机器人点焊论文

0 COMAUCOMAU 机器人点焊电气控制部分的设计机器人点焊电气控制部分的设计 摘要 摘要 本论文完成了机器人点焊系统电气控制部分的硬件和软件设计 该 机器人点焊系统主要由夹具系统 转台系统 机器人以及焊接系统等几 大模块组成 整个系统用 PLC 进行控制 本设计中硬件部分围绕夹具系 统等几大模块进行 完成了相应模块的控制电路以及整个系统的安全保 护电路的设计 软件设计分两部分进行 即系统在手动模式下的运行程 序以及在自动模式下的运行程序 手动模式一般用于机器人系统安装调 试阶段以及故障处理的时候 通过操作主控制柜上不同的按钮可对转台 夹具进行分别控制 自动模式用于生产阶段 系统运行速度很快 可以 减小生产周期 在自动模式下夹具 转台 机器人 焊枪依据工艺要求 的逻辑顺序进行动作 完成对工件的点焊任务 关键词 关键词 PLC 机器人 点焊 电气控制 1 1 绪 论 1 1 点焊机器人介绍及其研究意义 点焊机器人 spot welding robot 用于点焊自动作业的工业机器人 世 界上第一台点焊机于 1965 年开始使用 是美国 Unimation 公司推出的 Unimate 机器人 中国在 1987 年自行研制成第一台点焊机器人 华宇 型点焊机器 人 点焊机器人由机器人本体 计算机控制系统 示教盒和点焊焊接系统几部 分组成 由于为了适应灵活动作的工作要求 通常电焊机器人选用关节式工业 机器人的基本设计 一般具有六个自由度 腰转 大臂转 小臂转 腕转 腕 摆及腕捻 其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种 其中电气驱动具有保养维 修简便 能耗低 速度高 精度高 安全性好等优点 因此应用较为广泛 点 焊机器人按照示教程序规定的动作 顺序和参数进行点焊作业 其过程是完全 自动化的 并且具有与外部设备通信的接口 可以通过这一接口接受上一级主 控与管理计算机的控制命令进行工作 焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能 丰富的实践经验 稳定的 焊接水平 另一方面 焊接又是一种劳动条件差 烟尘多 热辐射大 危险性 高的工作 工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接 减轻焊工的劳动强度 同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率 点焊机器人 在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量 同时又具有柔性焊接的特点 即只要改变程序 就可在同一条生产线上对不同 的车型进行装配焊接 应用点焊机器人 有如下优点 容易实现生产过程的完全自动化 对生产设备的适应能力将大大加强 可以提高产品的生产效率及质量 可以明显改善工作条件 1 2 工业机器人发展现状及趋势 2 1 2 1 工业机器人发展现状 我国的工业机器人从 80 年代 七五 科技攻关开始起步 目前已基本掌握 了机器人操作机的设计制造技术 控制系统硬件和软件设计技术 运动学和轨 迹规划技术 生产了部分机器人关键元器件 开发出喷漆 弧焊 点焊 装配 搬运等机器人 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上 但总的来看 我 国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离 如 可靠 性低于国外产品 机器人应用工程起步较晚 应用领域窄 生产线系统技术与 国外比有差距 应用规模小 没有形成机器人产业 工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始 的 原因在于电阻点焊的过程相对比较简单 控制方便 且不需要焊缝轨迹跟 踪 对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低 国际工业机器人企业凭借 与各大汽车企业的长期合作关系 向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人 单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国 在该领域占据市场 主导地位 随着汽车工业的发展 焊接生产线要求焊钳一体化 重量越来越大 165 公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人 2008 年 9 月 机 器人研究所研制完成国内首台 165 公斤级点焊机器人 并成功应用于奇瑞汽车 焊接车间 2009 年 9 月 经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过 验收 该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水平 1 2 2 工业机器人发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度 进行机器人共性技术的研究 从机 器人技术发展趋势看 焊接机器人和其它工业机器人一样 不断向智能化和多 样化方向发展 具体而言 表现在如下几个方面 机器人操作机结构 通过有限元分析 模态分析及仿真设计等现代设计方 法的运用 实现机器人操作机构的优化设计 探索新的高强度轻质材料 