（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）管端成形機(jī)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

東南人學(xué)碩i ：學(xué)位論義 a b s t r a c t e x c e p tp l a n ks t u i f , t u b ei s ak i n do fp r o x i m a t em a t t e rt h a ti sm o s tw i d e l yu s e di na v i a t i o n ，a u t o m o b i l e ， p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , f u r n i t u r ea n dt r a n s p o r t a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a c h i n e r ym a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o d e r nc o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds e l l s o rm e a s u r i n gt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to f m a c h i n i n gi n d u s t r yb e c o m ef a s ta n dt h ed e m a n do ft u b eb e c o m eh i g h e r a sad e v i c eo ft h et u b e - e n dm a c h i n i n g ，i t i sv e r yi m p o r t a n tt oi n c r e a s et h ea c c u r a c yo ft u b e e n dm a c h i n e t h i sp a p e rd e s i g n e dac o n t r o ls y s t e mo ft u b e - e n df o r m i n gm a c h i n e i tc a ni m p l e m e n ta c c u r a t em a c h i n i n gt o t u b e - e n d t h ec o n t r o lc o r eo ft h em a c h i n ei sp l c t h em a c h i n ei sc o m p o s e do fs e r v om o t o r s h y d r a u l i c c o m p o n e n t s ，t o u c hs c r e e na n ds o m eo t h e rm e c h a n i s m w i t ht h eh s c o ft h ep l c ，i tc a l lg e tv e r yh i g ha c c u r a c yb y u s i n gl i n e a re n c o d e ra st h ep o s i t i o nd e t e c tc o m p o n e n t o nt h eb a s eo ft h ee n t e r p r i s e ss i t u a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to ft h et e c h n o l o g ya n ds y s t e ma c c u r a c y , t h i sp a p e rd i s c u s s e dg e n e r a ld e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo ft h et u b e - e n df o r m i n gm a c h i n e ，a n ds e l e c t e da n dd e s i g n e d t h em a i nc o n t r o l l e r , o p t i c a lg r a t i n g ，a cs e r v os y s t e ma n dh u m a ni n t e r f a c em a c h i n e b yt h ei n s t a l l a t i o no ft h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h em a c h i n ea n dt h ed e b u g g i n go ft h ec o n t r o ls o f t w a r e ，t h em o t i o nc o n t r o lo ft h em a c h i n e w a si m p l e m e n t e d ，a n dt h er e q u i r e m e n to ft h ea c c u r a c yw a si m p l e m e n t e d ，t o o t h es y s t e mc a ni m p l e m e n ta u t oc o n t r o la n dm a n u a lc o n t r 0 1 n s h m ic a nm o n i t o re v e r yl i n ko ft u b e - e n d m a c h i n i n g i t so p e r a t i o n i s v e r ys i m p l e a tt h e s a m e t i m e ，i t a l s oh a sh i g h e rr e l i a b i l i t ya n d f r i e n d l y h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e k e yw o r d s p l c ，h m i ，a cs e r v os y s t e m 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用 過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明 并表示了謝意。 妒。名、s 霧 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可 以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研 究生院辦理。 研究生簽名：o 電基ls 召 第1 章緒論 1 1 課題背景和意義 第1 章緒論 機(jī)械制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)中很多行業(yè)的發(fā)展，都依靠機(jī)械制造業(yè)的支持；它的發(fā) 展直接影響到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部l j 的發(fā)展，也影響到國(guó)計(jì)民生的提高和國(guó)防力顰的加強(qiáng)，岡此，各國(guó)都把機(jī)械 制造業(yè)的發(fā)展放在重要位置。隨著機(jī)械產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，各公司都把高新技術(shù)注入機(jī)械產(chǎn)品的開 發(fā)中，作為競(jìng)爭(zhēng)取勝的重要手段。因此，機(jī)械制造業(yè)是其他高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)i = _ q l , 價(jià)值的最佳集合點(diǎn)【l j 。 