1、第三章 控制系统103.1 伺服控制系统103.1.1 伺服控制系统的概述103.1.2 伺服控制系统的机构组成103.1.3 伺服控制系统的技术要求113.2 PLC控制系统113.2.1 PLC控制系统的概述及其特点113.2.2 PLC的基本结构及其分类133.2.3 PLC的型号选择203.2.4 PLC的性能指标与发展趋势243.2.5 国内外PLC产品简介26第四章 硬件电路的设计284.1 PLC的选取284.2 元器件的选择334.2.1 断路器的选择334.2.2 继电器的选择344.2.3 交流接触器的选取354.3 PLC的主控柜接线图37第五章 软件设计385.1 I/
2、O的分配385.2 触摸屏的设计405.2.1 HMI的概述405.2.2 触摸屏画面的设计425.3 伺服控制475.4 梯形图495.4.1 程序梯形图 见附录53第六章 系统安装与调试546.1引言546.2 焊接机器人的系统安装于调试546.2.1 焊接机器人的系统安装546.2.2 焊接机器人的调试546.3 机器人焊接实验556.3.1 焊接机器人的焊接实验556.3.2 焊接机器人实验及其结果分析586.4 小结59第七章 总结60参考文献61致 谢62第一章绪论1.1 引言焊接时一种将材料永久连接起来，成为具有给定功能的结构的制造技术。焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、
3、丰富的实践经验、稳定的焊接水平； 另一方面，焊接又是一种劳动条件差、辐射大、烟尘多、危险性高的一份工作。随着科学技术的不断发展，工业生产的技术含量、科技含量越来越高，规模也越来越大，由于这个原因产生的企业批量化生产促使工人分工越来越细，每个工人只要重复几个动作，而这种动作往往是机械的、可重复的完全可以通过一定的机械结构来完成的。还有因为手工操作受工人技术水平、责任心、以及其他很多因素的影响，很难做到前后一致，规范性差，废品率比较高。而且，很多的工艺要求是手工操作无法完成的。因此，手工操作已经无法满足工业生产的需要。焊接机器人就是在这种情况下出现的，它既能够完成手工无法完成的操作，也能保证前后的
4、焊接质量的稳定；它能够在恶劣的环境的工作，生产效率高。它不会受外界因素的干扰而影响焊接质量，所以焊接机器人的出现是必然的。焊接机器人是从事焊接的工业机器人，是机电一体化的高科技成果，它具有稳定和提高焊接质量、提高劳动生产率、改善工人工作环境、降低工人劳动强度和对工人操作技术的要求、缩短产品准备周期等特点；它的发展对制造技术的提高起到了很大的推动作用。1.2 焊接机器人的国内外研究现状从20世纪70年代初焊接机器人出现到现在，机器人使用最多的是在焊接领域，主要部门除汽车行业外，在工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等许多行业中都有应用。1976年，一个通用的双向力反馈主从机器人被用于进行TIG
5、焊接， 结果表明可以用一个安装在焊枪上的导引头进行焊缝的接触跟踪。1984年，MIT的A gapakis开始进行焊接遥操作的研究，并完成了“视觉辅助的遥控机器人焊接”的博士论文。他认为开发视觉传感和计算机辅助编程的工程是至关重要的，可以辅助操作者的遥操作和帮助实现自主过程，而不应当是简单地模仿人的焊接操作行为， 基于知识的专家系统可以用来焊接和检测焊缝的缺陷。英国通用机器人公司的Broome等人从1993年开始研究水下遥控机器人用于焊缝检测，1999年研制成功了ARM水下机器人系统。该机器人系统用于清理和监视水下结构的复杂焊缝，发现问题还可以进行焊接修复操作。它将具有六自由度的机械手和可遥控调
6、整姿态的摄像机装在ROV上，摄像机可以变焦，监视整个工作空问。该机器人遥控焊接系统设计了直接手动控制、增强手动控制、半自主控制及全自主控制四种工作模式，成功地进行了水下焊缝检测、焊接及打磨工作。韩国Pukyong国立大学的KamBO等研制了一种体积小巧，重量轻的用于这种复杂焊接环境的轮式智能移动焊接机器人。它能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程，能够自动寻找焊缝的起始点。日本庆应大学学者Suga等为平面薄板焊接研制的自主性移动焊接机器人。它采用三轮移动机构，两个驱动轮在小车本体的侧面，车体前面是一个自位轮，起稳定作用，机器人能够直线fi进，还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯，它装
7、焊枪的臂可以伸缩，在臂的末端装有一个CCD摄像视觉传感器，通过这个CCD可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状，不管是直线焊缝、曲线焊缝、还是折线焊缝，都能通过控制器对传感的信号进行处理，以实现对焊缝的精确跟踪。国内，焊接机器人从20世纪80年代“七五科技攻关开始起步，焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1984起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红