进一步提高负载 自重比 机器人控制系统 重点研究开放式 模块化控制系统 向基于 PC 机的开放 型控制器方向发展 便于标准化 网络化 器件集成度提高 控制柜日见 小巧 且采用模块化结构 大大提高了系统的可靠性 易操作性和可维修 3 性 控制系统的性能进一步提高 实现软件伺服和全数字控制 人机界面 更加友好 机器人传感技术 机器人中的传感器作用日益重要 除采用传统的位置 速度 加速度等传感器外 装配 焊接机器人还应用了激光传感器 视觉 传感器和力传感器 并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动 定位以及精密装配作业等 大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应 性 网络通信功能 日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司的最新机器人控制器已实现 了与 Canbus Profibus 总线及一些网络的联接 使机器人由过去的独立应 用向网络化应用迈进了一大步 也使机器人由过去的专用设备向标准化设 备发展 虚拟机器人技术 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真 预演发展到 用于过程控制 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉 来操纵机器人 基于多传感器 多媒体和虚拟现实以及临场感技术 实现 机器人的虚拟遥控操作和人机交互 机器人性能价格比 机器人性能不断提高 高速度 高精度 高可靠性 便 于操作和维修 而单机价格不断下降 由于微电子技术的快速发展和大规 模集成电路的应用 使机器人系统的可靠性有了很大提高 多智能体调控技术 这是目前机器人研究的一个崭新领域 主要对多智能 体的群体体系结构 相互间的通信与磋商机理 感知与学习方法 建模和 规划 群体行为控制等方面进行研究 4 2 机器人点焊系统电气控制部分的组成和原理 2 1 机器人点焊系统电气控制部分的组成 机器人点焊系统由机器人系统 夹具系统 转台系统和焊接系统构成 工 作站采用 PROFIBUS 数字 I O 实现彼此通信 3 该系统电气结构如图 2 1 所示 主控制柜 机器人控制 柜 阀岛 焊接系统 夹具系统转台系统 示教器 机器人 控制线 动力线 总线通讯 总线通讯 夹具控 制信号 转台控 制信号 焊接控 制信号 图 2 1 机器人点焊系统电气结构图 2 2 机器人点焊系统的电气控制原理 系统上电 初始化机器人的状态 主要包括机器人是否在原位 机器人工 作是否完成 系统的水 气 光栅是否正常 系统和生产线控制器通讯 获取 和机器人工作站有关的生产线的多个状态 如输送线是否处于自动状态 相关 5 传感器的信号是否正常等 对于安全信号 则分等级处理 重要的安全信号通 过和机器人的硬线连接 引起机器人急停 级别较低的安全信号通过 PLC 给机 器人发 外部停止 命令 系统的任务选择是由线控制器完成的 输送线控制 器通过传感器来确定车型并通过编码方式向机器人点焊工作站发出相应的工作 任务 点焊控制器接受任务并调用相应的机器人程序进行焊接 焊接过程中 系统检测机器人的工作状态 如机器人发生错误或故障 系统自动停止机器人 及焊枪的动作 当机器人在车身不同的部位焊接时 需要不同的焊接参数 控 制焊枪动作的焊接控制器中可存储多种焊接规范 每组焊接规范对应一组焊接 工艺参数 机器人向 PLC 发出焊接文件信号 PLC 通过焊接控制器向焊枪输出 需要的焊接工艺参数 车体焊接完成后 机器人可按设定的方式进行电极修磨 6 3 机器人点焊系统电气控制部分硬件设计 3 1 安全保护系统 点焊机器人的工作范围必须符合安全要求 即必须在任何情况下都不会对 人员或设备构成威胁 在机器人动作范围内 必须采取隔离措施保护 这些隔 离保护措施可以是隔离栅栏 光栅 光幕 空间扫描装置等 本设计采用隔离 栅栏和光栅的保护措施 另外 系统中设有急停回路 以便各种突发情况下将 系统停止 确保人员和设备的安全 KA21KA22 KA13KA11KA12KA13 三三三三 三三三三三三三三三 三三三三三三三三三 三三三 三三 图 3 1 安全门回路 7 3 1 1 隔离栅栏保护 隔离栅栏的作用是将机器人的工作区域与外界隔离开来 设有一个安全门 机器人在自动模式下工作时速度相当快 如果有人打开安全门 试图进入机器 人工作区域内 机器人会自行停止工作 以确保人员安全 按照 DIN EN 294 DIN EN349 和 DIN EN 811 确定隔离栅栏网孔的规格 隔离栅栏高度的设计 必须使人手无法从上面伸进隔离范围 栅栏分块的大小根据栅栏的强度确定 结构设计必须避免栅栏弯曲过度 入口 安全门 只有一个 且和机器人自己 的保护装置以及上一级的紧急关断装置相联 本设计的安全门回路如图 3 1 所 示 三三三三三三三 三三三三三三三 三三三三三三 KA13 SEL 1 24V DC 24V SEL 2 NC KA12 TEST KA11 HRANGE 三三三三2 GND 三三三三1 shield 24V 24V1 6a 24V 24V 三三三三2 三三三三1 SE 1 24V 24V DC XPE SEL 2 XPE NC shield OSSD 1 GND OSSD 2 图 3 2 安全光栅 3 1 2 安全光栅保护 为确保安全 转台在转动时不允许人员进入机器人工作区域 安全光栅位 于装件区两侧 一侧是发射端 一侧是接受端 