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1、工业机器人论文题 目： 机器人点焊系统电气部分的设计 姓 名： 学 号： 班 级： 机电一体化（对口）一班 平顶山工业职业技术学院 2011年 12 月 25 日1 绪 论31.1 点焊机器人介绍及其研究意义31.2 工业机器人发展现状及趋势32 机器人点焊系统电气控制部分的组成和原理42.1 机器人点焊系统的电气控制原理43 机器人点焊系统电气控制部分硬件设计53.1 安全保护系统53.1.1 隔离栅栏保护53.1.2 安全光栅保护63.2 PLC的选择83.2.1 西门子s7-300PLC83.2.2 SoftPLC93.2.3 PLC的选择103.3 夹具系统103.3.1 电感式接近开
2、关的工作原理103.3.2 气缸的工作原理103.3.3 阀岛的工作原理123.4 转台系统133.4.1 电磁阀的工作原理133.4.2 变频器控制电路的设计143.4.3 转台系统的电路设计153.5 焊接系统163.5.1 焊枪的工作原理163.5.2 修磨器184 机器人点焊系统电气控制部分软件设计194.1机器人点焊系统的工艺194.2 系统软件总体设计204.2.1 手动模式软件总体设计204.2.2 自动模式软件总体设计214.3 夹具系统的软件设计234.3.1 夹具系统手动模式软件设计234.3.2 夹具系统自动模式软件设计264.4 转台系统的软件设计264.4.1 转台系
3、统手动模式软件设计264.4.2 转台系统自动模式软件设计27结 论29谢 辞301 绪 论1.1 点焊机器人介绍及其研究意义点焊机器人驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。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。点焊机器人按照示教程序规定的动作、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。焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、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、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而
4、然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。应用点焊机器人容易实现生产过程的完全自动化；应用点焊机器人。1.2 工业机器人发展现状及趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面：机器人操作机结构：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，
5、实现机器人操作机构的优化设计。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。机器人控制系统：重点研究开放式，模块化控制系统。向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。2 机器人点焊系统电气控制部分的组成和原理2.1 机器人点焊系统电气控制部分的组成机器人点焊系统由机器人系统、夹具系统、转台系统和焊接系统构成，工作站采用PROFIBUS+数字I/O实现彼此通信。该系统电气结构如图2.1所示。图2.1机器人电焊系统结构图2.2 机器人点焊系统的电气控制原理系统上电，初始化机器人的状态，主要
6、包括机器人是否在原位，机器人工作是否完成；系统的水、气、光栅是否正常。系统和生产线控制器通讯，获取和机器人工作站有关的生产线的多个状态，如输送线是否处于自动状态；相关传感器的信号是否正常等。对于安全信号，则分等级处理，重要的安全信号通过和机人的硬线连接，引起机器人急停；级别较低的安全信号通过PLC给机器人发“外部停止”命令。系统的任务选择是由线控制器完成的。3 机器人点焊系统电气控制部分硬件设计3.1 安全保护系统点焊机器人的工作范围必须符合安全要求，即必须在任何情况下都不会对人员或设备构成威胁。在机器人动作范围内，必须采取隔离措施保护，这些隔离保护措施可以是隔离栅栏，光栅，光幕，空间扫描装置
