高壓噴嘴性能檢測系統(tǒng)

1、高壓水除磷噴嘴性能參數(shù)自動(dòng)測試裝置設(shè)計(jì)摘要隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和加入WTO，我國制造的鋼鐵產(chǎn)品要面對(duì)國際市場的激烈競爭。鋼材產(chǎn)品質(zhì)量主要受其尺寸和形狀精度、表面質(zhì)量和力學(xué)性能三個(gè)方面的影響。高壓水除磷系統(tǒng)主要通過高壓水除去鋼鐵表面的氧化膜，從而達(dá)到提高鋼鐵產(chǎn)品表面質(zhì)量的目的。 本文針對(duì)目前鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)中存在的表面質(zhì)量問題，提出了基于PLC控制的高壓水除磷噴嘴性能參數(shù)自動(dòng)檢測的方案。選用S7-200和四個(gè)擴(kuò)展模塊，結(jié)合伺服電機(jī)與觸摸屏，開發(fā)了高壓水噴嘴性能參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制部分和性能參數(shù)采集部分，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制部分實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)手動(dòng)控制、自動(dòng)控制以及工作臺(tái)歸零位程序的設(shè)計(jì)，性

2、能參數(shù)采集部分中包括對(duì)高壓水噴嘴性能參數(shù)的采集、存儲(chǔ)、讀取功能，通過這兩部分設(shè)計(jì)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓水噴嘴參數(shù)的準(zhǔn)確、快速的采集。該系統(tǒng)在控制工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上完成了對(duì)噴嘴性能參數(shù)的采集，繪出了噴嘴壓力分布圖，從而能夠更好地提高鋼鐵除磷效果。關(guān)鍵詞高壓水除磷；PLC；伺服電機(jī)；參數(shù)采集High pressure water spray nozzle performance parameters phosphorus automatic test equipment design AbstractAlong with the development of the market economy

3、and joining WTO, China's manufacturing of steel products to face fierce competition in the international market. The quality of Steel product is made up of three facets: size and form precision, surface quality, dynam capability. High-pressure water through high pressure water system mainly phos

4、phorus steel surface to remove the oxide film, so as to improve the surface quality of steel products purposes. To solve the problem of the surface quality in steel product manufacture, the parameter detection system of muzzle based on PLC control is put forward. S7-200 and four optional expansion m

5、odules, combined with the servo motor and the touch screen, the development of high-pressure water nozzle performance parameter acquisition system. The Servo Motor and the data acquisition card of NI Company are used to design the system including two portions: workbench control design and parameter

6、 acquisition design. The design of workbench is composed three parts: manual control、auto control、back to initial position. The parameter acquisition, storage, read function constitute the capability parameter acquisition. The system implement the parameter acquisition precise and fleetly via the co

7、mbination of the two parts. The working platform motion control system based on the completion of the performance parameters of the acquisition of the nozzle, the nozzle pressure distribution plot, which can better improve the iron phosphorus removal. Keywords dephosphorize by high pressure water; P

8、LC; servo motor; param- -eter acquisition不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 課題研究意義及國內(nèi)外發(fā)展概況2 研究意義2 課題研究在國內(nèi)外的發(fā)展概況21.3 本課題的主要研究內(nèi)容4第2章 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)52.1 系統(tǒng)工作原理52.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)6 軟件的模塊劃分6 工作臺(tái)控制部分6 高壓水噴嘴參數(shù)采集部分62.3 本章小結(jié)7第3章 工作臺(tái)控制部分83.1 工作平臺(tái)簡述83.2 電機(jī)的選擇8 交流伺服電機(jī)簡介8 交流伺服電機(jī)的選擇原則與容量計(jì)算9 伺服電機(jī)容量選擇123.3 1FL

9、5交流伺服電機(jī)的特性143.4 工作臺(tái)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)163.5 工作臺(tái)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)16 控制系統(tǒng)工作原理16 控制系統(tǒng)完成的功能213.6 本章小結(jié)21第4章 高壓水噴嘴參數(shù)采集部分224.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基本概念224.2 數(shù)據(jù)采集24 數(shù)據(jù)采集方案的選擇24 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成24 系統(tǒng)軟件的簡介254.3 觸摸屏的設(shè)計(jì)264.4 噴嘴性能參數(shù)采集的實(shí)現(xiàn)27 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度控制和流量、壓力信號(hào)的采集27 二維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊28 繪制流量- 壓力曲線, 打擊力三維圖29 保存測試的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫304.5 本章小結(jié)30結(jié)論31致謝32參考文獻(xiàn)33附錄34千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行