管類結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、剛度好、外形美觀、節(jié)省材料的特點(diǎn)，其成形加i ：性也1 仁常優(yōu)良。除了傳統(tǒng)的 車、銑、刨等機(jī)械切削方式外，管材還可以用沖裁、彎曲、縮口、擴(kuò)口、脹形、翻轉(zhuǎn)等塑性方法加f ：。以 各種金屬薄壁管件為主的中空截面管件，廣泛應(yīng)用在航空航天、車輛、石油化工、家具及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域， 特別在汽車、摩托車上，管件是除板材外使用最多的一類型材。以管件為坯料，進(jìn)行各種加j ：以得到制件， 稱為管件的二次加工，簡(jiǎn)稱管件加上。其中對(duì)管件端頭進(jìn)行擴(kuò)口、縮口、脹行、旋溝、倒角等加工，稱為 管端成形加工。 目前，以不銹鋼、優(yōu)質(zhì)合金等材料制造水管、油管和氣管是世界的潮流和發(fā)展方向。管件端頭形狀的 加t 要求、形式、深度都發(fā)生不同變化，成形精度、同軸度、粗燥度、通用互換率的特定要求均明顯提高， 提出了高智能化的要求?！笆晃濉庇?jì)劃期間，建設(shè)部把“薄壁不銹鋼建筑排水管應(yīng)用技術(shù)”等建設(shè)項(xiàng)目 列入科技成果推j “項(xiàng)目，為多工位管端機(jī)械提供了更好的發(fā)展機(jī)遇。 為了加快管材加t 機(jī)械技術(shù)的研究和開發(fā)步伐，提高機(jī)械設(shè)備的科技含量，開發(fā)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的 新產(chǎn)品，江蘇合豐機(jī)械有限公司與東南大學(xué)合作開發(fā)一款管件端頭成形加r 的生產(chǎn)母機(jī)“s g 3 5 c n c v 全自動(dòng)管端成形機(jī)”。該設(shè)備采用一次裝夾完成整個(gè)工序，高精度光柵尺閉環(huán)檢測(cè)，成熟可靠的：r 業(yè)控 制設(shè)備，交流伺服傳動(dòng)和電液比例閥控制系統(tǒng)，從根本上提高了管端成形加工的精度，解決了以前管件端 頭加工設(shè)備的重復(fù)定位精度低，加工精度差，手動(dòng)操作多等問(wèn)題，大人提高了國(guó)產(chǎn)設(shè)備的管端成形加工的效 率。該項(xiàng)目的實(shí)施推進(jìn)了工業(yè)界與大學(xué)之間的合作交流，促進(jìn)了科技成果的轉(zhuǎn)化。 1 2 管端成形機(jī)概述及工藝流程 管端成形機(jī)是對(duì)管件端頭成形的機(jī)械加工設(shè)備，可利用不同的模具對(duì)管件端頭進(jìn)行擴(kuò)口，縮管，切削， 倒角，旋溝等加工。 管件端頭成形加工的工藝作過(guò)程大致可以分為以下幾個(gè)步驟： 首先管件定位，管件夾緊，選擇模具，進(jìn)模，加工( 成形，切削，倒角，旋溝) ，加工完畢退模。根 據(jù)管件的工藝要求，重新選擇模具，即換模，重復(fù)上述步驟，直至加j 二完成后，模架歸位，退夾，取下管 件。管件端頭成形加上的：【：藝過(guò)程如圖1 1 所示： 圖1 1 管端成形工藝過(guò)程 4 、mj 、- l7 n 睦z 1 3 國(guó)內(nèi)外管端成形機(jī)的現(xiàn)狀 h 前崛山二，、f ：債目【1 制造j 一家趨r 增彰，已經(jīng)衲步形成產(chǎn)業(yè)熊聚肝，為卅群島新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的梯 應(yīng)轉(zhuǎn)移和弼粘挺供丁機(jī)坦。仉其技術(shù)成熟 v 度，儀處 ：一 l 托擴(kuò)管、縮管的功能，機(jī)構(gòu)最多為6i 住， 塒限丁宣裝擴(kuò)、縮管椎j t 。為此多數(shù)符端成形機(jī)只能進(jìn)行l(wèi) q 玖擴(kuò)、縮管加h 遇到旋溝用l 倒角l 序桃不 能一次裝夾j j ui 完j 正高在不同機(jī)床上分次加l 。圍山行業(yè)中的設(shè)器人都集中在人中q o 臺(tái)資和l 臺(tái)資證北手 中。改籍的l u t 控制系統(tǒng)通常采h j 單片機(jī)域p l c 控制例如：?jiǎn)躺龣C(jī)械的“e f 3 0 - 6 縮管機(jī)”、人和l 機(jī)撤的 “r h 一3 8 縮符機(jī)”。該吐薔局限住對(duì)管端擴(kuò)、縮、鈍孌行加h 機(jī)械結(jié)杠j 簡(jiǎn)單，m 晶精度低4 ：能滿足高 幫度復(fù)加管制 次成形的要求。其缺點(diǎn)在丁管端形狀復(fù)雜的管子要分兩臺(tái)及苴以卜的駛備才能完成。：次 胭l ：造成袈夾止何精度若，生產(chǎn)效率低。 回外住這個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中l(wèi) 經(jīng)發(fā)展多年。追溯到上1 ”紀(jì)l 荊國(guó)際高端市場(chǎng)在對(duì)管端成形機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、 i ：藝l ：張、拄制技術(shù)、加i ，精度和i i i f 機(jī)可括性、穩(wěn)定性的研發(fā)中，就開始把擴(kuò)，縮、旋淘、倒角筲4 個(gè)主 要功能集中為體，形成產(chǎn)業(yè)化。目前已有美國(guó)的e a g l e 、r m d 、意人利b l m 、b e m a 、s t a r b e n d 等 公司的產(chǎn)晶成功投放市場(chǎng)，其電氣控偉0 系統(tǒng)通常采州l ：拄機(jī)和h m i 界面硬備操作方便管忭端頭的成 形精度高。 1 4 s g 3 5 c n c v w 全自動(dòng)管端成形機(jī)的組成 s g 3 5 g c n c v a 白動(dòng)靜端成形機(jī)( 如嗍1 2 所示) 娃由機(jī)械系統(tǒng)、屯氣系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)等部分 暫t 成。 閏1 2 符端成形機(jī) 1 、機(jī)械系統(tǒng) 箭端成彤機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)身、滾珠縫桿# l 拗、箝體、欄且摹庠、苻什加緊裝置、烈手起動(dòng)手柄和l 觸摸屏操作臺(tái)- 機(jī)身址巾扳村、刪材蟬接缽進(jìn)而墟的瞇身，瞇身i 裝仃導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上的所有機(jī)破裂囂部能 “】汕缸的牽引r 在x 古向i ：前進(jìn)后j l 圭。睞蛆導(dǎo)軌i 佃址滾珠絲h = 機(jī)構(gòu)， 耗昧蝗桿鑲嵌百岍側(cè)裂宵甘軌的 u 形梢山。導(dǎo)軌i 1 6j j 芊i 體椰欄凡屜庠 滾叫、甜+ i j 螄礎(chǔ)r 舡y 山h 7 - - 移動(dòng)。精體是扳材璉垃而成 m iv * ，r ，f 一內(nèi)刪行“2 十一輕i l 們r(jià) ，j f n 甘軌。轄體底州n小_ i l l l i 1 1 【的活r m h 和壩兒孽碰* 1j l 柑f 1 j i 研挑 f 1 個(gè)7l 叭，7 嘣的i t 劬f 比幢個(gè)墊塊。油缸帆世祧兒址嗽“ 精m 刪l 葉軌r 臥j l ”h 一。+ t 缸蝴：m 牡塊至性j 恥庳in ， n | 缸j ir ，模具葚庠h 舟母塊l ；返攤就實(shí)現(xiàn)r 性j 萜庠的上升性j 坫崩的r 降 址j 墮過(guò)“：7 d l 兜j4 1 起7 、缸世川，墊塊址i 刮杉h 坫庠外側(cè)汕j * n 幾ir “刨模j i 犟胯川士u 輔體底郵。 幔且苧垮1 犍有6 十* 管篩管的模具和旋溝、f 判舶姨置。這8 個(gè)成形襁且州的件置戈系如凹i3 所示。棧 幾革序?qū)嶋H仲置如i 剁i4 所示。