基于PLC的點焊機控制系統(tǒng)論文說明書

1、摘要點焊機作為一種重要的工業(yè)用具，在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中占著很重要的位置。點焊是一種重要的焊接工藝，具有成本低、生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)自動化和節(jié)省材料等特點。如今，傳統(tǒng)的點焊機自動化程度低，生產(chǎn)效率不高，焊點質(zhì)量差，這已經(jīng)不能滿足工業(yè)發(fā)展的需求。因此，需要開發(fā)一種自動化程度高的點焊機控制系統(tǒng)。本文的點焊機控制系統(tǒng)系采用PLC加觸摸屏的控制方式，能很大程度的提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，減少廢品率。本文所涉及的點焊機系采用雙面雙點過流焊接的原理，工作時工件被壓在兩個電極之間,在壓力的作用下兩電極之間產(chǎn)生電阻。當(dāng)有電流通過時，就會產(chǎn)生高溫電弧，高溫融化被焊接的工件，并且電流瞬間從另一電極沿工件流至此電極，并形成回

2、路，不對被焊工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傷害。和傳統(tǒng)半自動化點焊機相比較，該設(shè)備焊出的焊點及焊縫長度分布更均勻、效率更高，節(jié)省人力。 本次設(shè)計的點焊機由可轉(zhuǎn)動的圓形工作臺、帶動電機左右移動的橫梁以及控制電機上下運動的主軸構(gòu)成。主要加工某公司旋轉(zhuǎn)座椅的零部件，一共有三個工位需要加工，這三個工位的運動控制都是由伺服系統(tǒng)完成精確的定位控制。3套伺服系統(tǒng)分別控制X、Y、Z軸完成精確定位，PLC則對伺服電機驅(qū)動器進行控制，伺服驅(qū)動器則負責(zé)驅(qū)動伺服電機。關(guān)鍵詞：信捷PLC；伺服電機 ；觸摸屏IAbstractSpot welding as an important industrial appliances, oc

3、cupied a very important position in today's industrial production. Spot-welding process is an important, low cost, high efficiency, easy to automate and saving materials and so on. Today, the traditional spot welding low degree of automation, production efficiency is not high, poor weld quality,

4、 which can not meet the needs of industrial development. Therefore, the need to develop a high degree of automation control system of spot welding. Spot welding control system system control PLC paper, plus a touch screen, to a large extent improve production efficiency, reduce scrap rates. Spot wel

5、ding system referred to herein using double-sided double-point overcurrent welding principle, the work piece is pressed between two electrodes under pressure produces resistance between the two electrodes. When a current is passed, it will have a high temperature arc, high melting temperature of the

6、 workpiece to be welded, and the current moment from the other electrode along the workpiece flow to this electrode, and form a loop, does not harm the internal structure is the welder member. And the traditional semi-automatic welding machine compared to the device solder joints and weld length out

7、 more evenly distributed, high efficiency and save manpower.The design of the spot welding by a rotatable circular table, motor driven beam move around and up and down movement of the spindle motor control composition. The main processing components rotating seat of a company, a total of three stati

8、ons need to be processed, these three stations precise motion control is done by the servo positioning control system. 3 sets of servo control the X, Y, Z axis for accurate positioning, PLC is to control the servo motor drives, servo drives are responsible for driving the servo motor.Keywords: XinJi

9、e PLC; servo motor; touch screenI目錄摘要IAbstractII第1章 緒 論11.1課題意義11.2 課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢11.2.1國內(nèi)電焊機科技水平及發(fā)展趨勢11.2.2國外電焊機科技水平的現(xiàn)狀和發(fā)展11.3課題內(nèi)容2第2章 點焊機工藝的介紹32.1 點焊機控制系統(tǒng)32.1.1 系統(tǒng)原理32.1.2 系統(tǒng)控制框圖32.2 點焊機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹42.3 點焊的基本原理42.4 點焊機控制系統(tǒng)的工藝流程52.5本章小結(jié)6第3章 控制方案比較73.1 方案比較73.1.1確定控制方案73.1.2確定控制方向83.2 本章小結(jié)8第4章 硬件設(shè)計94.1 控制

10、要求94.2 控制方案94.3 硬件控制系統(tǒng)94.4 硬件選型104.4.1 PLC選型104.4.2 伺服電機的選型114.4.3 伺服驅(qū)動器的選型124.4.4 觸摸屏的選型144.4.5 熔斷器的選型154.4.6 按鈕開關(guān)的選型154.4.7 行程開關(guān)的選型164.4.8 焊槍的選擇174.4.9 交流接觸器的選型174.5 PLC的I/O地址表184.5.1.輸入點184.5.2.輸出點184.6 PLC外部接線圖194.7本章小結(jié)19第5章 伺服系統(tǒng)設(shè)計205.1 系統(tǒng)設(shè)計思想205.2 伺服方案設(shè)計205.3 半閉環(huán)控制系統(tǒng)205.4 伺服驅(qū)動器與伺服電機的連接215.4.1 伺

11、服單元CNO接口225.4.2伺服單元CN1接口225.4.3伺服單元CN2接口235.5 位置控制設(shè)定235.5.1 操作模式選擇235.5.2 電子齒輪比的設(shè)定245.6尋找參考原點245.7本章小結(jié)25第6章 軟件設(shè)計266.1 軟件設(shè)計思想266.2 軟件流程圖266.3 各主要程序276.3.1 初始化程序276.3.2 高速計數(shù)指令的應(yīng)用276.3.3 DPLSY脈沖輸出指令286.3.4 精確定位程序296.4 本章小結(jié)29第7章 觸摸屏系統(tǒng)307.1 觸摸屏畫面的制作307.1.1 新建工程307.1.2 開機動畫制作317.1.3 主菜單畫面制作317.1.4 自動控制畫面制

