基于PLC的点焊机控制系统论文说明书.docx

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基于PLC的点焊机控制系统论文说明书

摘要

点焊机作为一种重要的工业用具，在当今的工业生产中占着很重要的位置。

点焊是一种重要的焊接工艺，具有成本低、生产效率高、易于实现自动化和节省材料等特点。

如今，传统的点焊机自动化程度低，生产效率不高，焊点质量差，这已经不能满足工业发展的需求。

因此，需要开发一种自动化程度高的点焊机控制系统。

本文的点焊机控制系统系采用PLC加触摸屏的控制方式，能很大程度的提高企业的生产效率，减少废品率。

本文所涉及的点焊机系采用双面双点过流焊接的原理，工作时工件被压在两个电极之间,在压力的作用下两电极之间产生电阻。

当有电流通过时，就会产生高温电弧，高温融化被焊接的工件，并且电流瞬间从另一电极沿工件流至此电极，并形成回路，不对被焊工件的内部结构产生伤害。

和传统半自动化点焊机相比较，该设备焊出的焊点及焊缝长度分布更均匀、效率更高，节省人力。

本次设计的点焊机由可转动的圆形工作台、带动电机左右移动的横梁以及控制电机上下运动的主轴构成。

主要加工某公司旋转座椅的零部件，一共有三个工位需要加工，这三个工位的运动控制都是由伺服系统完成精确的定位控制。

3套伺服系统分别控制X、Y、Z轴完成精确定位，PLC则对伺服电机驱动器进行控制，伺服驱动器则负责驱动伺服电机。

关键词：

信捷PLC；伺服电机；触摸屏

Abstract

Spotweldingasanimportantindustrialappliances,occupiedaveryimportantpositionintoday'sindustrialproduction.Spot-weldingprocessisanimportant,lowcost,highefficiency,easytoautomateandsavingmaterialsandsoon.Today,thetraditionalspotweldinglowdegreeofautomation,productionefficiencyisnothigh,poorweldquality,whichcannotmeettheneedsofindustrialdevelopment.Therefore,theneedtodevelopahighdegreeofautomationcontrolsystemofspotwelding.SpotweldingcontrolsystemsystemcontrolPLCpaper,plusatouchscreen,toalargeextentimproveproductionefficiency,reducescraprates.Spotweldingsystemreferredtohereinusingdouble-sideddouble-pointovercurrentweldingprinciple,theworkpieceispressedbetweentwoelectrodesunderpressureproducesresistancebetweenthetwoelectrodes.Whenacurrentispassed,itwillhaveahightemperaturearc,highmeltingtemperatureoftheworkpiecetobewelded,andthecurrentmomentfromtheotherelectrodealongtheworkpieceflowtothiselectrode,andformaloop,doesnotharmtheinternalstructureistheweldermember.Andthetraditionalsemi-automaticweldingmachinecomparedtothedevicesolderjointsandweldlengthoutmoreevenlydistributed,highefficiencyandsavemanpower.

Thedesignofthespotweldingbyarotatablecirculartable,motordrivenbeammovearoundandupanddownmovementofthespindlemotorcontrolcomposition.Themainprocessingcomponentsrotatingseatofacompany,atotalofthreestationsneedtobeprocessed,thesethreestationsprecisemotioncontrolisdonebytheservopositioningcontrolsystem.3setsofservocontroltheX,Y,Zaxisforaccuratepositioning,PLCistocontroltheservomotordrives,servodrivesareresponsiblefordrivingtheservomotor.

Keywords:

XinJiePLC;servomotor;touchscreen

第1章绪论

1.1课题意义

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。

点焊工艺是一种很重要的焊接工艺，具有生产效率高、低成本、节省材料和易于实现自动化等特点。

如今，国内传统的点焊机控制系统自动化程度低，已经不能满足现代工业发展的需求。

因此，需要一款新式的点焊机控制系统，实现生产的自动化，进一步提高生产效率。

现设计出一款点焊机控制系统，本系统采用PLC加触摸屏的控制，利用三套伺服系统对三个运动轴进行精确的控制与定位，能实现自动化生产，极大的提高了生产效率，对工业生产实现自动化有很大的意义。

