基于PLC的双工位自动焊接系统设计嵌入式毕业设计论文

基于PLC双工位自动焊机系统设计摘要汽车后桥是汽车传动系的重要部件，其轴端法兰的焊接质量关系到汽车行车安全及整车性能。

文中在对汽车后桥法兰的焊接加工工艺分析的基础上，结合现代焊接机床的功能特点，设计出了双工位数控焊接机床，加工环境要求在一定压力的CO2保护下进行，主要应用于汽车后桥两端法兰的焊接，也可用于其他两端对称圆弧面焊缝的焊接。

该机床采用双工位布置，生产节拍高；变位机结构紧凑；气体增压系统使用方便、维护简单；采用伺服控制反馈系统，其控制精确高，焊接稳定和焊接质量好；系统设计时应用PLC数字化控制，从而降低了对工人操作技术的要求，改善了工人劳动强度及在有害气体作用下的工作环境。

文中重点分析了国内外焊接自动化的发展现状及趋势，汽车后桥的焊接加工工艺，详细介绍双工位数控焊接机床方案的制定、工作原理、机床结构设计、控制系统的研究设计、程序的编写及机床的安装与调试。

该机床同时完成双工位的焊接加工，且加工零件类型多样，满足汽车后桥焊接生产工艺要求，大大提高了生产效率和焊缝质量。

关键词：汽车后桥；双工位焊接机床；气压传动；控制系统；机床安装与调试第1章绪论1.1课题研究背景焊接是制造业中一种重要的传统加工工艺，利用其工艺，通过加压或加热将两个部分在一起，使得它可以实现原子结合一个整体，与其它连接技术相比，具有节约材料，减少结构重量和关节性能好等特点，并在工业生产中起到非常重要的作用，被机械制造、能源、交通、建筑和航空航天等领域广泛应用。

随着科学技术的飞速发展，传统的手工焊接技术已经不能满足现代高科技产品所要求的制造质量及数量，促使现代焊接工艺正在向着的机械化、自动化的方向不断发展。

随着自动控制技术、计算机技术及信息技术的迅猛发展，都为工业自动化的进步打下了坚实的基础，并彻底改变了传统工艺的面貌。

自动化焊接技术已经成为一个广阔的发展方向，它不但可以极大地提高生产效率，而且还可以保证焊接质量及改善作业环境。

自动化焊接技术已成为工程应用中不可阻挡的技术发展。

1.1.1焊接自动化的国内外发展现状在20世纪80年代，随着科学与技术，计算机技术，信息技术和自动控制技术的迅速发展，各种自动化设备已经开始被现代工业生产逐步应用，如工业机器人如雨后春笋般被应用到工业产业化的生产制造中，并在发达国家的工业生产中普及应用。

在1997年初，在全球各类工业机器人的应用已高达近70万。

其中，焊接机机器人的数量约占53％。

在近十年的时间，在工业发达国家，如美国，英国，日本和德国，焊接设备更是迅速发展。

相比之下，在焊接及其设备制造领域，我国起步较晚，早在20世纪50年代，随着我国重工业的发展需要，才逐渐加强关注焊接领域，起初我国的焊接设备主要源于前苏联。

在20世纪50年代，随着经济的发展，我国对焊接设备的迫切需求，先后出现一定数量的焊接设备生产厂商。

在国内焊接发展的初期，焊接接设备更多的是性能结构简的焊接操作机、位移机，焊接滑轮架以及一些相应的翻转机械等，其中大部分都是手工操作，少数有半自动化操作，自动化含量较低。

在进入20世纪80年代，随着大量引进成套的焊接设备，我国的焊接设备具有较为明显的提高。

但与国外先进国家相比，我国在自动焊接领域还相差大一段距离。

据统计，到2000年左右，我国的焊接机器人应用总数才在1000套左右。

1.1. 2焊接接自动化的发展趋势自动化焊接设备制造技术含量高，通常包括焊接、自动控制、精密机械设计等多种技术，随着工业自动化、智能化、数字化技术的发展以及焊接自动化的广泛应用，焊接设备正在向着自动化、智能化、数字化的焊接车间发展，为中国制造业实现工业转型升级和新型产业的发展。