12、作327.1.5 實時監(jiān)控畫面制作337.2 觸摸屏調(diào)試337.3 變量定義347.4 本章小結(jié)34第8章 程序調(diào)試35總結(jié)36參考文獻37致謝38附錄A 伺服驅(qū)動器硬件接線39附錄B PLC外部接線圖40附錄C 主程序41第1章 緒論1.1課題意義點焊機作為一種重要的工業(yè)用具，在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中占著舉足輕重的位置。點焊工藝是一種很重要的焊接工藝，具有生產(chǎn)效率高、低成本、節(jié)省材料和易于實現(xiàn)自動化等特點。如今，國內(nèi)傳統(tǒng)的點焊機控制系統(tǒng)自動化程度低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。因此，需要一款新式的點焊機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化，進一步提高生產(chǎn)效率?，F(xiàn)設(shè)計出一款點焊機控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用PLC加

13、觸摸屏的控制，利用三套伺服系統(tǒng)對三個運動軸進行精確的控制與定位，能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，極大的提高了生產(chǎn)效率，對工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)自動化有很大的意義。1.2 課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢 1.2.1國內(nèi)電焊機科技水平及發(fā)展趨勢1. 逆變式手工電弧焊機以及手工電弧焊機大部分已經(jīng)采用了IGBT等新型電子元器件，并且在某些場合可以替代弧焊整流器，但是其可靠性比起一般手工弧焊機來說尚有差距。 2.MIG/MAG焊機在推拉式送絲機構(gòu)這方面還需繼續(xù)改進，脈沖MIG/MAG焊機的改進方向為：減少飛濺、引弧、收弧等。 3.在不銹鋼焊接中廣泛應(yīng)用的是TIG焊機，因此發(fā)展比較快的是晶閘管式以及磁放大器式，逆變式

14、只占一小部分?，F(xiàn)如今大多交流TIG焊機已采用矩形波輸出，大部分采用電子以及磁場混合控制來獲得矩形波，最近國內(nèi)也出現(xiàn)了逆變式交流矩形波TIG焊機，但技術(shù)尚未成熟，還有待于市場的考驗。在國內(nèi)宇航工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要焊接較厚的長焊縫，要求電流在500A以上、負載持續(xù)率100%的大容量TIG焊機，但是此類產(chǎn)品在國內(nèi)尚屬空白。 4.埋弧焊機在2000A以上的很少，有必要進一步發(fā)展。大多埋弧焊機的操作部份為單一的中型小車結(jié)構(gòu)，通用性差，不夠靈活。因此需要發(fā)展輕型和重型小車結(jié)構(gòu)，增強產(chǎn)品的通用性，并可加裝成雙絲或多絲結(jié)構(gòu)，進一步提高生產(chǎn)率。 5.目前國內(nèi)的電阻焊機多為中等容量，較大的如4

15、00kVA以上則較少，較小的如適宜于小型、微型結(jié)構(gòu)的1kVA以下的精密電阻焊機則更少。點、凸焊控制器雖有進步，但大多為合資企業(yè)產(chǎn)品，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，關(guān)鍵部份基本依賴進口。因此，開發(fā)和研制出自行設(shè)計制造的控制器亦是方向之一。 1.2.2國外電焊機科技水平的現(xiàn)狀和發(fā)展 1.逆變焊機被某些著名的電焊機生產(chǎn)廠不斷改進，使它的可靠性進一步提高，已接近一般電焊機的故障率，即1%左右。利用逆變焊機的固有的特征，使電弧控制邁出了新的一步。 2.非傳統(tǒng)（非電弧、電阻）焊技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)備發(fā)展迅速，現(xiàn)已有：摩擦縫焊(FrictionSeamWelding）、摩擦攪拌焊(Frictio

16、nStirWelding）、摩擦堆焊(FrictionSurfacing)、摩擦插入焊(FrictionPlunge)、摩擦切割(FrictionCutting)等等。 3.微處理器及計算機已普遍應(yīng)用，但距完全的智能控制尚有距離。 4.焊接機器人的應(yīng)用更為廣泛。 5.小型、微型電阻焊機日趨成熟和普及。 1.3課題內(nèi)容1.對課題進行簡要的介紹，主要介紹點焊機控制系統(tǒng)的背景及現(xiàn)狀；2.詳細介紹點焊機控制系統(tǒng)的工藝流程和原理；3.方案比較，主要比較繼電接觸器控制系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)；4.硬件設(shè)計，主要包括控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)框圖、硬件的選型、

17、PLC外部接線圖及I/O分配表；5.伺服系統(tǒng)設(shè)計，主要包括各伺服單元之間的連接,伺服驅(qū)動器的標(biāo)準(zhǔn)接線 ； 6.軟件設(shè)計，主要包括確定軟件設(shè)計思想，軟件設(shè)計流程圖，主要程序及相應(yīng)的解釋；7.觸摸屏設(shè)計，包括觸摸屏的制作，離線模擬調(diào)試，用觸摸屏來監(jiān)控；8.系統(tǒng)的調(diào)試，以及調(diào)試中遇到的問題；43第2章 點焊機工藝的介紹2.1 點焊機控制系統(tǒng)2.1.1 系統(tǒng)原理點焊的工藝過程為：將焊件表面清理干凈。裝配準(zhǔn)確后，送入上、下兩電極之間，施加壓力，使其接觸良好。通電使工件接觸表面受熱，局部熔化，形成熔核。斷電后保持壓力，使熔核在壓力下冷卻凝固形成焊點。去除壓力，取出工件。焊接電流、電極壓力、通電時間及電極工

