自动化点焊控制系统设计毕业论文.doc

自动化点焊控制系统设计毕业论文目 录引言11 研究综述21.1 研究自动化焊接发展意义21.2 国内外研究现状、发展动态22 自动化点焊技术概述52.1 现代点焊自动化技术特点52.2 自动化点焊设备种类及结构组成52.3 点焊的基本原理与参数选择52.3.1 点焊焊接参数62.3.2 焊接参数间相互关系及选择83 可编程控制器概述103.1 PLC定义103.2 PLC的产生113.3 PLC的结构113.3.1 中央处理单元(CPU)123.3.2 存储器133.3.3 I/O模块133.3.4 电源133.3.5 PLC系统的其他设备133.4 PLC的机构类型143.5 PLC的工作原理143.6 PLC的基本性能指标154 点焊控制系统总体方案设计174.1 系统设计要求174.2 机械结构的设计174.2.1 床身结构设计184.2.2 焊抢结构的选择184.3 动力装置的选择194.3.1 伺服电机194.3.2 步进电机194.3.3 伺服电机与步进电机系能比较204.3.4 步进电机驱动器214.4 传动系统的设计244.4.1 丝杆的选择254.5 传感器的选择254.6 气缸的选用264.7 夹具设计294.8 焊接电源机箱294.9 控制I/O表304.10 三维模型简图315 点焊控制系统的实现325.1 控制系统简图325.2 点焊过程流程图325.3 焊接控制的实现336 制作模型图和控制电路板346.1 数模的模拟346.1.1 CATIA软件简介346.1.2 模拟仿真346.2 PCB制作流程346.3 硬件系统356.3.1 硬件控制系统的准备356.3.2 制作板时注意事项356.4 触摸屏的制作366.5 系统的整体调试376.5.1 调试效果377 结论38谢 辞40参考文献41附 录42附录1 PLC接线图42附录2 逻辑流程图43附录3 程序梯形图45 第 57 页 共 55页引言自动化焊接技术是先进制造技术的重要组成部分，随着电子技术、计算机技术、数控技术、传感器技术以及机器人技术的高速发展。自动化焊接已向数控化、智能化、专机化、精密化、大型化发展，尤其在汽车、航空航天、石油化工、建筑、船舶工业等领域应用尤为重要。根据自动化程度，自动化焊接设备可分为以下三类：（1）刚性自动化焊接设备可称为初级自动化焊接设备，其大多数是按照开环控制的原理设计的。虽然整个焊接过程由焊接设备自动完成，但对焊接过程中现场信息的波动不能进行闭环的反馈系统，不能随机纠正可能出现的偏差。（2）自适应控制自动化焊接设备自适应控制的焊接设备是一种自动化程度较高的焊接设备，它配用传感器和电子检测线路，可以对运动轨迹进行调整，并对主要的焊接参数进行实行闭环的反馈控制。整个焊接过程将按预先设定的程序和工艺参数自动完成。（3）智能化自动焊接设备它利用各种高级的传感元件，并借助计算机软件系统，数据库和专家系统具有识别、判断、实时检测，运算、自动编程、焊接参数存储和自动生成焊接记录文件的功能。焊接自动化具有焊接质量好、安全可靠、效率高、降低人工强度等特点。焊接自动化焊接设备按照功能分可以分为三大类：通用型自动焊接机设备、专用型自动焊接机设备、焊接机器人。按照焊接方式分为气焊机、弧焊机、点焊机。专用型焊接设备是提高焊接生产率、保证产品焊接质量的有效手段、适用于批量上产。目前，我国的焊接自动化技术在以下方面已达到广泛的应用，并不断的继续发展其特点有：（1） 机电一体化模块集成技术。（2） 基于PLC的整机数控技术。（3） PID算法实时控制技术。（4） 全位置自动化焊接技术。现在，我基于三菱PLC设计一台汽车部件自动化点焊机设备。汽车行业中电阻焊应用特别的多，尤其汽车箱体支架等，如果人工焊接将会效率低下而且可能焊接不够好，人身不安全等。自动化点焊机设备采用卧式机床结构，主要焊接汽车部件结合，将两块合金板焊接在一起。机床式结构应用已经非常成熟，各个机械结构已模块化，并有专用夹具，容易实现低成本自动化，和复杂的空间焊接。现在我采用一台三菱Fn-2xPLC控制系统通过程序控制三个坐标轴来实现定位，然后通过气缸对焊接位置点焊。程序通过编程器编好来控制电机，旋转工作台可以转动到要焊接的面，通过X、Z轴的控制来定位到要焊接的焊接处，通过电磁阀推动焊枪点焊。本系统可以实现自动焊接也可以手动控制运动，有自检测功能，为了提高效率可以设计自动夹具，有专用的定位基准。1 研究综述1.1 研究自动化焊接发展意义目前，我国已经连续三年成为全球最大的钢材生产和消费国，到现在我钢产量已突破6亿顿，占全球产量的百分之三十多。焊接被誉为是钢铁的“裁缝”，在各个领域中焊接是主要的应用手段。焊接有许多种种类，弧焊、气焊、电阻焊等，现在我所设计的为电阻焊，电阻焊有点焊、缝焊、对焊等。而汽车行业的高速发展带动了焊接技术的发展，点焊在汽车行业应用尤为多，包括汽车车架、箱体盖板、零件结合等。目前在焊接这一领域，国外已经实现机器人来完成焊接的任务。就拿德国的KUKA机器人来说，它可以实现全闭环的控制，能完成空间复杂的焊接任务。