管忭加緊數(shù)置是由2 個(gè)單相刪控制的油缸，以空現(xiàn)對(duì)箭川f f j 定。烈r 起 動(dòng)于柄j ：州左右曲側(cè)再裟砒個(gè)按鈕，白動(dòng)控制方式r ，這兩個(gè)按鈕同時(shí)按f 糾有起動(dòng)信號(hào)。手柄f l 面姨 仃個(gè)腳蹄開蓋。放管制衍踩r 腳踏開戈，裝置白動(dòng)地緊管。觸摸屏操作臺(tái)世由扳村焊接i m 成上 呵定r 人機(jī)抖臨，旁地裝有鑰匙式l u 源拄鈕、緊急停l f ：按鈕液爪l b 機(jī)起動(dòng)拄鉗、也機(jī)停i r 拄鈕手系統(tǒng) 復(fù)何按t f 。 一、 i - 9 r 卜一7 ，6 j j ；5 卜0 4 h 、一 、。 、_ 7 k 。 1 、土一 k 一；，a i ： 7 一 一- 一 * 1 1 0 m m j z 。! ! 塑盟 一印他! ! ! 巴； 幽1 , 4 模兒坫庸h 東南人學(xué)頌i ：學(xué)位論義 管端成形機(jī)的電氣系統(tǒng)由電氣控制柜、可編樣控制器、人機(jī)界面、光柵尺、伺服電機(jī)及其控制器等部 分細(xì)成。本系統(tǒng)采用3 8 0 v 三相電源供電，其中液壓泵電機(jī)由3 8 0 v 供電，伺服系統(tǒng)主電源由變壓器輸出 的2 2 0 v 電源供電，可編釋序控制器和伺服系統(tǒng)的控制電路由開關(guān)電源提供2 4 v 直流電壓，光柵尺等測(cè)量 部件由開關(guān)電源提供5 v 肓流電壓。電氣控制柜中配有交流接觸器、中間繼電器、功率放人板、伺服驅(qū)動(dòng) 器，具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性。 3 、液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 液壓傳動(dòng)是以液壓油作為介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械量( 力、位移或速度等) 的傳遞?，F(xiàn)在，許多新型的【 程機(jī)械、數(shù)控加一j ：中心、自動(dòng)化生產(chǎn)線都采用了液壓傳動(dòng)。近十年來(lái)，液壓技術(shù)與傳感技術(shù)、微電子技術(shù) 密切結(jié)合，出現(xiàn)了許多諸如電液比例控制閥、數(shù)字閥、電液伺服液壓缸等機(jī)( 液) 電一體化器件，使得液 壓技術(shù)在高壓、高速、大功率、低噪盧、使用壽命長(zhǎng)、高度集成化等方面有更人發(fā)展。當(dāng)今液壓技術(shù)亦發(fā) 展成為包含傳動(dòng)、控制與檢測(cè)在內(nèi)的白動(dòng)化技術(shù)，作為柔性制造系統(tǒng)( f m s ) 在包裝設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線 和機(jī)器人等方面成為不可缺少的重要手段【2 1 。 與機(jī)械傳動(dòng)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)相比，液壓傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)【2 l ： 1 ) 液壓元件的布置不受嚴(yán)格的空間位置限制，系統(tǒng)中個(gè)部分用管道連接，布局安裝有很大的靈活性， 可以構(gòu)成用其它方法難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。 2 ) 可以在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)2 0 0 0 ：1 。 3 ) 液壓傳動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，易丁實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。 4 ) 操作控制方便、省力，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、中遠(yuǎn)程距離控制、過(guò)載保護(hù)。與電氣控制和電子控制 相結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)t 作循環(huán)和自動(dòng)過(guò)載保護(hù)。 5 ) 液壓元件屬機(jī)械_ l 業(yè)基礎(chǔ)件，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度較高，有利于縮短機(jī)器設(shè)計(jì)、制造周 期和降低制造成本。 除此之外，液壓傳動(dòng)突出的優(yōu)點(diǎn)還有單位質(zhì)量輸出功率大。液壓傳動(dòng)的功率元件可采用很高的壓力( 一 般可達(dá)3 2 m p a ，個(gè)別場(chǎng)合更高) ，因此，在同等輸出功率下，具有體積小、質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)性 能好的特劇2 1 。 管端成形機(jī)的液壓系統(tǒng)由夾緊油缸、項(xiàng)起油缸、主油缸和液壓馬達(dá)4 個(gè)部分組成。夾緊油缸用于夾持 管件，保證加工過(guò)程中管件的【占i 定。頂起油缸用米切換上下兩排模具。主油缸控制模具基座的前進(jìn)后退。 系統(tǒng)中的夾緊油缸、頂起油缸和主油缸均由液控單向閥鎖緊，減少了工作中的壓力損失，保證了油缸活塞 在任意位置保持不動(dòng)，從而使管端成形機(jī)的夾緊、支撐等動(dòng)作可靠。主油缸回路由光柵尺、p l c 的高速輸 入模塊、電液比例流量壓力閥、疊加式液控單向閥和電磁換向閥構(gòu)成閉環(huán)控制回路，控制模具的前進(jìn)與后 退，實(shí)現(xiàn)模具的精確定位。液壓馬達(dá)同路由p l c 的高速輸出模塊、電液比例閥、疊加式液控單向閥和電磁 換向閥構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)模具的旋溝或倒角操作。液壓系統(tǒng)原理如圖1 5 所示。 第】牽緒論 液壓馬達(dá) 1 5 管端成形機(jī)的控制要求 圖1 5 液壓系統(tǒng)原理圖 整個(gè)機(jī)器由主控制器，觸摸屏，腳踏開關(guān)，伺服電機(jī)，光柵尺和比例液壓閥等構(gòu)成，可以測(cè)量模具基 座的進(jìn)給距離，可以通過(guò)比例閥控制模具基座給進(jìn)的速度，可以通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿調(diào)整模具基座 位置。雙手啟動(dòng)按鈕作為自動(dòng)加j ：的啟動(dòng)信號(hào)。該系統(tǒng)能夠完成手動(dòng)、自動(dòng)兩種i ：作方式。對(duì)管件成形過(guò) 程中的各個(gè)開關(guān)，按鈕的狀況可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，使得操作人員對(duì)機(jī)器的工作狀態(tài)有一個(gè)快速直觀 的了解。在一i j 作過(guò)程中，1 ：作參數(shù)具有可選性與可調(diào)性。 具體步驟說(shuō)明如_ 卜： 1 ) 模具對(duì)管件j l ：位定位，等待放管。( 即定位氣缸驅(qū)動(dòng)定位擋板，管什端頭接觸擋板放置) 。 5 東南人學(xué)碩i j 學(xué)位論文 2 ) 管什夾緊裝置的夾緊動(dòng)作，由時(shí)間控制，時(shí)f n 】長(zhǎng)短可設(shè)定，精度0 1 秒，夾緊動(dòng)f t - 士u 何后電磁鐵 斷電，由單向閥保持油缸壓力。 3 ) 模具基座上的八個(gè)成形模具的r ：作順序可任意選擇，其中旋溝和倒角動(dòng)作的模具由液壓馬達(dá)進(jìn)行 控制，動(dòng)作時(shí)通電，不1 ：作時(shí)斷電。 