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论文基于plc控制的自动焊接机设计大学论文
基于PLC控制的自动焊接机设计
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声明
此论文所呈交的，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，此论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对此文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
【摘要】
随着现代科技的高速发展，手机的更新换代周期加快，同时手机的附属且是不可缺少的硬件--电池的需求量不断增加。
而电池在生产过程中正负极片的焊接是至关重要的一个环节，所以很有必要设计电池正负极片的自动焊接机。
本文基于此设计开发了基于PLC控制的自动焊接机设计，适用于企业的自动化设备,主要是对电池正负极片进行焊接。
在设计过程中采用欧姆龙PLC作为主控制器，加入CCD元素在激光焊接机对电池的正负极片焊接完成后，通过PLC的控制自动将电池送到下一个工位，从而CCD对其进行拍照检测焊接的结果是否合格。
在本设计中充分考虑到企业利益最大化的因素，此毕业设计产品不仅为其节约了人力成本，而且大大的提高了生产效益，保障品质的稳定，提升企业绩效，提高企业的竞争优势。
【关键词】：
自动焊接机；电池正负极片；欧姆龙PLC
【abstract】
Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,mobilephoneupgradecycleisaccelerated,atthesametimeisindispensableinthemobilephoneaccessoryandhardware-batterydemandisincreasing.Andthebatteryisthecathodepieceofweldingintheproductionprocessisoneofthemostimportantstep,soitisnecessarytodesignabatteryisthecathodeoftheautomaticweldingmachine.Inthispaper,basedonthedesignanddevelopmentthedesignofautomaticweldingmachinebasedonPLCcontrol,issuitablefortheautomationequipmentoftheenterprise,mainlyonthebatteryisnegativeforwelding.InthedesignprocessadoptsomronPLCasthemaincontroller,CCDelementsinlaserweldingmachineacrosstheelectrodesofthebattery,afterthecompletionofweldingbyPLCcontrolofautomatictosendthebatterytothenextstation,thustheCCDphotographthecheckwhethertheresultsoftheweldingqualified.Inthisdesign,fullyconsiderthefactorsofenterprisebenefitmaximization,thisgraduationdesignproductsnotonlysavethemanpowercost,andgreatlyimprovestheproductionefficiency,guaranteethestabilityofquality,improveenterpriseperformance,improvethecompetitiveadvantageofenterprises.
【keywords】:
automaticweldingmachine;Thebatteryisnegative;OmronPLC
目录
引言1
一、自动焊接机的动作流程2
（一）自动焊接机主要工位2
（二）自动焊接机动作的流程2
二、自动焊接机的机械设计简述5
