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[3]。

该系统电气结构如图2.1所示。

图2.1 机器人点焊系统电气结构图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器人的硬线连接，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，输送线控制器通过传感器来确定车型并通过编码方式向机器人点焊工作站发出相应的工作任务，点焊控制器接受任务并调用相应的机器人程序进行焊接。

焊接过程中，系统检测机器人的工作状态，如机器人发生错误或故障，系统自动停止机器人及焊枪的动作。

当机器人在车身不同的部位焊接时，需要不同的焊接参数。

控制焊枪动作的焊接控制器中可存储多种焊接规范，每组焊接规范对应一组焊接工艺参数。

机器人向PLC 发出焊接文件信号，PLC通过焊接控制器向焊枪输出需要的焊接工艺参数。

车体焊接完成后，机器人可按设定的方式进行电极修磨。

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。

机器人引入机器图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。

安全光栅发射端安全光栅接收端24V-24V-光栅输出2光栅输出124V+XPEXPE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。

3.1.3 急停回路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。

主机器人控24V-位2复位1出(a) 急停回路机器人内部24V+人内部24V-机器人内部24V+机器人内KA1KA2(b) 给机器人外部急停24V+24V-变频器KA32复24V+24V-(c)给变频器急停信号和急停复位频器上电KA21KA22KM1(b) 变频器上电回路图3.3 急停回路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 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：●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。

●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。

●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。

●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。

●具有友好的人机界面，便于操作。

●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，实现数据传输以及在线监控、编辑、仿真、调试等功能。

●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。

●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]。

3.3 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，则接近开关接通，夹具才可动作。

用气缸作为夹具的执行机构，气缸的动作信号以及动作所需的气体都过阀岛来控制。

阀岛作为机器人子站通过总线与ET200相连，从而实现SoftPLC 对夹具的控制。

3.3.3 阀岛的工作原理整个夹具系统共有2套夹具，每套4组，每组2个，总共用到16个气缸。

如果每个气缸都通过分立的电磁阀来控制，势必会带来大量信号，能量的管件和连线。

当这些管件和连线跟随转台转动时，因泄露，堵塞，虚接或短路而引发的故障率就会较高，同时还给设备的管理和维护带来不便。

除此之外，在整个点焊机器人系统的设计过程中必须要经过对所有分立元件的选型，验收，组装，调试以及整机安装等繁多费时的步骤，必须投入大量的人力和费用。

这不仅是整个系统的开发，制造周期延长，而且常常因为人为因素出现设计或制造错误，从而延误设备的投用日期甚至影响到设备的功能和质量。

基于此，本设计中夹具系统中所用到的汽缸都是通过Profibus DP 总线型阀岛这一电气一体化的控制元件来控制的[7]。

带现场总线的阀岛有一个总线输入口和一个总线输出口，这样当系统中有多个带现场总线阀岛或其他带现场总线设备时，可以由近至远串联连接。

这种阀岛与外界的数据交换只需要通过一根两股或四股的屏蔽电缆实现。

这大幅度节省了接线时间，而且由于连线的减少使设备所占的空间减小，设备维护更方便。

如图3.6所示为阀岛与ET200总线通讯。

开关电源开关电源PLC 通讯模块ET200与阀岛通讯图3.6 阀岛与ET200总线通讯 3.4.2 变频器控制电路的设计本设计中，转台电机是通过变频器来控制的。

电机设有两种转速，即低速和高速。

当系统在手动模式时，出于安全考虑，转台转动时电机始终处于低速状态；而在自动模式下，当转台电机启动之后就处于高速状态，直到减速位的接近开关感应到信号时，电机转为低速运动，当停止位接近开关感应到信号，电机则停止。

在这种情况下，低速运动作为转台电机由高速状态到停止状态的一个过渡过程。

图3.8所示为变频器控制电路。

M正转M反转M高速M低速变频器停止R S T PE3.4.3 转台系统的电路设计位于转台的两侧上设有两对电感式接近开关，分别为正转减速位，正转停止位，反转减速位和反转停止位。

另外在转台两侧还设了超程保护，以便在停止位接近开关故障时，电机能停下来，防止发生碰撞。

在转台上还设有制动器，用于在紧急状况下，电机能够抱闸停止。

图3.9所示为转台系统的电路原理图。

24V+ Array 24V-定位定位销1定位销2上升（紧锁）(a)转台定位正转减速1(b)转台减速R2N2转台制24V-抱/紧KA3224V-护3护4正转超程反转超程(c) 转台制动图3.9 转台系统的电路原理3.5 焊接系统3.5.1 焊枪的工作原理本设计中使用的焊钳为气动焊钳[8]，如图3.10所示。

通过气缸来实现焊钳的闭合与打开。

该焊钳共有三种动作，既大开，小开和闭合。

焊钳动作过程及相应动作功能如表3.1所示。

图3.11为焊钳的控制电路。

表3.1 焊钳动作过程及相应动作功能图3.10 C型气动焊钳闭合（打点）大开小开Array GUN打点GUN大开GUN小开图3.11 焊钳控制电路3.5.2 修磨器焊钳在焊接一段时间之后电极头表面会氧化磨损，这是需要将其修磨之后才能继续使用[9]。

本设计中为了实现生产装备的自动化，提高生产节拍，为点焊机器人配备了一台自动电极修磨器，实现电极头工作面氧化磨损后的修锉过程自动化，同时也避免了人员频繁进入生产线带来的安全隐患。

电极修磨机由机器人的内置SfotPLC控制，示教专门的电极修锉程序来完成电极修锉。

修磨器控制电路如图3.11所示。

修磨器24V-修磨器启动Y1FRU V W PE至修磨器图3.11 修磨器控制电路4 机器人点焊系统电气控制部分软件设计本设计中机器人点焊系统有两种运行模式即自动模式和手动模式，因此软件设计也分为自动模式下的软件设计和手动模式下的软件设计。

当工人进行示教程序调试（包括焊点及相应轨迹的示教和修磨的示教），或进行故障处理时，选择手动状态，可以通过主控制柜上的各种按钮来对夹具，转台进行操作。

当系统调试完毕，能够批量生产时，选择自动状态，让机器人点焊系统自动完成夹具的打开与夹紧，转台的转动，机器人的点焊以及修磨器修磨。

在主控制柜上有手动/自动转换开关，A/B面选择开关，四个夹具打开按钮，四个夹具夹紧按钮，定位销上升按钮，定位销下降按钮，转台正转按钮，转台反转按钮，急停按钮，故障复位按钮，系统启动按钮。

4.1机器人点焊系统的工艺设计机器人点焊系统电气控制软件的依据是该系统的工艺。

因此，确定本设计中机器人点焊系统的工艺对于本章的软件设计是至关重要的。