4 ) 左右換模：模具基座的橫向移動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿完成。 5 ) 上- 卜換模：選擇卜排模具則油缸做頂起動(dòng)作，模具上移劍何后，下方的墊塊氣缸動(dòng)作，將墊塊推 入，油缸再把模具基座f 壓至墊塊上。選擇上排模具，同樣，油缸先將模具項(xiàng)起，氣缸移出墊塊， 油缸再把模具基座卜壓至箱體底部。 6 ) 前后移模：主油缸推動(dòng)模具基座，對(duì)管件進(jìn)行成形，平面倒角、旋溝等動(dòng)作，前進(jìn)劍位的精度 0 0 2 r a m ，前進(jìn)位置的數(shù)據(jù)可以單獨(dú)設(shè)定。前進(jìn)速度在到位前逐步降低，以提高到位精度、降低 沖擊。 7 ) 管件夾緊裝置的松開動(dòng)作，由時(shí)間控制，時(shí)間長(zhǎng)短可調(diào)，精度0 1 秒，返同后松開電磁鐵斷電。 8 ) 取管。 1 6 管端成形機(jī)的精度要求 該機(jī)器采用一個(gè)機(jī)體八個(gè)工位的設(shè)計(jì)，一次裝夾，連續(xù)加- 丁完成多工序流程，排出了重復(fù)裝夾帶來(lái)的 誤差，保證了管端口的同軸度、光潔度；“旋溝頭”和“倒角頭”兩個(gè)工位采用了新技術(shù)結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，避免了其 工作中的重復(fù)定位不穩(wěn)定，動(dòng)作不規(guī)則的缺點(diǎn)；擴(kuò)、縮管上位呈雙排結(jié)構(gòu)布置。 系統(tǒng)性能指標(biāo)： 1 ) 夾緊、退夾的時(shí)間分辨率0 1 s ； 2 ) 換模精度：o 0 2 r a m ，換模最快速度：0 0 5 0 1 6 m s ； 3 ) 加：j 二精度：0 0 2 r a m ，加工最快速度：0 0 8 0 2 m s ； 4 ) 旋溝速度：0 5 0 0 印m ； 5 ) 倒角轉(zhuǎn)速：o 1 4 0 0 r p m ： 6 ) 整循環(huán)成形周期：l o 3 0 s 。 1 7 本文所做的主要工作 1 ) 結(jié)合企業(yè)具體情況，在分析管端成形機(jī)的工藝要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)比較論證，確定控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了管端成形機(jī)的動(dòng)作要求，達(dá)到對(duì)管材加j r 精度的要求。 2 ) 完成了管端成形機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)，位移測(cè)量、主控制器和人機(jī)界面觸摸屏等的硬件選犁與設(shè)計(jì)。 3 ) 根據(jù)管端成形機(jī)的工藝要求，完成了管端成形機(jī)控制系統(tǒng)p l c 軟件設(shè)計(jì)和觸摸屏人機(jī)界面監(jiān)控程 序設(shè)計(jì)。 4 ) 完成了管端成形機(jī)控制系統(tǒng)的安裝、實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。 第2 章管端成形機(jī)l 【l 氣摔制系統(tǒng)的研究 第2 章管端成形機(jī)電氣控制系統(tǒng)的研究 2 1 管端成形機(jī)的電氣控制系統(tǒng) 由系統(tǒng)的t 藝流程和動(dòng)作可知，該管端成形機(jī)的電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)的起停控制和轉(zhuǎn)速 火小的控制，以及實(shí)現(xiàn)模具基座在空間x 、y 、z 三個(gè)方向上的位移控制。電氣系統(tǒng)的操作界面是觸摸屏， 控制核心是可編程序控制器，傳動(dòng)系統(tǒng)是交流伺服控制器和伺服電機(jī)，位移檢測(cè)元件是直線光柵尺。管端 成形機(jī)的電氣系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 h m l 人機(jī)界面 主油缸 前進(jìn)后退 比例壓力 流量閥 驅(qū)動(dòng) 模塊 o h s c 可編程序控制器 p t oo p w m 輸 入 模。 塊o o 繼 電 器 誓。 簍量 繼 電 器 誓。 蒺量 模 擬 量 輸 出 模 塊 o o 0 接口電路ll 轉(zhuǎn)換電路 交流伺服lf 比例流量閥 滾珠絲桿li 液壓馬達(dá) 模具左右 移動(dòng) 旋溝倒角 稠鬯型鬯竺 開關(guān)l 廣【工 一f 電磁閥li 電磁閥 支起 油缸 墊塊 氣缸 圖2 1 管端成形機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)中的人機(jī)界面負(fù)責(zé)工藝流程、工藝參數(shù)的設(shè)置，手動(dòng)操作，自動(dòng)操作以及報(bào)警信息的提示等。模 具基座在x 方向上的前后移動(dòng)由主油缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度的入小由比例閥的流量線圈控制，前進(jìn)推力的 大小由比例閥的壓力線圈控制。比例閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是電流，所以，驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)把p l c 的電壓輸出信號(hào)轉(zhuǎn) 換為比例閥所需要的電流信號(hào)。模具基座在y 方向上的左右移動(dòng)由交流伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠 絲桿順時(shí)針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模具基座的在z 方向上的上- 卜移動(dòng)由箱體底部的支起油缸和墊塊氣缸配合 動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。模具基座的上移是支起油缸先把基座抬起到位，氣缸把墊塊推倒基座底部，然后支起油缸在 把基座下放至墊塊上；模具基座的上移是支起油缸先把基鷹抬起，氣缸把墊塊縮同到基座外部，然后支起 油缸把基座下放至箱體底部。液壓馬達(dá)的主軸通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)旋溝頭和倒角頭一起轉(zhuǎn)動(dòng)。兩者與液壓馬達(dá) 主軸的齒輪比不同，所以，旋溝頭的最犬轉(zhuǎn)速為5 0 0 r s ，倒角頭的最大轉(zhuǎn)速為1 4 0 0 r s 。液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速是 由比例流量閥控制的。通過(guò)改變控制器的p w m 波形的l 與空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥的流量調(diào)節(jié)。液壓馬達(dá)的 旋轉(zhuǎn)方向是由一對(duì)換向閥控制米實(shí)現(xiàn)的。圖2 2 所示的為管端成形機(jī)的電氣原理圖。 東南人學(xué)頌i ：學(xué)位論義 叫繼電器l 叫換向閥j 叫氣缸、水采慣駕番- 叫繼電器l 叫換向閥i - | 夾緊油缸懈 模具上 - 繼電器換向閥 頂起油缸 下移動(dòng) 人機(jī)界面 叫比例閥l叫伺服控制器 一伺服電機(jī) 模具左 ( 觸摸屏) _ 主控制器 模具 右移動(dòng)一 牟編碼器 基座 模具前后移動(dòng) 比例閥主油缸 i 直線光柵尺 l 旋溝倒角加工旋溝倒 -比例閥 液壓馬達(dá) 角頭 圖2 2 管端成形機(jī)電氣控制系統(tǒng)原理圖 2 2 交流伺服系統(tǒng)及選型 2 2 1 伺服系統(tǒng) 伺服( s e r v o ) 意味著“伺服”和“服從”，廣義的伺服系統(tǒng)是指精確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系 統(tǒng)，也可稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。