全球的机器人占有率，德国和日本占据大部分，而且应用可靠、效率高。在汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占了全部的焊接机器人的百分之七十六，是我国焊接机器人最主要的用户。我国焊接机器人的应用起步较晚，主要用于汽车、工程机械和摩托车行业。大多数机器人都是从国外引进，故发展受国外的限制。随着国产设备的不断提升，机器人的发展也开始追赶上来。除了机器人，还有很多坐标类型的设备不断在应用，在控制发面能完成较复杂的工作，在点焊中，应用还是非常广。由于电阻焊过程相当复杂，包含了多种影响因素，例如：被焊材料、电流、电极压 力、通电时间、电极端面形状及尺寸、分流、焊点离边缘的距离、板厚、工件表面状态等，而且这些因素之间互相联系，有一定的交互作用。同时，加之焊接过程中熔核的不可见性及焊接过程进行的瞬时性，给焊接质量控制带来较大的困难。为了适 应 新 材 料 、新工艺、新产品在工业上开发应用的需要，以使电阻焊工艺及设备能满足现代化生产的要求，近十年来，各国焊接界在电阻焊工艺和设备控制方面做了大量的工作，主要集中在以下几方面：（1） 电阻焊过程的计算机模拟研究。（2） 新型材料的可焊性研究。（3）电阻焊质量监控方法研究。能够控制焊接过程的问题，将大大提高焊接的质量，这样就保证了零件的牢固性。将在零件设计中也将给予重大的帮助，以减少零件设计复杂而带来难以加工的可能性，让制作工艺更加简单化。1.2 国内外研究现状、发展动态焊接自动化行业属于新兴行业，但我国目前处于初级发展阶段 ，与国外的焊接行业相比还存在很大差距。焊接生产过程自动化是包括从备料、切割、组对、焊接到检测等一系列工序的焊接产品生产全过程的自动化，其中核心的工序就是焊接自动化。目前部分焊件是采用点焊方法生产的，现主要研究基于PLC控制实现自动化生产的控制，主要内容有：焊接自动化设备结构的组成、机械机构、传感技术、控制技术、焊接自动化控制设计。部分焊接自动化装备还配备了焊缝自动跟踪系统和图像监控系统，确保了焊接过程中的焊接质量。我国焊接自动化装备制造业技术发展呈现出如下趋势： （1） 精密、高效化 焊接自动化装备正朝着高精度、高质量、高效率、高可靠性方向发展。要求系统的控制器以及软件具有较高的信息处理速度，系统各运动部件和驱动控制具有高速响应特性，要求其电气、机械装置具有精确的控制，能够长期稳定、可靠的工作。 （2） 模块化 焊接自动化装备的集成化技术包括硬件系统的结构集成、功能集成和控制技术的集成。现代焊接自动化设备的结构都采用模块化设计，根据不同客户对系统功能的不同要求，进行模块组合。而且其控制功能也采用模块化设计，可以根据用户需求，快速提供不同的控制软件模块，提供不同的控制功能组合。模块化、集成化使系统功能的扩充变得极为方便，实现个性化产品的规模化批量生产，降低成本、缩短交货期。 （3） 智能化 将激光、视觉、传感、检测、图像处理、计算机等智能控制技术应用于焊接自动化装备中，使其能在各种环境复杂、变化的焊接工况下根据焊接的实际情况，自动调整、优化焊接轨迹和工艺参数，实现高质量、高效率的焊接智能控制。智能化的焊接自动化装备，不仅可以根据指令完成自动化焊接过程，而且可以根据焊接的实际情况，自动优化焊接工艺和焊接参数。例如，在焊接大厚度工件时，智能控制系统可以根据连续实测的焊接工件坡口宽度，通过分析、对比、判断自动确定每层焊缝的焊道数、每道焊缝的熔敷量及相应的焊接参数、盖面位置等工艺参数，完成从坡口底部到盖面层的所有焊接。 （4） 柔性化 现代化生产要求同一台设备能够满足同类型不同规格工件的加工，甚至不同类型工件的焊接自动化加工，同时由于大型焊接自动化成套装备或生产线一次投资相对较高，因此在设计这种焊接装备时需要尽量考虑柔性化，形成柔性制造系统，以充分发挥装备的效能，满足同类产品不同规格工件的生产需要。焊接自动化装备将广泛采用工业机器人，标准化、模块化单元，实现多品种、小批量产品的柔性化生产。（5） 网络化 智能接口、远程通信等现代网络技术的发展，促进了焊接自动化装备管控一体化技术的发展。通过网络将生产过程自动控制一体化，利用计算机技术、远程通信等技术，焊接加工过程和质量信息、生产管理等信息通过网络实现数字一体化管理，实现脱机编程，远程监控、诊断和检修。（6） 人性化 焊接自动化装备广泛采用数字化、图形化的人机操作界面，设备拥有专家数据库、控制参数实时显示、人机交互等功能，使设备操作更加容易、更加方便。随着技术的不断完善，数字显示技术在人机交互、控制参数实时监测中将得到普遍。（7） 数控化目前在焊接装备控制系统中，已普遍采用基于PLC可编程控制器等微机的自动化控制系统，对焊接设备进行数字化控制。数控装置带有插补功能，可以更精密的控制轨迹。这不仅提高了焊接设备自动控制功能、精密、效率，确保了焊接质量，改善了操作环境，也为焊接网络化控制提供了条件。焊接设备数控化的关键是合理应用计算机控制器、伺服电动机、焊接传感器，特别是视觉焊缝传感器等先进手段，将其组合在一起实现自动化焊接设备。