如果有人在转台工作时试图从 装件区进入机器人工作区域必定要穿过安全光栅 这样接收端便接收不到发射 8 端发射的光 从而产生转台停止信号 本设计安全光栅回路如图 3 2 所示 3 1 3 急停回路 在机器人点焊系统的调试运行过程中经常会出现一些突发情况 例如工人 在调试机器人过程中出现机器人动作偏离轨迹而要撞上转台夹具或焊钳电极与 板件粘结等 这就需要及时排除险情 本设计中 在机器人示教器上以及主控 制柜的控制面板上分别设有急停按钮 便于在出现紧急情况时能将系统停止工 作 以免发生安全事故 如图 3 3 所示 急停回路包括安全回路在设计时都采用了双回路的形式 确保急停回路的有效性 三三三三三三 三三三三三三三三三 S1 S2 KA1 KA2KA3 KA1KA2 24V 24V 三三2 三三1 三三三三三三三三 三三三三三三三三三三 a 急停回路 9 三三三三三24V 三三三三三24V 三三三三三24V 三三三三三24V KA1 KA2 KA1 KA2 b 给机器人外部急停 24V 24V 三三三三三三 三三三三三三三 KA3 KA4 三三1 三三2 三三 KA4 24V 24V KA4 KA3KA3 c 给变频器急停信号和急停复位 10 24V 三三三三三 KA3 KA21 KA22 KM1 b 变频器上电回路 图 3 3 急停回路 3 2 PLC 的选择 3 2 1 西门子 s7 300PLC S7 300PLC 主要有以下模块组成 CPU 模块 CPU 模块不断地采集输入信号 执行用户程序 刷新系统的输出 存储器 用来存储程序和数据 信号模块 I O 模块 输入 Input 模块和输出 Output 模块简称 I O 模块 分为开关量输入 输出模块 DI DO 和模拟量输入 输出模块 AI AO 信号模块是联系外部现 场设备和 CPU 模块的桥梁 模块是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁 输入模块用来接收和采集输入信号 开关量输入模块用来接收从按钮 选 择开关 数字拨码开关 限位开关 接近开关 光电开关等来的开关量输入信 11 号 模拟量输入模块用来接收电位器 测速发电机和各种变送器提供的连续变 化的模拟量电流 电压信号 或者直接接收热电阻 热电偶提供的温度信号 开关输出模块用来控制接触器 电磁阀 电磁铁和报警装置等输出设备 模拟量输出模块用来控制电动调节阀 变频器等执行器 功能模块 FM 模块 主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务 例如高速计数 位置控制和闭环控制 接口模块 IM 模块 CPU 模块所在的机架称中央机架 如果一个机架不能容纳全部模块 可增 设一个或多个扩展机架 接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信 有的接口模块还可以为扩展机架供电 通信处理器 CP 通信处理器 CP 用于 PLC 之间 PLC 与远程 I O 之间 PLC 与计算机和其 他智能设备之间的通信 可以将 S7 300 接入以太网 MPI PROFIBUS DP 和 AS i 或者用于实现点对点通信等 电源模块 PS 模块 PLC 一般使用 AC200V 电源或 DC24V 电源 电源模块 PS 用于将输入电压转换 为稳定的 DC24V 电压 供其他模块和输出模块的负载使用 3 2 2 SoftPLC SoftPLC 控制技术亦称 Softlogic 和基于 PC 的控制技术 对于它还没有一 个准确而统一的定义 西门子公司将软 PLC 的定义为 集控制 人机界面 数 据处理 通讯等功能于一台 PC 的解决方案 3S 公司定义 SoftPLC 为 一种能 将工业 PC 机转换为高端 PLC 的软件 http i t 网站上 称 SoftPLC 是一种能使用户在无 PLC 硬件支持下 在普通 PC 上开发和运行程 序的软件解决方案 因此 SoftPLC 可以说是传统 PLC 的软件解决方案 能够 在 PC 机上依靠一定的软件平台 完成 PLC 的所有功能 并具有开放的体系结构 与传统 PLC 相比 SoftPLC 技术具有符合现代工业控制技术的许多优点 具有开放的体系结构 12 SoftPLC 具有宽范围的 I 0 端口和多种现场总线的接口 支持多种硬件 能解决 传统 PLC 互不兼容的问题 并具有第三方软件接口 可支持多种语言编程 包括 高级语言 可允许用户根据需求 灵活扩展系统功能 遵循国际工业标准和事实上的工业标准 如 IHEC6ll3l 3 标准和 IEC6149l 标准 能充分利用 PC 机的资源 如大容量的内存 高速 CPU 及其它硬件 具有更强的数据处理能力 相对于传统 PLC 软 PLC 的 CPU 处理速度更快 能够在短时间内处理大量数据 能够利用 PC 机的软件平台处理一些比较复杂的数据及数据类型 如浮点数和字 符串等 具有友好的人机界面 便于操作 具有强大的网络通讯功能 软 PLC 既可以与企业管理信息系统相连 便于企业的整合 也可以监控工厂的 设备运行 实现数据传输以及在线监控 编辑 仿真 调试等功能 能够执行比较复杂的控制算法 软 PLC 除了能够完成传统 PLC 的 PID 调节和离散 I O 控制外 还能进行过程控 制和运动控制 节约成本和培训费用 由于软 PLC 具有开放的体系结构 用户不必拘泥于厂家限制 可以根据需 求 合理选择硬件和软件 以节约成本 由于软 PLC 遵循许多工业标准 能节 约人员培训费用 3 2 