而狹義伺服系統(tǒng)的被控制量( 輸出量) 是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移或角位移， 當(dāng)位置給定量( 輸入量) 作任意變化時(shí)，系統(tǒng)的主要任務(wù)是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化，又 稱作位置隨動(dòng)系統(tǒng)【3 j 。 伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定。伺服系統(tǒng)應(yīng)該具有如下的基本特征p l ： 1 ) 穩(wěn)定性好。伺服系統(tǒng)在給定輸入和外界干擾下，能在短暫的過(guò)渡成成后，達(dá)到新平衡狀態(tài)，或者 恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)。 2 ) 精度高。伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨給定值的精確程度，如精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求很高 的定位精度。 3 ) 動(dòng)態(tài)相應(yīng)快。動(dòng)態(tài)響應(yīng)是伺服系統(tǒng)重要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，伺服系統(tǒng)對(duì)給定的跟隨快、超調(diào)小，甚 至無(wú)超調(diào)。 4 ) 抗擾動(dòng)能力強(qiáng)。在各種擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)變化小，恢復(fù)時(shí)間快，振蕩次數(shù)小，甚至無(wú)振 蕩。 伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器四部分組成，除了位置傳感器外，可能還需要電 壓、電流和速度傳感器。伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 3 所示【3 1 。 8 第2 章管端成形機(jī)i u 氣控制系統(tǒng)的f j j f 究 圖2 3 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 2 2 松下m i n a s 系列交流伺服系統(tǒng) m i n a s 系列全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)是日本松下電器公司于1 9 9 3 年投入批量生產(chǎn)的全數(shù)字化( 位置、速 度、電流三環(huán)全數(shù)字化) 的交流伺服系統(tǒng)。m i n a s a 4 驅(qū)動(dòng)器可滿足從5 0 w 到5 0 k w 的各種容量要求， 其內(nèi)部控制采用高性能c p u ，輸出級(jí)采用i g b t 、p w m 控制方式，高達(dá)1 k h z 的速度響應(yīng)頻率，岡此系 統(tǒng)響應(yīng)快、精度高，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器的高速化并大幅縮短了生產(chǎn)( 間隔) 時(shí)間。電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)全閉環(huán)控制 并具備自動(dòng)增益調(diào)整功能，在低剛性且電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)器上仍可穩(wěn)定的減震控制。驅(qū)動(dòng)器標(biāo)配有2 5 0 0 p r 增量編碼器和高分辨率1 7 位絕對(duì)式增量式通用編碼器規(guī)格的電機(jī)?？刂破骺蛇M(jìn)行同轉(zhuǎn)速度顯示等監(jiān)控、 參數(shù)的設(shè)定、試運(yùn)轉(zhuǎn)( j o g 運(yùn)轉(zhuǎn)) 、復(fù)制參數(shù)等操作，使用簡(jiǎn)便。m i n a s 系列伺服系統(tǒng)是世界上體積最小、 重量最輕的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，具有以i 卜特點(diǎn)【4 l 【5 j ： 1 ) 控制和使用簡(jiǎn)便。松下伺服系統(tǒng)是一種全數(shù)字化的操作系統(tǒng)，各種實(shí)時(shí)參數(shù)和控制方式均可通過(guò) 數(shù)字面板調(diào)整，非常適合于現(xiàn)場(chǎng)整定。面板可以顯示運(yùn)行速度、位置脈沖、實(shí)際轉(zhuǎn)矩、接線i o 狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定和錯(cuò)誤原因等大量信息。 2 ) 控制方式多樣化。有多種控制方式可供選擇：速度控制方式：轉(zhuǎn)矩控制方式；位置控制方 式，輸入信號(hào)為脈沖，有正反轉(zhuǎn)脈沖、刖b 相脈沖、脈沖符號(hào)三種方式。以上三種方式均可以 進(jìn)行復(fù)合控制。這里，速度控制方式和轉(zhuǎn)矩控制方式的輸入信號(hào)均為模擬電壓。 3 ) 對(duì)實(shí)時(shí)控制作了特別的考慮。速度環(huán)、位置環(huán)的調(diào)節(jié)器參數(shù)可以隨整個(gè)系統(tǒng)特性而隨時(shí)設(shè)定，還 可以采用前饋補(bǔ)償達(dá)到極快速的響應(yīng)。如果用戶對(duì)參數(shù)設(shè)定沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，可以采用“自動(dòng)增益調(diào)整” 功能，自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。 4 ) 接線方便。對(duì)系統(tǒng)的外部接線進(jìn)行了優(yōu)化，使得接線十分方便、可靠。它還配有自動(dòng)檢查接線狀 態(tài)的功能，可判斷接線是否錯(cuò)誤。 5 ) 保護(hù)措施齊全。系統(tǒng)配有各種自診斷保護(hù)措施，硬件軟件雙重保護(hù)，并可三倍過(guò)載。一旦發(fā)生錯(cuò) 誤，立即停機(jī)，報(bào)警并告以故障原因，在解除故障后方可重新工作，因此可靠性極高。 2 2 3 伺服電機(jī)的選型 在設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系時(shí)，應(yīng)該遵循一個(gè)原則：選擇其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載慣量相等的電機(jī)，如果負(fù)載慣 量較大，也不應(yīng)大于1 0 倍的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量【5 1 。 如果電機(jī)和負(fù)載慣量不匹配，就會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)和超速，也會(huì)引起機(jī)械共振。但是，可以通過(guò)增加 減速機(jī)米降低負(fù)載的慣餐，以適配伺服電機(jī)。 