18、作表面尺寸等點焊工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量有重大影響。點焊機中有正負兩極電流，當(dāng)焊槍動作時，正負兩級就會接通，在瞬間產(chǎn)生高溫并且熔化兩電極間的被焊材料，使被焊材料相結(jié)合。點焊機的構(gòu)成比較簡單，總的來說就是一個大功率的變壓器。其利用電感的原理將220V交流電（可以是直流的也可以是交流的）變?yōu)榈碗妷?，大電流的電源。電感量在斷開和接通時會產(chǎn)生巨大的電壓變化，利用正負兩極在瞬間接通時產(chǎn)生的高溫電弧來熔化被焊接材料，來達到使它們結(jié)合的目的。本次設(shè)計的點焊機由可轉(zhuǎn)動的圓形工作臺、帶動電機左右移動的橫梁以及控制電機上下運動的主軸構(gòu)成。主要加工旋轉(zhuǎn)座椅的零部件，一共有三個工位需要加工，這三個工位的運動控制都是由伺服系

19、統(tǒng)完成精確的定位控制。實物圖如下：圖2-1 點焊機控制系統(tǒng)實物圖2.1.2 系統(tǒng)控制框圖本系統(tǒng)由可編程控制器，上位機（觸摸屏），伺服電機及其伺服驅(qū)動器等組成，經(jīng)觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，可編程控制器發(fā)出運算控制信號給伺服驅(qū)動器，通過伺服驅(qū)動器控制伺服電機，系統(tǒng)框圖如下：圖2-2 系統(tǒng)控制框圖2.2 點焊機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹本次設(shè)計的點焊機結(jié)構(gòu)如下圖2-3，主要由觸摸屏、可轉(zhuǎn)動的圓形工作臺、帶動電機左右移動的橫梁以及控制電機上下運動的主軸構(gòu)成。圖2-3 點焊機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖橫梁設(shè)置為X軸，主軸設(shè)置為Y軸，工作臺設(shè)置為Z軸，兩個伺服電機分別控制帶動電機左右移動的橫梁以及電機上下運動的主軸。工作臺上的伺服

20、電機則負責(zé)工作臺的旋轉(zhuǎn)。同時，在X軸的最左端和Y軸的最上端都裝有限位開關(guān)。觸摸屏則負責(zé)人機界面，實現(xiàn)簡易化操作。2.3 點焊的基本原理電阻點焊是把被焊接的工件壓緊在兩電極之間，利用電阻熱融化被焊接金屬，形成焊點的電阻焊方法。電阻點焊原理如下圖所示：圖 2-4 點焊原理圖將被焊接的焊件3壓緊在兩電極2和5之間，同時施加壓力。施加壓力后，變壓器1向焊接區(qū)通過強大的焊接電流。在被焊接的焊件3的接觸面上形成真實的物理觸點，物理觸點隨著通電加熱的進行而不斷擴大。熱能與塑變能使接觸點的原子不斷激活，接觸面消失。當(dāng)繼續(xù)加熱,金屬融化形成融化核心，即4所指出的部分，熔核中的液態(tài)金屬在電動力下強烈攪拌，熔核內(nèi)心

21、的金屬成分均勻化，結(jié)界界面迅速消失，加熱停止后，金屬凝固，焊接完成。2.4 點焊機控制系統(tǒng)的工藝流程點焊機控制系統(tǒng)劃分為：第一次焊接，回等待位。工作臺旋轉(zhuǎn)，第二次焊接，回等待位。工作臺旋轉(zhuǎn)，第三次焊接，回等待位這些部分組成。下圖為工藝流程圖。圖2-5 點焊機控制系統(tǒng)工藝流程圖打開電源，焊槍在原點位置等待。當(dāng)按下一次啟動按鈕，PLC發(fā)送脈沖給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器控制X、Y軸的伺服電機，橫梁和主軸開始運轉(zhuǎn)，當(dāng)達到設(shè)定的一次焊接的位置時，焊槍開始工作，焊接2S后，焊槍停止工作，回到設(shè)定的等待位置。之后工作臺帶動工件旋轉(zhuǎn)45度，定位完成后橫梁和主軸又開始運轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的第二次焊接的位置時，焊槍又開

22、始工作，焊接2S后，焊槍停止工作并回等待位。工作臺再次旋轉(zhuǎn)45度，橫梁和主軸又開始運轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的第三次焊接的位置時開始第三次焊接，焊接完成后，回到等待位，最后工作臺轉(zhuǎn)到初始位置（反轉(zhuǎn)90度），整個加工流程結(jié)束。2.5本章小結(jié)本章首先介紹了點焊機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，大概了解一下點焊機控制系統(tǒng)。其次介紹了工藝流程，形象鮮明的把點焊機系統(tǒng)的工作過程在圖上反應(yīng)出來，便于理解，為下面的設(shè)計做好鋪墊。第3章 控制方案比較3.1 方案比較3.1.1確定控制方案下面比較繼電接觸器控制系統(tǒng)，PLC控制控制系統(tǒng)以及單片機控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，最后選擇一種控制系統(tǒng)。1.繼電接觸器控制系統(tǒng)繼電接觸器控制也稱

23、電氣控制，主要是由繼電器、接觸器、按鈕和行程開關(guān)等電氣元件組成，主要是通過線圈的吸合來控制線路的開通和斷開的。具有以下優(yōu)點：電路抗干擾能力較強； 電路圖反應(yīng)直觀，容易掌握；性價比高。缺點：體積龐大，線路復(fù)雜，故障檢查維修困難，觸點動作時容易產(chǎn)生電?。豢刂乒δ芟鄬我?，當(dāng)邏輯控制發(fā)生改變時，必須要修改整體線路，重新分配；并且只能控制一些相對比較簡單的開關(guān)量設(shè)備，不能控制有模擬量輸入輸出的設(shè)備。2.單片機控制系統(tǒng)單片機也稱單片微型計算機，在一塊半導(dǎo)體芯片上集成有輸入/輸出接口、程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM、中央處理器CPU、計數(shù)器和定時器以及內(nèi)部、外部中斷系統(tǒng)。其優(yōu)點是：外部存儲容量容易擴展