3 PLC 的选择 本设计使用德国 KUKA 公司生产的机器人 这种机器人集成了由 KW Software 公司开发的 SoftPLC MULTIPR0G3 5 此软件可用指令表 结构化文本 以及梯形图 功能图和顺序功能图 所有语言都可混合于一个项目中 机械顺 序功能图表语言 MSFC 也可以使用 由于循环运行 因此它只需较短的试运行 期 扩展的诊断功能只产生极少的停顿周期 而且 在自动化模式下可以很容 易操作 西门子的 ET200 是基于现场总线 PROFIBUS DP 或 PROFINET 的分布式 I O 13 它接收的数据通过总线传输给 PLC 的 CPU CPU 经过处理后再把信号通过 ET200 的输出输送出去 由于机器人点焊系统的夹具 焊枪 转台等有许多控制信号 而且现场与控制柜距离较远 因此将这些信号连接至 ET200 ET200 作为从站与 机器人主站之间通讯 从而实现机器人 SoftPLC 对夹具等的控制 3 3 夹具系统 本设计中共有两套夹具 分别位于转台的 A B 面 用于板件的定位 在转 台的每一面都有两个电感式接近开关 如果板件放置无误 则接近开关接通 夹具才可动作 用气缸作为夹具的执行机构 气缸的动作信号以及动作所需的 气体都过阀岛来控制 阀岛作为机器人子站通过总线与 ET200 相连 从而实现 SoftPLC 对夹具的控制 3 3 1 电感式接近开关的工作原理 如图 3 4 所示 电感式接近开关由三大部分组成 振荡器 开关电路及放 大输出电路 振荡器产生一个交变磁场 当金属板件接近这一磁场 并达到感 应距离时 在金属板件内产生涡流 从而导致振荡衰减 以至停振 振荡器振 荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号 传输到 PLC 作为夹 具关闭的必要条件 此时 接近开关的工作指示灯会点亮 如果指示灯没有点 亮 则说明板件位置没有放好 夹具则不会关闭 否则会将板件压变形 3 3 2 气缸的工作原理 如图 3 5 所示 该气缸为双作用气缸 其被分活塞为两个腔室 有杆腔 简称头腔或前腔 和无杆腔 简称尾腔或后腔 有活塞杆的腔室成为有杆腔 无活塞杆的腔室称为无杆腔 7 当 PLC 接收到夹具夹紧信号 通过总线传输到 阀岛 阀岛打开相应气路 压缩空气从无杆腔端的进气口输入 并在活塞左端 面上的力克服了运动摩擦力 负载等反作用力 推进活塞前进 有杆腔内的空 气经该端排气口排入大气 使活塞伸出 从而带动夹具夹紧 当活塞前进到位 时 接近开关 2 感应到活塞右边的金属面而接通 向阀岛反馈夹具夹紧到位信 号 阀岛收到信号后 关闭相应气路 同样 当 PLC 接收到夹具松开信号时 14 压缩空气从有杆腔输入 无杆腔气体从排气口排出 完成夹具松开动作 三三三 三三 三三三三 三三三三 三三三三 三三三三 三三三三 三三三三三 图 3 4 电感式接近开关 三三 三三 三三 三三 三三三三1 三三 三三三三2 图 3 5 气缸工作原理 3 3 3 阀岛的工作原理 整个夹具系统共有 2 套夹具 每套 4 组 每组 2 个 总共用到 16 个气缸 如果每个气缸都通过分立的电磁阀来控制 势必会带来大量信号 能量的管件 和连线 当这些管件和连线跟随转台转动时 因泄露 堵塞 虚接或短路而引 发的故障率就会较高 同时还给设备的管理和维护带来不便 除此之外 在整 个点焊机器人系统的设计过程中必须要经过对所有分立元件的选型 验收 组 15 装 调试以及整机安装等繁多费时的步骤 必须投入大量的人力和费用 这不 仅是整个系统的开发 制造周期延长 而且常常因为人为因素出现设计或制造 错误 从而延误设备的投用日期甚至影响到设备的功能和质量 基于此 本设计中夹具系统中所用到的汽缸都是通过 Profibus DP 总线型 阀岛这一电气一体化的控制元件来控制的 7 带现场总线的阀岛有一个总线输 入口和一个总线输出口 这样当系统中有多个带现场总线阀岛或其他带现场总 线设备时 可以由近至远串联连接 这种阀岛与外界的数据交换只需要通过一 根两股或四股的屏蔽电缆实现 这大幅度节省了接线时间 而且由于连线的减 少使设备所占的空间减小 设备维护更方便 如图 3 6 所示为阀岛与 ET200 总 线通讯 A00ET200 PS 307 IM 153 1 三三三三L 三三三三N PE M L M DP1A 1 DP1B 2 DP2A 3 DP2B 4 PE M L M PE PE ET200三三三三三三 ET200三三三三三 PLC三三三三 PLC三三三三 三三 三三三三 24V 24V PE ET200三三三三三 图 3 6 阀岛与 ET200 总线通讯 3 4 转台系统 16 为了减小系统的工作节拍 提高系统工作的连贯性 本设计采用转台的方 式将两种不同的板件连续地送到机器人工位进行焊接 3 4 1 电磁阀的工作原理 转台在正转和反转到位时 需要用定位销将转台固定住 机器人才能对板 件进行焊接 如果转台没有固定 机器人在工作过程中会引起转台的偏位 导 致焊点不在设计的位置 造成板件的报废 本设计中转台用到两个定位销 正 转到位和反转到位各一个 通过控制电磁阀的通断带动气缸的运动 从而实现 定位销的上升与下降 本设计中用的电磁阀是单电控直动式电磁阀 7 既利用电磁力直接推动阀 杆 阀芯 换向 其工作原理如图 3 7 所示 图 a 所示电磁线圈未通电时 P A 断开 阀没有输出 图 b 所示电磁线圈通电时 电磁铁推动阀芯向下移 动 使 P A 接通 阀有输出 P R A 1 2 3 a 线圈断电时的状态 P R A 17 