1.2课题的国内外现状及趋势

1.2.1国内电焊机科技水平及发展趋势

1.逆变式手工电弧焊机以及手工电弧焊机大部分已经采用了IGBT等新型电子元器件，并且在某些场合可以替代弧焊整流器，但是其可靠性比起一般手工弧焊机来说尚有差距。

2.MIG/MAG焊机在推拉式送丝机构这方面还需继续改进，脉冲MIG/MAG焊机的改进方向为：

减少飞溅、引弧、收弧等。

3.在不锈钢焊接中广泛应用的是TIG焊机，因此发展比较快的是晶闸管式以及磁放大器式，逆变式只占一小部分。

现如今大多交流TIG焊机已采用矩形波输出，大部分采用电子以及磁场混合控制来获得矩形波，最近国内也出现了逆变式交流矩形波TIG焊机，但技术尚未成熟，还有待于市场的考验。

在国内宇航工业生产过程中，需要焊接较厚的长焊缝，要求电流在500A以上、负载持续率100%的大容量TIG焊机，但是此类产品在国内尚属空白。

4.埋弧焊机在2000A以上的很少，有必要进一步发展。

大多埋弧焊机的操作部份为单一的中型小车结构，通用性差，不够灵活。

因此需要发展轻型和重型小车结构，增强产品的通用性，并可加装成双丝或多丝结构，进一步提高生产率。

5.目前国内的电阻焊机多为中等容量，较大的如400kVA以上则较少，较小的如适宜于小型、微型结构的1kVA以下的精密电阻焊机则更少。

点、凸焊控制器虽有进步，但大多为合资企业产品，为了保证产品质量，关键部份基本依赖进口。

因此，开发和研制出自行设计制造的控制器亦是方向之一。

1.2.2国外电焊机科技水平的现状和发展 

1.逆变焊机被某些著名的电焊机生产厂不断改进，使它的可靠性进一步提高，已接近一般电焊机的故障率，即1%左右。

利用逆变焊机的固有的特征，使电弧控制迈出了新的一步。

2.非传统（非电弧、电阻）焊技术的应用和设备发展迅速，现已有：

摩擦缝焊（FrictionSeamWelding）、摩擦搅拌焊（FrictionStirWelding）、摩擦堆焊（FrictionSurfacing）、摩擦插入焊（FrictionPlunge）、摩擦切割（FrictionCutting）等等。

3.微处理器及计算机已普遍应用，但距完全的智能控制尚有距离。

4.焊接机器人的应用更为广泛。

5.小型、微型电阻焊机日趋成熟和普及。

1.3．课题内容

1.对课题进行简要的介绍，主要介绍点焊机控制系统的背景及现状；

2.详细介绍点焊机控制系统的工艺流程和原理；

3.方案比较，主要比较继电接触器控制系统、单片机控制系统和PLC控制系统；

4.硬件设计，主要包括控制系统的硬件设计系统框图、硬件的选型、PLC外部接线图及I/O分配表；

5.伺服系统设计，主要包括各伺服单元之间的连接,伺服驱动器的标准接线；

6.软件设计，主要包括确定软件设计思想，软件设计流程图，主要程序及相应的解释；

7.触摸屏设计，包括触摸屏的制作，离线模拟调试，用触摸屏来监控；

8.系统的调试，以及调试中遇到的问题；

第2章点焊机工艺的介绍

2.1点焊机控制系统

2.1.1系统原理

点焊的工艺过程为：

①将焊件表面清理干净。

②装配准确后，送入上、下两电极之间，施加压力，使其接触良好。

③通电使工件接触表面受热，局部熔化，形成熔核。

④断电后保持压力，使熔核在压力下冷却凝固形成焊点。

⑤去除压力，取出工件。

焊接电流、电极压力、通电时间及电极工作表面尺寸等点焊工艺参数对焊接质量有重大影响。

点焊机中有正负两极电流，当焊枪动作时，正负两级就会接通，在瞬间产生高温并且熔化两电极间的被焊材料，使被焊材料相结合。

点焊机的构成比较简单，总的来说就是一个大功率的变压器。

其利用电感的原理将220V交流电（可以是直流的也可以是交流的）变为低电压，大电流的电源。

电感量在断开和接通时会产生巨大的电压变化，利用正负两极在瞬间接通时产生的高温电弧来熔化被焊接材料，来达到使它们结合的目的。

本次设计的点焊机由可转动的圆形工作台、带动电机左右移动的横梁以及控制电机上下运动的主轴构成。

主要加工旋转座椅的零部件，一共有三个工位需要加工，这三个工位的运动控制都是由伺服系统完成精确的定位控制。

实物图如下：

图2-1点焊机控制系统实物图

2.1.2系统控制框图

本系统由可编程控制器，上位机（触摸屏），伺服电机及其伺服驱动器等组成，经触摸屏设置系统参数，可编程控制器发出运算控制信号给伺服驱动器，通过伺服驱动器控制伺服电机，系统框图如下：

