1、编号： 毕业设计（论文）说明书题 目 ： 自动化点焊控制系统设计 院 （系） ： 机电工程学院 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 班 级 ： 学 号 ： 学生姓名 ： 指导教师 ： 题 目 类 型 ： 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发2014 年 5 月 26 日摘 要自动化点焊已在焊接领域具有非常重要的地位，与传统的手工点焊相比具有效率高、降低人体劳动强度、灵活多用、避免人体伤害等优点。自动化点焊控制系统有许多种类型，有单片机控制、PLC 控制、工控机控制等。而在工业控制中 PLC 控制应用更加成熟可靠，在恶劣环境中具有抗干扰、高可靠性
2、等特点。这次设计内容有，在点焊过程中，自动化点焊不需要人工作业，只要给定参数和程序到控制设备中就可以自动焊接。焊接设备本身带有各种检测传感器，用于检测运动过程的情况，但同时又保留了手动操作的功能，用于特殊情况下的处理。本次自动化焊接控制系统设计我采用 PLC 控制步进电机实现自动点焊功能，通过电机带动各传动轴使执行装置焊枪动作，而整个设备的结构形式我采用机床式结构，可以控制 X 轴、Y 轴、Z 轴和一个工作旋转主轴。设备工作速度有三种可以选择，具有急停报警、原点检测功能等。其焊接设备由机身本体、焊接电源箱、控制装置、传感器检测装置、传动装置组成。焊接机床床身的简易模型采用 CATIA 软件制作
3、三维动画模拟，利用 AutoCAD 软件绘制 PLC 外部接线图、原理图、工作流程图，利用三菱 PLC软件绘制梯形图和仿真软件模拟。关键词：自动化焊接；PLC 控制；传感器；步进电动机AbstractAutomated spot welding has a very important role in the field of welding, compared with the traditional manual welding with high efficiency, reduce human labor intensity, flexible and multi-purpose, t
4、o avoid personal injury and so on. Automated spot welding control system has many types, there are single-chip control, PLC control, industrial control and so on. The PLC control in industrial control applications more mature and reliable, with interference, and high reliability in harsh environment
5、s. The design content, in the spot welding process, welding automation does not require manual operation, as long as the given parameters and procedures to control the device can automatically weld. Welding equipment itself with various detection sensor for detecting movement of the situation, but a
6、t the same time retaining the function of manual operation, to handle special situations.The automatic welding control system PLC control the stepper motor My automatic spot welding function, the drive shaft driven by a motor so that the torch operation execution means, and the form of the structure
7、 of the entire apparatus I used the machine structure, controls the X-axis, Y axis, Z axis, and a work-rotating spindle. There are three kinds of devices operating speed can be selected, with emergency stop alarm, the origin detection function. The machine body by the welding equipment, welding powe
8、r supply box, the control means, sensor means, transmission device. Welding machine using a simple model of bed CATIA software to create three-dimensional animation, rendering the use of AutoCAD software PLC external wiring diagrams, schematics, work flowcharts, use software to draw Mitsubishi PLC l
9、adder and simulation software simulation.Keywords: automated welding; PLC control; sensor; stepper motor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
10、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
11、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
12、 .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 1 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
13、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
14、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，
15、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第 2 页 共 55 页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。第 3 页 共 55 页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
16、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
17、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
18、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
19、。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。第 4 页 共 55 页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
20、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、
21、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
22、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。第 5 页 共 55 页（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
23、、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、
24、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】第 6 页 共 55 页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
25、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
26、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
27、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。第 7 页 共 55 页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
28、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
29、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 以下第 8 页 共 55 页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。
30、随着焊接电流的增加，内部热源发热量急剧增大（QI 2），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
31、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
32、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。第 9 页 共 55 页图 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
33、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D10 S) 。CW + 、 CW- ：电机运转方向控制 , 通过控制该端子电平可改变电机运行方向。 REST+ 、 REST-: 急停复位。PLC、3M2060-86驱动器、步进电机接线图如下图4-5：图 4-5 PLC、驱动器与步进电机连接方式步进电动机的控制主要有3个参数，即转速、转过的角度和转向。由
34、于步进电动机的转动是由输入脉冲信号控制的，所以转速就由输入脉冲信号的频率决定，而转过的第 25 页 共 55 页角度由输入脉冲信号的脉冲个数决定。转向由环形分配器的输出通过步进电机A、B、C 、D相绕组来控制，环形分配器通过控制各相绕组通电的相序来控制步进电动机的转向。固定步距角 为 1.2，减速比 （电机转速/负载转矩）为 1:1，脉冲当量 取 0.1。bi min计算得 约为 6.4，满足 。min mn计算负载转矩的公式： （r 为电机半径） （4-gFTL1）取重力加速度为 9.8m/s2，负载 m 为 50Kg 得负载转矩 约为 2.5Nm，满足 。LTLKT对于中功率系统，选择 K
35、=2，故电机转矩需要 5 Nm 以上。本次选择电机转矩为 5 Nm。由步进电机控制频率计算公式： （4-bLinf62）代入数据计算得 为 10000 步/s，频率为 10KHz。f由上得出结论，3M2060-86 满足设计要求，故选用其控制的步进电机。(3)L298N 步进电机驱动器L298N 主要是通过改变相序来实现步进电机的驱动，本次就是采用 L298N 作动驱动器驱动 OKI-EM-520 步进电机的运动。L298N 的参数如下：尺寸：45mmX45mm主要芯片：L298N、光电耦合器工作电压：控制信号直流 5V；电机电压直流 3V46V（建议使用 36 伏以下）最大工作电流：2.5A额定功率：25W特点：a、具有信号指示。b、转速可调c、抗干扰能力强d、具有过电压和过电流保护e、可单独控制两台直流电机f、可单独控制一台步进电机g、PWM 脉宽平滑调速h、可实现正反转i、采用光电隔离其 PLC、L298N、步进电机接线如图 4-6。
