【文章內(nèi)容簡介】 度X Y 軸動 作焊 槍 工作按 下 二 次 啟 動按 鈕P L C 輸 出 脈 沖Z 軸 到 達 設 定 位 置X Y 到 達 設 定 位 置焊 接 完 成Z 軸 到 達 設 定 位 置X Y 到 達 設 定 位 置開 始焊 接 完 成觸 發(fā) X Y 限 位 開 關(guān) 圖 25 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)，當達到設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?shù)竭_設定的第二次焊接的位置時，焊槍又開始工作，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?shù)竭_設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。 6 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出來，便于理解，為下面的設計做好鋪墊。 7 第 3 章 控制方案比較 方案比較 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)。 觸器控制系統(tǒng) 繼電接觸器控制也稱電氣控制，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：①電路抗干擾能力較強；② 電路圖反應直觀，容易掌握；③性價比高。缺點：①體積龐大，線路復雜，故障檢查維修困難，觸點動作時容易產(chǎn)生電弧；②控制功能相對單一，當邏輯控制發(fā)生改變時，必須要修改整體線路，重新分配；③并且只能控制一些相對比較簡單的開關(guān)量設備，不能控制有模擬量輸入輸出的設備。 單片機也稱單片微型計算機，在一塊半導體芯片上集成有輸 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：①外部存儲容量容易擴展，設計比較靈活；②成本低，外圍的一些電路元器件價格也相對低廉；③編程使用 C 語言，相對方便，軟件設計可以直接調(diào)用現(xiàn)有的子程序簡單方便。缺點：①系統(tǒng)的抗干擾能力較差；②硬件設計相對復雜，電路設計工作量大，系統(tǒng)開發(fā)時間長；③需要設計獨立的電源，可靠性差； 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備連接而成的。其具有以下優(yōu)點：①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)復雜的控制功能；②采用觸摸屏或上機位的控制，控制界面簡潔易懂，當需要改變控制時，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)都用很強的適應性；③沒有機械觸點，可靠性高，能有效避免電弧損害、接觸不良等現(xiàn)象；④定時范圍廣并且精確；⑤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：①價格昂貴，成本較高；②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 8 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。 確定控制方向 點焊機控制系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，涉及到伺服反饋系統(tǒng)，作為畢業(yè)設計，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。 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?？刂埔笾饕菍^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)?？刂品较蛑饕菍φ婵諌毫峥刂葡到y(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)。 9 第 4 章 硬件設計 控制要求 本次設計要求能實現(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，不單在軟件上設置安全保障，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 。 控制方案 硬件的選型是系統(tǒng)運行的基礎，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。這就要求在設計過程中，設計出性能較好、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)是本次設計能否成功的關(guān)鍵。 硬件控制系統(tǒng) 圖 41 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。 10 硬件選型 PLC 選型 1. PLC I/O 點數(shù)估算 首先統(tǒng)計被控設備對輸入、輸出點的總需求量， 其次 把被控設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)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 等設備連接， 需要用專用接口，也應計算在內(nèi)。考慮到在實際安裝、調(diào)試和應用中，還有可能發(fā)現(xiàn)一些估算中未預見到的因素，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 ： ① 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。 ② 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。 ③ 優(yōu)越的運動控制性能 ； 可實現(xiàn)兩軸聯(lián)動，支持普通 運動控制指令如圓弧，直線插補等。 ④ 平面轉(zhuǎn)換功能 ； 支持平面轉(zhuǎn)換 PLAN 指令，可進行 XY、 YZ、 XZ等的兩軸聯(lián)動轉(zhuǎn)換。 ⑤ 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)設計要求，我們選用信捷 XCM24T4E 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、 RS23 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 42 信捷 XCM24T4E 型 PLC 11 具體參數(shù)如下： ①輸入輸出點：輸入點 X0～ X7 和 X10～ X15,輸出點 Y0～ Y7 和 Y10～ Y11； ②編程方式：指令、 C 語言、梯形圖并用； ③處理速度 :； ④定時器： 640 點， 100ms 定時器時設置時間 ～ 秒； 10ms 定時器時設置時間～ 秒； 1ms 定時器時設置時間 ～ 秒； ⑤計數(shù)器： 640 點， 16 位計數(shù)器時設置值 K0～ 32767； 32 位計數(shù)器時設置值 K0～2147483647； ⑥額定電壓： AC100V～ 240V（超過 選用三相 220V） ⑦最大消耗功率： 15W 伺服電機的選型 ①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。 ②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 的控制方式相同。 ③步進電機一般為低速運行，應為步進電機轉(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)。 ④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。 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： ①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。 ②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。 ③根據(jù)電機慣量與負載慣量選出適當?shù)碾姍C規(guī)格。 ④結(jié)合初選的負載慣量與電機慣量，計算出減速轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩。 ⑤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。 ⑥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。 ⑦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。 12 3．選型計算 依據(jù)設計要求，當橫梁左右移動時，由絲杠控制，滾珠絲杠慣量 178。，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/20π）178。 （ ） △ S=20mm， W=200KG JLO=200 [20/（ 200π）178。 ]=（ 178。） （ ） 絲杠減速后的慣量為： 178。=（ 178。） （ ） 負載慣量為 ＋ =（ 178。） 電機慣量為 178。且考慮到現(xiàn)有因素，選用信捷公司的 MS110STM0503021P5 系列專用伺服電機，電機額定功率 ，額定轉(zhuǎn)速 3000 轉(zhuǎn)， ，額定轉(zhuǎn)矩 5N m，極對數(shù)為 4，轉(zhuǎn)子慣量 .178。 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 圖 43 信捷 MS110STM0503021P5 系列專用伺服電機 ： ① 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。 ②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。 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 。本次設計我們選用與信捷 MS110STM0503021P5 系列專用伺服電機相配套的 DS221P5AS系列伺服驅(qū)動器。 最大適用電機容量 ，連續(xù)輸出電流 6A rms，最大輸出電流 18A rms，采用三 13 相全波整流 TGBT PWM 控制。 其中： DS2系列名稱 2電壓等級 220V 1P5適用電機容量 圖 44 信捷 DS221P5AS 系列伺服驅(qū)動器 表 41 驅(qū)動器各端子介紹 ： ①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。 ②為保證能夠通過風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。 ③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扇。 表 42 伺服驅(qū)動器 參數(shù)設置表 用戶參數(shù) 名稱 修改參數(shù) 意義 P510 伺服 ON 設定 /SON 伺服一直處于通電 電機停止方式設置 2 減速運行停止 P406 伺服緊急停止轉(zhuǎn)矩 300 電機迅速停止 R S T 主電路電源輸入端 P﹢ D C 再生制動電阻連接端子 U 馬達連接端子 V W CN0 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 14 續(xù)表 P200xxx□ 脈沖指