10、不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景 隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并隨著我國進(jìn)入WTO，我國生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅要面對(duì)國內(nèi)市場的激烈競爭，同時(shí)也要面對(duì)國際市場的激烈競爭，尤其鋼材產(chǎn)品要面對(duì)國際市場更加激烈的競爭。如何提高產(chǎn)品的內(nèi)在和外在質(zhì)量是擺在我們面前的一個(gè)迫切任務(wù)，只有不斷提高鋼材產(chǎn)品質(zhì)量，才能增加產(chǎn)品的競爭力，使我們的鋼材產(chǎn)品在市場上處于不敗之地。 鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)主要由尺寸和形狀精度、表面質(zhì)量、力學(xué)性能三個(gè)方面組成。而在國內(nèi)冶金行業(yè)的板材、型材、線材及棒材生產(chǎn)廠中，由于加熱爐內(nèi)產(chǎn)生的氧化鐵皮

11、及軋制過程中再生氧化鐵皮的大量存在，不僅極大的影響了產(chǎn)品的精度及內(nèi)外質(zhì)量，同時(shí)也加劇了對(duì)軋輥的磨損及周邊環(huán)境的污染；導(dǎo)致生產(chǎn)成本的加大，經(jīng)濟(jì)效益的降低。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和煉鋼技術(shù)的改進(jìn)，鋼鐵產(chǎn)品精度和力學(xué)性能得到很大的提高，因此如何更好地解決鋼鐵產(chǎn)品的表面質(zhì)量的問題擺在我們面前。鋼坯的高壓水除磷裝置正是在這種形勢下得到了快速應(yīng)用和發(fā)展。高壓水除磷的工作原理：主要利用高壓水的沖擊力，鋼管與水接觸時(shí)產(chǎn)生汽化的爆炸力，將磷片除去。 高壓水除磷的效應(yīng)： 1破裂效應(yīng) 鐵磷在高壓水產(chǎn)生的沖擊力作用下破裂脫落。 2冷卻效應(yīng) 高溫軋件在高壓水噴射作用下冷卻時(shí)，由于材料基體和鐵鱗冷卻收縮率不同而產(chǎn)生的切向剪力

12、使鐵鱗脫落基體。 3蒸汽效應(yīng) 軋件表面鐵鱗的裂縫中進(jìn)入水滴，水滴在基體和鐵鱗之間突然汽化而爆炸，將鐵鱗從基體上剝落。 4沖刷效應(yīng) 已經(jīng)和將要脫落的鐵鱗在高壓水的沖刷下沖走，使鐵鱗不要進(jìn)入軋輥而在軋件上。 以上四種效應(yīng)并不單獨(dú)存在，幾種效應(yīng)會(huì)同時(shí)發(fā)生，各種因素的除鱗效果難以分別用數(shù)衡量。一般在設(shè)計(jì)中以高壓水產(chǎn)生的沖擊力的大小作為衡量除鱗效果的好壞指標(biāo)。 在國外，由于高壓水除磷裝置效果明顯、設(shè)備相對(duì)簡單，投資少，幾乎所有的鋼鐵產(chǎn)品熱軋生產(chǎn)中都采用了高壓水除磷裝置來去除氧化鐵皮，以提高熱軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量。國內(nèi)近幾年，這項(xiàng)新興技術(shù)也得到了快速應(yīng)用和發(fā)展，如寶鋼、包鋼等大型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)。 本文將虛擬儀器

13、技術(shù)應(yīng)用到高壓水除磷噴嘴性能參數(shù)檢測系統(tǒng)中，依靠虛擬儀器獨(dú)特的優(yōu)勢設(shè)計(jì)一套操作簡單、測量準(zhǔn)確的檢測系統(tǒng)。為我國鋼鐵企業(yè)的除磷設(shè)備性能的提升以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高有較大的幫助。1.2 課題研究意義及國內(nèi)外發(fā)展概況1.2.1 研究意義在軋鋼生產(chǎn)過程中,板坯、方坯等在加熱爐中加熱都會(huì)發(fā)生氧化,并生成很厚的氧化鐵皮,附著在鋼鐵材料表面上。另外,鋼鐵在軋制過程中,還會(huì)發(fā)生二次氧化,形成薄薄的二次氧化鐵皮。在軋輥的輾壓作用下,一部分氧化鐵皮被破碎成小片狀自動(dòng)脫落,另一部分則被壓入金屬表面,形成夾渣、麻點(diǎn)、疤痕等,成為影響軋材表面質(zhì)量的重要因素之一。為了改善成品質(zhì)量,目前在鋼鐵軋制中廣泛采用在線高壓水除磷系統(tǒng)。

