手工搬運與焊接方式一直延續(xù)很久，直到19世紀機械制造業(yè)小零部件的標準化和互換性開始用于小型武器和鐘表的生產(chǎn)，隨后又應(yīng)用于汽車工業(yè)。2021年陳娜，裴雷，陳娜娜等在《基于機械臂與PLC控制的裝配自動上下料系統(tǒng)設(shè)計》中提到，工業(yè)機器人不僅應(yīng)用在汽車制造業(yè)，在國防安全、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域也有機器人的身影[7]。這既降低了生產(chǎn)成本，又為大批量生產(chǎn)中采用自動化搬運與焊接開辟了道路。這對提高生產(chǎn)率帶來了革命性的變化，起到了很大作用。2019年KyleKrajewski在《TorqueControlforAutomatedAssembly》中提到自動化裝配正變得越來越普遍，即使是小型制造公司，機器人裝配改善了生產(chǎn)力，提高了產(chǎn)量，同時確保結(jié)果更加一致[16]。從其中不難看出，自動化不僅可以大大增加效率，也可以提高產(chǎn)品可靠性。此后，陸續(xù)出現(xiàn)了料斗式自動給料器和螺釘、螺母自動擰緊機等簡單的自動化裝置。大批量生產(chǎn)的軸承、離合器和中小型電機等零件、搬運與焊接工藝簡單的機電產(chǎn)品，以及汽車、農(nóng)業(yè)機械、儀器儀表等產(chǎn)品小的部分簡單部件，也采用了自動或半自動搬運與焊接機(線)?？墒怯捎趯m合自動化搬運與焊接的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有很大限制，自動化搬運與焊接機投資多而對產(chǎn)品改型的適應(yīng)性小，所以當時機械制造中的搬運與焊接自動化僅用于大批量生產(chǎn)。2015年Tom和Nitin在《DesignandImplementationofMobileRoboticManipulatorforWeldingUsingPLC》提出了用PLC實現(xiàn)一個用于焊接的移動機器人機械手[17]。應(yīng)用PLC技術(shù)來控制系統(tǒng)，這個名詞我們至今依舊延用。關(guān)鍵特點就是可以在人類的幫助下完成其所要求的固定示范動作。隨著第一臺真正意義上的工業(yè)PLC機器人的順利誕生，標志著機器人發(fā)展進入新的起點。隨后由于自動化技術(shù)的日益發(fā)展，劉猛，焦志剛，崔瀚等在《基于PLC與WinCC的引信自動裝配機控制系統(tǒng)設(shè)計》中提到應(yīng)用PLC技術(shù)可以極大提高可靠性與生產(chǎn)效率，生產(chǎn)技術(shù)與質(zhì)量水平明顯提高[8]。這項技術(shù)理所應(yīng)當?shù)膽?yīng)用到了工業(yè)機器人進化中。2020年黃海燕在《工業(yè)裝配自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計》中提到，工業(yè)機器人完成工件在裝配流水線上的自動裝配，最終實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)[9]。目前在機械制造行業(yè)中都要使用到自動搬?運與焊接系統(tǒng)，例如電視機、計算機的自動搬運?與焊接流水線；制鞋、印染等輕工和化工行業(yè)的生產(chǎn)流?水線都要使用到自動搬運與?焊接系統(tǒng)。李寶瑞，杜萬和在《一種個性化生產(chǎn)的自動搬運與焊接控制方法》提到可以滿足大規(guī)模個性化生產(chǎn)的需求，適應(yīng)性強，智能化程度高[10]。但是在自動控制方面還有很大的不足，比如機械手控制難、搬運設(shè)計不合理、焊接困難等一系列的問題。2020年李幫傳在《內(nèi)控擋圈自動搬運與焊接方法》中提到自動化減少了壓裝過程中損傷作業(yè)人員的風(fēng)險[11]。2022年李紅梅，孫安昌，刑康寧等在《復(fù)合類火工品自動搬運與焊接機自動控制系統(tǒng)》中提到采用PLC與觸摸屏相結(jié)合的方式來控制系統(tǒng)[12]。因此本次設(shè)計采用PLC控制的方式，將搬運與焊接組合進行設(shè)計的方式提高生產(chǎn)效率。1.3課題研究的內(nèi)容本課題主要研究的是基于PLC的工件搬運與焊接控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括硬件的設(shè)計和軟件的設(shè)計。通過設(shè)計編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的自動控制。利用組態(tài)軟件設(shè)計出人機界面，進行設(shè)備和數(shù)據(jù)對象的連接，實現(xiàn)動畫連接，實現(xiàn)運動及夾緊工件、自動焊接工件設(shè)備的監(jiān)控。通過仿真軟件將搬運與焊接的動作過程進行動畫演示，使動作形象化。提供較為直觀、清晰、準確的工件搬運與焊接系統(tǒng)運行狀態(tài)，為維修和故障診斷提供多方面的可能性，充分提高系統(tǒng)的工作效率。

