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點(diǎn)焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
學(xué) 生：胡仁俊
指導(dǎo)教師：施保華
（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院）
1.課題來(lái)源及行業(yè)背景
隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，觸摸屏和PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在消音金剛石圓鋸片的生產(chǎn)過(guò)程中,其基體的焊接水平是鋸片質(zhì)量保證的先決條件。而傳統(tǒng)的手工焊接方式無(wú)法滿足高精度的焊接要求。由此，研究新型自動(dòng)化裝置控制的焊接系統(tǒng)顯得尤為重要。
本課題是指導(dǎo)老師在大規(guī)模生產(chǎn)的具體要求下，要求工作臺(tái)按要求進(jìn)行動(dòng)作，在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)日益發(fā)達(dá)的時(shí)代背景下應(yīng)運(yùn)而生的，電焊機(jī)的自動(dòng)控制為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的方便，使自動(dòng)化在生產(chǎn)中得到很好的利用。
2.研究的目的和意義
2.1解決人工無(wú)法完成的困難
隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的方式正在發(fā)生巨大的變化，從傳統(tǒng)的手工作坊式的勞動(dòng)，逐漸演變成自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)方式，本項(xiàng)目自主設(shè)計(jì)研發(fā)的焊接集散控制系統(tǒng)能使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，也使得企業(yè)的技術(shù)和管理自動(dòng)化水平提高。該產(chǎn)品突破傳統(tǒng)鋸片基體制造方法 ,采用2張相同金屬基體中間夾一層阻尼材料 (三明治復(fù)合鋸片基體) ,有效地解決了環(huán)保消音降噪問題.自主設(shè)計(jì)研發(fā)基于人機(jī)界面的PLC控制焊接自動(dòng)化系統(tǒng)可以將其三合一 ,而且能使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致 ,解決了焊后變形大的問題。而使用手工焊接方法工作量較大，而且難于保證焊接質(zhì)量?，F(xiàn)設(shè)計(jì)焊接自動(dòng)化工作臺(tái)，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。
2.2提高生產(chǎn)效率
在當(dāng)今社會(huì)的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，人力的局限性無(wú)法跟上工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工作效率，所以企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，自動(dòng)化生產(chǎn)線也逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。點(diǎn)焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)是按照給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)、焊接的操作的自動(dòng)控制裝置。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的工作并減少了很多不必要的人工勞動(dòng)，極大的提高了生產(chǎn)的效率。
2.3改善現(xiàn)有點(diǎn)焊機(jī)的工作性能
點(diǎn)焊機(jī)的工作原理是利用正負(fù)兩極在瞬間短路時(shí)產(chǎn)生的高溫電弧來(lái)熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來(lái)達(dá)到使它們結(jié)合的目的。現(xiàn)設(shè)計(jì)焊接自動(dòng)化工作臺(tái)，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和加工效率。自動(dòng)化工作臺(tái)主要完成旋轉(zhuǎn)、 進(jìn)退和抬升動(dòng)作。自動(dòng)化焊接過(guò)程滿足焊接工藝 (隔點(diǎn)焊接，內(nèi)外圈焊點(diǎn)錯(cuò)位和工件壓緊防變形)要求.項(xiàng)目研發(fā)的系統(tǒng)將從焊點(diǎn)分布、焊接順序、時(shí)間、電流、 溫度、受力和平面度等方面保障基體質(zhì)量 ,使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致，解決焊后變形問題，并提高生產(chǎn)效率，降低次品率，從而提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，也使得整個(gè)技術(shù)和管理的自動(dòng)化水平提高.