7、等。本设计采用隔离栅栏和光栅的保护措施。另外，系统中设有急停回路，以便各种突发情况下将系统停止，确保人员和设备的安全。 图3.1 安全门回路3.1.1 隔离栅栏保护隔离栅栏的作用是将机器人的工作区域与外界隔离开来。设有一个安全门，机器人在自动模式下工作时速度相当快，如果有人打开安全门，试图进入机器人工作区域内，机器人会自行停止工作，以确保人员安全。按照DIN EN 294 、DIN EN349和DIN EN 811确定隔离栅栏网孔的规格。隔离栅栏高度的设计，必须使人手无法从上面伸进隔离范围。栅栏分块的大小根据栅栏的强度确定，结构设计必须避免栅栏弯曲过度。入口（安全门）只有一个，且和机器人自己的
8、保护装置以及上一级的紧急关断装置相联。本设计的安全门回路如图3.1所示。图3.2 安全光栅3.1.2 安全光栅保护为确保安全，转台在转动时不允许人员进入机器人工作区域。安全光栅位于装件区两侧，一侧是发射端，一侧是接受端。如果有人在转台工作时试图从装件区进入机器人工作区域必定要穿过安全光栅，这样接收端便接收不到发射端发射的光，从而产生转台停止信号。本设计安全光栅回路如图3.2所示。在机器人点焊系统的调试运行过程中经常会出现一些突发情况，例如工人在调试机器人过程中出现机器人动作偏离轨迹而要撞上转台夹具或焊钳电极与板件粘结等，这就需要及时排除险情。本设计中，在机器人示教器上以及主控制柜的控制面板上分
9、别设有急停按钮，便于在出现紧急情况时能将系统停止工作，以免发生安全事故。如图3.3所示，急停回路包括安全回路在设计时都采用了双回路的形式，确保急停回路的有效性。 (a) 急停回路(b) 给机器人外部急停图3.33.2 PLC的选择3.2.1 西门子s7-300PLCS7-300PLC主要有以下模块组成：l CPU模块 CPU模块不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。l 信号模块（I/O模块） 输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，分为开关量输入，输出模块（DI/DO）和模拟量输入，输出模块（AI/AO）。信号模块是联系外部现场设备
10、和CPU模块的桥梁。模块是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮，选择开关，数字拨码开关，限位开关，接近开关，光电开关等来的开关量输入信号。模拟量输入模块用来接收电位器，测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流，电压信号，或者直接接收热电阻，热电偶提供的温度信号。 开关输出模块用来控制接触器，电磁阀，电磁铁和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀，变频器等执行器。l 功能模块（FM模块）主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务，例如高速计数，位置控制和闭环控制。l 接口模块（IM模块） CPU模块所在
11、的机架称中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。l 通信处理器（CP） 通信处理器（CP）用于PLC之间，PLC与远程I/O之间，PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将S7-300接入以太网，MPI，PROFIBUS-DP和AS-i，或者用于实现点对点通信等。l 电源模块（PS模块）PLC一般使用AC200V电源或DC24V电源，电源模块（PS）用于将输入电压转换为稳定的DC24V电压，供其他模块和输出模块的负载使用4。3.2.2 SoftPLCSoftPLC控制技术亦称Softl
12、ogic和基于PC的控制技术,对于它还没有一个准确而统一的定义。西门子公司将软PLC的定义为“集控制、人机界面、数据处理、通讯等功能于一台PC的解决方案”；3S公司定义SoftPLC为“一种能将工业PC机转换为高端PLC的软件”；http：/i t-网站上称“SoftPLC是一种能使用户在无PLC硬件支持下,在普通PC上开发和运行程序的软件解决方案”。因此，SoftPLC可以说是传统PLC的软件解决方案,能够在PC机上依靠一定的软件平台，完成PLC的所有功能,并具有开放的体系结构。与传统PLC相比，SoftPLC技术具有符合现代工业控制技术的许多优点： l 具有开放的体系结构。 SoftPLC
