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四工位点焊机电气控制系统设计

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摘要：
点焊机作为一种重要的工业用具，在当今工业生产中占着举足轻重的位置。点焊是一种重要的焊接工艺，具有生产效率高、成本低、节省材料和易于实现自动化等特点。如今，传统的点焊机控制方式已经不能满足系统的需求，本文对四工位点焊机电气控制系统进行设计。为了保证四工位点焊机高效节能又能安全可靠的运作，可采用可编程控制器PLC来实现对四工位点焊机系统的控制，来完成四工位点焊机在高地项目柔性自动化生产流水线的物料装配的控制。

关键字：点焊机、PLC控制、控制系统、自动化
1 文献综述
随着科技的发展，为了减少劳动力再生产线上的机械劳动，寻找创新的道路开发利用，节约不必要的人力支出和人员劳动，开发了自动化生产流水线。自动化生产线是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产生产线活动所构成的路线[1]。然而这些自动化的操作大量的节约了成本。
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从点焊机问世以来，相应的各种难题迎刃而解[2]。点焊机可在不用人力的情况下焊接物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线[3]。本设计是为了实现点焊机的手动和自动化的转化，改变以往点焊机的单纯手动送料，减少了劳动力，提高了生产效率，实现了自动化生产！而且四工位点焊机的设计是由于工作环境恶劣，不允许人员长时间在旁边工作的情况下孕育而成的[4]。不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。
柔性生产线是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。按照输送系列产品大体可以分为：皮带流水线、板链线、倍数链线、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。流水线输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。在当今世界自动化生产流水线相对比较普遍，当然还有少部分落后国家还在运用人力的流水线生产物料。运用柔性自动化的生产流水线是我国目前乃至全世界的发展目标也是现在普遍的工业生产技术。点焊机一般由控制器来控制时间、电流等参数，运用点焊机并开发出更多工位的点焊机在今后的工业生产中。
2 选题的背景及意义
随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具——点焊机。与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作长时间的工作，点焊机则正好适应这类工作。防止了一些化学物品对人类的伤害[5]。
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。
点焊机是按照给定程序、轨迹和要求实现自动移动、焊接的操作的自动机械装置[6]。实现了自动化的工作并减少了很多不必要的人工劳动。本文对多工位点焊机利用PLC的控制进行了详细的研究。
点焊机的工作原理是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料，来达到使它们结合的目的[7]。点焊机是由焊头、点焊枪等组成。点焊枪是四工位点焊机电气控制系统的核心。利用电磁阀控制点焊枪的伸缩及温度。
3 研究内容
3.1四工位点焊机的基本工作原理
点焊机系采用双面双点过流焊接的原理，工作时两个电极加压工件使两层金属在两电极的压力下形成一定的接触电阻，而焊接电流从一电极流经另一电极时在两接触电阻点形成瞬间的热熔接，且焊接电流瞬间从另一电极沿两工件流至此电极形成回路，不伤及被焊工件的内部结构。
四工位点焊机的四个工作台不动，由一个点焊机控制。由两个步进电机控制X轴Y轴的运行。
3.2 系统方案
此次研究的课题是来源于电气工程及其自动化专业高地建设项目中柔性自动化生产流水线的物料装配，所设计的是四工位点焊机电气控制系统。利用PLC来控制，用步进电机来驱动点焊机，来实现点焊机的运行。
由于这次方案中涉及到不同方向的运动轨迹，需要通过设置脉宽来控制步进电动机的运行速度，可以把运行速度定位单位速度，通过控制步进电机运行时间来控制电机在X轴Y轴的位移。
3.3点焊机PLC控制系统的结构框图
点焊机的工作原理十分简单，采用S7—200对步进电机进行控制，从而达到点焊机多点运动焊接的目的。通过S7—200PLC对步进电机的正反转的控制，可使点焊机的焊接触头运动到不同的工位。驱动步进电机使运动方向沿             X轴Y轴的方向来进行工作的。点焊机的控制系统中由PLC、传感器、步进电机、驱动器、电磁阀、点焊枪等元器件组成。
点焊机启动—停止按钮负责整个系统的停止和启动。传感器主要负责检测点焊机的位置。对于主要的输出设备有以下几方面：主要是点焊枪PLC控制点焊枪的位置及开关状态。对于点焊枪的位置控制由两台步进电机来控制。由于步进电机需驱动器。故PLC得输出信号是直接输入到驱动器。对于点焊枪的开关状态需要电磁阀来间接控制，所以PLC的另一部分输出信号需要传送给电磁阀。使电磁阀通电，来促使点焊枪工作。点焊机信号控制系统框图如图1所示：