24、，設(shè)計比較靈活；成本低，外圍的一些電路元器件價格也相對低廉；編程使用C語言，相對方便，軟件設(shè)計可以直接調(diào)用現(xiàn)有的子程序簡單方便。缺點：系統(tǒng)的抗干擾能力較差；硬件設(shè)計相對復(fù)雜，電路設(shè)計工作量大，系統(tǒng)開發(fā)時間長；需要設(shè)計獨立的電源，可靠性差；3.PLC控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)主要是由PLC與用戶選擇的輸入輸出設(shè)備連接而成的。其具有以下優(yōu)點：控制功能較多，可以實現(xiàn)計數(shù)、定時、算術(shù)運算以及邏輯運算等功能，通過編程可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能；采用觸摸屏或上機位的控制，控制界面簡潔易懂，當(dāng)需要改變控制時，只需要改變程序即可，接線簡單，通用性好，對各種控制系統(tǒng)都用很強的適應(yīng)性；沒有機械觸點，可靠性高，能有效避免電

25、弧損害、接觸不良等現(xiàn)象；定時范圍廣并且精確；耗電量小，體積較小，安裝簡單，接線和編程可以同步進行，擴展靈活多樣。缺點：價格昂貴，成本較高；體系結(jié)構(gòu)比較封閉，各個PLC廠家之間的硬件體系是互相不兼容的，編程語言與指令系統(tǒng)各不相同。綜上所述，并且結(jié)合實際，本次設(shè)計的點焊機控制系統(tǒng)，輸入輸出點都比較多，而且有伺服系統(tǒng)在里邊，所以繼電接觸器系統(tǒng)不適合采用。單片機雖然體積小價格便宜但是其適合用于小型控制系統(tǒng)，如儀器儀表等，而PLC雖然價格較高，但是卻更適用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。所以，綜合比較用PLC控制系統(tǒng)比繼電接觸器控制系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)要合理。3.1.2確定控制方向點焊機控制系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，涉及

26、到伺服反饋系統(tǒng)，作為畢業(yè)設(shè)計，如果將其中每個系統(tǒng)都介紹完整是不現(xiàn)實的，因此只側(cè)重于系統(tǒng)的操作過程和軟件的仿真，也就是所有的編程以及介紹只是簡單的從操作下手的。3.2 本章小結(jié)本章介紹了控制要求和方案比較，方案比較包括控制方案的確定以及控制方向。控制要求主要是對繼電器控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及單片機控制系統(tǒng)的比較，然后通過比較確定用PLC控制系統(tǒng)。控制方向主要是對真空壓力浸漆控制系統(tǒng)進行深入研究后，確定只研究操作過程，不深入研究各個系統(tǒng)。第4章 硬件設(shè)計4.1 控制要求本次設(shè)計要求能實現(xiàn)各運動軸的精確定位，能用觸摸屏方便快捷的進行機床的操作。在工業(yè)生產(chǎn)中，安全需要放在首位，不單在軟件上設(shè)置安全

27、保障，硬件電路中也需采用空氣開關(guān)和熔斷器斷路保護。同時，產(chǎn)品的質(zhì)量是企業(yè)生存的保障，在保障安全的同時，應(yīng)盡可能采取一切措施控制精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為了確保程序不跑丟，我們需要設(shè)置在伺服驅(qū)動就緒的情況下，可編程控制器才能夠運行，盡可能的降低次品率。并且要求機床X、Y這兩個運動軸的定位誤差不超過0.02mm。4.2 控制方案硬件的選型是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，因此要確保在以后的生產(chǎn)中使系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行。這就要求在設(shè)計過程中，設(shè)計出性能較好、穩(wěn)定的電路和選擇性能良好的元器件。我們所選的控制方案為：PLC控制伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器控制伺服電機來實現(xiàn)精確定位。因此，選用合適的可編程控制器和伺服系統(tǒng)是本次設(shè)計

28、能否成功的關(guān)鍵。4.3 硬件控制系統(tǒng)圖4-1 硬件控制系統(tǒng)框圖由硬件控制系統(tǒng)框圖可以看出焊槍是由繼電器控制輸出，繼電器吸合焊槍工作，繼電器斷開，焊槍停止。伺服電機由PLC發(fā)射脈沖至伺服驅(qū)動器，控制伺服電機的方向和距離。按鈕和接近開關(guān)都是開關(guān)量輸入，伺服反饋是信號輸入，判斷焊槍是否到達指定位置。4.4 硬件選型4.4.1 PLC選型1. PLC I/O點數(shù)估算 首先統(tǒng)計被控設(shè)備對輸入、輸出點的總需求量，其次把被控設(shè)備的信號源一一列出，認真分析輸入、輸出點的信號類型。本次設(shè)計輸入點共8個(X軸信號輸入、Y軸信號輸入、Z軸信號輸入、一次啟動按鈕等)，輸出點7個（X軸脈沖、Y軸脈沖等）。根據(jù)

29、以上分析，對PLC來說，需要提供8個輸入點和7個輸出點。除了以上的輸入輸出點以外，PLC與計算機、觸摸屏等設(shè)備連接，需要用專用接口，也應(yīng)計算在內(nèi)。考慮到在實際安裝、調(diào)試和應(yīng)用中，還有可能發(fā)現(xiàn)一些估算中未預(yù)見到的因素，要根據(jù)實際情況增加一些輸入、輸出信號。2. 信捷XCM系列PLC的特點：集運動控制功能及普通PLC功能于一身的可編程控制器；XCM系列運動控制型PLC不僅支持運動控制功能，同樣支持普通PLC的絕大部分功能，包括高速脈沖、高速計數(shù)、中斷、PID控制等。最多可支持10軸脈沖輸出；XCM系列包含3軸、4軸、10軸脈沖輸出，最大化滿足了用戶的控制需求。 優(yōu)越的運動控制性能；可實現(xiàn)兩軸聯(lián)動，