很多专用型焊接设备也非常重要，能完成批量生产、操作简单、成本较低、安全可靠，所以专用型焊接设备也有非常广阔的空间和发展的前景。经济型点焊机器人主要应用在焊点分布简单，焊接工作量大，焊接劳动强度大、焊接环境恶劣的工作。【11】2 自动化点焊技术概述2.1 现代点焊自动化技术特点当前国内外点焊自动化技术主要发展是数控化、高速化、专机化和智能化。主要有专用型的点焊设备和机器人点焊设备，在汽车生产行业点焊技术应用尤为广泛。专用型的点焊设备一般为直角坐标式点焊机，它具有控制简单、生产周期短，成本低等特点。在实际应用中，它的焊接速度平均每个焊点仅需3s钟，在有30个焊点零件中完成一件焊件仅需1分半钟，所以直角坐标式的点焊设备还有有很大的发展空间。而机器人点焊设备在复杂零件的点焊中应用广泛，它具有灵活性好、适应性强、速度快、控制精度高，但成本较高、控制较复杂。它在发达国家的使用几乎随处可见，由于它的控制精度高、速度快、适应性好、在工业生产中占主要地位。2.2 自动化点焊设备种类及结构组成人工点焊一般只有一把焊钳，其劳动强度大、速度比较慢。自动化点焊机的出现代替了人工的点焊，既降低了人的劳动强度又提高了生产效率。一般自动化点焊设备有专用型点焊机、三轴直角坐标点焊机、机器人点焊机。专用型点焊机一般是为特定焊件而设计的设备，三轴直角坐标点焊机比专用型点焊机较灵活一些，而机器人点焊机，尤其多自由度机器人，如5、6轴自由度的关节机器人，它能适应各种复杂焊件的作业。所以，机器人在工业环境中使用最为广泛，大大的提高了生产效率又降低了人的风险。汽车车身点焊是电阻焊的主要形式，点焊机主要有三类：普通点焊机、多点焊机和点焊机器人。普通点焊机是适用于各种场合、各类焊接对象的通用点焊设备，根据机器结构和应用场合的不同又分为移动式点焊机和固定式点焊机。移动式点焊机是汽车车身焊装自动化生产线上完成汽车车身组焊任务的主要设备，适用于焊接结构尺寸大、形状复杂、不便于移动的焊件和大型薄壁结构工件，焊接执行机构为点焊钳。一般多点焊机由X、Y、Z三个轴、焊钳、焊接电源、控制系统、各种传感器组成，有的是增加了工作台和焊枪的旋转，也能完成复杂零件的点焊。点焊机器人设备一般由多个轴组成机械本体，加上各种传感器、伺服控制系统、焊钳、焊接电源组成。不管是三轴直角坐标还是机器人，它们都有很多类似的东西，但机器人的控制系统比较复杂，对控制精度要求高。目前我基于三菱PLC设计一台由三轴组成的直角坐标式点焊机。它由机械本体、控制系统、检测传感装置、焊接电机、辅助设备组成。再配合自动夹紧工作台，可以实现自动化控制，提高安全性和生产效率。2.3 点焊的基本原理与参数选择点焊是电阻焊的一种形式, 其原理是将被焊工件压紧于两电极之间, 并通过电流利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热使其加热到熔化或塑性状态, 使之形成金属结合的一种方法。点焊是一种高速、经济的连接方法。它适用于制造接头不要求气密,厚度小于3mm,冲压、轧制的薄板搭接构件,广泛用于汽车、摩托车、航空航天、家具等行业产品的生产。点焊的原理是这个点利用热量熔接，这时焊件只在有限的接触面积上,即所谓“点”上进行焊接，形成牢固的点。点焊在继电器的生产中有着相当重要的位置。要形成一个连接两焊件的共有焊点，必须提供的外加能量有两种：电流I和压力F。点焊是由电流直接在焊件内及焊件间的接触点内流通时所产生的内部热来焊接的，热源即分布于焊件表面，又分布于焊件的内部。焊接参数选取不好，将会给加工带来不便，甚至影响控制和焊接质量。2.3.1 点焊焊接参数点焊焊接参数的选择，主要取决于金属材料的性质、板厚、结构形式及所用设备的特点（能提供的焊接电流波形和压力曲线），工频交流点焊在点焊中应用最为广泛且主要采用电极压力不变的单脉冲点焊。（1） 焊接电流I焊接时流经焊接回路的电流称为焊接电流，一般在数万安培（A）以内。焊接电流是最主要的点焊参数。调节焊接电流对接头力学性能的影响如图2-1所示。图2-1 接头拉剪载荷与焊接电流的一般关系1-板厚1.6mm以上 2-板厚1.6mm以下AB段曲线呈陡峭段。由于焊接电流小使热源强度不足而不能形成熔核或熔核尺寸甚小，因此焊点拉剪载荷较低且很不稳定。BC段曲线平稳上升。随着焊接电流的增加，内部热源发热量急剧增大（QI2），熔核尺寸稳定增大，因而焊点拉剪载荷不断提高；临近C点区域，由于板间翘离限制了熔核直径的扩大和温度场进入准稳态，因而焊点拉剪载荷变化不大。CD段由于电流过大使加热过于强烈，引起金属过热、喷溅、压痕过深等缺陷，接头性能反而降低。图2-1还表明，焊件越厚BC段越陡峭，即焊接电流的变化对焊点拉剪载荷的影响越敏感。（2） 焊接时间t自焊接电流接通到停止的持续时间，称焊接通电时间，简称焊接时间。点焊时t一般在数十周波（1周波0.02s）以内。焊接时间对接头力学性能的影响与焊接电流相似（图2-1）。但应注意二点： C点以后曲线并不立即下降，这是因为尽管熔核尺寸已达饱和，但塑性环还可有一定扩大，再加之热源加热速率较和缓，因而一般不会产生喷溅。 