（一）自动焊接机中气缸的选用5
（二）电磁阀6
（三）真空发生器7
（四）电机7
三、自动焊接机的电气元器件介绍分析7
（一）控制柜介绍7
（二）重要控制元器件介绍9
总结14
参考文献15
致谢16
附录PLC梯形图17
引言
工业的自动化一直以来都是我国的发展的方向和目标。
如今一个国家的强大的标志是工业的现在化发展，而这些不仅要看机械化水平、电气水平，也要看自动化水平。
如今的工业发展自动化程度是工业现代化的重要标志，而我们设计的自动焊接机就是应用激光焊接电池极片的一款自动化程度很高的自动化机器。
随着现在科技的高速发展，手机的更新换代很快，同时手机的附属且是不可缺少的硬件--电池就需要大量的安全可靠的生产了。
而电池的正负极片的焊接也是很重要的一环，所以很有必要设计和生产出关于电池正负极片的焊接的自动焊接机，安全可靠的加快电池的生产批量生产。
为了安全稳定的焊接出良好的电池极片，本设计采用了激光焊接，CCD拍照检测是否合格。
激光焊接机采用的是激光焊接，主要是非接触式加工，不产生机械的挤压，不会造成电池的损坏，还有就是激光焊接机中使用的激光聚焦后的光斑尺寸小，热影响区域小，加工精细等优点，可以完成一些常规方法无法完成的加工工艺。
此设计运用PLC控制的电路系统控制机械运动，达到充分协调，达到自动化的应用。
从而在实际的运用中此自动焊接机可以减少操作人员对电池极片的焊接，并且可以让产品降低误差，降低不合格率，大大提升企业的绩效。
一、自动焊接机的动作流程
自动焊接机设计的主要作用是焊接电池的正负极片，是在电气控制简单的机械机构完成连贯的动作，用来达到人们想要完成的目的。
首先介绍本设计自动焊接机用到的核心元器件----激光焊接机，其次是CCD拍照检测焊接结果，最后将产品送至出料口。
在这些简单的动作里，机械方面本设计用到了7个气缸、6个电磁阀、还有两个电缸，还有就是些简单的机械结构了。
内部的控制方面本设计用到了以欧姆龙的PLC为控制核心，各种不同的传感器辅助配合动作控制。
本设计中整个动作流程中需要焊接的产品（见图1-2所示），及搭载的托盘（见图1-1所示），托盘搭载着需要焊接的电池走完所有工位，达到客户的焊接要求。
图1-1搭载电池的托盘（治具）图1-2电池及焊接的正负极片
（一）自动焊接机主要工位
自动焊接机主要分为五个工位：
1.初始工位也是准备工位。
主要是检查治具完整和电池的完好，然后将未被焊接正负极片的电池放入治具，入料气缸将准备好的治具推入等待焊接。
2.托盘焊接初始位。
主要是将等待的托盘由等间距平移缸拉入到托盘焊接的初始位准备焊接。
3.焊接工位。
主要是将搭载电池的治具推到激光焊接机下进行焊接。
4.CCD拍照检测工位。
主要是在激光焊接机将电池正负极片焊接完成后，再次使用等间距平移缸将托盘移动到CCD拍照检测工位进行检测。
5.排出工位。
检测完成后，将托盘排出，焊接完成的电池被吸盘吸走排出。
（二）自动焊接机动作的流程
1.自动焊接机动作流程
首先，操作员将已经搭载了电池的治具放在入料口（初始工位）（如图1-3所示）。
然后传感器接近感应到了治具的存在，入料缸将治具推入到焊接准备的工位上等待焊接（如图1-4所示）。
图1-3治具在初始工位图1-4治具在焊接准备工位
然后，由等间距升降缸叉住治具，等间距平移缸将治具移到焊接工位上焊接，光电传感器检测到有治具存在，然后激光焊接机动作，焊接结束后继续由等间距平移缸将治具移到CCD拍照检测的工位上进行检测（如图1-5所示），检测结果合格的由焊接移栽升降缸运动到焊接完成的上方用吸盘（如图1-6所示）。
图1-5治具在检测工位图1-6搬送电池的吸盘和皮带
最后，将电池吸到排除工位的皮带上送出去，最后治具由排除缸叉住固定排出（如图1-7所示），依次循环动作进行生产。
图1-7治具在排出工位图1-8整体布局图
自动焊接机的动作流程，如图1-9所示：
NG
OK
OK
OKNG
NG
NG
OK
NG
NG
OK
2.加工零件的注意事项
在这里介绍的加工零件的一些注意事项和一些技巧的主要用途的是，在自动焊接机的组装和机械运动方面会用到一些零件会需要加工，还有就是放电气元器件的支架以及底板都需要金加工和简单的修饰，例如：
去毛刺、打孔、上螺丝等一些简单的装配。
自动焊接机上面的机械零件机加工需要注意的是：
（1）去毛刺；
（2）非金属件螺纹孔需要镶牙套；
（3）所有定位孔的公差为±0.02。
自动焊接机底板机加工一般原则：