負(fù)載速度= 電機(jī)速度齒輪比 電機(jī)力矩= 負(fù)載力矩齒輪比 電機(jī)慣量= 負(fù)載慣量齒輪比 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)要求的精度較高，增加減速機(jī)后，傳動(dòng)誤差就會(huì)增大，并且很難消除，所以，在設(shè)計(jì)中力 爭(zhēng)不采_ l j 增加減速機(jī)方案【5 l 。 第一步：依據(jù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算負(fù)載慣聳。 在選擇合適的伺服電機(jī)之前，需要了解伺服電機(jī)控制對(duì)象的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。典型的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有帶減速 東南人學(xué)碩 j 學(xué)位論義 機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、齒形帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模j 基j 唪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是 滾珠絲杠。 i | m r 2 由慣量公式： 2 式中i 一滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 m 一滾珠絲桿的質(zhì)量 r 一滾珠絲桿的側(cè)面圓? 卜徑 式中滾珠絲桿的質(zhì)量m 為3 7 6 k g ，絲桿側(cè)面圓、f 徑r 為0 0 1 6 m 。計(jì)算得： 滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1 = 9 6 3 x 1 0 - 4 ( k g m 2 ) 第二步：根據(jù)工藝要求，設(shè)定運(yùn)動(dòng)曲線。 管端成形機(jī)的t 藝要求是y 軸的最大速度是0 1 6 m s ，i s 的時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離為1 2 8 m m 。根據(jù)要求，設(shè) 定的運(yùn)動(dòng)曲線如圖2 4 所示。 1 6 0 1 2 8 m m s 9 6 6 4 3 2 0 o 10 2o 30 4o 5o 60 70 80 9l s 圖2 4 伺服運(yùn)動(dòng)曲線圖 此運(yùn)動(dòng)曲線為負(fù)載側(cè)的運(yùn)動(dòng)特性，還需根據(jù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的類型，計(jì)算電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中的滾珠絲杠 的螺距為5 m m r ，所以，電機(jī)側(cè)最高轉(zhuǎn)速為1 9 2 0 f r a i n 。 第三步：選擇伺服電機(jī)。 根據(jù)以上得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及運(yùn)動(dòng)特性要求，計(jì)算出伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。依據(jù)這些性能指標(biāo)選擇 的電機(jī)為：m h m d 0 8 2 p 1 u ，驅(qū)動(dòng)器為m c d d t 3 5 2 0 0 0 3 。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1 3 8 x 1 0 - 4 ( k g m 2 ) 。負(fù)載與 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比約為7 ，符合伺服電機(jī)的選型原則。依據(jù)3 1 節(jié)中的伺服驅(qū)動(dòng)器組態(tài)的參數(shù)，伺服電機(jī) 的位移精度為5 6 2 5 m m ，即0 0 0 8 m m 。滾珠絲桿中絲牙與滾珠的嚙合精度為0 0 0 5 r a m 。則y 軸方向上換 模精度為0 0 0 0 8 + 0 0 0 5 = 0 0 1 3 ( m m ) 。不超過(guò)系統(tǒng)要求的換模精度：0 0 2 m m 。 2 3 可編程序控制器及選型 2 3 1 可編程序控制器、特點(diǎn)及其應(yīng)用 可編程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 是仿照傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的基 本概念，在半導(dǎo)體技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型i ：業(yè)自動(dòng)控制裝置。它 以微處理器為基礎(chǔ)，片j 程序仿真繼電器控制電路，具有較強(qiáng)的運(yùn)算、控制功能，應(yīng)用方便靈活，易于調(diào)試、 維護(hù)和擴(kuò)展；采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式l ：作，運(yùn)行速度快，適合于實(shí)時(shí)控制；編程語(yǔ)言除采用電氣人 員熟悉的梯形圖語(yǔ)言，還支持指令表、功能塊、s f c 、計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言等編科方式【7 1 【引。 國(guó)際電l ：委員會(huì)( i e c ) 對(duì)p l c 作了如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專 為一i ：業(yè)環(huán)境卜應(yīng)川而設(shè)計(jì)。它采h j 可編程的存儲(chǔ)器，用米在其內(nèi)部存儲(chǔ)，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、 1 0 笫2 章管端成彤機(jī)i 【l e 控制系統(tǒng)的研究 計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制籌種類刑的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 可編科序控制器機(jī)器的有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易丁與j j ：業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易丁擴(kuò)充其功能的原則設(shè) 計(jì)。，【7 j 可編程序控制器的特點(diǎn)如下i7 】1 8 l ： 1 ) 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。 p l c 是專剛丁1 ：業(yè)環(huán)境的，在設(shè)計(jì)和制造p l c 時(shí)，就已經(jīng)著重強(qiáng)化了抗干擾能力和耐環(huán)境性。在p l c 內(nèi)部，硬件方面采取了屏敞電磁干擾、l o 廣電隔離、濾波、電壓調(diào)整、白診斷電路等措施，嚴(yán)格篩選元 器件，采用了大規(guī)模集成電路技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)制造電路i ：藝：在p l c 內(nèi)部系統(tǒng)軟件方面，采取了故障軟 件檢測(cè)報(bào)警、程序檢有、警戒時(shí)鐘、數(shù)據(jù)備份、信息保存恢復(fù)等措施。