b 线圈通电时的状态 图 3 7 单电控直动式电磁阀工作原理 1 电磁铁 2 阀芯 3 弹簧 3 4 2 变频器控制电路的设计 本设计中 转台电机是通过变频器来控制的 电机设有两种转速 即低速 和高速 当系统在手动模式时 出于安全考虑 转台转动时电机始终处于低速 状态 而在自动模式下 当转台电机启动之后就处于高速状态 直到减速位的 接近开关感应到信号时 电机转为低速运动 当停止位接近开关感应到信号 电机则停止 在这种情况下 低速运动作为转台电机由高速状态到停止状态的 一个过渡过程 图 3 8 所示为变频器控制电路 R ST PE KM1 L1 L2 L3 PE 三三三三三 M 3 U V W PE 三三三三 M三三 M三三 KA32KA34 STF STR M三三 M三三 三三三三三 三三三三三 RHRLMRSRES 24V PC SD ABC 三三三三三24V 三三三三三 24V RUN 图 3 8 变频器控制电路 3 4 3 转台系统的电路设计 位于转台的两侧上设有两对电感式接近开关 分别为正转减速位 正转停 止位 反转减速位和反转停止位 另外在转台两侧还设了超程保护 以便在停 止位接近开关故障时 电机能停下来 防止发生碰撞 在转台上还设有制动器 用于在紧急状况下 电机能够抱闸停止 图 3 9 所示为转台系统的电路原理图 18 24V 24V 三三三1三三 三三三2三三 S33 三三三三三 三三三三1 三三三三2三三三三3三三三三4 三三三三 S34 三三三1三三三三三三 三三三2三三三三三三 24V 24V a 转台定位 24V 24V 三三三三 三三三三三三三三 三三三三 三三三三1三三三三1 三三三三2 三三三三2 24V 24V b 转台减速 19 R2N2 KM11 三三三三三 24V KM11 三三三三 三三 KA32KA34 24V 三三三三1 三三三三2三三三三3 三三三三4 三三三三三三三三 c 转台制动 图 3 9 转台系统的电路原理 3 5 焊接系统 3 5 1 焊枪的工作原理 本设计中使用的焊钳为气动焊钳 如图 3 10 所示 通过气缸来实现焊钳的 闭合与打开 该焊钳共有三种动作 既大开 小开和闭合 焊钳动作过程及相 应动作功能如表 3 1 所示 图 3 11 为焊钳的控制电路 表 3 1 焊钳动作过程及相应动作功能 焊钳动作过程动作的功能 大开 小开避开障碍之后 到达焊点位置 小开 闭合开始打点 闭合 小开打点结束 小开 大开避开障碍 前往下一焊点位置 20 图 3 10 C 型气动焊钳 24V GUN三三GUN三三GUN三三 三三三三三三 三三三三 图 3 11 焊钳控制电路 3 5 2 修磨器 焊钳在焊接一段时间之后电极头表面会氧化磨损 这是需要将其修磨之后 才能继续使用 9 本设计中为了实现生产装备的自动化 提高生产节拍 为点 焊机器人配备了一台自动电极修磨器 实现电极头工作面氧化磨损后的修锉过 程自动化 同时也避免了人员频繁进入生产线带来的安全隐患 电极修磨机由 机器人的内置SfotPLC控制 示教专门的电极修锉程序来完成电极修锉 修磨器 控制电路如图3 11所示 21 三三三三三 24V FR 三三三三三 KM2 Y1 FR R TDS TDT TDPE TD KM2 UVWPE 三三三三 图3 11 修磨器控制电路 22 4 机器人点焊系统电气控制部分软件设计 本设计中机器人点焊系统有两种运行模式即自动模式和手动模式 因此软 件设计也分为自动模式下的软件设计和手动模式下的软件设计 当工人进行示 教程序调试 包括焊点及相应轨迹的示教和修磨的示教 或进行故障处理时 选择手动状态 可以通过主控制柜上的各种按钮来对夹具 转台进行操作 当 系统调试完毕 能够批量生产时 选择自动状态 让机器人点焊系统自动完成 夹具的打开与夹紧 转台的转动 机器人的点焊以及修磨器修磨 在主控制柜上有手动 自动转换开关 A B 面选择开关 四个夹具打开按钮 四个夹具夹紧按钮 定位销上升按钮 定位销下降按钮 转台正转按钮 转台 反转按钮 急停按钮 故障复位按钮 系统启动按钮 4 1 机器人点焊系统的工艺 设计机器人点焊系统电气控制软件的依据是该系统的工艺 因此 确定本 设计中机器人点焊系统的工艺对于本章的软件设计是至关重要的 图 4 1 示意 了机器人点焊系统在生产现场的布局 根据这种布局 确定本设计中的系统工 艺如下 假设初始时工作台 A 面位于工件取放区 而工作台 B 面位于机器人工 位 而且机器人在原点 当系统上电 A 面夹具打开 工人放入工件后 夹具 关闭 定位销 1 下降 转台开始正转 当转台到位时 定位销 2 上升 固定转 台 之后机器人开始对 A 面板件进行焊接 与此同时 工作台 B 面夹具应该打 开 工人取出板件 并且放入新件 之后 B 面夹具关闭 这些动作必须在机器 人完成对 A 面的点焊任务之前完成 当机器人完成对 A 面的点焊任务 回到原 点之后 发出工作完成信号 此时 定位销 2 下降 转台转动 转台到位后定 位销 1 上升 机器人开始对 B 面板件进行焊接 如此循环下去 直到有中断打 破循环 23 隔离栏栅 光栅 工人 安全门 A 面 B 面 转台 取件 放件区 修磨器 机器人 控制柜 主控制柜 机器人 图 4 1 机器人点焊系统在生产现场的安装示意图 4 2 系统软件总体设计 对于一个复杂的程序 一定要有一个程序总流程图 以便反映各个程序子 模块间的内在联系 表达各个子模块的功能 4 2 1 手动模式软件总体设计 手动模式软件总体流程图如图 4 3 所示 24 上电开机 手动 Y 选择手动 N A面 Y 