13、具有宽范围的I/0端口和多种现场总线的接口,支持多种硬件，能解决传统PLC互不兼容的问题,并具有第三方软件接口，可支持多种语言编程(包括高级语言),可允许用户根据需求,灵活扩展系统功能。 l 遵循国际工业标准和事实上的工业标准，如IHEC6ll3l-3标准和IEC6149l标准。 l 能充分利用 PC机的资源，如大容量的内存、高速CPU及其它硬件。 l 具有更强的数据处理能力。 相对于传统PLC，软PLC的CPU处理速度更快，能够在短时间内处理大量数据，能够利用PC机的软件平台处理一些比较复杂的数据及数据类型，如浮点数和字符串等。 l 具有友好的人机界面，便于操作。 l 具有强大的网络通讯功能
14、。 软PLC既可以与企业管理信息系统相连，便于企业的整合，也可以监控工厂的设备运行，实现数据传输以及在线监控、编辑、仿真、调试等功能。 l 能够执行比较复杂的控制算法。软PLC除了能够完成传统PLC的PID调节和离散I/O控制外，还能进行过程控制和运动控制。 l 节约成本和培训费用。 由于软PLC具有开放的体系结构，用户不必拘泥于厂家限制，可以根据需求，合理选择硬件和软件，以节约成本；由于软PLC遵循许多工业标准，能节约人员培训费用5。3.2.3 PLC的选择本设计使用德国KUKA公司生产的机器人，这种机器人集成了由KW-Software公司开发的SoftPLC MULTIPR0G3.5，此软
15、件可用指令表、结构化文本以及梯形图、功能图和顺序功能图。所有语言都可混合于一个项目中。机械顺序功能图表语言( MSFC)也可以使用。由于循环运行，因此它只需较短的试运行期。扩展的诊断功能只产生极少的停顿周期。而且，在自动化模式下可以很容易操作。西门子的ET200是基于现场总线PROFIBUS-DP或PROFINET的分布式I/O。它接收的数据通过总线传输给PLC的CPU，CPU经过处理后再把信号通过ET200的输出输送出去。由于机器人点焊系统的夹具，焊枪，转台等有许多控制信号，而且现场与控制柜距离较远，因此将这些信号连接至ET200,ET200作为从站与机器人主站之间通讯，从而实现机器人Sof
16、tPLC对夹具等的控制。3.3 夹具系统本设计中共有两套夹具，分别位于转台的A/B面，用于板件的定位。在转台的每一面都有两个电感式接近开关，如果板件放置无误，则接近开关接通，夹具才可动作。用气缸作为夹具的执行机构，气缸的动作信号以及动作所需的气体都过阀岛来控制。阀岛作为机器人子站通过总线与ET200相连，从而实现SoftPLC对夹具的控制。 3.3.1 电感式接近开关的工作原理如图3.4所示，电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场，当金属板件接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属板件内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后
17、级放大电路处理并转换成开关信号，传输到PLC，作为夹具关闭的必要条件。此时，接近开关的工作指示灯会点亮。如果指示灯没有点亮，则说明板件位置没有放好，夹具则不会关闭，否则会将板件压变形6。3.3.2 气缸的工作原理如图3.5所示，该气缸为双作用气缸，其被分活塞为两个腔室：有杆腔（简称头腔或前腔）和无杆腔（简称尾腔或后腔）。有活塞杆的腔室成为有杆腔，无活塞杆的腔室称为无杆腔7。当PLC接收到夹具夹紧信号，通过总线传输到阀岛，阀岛打开相应气路，压缩空气从无杆腔端的进气口输入，并在活塞左端面上的力克服了运动摩擦力，负载等反作用力，推进活塞前进，有杆腔内的空气经该端排气口排入大气，使活塞伸出，从而带动夹
18、具夹紧。当活塞前进到位时，接近开关2感应到活塞右边的金属面而接通，向阀岛反馈夹具夹紧到位信号，阀岛收到信号后，关闭相应气路。同样，当PLC接收到夹具松开信号时，压缩空气从有杆腔输入，无杆腔气体从排气口排出，完成夹具松开动作。图3.4 电感式接近开关12图3.5 气缸工作原理3.3.3 阀岛的工作原理整个夹具系统共有2套夹具，每套4组，每组2个，总共用到16个气缸。如果每个气缸都通过分立的电磁阀来控制，势必会带来大量信号，能量的管件和连线。当这些管件和连线跟随转台转动时，因泄露，堵塞，虚接或短路而引发的故障率就会较高，同时还给设备的管理和维护带来不便。除此之外，在整个点焊机器人系统的设计过程中必
