点焊机自动控制系统的设计与实现(2012届本科毕业论文小论文)

点焊机自动控制系统的设计与实现

学生：胡仁俊

指导教师：施保华

（三峡大学电气与新能源学院）

摘要：在现代工业领域中，生产过程的自动化已经得到广泛的应用。随着现代工业的自动化控制进一步发展,自动化控制系统已经成为现代工业企业中的重要部分,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。在工业焊接的过程中，人工焊接存在着焊接不均匀，效率不高等诸多问题，点焊机自动控制系统就在这样的背景下诞生了。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。本课题应用新器件、新技术以及新的控制理论进行该产品开发设计，极大地提高固定点焊机焊接自动化水平，提高产品质量和加工效率。通过PLC和触摸屏来实现点焊机自动控制系统，其方便的人机界面,可靠的控制性能,将在工业生产中取得良好的效果。

关键词：点焊机，PLC,触摸屏，自动控制系统

Abstract：In the field of modern industry, the production process automation has been widely used. With the further development of the modern industrial automation control, automation control system has become an important part of the modern industrial enterprise, unmanned workshop, unmanned production lines and so on, has been everywhere. In the process of industrial welding, manual welding has many problems，such as the existence of uneven welding and inefficient, Spot welding automatic control system was born in this context. As an important industrial appliances, mash welder occupied an important position in today's industrial production. This project uses the new devices, new technology and new control theories for the product development and design，which greatly improve the fixed welding automation level, improve product quality and machining efficiency. Through the PLC and touch screen to achieve spot welding machine automatic control system, its convenient interface, reliable control performance, will achieved good results in the industrial production.

Keywords：mash welder, PLC, touch screen，Automatic control system

前言

随着科技的进步和发展，工业生产的方式正在发生巨大的变化，从传统的手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，本项目自主设计研发的焊接集散控制系统能使焊接部分与非焊接部分硬度均匀一致，提高了产品质量，从而提高产品的经济效益，也使得企业的技术和管理自动化水平提高。该产品突破传统锯片基体制造方法,采用2张相同金属基体中间夹一层阻尼材料(三明治复合锯片基体) ,有效地解决了环保消音降噪问题。自主设计研发基于人机界面的PLC控制焊接自动化系统可以将其三合一,而且能使焊接部分与非焊接部分硬度均匀一致,解决了焊后变形大的问题。而使用手工焊接方法工作量较大，而且难于保证焊接质量。现设计焊接自动化工作台，提高产品加工质量。

在当今社会的大规模生产过程中，人力的局限性无法跟上工业自动化时代的工作效率，所以企业为了提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，自动化生产线也逐渐被企业所认同并采用。点焊机自动控制系统是按照给定程序、轨迹和要求实现自动移动、焊接的操作的自动控制装置。实现了自动化的工作并减少了很多不必要的人工劳动，极大的提高了生产的效率。

点焊机的工作原理是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料，来达到使它们结合的目的。现设计焊接自动化工作台，提高产品加工质量和加工效率。自动化工作台主要完成旋转、进退和抬升动作。自动化焊接过程满足焊接工艺(隔点焊接，内外圈焊点错位和工件压紧防变形)要求。项目研发的系统将从焊点分布、焊接顺序、时间、电流、温度、受力和平面度等方面保障基体质量,使焊接部分与非焊接部分硬度均匀一致，解决焊后变形问题，并提高生产效率，降低次品率，从而提高生产的经济效益，也使得整个技术和管理的自动化水平提高。

PLC作为一种可编程控制器，在工业控制领域正在发挥重要的作用，正是由于它不可替代的作用，本项目采用了PLC来进行控制，为系统的稳定性等方面作出了重要的贡献。步进电机是一种特种电机，它是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。它的旋转步数和脉冲的数目是成正比的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。在工业控制中，另一个不可或缺的就是触摸屏，通过使用触摸屏，可以使工艺流程很好的得到监控，而且可以实现远程的控制。基于此，本项目使用了PLC技术和触摸屏技术，使整个控制系统能实现方便快捷的功能，让生产的效率得到进一步的提高。

1.点焊机自动控制系统的控制要求

1.1工作台的工作过程概述

系统设置有三种工作方式:回原点工作方式、手动控制方式、自动运行方式. 选择好工作方式开后按下对应开关工作台就能在指定方式下运行。工作台在最左边时为系统原点状态,也称初始状态,把圆锯片从初始位置移动到焊接结束并返回原点的过程为点焊机的一个工作周期。

对工作台工作循环的要求:回原点工作方式:按下回原点起动按钮后,工作台执行返回原点动作,这时原点条件满足、系统处于初始状态。手动控制方式:要求对工作台的左行、右行、旋转等各动作执行手动操作。连续运行方式:按下按钮后,要求自动完成一个工作周期或者连续工作。

设计中还应该具有远程控制和监视功能。

根据以上要求,采用可编程序控制器和触摸屏进行控制。设计中所有控制开关在触摸屏内模拟,简化控制电路,同时节约PLC 输入点。由PLC 实现工作台自动运行控制和工作状态的切换,并把采集到的各工作状态数据信息送到触摸屏显示,操作时可以通过触摸屏对工作台的运行进行设定和选择。