图2-2系统控制框图

2.2点焊机控制系统的结构介绍

本次设计的点焊机结构如下图2-3，主要由触摸屏、可转动的圆形工作台、带动电机左右移动的横梁以及控制电机上下运动的主轴构成。

图2-3点焊机控制系统结构图

横梁设置为X轴，主轴设置为Y轴，工作台设置为Z轴，两个伺服电机分别控制带动电机左右移动的横梁以及电机上下运动的主轴。

工作台上的伺服电机则负责工作台的旋转。

同时，在X轴的最左端和Y轴的最上端都装有限位开关。

触摸屏则负责人机界面，实现简易化操作。

2.3点焊的基本原理

电阻点焊是把被焊接的工件压紧在两电极之间，利用电阻热融化被焊接金属，形成焊点的电阻焊方法。

电阻点焊原理如下图所示：

图2-4点焊原理图

将被焊接的焊件3压紧在两电极2和5之间，同时施加压力。

施加压力后，变压器1向焊接区通过强大的焊接电流。

在被焊接的焊件3的接触面上形成真实的物理触点，物理触点随着通电加热的进行而不断扩大。

热能与塑变能使接触点的原子不断激活，接触面消失。

当继续加热,金属融化形成融化核心，即4所指出的部分，熔核中的液态金属在电动力下强烈搅拌，熔核内心的金属成分均匀化，结界界面迅速消失，加热停止后，金属凝固，焊接完成。

2.4点焊机控制系统的工艺流程

点焊机控制系统划分为：

第一次焊接，回等待位。

工作台旋转，第二次焊接，回等待位。

工作台旋转，第三次焊接，回等待位这些部分组成。

下图为工艺流程图。

图2-5点焊机控制系统工艺流程图

打开电源，焊枪在原点位置等待。

当按下一次启动按钮，PLC发送脉冲给伺服驱动器，伺服驱动器控制X、Y轴的伺服电机，横梁和主轴开始运转，当达到设定的一次焊接的位置时，焊枪开始工作，焊接2S后，焊枪停止工作，回到设定的等待位置。

之后工作台带动工件旋转45度，定位完成后横梁和主轴又开始运转，当到达设定的第二次焊接的位置时，焊枪又开始工作，焊接2S后，焊枪停止工作并回等待位。

工作台再次旋转45度，横梁和主轴又开始运转，当到达设定的第三次焊接的位置时开始第三次焊接，焊接完成后，回到等待位，最后工作台转到初始位置（反转90度），整个加工流程结束。

2.5本章小结

本章首先介绍了点焊机控制系统的结构组成和工作原理，大概了解一下点焊机控制系统。

其次介绍了工艺流程，形象鲜明的把点焊机系统的工作过程在图上反应出来，便于理解，为下面的设计做好铺垫。

第3章控制方案比较

3.1方案比较

3.1.1确定控制方案

下面比较继电接触器控制系统，PLC控制控制系统以及单片机控制系统的优缺点，最后选择一种控制系统。

1.继电接触器控制系统

继电接触器控制也称电气控制，主要是由继电器、接触器、按钮和行程开关等电气元件组成，主要是通过线圈的吸合来控制线路的开通和断开的。

具有以下优点：

①电路抗干扰能力较强；②电路图反应直观，容易掌握；③性价比高。

缺点：

①体积庞大，线路复杂，故障检查维修困难，触点动作时容易产生电弧；②控制功能相对单一，当逻辑控制发生改变时，必须要修改整体线路，重新分配；③并且只能控制一些相对比较简单的开关量设备，不能控制有模拟量输入输出的设备。

2.单片机控制系统

单片机也称单片微型计算机，在一块半导体芯片上集成有输入/输出接口、程序存储器ROM和数据存储器RAM、中央处理器CPU、计数器和定时器以及内部、外部中断系统。

其优点是：

①外部存储容量容易扩展，设计比较灵活；②成本低，外围的一些电路元器件价格也相对低廉；③编程使用C语言，相对方便，软件设计可以直接调用现有的子程序简单方便。

缺点：

①系统的抗干扰能力较差；②硬件设计相对复杂，电路设计工作量大，系统开发时间长；③需要设计独立的电源，可靠性差；

3.PLC控制系统

PLC控制系统主要是由PLC与用户选择的输入输出设备连接而成的。

其具有以下优点：

①控制功能较多，可以实现计数、定时、算术运算以及逻辑运算等功能，通过编程可以实现复杂的控制功能；②采用触摸屏或上机位的控制，控制界面简洁易懂，当需要改变控制时，只需要改变程序即可，接线简单，通用性好，对各种控制系统都用很强的适应性；③没有机械触点，可靠性高，能有效避免电弧损害、接触不良等现象；④定时范围广并且精确；⑤耗电量小，体积较小，安装简单，接线和编程可以同步进行，扩展灵活多样。