19、须要经过对所有分立元件的选型，验收，组装，调试以及整机安装等繁多费时的步骤，必须投入大量的人力和费用。这不仅是整个系统的开发，制造周期延长，而且常常因为人为因素出现设计或制造错误，从而延误设备的投用日期甚至影响到设备的功能和质量。基于此，本设计中夹具系统中所用到的汽缸都是通过Profibus DP总线型阀岛这一电气一体化的控制元件来控制的7。带现场总线的阀岛有一个总线输入口和一个总线输出口，这样当系统中有多个带现场总线阀岛或其他带现场总线设备时，可以由近至远串联连接。这种阀岛与外界的数据交换只需要通过一根两股或四股的屏蔽电缆实现。这大幅度节省了接线时间，而且由于连线的减少使设备所占的空间减小，
20、设备维护更方便。如图3.6所示为阀岛与ET200总线通讯。图3.6 阀岛与ET200总线通讯3.4 转台系统为了减小系统的工作节拍，提高系统工作的连贯性，本设计采用转台的方式将两种不同的板件连续地送到机器人工位进行焊接。3.4.1 电磁阀的工作原理转台在正转和反转到位时，需要用定位销将转台固定住，机器人才能对板件进行焊接。如果转台没有固定，机器人在工作过程中会引起转台的偏位，导致焊点不在设计的位置，造成板件的报废。本设计中转台用到两个定位销，正转到位和反转到位各一个。通过控制电磁阀的通断带动气缸的运动，从而实现定位销的上升与下降。本设计中用的电磁阀是单电控直动式电磁阀7，既利用电磁力直接推动阀
21、杆（阀芯）换向，其工作原理如图3.7所示。图(a)所示电磁线圈未通电时，P、A断开，阀没有输出。图(b)所示电磁线圈通电时，电磁铁推动阀芯向下移动，使P、A接通，阀有输出。 (a) 线圈断电时的状态(b) 线圈通电时的状态图3.7 单电控直动式电磁阀工作原理1电磁铁 2阀芯 3弹簧3.4.2 变频器控制电路的设计本设计中，转台电机是通过变频器来控制的。电机设有两种转速，即低速和高速。当系统在手动模式时，出于安全考虑，转台转动时电机始终处于低速状态；而在自动模式下，当转台电机启动之后就处于高速状态，直到减速位的接近开关感应到信号时，电机转为低速运动，当停止位接近开关感应到信号，电机则停止。在这种
22、情况下，低速运动作为转台电机由高速状态到停止状态的一个过渡过程。图3.8所示为变频器控制电路。图3.8所示为变频器控制电路3.4.3 转台系统的电路设计位于转台的两侧上设有两对电感式接近开关，分别为正转减速位，正转停止位，反转减速位和反转停止位。另外在转台两侧还设了超程保护，以便在停止位接近开关故障时，电机能停下来，防止发生碰撞。在转台上还设有制动器，用于在紧急状况下，电机能够抱闸停止。图3.9所示为转台系统的电路原理图。(a) 转台定位 (b)转台减速(c) 转台制动图3.9 转台系统的电路原理3.5 焊接系统3.5.1 焊枪的工作原理本设计中使用的焊钳为气动焊钳8，如图3.10所示。通过气
23、缸来实现焊钳的闭合与打开。该焊钳共有三种动作，既大开，小开和闭合。焊钳动作过程及相应动作功能如表3.1所示。图3.11为焊钳的控制电路。表3.1 焊钳动作过程及相应动作功能焊钳动作过程动作的功能大开小开避开障碍之后，到达焊点位置小开闭合开始打点闭合小开打点结束小开大开避开障碍，前往下一焊点位置图3.10 C型气动焊钳图3.11 焊钳控制电路3.5.2 修磨器焊钳在焊接一段时间之后电极头表面会氧化磨损，这是需要将其修磨之后才能继续使用9。本设计中为了实现生产装备的自动化，提高生产节拍，为点焊机器人配备了一台自动电极修磨器，实现电极头工作面氧化磨损后的修锉过程自动化，同时也避免了人员频繁进入生产线
24、带来的安全隐患。电极修磨机由机器人的内置SfotPLC控制，示教专门的电极修锉程序来完成电极修锉。修磨器控制电路如图3.11所示。图3.11 修磨器控制电路4 机器人点焊系统电气控制部分软件设计本设计中机器人点焊系统有两种运行模式即自动模式和手动模式，因此软件设计也分为自动模式下的软件设计和手动模式下的软件设计。当工人进行示教程序调试（包括焊点及相应轨迹的示教和修磨的示教），或进行故障处理时，选择手动状态，可以通过主控制柜上的各种按钮来对夹具，转台进行操作。当系统调试完毕，能够批量生产时，选择自动状态，让机器人点焊系统自动完成夹具的打开与夹紧，转台的转动，机器人的点焊以及修磨器修磨。在主控制柜