图1.1 工作台示意图及工作流程图

1.2技术要求

全自动工作台的旋转和进退运动采用步进电动机及驱动器控制，保证较高的定位精度。控制中心采用可编程控制器（PLC）和触摸式液晶显示屏，可实现平面复杂焊点的全自动焊接，在提高效率的同时，提高了产品质量，从而提高产品的经济效益，也使得企业的技术和管理自动化水平提高。触摸式液晶显示屏接受加工工艺信息，如工件直径、内孔，焊点数等等也可事先存储多个加工信息，供加工时选用。

（1）输入电压：AC200～240V（带保护地三芯插座）或DC24V。

（2）消耗功率：<250W

（3）外型尺寸： 250㎝×180㎝×100CM

1.3设计要求

点焊机自动控制系统需要工作台自动进行直线运动和旋转运动，以此来使焊点到达所需位置，其工作台的运动主要为以下三个：

（1）工作台水平直线运动。

（2）工作台旋转动作。

（3）工作台升降运动

工作台采用两相混合式步进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进驱动器进而带动步进电动机运转，实现工作台的进给和定位。

图1.2 工作方框图

2.系统的硬件设计

2.1设计方案

PLC是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置，抗干扰性强，可靠性高。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。其特点如下：高可靠性；丰富的I/O接口模块；采用模块化结构；编程简单易学；安装简单，维修方便。PLC有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。易于实现机电一体化。PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。而且PLC内部的电源是DC24V，因此，传感器等用外部电源驱动时，该外部电源必须为DC24V，这样外部元件可以不经过电源的处理就可以直接与PLC连接，省去了中间电路的转换。

从满足点焊机自动控制系统的安全性、扩展性和可靠性、稳定性等方面考虑，结合点焊机自动控制系统的需要，选择西门子公司的S7-200系列可编程序控制器。S7-200系列PLC是西门子公司生产的具有高性价比的小型可编程控制器，由于它具有控制能力强、体积小、抗干扰能力强等优点而得到广泛的应用。

2.2 PLC机型的选择

在PLC选型时，基本原则是满足系统的功能需要，同时要兼顾维修、设备的通用性。控制根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，使用了13个不同的按钮。要用到的输入数量预计有13个；使用了2个步进电机，2个电磁换向阀，输出数量约有5个，在选择机型时还要考虑以后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，所以预留10%~20%的数量，可以选定西门子CPU224的PLC。

西门子S7-200系列小型PLC具有性价比高，功能完善，指令丰富等优点，能满足对本对象各项控制性能要求，因此，本文系统采用西门子S7-200系列的PLC作为基本模块。

2.3 触摸屏的选型

按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分为4种，它们分别为电阻式、

电容感应式、红外线式以及表面声波式。每一类触摸屏都有各自的优缺点，看在哪种环境下使用，在工业环境中我们选择电阻式触摸屏。

电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面盖有一层外表面经硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也有一层涂层，在它们之间有许多细小的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。

当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X 和Y两个方向上产生信号，然后将这两个信号送至触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（X和Y）的位置，在根据模拟鼠标的方式运作，这就是电阻触摸屏的最基本的原理。这种触摸屏是对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，它可以用任何物体来触摸，也可以用来写字画画，比较适合工业控制领域及办公室内有限的使用。

选用西门子触摸屏TP170A，6英寸液晶显示，液晶显示，蓝色STN--基于Windows CE 操作系统，为SIMATIC S7系列而设计，具有处理简单程序的能力。

产品简介：液晶显示，蓝色STN LCD，CCFL背光，提供320*240像素。坚固的塑料外壳，加膜前面板。防护等级：前面板IP65，后面板IP20。采用66MHz，32位的RISC CPU。使用SIMATIC WinCC flexible组态。前面板尺寸：212*156mm（宽*高）。开孔尺寸：198*142*45mm（宽*高*深）。

图2.1 西门子触摸屏TP170A

2.4 步进电机及驱动器

2.4.1步进电机的选型

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。步进电动机具有快速起停、确步进以及能直接接收数字量等特点。

选用常州伟通机电制造有限公司的85STH系列的85STH80-5504A混合式步进电机具体参数如下：

步距角精度--------------------1.8°

温升-------------------------80℃ Max.

环境温度---------------------20℃~+50℃

绝缘电阻---------------------100MΩ Min.50V DC

绝缘强度---------------------1000V 50Hz 1mA 1Minute

绝缘等级---------------------B

两相混合式步进电机的外观和接线原理图如下图所示：

B+B-

红 RED

绿 GRE

黄 YEL蓝 BLU

M

图2.2步进电机外观图2.3 两相混合式步进电机接线原理图

2.4.2步进驱动器的选型

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移, 或者说:：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。

本课题选用常州伟通机电制造有限公司的2M2046混合式步进电机驱动器，该驱动器有以下特点：

1．采用脉宽调制控制原理，在控制方式上增加了全数字式电流环控制，两相正弦电流驱动输出，使两相混合式电机低速无爬行，无共振区，噪音小，温声低。

2．具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。

3．具有细分、半流和掉电相位记忆功能。

4．具有多种细分，电流选择设定灵活等优点，设置不同相电流可配置各种电机。

5.广泛应用为雕刻机，中型数控机床，包装机械等分辨率较高的数控设备上。

其适配电机有其生产的57、85、86、90系列两相混合式步进电机

电气参数如下表：

表2.1 两相混合式步进电机驱动器电气参数

注：数据来源常州伟通机电制造有限公司两相混合式步进电机驱动器说明书

驱动器外观如下图：

图2.4 2M2046混合式步进电机驱动器外观控制信号如下图：

图2.5 步进电机驱动器控制信号图

驱动器接口说明：

图2.6 驱动器接口说明

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