毕业设计（论文）机器人点焊系统电气部分的设计.doc

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 日平顶山工业职业技术学院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s7-300PLC 83.2.2 SoftPLC 93.2.3 PLC的选择 103.3 夹具系统 103.3.1 电感式接近开关的工作原理 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，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Softlogic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 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SoftPLC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。