浅谈电气控制系统设计

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浅谈电气控制系统设计:真空吸板机电气控制系统设计

摘 要：真空吸板机具有结构简单、成本低、不损伤工件、吸附、放开工件迅速等特点，在现代工业制造中有着广泛的应用。本文介绍了真空吸板机的电气控制系统设计方法，主要包括系统要求、电气控制的工作流程以及程序设计方法等。

关键词：PLC；真空吸板机；流程图

真空吸板机是SMT生产线自动化设备的重要组合部分，主要是通过真空吸附装置来吸附PCB板进行运输起吊。在真空吸板机中，真空吸附装置是整个机器的心脏。真空吸附装置的工作原理是依靠真空源产生的真空力来对物品起吊、搬运及夹持的一种省力机械。与机械、电磁起吊装置相比，具有以下特点：结构简单、成本低；安装方便、操作容易；维修费用少；不损伤工件；吸附、放开工件迅速等。本文主要介绍真空吸板机的电气控制系统设计方法。

一、系统要求

真空吸板机主要作用是通过气缸调整气压吸附住PCB板，并将其传送到流水线上输送到需要的岗位。其主要工作顺序是：在输送单元在通电后，按下复位按钮SB1，执行复位操作，使吸盘回到原点位置。再按下启动按钮，气缸工作，吸盘吸取PCB板，15秒后吸盘上升，到达上限位后，气缸工作，吸盘松开PCB板，1秒后吸盘下降，达到下限位后，气缸开始工作，吸盘吸取PCB板，然后依次循环。

二、电气控制系统设计

（一）控制器

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，具有可靠性高，抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用，系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造等特点。本控制系统选用丰炜PLC，丰炜PLC特点是贴近市场，创新而实用，功能齐全，性能稳定。其使用方式与三菱PLC有较多类似，学习起来十分方便。丰炜PLC降低了配线工作，这样的接线方式降低了错误率，也给维修带来方便，拆、装都只需拔一次。

（二）工作流程

首先按开始按钮，再按复位键，看看吸盘是否向下移动，当到达下限位后，开始手动选择是上下运输还是左右运输。当上下运输时，真空泵开始工作，吸盘吸附PCB板，延时2S后上升，达到上限位后再次选择是左右运输还是放下PCB板进行加工。如果是上下运输，则吸盘松板，再向下运输以此循环。当左右运输时，先向右运输，到右限位后，真空泵工作，吸盘吸板，再选择上下运输还是左右运输，如果是左右运输，则向左运输，到达右限位后吸盘松板，以此循环（如图1）。

（三）程序设计

该梯形图程序（如图2）主要是按照工作流程图来编写的，其中要注意程序的分支和联系。比如说，在上下运输后选择左右运输；或是先左右运输再上下运输；或是直上直下，直左直右运输。

三、结束语

在现代工业制造中，真空吸板机得到越来越广泛的应用，在不同的应用场合，有效的选择、设计真空吸板机是现在化自动控制设备成功的关键。本文介绍了真空吸板机电气控制系统的设计方法，真空吸板机结构简单、成本低、稳定好、适合大面积推广使用。

浅谈电气控制系统设计:浅谈电气控制系统设计及其发展趋势

【摘要】本文说明了电气控制系统设计的内容和基本原则，说明了电气控制系统设计的注意事项以及多未来的发展趋势。

【关键词】电气；控制；系统；设计

1.前言

电气控制系统设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。电气控制原理设计以满足生产机械和工艺基本要求为目的，综合考虑设备的自动化程度和技术先进性。

本文在对生产机械电气控制电路进行分析的基础上，讨论电气控制的设计过程一些共性问题，为电气控制系统的深入研究工作打下坚实的基础。

2.电气控制系统设计的基本内容

2.1 电气控制系统设计的基本内容

是根据电气设计要求和编制出设备电气控制系统制造和使用、维护中所有的图纸和资料。

2.2 设计的的基本原则

2.2.1 最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。

2.2.2 在满足要求的前提下，使控制系统简单、经济、合理、便于操作、维修方便、安全可靠。

2.2.3 电气元件选择合理正确，使系统能正常工作。

2.2.4 为适应设备的改进，设备应留有预留量。

3.控制方案确定的原则

（1）控制方式以经济效益为标准。控制加工程序基本固定的机床，采用继电接触器控制方式较为合理。对于控制逻辑复杂的设备，利用可编程序控制器较为合理。

（2）控制方式应最大限度满足工艺要求。控制线路：自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性联锁、信号指示和故障诊断等功能。