在p l c 的外部控制電路方面，p l c 構(gòu)成的控制系統(tǒng)與繼電器、接觸器控制系統(tǒng)相比，連接電線和接點(diǎn)能減少9 0 以上，因此，故障率大大降 低。以上各方面的措施使得以p l c 為核心的控制系統(tǒng)具有極高的可靠性和抗干擾能力。 2 ) 編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用。 p l c 是面向用戶的設(shè)備，大部分都充分考慮到電氣工程技術(shù)人員的技能與習(xí)慣，一般都支持梯形圖編 程語(yǔ)言。梯形圖編程語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器控制電路非常相似，表達(dá)電路原理清晰直觀，容 易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和丁藝知識(shí)的人員都可在短時(shí)期內(nèi)學(xué)會(huì)。 3 ) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的工作量小，維修方便，利于柔性制造。 p l c 用軟件邏輯取代繼電器電路的硬接線邏輯，能大量減輕控制電路的外部接線，減少設(shè)計(jì)施工的工 作量：p l c 的自診斷報(bào)警、故障信息提示等功能可以幫助操作人員維護(hù)維修控制系統(tǒng)；當(dāng)控制工藝變化時(shí)， 不須改變控制電路硬件，只要修改用戶程序就能適應(yīng)工藝的變化，有利于實(shí)現(xiàn)柔性制造。 4 ) 體積小、重量輕、功耗低。 p l c 與繼電器控制電路相比，體積減少9 5 以上，功耗減少7 0 以上。由于體積小、功耗低、抗干 擾能力強(qiáng)，易于安裝在機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 5 ) 硬件配套齊全。功能強(qiáng)，通用性好。 p l c 配備有品種齊全的各種功能模塊，可以方便靈活地組成不同規(guī)模和功能的控制系統(tǒng)，用戶基本不 用自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置。除了邏輯處理功能以外，p l c 還具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、通信等功能， 還能提供位置控制、溫度控制、模擬量、高速計(jì)數(shù)、通信聯(lián)網(wǎng)等模塊讓用戶選用，能滿足控制系統(tǒng)的各種 要求。 p l c 的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用【8 】： 1 ) 順序控制 p l c 的順序控制取代了傳統(tǒng)的繼電器、接觸器的順序控制，是p l c 最基本、最廣泛的應(yīng)用。 2 ) 閉環(huán)過(guò)程控制 p l c 通過(guò)模擬量輸入模塊，把溫度、速度、壓力、位置等連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在p l c 內(nèi)部進(jìn)行控制運(yùn)算，并片j 模擬鼉輸出模塊把數(shù)字量運(yùn)算結(jié)果以電壓、電流形式輸出去控制外部設(shè)備，此運(yùn) 算控制過(guò)程就是模擬量的閉環(huán)控制。實(shí)際應(yīng)用中，配合p i d ( 比例、積分、微分) 算法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過(guò) 程中某些物理量穩(wěn)定、精確的閉環(huán)控制。 3 ) 數(shù)據(jù)處理 p l c 具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和處理等功能。它不僅能實(shí)現(xiàn)四則運(yùn)算、函數(shù) 運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算等數(shù)字運(yùn)算功能，還有數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)顯示、查表排序等功能。 4 ) 通信和網(wǎng)絡(luò) 目前大多數(shù)的p l c 都有通信聯(lián)網(wǎng)功能。p l c 能以通信方式與其它職能控制設(shè)備( 如變頻器、運(yùn)動(dòng)控 制器、職能儀表等) 配合使用，可以節(jié)約成本，提高控制水平。p l c 還能組成網(wǎng)絡(luò)、控制遠(yuǎn)程f o 、執(zhí)行 和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“集中管理、分散控制”的多級(jí)分布式控制方式，提高l ：廠自動(dòng)化水平。 目前可編科序控制器已廣泛應(yīng)用于冶金、石油化i ：、汽下制造、機(jī)床、紡織、環(huán)保等行業(yè)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看， 以后p l c 會(huì)有更好的應(yīng)用和發(fā)展前景。 東南人學(xué)碩i j 學(xué)位論文 2 3 2 可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu) 可編科序控制器的硬件結(jié)構(gòu)及各部分的作用【7 】 p l c 包括的硬件結(jié)構(gòu)主要由以卜兒部分組成： 1 ) 處理器( c p u ) 勃。行用戶程序，讀取輸入信息，經(jīng)邏輯判斷、運(yùn)算后輸出。 2 ) 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)系統(tǒng)和用戶程序及數(shù)據(jù)。 3 ) 輸入接口從外部讀取信息，也稱為輸入點(diǎn)，通常分為離散量輸入點(diǎn)和模擬顰輸入點(diǎn)。離散量 輸入點(diǎn)只能接收導(dǎo)通、斷開( 1 或0 ) 的信號(hào)，模擬量輸入點(diǎn)能接收0 - - - 1 0 v 電壓、0 2 0 m a 電流的信號(hào)。 4 ) 輸出接口將運(yùn)算結(jié)構(gòu)輸出給外部，也稱為輸出點(diǎn)，通常分為離散量輸出點(diǎn)和模擬量輸出點(diǎn)。 離散鼉輸出點(diǎn)只能發(fā)出導(dǎo)通、斷開( 1 或o ) 的信號(hào)，模擬量輸出點(diǎn)能發(fā)出0 1 0 v 電壓、0 2 0 m a 電流 的信號(hào)。 5 ) 電源向各部分提供電源。 6 ) 通信接口和外部編程設(shè)備、人機(jī)界面等相連，用于傳輸及監(jiān)控、調(diào)試程序。 p l c 的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 5 所示。 開關(guān)、 按鈕、 傳感器 等 接觸器、 電磁閥、 指示燈等 圖2 5p l c 的硬件結(jié)構(gòu) 另外，編程器、編程軟件等編程裝置雖不屬于p l c 的硬件結(jié)構(gòu)部分，但它們是應(yīng)用、維護(hù)p l c 不可 缺少的重要外部設(shè)備。編程器有簡(jiǎn)易型和智能犁兩類：簡(jiǎn)易型編程器只能聯(lián)機(jī)編程，往往支持語(yǔ)句表的編 程方式；智能型編程器既能聯(lián)機(jī)編程，也能脫機(jī)編程，可支持梯形圖編程。近年來(lái)，采用個(gè)人計(jì)算機(jī)加p l c 編程軟件的開發(fā)方式得到推廣，用戶可以方便地直接在計(jì)算機(jī)上以聯(lián)機(jī)或脫機(jī)的方式編程，可以采用指令 表、梯形圖、功能塊等多種編程語(yǔ)言。 