基于plc的焊接机器人控制系统设计本科毕业设计

基于plc的焊接机器人控制系统设计本科毕业设计内容摘要：

非伺服型 图 带开关反馈的非伺服型 2）伺服控制系统 图 为以典型工业机器人伺服控制系统框图。 其特点是系统中采用检测传感器连续测量关节位置、速度等关节参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服系统。 在伺服系统控制下，各关节的运动速度、停留位置由有关的程序控制，而程序的编制、修改简便灵活。 所以能方便的完成各种复杂的操作。 其系统结构虽比非伺服控制复杂，但还是得到了广泛应用。 目前绝大多数、高性能的多功能工业机器人都采用伺服控制系统。 图 闭环伺服型控制系统 焊接机器人的应用 随着工业的不断发展，焊接技术作为机械制造业中仅次于切削加工和装配加工的第 三大加工作业技术，是现代工业中的制造方法之一。 据统计，一个国家钢材消耗量的百分之 50左右，要通过焊接的方式才能制造成产品，因此焊接机器人被称作工业 “ 裁缝 ”。 焊接机器人的普及程度已经成为一个国家焊接自动化水平的重要标志。 目前焊接机器人已经被广泛的应用在汽车、船舶、铁路、建筑机械、兵器等行业中，对提高质量、降低成本起到了非常巨大的作用。 根据联合国欧洲经济委员会（ UNCEC）和国际机器人联合会（ IFR）统计，从 20 世纪 60 年代起，世界机器人产业一直保持着稳定增长的良好势头，进入 90年代，年销售量增长率平均在 10%左右； 2020 年全世界有 80万台工业机器人被用于工业制造领域，40 万台在日本、 20 万台在欧盟、 10 万台在北美、剩余的 10 万台在其余的国家。 2020 年底全世界在在服役的工业机器人有 110 万台左右。 国外军工企业尤其是坦克装甲车焊接自动化程度较高，弧焊机器人应用也比较广泛，德国、美国、英国以及意大利等国的坦克装甲车车体和炮塔都已采用弧焊机器人进行气保护焊接。 美国某坦克厂采用四个机器人焊接工作站，用于焊接坦克车体和炮塔自动化焊接工作。 装甲车的机器人焊接工业也采用了高效、高速焊接工业技术，焊接速度与手工焊接相比提高 了十余倍。 焊接机器人的发展趋势 工业机器人技术的发展与应用水乳交融。 在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经得到推广，成为了主流安装机型，第三代智能机器人已经占了一定的比重。 以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面： 机型结构 以关节型为主流， 80 年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占全部的三分之一， 90 年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、 360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上下料。 赢 3K（炼钢、炼铁、锻造）行业和桥梁、汽车、建筑等行业的需求，超大型机器人应运而生。 控制技术 大多数采用 32位 CPU，控制轴最多可达 27轴， NC 技术和离线编程技术大量采用。 协调控制技术日却成熟，实现了多手和变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。 基于 PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，已 成为一股潮流。 驱动技术 上世纪 80年代发展起来的 AC 伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。 日本 23家机器人公司于 1998 年生产的 167 种型号的机器人产品中，有 %及 156 种采用 AC伺服驱动。 DC驱动技术则广泛用于装配机器人。 智能化的传感器 日本于 1998 年生产的 167 种机型中，装有视觉传感器的有 94 种，占了 %，其中还有的机器人装了俩种传感器，有的机器人更是留下了多种传感器外接接口，以待不时之需。 高速、高精度、多能化 目前所知的最快的装配机器人最大合成速度是17m/s；高精度机器人的位置重复性为正负。 有一种大型的直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达 80m/s；而另一种并联机构的 NC机器人，其位置重复性达 1um。 90 年代末的机器人大多都具有三种功能。 第三章 控制系统 控制系统是机器人的核心部分，一部机器人控制系统的好坏决定着产品的好坏。 本项目是采用基于 PLC 的伺服控制系统来设计的。 伺服控制系统 伺服控制系统的概述 伺服控制系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。 又称随动系统。 在很多情况下，伺服系统专指被控制量 (系统的输出量 )是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移 (或转角 )准确地跟踪输入的位移 (或转角 )。 伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。 采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的： 1． 以小功率指令信号去控制大功率负载。 火炮控制和船舵控制就是典型的例子。 2． 在没有机械连接的情况下，由输 入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。 3． 使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。 伺服控制系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。 伺服控制系统的机构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构，类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器，被控对象，执行环节，检测环节，比较环节等五部分 比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现． 控制器 控制 器通常是计算机或 PID 控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作． 执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作．机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压，气动伺服机构等． 被控对象 机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。 检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路． 伺服控制系统的技术要求 系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差，稳态误差和静态误差三个方面组成． 稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力． 响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率．响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度，运动系统的阻尼和质量等． 工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围．当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。 