自动化焊接设备的技术水平体现国家科技水平的程度，直接决定着国家核心装备的技术水平。

我国自动化焊接设备的技术发展具有以下趋势：1、精密、高效化自动化焊接设备正朝着高精度，高品质，高效率，高可靠性方向发展。

该系统所需的控制器和软件具有高速信息处理，系统中的所有运动部件和驱动设备具有精确的控制及长期、稳定、可靠工作的快速响应特性。

2、模块化自动化焊接设备的集成技术，包括硬件系统集成，功能集成和控制集成技术的结构。

无论是焊接设备的结构还是控制功能模块都采用模块化设计，可根据不同用户的需求，直接组装就可以，快捷地提供不同的控制软件模块，使得系统功能扩展非常方便。

3、智能化自动化焊接设备包含视觉、传感器、激光检测、图像处理、智能控制及计算机应用等多门技术，使其可以在各种复杂的环境下，根据实际情况自动调节优化辉轨迹和工艺参数，实现高品质、高效率的焊接智能控制。

4、柔性化根据现代化的生产需求，要求用一台设备可以满足各种规格工件的加工，即使是不同种类的工件也可以自动加工处理，所以在焊接设备的设计中要考虑其柔性化，尽可能满足柔性制造，充分发挥设备的效率。

5、网络化由于智能界面、远程通讯等现代网络技术的发展，促进了自动化焊接设备管控一体化技术的发展。

通过网络整合实现生产过程自动化控制，利用计算机技术、远程通信技术等技术实现数字一体化管理焊接过程中的各类信息数据，从而实现实现远程监控、诊断、保养及脱机编程。

6、人性化自动化焊接设备广泛应用了人机交互界面操作，设备具有实时显示控制参数及人机交互等功能，使设备操作更容易，更方便。

[1]1.2 PLC 在焊接自动化中的应用可编程逻辑控制器（PLC）是以微处理器为核心，结合自动控制理论、计算机和通信等技术发展，并适用于工业机械自动化控制所研制的设备，它具有自动排序、逻辑运算、定时、计数等功能，通过模拟或数字量的输入/输出模块来完成不同类型的机械关节的动作控制。

此前，PLC只具有一个逻辑顺序控制功能，但随着不断深入研究，用户水平的需求不断提高，PLC则作为信号传输的中介，即接收各种类型的数字或模拟信号，输出的模拟信号用于PID控制器使用。

[2]目前，由于PLC的抗干扰能力强、实时性好，则被广泛应用于自动焊接设备的控制系统中，为满足复杂的焊接技术、人机信息交流及较好的控制机械关节的运动，特将PLC作为下位机，工业PC作为上位机，且适用于不同环境的基于PLC的自动化焊接系统。

1.2.1 PLC 工作基本原理PLC采用的是可以在其内部存储执行指令的编程存储器，例如定时计数、算术、逻辑、顺序等，并通过数字量（或模拟量）输入和输出，从而实现各种机械部件及加工过程的运动控制[8]。

PLC将信号的采集和信号的运算结果分别存储到输入输出映像区对应位上。

一个循环运行需要经过内部处理、通信服务、输入、处理、输出五个阶段。

在内部处理阶段，PLC检查监测CPU内部硬件及定时器是否正常；在通讯服务阶段，PLC扫描外部设备各接口的功能命令，刷新输入命令；在输入处理阶段，PLC序列读取数据信息并将其存储到输入映像区;在程序处理阶段，PLC在按照梯形图程序的原则逐步进行扫描、逻辑运算及算术运算来执行程序;在输出处理阶段，CPU将输出图像区域中的每个状态传送到输出锁存器。

具体流程如图1.1[9]。

图 1. 1 用户程序循环扫描原理1.2.2 PLC在焊接自动化中的应用由于可编辑器PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、设计周期短、维护方便等优点，因此被广泛得到应用。