8、旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。焊接自动化是现代焊接工程中极为重要的研究和应用领域，它遍及着社会生活和生产的各个角落。1.3 选题背景和意义在科技日益发达的今天，机器人已经逐渐进入人类的生产生活中，以前只能在电影里面看到的机器人，那些可以举起万斤重物机器人，可以飞檐走壁的机器人，在我们的这个时代已经不是梦想，在深海里有机器人代替人类考察，在工厂里有机器人代替我们做更细致更繁重的工作和在严酷条件下（高温，腐蚀和有害气体）的工作，甚至在月球上考察也用到了机器人。在工业生产中机器人更有我们人类难以取代的位置。它可以在严酷的环境下代替我们工作，它不会觉得累，也不会发牢骚。在焊接方面机器
9、人做的更出色。对于线条，点面的焊接精确度是相当的高，焊接机器人的品质直接就决定了生产制造出的产品的质量，当然我们的地位也无法撼动，没有我们工程师的示教，参数的设定，焊接轨迹的调整，就不会有品质优良的产品，所以制造一个精度高，机构精巧的焊接机器人是必不可少的。机器人在现代化生产生活中具有广泛的应用，尤其是工业机器人。它是一种多用途的机器人。在恶劣的环境中机器人可以取代我们完成大部分的工作，所以它在高低温、缺氧等环境中应用较多。焊接机器人的应用在半自动化生产中比较广泛，如汽车零部件的焊接加工、汽车外壳、底盘的生产、重要且要求精度很高的人类无法完成的需要焊接的零部件的加工等。作为机器人的核心部分：控
10、制系统；它是影响机器人性能的关键部分之一，它在一定程度上影响着机器人的发展，对于不同结构的机器人，控制系统的设计方案也不一样。我主要研究焊接机器人控制系统的设计，采用欧姆龙CJ- PLC，实现了工件的焊接质量稳定性和可靠性。1.4 课题的主要研究内容本文对焊接机器人及其控制系统、PLC的硬件电路和软件程序的设计、PLC与触摸屏的通讯、根据实际控制要求来设计触摸屏的画面和系统的安装与调试进行研究。第二章 焊接机器人2.1 焊接机器人的组成焊接机器人的组成部分主要包括机器人和焊接设备俩部分。机器人由机器人本体和控制柜组成。而焊接设备，以弧焊为例，它由焊接电源、控制柜、示教编程器、送丝机及焊枪等部分
11、组成。如图2.1所示；图2.1 焊接机器人的组成2.2 焊接机器人的分类焊接机器人按焊接方式的不同大致可分为点焊机器人、弧焊机器人和激光焊机器人：点焊机器人：它是由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几个部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常点焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻它的驱动方式有液压驱动和电气驱动俩种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照视角程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外点焊机器人专用的点焊
12、钳部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。如图2.2.1所示图2.2.1点焊机器人弧焊机器人：弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同，一般的弧焊机器人是由示教编程器、控制柜、机器人本体、自动送丝装置、焊接电源等几部分组成。可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着科学技术的发展，弧焊机器人正向着智能化的方向发展。如图2.2.2所示图2.2.2 弧焊机器人激光焊机器人：焊接设备主要
13、由激光器（固体、气体、半导体）、导光系统、控制系统、工件装夹及运动系统等主要部件和光学元件的冷却系统、光学系统的保护装置、过程与质量的监控系统、工件上下料装置及安全装置等外围设备组成；与传统焊接方法相比，激光焊接具有很多独特的优势，焊接速度快，达20m/min；焊接变形很小，装焊精度高；焊点冶金质量高，提高了车身的抗疲劳性、抗冲击性、抗腐蚀性能，车身刚度提高了30%;提高了车身的密封性，降低噪声30%;单面焊接，焊点尺寸小，预留的焊接边缘小。如图2.2.3所示图2.2.3激光焊机器人按动力源驱动方式不同分：气压驱动、液压驱动和电气驱动；气压驱动 使用压力在0410MPa。气压驱动的主要优点是气