正转 夹具 选择面 反转 夹具 选择面 N 转台正转 转台正转 Y 转台反转 转台反转 N Y 转台不动 N 夹具打开 夹具打开夹具关闭 Y Y A B面选 择开关 Y 转台转 动按钮 N夹具打开 关闭按钮 N Y N 维持现状 N 图 4 3 手动模式软件总体设计流程图 4 2 2 自动模式软件总体设计 根据对软件任务的分析 得到自动模式软件总体流程图如图 4 4 所示 25 上电开机 机器人 在原点 定位销 上升 手动将机器 人回原点 Y N 手动将定 位销上升 N 选择自动N 手动将外侧 夹具打开 选择自动 N Y Y Y 放入板件 板件到位 调整位置 N 启动按 钮按下 Y 按下启 动按钮 N 所有夹 具关闭 Y N 定位销 下降 Y N选择手动 检 查气源及线路 选择手动 检查气 缸信号是否到位及 信号线是否接触良好 Y N N 示教器选 择自动模式 转台外侧 夹具打开 主控制柜选 择自动模式 B A Y 26 光栅接触 安全门打开 转台转动 故障复位 重 新按启动按钮 Y N 转台到位 定位销 上升 机器人 工作 Y 选择手动 检查停止信 号是否到位 N 转台外侧 夹具打开 取件 放件 Y 选择手动 检查气 缸信号是否到位及 信号线是否接触良好 N 按启动按 钮 循环 机器人工作完 成后回原点发 工作完成信号 B A N Y 27 图 4 4 自动模式软件总体流程图 4 3 夹具系统的软件设计 4 3 1 夹具系统手动模式软件设计 若夹具现状为打开 在放入板件之后需要将夹具关闭 夹具能够关闭的必 要条件是用于板件定位的两个接近开关工作指示必须点亮 这说明接近开关已 经感应到板件 板件放置无误 按下夹具关闭按钮之后 夹具夹紧 绝不会造 成板件变形 如果至少有一个接近开关没有工作 按夹具关闭按钮则无效 此 时应该检查板件是否放置正确 或接近开关信号线是否接触良好 手动模式夹 具关闭流程图如图 4 5 所示 若夹具现状为关闭 现需要将夹具打开 取出板件 夹具能打开的必要条 件是转台必须到位 定位销上升 以防转台在转动时 误操作将夹具打开 出 现安全事故 手动模式夹具打开流程图如图 4 6 所示 上电开机 手动 夹具关闭按钮 夹具关闭 Y Y 维持现状 N 选择手动 N 板件放置到位 Y 调整位置 N 图 4 5 手动模式夹具关闭流程图 28 上电开机 转台到位 N Y 夹具打开 夹具打开按钮 Y 维持现状 N 转台继续 转动 图 4 6 手动模式夹具打开流程图 开机上电 选择自 动模式 定位销上升 机器人在原点 外侧夹 具打开 放入板件 板件 到位 调整位置 检查 接近开关信号线 是否接触良好 N 夹具关闭 转台转动 转动到位 N Y Y 图 4 7 自动模式夹具动作流程图 29 4 3 2 夹具系统自动模式软件设计 在自动模式下 无需手动按夹具打开 关闭按钮 只要按照工艺流程 夹 具打开 关闭的条件满足了 系统自动完成相应动作 图 4 7 为自动模式夹具 动作流程图 4 4 转台系统的软件设计 4 4 1 转台系统手动模式软件设计 通过机器人的教示器设定机器人初始位置也是机器人工作完成之后回到的 位置为机器人原点 安全点 既机器人停在这点能确保转台在转动过程中不会 因撞到机器人而损坏设备 手动模式下 按转台正转按钮或转台反转按钮可以 启动转台 转台只有在定位销处于下降状态才能启动 而定位销下降的前提是 机器人必须在原点 如果机器人不在原点 按定位销下降按钮是无效的 转台 到位后 按下定位销上升按钮 将转台定位 图 4 8 为手动模式转台动作流程 图 4 4 2 转台系统自动模式软件设计 在自动模式下 按照工艺流程 只要转台启动的条件成立了 转台自动启 动 图 4 9 所示为自动模式下转台动作流程图 30 上电开机 手动 选择手动 N Y 按转台正 转按钮 转台正转 Y N 转台反转 Y 转台不动 N 机器人 在原点 机器人 回原点 N 按定销 下降按钮 转台到位 NN 按定销 上升按钮 Y 按转台反 转按钮 转台到位 按定销 上升按钮 Y Y 图 4 8 手动模式转台动作流程图 31 上电开机 机器人 回原点 板件放 置到位 外侧夹 具关闭 机器人 在原点 N Y 定位销 下降 手动模式检查气源是 否供气和定位销信号 线是否接触良好 N 转台转动 转台到位 定位销 上升 手动模式检查气源是 否供气和定位销信号 线是否接触良好 N Y Y N 当前外侧夹具打开 取 下焊接好的板件 放 入新件 机器人工作 机器人工作 完成 回原点 Y N Y 图 4 9 自动模式转台动作流程图 32 结 论 在本次毕业设计中 对机器人点焊系统电气控制部分的硬件和软件进行了 设计 本系统在硬件方面主要设计了以下几个模块 1 安全保护系统 2 夹具系统 3 转台系统 4 焊接系统 在软件方面主要完成以下几个程序模块 1 夹具系统手动模式的程序设计 2 夹具系统自动模式的程序设计 3 转台系统手动模式的程序设计 4 转台系统手动模式的程序设计 本论文是在对 电器与可编程控制器 课程有一定理解 对生产现场的实 际情况有一定了解 参阅相关资料的基础上设计和完成的 由于整个机器人点 焊系统的复杂性以及作者水平有限 论文中难免会存在一些不足之处 敬请评 审老师批评指正 33 谢 辞 经过近一个学期的学习和工作 本次毕业设计已经接近尾声 作为一个专 科生的毕业设计 由于经验的匮乏 难免有许多考虑不周全的地方 如果没有 导师的督促指导 以及一起工作的同学们的支持 想要完成这个设计是难以想 象的 我在安徽奇瑞汽车股份有限公司实习的五个多月内 接触了机器人点焊 系统的实际应用 