30、支持普通運動控制指令如圓弧，直線插補等。平面轉(zhuǎn)換功能；支持平面轉(zhuǎn)換PLAN指令，可進行X-Y、Y-Z、X-Z等的兩軸聯(lián)動轉(zhuǎn)換。 可擴展XC系列開關(guān)量、模擬量模塊以及BD板；與XC系列PLC相似，XCM系列同樣支持模塊和BD板的擴展，包括開關(guān)量、溫度模擬量模塊等。根據(jù)設(shè)計要求，我們選用信捷XCM-24T4-E型PLC，有編碼器反饋。本體支持運動控制指令，無需另加任何模塊、RS232、485兩種串口，方便各種上位機監(jiān)控、強大的高速計數(shù)中斷功能為客戶大大節(jié)省了電氣成本。圖 4-2 信捷XCM-24T4-E型PLC具體參數(shù)如下：輸入輸出點：輸入點X0X7和X10X15,輸出點Y0Y7和Y10Y11；編

31、程方式：指令、C語言、梯形圖并用；處理速度:0.3us；定時器：640點，100ms定時器時設(shè)置時間0.13276.7秒；10ms定時器時設(shè)置時間0.01327.67秒；1ms定時器時設(shè)置時間0.00132.767秒；計數(shù)器：640點，16位計數(shù)器時設(shè)置值K032767；32位計數(shù)器時設(shè)置值K02147483647；額定電壓：AC100V240V（超過1.5KW選用三相220V）最大消耗功率：15W4.4.2 伺服電機的選型1.步進電機與伺服電機的比較步進電機為無反饋檢測的脈沖操作電機系統(tǒng)，而伺服電機則按反饋信號進行控制。步進電機依據(jù)脈沖數(shù)量及頻率工作，相對于脈沖控制的伺服電機而言，兩者的控制

32、方式相同。步進電機一般為低速運行，應(yīng)為步進電機轉(zhuǎn)矩在高速運行時將逐漸降低，而伺服電機在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出的運行狀態(tài)。相對于步進電機，伺服電機的運行速度范圍較大，有利于速度差異較大的運行。綜上所述，步進電機沒有反饋，而伺服電機有反饋。而本設(shè)計的點焊機控制系統(tǒng)精度要求比較高，因此選用伺服電機比步進電機更好。2.伺服電機選型依據(jù)伺服電機主要分為兩類：直流伺服電機和交流伺服電機。 選用伺服電機時，依下列步驟進行：查明負載機構(gòu)的運動條件要求，機構(gòu)的運動方式和運動速度等。依據(jù)運動條件要求選用合適的負載慣量計算公式，計算出負載慣量。根據(jù)電機慣量與負載慣量選出適當(dāng)?shù)碾姍C規(guī)格。結(jié)合初選的負載慣量與電機慣量，

33、計算出減速轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩。根據(jù)摩擦系數(shù)、負載慣量、運行效率等計算出負載轉(zhuǎn)矩。負載轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩的和必須符合選用電機的運行轉(zhuǎn)矩特性曲線及啟動轉(zhuǎn)矩特性曲線。完成選定在選用伺服電機時，需要依據(jù)以上步驟進行選型。3選型計算依據(jù)設(shè)計要求，當(dāng)橫梁左右移動時，由絲杠控制，滾珠絲杠慣量5.88kg/cm ²，減速齒輪慣量可忽略不計，電機轉(zhuǎn)一圈絲杠移動20mm，橫梁重量為200KG。根據(jù)直線運動物體負載慣量計算如下：JL=W×（S/20×）² （4.1） S=20mm，W=200KGJLO=200×20/（200×）²=0.01（kg.cm&

34、#178;） （4.2）絲杠減速后的慣量為：5.88×0.5²=1.47（kg.cm²） （4.3）負載慣量為0.011.47=1.48（kg.cm²）電機慣量為0.54 kg.cm²且考慮到現(xiàn)有因素，選用信捷公司的MS-110ST-M05030-21P5系列專用伺服電機，電機額定功率1.5KW，額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)，6.7KG，額定轉(zhuǎn)矩5N·m，極對數(shù)為4，轉(zhuǎn)子慣量0.63 kg.cm.²其中：MS電機系列 110機座號 ST正弦波驅(qū)動電機 M反饋元件代號 05030性能參數(shù)代號 2電壓等級 1P5功率1.5KW圖4-3 信

35、捷MS-110ST-M05030-21P5系列專用伺服電機4.安裝此伺服電機需要注意一下幾點：MS系列伺服電機，可以采取水平方向或者垂直方向進行安裝，但是如果錯誤安裝在不合適的地方，則會縮短電機的壽命，或引發(fā)意想不到的事故。在與機械連接時，使用連軸器，并使伺服電機的軸心與機械的軸心保持在一條直線上。4.4.3 伺服驅(qū)動器的選型伺服驅(qū)動器是一種控制器，主要用來控制伺服電機，是屬于伺服系統(tǒng)的一部分，其作用類似于變頻器控制普通交流電機。主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過速度、位置和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。本次設(shè)計我們選用與信捷MS-110ST-M05030-21

36、P5系列專用伺服電機相配套的DS2-21P5-AS系列伺服驅(qū)動器。1.伺服驅(qū)動器基本參數(shù)最大適用電機容量1.5KW，連續(xù)輸出電流6A rms，最大輸出電流18A rms，采用三相全波整流TGBT PWM控制。其中：DS2-系列名稱2-電壓等級220V1P5-適用電機容量1.5KW圖4-4 信捷DS2-21P5-AS系列伺服驅(qū)動器2.各端子的含義表4-1 驅(qū)動器各端子介紹RST主電路電源輸入端PDC再生制動電阻連接端子U馬達連接端子VWCN0脈沖、方向輸入輸出線CN1編碼器輸出用連接器CN2編碼器輸入用連接器3.此驅(qū)動器安裝要注意一下幾點：安裝時，使伺服驅(qū)動器的正面向工作人員，并使其垂直于墻壁。