第2章工件搬運與焊接系統(tǒng)控制方案設(shè)計2.1控制方式的選擇（1）控制方式的分類傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備自動控制主要通過繼電器或分立電子電路實現(xiàn)。這種控制方法投資相對較少。目前，一些舊式和簡單的工業(yè)設(shè)備存在一定的市場，但控制方法存在以下致命缺陷：①僅適用于簡單的邏輯控制；②僅適用于特殊工程項目，但不適用于普遍；③沒有修改和優(yōu)化的可能性。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展，中國工業(yè)領(lǐng)域的自動化基本實現(xiàn)了從繼電器控制到計算機控制的轉(zhuǎn)變。計算機控制模式具有以下兩個特征：硬件上至少有一個微處理器和通過軟件來進行響應(yīng)的控制。目前，工業(yè)自動化領(lǐng)域比較典型的控制方式有：①可編程序邏輯控制器（PLC）；②工業(yè)控制計算機（IPC）；③集散控制系統(tǒng)（DCS）。（2）PLC與工業(yè)控制計算機（IPC）和集散控制系統(tǒng)（DCS）的比較各自技術(shù)發(fā)展的起源：計算機是專為滿足快速，大型數(shù)據(jù)處理需求而設(shè)計的設(shè)備。在硬件結(jié)構(gòu)方面，總線具有高度標準化，兼容性和豐富的軟件資源，尤其是具有實時操作系統(tǒng)支持。因此，它在控制需要快速，實時，復(fù)雜模型和大計算工作量的工業(yè)對象方面具有優(yōu)勢。分布式系統(tǒng)已從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)演變?yōu)楣I(yè)控制計算機中心分配系統(tǒng)。因此，它在模擬處理和環(huán)路調(diào)節(jié)方面具有一定的優(yōu)勢。它主要用于連續(xù)過程控制，并專注于循環(huán)調(diào)節(jié)。PLC是從繼電器邏輯系統(tǒng)開發(fā)的，主要用于過程控制。在初始階段，它主要取代繼電器控制系統(tǒng)，重點是開關(guān)量的順序控制。近年來，隨著微電子技術(shù)，大規(guī)模集成電路技術(shù)，計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，PLC在技術(shù)和功能上取得了飛躍。在初始邏輯運算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值計算和閉環(huán)調(diào)整等功能，增加了模擬量和PID調(diào)整等功能模塊；提高了運行速度，CPU能力趕上了工業(yè)控制計算機；因此，本地總線和網(wǎng)絡(luò)（LAN）也可以構(gòu)建為分布式系統(tǒng)。特別是個人計算機也被吸收到PLC系統(tǒng)中。PLC在過程控制中的發(fā)展將是一個智能變送器和現(xiàn)場總線，具有向下擴展功能和開放式總線。相同點：在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件角度來看：PLC，工業(yè)計算機和分布式系統(tǒng)（DCS）之間的差異正在縮小，并且將類似于一些微電子元件，微處理器，大容量半導(dǎo)體存儲器。不同點：由于PLC和計算機屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點和軟件工具，實際上它們的區(qū)別仍然存在。PLC由編程器或計算機編程。編程語言是梯形圖，功能塊圖，順序功能表圖和指令列表。配電系統(tǒng)本身或計算機結(jié)構(gòu)的配置構(gòu)成了開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。特別是，PLC與STD總線工業(yè)計算機的區(qū)別相似，無論維護，安裝和模塊功能如何，PLC更適合運行在黑色模式下，但如果要在線操作時進行大程序修改，其性能略遜于STD工業(yè)計算機，但從切換量控制的角度來看，PLC性能優(yōu)于STD工業(yè)計算機?？偟膩碚f，在選擇控制器時，首先要從工程要求、現(xiàn)場環(huán)境和經(jīng)濟性等方面考慮。沒有哪種控制器是絕對完善的，也沒有哪種產(chǎn)品絕對差，只能說根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品。（3）工件搬運與焊接系統(tǒng)控制方式的選定PLC實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過設(shè)計軟件來實現(xiàn)的，這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng)，根據(jù)機械設(shè)備的工藝流程來設(shè)計。