機械工程學(xué)報征稿四工位點焊機控制系統(tǒng)

　　本篇文章是由《機械工程學(xué)報》發(fā)表的一篇機械論文，(半月刊)創(chuàng)刊于1953年，是由中國機械工程學(xué)會主辦、機械工業(yè)信息研究院承辦的機械工程類高學(xué)術(shù)水平期刊。本刊是中國機械工程領(lǐng)域的頂級學(xué)術(shù)刊物，主要報道機械工程領(lǐng)域及其交叉學(xué)科、新興學(xué)科、邊緣學(xué)科等領(lǐng)域具有創(chuàng)新性及重要意義的前沿基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究的最新科研成果。本刊已經(jīng)被美國工程索引(Ei)、美國化學(xué)文摘(CA)、英國科學(xué)文摘(SA)、日本科學(xué)技術(shù)文獻速報和俄羅斯文摘雜志(AJ)等幾大國際檢索系統(tǒng)及美國《金屬文摘》、《鋁文摘》和《工程材料文摘》收錄，被Ei的收錄率近幾年一直保持在99%以上;在國內(nèi)被《中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫》、《中國科技論文統(tǒng)計源期刊》(中國科技核心期刊)、《中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫》以及《中國機械工程文摘》收錄。

　　摘要：點焊機作為一種重要的工業(yè)用具，在當今工業(yè)生產(chǎn)中占著舉足輕重的位置。點焊是一種重要的焊接工藝，具有生產(chǎn)效率高、成本低、節(jié)省材料和易于實現(xiàn)自動化等特點。如今，傳統(tǒng)的點焊機控制方式已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需求，本文對四工位點焊機電氣控制系統(tǒng)進行設(shè)計。為了保證四工位點焊機高效節(jié)能又能安全可靠的運作，可采用可編程控制器PLC來實現(xiàn)對四工位點焊機系統(tǒng)的控制，來完成四工位點焊機在高地項目柔性自動化生產(chǎn)流水線的物料裝配的控制。

　　關(guān)鍵字：點焊機、PLC控制 、控制系統(tǒng)、自動化

　　1 文獻綜述

　　隨著科技的發(fā)展，為了減少勞動力再生產(chǎn)線上的機械勞動，尋找創(chuàng)新的道路開發(fā)利用，節(jié)約不必要的人力支出和人員勞動，開發(fā)了自動化生產(chǎn)流水線。自動化生產(chǎn)線是產(chǎn)品生產(chǎn)過程所經(jīng)過的路線，即從原料進入生產(chǎn)現(xiàn)場開始，經(jīng)過加工、運送、裝配、檢驗等一系列生產(chǎn)生產(chǎn)線活動所構(gòu)成的路線[1]。然而這些自動化的操作大量的節(jié)約了成本。

　　在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從點焊機問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解[2]。點焊機可在不用人力的情況下焊接物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線[3]。本設(shè)計是為了實現(xiàn)點焊機的手動和自動化的轉(zhuǎn)化，改變以往點焊機的單純手動送料，減少了勞動力，提高了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)!而且四工位點焊機的設(shè)計是由于工作環(huán)境惡劣，不允許人員長時間在旁邊工作的情況下孕育而成的[4]。不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。

　　柔性生產(chǎn)線是把多臺可以調(diào)整的機床(多為專用機床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動運送裝置組成的生產(chǎn)線。按照輸送系列產(chǎn)品大體可以分為：皮帶流水線、板鏈線、倍數(shù)鏈線、插件線、網(wǎng)帶線、懸掛線及滾筒流水線這七類流水線。一般包括牽引件、承載構(gòu)件、驅(qū)動裝置、張緊裝置、改向裝置和支承件等。流水線輸送能力大，運距長，還可在輸送過程中同時完成若干工藝操作，所以應(yīng)用十分廣泛。在當今世界自動化生產(chǎn)流水線相對比較普遍，當然還有少部分落后國家還在運用人力的流水線生產(chǎn)物料。運用柔性自動化的生產(chǎn)流水線是我國目前乃至全世界的發(fā)展目標也是現(xiàn)在普遍的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。點焊機一般由控制器來控制時間、電流等參數(shù)，運用點焊機并開發(fā)出更多工位的點焊機在今后的工業(yè)生產(chǎn)中。

　　2 選題的背景及意義

　　隨著社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具——點焊機。與此同時也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動，在這些生產(chǎn)活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作長時間的工作，點焊機則正好適應(yīng)這類工作。防止了一些化學(xué)物品對人類的傷害[5]。

　　在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。

　　點焊機是按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動移動、焊接的操作的自動機械裝置[6]。實現(xiàn)了自動化的工作并減少了很多不必要的人工勞動。本文對多工位點焊機利用PLC的控制進行了詳細的研究。

　　點焊機的工作原理是利用正負兩極在瞬間短路時產(chǎn)生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來達到使它們結(jié)合的目的[7]。點焊機是由焊頭、點焊槍等組成。點焊槍是四工位點焊機電氣控制系統(tǒng)的核心。利用電磁閥控制點焊槍的伸縮及溫度。