（3）控制电路的电源应可靠。控制电路可直接用电网电源。对于元件较多、电路较复杂的控制装置，可将电网电压隔离降压。自动化程度较高的生产设备，利用直流电源可以节省安装空间，便于同无触点元件连接，而且元件动作平稳，操作维修也较安全。

4.电气控制系统设计的注意问题

4.1 控制线路选择要正确

正确连接电器元件的线圈，交流线圈不能串联使用，而且两个电器需要同时动作时其线圈应该并联连接。直流控制电路中，对于电感较大的线圈不能与相同电压等级的继电器的线圈并联工作。

4.2 准确定位元件及触点位置

由于触点断开产生电弧时就可能在两触点间形成飞弧而造成电源短路，在电器控制线路动作过程中，为了防止出现意外接通的电路，尽量避免许多电器依次动作才接通另一个电器，要尽量减少不必要的电器通电，以节约电能。同时在控制线路中通接触器线圈时，要分析触点容量的大小。

4.3 设置保护措施

设置过流、过压、失压、联锁和行程等保护和断开、事故、安全等的指示信号。以此来保证操作人员、电器设备、生产机械的安全，并能有效地抑制事故的扩大

（1）正确选用电器。尽量缩减电器的数量，采用标淮件，选用相同型号，减少触点以简化线路。在控制线路图设计完成后，需要将线路化成逻辑代数式计算，以便得到最简化的线路。

（2）力求操作维护、检修方便。电气控制设备：操作简单，回路数较多，应注意检修方便，设隔离电器可以避免带电操作，加方便的转换控制方式有利于调试方便，如从自动控制转换到手动控制，通过设多点控制，方便了对生产机械的调试。对设计完的线路的审核要严格，需要满足工艺要求，防止出现多余环节、多余电器、寄生电路，以及误动作等。

4要进行综合测试。以单片机为控制核心的系统是现代化仪器仪表的一个发展方向，计算机控制系统可以完成测试过程中的测量与控制，实时利用PC机与单片机的优势，实现综合测量、操作及结果显示等方面的要求，对测试数据采集、传输与处理，利用控制系统的改进设计来实现测试网络的切换，然后在软件上对数据进行校准，最终打到高精度的测试结果。

5.电气控制系统的发展趋势。

5.1 电气自动化工程控制系统的统一化

统一电气自动化工程系统对电气自动化产品的设计、测试、开机、维护都有重要意义。能够把开发系统从运行系统中独立出来，这对电气自动化工程控制系统来说，是跨越性的一步，能够将系统通用化。

5.2 电气自动化工程控制系统的市场化

产品想长久的发展，就要深化制造部门的体制改革，还要关注市场化的影响，以便保证产品能够满足市场的需要。同时，企业不仅要在技术的开发上投入，还要使零件的配套生产市场化、专业化。

5.3 电气自动化工程控制系统的创新技术

在我国电气自动化发展计划的指导之下，随着市场化的环境，不断提升电气自动化工程控制系统的创新能力。并且企业不断吸收创新技术以提升自身的创新能力，而科研的投入，为电气自动化的创新提供了更加广阔的空间，加强政策上的扶持，健全、完善机制对创新都是非常有利的。企业应该打开自主创新的新局面，转换经济增长模式，逐渐提升创新能力。

6.结语

随着经济全球化的不断发展和深入，电气自动化工程控制系统在我国社会经济发展中占有越来越重要的地位。电气自动化工程控制系统信息技术的集成化，使电气自动化工程控制系统维护工作变得更加简便，电气自动化工程控制系统要想长远发展下去就要不断的创新，将电气自动化系统进行统一化管理，并且要采用标准化接口，还要不断进行电气自动化系统的市场产业化分析，保证安全的进行电气自动化工程生产，加强电气自动化系统设备操控人员的教育和培训和知识在更新。