PLC自問世以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要產(chǎn)業(yè)，當前，PLC在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。PLC具有生命力的原因在于它更適合工業(yè)領(lǐng)域和市場要求：高可靠性和強抗各種干擾。編程和安裝使用方便，價格低廉，壽命長。與MCU相比，其輸入輸出更接近現(xiàn)場設(shè)備，無需添加太多中間組件或更多接口，節(jié)省用戶時間和PLC的下端（輸入）是一個控制單元，如繼電器，晶體管和晶閘管，上端通常是面向用戶的微型計算機。應(yīng)用后，人們可以操作和編程，可編程控制器需要專門的計算機培訓(xùn)來執(zhí)行各種復(fù)雜的工業(yè)控制任務(wù)。PLC具有許多的數(shù)不清的好處。機器人控制系統(tǒng)采用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維護方便。由于PLC的靈活性，模塊化和易擴展性，根據(jù)現(xiàn)場要求，可以實現(xiàn)機器人的不同工作要求。機器人采用PLC控制技術(shù)，可以大大提高系統(tǒng)的自動化程度，減少大量的中間繼電器，時間繼電器和硬件布線，同時，PLC控制系統(tǒng)可以輕松改變生產(chǎn)過程，增強控制功能，總之，機器人的控制方式選擇PLC控制。本設(shè)計采用的PLC型號為西門子S系列1200型號。2.2可編程序控制器簡介可編程序控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計算機技術(shù)使之功能不斷增強，逐漸適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù)。PLC與普通微型計算機基本相同，由兩部分組成：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。PLC的硬件系統(tǒng)包括微處理器（CPU），存儲器（EPROM，ROM），輸入/輸出（I/O）組件，電源組件，編程器，I/O擴展單元和其他外圍設(shè)備。每個部分通過總線連接（電源總線，控制總線，地址總線，數(shù)據(jù)總線）。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：外設(shè)I/O接口外設(shè)I/O接口輸出部件存儲器微處理器運算器控制器電源輸入部件I/O擴展接口I/O擴展單元受控元件輸入信號外部設(shè)備圖2-1PLC硬件結(jié)構(gòu)圖PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC使用的各種程序的集合。它通?？梢苑譃閮刹糠郑合到y(tǒng)程序和用戶程序。系統(tǒng)程序是必須包含在每個PLC成品中的部件。它由PLC制造商提供，用于控制PLC本身的操作。系統(tǒng)程序在EPROM中固化。用戶程序是用戶根據(jù)控制需求編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成一個完整的PLC系統(tǒng)，它們是互補和必不可少的。2.3伺服電機簡介伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動控制對象。伺服電動機可控性好，反應(yīng)迅速。是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。伺服電動機，是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種機器。伺服電動機主要由一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成。電動機利用通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象而制成的。伺服電動機主要由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成，其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組（其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組）。伺服電動機控制精度高，矩頻特性好，具有過載能力，多應(yīng)用于物料計量，橫封裝置和定長裁切機上。伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止狀態(tài)下，能服從控制信號的命令而轉(zhuǎn)動，而且要求在電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機立即停轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)中用來產(chǎn)生控制脈沖，通過編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制伺服電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制伺服機構(gòu)的進給速度；環(huán)形脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按伺服電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的伺服電機可以采用軟件環(huán)行分配器，也可以采用硬件環(huán)行分配器。采用軟件環(huán)行分配器占用的PLC資源較多，特別是伺服電機繞組相數(shù)M>4時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該給予充分考慮。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用PLC的I/O口點數(shù)，目前市場有多種專用芯片可以選用。一般PLC的輸出接口具有一定的驅(qū)動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾～幾十伏特、幾十～幾百毫安。但對于功率伺服電機則要求幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅(qū)動能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進行放大。本次設(shè)計采用的伺服電機的型號是西門子SIEMENS1FK7080-5AF71-1SA0型號，如伺服機構(gòu)采用硬件環(huán)行分配器，則占用PLC的I/O口點數(shù)少于5點，一般僅為3點。其中I口占用一點，作為啟動控制信號；O口占用2點，一點作為PLC的脈沖輸出接口，接至伺服系統(tǒng)硬環(huán)的時鐘脈沖輸入端，另一點作為伺服電機轉(zhuǎn)向控制信號，接至硬環(huán)的相序分配控制端。伺服系統(tǒng)采用軟件環(huán)行分配器時，I口和O口分別多占用一個點，其接口如圖2-2所示：伺服系統(tǒng)硬環(huán)的相序分配控制端伺服系統(tǒng)軟件環(huán)行分配控制端圖2-2可編程控制器的接口控制系統(tǒng)中PLC用來產(chǎn)生控制脈沖；通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量[13]；同時通過編程控制脈沖頻率——即伺服機構(gòu)的進給速度；環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用PLC的I/O口點數(shù)，目前市場有多種專用芯片可以選用。電機功率驅(qū)動器有將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅(qū)動能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅(qū)動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾～幾十伏特、幾十～幾百毫安。但對于功率電機則要求幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅(qū)動能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進行放大。進給方向控制即電機的轉(zhuǎn)向控制。伺服電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向；如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉(zhuǎn)；當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉(zhuǎn)。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。由伺服電機的工作原理和特性可知電機的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：N=Di/d公式2-1中：Di——伺服機構(gòu)的位移量（mm）；d——伺服機構(gòu)的脈沖當量（mm/脈沖）伺服機構(gòu)的進給速度取決于電機的轉(zhuǎn)速，而電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率；因此可以根據(jù)該工序要求的進給速度，確定其PLC輸出的脈沖頻率：f=Vf/60d(Hz)公式2-2中：Vf——伺服機構(gòu)的進給速度（mm/min）2.4總體方案設(shè)計本系統(tǒng)主要設(shè)計一個基于PLC的流水線搬運與焊接控制系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)主要有傳感器模塊、傳送帶模塊、傳感器檢測模塊、搬運模塊、PLC、指示燈。傳感器用于檢測有物體的放入。傳動帶模塊用于控制傳送帶的速度。搬運模塊用于物件的搬運。PLC控制模塊用于系統(tǒng)的總體流程的控制。標志設(shè)備運行狀態(tài)指示燈（綠色）閃爍表示可以放，已搬運完成。圖2-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