缺点：

①价格昂贵，成本较高；②体系结构比较封闭，各个PLC厂家之间的硬件体系是互相不兼容的，编程语言与指令系统各不相同。

综上所述，并且结合实际，本次设计的点焊机控制系统，输入输出点都比较多，而且有伺服系统在里边，所以继电接触器系统不适合采用。

单片机虽然体积小价格便宜但是其适合用于小型控制系统，如仪器仪表等，而PLC虽然价格较高，但是却更适用于工业控制系统中。

所以，综合比较用PLC控制系统比继电接触器控制系统和单片机控制系统要合理。

3.1.2确定控制方向

点焊机控制系统是一个庞大的系统，涉及到伺服反馈系统，作为毕业设计，如果将其中每个系统都介绍完整是不现实的，因此只侧重于系统的操作过程和软件的仿真，也就是所有的编程以及介绍只是简单的从操作下手的。

3.2本章小结

本章介绍了控制要求和方案比较，方案比较包括控制方案的确定以及控制方向。

控制要求主要是对继电器控制系统、PLC控制系统以及单片机控制系统的比较，然后通过比较确定用PLC控制系统。

控制方向主要是对真空压力浸漆控制系统进行深入研究后，确定只研究操作过程，不深入研究各个系统。

第4章硬件设计

4.1控制要求

本次设计要求能实现各运动轴的精确定位，能用触摸屏方便快捷的进行机床的操作。

在工业生产中，安全需要放在首位，不单在软件上设置安全保障，硬件电路中也需采用空气开关和熔断器断路保护。

同时，产品的质量是企业生存的保障，在保障安全的同时，应尽可能采取一切措施控制精度，提高产品质量。

为了确保程序不跑丢，我们需要设置在伺服驱动就绪的情况下，可编程控制器才能够运行，尽可能的降低次品率。

并且要求机床X、Y这两个运动轴的定位误差不超过0.02mm。

4.2控制方案

硬件的选型是系统运行的基础，因此要确保在以后的生产中使系统安全、稳定的运行。

这就要求在设计过程中，设计出性能较好、稳定的电路和选择性能良好的元器件。

我们所选的控制方案为：

PLC控制伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机来实现精确定位。

因此，选用合适的可编程控制器和伺服系统是本次设计能否成功的关键。

4.3硬件控制系统

图4-1硬件控制系统框图

由硬件控制系统框图可以看出焊枪是由继电器控制输出，继电器吸合焊枪工作，继电器断开，焊枪停止。

伺服电机由PLC发射脉冲至伺服驱动器，控制伺服电机的方向和距离。

按钮和接近开关都是开关量输入，伺服反馈是信号输入，判断焊枪是否到达指定位置。

4.4硬件选型

4.4.1PLC选型

1.PLCI/O点数估算 

首先统计被控设备对输入、输出点的总需求量，其次把被控设备的信号源一一列出，认真分析输入、输出点的信号类型。

本次设计输入点共8个（X轴信号输入、Y轴信号输入、Z轴信号输入、一次启动按钮等），输出点7个（X轴脉冲、Y轴脉冲等）。

根据以上分析，对PLC来说，需要提供8个输入点和7个输出点。

除了以上的输入输出点以外，PLC与计算机、触摸屏等设备连接，需要用专用接口，也应计算在内。

考虑到在实际安装、调试和应用中，还有可能发现一些估算中未预见到的因素，要根据实际情况增加一些输入、输出信号。

2.信捷XCM系列PLC的特点：

①集运动控制功能及普通PLC功能于一身的可编程控制器；

XCM系列运动控制型PLC不仅支持运动控制功能，同样支持普通PLC的绝大部分功能，包括高速脉冲、高速计数、中断、PID控制等。

②最多可支持10轴脉冲输出；

XCM系列包含3轴、4轴、10轴脉冲输出，最大化满足了用户的控制需求。

③优越的运动控制性能；

可实现两轴联动，支持普通运动控制指令如圆弧，直线插补等。

④平面转换功能；

支持平面转换PLAN指令，可进行X-Y、Y-Z、X-Z等的两轴联动转换。

⑤可扩展XC系列开关量、模拟量模块以及BD板；

与XC系列PLC相似，XCM系列同样支持模块和BD板的扩展，包括开关量、温度模拟量模块等。

根据设计要求，我们选用信捷XCM-24T4-E型PLC，有编码器反馈。

本体支持运动控制指令，无需另加任何模块、RS232、485两种串口，方便各种上位机监控、强大的高速计数中断功能为客户大大节省了电气成本。

图4-2信捷XCM-24T4-E型PLC

具体参数如下：

①输入输出点：

输入点X0～X7和X10～X15,输出点Y0～Y7和Y10～Y11；

②编程方式：

指令、C语言、梯形图并用；

③处理速度:

0.3us；

④定时器：

640点，100ms定时器时设置时间0.1～3276.7秒；10ms定时器时设置时间0.01～327.67秒；1ms定时器时设置时间0.001～32.767秒；

⑤计数器：

640点，16位计数器时设置值K0～32767；32位计数器时设置值K0～2147483647；

⑥额定电压：

AC100V～240V（超过1.5KW选用三相220V）

⑦最大消耗功率：

15W

4.4.2伺服电机的选型

1.步进电机与伺服电机的比较

①步进电机为无反馈检测的脉冲操作电机系统，而伺服电机则按反馈信号进行控制。

②步进电机依据脉冲数量及频率工作，相对于脉冲控制的伺服电机而言，两者的控制方式相同。

③步进电机一般为低速运行，应为步进电机转矩在高速运行时将逐渐降低，而伺服电机在额定转速内为恒转矩输出的运行状态。

④相对于步进电机，伺服电机的运行速度范围较大，有利于速度差异较大的运行。

综上所述，步进电机没有反馈，而伺服电机有反馈。

而本设计的点焊机控制系统精度要求比较高，因此选用伺服电机比步进电机更好。

2.伺服电机选型依据

伺服电机主要分为两类：

直流伺服电机和交流伺服电机。

选用伺服电机时，依下列步骤进行：

①查明负载机构的运动条件要求，机构的运动方式和运动速度等。

②依据运动条件要求选用合适的负载惯量计算公式，计算出负载惯量。

③根据电机惯量与负载惯量选出适当的电机规格。

④结合初选的负载惯量与电机惯量，计算出减速转矩与加速转矩。

⑤根据摩擦系数、负载惯量、运行效率等计算出负载转矩。

⑥负载转矩与加速转矩的和必须符合选用电机的运行转矩特性曲线及启动转矩特性曲线。

⑦完成选定

在选用伺服电机时，需要依据以上步骤进行选型。

3．选型计算

依据设计要求，当横梁左右移动时，由丝杠控制，滚珠丝杠惯量5.88kg/cm²，减速齿轮惯量可忽略不计，电机转一圈丝杠移动20mm，横梁重量为200KG。

根据直线运动物体负载惯量计算如下：

JL=W×（△S/20×π）²（4.1）

△S=20mm，W=200KG

JLO=200×[20/（200×π）²]=0.01（kg.cm²）（4.2）

丝杠减速后的惯量为：

5.88×0.5²=1.47（kg.cm²）（4.3）

负载惯量为0.01＋1.47=1.48（kg.cm²）电机惯量为0.54kg.cm²且考虑到现有因素，选用信捷公司的MS-110ST-M05030-21P5系列专用伺服电机，电机额定功率1.5KW，额定转速3000转，6.7KG，额定转矩5N·m，极对数为4，转子惯量0.63kg.cm.²

其中：

MS—电机系列

110—机座号

ST—正弦波驱动电机

M—反馈元件代号

05030—性能参数代号

2—电压等级

1P5—功率1.5KW

图4-3信捷MS-110ST-M05030-21P5系列专用伺服电机

4.安装此伺服电机需要注意一下几点：

①MS系列伺服电机，可以采取水平方向或者垂直方向进行安装，但是如果错误安装在不合适的地方，则会缩短电机的寿命，或引发意想不到的事故。

②在与机械连接时，使用连轴器，并使伺服电机的轴心与机械的轴心保持在一条直线上。

4.4.3伺服驱动器的选型

伺服驱动器是一种控制器，主要用来控制伺服电机，是属于伺服系统的一部分，其作用类似于变频器控制普通交流电机。

主要应用于高精度的定位系统。

一般是通过速度、位置和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。

本次设计我们选用与信捷MS-110ST-M05030-21P5系列专用伺服电机相配套的DS2-21P5-AS系列伺服驱动器。

1.伺服驱动器基本参数

最大适用电机容量1.5KW，连续输出电流6Arms，最大输出电流18Arms，采用三

相全波整流TGBTPWM控制。

其中：

DS2-系列名称

2-电压等级220V

1P5-适用电机容量1.5KW

图4-4信捷DS2-21P5-AS系列伺服驱动器

2.各端子的含义

表4-1驱动器