此间任老师给我答疑解惑 教会了我许多在课本里学不到的 知识 在他的指导下我解决了设计过程中遇到的诸多问题 其次还要感谢大学所有的老师 为我们打下自动化专业知识的基础 同时 还要感谢所有的同学们 正是因为有了你们的支持和鼓励 此次毕业设计才会 顺利完成 最后感谢我的母校辽源职业技术学院三年来来对我的大力栽培 34 参考文献参考文献 1 陈佩云 金茂菁 曲忠萍 我国工业机器人发展现状 J 机器人技术与应用 2001 1 2 5 2 唐新华 焊接机器人的现状及发展趋势 J 电焊机 2006 4 43 46 3 欧元贤 刘旺玉 用PLC实现对焊接机器人的控制 J 机械与电子 2004 12 70 72 4 廖常初 S7 300 400 PLC应用技术 M 北京 机械工业出版社 2009 14 15 83 85 5 周峰 王新华 李剑锋 温燕杰 软PLC技术的发展现状及应用前景 J 计算机工程 与应用 2004 24 57 59 6 周志敏 纪爱华 周纪海 变频器调速系统设计与维护 M 北京 中国电力出版社 2007 86 90 7 陆鑫盛 周洪 气动自动化系统的优化设计 M 上海 上海科学技术文献出版社 2000 34 39 186 196 155 158 8 支楠 孙荣伟 点焊机器人焊接系统 J 电焊机 1993 2 12 15 9 史有为 点焊机器人系统在一汽轿车生产线上的应用及经验 J 机器人技术与应用 2008 6 4 7 10 尹金玉 PLC在自动焊接中的应用 J 机械与电子 1998 3 16 17 35 附录 1 主电源和 220V 电源分配电路图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 8 Jun 2010 Sheet of File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesign7 ddbDrawn B y V 1 W 1 N 1 PE 1U 1 Q1 三三三三三三三 三三三三 R1S1T1 三三三三 三三三三三 F02 3 AF 三三三三三三三 三三三三三三 RST R TDS TDT TD PE TD L1 L2 L3 N PE 三三三三三 三三三 F03 F05 LNLN 三三三三LPLC三三LPLC三三N 三三三三N F04 三三 R2N2 三三三三三 PET 36 附录 2 急停回路 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 8 Jun 2010 Sheet of File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesign7 ddbDrawn B y 三三三三三三 三三三三三三三三三 S1 S2 KA1 KA2KA3 KA1KA2 24V 24V 三三三三 三三三三三24V 三三三三三24V 三三三三三24V 三三三三三24V KA1 KA2 三三三三三三三 24V 24V 三三三三三三 三三三三三三三 KA3 KA4 三三1 三三2 三三2 三三1 三三 KA4 24V 24V 三三三三三三三三 三三三三三三三三三三 KA4 KA3KA3 KA1 KA2 37 附录 3 安全门回路 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 8 Jun 20 10 Sheet o f File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesig n7 ddbDrawn B y KA21KA22 KA13KA11KA12KA13 三三三三 三三三三三 三三三三三三三三三 三三三三三三三三三 三三三三三三 三三三三三三三三三三三三三三 三三三 三三 三三三三三三 KA13 SEL 1 24V DC 24V SEL 2 NC KA12 TEST KA11 HRANGE 三三三三2 GND 三三三三1 shield 24V 24V1 6a 24V 24V 三三三三2 三三三三1 SE 1 24V 24V DC XPE SEL 2 XPE NC shield OSSD 1 GND OSSD 2 38 附录 4 变频器上电回路 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 14 Jun 2010Sheet of File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesign7 ddbDrawn B y 24V 三三三三三 KA3 KA21 KA22 KM1 三三三三三三三 R ST PE KM1 L1 L2 L3 PE 三三三三三 M 3 U V W PE 三三三三 M三三 M三三 KA32KA34 STF STR M三三 M三三 三三三三三 三三三三三 RHRLMRSRES 24V PC SD ABC 三三三三三24V 三三三三三 24V RUN 39 附录 5 阀岛与 PLC 连接电路图 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 8 Jun 20 10 Sheet o f File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesig n7 ddbDrawn B y A00ET200 PS 307 IM 153 1 