14、源方便，驱动系统采用具有缓冲作用的汽缸， 气压驱动结构简单，成本低，易于保养；主要缺点是装置体积大，定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合，一般用于专用机器人如搬运、防爆机器人。液压驱动液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高、快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能通过流量阀在很大范围内实现无级调速；其主要缺点是需要油泵液压站，容易漏油，这不仅影响工作稳定性与定位精度， 而且污染环境，液压系统需配备压力源及复杂的管路系统，因而故障多，维修复杂，成本也较高。液压驱动多用于要求输出力较大、运动速度要求不太高的场合，一般用于专用机器人。电气驱动电气驱动是利用各种电
15、动机产生的力或转距，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。驱动电机又可分为步进电机驱动、直流电机驱动、无刷直流电机驱动和交流伺服电机驱动等多种方式。交流伺服电机驱动有着最大的转矩质量比，由于没有电刷，其可靠性很高，寿命长，维护更换容易。电气驱动由于具有易于控制，运动精度高，使用方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境的诸多优点，是最普遍、应用最多的驱动方式。目前生产的机器人大多采用交流伺服电机驱动。2.3 焊接机器人的常用控制方式焊接机器人控制系统从基本工作原理和系统结构可以分成非伺服控制系统和伺服控制系统：1） 非伺服控制系统图2.3.1所示为未采用反馈信号的开环非伺服控制系统
16、框图。系统的控制程序时在进行作业之前预先编定的，作业时程序控制器根据存储数据控制驱动单元带动操作机运动，在控制过程中没有反馈信号。图2.3.2所示为采用开关反馈的非伺服控制框图，该系统中利用机械挡块、行程开关等预定位置发出反馈信号，用以启动或停止某一运动。这种非伺服型控制系统适合于作业相对固定、作业程序简单、运动精度不高的场合。图2.3.1开环非伺服型图2.3.2带开关反馈的非伺服型2） 伺服控制系统图2.3.3为以典型工业机器人伺服控制系统框图。其特点是系统中采用检测传感器连续测量关节位置、速度等关节参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服系统。在伺服系统控制下，各关节的运动速度、停留位置由有关的
17、程序控制，而程序的编制、修改简便灵活。所以能方便的完成各种复杂的操作。其系统结构虽比非伺服控制复杂，但还是得到了广泛应用。目前绝大多数、高性能的多功能工业机器人都采用伺服控制系统。图2.3.3闭环伺服型控制系统2.4 焊接机器人的应用随着工业的不断发展，焊接技术作为机械制造业中仅次于切削加工和装配加工的第三大加工作业技术，是现代工业中的制造方法之一。据统计，一个国家钢材消耗量的百分之50左右，要通过焊接的方式才能制造成产品，因此焊接机器人被称作工业“裁缝”。焊接机器人的普及程度已经成为一个国家焊接自动化水平的重要标志。目前焊接机器人已经被广泛的应用在汽车、船舶、铁路、建筑机械、兵器等行业中，对
18、提高质量、降低成本起到了非常巨大的作用。根据联合国欧洲经济委员会（UNCEC）和国际机器人联合会（IFR）统计，从20世纪60年代起，世界机器人产业一直保持着稳定增长的良好势头，进入90年代，年销售量增长率平均在10%左右2001年全世界有80万台工业机器人被用于工业制造领域，40万台在日本、20万台在欧盟、10万台在北美、剩余的10万台在其余的国家。2004年底全世界在在服役的工业机器人有110万台左右。国外军工企业尤其是坦克装甲车焊接自动化程度较高，弧焊机器人应用也比较广泛，德国、美国、英国以及意大利等国的坦克装甲车车体和炮塔都已采用弧焊机器人进行气保护焊接。美国某坦克厂采用四个机器人焊接
19、工作站，用于焊接坦克车体和炮塔自动化焊接工作。装甲车的机器人焊接工业也采用了高效、高速焊接工业技术，焊接速度与手工焊接相比提高了十余倍。2.5 焊接机器人的发展趋势工业机器人技术的发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经得到推广，成为了主流安装机型，第三代智能机器人已经占了一定的比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：机型结构以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占全部的三分之一，90年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上下料。赢3K（炼钢、炼铁、锻