3.國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
3.1國(guó)內(nèi)電焊機(jī)科技水平及發(fā)展趨勢(shì)
(1)手工電弧焊機(jī)逆變式手工電弧焊機(jī)已大部分采用了IGBT等新型電子元器件，并在某些場(chǎng)合部分替代了弧焊整流器，但其可靠性與一般手工弧焊機(jī)相比尚有差距。今后應(yīng)開發(fā)適宜于苛刻焊接環(huán)境條件的、可靠性高的、多用途的逆變式焊機(jī)。
(2)MIG/MAG焊機(jī)要繼續(xù)開發(fā)推拉式送絲機(jī)構(gòu)、脈沖MIG/MAG焊機(jī)使之在引弧、收弧、減少飛濺等方面有明顯的改進(jìn)，用微處理器控制的送絲機(jī)構(gòu)亦是開發(fā)的方向。
(3)TIG焊機(jī)廣泛應(yīng)用于不銹鋼焊接，因此發(fā)展較快的磁放大器式或晶閘管式，僅一小部分為逆變式。
交流TIG焊機(jī)大多已采用矩形波輸出，大部分用電子及磁場(chǎng)混合控制以獲得矩形波，最近國(guó)內(nèi)亦出現(xiàn)了逆變式交流矩形波TIG焊機(jī)，但還有待于市場(chǎng)的考驗(yàn)。
國(guó)內(nèi)宇航工業(yè)要求焊接較厚的長(zhǎng)焊縫，需用電流在500A以上、負(fù)載持續(xù)率100%的大容量TIG焊機(jī)，此類產(chǎn)品國(guó)內(nèi)尚屬空白。
(4)埋弧焊機(jī)有必要進(jìn)一步發(fā)展2000A以上的大容量埋弧焊機(jī)。埋弧焊機(jī)的操作部份大多為單一的中型小車結(jié)構(gòu)，不夠靈活。應(yīng)發(fā)展輕型及重型小車結(jié)構(gòu)，并可加裝成雙絲或多絲結(jié)構(gòu)，以利于提高生產(chǎn)率。
(5)電阻焊機(jī)目前電阻焊機(jī)屬中等容量，較大的如400kVA以上及適宜于小型、微型結(jié)構(gòu)的1kVA以下的精密電阻焊機(jī)則較少。點(diǎn)、凸焊控制器雖有進(jìn)步，但大多為合資企業(yè)產(chǎn)品，為保證質(zhì)量，關(guān)鍵部份依賴進(jìn)口。
因此，開發(fā)和研制出自行設(shè)計(jì)制造的控制器亦是方向之一。
3.2國(guó)外電焊機(jī)科技水平的現(xiàn)狀和發(fā)展
(1)逆變焊機(jī)某些著名的電焊機(jī)生產(chǎn)廠對(duì)逆變焊機(jī)的不斷改進(jìn)，使它的可靠性已接近一般電焊機(jī)的故障率，即1%左右。利用逆變焊機(jī)的固有的特征，使電弧控制邁出了新的一步。
(2)非傳統(tǒng)（非電弧、電阻）焊技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)備發(fā)展迅速，現(xiàn)已有：摩擦縫焊(FrictionSeamWelding）、摩擦攪拌焊(FrictionStirWelding）、摩擦堆焊(FrictionSurfacing)、摩擦插入焊(FrictionPlunge)、摩擦切割(FrictionCutting)等等。
(3)微處理器及計(jì)算機(jī)已普遍應(yīng)用，但距完全的智能控制尚有距離。
(4)焊接機(jī)器人的應(yīng)用更為廣泛。
(5)小型、微型電阻焊機(jī)日趨成熟和普及。
3.3復(fù)合圓鋸片的發(fā)展趨勢(shì)
目前復(fù)合鋸片的使用范圍越來(lái)越廣，在實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)其各項(xiàng)性能的要求也越來(lái)越高，相應(yīng)的檢測(cè)方法也要能滿足要求。隨著復(fù)合鋸片檢測(cè)方法研究的不斷深入，其發(fā)展有以下幾個(gè)趨勢(shì):
(1)熱穩(wěn)定性?，F(xiàn)在研究復(fù)合片的熱穩(wěn)定性不可避免地要涉及到熱損傷的概念，它是指PDC由于受熱引起的損傷。可以采用對(duì)熱處理前后的復(fù)合片進(jìn)行SEM觀察，以了解損傷的形貌、程度和特點(diǎn)，這種方法可以用來(lái)判斷復(fù)合片的熱穩(wěn)定性，其優(yōu)點(diǎn)是可以分析復(fù)合片產(chǎn)生損傷的原因，進(jìn)而找到解決的辦法，相應(yīng)地可以提高復(fù)合片的熱穩(wěn)定性。76
(2)殘余應(yīng)力檢測(cè)。金剛石復(fù)合片內(nèi)部的殘余應(yīng)力影響復(fù)合片的熱穩(wěn)定性及抗沖擊性能，而且主要以熱殘余應(yīng)力為主，通過(guò)中子衍射法可以對(duì)復(fù)合片內(nèi)部的殘余應(yīng)力進(jìn)行表征，并得到具體數(shù)值。
(3)耐磨性。從復(fù)合片的微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行其耐磨性的檢測(cè)，用X射線衍射方法、Raman光譜法及電鏡法等[11-12]對(duì)復(fù)合片進(jìn)行綜合測(cè)試。不僅可以準(zhǔn)確測(cè)得復(fù)合片的耐磨性，更能找出影響其耐磨性的內(nèi)在原因，提高復(fù)合片的耐磨性。
(4)沖擊性能。由于復(fù)合片在實(shí)際使用中受沖擊破壞一般有2種，一種是受到多次沖擊而破壞，還有一種是突然受到巨大沖擊力而破壞。因此一般在檢測(cè)復(fù)合片沖擊性能時(shí)，要同時(shí)檢測(cè)其最大抗沖擊性能及抗沖擊韌性。
4.研究的主要內(nèi)容
4.1點(diǎn)焊機(jī)的基本工作原理
點(diǎn)焊機(jī)系采用雙面雙點(diǎn)過(guò)流焊接的原理，工作時(shí)兩個(gè)電極加壓工件使兩層金屬在兩電極的壓力下形成一定的接觸電阻，而焊接電流從一電極流經(jīng)另一電極時(shí)在兩接觸電阻點(diǎn)形成瞬間的熱熔接，且焊接電流瞬間從另一電極沿兩工件流至此電極形成回路，不傷及圓鋸片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
點(diǎn)焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器控制，保證較高的定位精度。
4.2 系統(tǒng)方案
此次研究的課題是來(lái)源于自動(dòng)化專業(yè)在企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中的圓鋸片焊接實(shí)用流程，所設(shè)計(jì)的是點(diǎn)焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。利用PLC來(lái)控制，用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)的運(yùn)行?？刂浦行牟捎每删幊炭刂破鳎≒LC）和觸摸式液晶顯示屏進(jìn)行操作，比傳統(tǒng)的控制中心更具有直觀性和可操作性。