浅谈电气控制系统设计:基于PLC的车床电气控制系统设计研究

【摘要】目前，车床的电气控制系统中，传统的继电器控制方法仍然占有很大的比重。继电器控制方式是利用布线来组成各种逻辑电路来实现对车床的控制，接线较为复杂，不仅容易出现故障而且发生故障后诊断也比较困难。另外，如果生产流程需要改变，就必须重新布线组织电路，不仅造成资金与劳动力的浪费，而且生产效率低下。在这种情况之下，为满足现代工业对车床自动化水平的要求，可用可编程控制器（PLC）来实现对车床的高效控制。相比于传统继电器控制系统，PLC具有适用范围广、灵活可靠、成本低廉等诸多优势。本文主要以C650型车床为例，介绍基于PLC的车床电气控制系统的设计。

【关键词】车床；PLC；控制系统

一、C650型车床的电气控制要求

为了更好地对车床电气控制系统进行设计，我们需要了解车床的电气控制要求及特点，这里我们以C650型车床为例进行分析。经研究分析，C650车床的电气控制要求及特点如下：

1.采用笼型异步电机作为车床的主轴电机，主要功能为驱动主轴的运动和刀具的进给。电机的启动方式为直接启动，且可以反转和点动。

2.车床停车或点动结束时都要进行反接制动。在电动和反接制动的主电路中接入了限流电阻，作用是防止频繁点动产生的大电流引起电机损坏。

3.电机M3单独驱动溜板箱快速移动，以提高车床生产效率。在实际操作中，可根据需要手动控制起停。

4.每台车床配有一台冷却泵电机，其作用是在刀具或工件温度过高时提供冷却液，以防止刀具或工件损坏。

二、C650型车床的主电路

C650型车床的主电路如下图。在该车床的主电路中有三台电机，分别为：主电机M1，冷却泵电机M2和快速移动电机M3。从图中可以看出，MI的接线分为三个部分。第一部分为电机正反转控制接线，由电键KM1和KM2的两组主触点组成。第二部分中在M1的动力回路上接电流表A，利用时间继电器KT的延时动合触点，在启动的瞬间将电流表短接。第三部分主要是利用交流接触器KM3实现对限流电阻R的通断控制。电机M2和M3分别由交流接触器KM4和KM5进行控制。（见图1）

三、基于PLC的车床电气控制系统硬件设计

（一）按功能将被控对象进行分解

在设计时，可将车床的电气控制系统按其功能的不同进行分解，这样更有利于对PLC的资源进行合理分配。对于C650型普通卧式车床，可以按其控制功能将控制系统分为主运动控制和辅助控制两大部分。主动功能是指在x轴和z轴方向上的进给运动。辅助功能一般有车床的主轴起动和制动功能、速度调节功能、冷却液的提供、刀具转换功能等。

在利用PLC对车床进行控制时，需要首先将车床的各种控制和检测信号输入到PLC中。然后通过预先编制的PLC程序对输入的信号进行运算，再将运算结果输出至各种控制设备。每个输入控制信号都可以通过输入元件来送出（如按钮、开关、多档旋钮等），每个输入元件又有一个或多个执行设备与其对应，负责对完成输入指令所控制的动作。下图为按功能分解后的PLC车床控制系统图2：

（二）确定输入输出点数

在进行PLC硬件设计之前，要根据所需要控制的功能来确定PLC的输入输出点（即I/O点）。根据2.1节中对车床控制功能的分解原则，确定PLC的I/O点结果如表1所示：

根据上表显示的内容，可以看出C650普通车床的PLC控制系统共需要输入点21个，输出点14个。但在实际工作时，PLC的输入输出点一般要比理论值多出百分之三十左右，因此为了便于操作，可设置30个输入点和20个输出点。

（三）选择合适型号的PLC

一般车床电气控制需要的输入输出点数小于256点，可采用小型PLC来进行控制。小型PLC一般只需要进行一些简单的逻辑运算，主要是进行开合、起停、先后顺序等操作的控制。考虑到实用性和经济性，可采用SIEMENS公司的$7-200系列的PLC，该系列PLC具有价格低廉、体积小等优势。根据2.2节中输入输出点数的分析结果，可采用该系列CPU224型14点输入、10点输出的PLC。

由于输入输出点都少于所需要的数量，因此要对输入输出点进行扩展。一般采用EM221数字量8点直流输入模块两个，EM222数字量8点继电器输入模块两个。扩展后的PLC具有30个输入点和26个输出点，可以满足要求。