（1）首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度。
（2）应尽量选择零件的主要表面为定位基准。
（3）定位基准应有利于夹紧，在加工过程中稳定可靠。
二、自动焊接机的机械设计简述
本文已经设计的自动焊接机，其机械部分由多种典型的元器件组成，下面将一一做介绍。
（一）自动焊接机中气缸的选用
1.各类气缸分类
①入料缸，主要是将已经搭载了未被焊接正负极片的电池的治具拉入到准备工位。
如图2-1所示。
②对角顶紧缸，主要作用是当治具进入准备工位，然后对角顶紧将治具在指定位置加紧，固定到正确位置。
如图2-2所示。
图2-1入料口图2-2对角顶紧缸及入料缸位置
③等间距升降缸，主要作用是升将治具叉住固定，然后移动到指定的工位，然后下降，辅助等间距平移缸运动。
如图2-3所示。
④等间距平移缸，主要作用是移动治具到不同的工位，当治具被加紧到指定位置后，等间距升降缸会上升将治具叉住移动到焊接位置，焊接完成后移动到CCD拍照检测处，最后移动到出口。
⑤治具排出缸，主要作用是在电池正负极片被焊接完成并检测完成后，将搭载着电池的治具排出。
如图2-4所示。
图2-3升降缸叉住治具移动图2-4排出治具
⑥排出升降缸，主要就是上升叉住治具，配合治具排出缸将治具排出。
⑦焊接移栽升降缸，主要作用是最后治具排出缸将治具排出之前，将治具上已经检测过的电池用吸盘真空吸到由电机带动的皮带上将电池排出。
2.气缸的选型步骤
①确定缸径、气缸动作速度。
根据表2-1选定理论基准速度。
一般以中速为基准调整气缸速度。
表2-1气缸速度理论值
气缸速度的程度
低速
中速
高速
超高速
理论基准速度（mm/s）
250
500
750
1000
②从缸径理论基准速度选定恰当的控制元件，选择必要的气流量。
一般选定的规格如下表2-2，可以达到中速。
表2-2气缸的选定参数
缸径（mm）
理论基准速度（mm/s）
必要流量（Q/min）
配管（阀*气缸间）
16
500
36
4*2.5尼龙管
（二）电磁阀
本文设计的自动焊接机，共运用了六个电池阀，其中有三个双电控、三个单电控。
分别控制的动作如下（括号里为其在PLC里面的运用的信号点）：
双电控
入料缸前进（Y10006）
入料缸后退（Y10007）
等间距平移缸前进（Y10101）
等间距平移缸后退（Y10102）
治具排出缸前进（Y10103）
治具排出缸后退（Y10107）
单电控
焊接移栽升降缸（Y10104）
对角顶升缸（Y10105）
等间距升降缸（Y10106）
电磁阀一般使用的是二位三通和二位五通的电磁阀，二位三通电磁阀多用于单控，具有1个进气孔（接进气气源）、1个出气孔（提供给气缸气源）、1个排气孔（一般是安装消音器）。
二位五通电磁阀多用于双控，具有一个进气孔（接进气气源）、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔（分别提供自动焊接机气缸一正一反的气源）、1个正动作排气孔和1个反动作排气孔（安装消音器）。
二位三通电池阀相当于“点动”，线圈断电，气路断开。
二位五通阀则是给正动作通电，则正动作气缸通气，即使气缸断电，正气缸也会维持动作，直到反动作通电为止。
反动作亦然。
这就相当于“自锁”。
（三）真空发生器
在本设计中真空发生器（如图2-5所示）的作用主要是将吹起变为吸气，然后将电池从治具上吸到皮带上。
（如图2-6所示）
图2-5真空发生器图2-6吸盘吸气
真空发生器的工作原理主要是通过喷管的高速喷射来压缩空气，在出口处产生卷吸。
然后使吸附腔内的压力小于大气压形成一定的真空，导致气体内流，形成了吸力。
（四）电机
本设计中电机使用在出料口，检测完成的电池将被机械手搬运出出口处然后用电机将产品排出，需要普通电机即可，用电机带动皮带运动。
电机的运转、调速、停止：
电机由控制器控制，运转只需要讲控制器上的【RUN/STAND】开关扳到【RUN】一侧就可以开始运转，然后设定相应的运转速度。
停止则是将【RUN/STAND】开关扳到【STAND】电机即停止。
调速:
将运转速度设定器的旋转朝顺时针方向旋转，电机的速度加快，朝逆时针的方向旋转，电机速度减慢。
50Hz时可在90-1400r/min的范围内、60Hz时可在90-1600r/min的范围内对电机速度进行调整和设定。
即使电源频率出现变化，在90-1400r/min的范围内所设定的运转速度也不会改变。
三、自动焊接机的电气元器件介绍分析
（一）控制柜介绍