三三三三L 三三三三N PE M L M DP1A 1 DP1B 2 DP2A 3 DP2B 4 PE M L M PE PE ET200三三三三三三 ET200三三三三三 PLC三三三三 PLC三三三三 三三 三三三三 24V 24V PE ET200三三三三三 40 附录 6 修磨器控制电路图 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 13 Jun 2 010Sheet o f File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesig n7 ddbDrawn B y 三三三三三 24V FR 三三三三三 KM2 Y1 FR R TDS TDT TDPE TD KM2 UVWPE 三三三三 41 附录 7 转台系统电路图 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 14 Jun 2 010Sheet o f File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesig n7 ddbDrawn B y 24V 24V 三三三1三三 三三三2三三 S33 三三三三三 三三三三1 三三三三2三三三三3三三三三4 三三三三 S34 三三三1三三三三三三 三三三2三三三三三三 24V 24V 24V 24V 三三三三 三三三三三三三三 三三三三 三三三三1 三三三三1 三三三三2 三三三三2 24V 24V R2N2 KM11 三三三三三 24V KM11 三三三三 三三 KA32KA34 24V 三三三三1 三三三三2三三三三3 三三三三4 三三三三三三三三 42 附录 8 数字输入 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 8 Jun 20 10 Sheet o f File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesig n7 ddbDrawn B y 三三三三三三三三三三三三1三三三三三三1三三2三三2 三三三三 A01 E0 0E0 1E0 2E0 3E0 4E0 5E0 6E0 7 24V 24V 三三1三三 三三2三三 三三3三三 三三4三三 三三1三三 三三2三三 三三3三三 三三4三三 A01 E1 0E1 1E1 2E1 3E1 4E1 5E1 6E1 7 24V 24V 24V 24V 三三三三三三三三 三三三三A三三三 B三三三 三三三三三 三三三三三 A0 E2 0E2 1E2 2E2 3E2 4E2 5E2 6E2 7 24V 24V 24V 24V E3 0E3 1E3 2E3 3E3 4E3 5 E3 6E3 7 A0 三三三三 24V 24V 三三 24V 1M 1M 24V 三三三三三 A02 E4 0E4 1E4 2E4 3E4 4E4 6E4 8E4 7 三三三三三三三三三三 三三三三三 三三三三三三三三 三三三三三三三 三三三三1三三三三1三三三三2三三三三2 A02 E5 0E5 1E5 2E5 3E5 4E5 5E5 6E5 7 1M 24V GUN三三三三 GUN三三三三 三三三三三三 43 附录 9 数字输出 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 14 Jun 2 010Sheet o f File E 三三三三 三三三三三三三 三三三 MyDesig n7 ddbDrawn B y A03 M三三M三三M三三M三三三三三三三 三三三三三 三三三三 三三 24V 24V 00 000 100 200 300 400 500 600 7 1M L1 24V 三三三三三三三三三三三 24V L1 01 0 01 101 201 301 401 501 601 7 1M GUN三三GUN三三 GUN三三 三三三三三三三三三三 44 附录 10 系统启动 故障复位 暂停的软件程序 006 TP 1 T 3S R1Start up R1iInHome001RobAll Home R1iEXT002AUTO ERRORINg Button S 机器人在原位动脉冲信号动求 开始按动自保持 INg Button S INg Button S ERRORR1iStartUp005 AUTO INg R1StartUp R1Pause INg R1StartUp R1iInHome TP 9 T 50ms R1RePgnoEnable R1iStartUpR1iInHome R1JobFinished004 I JBSTART 机器人在原点位置 自动与手动 I MCPAUTO 机器人动动动不工作 关动 pgnoeable I MCPMANUALMANUAL003 R1iInHome I JBSTART I JBSTART R1iStartUp R1iPgnoReq Vg PinSenUp SR 1 R TRIG 6 动台到位后 机器人开始动脉冲条件动求 Vg A UNITCy Vg B UNITCy I NegStp I PosStp start request R1iInHome Vg PinSenUp Vg PinSenUp Vg A PART Vg B PART 007 008 009 start request I PosStp I NegStp I MCPRESE