37、為保證能夠通過風(fēng)扇以及自然對流進行冷卻，在伺服驅(qū)動器的周圍留有足夠空間。并排安裝時，在橫向兩側(cè)各留10mm以上，在縱向兩側(cè)各留50mm以上的空間。另外，在伺服驅(qū)動器的上部安裝冷卻用風(fēng)扇。4.伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置表4-2 伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置表用戶參數(shù)名稱修改參數(shù)意義P5-10伺服ON 設(shè)定/S-ONn.0010伺服一直處于通電P0-06.H電機停止方式設(shè)置2減速運行停止P4-06伺服緊急停止轉(zhuǎn)矩300電機迅速停止續(xù)表P2-00xxx脈沖指令形態(tài)2脈沖+方向P5-28定位完成信號n.0001從SO1輸出信號P2-95撞接近開關(guān)的速度600速度為60rpmP2-96離開接近開關(guān)的速度100速度為10r

38、pmP5-38Z相信號輸出n0011脈沖寬度1.5ms的單相脈沖輸出5.伺服驅(qū)動器與PLC之間的接線圖4-5伺服驅(qū)動器與PLC接線圖根據(jù)本設(shè)計要求，我們選擇脈沖+方向的控制方式控制伺服電機。設(shè)定YO為伺服電機的脈沖輸出，Y4為伺服電機的方向輸出。以此類推后兩個伺服驅(qū)動器也是如圖所示接法。4.4.4觸摸屏的選型觸摸屏主要的功能是實現(xiàn)人與機器之間的交互，當(dāng)按下了屏幕上的按鈕時，屏幕上的反饋系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置編程的程式驅(qū)動各種連接裝置，可以取代傳統(tǒng)的機械式按鈕面板。本次設(shè)計的點焊機控制系統(tǒng)，由于工作環(huán)境比較惡劣，油污比較多，因此選擇昆侖通態(tài)TPC7062KX系列觸摸屏。其中參數(shù)：PLC口RS232

39、/RS485 操作溫度045類型65535真彩色屏幕大小7.0屏幕分辨率800*480外部尺寸(mm)226.5*163輸入電壓DC24V圖4-6昆侖通態(tài)TPC7062KX系列觸摸屏4.4.5 熔斷器的選型熔斷器是一種廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和高低壓配電系統(tǒng)中的最普遍的保護器件，當(dāng)電路中的電流超過規(guī)定值一段時間后，熔斷器會自身產(chǎn)生熱量使熔體融化，從而使電路斷開。在選擇熔斷器時，其額定電壓應(yīng)高于線路的工作電壓，其額定電流也要大于線路的電流。常用的熔斷器有RL和RT這兩個系列，其中RL系列的額定電壓要高于RT系列。RL系列的電壓有500V，而一般線路中熔斷器的額定電壓不需要這么大，因此本次設(shè)計中選擇RT

40、系列的熔斷器就已經(jīng)滿足要求了。系統(tǒng)主電路中熔斷器的選擇基于點焊機機床的額定功率，本設(shè)計點焊機系統(tǒng)額定功率10KW，額定電壓220V。機床額定功率為PN=10kw，機床額定電壓為UN=220V。則有： （4.2） （4.3）查表可知選用RT16-1250系列熔斷器。其中：RT-有填料封閉管式熔斷器16-設(shè)計序號1-尺碼250-熔斷器額定流圖4-7 德力西RT16-1系列熔斷器4.4.6 按鈕開關(guān)的選型按鈕是一種人工控制的主令電氣。主要用來發(fā)布操作命令，接通或斷開控制電路，控制機械與電氣設(shè)備的運行。按鈕可分為常開、常閉和復(fù)合等類型。常閉按鈕的原理是當(dāng)用手指按下按鈕帽時，按鈕的常閉觸點閉合；當(dāng)手指松

41、開時，按鈕的常閉觸點復(fù)位。常開按鈕的原理是當(dāng)用手指按下按鈕帽時，按鈕的常開觸點閉合；當(dāng)手指松開時，按鈕的常開觸點復(fù)位。復(fù)合按鈕的原理是本身帶有常開觸點和常閉觸點，當(dāng)手指按下時，常閉觸點斷開而后常開觸點閉合；當(dāng)手指松開時，常開觸點復(fù)位而后常閉觸點復(fù)位。根據(jù)本次設(shè)計要求可知，復(fù)合按鈕無需用到，常開和常閉按鈕都需要用到，常開按鈕負責(zé)系統(tǒng)的一次和二次啟動，而常閉按鈕則負責(zé)系統(tǒng)的緊急停止。XB2系列按鈕是施耐德公司的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于交流50HZ、額定交流電壓0380V或額定直流電壓0220V的電路中。在此我們選擇XB2BT42C（紅色急停）和XB2BA31C（綠色啟動）這兩種型號的按鈕。按鈕參數(shù)如下：標(biāo)

42、準(zhǔn)使用環(huán)境:周圍溫度：-25+55（無冰凍）操作濕度4585%RH（無結(jié)露）接觸電阻50m絕緣電阻100m最高耐壓3000伏，交流50赫茲耐振動性 50赫茲，振幅約1mm耐沖擊性大于10m/s2(約10G）壽命機械(100萬）電氣（3萬次以上） 圖4-8 XB2BA31C按鈕 圖4-9 XB2BT42C按鈕4.4.7 行程開關(guān)的選型行程開關(guān)（限位開關(guān)）是一種常用的小電流主令電器，主要是用來檢測機械運動的位置，用來控制機械運動的方向或者行程的長短。在工業(yè)生產(chǎn)控制中，我們首先要把行程開關(guān)放在所需的位置，當(dāng)工作的機械在運動過程中碰到行程開關(guān)時，觸發(fā)行程開關(guān)的觸點，電路實現(xiàn)切換。行程開關(guān)的分類方式有很