2 3 3 可編程序控制器的工作原理 1 ) p l c 的掃描t ：作原理 p l c 是通過(guò)執(zhí)行包含控制邏輯要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的，而c p u 在執(zhí)行用戶程序時(shí)，不可 能同時(shí)執(zhí)行多條指令，它只能按串行一i ：作、分時(shí)操作的原則，一次執(zhí)行一條指令，一次逐條執(zhí)行。岡此， p l c 的l ：作過(guò)科有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是周期性順序掃描用戶程序，另個(gè)是集中批處理。1 7 l 周期性順序掃描執(zhí)行用戶程序的i ：作方式是p l c 特有的。p l c 運(yùn)行時(shí)，為了保證p l c 的輸出能對(duì)可 能隨時(shí)變化的輸入信號(hào)產(chǎn)生及時(shí)的響應(yīng)，如果只執(zhí)行一次一次用戶程序是不能滿足快速響應(yīng)的要求的，削 1 2 第2 章管端成形機(jī)i u 氣摔制系統(tǒng)的研究 戶科序必須周而復(fù)始地被重復(fù)執(zhí)行，即c p u 循環(huán)地順序掃描行執(zhí)行每條指令。由tc p u 掃描執(zhí)行一次用 戶程序的時(shí)間極短，所以從外部看來(lái)，p l c 的輸出結(jié)果兒乎是同時(shí)的、按并行方式完成的。這種串行的、 按順序、循環(huán)掃描執(zhí)行每條指令的i ：作過(guò)程就是p l c 的掃描i ：作原理。 i 0 點(diǎn)采州集中批處理方式是和p l c 的掃描i ：作原理相適應(yīng)的。c p u 在執(zhí)行到一條和i 0 點(diǎn)有關(guān)的指 令時(shí)，只是對(duì)輸入、輸出映像區(qū)進(jìn)行訪問(wèn)和操作，并不需要立即采集當(dāng)時(shí)輸入點(diǎn)的狀態(tài)或立即刷新輸出運(yùn) 算結(jié)果。對(duì)i 0 點(diǎn)采用集中批處理的方式，可以簡(jiǎn)化操作、易了控制、提高可靠性。 掃描r 作方式執(zhí)行用戶程序時(shí)，按程序指令順序，逐條執(zhí)行用戶程序。在無(wú)中斷稃序、跳轉(zhuǎn)、子程序 的情況下，從第一條指令開始，執(zhí)行到最后一條指令結(jié)束，進(jìn)行f o 點(diǎn)的批處理刷新操作。然后再?gòu)牡谝?條指令開始掃描執(zhí)行，上述過(guò)程周而復(fù)始【7 1 。 p l c 周而復(fù)始的掃描過(guò)程除了掃描執(zhí)行用戶程序、集中批處理刷新i o 點(diǎn)之外，還要完成通信服務(wù)， 硬件白檢等內(nèi)部處理。p l c 完成一次掃描f ：作過(guò)程所用的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長(zhǎng)短由c p u 指令執(zhí)行速度、用戶程序大小、有無(wú)外圍設(shè)備與p l c 交換信息等多種因素決定。每隔一個(gè)掃描周期的時(shí)間， p l c 才能執(zhí)行一次集中批處理刷新i 0 點(diǎn)，岡此，掃描周期的長(zhǎng)短對(duì)輸入、輸出響應(yīng)速度的影響很大。一 個(gè)掃描周期由下面兒部分組成： 內(nèi)部處理：系統(tǒng)檢測(cè)該程序存儲(chǔ)容量、實(shí)時(shí)時(shí)鐘當(dāng)前值的修改、狀態(tài)指示燈的改變、檢測(cè)p l c 運(yùn)行 停止的變化、檢測(cè)其它系統(tǒng)參數(shù)、處理來(lái)自編程端口的請(qǐng)求以及硬件自檢等。 輸入采樣：將輸入點(diǎn)的信息以批處理的方式讀入出入映像區(qū)。 程序執(zhí)行：掃描執(zhí)行用戶程序，運(yùn)算結(jié)果寫入輸出映像區(qū)。 輸出刷新：以批處理的方式將輸出映像區(qū)的運(yùn)算結(jié)果刷新到輸出點(diǎn)。 p l c 一個(gè)掃描周期的循環(huán)如圖2 6 所示： 圖2 6p l c 一個(gè)掃描周期循環(huán)圖 2 ) p l c 對(duì)i o 點(diǎn)的處理原理 p l c 的內(nèi)存有兩個(gè)區(qū)域：輸入映像區(qū)和輸出映像區(qū)。用米保存批處理讀入的輸入點(diǎn)的狀態(tài)信息和準(zhǔn)備 刷新輸出劍輸出點(diǎn)的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)。在掃描周期的不同階段，p l c 對(duì)i 0 點(diǎn)的處理原則如卜： 輸入采樣階段：在輸入采樣階段，p l c 批鼙讀入所有輸入點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，存入輸入映像區(qū)。輸入采 樣結(jié)束后，進(jìn)入掃描執(zhí)行用戶程序階段和更新輸出映像區(qū)階段。在這兩個(gè)階段，即使輸入狀態(tài)變化，輸入 映像區(qū)的數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，輸入信號(hào)是脈沖性質(zhì)，則脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能 保證此信號(hào)被止確讀入。 用戶樣序執(zhí)行階段：p l c 總是按從上劍_ 卜，從左劍矗的順序掃描執(zhí)行剛戶程序的。c p u 從輸入映像區(qū) 1 3 【札k 輸 一。 的狀卷，川- 牲h r 進(jìn)邏輯玨扦然后帳州 型梆埡 糶劇斬輸蛐映慷l t 舊山擇 5 # 執(zhí) r 【自措對(duì)麻f 門特蛛j j j 能如通信等徘”， 輸u ；刷斬階段：在輸山刷新r 段p l c 的c p u 飯照輸r t 毗攆時(shí)麻j 狀態(tài)刷新所丫的輸出鎖存 器f 經(jīng)輸端子馳動(dòng)相府的外部啦并，實(shí)現(xiàn)批封的輸出刷斬處f 。# p l c 對(duì)輸入、輸出的處理原則，如幽27 所示。 234 呵編程序控制器的選型 lh 幽27p l c 對(duì)輸a e h q 1 3 的處理原h(huán) i j 羅克市爾n 動(dòng)化公州的a - bp l c 產(chǎn)品與其它公司相比，除性能蚶、l | r 靠性高并特點(diǎn)外，往運(yùn)動(dòng)控制、 通信網(wǎng)絡(luò)、編樣軟什等方面還且有獨(dú)特的優(yōu)井，適臺(tái)本系統(tǒng)的控制要求，戰(zhàn)采h a bp l c 控制系統(tǒng)。 羅克市爾白動(dòng)化公司有適臺(tái)小口麻h j 系統(tǒng)的m i c r o l o g i x l 0 0 0 、m i c r o l o g j x l l 0 0 、m i c r o l o g i x l 2 0 0 和 m i c r o l o g i x l 5 0 0 。其中，m i c r o l o g i x 0 0 0 ，體積小巧功能全面，是小q ”控制系統(tǒng)的理想選扦：m i c r o l o g i x l 2 0 0 迂川丁空問(wèn)仃限的環(huán)境：m i c m l o g i x l 5 0 0 ，不僅功能完善，而且還能根據(jù)麻川項(xiàng)口進(jìn)行擴(kuò)展適川r 有較 高嬰求f 自控制樂(lè)統(tǒng)。m i c m l o g i x l l 0 0 是m i c r o l o g l x 系列的最新成員，占進(jìn)一步擴(kuò)人了m i c r o l o g i x 系州的 麻領(lǐng)域t 刪時(shí)價(jià)格方面也較便宜，是一款性價(jià)比較高的產(chǎn)卅一。m i c r o l 山g l x 系列控制器性能比較如表21 所示川9 i 。 控制器刑0 m i c r o l o g i x l 0 0 0 m i c t