自动焊接机分为控制方面和机械运动方面，而控制方面又有其电柜里面的主电路以及PLC及其拓展模块的控制，外部则是在关键和特殊部位放各种样式的传感器来辅助控制。
1.控制柜里元器件介绍
控制柜里的元器件主要有：
空开（微型断路器）、中继（3个）、欧姆龙PLC及其3个拓展模块IAI电缸驱动器（如图3-1所示）、开关电源和端子排若干。
图3-1IAI电缸驱动器图3-2控制柜整体布局图
控制柜整体布局（如图3-2所示）和元器件安装。
我们要考虑的是有多少元器件放在控制柜里面，这也是最关键的，上面已经很清楚的介绍了需要放在控制柜里的元器件了，这里就介绍元器件在控制柜里的分布安装。
在图3-2所示的布局图上左上方是空开和插座还有就是中间继电器，在右上方的就是PLC及其拓展模块，然后下面的就是端子排，最右边的就是驱动器和+24V开关电源。
空开和插座需要接220V的交流电，中间继电器则是低压控制着高压的一个转接，PLC接的是24V直流电。
接220V的元器件需要与+24V电源隔开，也就是说+24V电压和220V电压是分开安装的，避免并排安装。
这样做防止220V或+24V线松动或者短接等一些客观因素导致与+24V短接，出现元器件或机器故障损毁。
下面的端子排有两种，其中单层的是220V的，主要是元器件之间的一个接线方便，双层端子排是提供24V电源的，主要是控制柜里面和外面控制元件的通电，所以一般24V和0V的双层端子排比较多，设计这些端子排的数量要根据自动焊接机具体使用元器件的多少合理安排。
2.外部控制元器件介绍
外部的控制元器件通俗的讲就是传感器以及电磁阀一类的控制元件，以不同种类的传感器感受到信号传到PLC，然后PLC将信号输出到电磁阀，使气缸等一些机械类的工件通过电和气的作用完成连贯的动作。
外部控制元器件有很多，主要是种类繁多，主要有以下几种，分别介绍它们的种类及在自动焊接机里面起到的不同的作用。
①接近开关（治具到位接近）
②光电开关（治具拉入到位感应）
③光电开关（焊接部位感应治具1）
④光电开关（焊接部位感应治具2）
⑤光电开关（治具到位排出位感应）
⑥光电开关（治具带CCD拍照工位到位，CCD拍照）
⑦光电开关（检测完以后治具排出到位1）
⑧光电开关（治具排出到位2）
⑨接近开关（放在气缸上，动作完成的信号提醒）
以上的一些外部控制元器件皆为传感器类型的，主要是感应搭载电池的治具的到位情况，简单地讲就是治具到达的指定的位置，我们设置的传感器就有信号，然后给PLC可以进行下一个动作了，依次这样连贯的动作。
这些元器件的选型：
电源为DC+24V，电流在200mA以下；最大负荷电流为200mA，饱和电压在1.5V以下，漏电流100mA以下，耐电压AC500V50/60HZ（一分钟），绝缘阻抗5兆欧以上（DC500V）。
接近开关的感应距离为0~10mm；响应材料为铁质，检出体铁30*30P*1t，应答度为200HZ，响应差在20%以下，耐振动，复振幅为1.5mm，10~55HZ，耐冲击600M/S，工作环境温度在+20~60度之间。
（二）重要控制元器件介绍
综合上一节讲的控制柜里的元器件及其布局还有外部控制类的元器件，本文从中挑选出激光焊接机、CCD拍照检测机、PLC及其拓展模块等重要的、影响自动焊接机调试和使用的元器件加以分析。
1.激光焊接机
本设计的自动焊接机的重要元器件---激光焊接机（如图3-3和图3-4所示），它是本设计自动焊接机的核心，但是不是自动焊接机设计的重点，因为激光焊接机主要依靠外界设备来源，自动焊接机上用到的一个重要元器件，主要是解释一下用激光的焊接机的好处和特点。
自动焊接机为什么选择使用激光焊接机来焊接电池的正负极片？
因为激光焊接是一种非接触式的焊接技术，通过大量的测试及应用研究，它的焊接形态很稳定，并且不会产生其他机械挤压或者是机械应力，因此不会造成被加工物品的损失，还有就是激光焊接的光斑的范围很小，相对来说热影响的区域也会很小，加工也很精细，可以完成一些常规无法完成的加工工艺。
大量科学研究发现，本设计结合电池正负极片的材料的特性，控制好激光焊接机中激光脉冲的宽度、峰值功率、能量以及重复频率等参数。
图3-3使用的激光焊接机局部图图3-4使用的激光焊接机整体图
2.CCD拍照检测
CCD检测在自动焊接机中，主要的作用是在激光焊接机对电池的正负极片焊接完成后，自动焊接机的治具得到感应后，通过PLC的控制自动将电池送到下一个工位，从而CCD对其进行拍照检测焊接的结果是否合格。