25、上有手动/自动转换开关，A/B面选择开关，四个夹具打开按钮，四个夹具夹紧按钮，定位销上升按钮，定位销下降按钮，转台正转按钮，转台反转按钮，急停按钮，故障复位按钮，系统启动按钮。4.1机器人点焊系统的工艺设计机器人点焊系统电气控制软件的依据是该系统的工艺。因此，确定本设计中机器人点焊系统的工艺对于本章的软件设计是至关重要的。图4.1示意了机器人点焊系统在生产现场的布局。根据这种布局，确定本设计中的系统工艺如下：假设初始时工作台A面位于工件取放区，而工作台B面位于机器人工位，而且机器人在原点。当系统上电，A面夹具打开，工人放入工件后，夹具关闭，定位销1下降，转台开始正转。当转台到位时，定位销2上升
26、，固定转台，之后机器人开始对A面板件进行焊接。与此同时，工作台B面夹具应该打开，工人取出板件，并且放入新件，之后B面夹具关闭，这些动作必须在机器人完成对A面的点焊任务之前完成。当机器人完成对A面的点焊任务，回到原点之后，发出工作完成信号，此时，定位销2下降，转台转动，转台到位后定位销1上升，机器人开始对B面板件进行焊接。如此循环下去，直到有中断打破循环10。图4.1 机器人点焊系统在生产现场的安装示意图4.2 系统软件总体设计对于一个复杂的程序，一定要有一个程序总流程图，以便反映各个程序子模块间的内在联系，表达各个子模块的功能。4.2.1 手动模式软件总体设计手动模式软件总体流程图如图4.3所
27、示。图4.3 手动模式软件总体设计流程图4.2.2 自动模式软件总体设计根据对软件任务的分析，得到自动模式软件总体流程图如图4.4所示。图4.4 自动模式软件总体流程图4.3 夹具系统的软件设计4.3.1 夹具系统手动模式软件设计若夹具现状为打开，在放入板件之后需要将夹具关闭。夹具能够关闭的必要条件是用于板件定位的两个接近开关工作指示必须点亮，这说明接近开关已经感应到板件，板件放置无误，按下夹具关闭按钮之后，夹具夹紧，绝不会造成板件变形。如果至少有一个接近开关没有工作，按夹具关闭按钮则无效。此时应该检查板件是否放置正确，或接近开关信号线是否接触良好。手动模式夹具关闭流程图如图4.5所示。若夹具
28、现状为关闭，现需要将夹具打开，取出板件。夹具能打开的必要条件是转台必须到位，定位销上升。以防转台在转动时，误操作将夹具打开，出现安全事故。手动模式夹具打开流程图如图4.6所示。图4.5 手动模式夹具关闭流程图图4.6 手动模式夹具打开流程图图4.7 自动模式夹具动作流程图4.3.2 夹具系统自动模式软件设计在自动模式下，无需手动按夹具打开、关闭按钮，只要按照工艺流程，夹具打开、关闭的条件满足了，系统自动完成相应动作。图4.7为自动模式夹具动作流程图。4.4 转台系统的软件设计4.4.1 转台系统手动模式软件设计通过机器人的教示器设定机器人初始位置也是机器人工作完成之后回到的位置为机器人原点（安
29、全点），既机器人停在这点能确保转台在转动过程中不会因撞到机器人而损坏设备。手动模式下，按转台正转按钮或转台反转按钮可以启动转台。转台只有在定位销处于下降状态才能启动，而定位销下降的前提是机器人必须在原点。如果机器人不在原点，按定位销下降按钮是无效的。转台到位后，按下定位销上升按钮，将转台定位。图4.8为手动模式转台动作流程图。4.4.2 转台系统自动模式软件设计在自动模式下，按照工艺流程，只要转台启动的条件成立了，转台自动启动。图4.9所示为自动模式下转台动作流程图 图4.8 手动模式转台动作流程图 图4.9 自动模式转台动作流程图结 论在本次毕业设计中，对机器人点焊系统电气控制部分的硬件和软
30、件进行了设计。本系统在硬件方面主要设计了以下几个模块：1) 安全保护系统；2) 夹具系统；3) 转台系统；4) 焊接系统；在软件方面主要完成以下几个程序模块：1) 夹具系统手动模式的程序设计；2) 夹具系统自动模式的程序设计；3) 转台系统手动模式的程序设计；4) 转台系统手动模式的程序设计；本论文是在对“电器与可编程控制器”课程有一定理解，对生产现场的实际情况有一定了解，参阅相关资料的基础上设计和完成的。由于整个机器人点焊系统的复杂性以及作者水平有限，论文中难免会存在一些不足之处，敬请评审老师批评指正。谢 辞经过近一个学期的学习和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个大学生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支其次还要感谢大学所有的老师，为我们打下机电一体化专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次论文设计才会顺利完成。 最后感谢我的母校平顶山工业职业技术学院一年半以来对我的大力栽培持，想要完成这个设计是难以想象的。