焊接时间对接头塑性指标影响较大，尤其对承受动载或有脆性倾向的材料（可淬硬钢、铝合金等），较长的焊接时间将产生较大的不良影响。（3） 电极压力Fw 点焊时通过电极施加在焊件上的压力一般要数千牛（N）。图2-2表明，电极压力过大或过小都会使焊点承载能力降低和分散性变大，尤其对拉伸载荷影响更甚。当电极压力过小时，由于焊接区金属的塑性变形范围及变形程度不足，造成因电流密度过大而引起加热速度增大而塑性环又来不及扩展，从而产生严重喷溅。这不仅使熔核形状和尺寸发生变化，而且污染环境和不安全，这是绝对不允许的。电极压力过大时将使焊接区接触面积增大，总电阻和电流密度均减小，焊接散热增加，因此熔核尺寸下降，严重时会出现未焊透缺陷。一般认为，在增大电极压力的同时，适当加大焊接电流或焊接时间，以维持焊接区加热程度不变。同时，由于压力增大，可消除焊件装配间隙、刚性不均匀等因素引起的焊接区所受压力波动对焊点强度的不良影响。此时，不仅使焊点强度维持不变，稳定性亦可大为提高。图2-2 拉剪力载荷与电极压力关系（4） 电极头端面尺寸D或R电极头是指点焊时与焊件表面相接触时的电极端头部分。其中D为锥台形电极头端面直径，R为球面形电极头球面半径，h为端面与水冷端距离（图2-3）。电极头端面尺寸增大时，由于接触面积增大、电流密度减小、散热效果增强，均使焊接区加热程度减弱，因而熔核尺寸减小，使焊点承载能力降低（图2-4）。应该指出，在点焊过程中，由于电极工作条件恶劣，电极头产生压溃变形和粘损是不可避免的，因此要规定：锥台形电极头端面尺寸的增大D15D，同时对由于不断锉修电极头而带来的与水冷端距离h的减小也要给予控制。低碳钢点焊h3mm，铝合金点焊h4mm。图2-3 常用电极接头结构 图2-4 接头承载能力与电极压力的关系 （低碳钢：=1mm）2.3.2 焊接参数间相互关系及选择点焊时，各焊接参数的影响是相互制约的。当电极材料、端面形状和尺寸选定以后，焊接参数的选择主要是考虑焊接电流、焊接时间及电极压力，这是形成点焊接头的三大要素，其相互配合可有两种方式。（1） 焊接电流和焊接时间的适当配合这种配合是以反映焊接区加热速度快慢为主要特征。当采用大焊接电流、短焊接时间参数时，称硬规范；而采用小焊接电流、适当长焊接时间参数时，称软规范。软规范的特点：加热平稳，焊接质量对焊接参数波动的敏感性低，焊点强度稳定；温度场分布平缓，塑性区宽，在压力作用下易变形，可减少熔核内喷溅、缩孔和裂纹倾向；对有淬硬倾向的材料，软规范可减小接头冷裂纹倾向；所用设备装机容量小，控制精度不高，因而较便宜。但是，软规范易造成焊点压痕深，接头变形大，表面质量差，电极磨损快，生产效率低，能量损耗较大。硬规范的特点与软规范基本相反，在一般情况下，硬规范适用于铝合金、奥氏体不锈钢、低碳钢及不等厚度板材的焊接；而软规范较适用于低合金钢、可淬硬钢、耐热合金、钛合金等。应该注意，调节I、t使之配合成不同的硬、软规范时，必须相应改变电极压力Fw，以适应不同加热速度及满足不同塑性变形能力的要求。硬规范时所用电极压力显著大于软规范焊接时的电极压力。（2） 焊接电流和电极压力的适当配合这种配合是以焊接过程中不产生喷溅为主要原则，这是目前国外几种常用电阻点焊规范（RWMA、MIL Spec、BWRA等）的制定依据。根据这一原则制定的I-Fw关系曲线，称喷溅临界曲线（图2-5）。曲线左半区为无喷溅区，这里Fw大而I小，但焊接压力选择过大会造成固相焊接（塑性环）范围过宽，导致焊接质量不稳定；曲线右半区为喷溅区，因为电极压力不足，加热速度过快而引起喷溅，使接头质量严重下降和不能安全生产。图 2-5 焊接电流与电极压力的关系当将规范选在喷溅临界曲线附近（无喷溅区内）时，可获得最大熔核和最高拉伸载荷。同时，由于降低了焊机机械功率，也提高了经济效果。当然，在实际应用这一原则时，应将电网电压、加压系统等的允许波动带来的影响考虑在内。以上讨论的两种情况，其结果常以金属材料点焊焊接参数表、列线图、曲线图和规范尺等形式表现出来，但在实际使用这些资料时均需进行试验修正。3 可编程控制器概述PLC是在传统的顺序继电控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）已颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。经过30多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。3.1 PLC定义可编程控制器(Programmable Controller)是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLCPLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association） 经过四年的调查工作，于1984 年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC 作了如下定义： “PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。”