機(jī)械工程學(xué)報(bào)征稿四工位點(diǎn)焊機(jī)控制系統(tǒng)

　　本篇文章是由《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》發(fā)表的一篇機(jī)械論文，(半月刊)創(chuàng)刊于1953年，是由中國機(jī)械工程學(xué)會主辦、機(jī)械工業(yè)信息研究院承辦的機(jī)械工程類高學(xué)術(shù)水平期刊。本刊是中國機(jī)械工程領(lǐng)域的頂級學(xué)術(shù)刊物，主要報(bào)道機(jī)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(xiàn)速報(bào)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(jì)源期刊》(中國科技核心期刊)、《中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數(shù)據(jù)庫》以及《中國機(jī)械工程文摘》收錄。

　　摘要：點(diǎn)焊機(jī)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)自動化等特點(diǎn)。如今，傳統(tǒng)的點(diǎn)焊機(jī)控制方式已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需求，本文對四工位點(diǎn)焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了保證四工位點(diǎn)焊機(jī)高效節(jié)能又能安全可靠的運(yùn)作，可采用可編程控制器PLC來實(shí)現(xiàn)對四工位點(diǎn)焊機(jī)系統(tǒng)的控制，來完成四工位點(diǎn)焊機(jī)在高地項(xiàng)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(diǎn)焊機(jī)、PLC控制 、控制系統(tǒng)、自動化

　　1 文獻(xiàn)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(jī)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(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場開始，經(jīng)過加工、運(yùn)送、裝配、檢驗(yàn)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(qiáng)度，甚至于危及生命。自從點(diǎn)焊機(jī)問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解[2]。點(diǎn)焊機(jī)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(jì)是為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)的手動和自動化的轉(zhuǎn)化，改變以往點(diǎn)焊機(jī)的單純手動送料，減少了勞動力，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)!而且四工位點(diǎn)焊機(jī)的設(shè)計(jì)是由于工作環(huán)境惡劣，不允許人員長時(shí)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(qiáng)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(jī)床(多為專用機(jī)床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動運(yùn)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(yùn)距長，還可在輸送過程中同時(shí)完成若干工藝操作，所以應(yīng)用十分廣泛。在當(dāng)今世界自動化生產(chǎn)流水線相對比較普遍，當(dāng)然還有少部分落后國家還在運(yùn)用人力的流水線生產(chǎn)物料。運(yùn)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(biāo)也是現(xiàn)在普遍的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。點(diǎn)焊機(jī)一般由控制器來控制時(shí)間、電流等參數(shù)，運(yùn)用點(diǎn)焊機(jī)并開發(fā)出更多工位的點(diǎn)焊機(jī)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(diǎn)焊機(jī)。與此同時(shí)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(xiǎn)的，對人體傷害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作長時(shí)間的工作，點(diǎn)焊機(jī)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(dāng)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(jī)器作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)等重復(fù)性并且勞動強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。

　　點(diǎn)焊機(jī)是按照給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動移動、焊接的操作的自動機(jī)械裝置[6]。實(shí)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(diǎn)焊機(jī)利用PLC的控制進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

　　點(diǎn)焊機(jī)的工作原理是利用正負(fù)兩極在瞬間短路時(shí)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(dá)到使它們結(jié)合的目的[7]。點(diǎn)焊機(jī)是由焊頭、點(diǎn)焊槍等組成。點(diǎn)焊槍是四工位點(diǎn)焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心。利用電磁閥控制點(diǎn)焊槍的伸縮及溫度。

　　3 研究內(nèi)容

　　3.1四工位點(diǎn)焊機(jī)的基本工作原理

　　點(diǎn)焊機(jī)系采用雙面雙點(diǎn)過流焊接的原理，工作時(shí)兩個(gè)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(shí)在兩接觸電阻點(diǎn)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(diǎn)焊機(jī)的四個(gè)工作臺不動，由一個(gè)點(diǎn)焊機(jī)控制。由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制X軸Y軸的運(yùn)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(xiàng)目中柔性自動化生產(chǎn)流水線的物料裝配，所設(shè)計(jì)的是四工位點(diǎn)焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)。利用PLC來控制，用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動點(diǎn)焊機(jī)，來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)的運(yùn)行。

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

　　3.3點(diǎn)焊機(jī)PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

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

　　點(diǎn)焊機(jī)啟動—停止按鈕負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的停止和啟動。傳感器主要負(fù)責(zé)檢測點(diǎn)焊機(jī)的位置。對于主要的輸出設(shè)備有以下幾方面：主要是點(diǎn)焊槍PLC控制點(diǎn)焊槍的位置及開關(guān)狀態(tài)。對于點(diǎn)焊槍的位置控制由兩臺步進(jìn)電機(jī)來控制。由于步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)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(diǎn)焊槍工作。點(diǎn)焊機(jī)信號控制系統(tǒng)框圖如圖1所示：

　　圖1 點(diǎn)焊機(jī)信號控制系統(tǒng)框圖

　　3.4點(diǎn)焊機(jī)PLC控制系統(tǒng)的工作流程

　　根據(jù)點(diǎn)焊機(jī)的控制要求，四工位點(diǎn)焊機(jī)的工作流程圖如圖2所示：

　　圖2 點(diǎn)焊機(jī)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(diǎn)焊機(jī)的工作方式有三種，四個(gè)工位以圓周均勻分布，用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制工作。以順時(shí)針方向進(jìn)行編號，每個(gè)工位點(diǎn)焊時(shí)間2、3、6秒不等。

　　第一種工作方式是點(diǎn)焊槍開始運(yùn)行，x軸反轉(zhuǎn)y軸正轉(zhuǎn)同時(shí)運(yùn)行一個(gè)單位時(shí)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(yùn)行2個(gè)單位時(shí)間到達(dá)工位二工作6秒后;x軸停止不動，y軸反轉(zhuǎn)2個(gè)單位時(shí)間到達(dá)工位三工作2秒鐘后;y軸停止不動，x軸反轉(zhuǎn)2個(gè)單位時(shí)間到達(dá)工位四工作3秒后x軸y軸都是正轉(zhuǎn)1個(gè)單位時(shí)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(jì)

　　四工位點(diǎn)焊機(jī)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(shí)時(shí)反映點(diǎn)焊機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)。輸出信號主要由各種電磁氣閥、步進(jìn)電機(jī)、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(diǎn)焊機(jī)中的作用。

　　3.5.1 傳感器在點(diǎn)焊機(jī)中的作用

　　隨著機(jī)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(jī)遇。在機(jī)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(zhǔn)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(jī)床的運(yùn)行中，傳感器也起到重要的作用，傳感器在機(jī)械制造中是不 可或缺的物件。在機(jī)械制造中，傳感器技術(shù)是實(shí)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(diǎn)，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、 壓強(qiáng)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(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱以及自動報(bào)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(jià)比最高的一類傳感器。