（四）设计配线图

PLC控制系统的线路设计是准确实现机床电气控制的关键步骤。线路设计就是通过电路连接将输入元件和输出元件通过PLC连接起来，以实现对机床的控制。相比与传统的继电器控制系统的布线，PLC控制系统的线路连接就简单很多。

PLC控制系统的本质和传统的继电器控制系统是相同的，只不过前者采用了更为先进的控制技术，简化了控制的机构。PLC在系统中是输入和输出元件之间的桥梁，它代替了传统控制系统中复杂的逻辑电路。因此，在设计配线图时，只需要根据PLC的功能特点和控制对象将输入和输出元件通过PLC搭接起来即可。下图为PLC控制系统的配线图3：

在配线图中，每一个输入点都对应一个输出点，在工作时输入元件通过PLC来控制输出元件的动作。上图中每个符号都对应特定的输入输出元件，对应关系及各元件如表2所述：

四、基于PLC的车床电气控制系统程序设计

（一）设计要求

前文已经指出，PLC控制系统相对于传统继电器控制系统，简化了复杂繁琐的布线结构。其实PLC最重要的优势在于其灵活性，在执行新的生产流程时，只需对内部程序进行重新编写或调整即可，避免了反复布线造成的人力和物力的浪费。对于像C650这样的普通车床，只需简单的条件和顺序指令即可对其实施控制。因此在编写PLC程序时，只需要在控制按钮发出信号后内部程序的运算结果能对执行设备发出相应的指令即可。

（二）程序编写

在编写PLC程序时，可以通过梯形图、语句表、程序块等形式进行表示。一般采用梯形图表示较为直观，本文就以梯形图的形式来对PLC程序进行编写。可在STEP7-Micro/WIN32中进行程序的编写与调试，编写完成之后通过PC/PPI电缆将程序发送到PLC中。C650车床控制系统PLC程序梯形图4如下：

结合图3和图4分析PLC控制的机制：1.接通SB2，Q0.0动作，电机起动，车床运行。接通SB1，QO.1、Q0.2释放；断开SB1，QO.1动作，电机停止，车床停车。2.旋动z2旋钮，Qo.4动作，控制刀架快速移动。3.接通SB4，Q0.0动作；断开SB4，Q0.0释放，实现点动功能。4.需要进行冷却时，接通SB7，Qo.3动作，电机输送冷却液；接通SB8，即可停止。

五、总结

在进行控制系统的设计时，要根据实际车床的控制要求和特点逐步进行分析，设计步骤总结如下：1.要根据功能将被控对象分成主运动控制和辅助控制两部分；2.根据被控对象的实际要求来确定输入和输出的点数；3.根据输入输出点数来选择合适型号的PLC，选择标准是I/O点数能满足所需点数；4.根据控制要求设计配线图；（5）进行PLC程序的编写与调试。

笔者只是总结了PLC控制系统的一般设计流程，由于不同型号的车床的电气控制要求和特点也不尽相同，因此在设计之前要首先对车床的电路和工作机制进行研究分析，然后再按照上述流程逐步进行分析设计。基于PLC的车床电气控制系统相比与传统的继电器控制系统具有结构简单、稳定可靠、灵活性高、价格低廉等诸多优势。相信在将来的车床电气控制系统中，基于PLC控制系统将会不断发展创新，不断拓宽其适用范围，不断简化控制流程，不断提高自动化水平，为提高车床的生产效率做出更多的贡献。

浅谈电气控制系统设计:基于PLC的静态切割机电气控制系统设计

摘要：切割机随着科学技术的进步，在功能上也有着很大的提升，被广泛的应用于工业生产中。本文主要对PLC静态切割机电气控制系统的设计进行了分析，希望能为大家提供借鉴。

关键词：切割机；PLC；控制系统；设计

随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，切割机在工业生产应用中也有着很大的发展，目前切割机有着火焰切割机、等离子切割机、激光切割机、水切割等，其有着不同的功能和用途。

一、PLC电气控制系统的设计原则

PLC最适合的控制对象是：工业环境较差、对安全性和可靠性要求较高、系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的工业自动控制系统或装置。PLC可取代工业控制计算机，作为主控制器来完成复杂的工业自动控制任务。