43、多，按照其結(jié)構(gòu)可分為微動式、滾輪式、直動式以及組合式；按照其外殼的防護類型又可分為開啟式、防護式以及防塵式； JLXK1系列行程開關(guān)適用于頻率為50HZ，直流電壓小于220V或者交流電壓為380V的控制電路中。主要用來改變工作機械的運動方向和運動速度、控制工作機械的運動行程。這里選用JLXK1-111型行程開關(guān)，用來判定X軸、Y軸的原點。當(dāng)運動軸觸碰到行程開關(guān)時就表示到達了原點位置。其中：JLX代表行程開關(guān) K代表快速 1為設(shè)計序號 1為單輪轉(zhuǎn)動式 1說明有1個常開觸點 1說明有1個常閉觸點圖4-10 JLXK1系列行程開關(guān)4.4.8 焊槍的選擇焊槍工作原理是利用焊機的高電流，高電壓產(chǎn)生的熱量

44、聚集在焊槍終端，融化焊絲，融化的焊絲滲透到需焊接的部位，冷卻后，被焊接的物體牢固的連接成一體。本次設(shè)計的點焊機主要針對旋轉(zhuǎn)座椅零部件的加工，零部件為金屬材質(zhì)，因此選用DN2-25X系列焊槍。適用于鐵線制品、汽車零部件、不銹鋼制品、低壓電器、五金燈飾、餐廚用具、小家電、小五金等焊接。圖4-11 DN2-25X系列焊槍4.4.9 交流接觸器的選型接觸器是一種用于頻繁的斷開或接通大容量控制電路、交直流主電路等大電流電路的自動切換電器。在自動控制系統(tǒng)和電力拖動中，主要用來控制電機，能實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，也可以控制其他負載，比如電焊機、電熱設(shè)備以及電容器組等，這里我們需要控制焊槍的吸合和斷開。按照通過接觸

45、器主觸點電流的類型，分為直流接觸器和交流接觸器。本次設(shè)計中焊槍使用的是交流電，因此選擇交流接觸器。交流接觸器的工作原理：交流接觸器內(nèi)部有電磁圈，當(dāng)施加交流電壓后，鐵芯中就會產(chǎn)生磁通，該磁通帶動銜鐵克服彈簧的拉力，使得銜鐵帶動觸點動作。其效果為常閉觸點斷開，常開觸點閉合。常用的交流接觸器有CJ10系列、CJ12系、CJ12B系列以及CJ20系列等，CJ10系列為統(tǒng)一設(shè)計產(chǎn)品。焊槍額定功率為PN=2kw，電機額定電壓為UN=220V，取K=1.2。則接觸器主觸頭電流為： （4.4）接觸器額定電流取1.2倍余量，則有： （4.5）所以選擇CJ20-16型交流接觸器，額定電流為16A。其中：CJ為交流

46、接觸器代號 20為交流接觸器設(shè)計序號 16說明額定電流大小為16A圖4-12 CJ20-16型交流接觸器4.5 PLC的I/O地址表4.5.1.輸入點表4-3 輸入地址表名稱符號輸入地址X軸原點接近開關(guān)SQ1X002Y軸原點接近開關(guān)SQ2X003一次啟動按鈕SB1X004二次啟動按鈕SB2X005X軸信號輸入數(shù)字信號X000急停按鈕SB3X010Y軸信號輸入數(shù)字信號X006Z軸信號輸入數(shù)字信號X007在分配輸入點時，我們要依據(jù)信捷XCM系列PLC的使用手冊確定輸入點的分配。查手冊可知，信捷XCM-24T4-E系列PLC只有X000、X003、X006、X007支持高速計數(shù)輸入。因此我們把X軸的

47、信號輸入分配到X000，Y軸的信號輸入分配到X006，Z軸的信號輸入分配到X007。其它一些按鈕和開關(guān)的輸入使用剩下的輸入端。4.5.2.輸出點表 4-4 輸出地址表名稱符號輸出地址X軸脈沖PUL1Y000Y軸脈沖PUL2Y001Z軸脈沖PUL3Y002X軸方向DIR1Y004Y軸方向DIR2Y005Z軸方向DIR3Y006焊槍KMY010在分配輸出點時，我們要依據(jù)信捷XCM系列PLC的使用手冊確定輸出點的分配。查手冊可知，信捷XCM-24T4-E系列PLC只有Y0Y3具有高速脈沖輸出。因此，我們把X軸脈沖輸出分配到Y(jié)OOO,Y軸脈沖輸出分配到Y(jié)001，Z軸脈沖輸出分配到Y(jié)002。其它的一些輸

48、出則分配到剩下的輸出端。4.6 PLC外部接線圖圖4-13 PLC外部接線圖4.7本章小結(jié)本章4.1節(jié)介紹了硬件設(shè)計需要達到的要求，4.2節(jié)提出了控制方案，4.3節(jié)主要介紹了硬件系統(tǒng)框圖，整個硬件設(shè)計所涉及到的硬件輸入輸出進行歸類，最后以框圖的形式展現(xiàn)出來。4.4節(jié)介紹了各種硬件的選型，包括PLC選型，伺服電機選型，伺服電機驅(qū)動器選型觸摸屏的選型，熔斷器的選型，按鈕的選型以及行程開關(guān)的選型。4.5節(jié)介紹了I/O地址表確定軟元件，4.6節(jié)給出了PLC的主電路圖和外部接線圖，從外部接線圖可以很直觀的看出輸入輸出點對應(yīng)的軟元件；第5章 伺服系統(tǒng)設(shè)計5.1 系統(tǒng)設(shè)計思想本次設(shè)計的點焊機控制系統(tǒng)，除了啟