                             图1 点焊机信号控制系统框图
3.4点焊机PLC控制系统的工作流程
根据点焊机的控制要求，四工位点焊机的工作流程图如图2所示：

图2 点焊机的工作流程图
程序启动后选择所要求的工作方式，此四工位点焊机的工作方式有三种，四个工位以圆周均匀分布，用步进电机进行控制工作。以顺时针方向进行编号，每个工位点焊时间2、3、6秒不等。
第一种工作方式是点焊枪开始运行，x轴反转y轴正转同时运行一个单位时间到工位一工作2秒钟后；y轴停止不动，x轴向右正转运行2个单位时间到达工位二工作6秒后；x轴停止不动，y轴反转2个单位时间到达工位三工作2秒钟后；y轴停止不动，x轴反转2个单位时间到达工位四工作3秒后x轴y轴都是正转1个单位时间，回到初始位置。第二、三种的工作方式与一类似。
3.5 硬件系统设计
四工位点焊机控制系统的输入信号由各种开关、按钮、传感器、位置信号等组成，实时反映点焊机的当前工作状态。输出信号主要由各种电磁气阀、步进电机、驱动器及各种状态指示灯等组成。根据控制要求列出输入输出信号。下面简单介绍各元器件在点焊机中的作用。
3.5.1 传感器在点焊机中的作用
随着机械制造行业的发展，传感器行业也得到了大提速，随着物联网概念的日渐普及，传感器市场再次迎来快速发展机遇。在机械制造测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。在于机床的运行中，传感器也起到重要的作用，传感器在机械制造中是不可或缺的物件。在机械制造中，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。
在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外，还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器
3.5.2 步进电机在点焊机的工作原理
步进电机又称脉冲电机，它是将输入的脉冲信号转换成相应的角位移和线性位移的控制电机，它可以看作为低速运行的同步电机，它由专用的驱动电路来产生脉冲，每输入一个脉冲信号步进电机就转动一步。它是步进式运动的，因此称之为步进电机。
    步进电机是受脉冲信号控制的，因此它适合作为数字控制的伺服系统，它的直线位移或者角位移与脉冲量成正比，所以步进电机的速度或转速也与脉冲的频率成正比，通过改变脉冲的频率就可以调节步进电机的速度。步进电机常规的控制方式一般采用开环控制方式，其控制方式由控制器产生脉冲给驱动电路来控制步进电机的速度和位置。
    对于步进电机的开环控制系统来说，其控制方式简单、控制成本低、便于实现等优点；但是要实现高精度的位置控制是相当困难的，一般采用加大传动比的方法来实现，如轴向传动比设置为100：1，若按本设计系统的采用的步进电机的0.1度，那么经过减速以后步进电机的步距角度分辨率为0.0001度，但是步进电机本身速度不高，若增大步进电机的速度又会导致步进电机的输出转距变小，不能带动负载；这对于贴标机的贴标速度效率是不可取的，另外在负载较大或者连续加减速的情况下，步进电机容易发生失步或过冲现象，对于开环系统来说，这种现象造成的位置误差是无法弥补的。
3.5.3 电磁阀在点焊机中的工作原理
电磁阀是利用电能流经线圈产生电磁吸力将阀芯(克服弹簧或自重力)吸引.分常开与常闭两类.通常用于切断油,水,气等物质的流通.配合压力,温度传感器等电气设备实现自动控制
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。
电磁阀的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
4 工作特色及其难点，拟采取的解决措施
4.1 工作特色及其难点
在此次的课题设计中，利用西门子s7 200系列的plc驱动步进电机的方法实现对点焊机的控制。点焊机的工作原理是运用X轴Y轴的运行方向来实现。而目前我所遇到的难点在于如何实现plc对于步进电机的驱动。而又如何利用两台步进电机来控制机械臂X轴Y轴的运行。
如何利用可编程控制器PLC来实现对四工位点焊机系统的控制，保证四工位点焊机高效节能又能安全可靠的运作，来完成四工位点焊机在高地项目柔性自动化生产流水线的物料装配的控制。
4.2 拟采取的解决措施
看一些相关书籍，查找有关的资料，对照前人的成果和自己的计算，思考和分析其中的规律。并且归纳和总结，使得自己更好的掌握和理解相应的知识。
5论文工作量及预期进度
2010年12月，按照毕业设计任务书要求，完成开题报告撰写、开题答辩工作；
2011年01月——02月，着手完成系统方案和各类计算，确定各器件的型号；
2011年03月——04月，构建控制系统；设计控制系统电气原理图；用户程序设计；准备中期检查；
2011年05月，模拟调试，毕业设计文稿定稿；准备毕业设计答辩；
2011年06月上旬，毕业设计答辩。
6 预期成果及其可能的创新点
预期成果：通过查阅文献和资料，了解多工位加工系统的工作流程，通过设计四工位点焊机的控制系统，达到预期的要求能够正常运行，可进行模拟调试。可使点焊机在各个工位都能够在所要求的时间内正常的运行工作。
    可能的创新点：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
参考文献
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