PLC电气控制系统设计时，要遵循以下的原则：

（一）应满足控制对象的工艺要求，保证能够按照工艺流程准确并可靠的工作。

（二）系统构成应力求简单、实用，系统易操作、调整、检修方便。

（三）设计合理、经济，能有充分发挥PLC控制的优点。

二、设计前的准备工作

（一）工艺分析。必须要对生产的工艺特点、工艺流程、主要功能等进行分析总结，提出对PLC电气控制系统设计的工艺要求。

（二）机型选择。机型的选型必须要满足工艺的要求，要基于简单、实用、易操作的原则。

（三）外部电路及电路元件的选择。根据工艺要求设计出外部电路，并要选取电路元件，例如电机、刀开关、熔断器、接触器、热继电器等。

三、控制电路的设计

（一）PLC控制系统的控制要求

1、系统设有手动、单周期、单步、连续、回原点、五种工作方式，台面在最前面，刀架在最上面，为系统的原点状态。

2、台面机构前/后运动时，电机必须已启动，而电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。

3、磨刀必须在刀片旋转时才能工作。

4、五种工作状态下，按下总停止按钮后，除带锯、磨刀装置外，刀架、台面的动作应立即停止。

5、电源接通后控制台面刹车的接触器KM7立即通电。

（二）电气元件的配置

1、刀开关QS1：刀开关QS1串接控制主电路的单相电源，选用规格HD11-100/28型单投双极刀开关1只。主要技术参数： 额定交流电压220V，额定交流电流100A。通断能力100A，1S短时耐受电流6kA，动态稳定电流峰值15kA。

2、熔断器FU4：选用RT18K-25型，主要技术参数：壳架等级额定电流25A，额定电流2A，额定电压AC 220V，额定断路分断能力：220V/50kA。

3、按钮SB1、SB2、SB5、SB15：选用NP4-20BN/2型，颜色为绿色，按钮SB3、SB10、SB11、SB12、SB13、SB14：选用NP4-20BN/4型，颜色为红色，按钮SB4、SB6、SB7、SB8、SB9：选用NP4-20BN/6型，颜色为蓝色。NP4系列按钮其主要技术参数如下：额定绝缘电380V，额定交流工作电压AC 220V，约定发热电流10A，额定交流工作电流4.5A。额定直流工作电压24V,额定直流工作电流2.5A。

4、行程开关SQ1～SQ4：选用YBLX-K3/20HS/Z型，其主要技术参数：额定交流电压AC 380V，额定直流电压DC 220V，额定控制容量交流200VA直流50W,含1对常开和1对常闭触点，动作最大行程3mm，最大差程1.2mm，最大操动力30N，最小回复力5N,最大全行6.0mm。

5、信号指示灯：选用ND16-22B/4型，其主要技术参数： 额定交流电压220V，额定电流≤20mA，指示灯选红色。

6、接触器：选用NCH 8-20型，其主要计数参数：额定绝缘电压500V，额定工作电压AC 230V，约定发热电流20A，额定工作电流20A，控制功率4Kw。

7、接近开关：选用E2E-X20DM8，其主要技术参数：检测距离20mm±10%，设定距离*1：0～16mm，应差距离：检测距离的10%以下，标准检测物体：铁54×54×1mm，应答频率*2：0.1kHz，电源电压（使用电压范围）：DC12～24V 脉动(p-p)10％以下 （DC10～30V）。

8、拨盘开关：选用A7CN型，其主要技术参数：开关负载容量（阻性负载）：1mA～0.1A、DC5～30V，连续通电电流：1A，接触电阻，200mΩ以下，操作力：4.41N以下。

9、转换开关：选用LW5D16F/5型，其主要技术参数：绝缘电压500V，发热电流16A。

三、PLC的选择

（一）可编程序控制器物理结构的选择

根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式，整体式每一I／O点的平均价格比模块式的便宜，控制系统般使用整体式可编程序控制器。

（二）可编程序控制器指令功能的选择

现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部编程元件(如辅助继电器、定时器和计数器)的个数越来越多，任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求。如果系统要求完成模拟量与数字量的转换、PID闭环控制、运动控制等工作，可编程序控制器应有算术运算、数据传送等功能，有时甚至要求有开平方、对数运算和浮点数运算等功能。