一部数字电子计算机若是从事执行PC 之功能看，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。 以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2月份通过了对它的定义： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定 时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系 统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 总之，可编程控制器就是一台小型计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。【12】3.2 PLC的产生早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统。继电器已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电信号的电磁开关。若在复杂的继电器控制系统中，出现故障将非常难以查找和维修。而随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求。为了改变这一现状，美国通用（GM）汽车公司在1968年公提出了研制可编程序控制器的基本设想，即： （1） 编程方便，现场可修改程序；（2） 维修方便，采用模块化结构；（3） 可靠性高于继电器控制装置；（4） 体积小于继电器控制装置；（5） 数据可直接送入管理计算机；（6） 成本可与继电器控制装置竞争；（7） 输入可以是交流115V；（8） 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；（9） 在扩展时，原系统只要很小变更；（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器。之后，PLC在几十年里得到了空前的发展，迅速成了工业控制的核心。3.3 PLC的结构PLC的硬件结构框图如下图3-1所示：接口部件输出输入接口部件 中央处理单元 CPU板接受 驱动现场信号 受控元件电 源 部 件 图3-1 PLC的基本构成PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同： （1） 央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区内的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 （2） 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （3） 电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。3.3.1 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映像区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。为了进一步提高PLC 的可靠性近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表决式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。【12】3.3.2 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC 常用的存储器类型：（1） RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。（2） EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变。（3） EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。3.3.3 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。3.3.4 电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。3.3.5 PLC系统的其他设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。3.4 PLC的机构类型（1） 按硬件的结构类型分类：编程控制器是专门为工业生产环境设计的。为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别，常见的有箱体式，模块式，及叠装式三种结构。