而且把PLC作为控制单元，系统链接结构简单，节省大量触点控制环节，故障率极大降低；设置及修改软件编程非常方便，控制精度高，满足焊接需要[10][11]。

无论哪一种电气控制系统都是威力满足控制要求控对象，以提高生产效率和产品质量，因此在PLC控制系统应遵循以下原则设计：1.极大限度满足受控对象的控制要求;2.在满足控制要求的前提下，尽可能使控制系统结构简单、经济且维护方便;3.确保控制系统安全可靠;4.考虑生产工艺的改进，PLC的 I/O 点数应留有备用端子[2]。

PLC作为自动化焊接的核心技术，不但提高了焊接控制系统的可靠性，此外，还使整条生产线分布合理化，操作规范化，可靠性好。

在本文中，所研究的基于PLC的双工位自动焊接系统采用PLC作为系统的控制核心，对汽车后桥法兰两端面进行加工。

[12]1.3 课题的来源及研究意义本课题来源：哈额尔滨大学与公司合作项目。

研究意义：汽车后桥轴端法兰是汽车传动系的重要部件之一，其焊接质量直接关系到汽车的安全性及整体性能。

早在上世纪50年代汽车后桥制造业的自动化生产线是福特汽车的生产流水线，其主要经历了手工和半自动生产线等发展阶段[13]。

前期阶段是以手动焊接为主，由于人为因素使得焊缝存在较多的缺陷，如焊缝不均匀、咬边、气孔等现象，从而导致其不能承受较大载荷，焊件容易断裂等现象，这在生产汽车的车轴和汽车使用都存在极大的隐患。

车桥的自动焊接生产线已经了较长时间的发展，整体水平也有了相当大的提高，但仍需要进一步加强和提高其自动化水平。

随着计算机科学技术和工业自动化技术的结合和现代人们快节奏的生活，致使人们对汽车的质量要求不断提升，焊接机器人被越来越多的应用到汽车车桥的生产当中，进而将功能强大，可靠性好的PLC作为实现控制功能的控制器，该控制器还适用于各种工业加工环境和布线简单的控制功能，灵活的编程方便等特点，因此在各类生产线控制系统中已被广泛使用。

因此基于PLC的双工位自动焊接系统的设计和研究，在汽车后桥生产及焊接线上具有十分重要的意义。

本文研究的基于PLC的双工位自动焊接系统需要在具有一定压力的CO2保护下进行焊接，其具有生产节拍高、实时性好、控制精度高、焊接稳定质量高以及安全等特点。

这使汽车后桥生产及焊接技术离现代化控制更近一步。

1.4 课题研究内容本文研究的装置主要是针对汽车后桥的法兰进行研究设计，其主要研究一下几个内容：1.首先对了解双工位数控焊接机床工作原理，并根据所加工零件的额机械结构特点及工艺需求进行分析，来确定焊接机床的结构及控制方案。

2. 双工位数控焊接机床结构设计．该部分详细叙述了焊接机床床身设计依据，焊机运动机械结构的实现，气压传动系统中的元器件设计、计算及选择，电气控制柜结构尺寸设计原则等。

3. 通过对焊接机床的电路控制系统，伺服驱动系统，主轴工作原理、旋转速度调节等参数的分析，从而确定基于PLC双工位自动焊接系统的硬件设计及软件设计方案。

4.自动焊接系统的搭建与调试．并分设备安装时应注意的细节，以及调试当中出现的问题，并对焊接器件进行分析和鉴定。

第二章双工位数控焊接机床工作原理及设计方案2.1 汽车后桥机械结构特点按结构类型将汽车后桥一般分为可分式、整体式和组合式三种结构。

本课题所研究的焊机装置所要焊接的是模拟汽车公司生产的公交车整体式桥壳法兰。

其后轴桥壳结构如在图2.1、2.2所示，其特征在于整个后轴桥壳制成空心管状结构，使得强度和刚性比较好。

主减速器和桥壳成两个部分，主减速器包括壳和外壳。