第3章硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1搬運與焊接搬運用傳動系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)用于生產(chǎn)線上工件搬運與焊接系統(tǒng)，將甲工件由工件搬運與焊接系統(tǒng)從供料站的運輸?shù)郊庸ふ驹龠\輸?shù)桨徇\與焊接站和乙零件搬運與焊接之后再由工件搬運與焊接系統(tǒng)運輸?shù)椒謷_的過程。系統(tǒng)的主要功能由搬運工件與焊接系統(tǒng)及直線導(dǎo)軌完成。根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求及控制要求分析，直線運動傳送組件、工件搬運與焊接系統(tǒng)傳動裝置如圖3-1、3-2所示：圖3-1直線運動傳送組件圖3-2工件搬運與焊接系統(tǒng)傳動裝置傳動組件由直線導(dǎo)軌底板、伺服電機及伺服放大器、同步輪、同步帶、直線導(dǎo)軌、滑動溜板、拖鏈帶和原點接近開關(guān)、左、右極限開關(guān)組成。原點接近快關(guān)是一個無觸點的電感式接近傳感器，用來提供直線運動的起始點信號。左、右極限開關(guān)均是有觸電的微動開關(guān)，用來提供越程故障時的保護信號：當滑動溜板在運動中越過左、右極限位置時，極限開關(guān)會動作，從而向系統(tǒng)發(fā)出越程故障信號。3.2工件搬運與焊接系統(tǒng)的控制過程（1）抓?。汗ぜ徇\與焊接系統(tǒng)裝置將甲工件從供料站出料臺抓取出，抓取的順序是：手臂伸出-->手爪夾緊工件-->提升臺上升-->手臂縮回。（2）抓取動作完成后，工件搬運系統(tǒng)裝置向加工站移動，移動速度不小于30mm/s。（3）工件搬運系統(tǒng)裝置移動到加工站物料臺的正前方后，即把甲工件放到加工站物料臺上。工件搬運系統(tǒng)裝置在加工站放下工件的順序是：手臂伸出-->提升升降臺-->手抓松開-->放下工件-->手臂縮回。（4）焊接：每個焊接工作檢測到夾具到位后，先將夾具頂起，然后下壓氣缸壓下，接著開始焊接。焊接完成流到下一工位。5個焊接工位的動作相同，只是焊接軌跡不同。（5）取料模塊：夾具在該工位停留，將焊接完成的工件取走，按下按鈕后放行。3.3系統(tǒng)硬件組成氣動控制閥是指在氣動系統(tǒng)中控制氣流的壓力、流量和流動方向，并保證氣動執(zhí)行元件或機構(gòu)正常工作的各類氣動元件[18]。氣動控制閥的結(jié)構(gòu)可分解成閥體(包含閥座和閥孔等)和閥心兩部分，根據(jù)兩者的相對位置，有常閉型和常開型兩種。閥從結(jié)構(gòu)上可以分為：截止式、滑柱式和滑板式三類閥。圖3-3主控制接線圖工件控制回路原理圖如圖3-3所示。圖3-4氣動控制回路原理圖圖3-5電機控制圖

第4章軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1PLC選擇及I/O口分配4.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則（1）滿足被控對象的控制要求及考慮將來發(fā)展的需要，PLC選用功能較強的新產(chǎn)品，并留有適當?shù)挠嗔俊＃?）系統(tǒng)安全、可靠。（3）盡可能簡單、經(jīng)濟、使用與維修方便。（4）具有高的性能價格比。4.1.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟（1）分析被控對象，提出控制要求。（2）確定輸入、輸出設(shè)備。（3）確定PLC的I/O點數(shù)，選擇PLC機型。（4）分配I/O點數(shù)，繪制PLC控制系統(tǒng)輸入、輸出端子接線圖。（5）程序設(shè)計，繪制工作循環(huán)圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。（6）程序調(diào)試。先進行模擬調(diào)試，再進行現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試；先進行局部、分段調(diào)試，再進行整體、系統(tǒng)調(diào)試。（7）調(diào)試過程結(jié)束，整理技術(shù)資料，投入使用。