摘 要

为了解决汽车传动轴制造过程中的焊接质量和焊接效率问题，开发了基于PLC控制的汽车传动轴专用焊接设备。结合该设备技术要求、主要参数、工作原理和汽车传动轴焊接工艺要求，给出了其控制系统的硬件设计、软件设计流程图和PLC梯形图程序。该汽车传动轴专用焊接设备能够通过控制系统对焊接过程进行实时控制，保证焊接后传动轴达到预定的质量要求，同时大大提高了传动轴的焊接效率。通过修改控制程序的设定参数，可以适用不同型号的传动轴焊接，提高了该设备的适应性。

关键词：汽车传动轴 PLC 焊接设备

Abstract

To solve the quality and efficiency problem on automobile transmission shafts manufacturing process, special welding machine based on PLC was researched and developed. The hardware, software and PLC ladder program of this machine were designed on the combination of its technical requirements, main technical parameters, operating principle, and transmission shafts welding technological requirements. Real-time control on welding process through the control system of this machine assures the quality of work-piece, and greatly improves the welding efficiency. The setting parameters of the control system can be changed to meet the different welding requirements. High automation and flexibility in welding process are obtained with this machine.

Keywords: automobile transmission shafts; PLC; welding machine

目录

摘要 I

Abstract II

1．绪论 1

1.1.计算机控制在工业中的发展 1

1.2计算机控制系统焊接中的应用 1

1.3工业控制机的特点 2

1.4可编程与焊接控制器 3

2.课题介绍 4

2.1课题任务 4

2.2汽车传动轴自动焊接系统硬件设计 4

3.设计过程 9

3.1 设计思路 9

3.2程序设计 10

3.3程序介绍 10

4.程序调试与系统完善 19

4.1程序仿真 19

4.2旋转电机控制方案 19

5.总结 20

6.谢辞 21

7.主要参考文献 22

1．绪论

1.1.计算机控制在工业中的发展

近几年工业发展过程中，计算机控制系统得到了非常大的发展和完善；不管是在系统硬件的制造成本，还是在计算机的运算速度和储存容量方面都获得了突破性的进展。并且各种编程语言的竞争发展也使面向大众的编程语言更加简单易懂。同时，由于开发了更多可靠的控制器、设计工艺不断提升，程序容错性更高、冗余诊断程序，系统的可靠性也得到较大的提高；传统的过程控制功能与诸如生产计划、调度、优化及操作控制等实时信息处理和决策应用的不断渗透、融合，使通过高级计算机控制实现各种过程高性能目标的手段变得越来越可靠和更为强劲有力；功能价格比也日趋合理长足发展。当计算机控制系统运用于工业生产中时，生产质量能得到更加有效地保障，劳动力的占有率大大减少，以及对能源有了更加充分的利用等；计算机控制系统同时也能使工业生产适应更加艰难的环境和更加严谨的技术要求。从整个工业生产上讲，计算机技术的应用和提高对自动化技术打下了坚实的基础，使工业生产的一整套流程都变得更加简单和高效。从计算机的发展历史上看，计算机的发展在不断的推动自动化技术的应用和完善，为自动化技术做出了卓越的贡献，并且自动化技术始终在依赖各种计算机技术，可以说计算机技术是自动化系统的重要工具。并且，计算机技术在以后的发展中将一直引导自动化的发展。

这些优点使计算机控制成为现代工业中不可或缺的一部分，传统方式已经无法满足现在的高速大批量的工业生产需求，计算机控制系统在工业中的应用不仅大大提高生产效率，而且使生产质量也得到了有效的保障。^【1】

计算机控制系统随着计算机技术的不断发展，以及工业生产中对生产过程控制要求的提高和生产管理体制的不断完善在工业生产中不断发展。迄今为止，人们对计算机控制系统的基本层次结构做了如下划分：直接数字控制（DDC）系统、监督控制（SCC）系统、集散型控制系统（DCS）、递阶控制系统（HCS）和现场总线控制系统（FCS）等几种^【1】，现阶段，工业生产的控制体系已经发展为集计算机·通信·控制三种技术为一体的第五代体系。这套体系已经成为现在国内外工业生产控制系统的一个标准性的发展模板。