箱体式PLC一般用于规模小，输入输出点数固定，不需要扩展的场合。模块式PLC一般用于规模较大，输入输出点数多，输入输出点数比例灵活的场合。叠装式PLC具有二者的优点。（2） 按应用规模及功能分类：为了适应不同工业生产过程的应用要求，PLC能够处理的输入信号数量是不一样的。一般将一路信号称作一个店，将输入输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小，小，中，打，超大等五大类型，如下表3-1所示：表3-1 PLC的结构分类超小型小型中型大型超大型64点以下64128点128512点5128192点8192点以上3.5 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 （1） 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证任何情况下，该输入均能被读入。 （2） 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 （3） 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。【16】3.6 PLC的基本性能指标（1） PLC 的主要特点：高可靠性a. 所有的I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离。b. 各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。c. 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。d. 采用性能优良的开关电源。e 对采用的器件进行严格的筛选。f. 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。g. 大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。采用模块化结构为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC 以外绝大多数PLC 均采用模块化结构PLC 的各个部件包括CPU 电源I/O 等均采用模块化设计由机架及电缆将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者来说不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握 安装简单维修方便 PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接即可投入运行各种模块上均有运行故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行 （2） 工作速度工作速度是指PLC的CPU执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度。工作速度是PLC工作的基础。速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥PLC的多种多样的作用。 （3） 控制规模 控制规模代表PLC控制能力，看其能对多少输入、输出点及对多少路模拟进行控制。 控制规模与速度有关。因为规模大了，用户程序也长，执行指令的速度不快，势必延长PLC循环的时间，也必然会延长PLC对输入信号的响应。为了避免这个情况，PLC的工作速度就要快。所以，大型PLC的工作速度总是比小的要快。 控制规模还与内存区的大小有关。规模大，用户程序长，要求有更大的用户存储区。同时点数多，系统的存储器输入、输出的信号区（输入输出继电器区或称输入、输出映射区）也大。这个区大，相应地内部器件（解释见后）也要增多，这些都要求有更大的系统存储区。 控制规模还与输入、输出电路数有关。如控制规模为1024点，那就得有1024条I/O电路。这些电路集成于I/O模块中，而每个模块有多少路的I/O点总是有数的。所以，规模大，所使用的模块也多。 （4） 组成模块 常见的PLC模块有： CPU模块，它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现。 电源模块，它为PLC运行提供内部工作电源，而且，有的还可为输入信号提供电源。 I/O模块，它集成了I/O电路，并依点数及电路类型划分为不同规格的模块。 内存模块，它主要存储用户程序，有的还为系统提供辅加的工作内存。在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中。4 点焊控制系统总体方案设计点焊设备由控制系统装置、机械结构、焊接电源、传感器装置、辅助装置组成。其控制系统根据点焊的工艺和使用环境，我采用PLC控制，因为它在工业环境中安全可靠、抗干扰能力强，而单片机控制系统抗干扰能力比较差，工业环境中使用不可靠。