4.1.3I/O口分配原則本控制系統(tǒng)的PLC的輸入、輸出點數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定。（1）PLC的輸入端口包括工作按鈕、上升、下降按鈕、總停按鈕、前進、速度、工件到位等。（2）PLC的輸出端口包括運行指示燈、繼電器、外部接口、伺服電機接口等。PLC輸入、輸出分配表如表4-1、表4-2所示。4.1.4I/O口分配表此方案對超程保護所使用的行程開關(guān)合運動方向指示燈，獨立分配I/O。優(yōu)點：（1）獨立控制，互不干擾。（2）程序簡單，無需添置編碼、解碼張芯片及其抗干擾設(shè)施。（3）良好的穩(wěn)定性。（4）預(yù)留足夠的I/O點數(shù)，大于10~20%。方便以后的擴展升級。表4-1I/O分配輸入端一覽表輸入名稱I0.0急停I0.1啟動I0.2停止I0.3伺服原點I0.4伺服上限位I0.5伺服下限位I0.6伺服準備好I0.7伺服報警I1.0預(yù)料臺檢測I1.1推料氣缸伸出到位I1.2推料氣缸縮回到位I1.3物料臺物料檢測I1.4物料夾緊氣缸伸出到位I1.5物料夾緊氣缸縮回到位I2.0物料臺縮回到位I2.1物料臺伸出到位I2.2旋轉(zhuǎn)臺左側(cè)物料到位I2.3旋轉(zhuǎn)臺右側(cè)物料到位I2.4裝配物料檢測I2.5機械手焊接完成I2.6光柵I2.7下料氣缸伸出到位I3.0下料氣缸縮回到位表4-2I/O分配輸出端一覽表輸出名稱Q0.0沖壓脈沖輸出Q0.1伺服方向Q0.2伺服使能Q0.3伺服報警復(fù)位Q0.4推料氣缸電磁閥Q0.5物料夾緊氣缸電磁閥Q0.6物料臺起升氣缸電磁閥Q0.7裝配下料氣缸電磁閥Q1.0焊接機械手動作Q1.1輸送帶Q2.0機臺報警4.2主程序編寫的思想從工作任務(wù)可以看到，輸送單元傳送工件的過程是一個順序控制的過程，包括兩個方面，一是電機驅(qū)動抓取工件搬運與焊接系統(tǒng)的定位控制，二是工件搬運與焊接系統(tǒng)到各工作單元物料臺上抓取或放下工件，其中前者是關(guān)鍵。本程序采用絕對位置控制指令來定位。因此需要知道各工位的絕對位置脈沖數(shù)。若驅(qū)動器的細分設(shè)置為10000步/轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)如表4-3所示。表4-3電機運行的運動位置序號站點脈沖量移動方向0低速回零1零位-->供料站22mm36672供料站-->加工站430mm71667DIR3供料站-->搬運與焊接站780mm130000DIR4供料站-->分揀站1040mm173333DIR傳送工件的順控過程是否進行，取決于系統(tǒng)是否在運行狀態(tài)、急停按鈕是否正常以及急停復(fù)位后的處理是否結(jié)束。為此，須建立一個主控過程允許執(zhí)行的標志M20，只有當M20被置位時，才能運行順控過程。由此可見，系統(tǒng)主程序應(yīng)包括上位電初始化、復(fù)位過程（子程序）、準備就緒后投入運行、檢查及處理急停等階段，最后判斷M20是否為ON。在主程序清單中，先后調(diào)用初態(tài)檢查子程序P1和急停處理子程序P2，前者的功能是檢查系統(tǒng)上電后是否在初始狀態(tài)，如不在初始狀態(tài)則運行復(fù)位操作。后者的功能是：當系統(tǒng)進入運行狀態(tài)后，檢查急停按鈕是否按下和進行急停復(fù)位的處理，以確定M20的狀態(tài)。在緊急停止狀態(tài)或系統(tǒng)正處于急停復(fù)位后的處理的過程，M20OFF，這時主控過程不能進行。僅當急停按鈕沒有按下或急停復(fù)位后的出力已經(jīng)完成，M20ON，啟動一個主控快，塊中的傳送工件順控過程可以執(zhí)行。傳送工件過程是一個單序列的數(shù)控過程。傳送功能流程圖如圖4-4所示。圖4-4傳動功能過程及流程說明其中圖4-4中的第S11、S15、S20、S22步都是電機驅(qū)動工件搬運與焊接系統(tǒng)運動的過程，以S15步為例，梯形圖如圖4-5所示。圖4-5工件搬運與焊接系統(tǒng)從加工單元移動到搬運與焊接單元梯形圖程序中使用絕對位置控制指令驅(qū)動電機運動，指定目標位置為+13000脈沖（搬運與焊接單元對原點的坐標，見表4-1），運行速度為60KHz。指令執(zhí)行前的當前位置（加工單元加工臺中心線）為71667脈沖。指令執(zhí)行時，自動計算出輸出的脈沖數(shù)（13000-71667=58333）為正值，故旋轉(zhuǎn)方向信號輸出Y002ON，電機應(yīng)為反向旋轉(zhuǎn)。因此，在安裝和調(diào)試電機時應(yīng)予以注意。