PLC 控制系统 PLC（可编程序控制器）是一种由微处理器控制的电子系统，专为工业环境下的应用而设计的。 它采用可编程序存储器，用来存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其 外围设备，都是按照易于与控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计的。 PLC 控制系 统的概述及其特点 PLC 是以微处理器为核心的、高度集成化的通用工业自动控制装置。 它融合了计算机、自动控制以及通信等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、功耗低以及编程简单等优点，已经被广泛应用于工业生产的各个控制领域，成了工业生产自动化的支柱技术之一。 可以说， PLC 的应用深度和广度是衡量一个国家工业先进水平的重要标志。 PLC 技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。 它较好的解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。 主要有以下特 点。 1）可靠性高、抗干扰能力强 可靠性高、抗干扰能力强是 PLC最主要的特点之一。 PLC 的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施： 硬件方面 I/O 通道采用光电隔离，有效地抑制了外部的干扰源对 PLC 的影响；对供电电源及线路采用了多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU 等主要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。 软件方面 PLC 采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起的故障；在 PLC 系统程序中设有故障检测和自诊断程序定期的检测外界环境；死循环报警等技术，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界环境引起故障时，能立即利用后备电源供电，将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。 2）编程简单、使用方便 用计算机实现控制，使用的是汇编语言，难于掌握，要求使用者具有一定的硬件和软件知识。 而 PLC 大多数采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产控制、面向用 户问题的 “ 自然 ” 编程语言。 梯形图与电器控制线路图非常相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。 当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。 同时， PLC编程器的操作和使用也很简单。 这也是 PLC 获得普及和推广的主要原因之一。 许多 PLC 还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化编程。 3）功能完善、通用性强 现代 PLC 不仅具有逻辑运算、定时、技术、顺序控制等功能，而且还具有A/D 和 D/A 转换、数值运算、数据处理、 PID 控制、通信网络等许多功能。 同时，由于 PLC 产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选择，可以组成满足各种需求的控制系统。 4）设计安装简单、维护方便 由于 PLC 用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。 PLC 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。 在维修方面，由于 PLC 的故障率极低，维修工作量很小，而且 PLC 具有很强的自诊断功能，如果出现故障可根据 PLC 上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。 5）体积小、重量轻、能耗低 由于 PLC 采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。 PLC 的基本结构及其分类 （ 1） PLC 的基本结构 PLC 种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。 用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。 PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。 PLC 的结构框图如图 所示。 图 PLC 的结构框图 1）中央处理器 中央处理单元 (CPU)一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。 CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。 与一般计算机一样， CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系统程序赋予的功能指挥 PLC 有条不紊地进行工作。 用户程序和数据事先存入存储器中，当 PLC 处于运行方式时， CPU 按循环扫描方式执行用户程序。 CPU 的主要任务有：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过 I/O 部件接收现场的状态或数据。 并存人 输入映像寄存器或数据存储器中；诊断 PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等； PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。 不同型号的 PLC 其 CPU 芯片是不同的，有采用通用 CPU 芯片的，有采用厂家自行设计的专用 CPU 芯片的。 CPU 芯片的性能关系到 PLC处理控制信号的能力与速度， CPU 位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。 PLC 的功能是随着 CPU 芯片技术的发展而提高和增强的。 2）存储器 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在ROM 内，用户不能直接更改，它使 PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。 系统程序质量的好坏，很大程度上决定了 PLC 的性能，其内容主要包括三部分。 第一部分为系统管理程序，它主要控制 PLC 的运行，使整个 PLC 按部就班地工作。 第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将 PLC 的编程语言变为机器语言指令，再由 CPU 执行这些指令。 第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。 PLC 的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了 PLC 性能的高低。 用户存储器包括用户程序存储器 (程序区 )和功能存储器 (数据区 )两部分。 用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的各种用户程序，以及用户的系统配置。 用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是 RAM(有掉电保护 )、 EPROM 或 EEPROM 存储器，其内容可以由用户任。