20、造） 行业和桥梁、汽车、建筑等行业的需求，超大型机器人应运而生。控制技术大多数采用32位CPU，控制轴最多可达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。协调控制技术日却成熟，实现了多手和变位机、多机器人的协调控制， 正逐步实现多智能体的协调控制。基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，已成为一股潮流。驱动技术上世纪80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号的机器人产品中，有93.4%及156种采用A C伺服驱动。DC驱动技术则广泛用于装配机器人。智能化的传感器日本于1998年生产的167种机型中，装有
21、视觉传感器的有94种，占了56.3%，其中还有的机器人装了俩种传感器，有的机器人更是留下了多种传感器外接接口，以待不时之需。高速、高精度、多能化目前所知的最快的装配机器人最大合成速度是17m/s；高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm。有一种大型的直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s；而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达1um。90年代末的机器人大多都具有三种功能。第三章 控制系统控制系统是机器人的核心部分，一部机器人控制系统的好坏决定着产品的好坏。本项目是采用基于PLC的伺服控制系统来设计的。3.1 伺服控制系统3.1.1 伺服控制系统的概述伺服控制系统是用来精确地跟随
22、或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：1. 以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。2. 在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。3. 使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。伺服控制系统按所
23、用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。3.1.2 伺服控制系统的机构组成机电一体化的伺服控制系统的结构，类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器，被控对象，执行环节，检测环节，比较环节等五部分比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现控制器控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作机电一体化系统中的执
24、行元件一般指各种电机或液压，气动伺服机构等被控对象 机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路3.1.3 伺服控制系统的技术要求系统精度伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差，稳态误差和静态误差三个方面组成稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力响应特性响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率响应速
25、度与许多因素有关，如计算机的运行速度，运动系统的阻尼和质量等工作频率工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。3.2 PLC控制系统PLC（可编程序控制器）是一种由微处理器控制的电子系统，专为工业环境下的应用而设计的。它采用可编程序存储器，用来存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其外围设备，都是按照易于与控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计的3.2.1 PLC控制系统的概述及其特点PLC是以微处理器为核心的、高度集成化的通用工业自动控制装置。它融合了计算机、自动控制以及通信等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、功耗低以及编程简单等优点，已经被广泛应用于工业生产的各个控制领域，成了工业生产自动化的支柱技术之一。可以说，PLC的应用深度和广度是衡量一个国家工业先进水平的重要标志。PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。它较好的解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。主要有以下特点。1）可靠性高、抗干扰能力强