第5章組態(tài)仿真在工件搬運與焊接控制系統(tǒng)中的應(yīng)用5.1軟件介紹博途是西門子公司開發(fā)的一款全集成自動化編程軟件，TIA博途是全集成自動化軟件TIAportal的簡稱，是西門子工業(yè)自動化集團發(fā)布的一款全新的全集成自動化軟件。它是業(yè)內(nèi)采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務(wù)。借助該全新的工程技術(shù)軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動化系統(tǒng)。博圖是一個集成軟件平臺，專業(yè)版支持300、400、1200、1500，同時還支持西門子人機界面，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。5.2控制界面開發(fā)設(shè)計1.建立新工程建立新工程時，首先通過“工程管理器”指定工程的名稱和工作路徑，不同的工程一定要放在不同的路徑下。指定工程的名稱和路徑，選擇型號，如圖5-1所示。圖5-1設(shè)備選擇界面在設(shè)備視圖里選中CPU以太網(wǎng)網(wǎng)口，下方會出現(xiàn)PLC屬性—常規(guī)—以太網(wǎng)地址—IP協(xié)議選中在項目中設(shè)置IP地址，如圖5-2所示。圖5-2新建工程向?qū)г赑LC變量—默認變量表創(chuàng)建變量，在仿真時不能使用外部I點，否則不能被仿真與強制，建議采用M點，如圖5-3所示。圖5-3新建工程向?qū)Ф诔绦驂K0B1主程序里編寫如下圖啟保停程序。圖5-4新建工程向?qū)凇靶庐嬅妗睂υ捒蛑?，可以給畫面命名，在注釋中，可以選擇畫面位置及其畫面風(fēng)格。3.定義IO設(shè)備在亞控中，把需要與組態(tài)軟件之間交換數(shù)據(jù)的設(shè)備或者程序都作為IO設(shè)備，IO設(shè)備包括：DDE,OPC,PLC、UPS、變頻器、智能儀表、智能模塊、板卡等，這些設(shè)備一般通過串口和以太網(wǎng)等方式與上位機交換數(shù)據(jù)：只有在定義了IO設(shè)備后，才能通過數(shù)據(jù)庫變量和這些IO設(shè)備。如圖5-6所示。用軟件繪制PLC的控制面板，可以提前設(shè)計控制相，實現(xiàn)工件搬運與焊接系統(tǒng)的監(jiān)控和仿真。系統(tǒng)的界面如圖5-5所示。圖5-5系統(tǒng)界面圖5-6控制按鈕5.3控制系統(tǒng)的程序調(diào)試1）對于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要繪制系統(tǒng)流程圖，用以清楚的表明動作的順序和條件。2）根據(jù)流程圖，結(jié)合定義的輸入輸出定義，編寫程序。3）將程序輸入到PLC的用戶存儲器，并查找程序是否正確。4）對程序進行調(diào)試和修改，直到滿足要求為止。保存所有組態(tài)設(shè)置，然后關(guān)閉組態(tài)監(jiān)控程序。將PLC程序下傳到PLC裝置中并讓其運行，切換到離線狀態(tài)，然后啟動，進入組態(tài)工程運行界面。在運行中通過對按鈕的操作可檢測所編程序的正確與否。點擊放置啟動按鈕開始工作，工件按照設(shè)置的工序進行工作。圖5-7控制面板設(shè)置

第6章總結(jié)與展望本次設(shè)計主要針對流水線上的工件搬運與焊接任務(wù)，設(shè)計了一套自動化搬運與焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了基本流程達并到了設(shè)計要求，主要成果如下：（1）分析了目前自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在的一些問題，對整體布局進行研究與設(shè)計，通過綜合對比，確定了一種既提高效率又節(jié)約成本的方案。（2）研究了流水線上實際搬運與焊接的需求，設(shè)計自動控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，規(guī)劃出了系統(tǒng)的各個功能模塊，制定了整體的工藝流程。（3）研究了工件分配與組裝技術(shù)，對關(guān)鍵點位進行可靠性分析，考慮到實際加工過程中的工件需求，運用伺服技術(shù)來運轉(zhuǎn)系統(tǒng)。（4）基于西門子PLC與博圖軟件的仿真建立了流水線搬運與焊接的組合動作控制系統(tǒng)，通過配置仿真系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)了對整個自動化系統(tǒng)的監(jiān)控，確保了運轉(zhuǎn)過程中的安全性。本次設(shè)計還能做出如下改進：（1）多點位間的準確定位搬移，可擴展用于流水線合攏與分發(fā)、產(chǎn)品的定位拿取與堆放、裝箱、焊接等功能。（2）搬運過程中的路徑與速度未達到嚴格的控制，使得整個系統(tǒng)的運行過程中還存在不確定因素，因此應(yīng)進一步優(yōu)化與完善。（3）焊接過程中可增加對于種類的識別與判斷，實現(xiàn)對不同類型工件的焊接與分揀任務(wù)。

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