1.2计算机控制系统焊接中的应用

目前计算机控制系统在焊接生产中应用已经十分广泛，大致概括可以分为六个方面。1.计算机辅助焊接控制过程。焊接过程自动化是提高生产效率，保证产品质量的重要方式之一。焊接质量控制的对象是焊接工艺参数的合理调节。在许多焊接方法中都利用了计算机高精度的运算和大容量储存的功能，并利用具有柔性的软件来控制，同时将神经元网络和模糊控制引入到熔透控制中，使整个生产过程达到了一个只靠硬件设备和人工所不能实现的在焊接过程对生产质量进行实时监控的功能。2.焊接结构计算机辅助设计与制造。^【2】在焊接生产中，焊接结构多种多样，全世界近一半的钢材用于制作焊接结构。焊接结构的计算机辅助设计，首先要适应各行各业的特点。虽然各种焊接结构都必须符合焊接力学规律，但至今没有一种包含这种共性的CAR软件。焊接结构的多样化促进了计算机在焊接生产中的需要。3.焊接专家系统。^【2】专家系统的组成包含知识库，推理机，数据库和人机接口四个部分组成。这些专家系统可以根据完成的焊接工艺评定报告制定焊接工艺说明书，并可以从相关的知识和实例中进行推理，然后在数据库中对比得出相同的的WPS报告；同时通过数据库中的数据对焊接接头组织性能进行较为准确的预测。4.焊接机器人和模式识别。在发达国家，焊接机器人已经成为生产技术是否先进的一个重要指标，其中汽车工业领域用的最多。焊接机器人的适应能力非常强，借助视觉传感器，焊接机器人可进行路劲规划和避障，借助计算机的存储功能，机器人可以示教再现。焊接机器人借助视觉传感器所得到的图像必须进行图像处理和模式识别才能得出有效的信号。5.数值分析，数值模拟和计算机仿真。焊接热过程是形成焊接接头，产生焊接应力变形的过程，也包含着焊接缺陷的过程。哈工大把流体力学方程引入焊接熔池的传热分析，进而分析熔滴和熔池的相互作用，比较确切的预测熔池的尺寸和形状。类似的例子还有很多。^【2】6.数据库的开发早在1960年就开始进行，在当时就已经成为数据管理以及对数据进行处理的一种新型技术，到现在为止数据库已经应用于科学研究，工程技术，生产管理等各个领域。近年来焊接工程数据库建设在国内也已开始。^[2]

1.3工业控制机的特点

（1）安全可靠 工业控制计算机不同于一般用于科学计算或管理的计算机，它的工作环境比较恶劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行，而且它所担当的控制重任又不允许它发生异常现象。因此在设计过程中把安全可靠放在首位。 （2）作维护方便 操作方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有得操作习惯。维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能没，模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装状态指示灯 和监测点，便于维修人员检查。另外配制诊断程序用来查找故障。 （3）时性强 工业控制机的实时性表现在对内部和外部事件能及时的响应，并做出响应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类，一类是定时事件，如数椐的定时采集、运算控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事件，系统设置时钟保证定时处理。对于随机事件系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生保证优先处理紧急故障。 （4）通用性好 工业控制计算机的通用灵活性体现在两个方面，一是硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时只需增加功能摸板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各功能模块，灵活地进行控制系统组态。 （5）济效益高 计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现两个方面，一是系统设计的性能价格比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能的低。

1.4可编程与焊接控制器

1. 定义 可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。 在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 各种PLC的组成结构基本相同，主要有CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成。
    中央处理器：中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。 储存器：PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。 输入输出接口单元：PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。^[3]

 1、输入接口电路 PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关，光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。  交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。 

2、输出接口电路 输出接口电路通常有3种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。  继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型的输出电路类似，只是晶体管或晶闸管代替继电器来控制外部负载。 扩展接口和通信接口 PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。 电源 PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。