（三）可编程序控制器I／0点数的确定

确定I／O点数时，应准确地统计出被控设备对可编程序控制器输入／输出点数的总需求，在此基础上，应留有10％～20％的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。整体式可编程序控制器的基本单元、扩展单元的输入点数和输出点数的比例是固定的，如与系统要求的输入／输出点数的比例相差较大，可以选用只有输入点或只有输山点的扩展单元或扩展模块。

（四）存储器容量的选择

在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I／O点数乘以8，就是所需存储器的字数，这一要求一般都能满足。

在选择可编程序控制器的型号时不应盲目追求过高的性能指标，在I／O点数和存储器容量方面应留有定的裕量。

四、系统的软件设计

为了满足生产需要，很多工业设备要求设置多种工作方式，如手动和自动（包括连续、单周期、单步等、自动返回初始状态）工作方式。手动程序比较简单，一般采用经验法设计，复杂的自动程序一般根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计。具有多种工作方式的控制系统的梯形图总体结构如图2所示。选择手动工作方式时手动开关X1为ON，将跳过自动程序，执行公用程序和手动程序。选择自动工作方式时X1为OFF，将跳过手动程序，执行公用程序和自动程序。

图2

（一）公用程序。用于自动程序和手动程序互相切换处理，当系统处于手动工作方式时，必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器复位，同时将表示连续工作状态的继电器复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误动作。

（二）手动程序。手动操作时用对应的6个按钮控制切割机的抬刀、落刀、台面向前、台面向后、刀架停止、台面停止。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的联锁，例如抬刀与落刀之间，台面向前与台面向后之间的互锁，以防止功能相反的两个输出继电器同时为ON。根据控制要求，台面机构前/后运动时，电机必须已起动，而电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。所以Y0线圈与控制台面向前/后的Y3和Y4线圈串联。当按下总停按钮，常闭触点断开，不执行指令，刀架、台面的动作立即停止。磨刀必须在刀片旋转时才能工作，所以在控制磨刀的Y1线圈串联Y0的常开触点。

（三）自动程序。在自动程序的过程中是切割机自动的对泡沫材料进行切割，自动判断切片的厚度，切割刀片的切割深度，切片的深度是由测速齿轮和计数器共同完成，在刀架下移的过程中测速齿轮也在跟随转动，每转动一圈向计数器发送5个脉冲并判断切割的厚度。在自动程序中首先是要对切割厚度进行设置，厚度是由拨盘开关设定的，在落刀时，当材料的完成的落刀量达到设定值刀架停止移动，继而台面前移，对材料进行切割。

五、结语

PLC控制系统切割机，在设计时必须要满足工业生产环境、生产工艺等要求，尽量做到实用、经济合理、易操作、方便维修等特点，我们还需要不断的改进和创新，来满足越来越复杂的需求，力求为工业的生产提供有力的保障。

浅谈电气控制系统设计:自动激光焊接设备电气控制系统设计

摘 要：依据自动焊接设备机械结构设计要求，对设备功能和动作进行分析，根据其特点对电气自动化控制进行设计。选择合适的硬件模块和电子元器件，编写可靠的软件程序；设计自动焊接设备和激光发生器的通讯接口连接方式，确保自动焊接设备能安全、稳定、可靠控制激光发生器进行金属零件的焊接。最终实现自动将两个“L型”金属材料焊接成一个“口型”零件的功能，并应用于实际工业生产。

关键词：可编程控制器；伺服控制系统；激光器；焊接

引言

金属零件激光焊接工艺是将工控技术和激光焊接技术相结合，完成对不同材质、厚度、形状的金属进行焊接。由于应用广泛，使得焊接设备通用性大大降低，应用于液晶显示领域中的焊接设备更是少之又少。目前只有台湾、日本和国内少数自动化厂家研制并开发出自动激光焊接专用设备。台湾立意公司采用三菱伺服控制系统，台湾孟晋公司采用德国库卡机器人，都掌握设计开发自动焊接设备，与激光器结合完成金属零件批量焊接的技术。只是高额的设备采购费用和低利润产品，不得不让有一定研发能力的厂家进行激光焊接设备的开发设计和生产制造。