PLC产品有很多种，这里我选用了三菱FX-2n类型的产品，因为三菱PLC具有以下特点。（1） PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力。通常的平均无障碍时间都在30万小时以上；（2） 系统设计周期短，维护方便，改造容易，功能完善，实用性强；（3） 干扰能力强，具有硬件故障的自我检查功能，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；（4） 近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，是的实际应用成为可能。4.1 系统设计要求（1） 系统要有报警功能。（2） 具有多轴运动。（3） 有操作运动指示灯。（4） 急停功能，要求在任何情况下使用，以便保证安全、（5） 速度选择功能，可以选择多种速度。（6） 复位功能，按下复位按钮，系统中一些元件回到设定原点后启动。（7） 行程限位与传感器检测。（8） 自动夹紧与松开。4.2 机械结构的设计现在许多点焊接设备的机械结构一般为机床式、一体式、关节机器人等。从应用和成本上来说，我选择机床式结构。X轴以方管和面板为底座，选用四个滑块为支撑，利用丝杠螺母来传动动力。Y轴和Z轴的设计基本与X轴一致，只是Z轴采用了同步带轮来带动丝杠。通过CATIA和电机软件来分析各个轴所需的扭矩和承受的载荷，并最终确定个轴的尺寸和大小。机床式结构是现在设计最为普遍的结构设计，应用已非常成熟，它共有3个轴控制，可以实现对空间XY面的定位，Z轴可以上下控制，其工作台可以旋转，以保证焊接灵活性。4.2.1 床身结构设计一般机床都采用三坐标设计，这样的设计较机器人简单。其设计周期较短，适合一般复杂的零件点焊。为了适应较复杂的零件点焊，我设计了一个工作台可以旋转，更好的适应零件的变化。在适当的变化下，可以选择能旋转的焊钳，这样就可以满足一般复杂零件的焊接。根据要焊接的零件大小来设计机床三个轴的行程，通过数模验证最终X轴行程为970mm、Y轴行程为704mm、Z轴行程为659mm。4.2.2 焊抢结构的选择焊枪有C型和X型两个类型。C型焊枪一般是一端不动，另一端运动。它是通过气缸或电磁阀驱动焊嘴与另一端接触，然后焊接电源通电，将两个焊件结合在一起。C型焊枪如下图4-1：图4-1 C型焊钳C型点焊钳用于点焊垂直及接近垂直的焊点，电极作直线运动。而X型焊枪是上下两个可以运动，就像剪刀一样。如下图4-2：图4-2 X型焊钳在电磁吸合后，两个焊嘴相贴，然后电源通电是两工件粘合在一起，完成焊接。这种焊枪适合点焊XY面和YZ面。根据焊件的形状，主要焊点都集中在XY平面，所以本次焊枪选用C型焊枪。如果焊件有不一样的焊点，根据具体情况选用，现在市场上的焊枪都有标准化的，可以替换使用。一般情况下，焊点距离制件边缘超过300mm的情形选择X型焊钳，焊点距离制件边缘小于300mm的情形可以选择X、C型焊钳。4.3 动力装置的选择现在工业使用的动力装置都是电动机带动传动装置传动到执行机构上。电动机产品在市场上有许多种，有直流电动机、交流电动机之分；有步进电动机、伺服电动机之分；有同步电动机、异步电动机。根据具体的应用选择不同类型的电动机完成所需要的任务。电动机带动轴类旋转转换为直线运动，可以使执行装置运动。4.3.1 伺服电机图4-3 伺服电机伺服电机（图4-3）是指在伺服系统中控制机械元件运转的电动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自传现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。4.3.2 步进电机图4-4 步进电机步进电机（图4-4）是将电脉冲信号转变为角位移或纤尾翼的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，成为“步距角”，它的旋转式以固定的角度一步一步运动的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器家就是为步进电机分时供电的，多时序控制器。虽然步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能像普通的直流电机和交流电机一样在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等多专业知识。步进电机分为以下三种： 永磁式步进电机 反应式步进电机 混合式步进电机4.3.3 伺服电机与步进电机系能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。二者比较如下：（1） 控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，三相永磁式步进电机步距角为1.2五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步