　　3 研究內(nèi)容

　　3.1四工位點焊機的基本工作原理

　　點焊機系采用雙面雙點過流焊接的原理，工作時兩個電極加壓工件使兩層金屬在兩電極的壓力下形成一定的接觸電阻，而焊接電流從一電極流經(jīng)另一電極時在兩接觸電阻點形成瞬間的熱熔接，且焊接電流瞬間從另一電極沿兩工件流至此電極形成回路，不傷及被焊工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　四工位點焊機的四個工作臺不動，由一個點焊機控制。由兩個步進電機控制X軸Y軸的運行。

　　3.2 系統(tǒng)方案

　　此次研究的課題是來源于電氣工程及其自動化專業(yè)高地建設(shè)項目中柔性自動化生產(chǎn)流水線的物料裝配，所設(shè)計的是四工位點焊機電氣控制系統(tǒng)。利用PLC來控制，用步進電機來驅(qū)動點焊機，來實現(xiàn)點焊機的運行。

　　由于這次方案中涉及到不同方向的運動軌跡，需要通過設(shè)置脈寬來控制步進電動機的運行速度，可以把運行速度定位單位速度，通過控制步進電機運行時間來控制電機在X軸Y軸的位移。

　　3.3點焊機PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　點焊機的工作原理十分簡單，采用S7—200對步進電機進行控制，從而達到點焊機多點運動焊接的目的。通過S7—200PLC對步進電機的正反轉(zhuǎn)的控制，可使點焊機的焊接觸頭運動到不同的工位。驅(qū)動步進電機使運動方向沿 X軸Y軸的方向來進行工作的。點焊機的控制系統(tǒng)中由PLC、傳感器、步進電機、驅(qū)動器、電磁閥、點焊槍等元器件組成。

　　點焊機啟動—停止按鈕負責整個系統(tǒng)的停止和啟動。傳感器主要負責檢測點焊機的位置。對于主要的輸出設(shè)備有以下幾方面：主要是點焊槍PLC控制點焊槍的位置及開關(guān)狀態(tài)。對于點焊槍的位置控制由兩臺步進電機來控制。由于步進電機需驅(qū)動器。故PLC得輸出信號是直接輸入到驅(qū)動器。對于點焊槍的開關(guān)狀態(tài)需要電磁閥來間接控制，所以PLC的另一部分輸出信號需要傳送給電磁閥。使電磁閥通電，來促使點焊槍工作。點焊機信號控制系統(tǒng)框圖如圖1所示：

　　圖1 點焊機信號控制系統(tǒng)框圖

　　3.4點焊機PLC控制系統(tǒng)的工作流程

　　根據(jù)點焊機的控制要求，四工位點焊機的工作流程圖如圖2所示：

　　圖2 點焊機的工作流程圖

　　程序啟動后選擇所要求的工作方式，此四工位點焊機的工作方式有三種，四個工位以圓周均勻分布，用步進電機進行控制工作。以順時針方向進行編號，每個工位點焊時間2、3、6秒不等。

　　第一種工作方式是點焊槍開始運行，x軸反轉(zhuǎn)y軸正轉(zhuǎn)同時運行一個單位時間到工位一工作2秒鐘后;y軸停止不動，x軸向右正轉(zhuǎn)運行2個單位時間到達工位二工作6秒后;x軸停止不動，y軸反轉(zhuǎn)2個單位時間到達工位三工作2秒鐘后;y軸停止不動，x軸反轉(zhuǎn)2個單位時間到達工位四工作3秒后x軸y軸都是正轉(zhuǎn)1個單位時間，回到初始位置。第二、三種的工作方式與一類似。

　　3.5 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　四工位點焊機控制系統(tǒng)的輸入信號由各種開關(guān)、按鈕、傳感器、位置信號等組成，實時反映點焊機的當前工作狀態(tài)。輸出信號主要由各種電磁氣閥、步進電機、驅(qū)動器及各種狀態(tài)指示燈等組成。根據(jù)控制要求列出輸入輸出信號。下面簡單介紹各元器件在點焊機中的作用。

　　3.5.1 傳感器在點焊機中的作用

　　隨著機械制造行業(yè)的發(fā)展，傳感器行業(yè)也得到了大提速，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的日漸普及，傳感器市場再次迎來快速發(fā)展機遇。在機械制造測試系統(tǒng)中，被作為一次儀表 定位，其主要特征是能準確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。在于機床的運行中，傳感器也起到重要的作用，傳感器在機械制造中是不 可或缺的物件。在機械制造中，傳感器技術(shù)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)。

　　在各類傳感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、 壓強的測量與控制。除此以外，還廣泛應(yīng)用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合，又便于集成化,所以可用來制 成血壓計、風速計、水速計、壓力表、電子稱以及自動報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價比最高的一類傳感器。