相对一百多万元人民币的进口专用设备，自制自动激光焊接设备材料成本只有二十万元，采用双伺服控制系统完成对激光器焊接加工头的固定、调整和焊接功能，采用步进电机控制移送机械手运送金属零件。为方便焊接工艺调整，还加入压料，电磁铁吸料、手动调整等功能，使自行设计的设备自动完成金属零件焊接成为可能，并且焊接质量和焊接效率都可以达到工业生产要求。

自动激光焊接设备的功能是自动将两个“L型”金属料片焊接成“口”料片，为下一冲压工序做准备，其目的在于提高原材料的利用率。原有冲压工艺过程中会产生中间废料，材料利用率只有30%左右；增加自动焊接设备和焊接工艺后，没有中间废料产生，材料利用率提高到75%以上。

一、机械结构总体方案设计

自动激光焊接设备机械结构主要由积料架、移送机械手、治具板、激光焊接头移送机构以及机架五个部分组成，如图1所示。积料架是将两组“L”型金属料堆叠起来，实现将料片逐步向上移送的功能；移送机械手主要由两组带有真空吸盘的手臂组成，通过一个步进电机和一个气缸完成将料片依次移送到焊接治具板上，并将焊接好的零件从治具板移出的功能；治具板主要功能是完成两个“L”型料片的精确定位；治具板上方的激光焊接头移送机构在两组伺服电机的驱动下带动依次发出激光的焊接头匀速运动，完成金属零件的焊接功能。

二、电气控制系统总体方案设计

电气控制系统设计必须考虑到机械系统结构特点和一些特定功能，如激光焊接头移送区必须采用精度较高的伺服电机进行传动，而移送机械手采用步进电机和气缸传动即可，同时还要考虑设备成本、维修难易程度、工作效率等多方面因素。根据该设备特点，设计出电气控制系统方案如图2所示。

可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是电气控制系统的核心。它的主要功能是获得输入端口开关、按钮等信号，经过软件处理，将输出信号传输给外部中间继电器，从而驱动气缸电磁阀、电磁铁、真空发生器、步进电机等外部负载，实现焊接金属零件的功能。PLC还和两个脉冲发生器通讯，再加上两台伺服驱动器、伺服电机以及外部传感器组成了一个闭环控制系统，确保伺服电机按照程序精确定位，使激光焊接头匀速运动，达到最佳焊接效果。

为了和激光发生器进行控制通讯，PLC还通过一个小型PLC和激光器的并行输入输出接口通讯。其主要目的是，发出焊接指令的同时，得到激光器发出的反馈信号，确保激光器可以按照自动激光焊接设备的要求发出激光，最终来实现对金属原材料的焊接功能。

（一）电源设计。由于选用三菱伺服电机，输出电源需要三相交流220V电源，因此配备一个功率为1kW三相380V变220V变压器专供伺服控制系统使用。为了防止人身触电，控制回路均采用低压直流24V电源，同时控制电源还采用双直流24V电源供电系统。中间继电器、PLC外部传感器、触摸屏都由直流开关电源供电；外部负载，如电磁阀、真空发生器、电吸铁等，其驱动电流稍大，且容易出现外部短路故障，因此采用全桥整流电源。可见双直流24V电源供给使得精密元器件稳定工作的同时，还可以防止外部负载对其干扰的影响。

（二）伺服控制系统设计。伺服控制系统由PLC、脉冲发生器（FX2n-1PG）、伺服驱动器（MR-J2S-40A）和伺服电机（HC-KFS43）组成。脉冲发生器就是根据PLC的指令将正转或反转脉冲发送给伺服驱动器，同时接收伺服驱动器收到伺服电机编码器的反馈信号，从而确定伺服电机是否按照PLC发出的指令正常工作。

硬件配置完成后，还要根据需求对伺服驱动器参数进行必要的设置。首先确定脉冲指令单位，该系统选用滚珠丝杠给进量为5mm。在程序中对脉冲发生器定义：伺服电机转一圈激光加工头移动的距离是5000um；伺服电机转一圈所需的脉冲数量为4096（2的n次方，且最接近5000），因此脉冲指令单位就是5000/4096（即伺服驱动器每发出一个脉冲，激光焊接头前进5000/4096um）。