49、動和急停外其主要動作是由3套伺服系統(tǒng)控制，包括橫梁的左右移動，主軸的上下移動和工作臺的旋轉(zhuǎn)。其中涉及到伺服系統(tǒng)，伺服控制分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三類。由于點焊機控制系統(tǒng)主要用到伺服電機編碼器的反饋來確定位置，因此我們選用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外在焊接過程中還需用到PLC中的高速計數(shù)，高速計數(shù)是通過伺服驅(qū)動器的反饋。同時，在伺服系統(tǒng)中尋找參考原點是很重要的一步；5.2 伺服方案設(shè)計伺服設(shè)計時注意，要使設(shè)備工作效率高，誤差范圍小。因此根據(jù)工作效率、可行性的需要，我們做如下的設(shè)計方案：當(dāng)前一次的位置定位完成之后，PLC會記錄下最后的位置，這時絲桿并不需要恢復(fù)到原點位置（原點位置的接近開關(guān)），而

50、是等到下次命令時，PLC根據(jù)所要達到位置，發(fā)出與之對應(yīng)的脈沖信號，控制伺服電機，調(diào)整絲桿的位置（絲杠進或退），直到絲桿運動到所要求的位置。當(dāng)前一次的位置定位完成之后，絲桿先要返回到原點位置（原點位置的接近開關(guān)），等到下次位置命令發(fā)出時， PLC再根據(jù)所要達到的位置，發(fā)出與之對應(yīng)的脈沖信號，控制伺服電機，前進到所設(shè)定的位置。方案和相比較，在進行簡單的定位控制時，方案的工作效率比方案的工作效率要高。但是在復(fù)雜的伺服系統(tǒng)控制中選擇方案能很大的提高精度?？刂埔笪覀冋`差不超過0.02mm，在方案的前提下我們選用半閉環(huán)控制系統(tǒng)和編碼器的單向反饋相配合，既能達到精度要求又能簡化程序。5.3 半閉環(huán)控制系統(tǒng)

51、圖 5-1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的位置檢測點主要是從伺服電動機（電機內(nèi)部編碼器）引出，通過檢測電機旋轉(zhuǎn)的角度來間接檢測工作臺的位移量，而不是通過外部的檢測單元來直接檢測工作臺的位置。在半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因為只包括（甚至不包括）少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可以獲得比較穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性比閉環(huán)要好，但是不如開環(huán)。另外，在半閉環(huán)控制的位置環(huán)內(nèi)，各組成環(huán)節(jié)的誤差可得到一定程度的修正，而位置環(huán)外的各環(huán)節(jié)如齒輪間隙引起的運動誤差、絲杠的螺距誤差均難以消除。因此，其精度比開環(huán)要好，但卻不及閉環(huán)。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高。5.4

52、 伺服驅(qū)動器與伺服電機的連接伺服電機作為被控制的對象，是整個系統(tǒng)的核心，為了使系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化控制，使用數(shù)字伺服電機進行直線運動定位是最佳的選擇。完整可操作的伺服組件應(yīng)包括：伺服驅(qū)動器及伺服電機。一條CN0口通訊線用來脈沖和方向的輸入一條CN1（RS485）口通訊線，用來編碼器反饋,高速脈沖計數(shù)。一條CN2口伺服驅(qū)動器和編碼器通訊線。圖5-2 伺服驅(qū)動器與伺服電機連接主電路5.4.1 伺服單元CNO接口表5-1 CN0口端子說明名稱說明名稱說明P-脈沖輸入PUL-SI2輸入端子2P+5V5V差分輸入接入SI3輸入端子3P+24V集電極開路接入SI4輸入端子4D-方向輸入DIR-+24V輸出+24

53、VD+5V5V差分輸入接入SO1輸出端子1D+24V集電極開路接入SO2輸出端子2SI1輸入端子1COM輸出端子地圖5-3 CN0端子排列圖本次設(shè)計所用到的端子有P-、P+24V和D-、D+24V，P-則輸入脈沖信號，D-輸入方向信號。P+24V和D+24V與PLC端的COM端相連接，表示采用晶體管的輸入方式。 5.4.2伺服單元CN1接口CN1口用于伺服驅(qū)動器與PLC之間的連接，主要是提供編碼器的信號輸出，用作伺服電機的反饋。圖5-4 CN1口端子各針腳的定義如下表：表5-2 CN1口針腳定義信號名針腳號功能信號名針腳號功能NC1保留Z-9編碼器輸出Z-NC2保留B+10編碼器輸出B+SI5

54、3多段速度選擇T-REF11轉(zhuǎn)矩模擬量輸入SO34準(zhǔn)備就緒V-REF12轉(zhuǎn)速模擬量輸入B-5編碼器輸出B-GND13模擬量輸入用GNDA+6編碼器輸出A+A14RS485通訊+A-7編碼器輸出A-B15RS485通訊-Z+8編碼器輸出Z+CN1口與PLC之間的連接線為RS485通訊線，通過模塊化的通訊連接，PLC與伺服驅(qū)動器之間的通訊變得更加穩(wěn)定、有效。在這里我們只需要單相Z+脈沖做伺服反饋的遞增高速計數(shù)，用來確定位置。5.4.3伺服單元CN2接口CN2口用于伺服驅(qū)動器與伺服電機編碼器之間的連接，接受電機編碼器的輸入。序號定義序號定義1A+9U-2B+10W-3Z+11屏蔽線4U+12GND5W+135V6A-14V+7B-15V-8Z-表5-3 CN2端子說明圖5-5 CN2口端子5.5 位置控制設(shè)定5.5.1 操作模式選擇