點(diǎn)焊機(jī)的工作原理十分簡(jiǎn)單，采用S7—200對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，從而達(dá)到點(diǎn)焊機(jī)多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退運(yùn)動(dòng)的目的。通過(guò)S7—200PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的控制，可使點(diǎn)焊機(jī)的焊接觸頭運(yùn)動(dòng)到不同的工位。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使運(yùn)動(dòng)方向沿X軸Y軸的方向來(lái)進(jìn)行工作。點(diǎn)焊機(jī)的控制系統(tǒng)中由PLC、傳感器、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電磁閥、點(diǎn)焊槍等元器件組成。
5.工作的主要階段、進(jìn)度
(1)2011年秋季學(xué)期第11周（2011年11月18日前）
接受畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書，學(xué)習(xí)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及有關(guān)規(guī)定。
(2)2011年秋季學(xué)期第12~17周
閱讀指定的參考資料及文獻(xiàn)（包括10萬(wàn)個(gè)印刷符號(hào)外文資料），基本完成開題報(bào)告、外文翻譯等任務(wù)。
(3)2011年秋季學(xué)期第18周
進(jìn)一步修訂完善開題報(bào)告、外文翻譯，使其在內(nèi)容及格式上符合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）規(guī)范要求。
(4)2011年秋季學(xué)期第19周（2012年1月13日前）
上交開題報(bào)告、外文翻譯，指導(dǎo)教師批閱。
(5)2012年春季學(xué)期第11周（2012年4月30日前）
按照開題報(bào)告的技術(shù)路線和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。
(6)2012年春季學(xué)期第14周
完成硬件選型和程序開發(fā)設(shè)計(jì)，完成試驗(yàn)制作與調(diào)試任務(wù)。
完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，全部成果交指導(dǎo)教師批閱。
(7)2012年春季學(xué)期第15周（5月25日至5月27日）
畢業(yè)答辯
6.最終目標(biāo)及完成時(shí)間
通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)和資料，了解點(diǎn)焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作流程，通過(guò)設(shè)計(jì)點(diǎn)焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，達(dá)到課題預(yù)期的基本要求。能夠正常運(yùn)行，可進(jìn)行模擬調(diào)試。可使點(diǎn)焊機(jī)能夠在所要求的不同工件型號(hào)下正常的運(yùn)行工作。
完成時(shí)間：第15周
7.現(xiàn)有條件及必須采取的措施
現(xiàn)有STEP7軟件和Wincc flexible軟件，可以完成PLC的編程設(shè)計(jì)和觸摸屏的模擬實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要采用工程軟件進(jìn)行模擬調(diào)試。
8.協(xié)助單位及要解決的主要問題
本課題要完成具體的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，需要得到學(xué)院的大力支持和幫助。
參 考 文 獻(xiàn)
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3. 周虹. 氣動(dòng)與PLC技術(shù)相結(jié)合在機(jī)械手設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.液壓與氣動(dòng).2004.3
4. 李春菊.王迎旭. 普通機(jī)械手PLC與觸摸屏全自動(dòng)控制設(shè)計(jì).湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào).2004.3
5. 王迎旭.李春菊.施晚蓉. 觸摸屏與PLC在全自動(dòng)雙面鉆控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào).2004.4
6. 朱光力. 三坐標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手控制回路設(shè)計(jì).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2003.2
7. 董繼成. 用PLC控制生產(chǎn)線自動(dòng)機(jī)械手.中國(guó)儀器表廠.2004.2
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9. 鄒金慧.可編程控制器及其系統(tǒng).重慶大學(xué)出版社.2002.11
10. 袁艷敏.PLC在機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2004.9
11. 鄧昌奇.熊德琴.張立斌. PLC在工業(yè)機(jī)械手中的應(yīng)用研究機(jī)電工程技術(shù).2004.4
12. 劉連勝.王英東.PLC和觸摸屏控制系統(tǒng)的應(yīng)用.中國(guó)棉花加工.2002.4
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