如图3-5所示。
主要是为瑕疵检测，瑕疵检测就是在检测范围里面在一定以上的浓度差的位置作为瑕疵、污点进行识别，并且由它输出瑕疵污点的总的量。
然后确认此产品焊接的是否合格，合格的就顺利出OK口，不合格则出NG出口。
图3-5CCD拍照检测
设定检测的条件及有关设置，如表3-1所示。
表3-1检测的条件设定
设定项目
设定内容
检测方向
选择对范围内实施少苗的方向。
1、x：
检测x方向的浓度差。
还可以有效的检测电池正负极片焊接的毛刺和缺陷。
2、Y：
检测y方向的浓度差。
还可以有效的检测电池正负极片焊接的毛刺和缺陷。
3、xy：
检测x方向和y方向的浓度差，检测工件的表面等均一面时进行选择。
4、圆环：
检测圆环方向的浓度差。
还可以有效的检测工件端面的毛刺或缺陷。
5、半径：
检测半径方向的浓度差。
还可以有效的检测工件端面的毛刺和缺陷。
瑕疵等级
在检测过程中，对瑕疵（污点、杂质、缺陷）进行检测的时候进行对电池正负极片所需浓度值设定，便于检测干扰，在稳定的浓度显示的时候，调整电池极片检测的范围，使画面中仅显示检测的对象。
分方向设定
可以分开成几个方向（x、y、圆环、半径）分别独立设定检测设定。
瑕疵大小
在检测的范围里，扫描的电池正负极片的瑕疵大小。
比较间
隔设定
要扩大或者缩小移动的间隙时，需要进行详细的设定。
瑕疵检测通常是将比较靠近的段之间的浓度差作为瑕疵进行检测，所以当瑕疵的整体色彩不均匀而变化较小时不容易检测。
为了检测更大的范围内的浓度差，所以需要调整移动量和比较段间隔的设定值。
排除边界
可将存在于检测范围边界线附近的瑕疵排除在检测之外。
设定有效后能去检测范围内不需要的背景。
瑕疵量
选择排除瑕疵的上下限，上下限值以外的不被检测。
圆形度
圆形度的上下限选择，上下限以外的不被检测。
3.PLC的选型及注意事项
（1）概述
PLC的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上PLC就是一种新型的工业控制计算机。
选择运用PLC的优点：
①抗干扰能力强，可靠性高（平均无故障时间3--5万小时）；
②编程简单易学；
③有很强的输入输出接口，使用简便；
④体积小、结构紧凑、安装；
⑤系统设计周期短，维护方便，易改造。
（2）使用的PLC选型
本设计自动焊接机属于小型自动化机器，分布的I/O点不是很多，则我们使用的PLC是欧姆龙cp1系列的加两个40个信号点的拓展模块。
欧姆龙PLC中cp1系列的有两种型号，两种型号都属于小型的PLC，分别为：
CP1L、CP1H。
其中CP1L和CP1H都属于整体式的结构，两种的功能是差不多的，但是在程序容量、模拟量装换、处理速度、高速计数与脉冲输出等具体指标上个比CP1H稍微差一点，所以两种系列的CP1L适合于低端需求.CP1H适合高端要求的小型机。
本设计中由于有两个电缸机械手运动，加上几个气缸的反复运动。
参照上面两款cp系列的型号和功能，以及综合上面的一些关于plc的简述，所以我们选择了CP1H型号高功能PLC以及其拓展模块。
如图3-6为PLC局部图，图3-7为PLC实物接线图。
图3-6PLC局部图图3-7PLC实物接线图
PLC的I/O分配图，如下表3-2所示：
表3-2PLCI/O分配表
地址/值
使用
注释
地址/值
使用
注释
0.02
输入
入料启动
100.04
输出
皮带1ON
0.03
输入
复位
100.05
输出
皮带2ON
0.04
输入
治具到位接近
100.06
输出
入料缸前进
0.05
输入
电池感应光钎
100.07
输出
入料缸后退
0.06
输入
电池入料缸前位
101.01
输出
等间距平移缸前进
0.07
输入
电池入料缸后位
101.02
输出
等间距平移缸后退
0.08
输入
治具拉入到位缸
101.03
输出
治具排出缸前进
0.09
输入
对角顶紧缸前位
101.04
输出
焊接移栽升降缸
0.10
输入
对角顶紧缸后位
101.05
输出
对角顶紧缸
0.11
输入
等间距升降缸上位
101.06
输出
等间距升降缸
1.00
输入
等间距升降缸下位
101.07
输出
治具排出缸后退
1.03
输入
焊接光电1
103.01
输出
排出升降缸
1.04
输入
焊接光电2
103.02
输出
排出真空
1.09
输入
等间距平移缸前位
1.10
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