14、高壓水除磷系統(tǒng)是利用高壓水噴出時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖刷力和冷卻力,由于軋材的基體材料和氧化鐵皮層的冷卻收縮率不同而產(chǎn)生的剪切力,又因高壓水水滲入基體材料和氧化鐵皮之間產(chǎn)生的蒸汽膨脹而爆裂,使氧化鐵皮破碎并與基體表面脫離,同時(shí)高壓水還可將氧化鐵皮沖掉。 高壓水除磷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是高壓水除磷噴嘴。研制一套高壓水除磷噴嘴的性能測試系統(tǒng),對(duì)國產(chǎn)以及進(jìn)口的噴嘴進(jìn)行特性測試,為生產(chǎn)選擇合適噴嘴、提高除磷效果和板坯質(zhì)量,具有十分重要的意義。1.2.2 課題研究在國內(nèi)外的發(fā)展概況近年來,國內(nèi)外一些研究人員對(duì)高壓水除磷噴嘴進(jìn)行了大量的研究,結(jié)果表明,噴嘴的除磷效果和冷卻效果不僅僅與噴水條件有關(guān),還和噴嘴的種類、結(jié)構(gòu)以

15、及安裝布局有很大的關(guān)系；國內(nèi)外熱軋除磷普遍采用基于流體力學(xué)原理的高壓水去除一、二次氧化鐵皮，用高壓水的機(jī)械沖擊力除去氧化鐵皮是一種最為經(jīng)濟(jì)的除磷方式，形式上比較統(tǒng)一，但布置上有較大差異，主要是根據(jù)產(chǎn)品的軋制工藝、產(chǎn)品的形狀及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求而確定；隨著軋制技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量的高要 求，對(duì)除磷技術(shù)和除磷效果的要求也在不斷提高，同時(shí)，近10多年來，射流技術(shù)在中國有了飛躍的發(fā)展，對(duì)高壓水除磷技術(shù)的發(fā)展也起了很大的推動(dòng)作用，現(xiàn)在高壓水泵、噴嘴、噴射閥等設(shè)備及零部件的專業(yè)研究部門和生產(chǎn)廠已具備很強(qiáng)的配套能力，高壓水除磷的趨勢將始終向高壓力、大打擊力、鋼坯溫降小、節(jié)約能源及裝備低故障率高壽命的方向發(fā)展。

16、20世紀(jì)80年代美國國家儀器公司（National Instruments Company簡稱NI）首先提出了虛擬儀器的概念。這一概念的核心思想是：以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此在國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬式儀器”或稱“軟件即儀器”。自20世紀(jì)80年代以來，NI 公司已研制和推出了多種總線系

17、統(tǒng)的虛擬式儀器，特別是它推出的LabVIEW圖形編程環(huán)境已享譽(yù)世界，成為這類新型儀器開發(fā)系統(tǒng)的世界生產(chǎn)大戶。在NI公司之后，美國惠普（HP）公司緊緊跟上。該公司推出HPVEE編程系統(tǒng)可以提供數(shù)十至數(shù)百種虛擬儀器的組建單元和整機(jī)，用戶可以用它組建或挑選自己所需的儀器。除此之外，世界上陸續(xù)有數(shù)百家公司，如Tektronix公司，Racal公司等也相繼推出了總線系統(tǒng)多達(dá)數(shù)百個(gè)品種的虛擬式儀器。作為儀器領(lǐng)域中最新興的技術(shù)，虛擬式儀器的研究、開發(fā)在國內(nèi)已經(jīng)過了起步階段。從90年代中期以來，國內(nèi)的重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、中科泛華電子科技公司等院校和高科技

18、公司，在研究和開發(fā)儀器產(chǎn)品和虛擬式儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)以及引進(jìn)消化NI公司、HP公司的產(chǎn)品等方面做了一系列有益工作，取得了一批矚目的成果。虛擬儀器的出現(xiàn)和興起，改變了傳統(tǒng)儀器的概念、模式和結(jié)構(gòu)，改變了人們的儀器觀，據(jù)“世界儀表與自動(dòng)化”雜志報(bào)道，21世紀(jì)初葉，虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，品種將達(dá)到數(shù)千種，市場占有率將達(dá)到電測儀器的50%。這一預(yù)測對(duì)整個(gè)儀器儀表領(lǐng)域，不啻是一次強(qiáng)烈的震撼，使從事電測儀器科學(xué)技術(shù)研究與開發(fā)的科學(xué)家和工程師們都看清了虛擬式儀器對(duì)傳統(tǒng)儀器的巨大挑戰(zhàn)，認(rèn)識(shí)到在本世紀(jì)虛擬式儀器將成為電測儀器的發(fā)展方向。虛擬儀器最核心的思想是利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大資源使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件華，以

19、便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。因此，虛擬儀器是受益和依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)。其外部特征與傳統(tǒng)的儀器相比有較大的不同，其中最突出的特點(diǎn)就是面板及相應(yīng)的控件和指示器等，不再是由一些無禮的實(shí)體所構(gòu)成，而是由計(jì)算機(jī)內(nèi)部強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能建立起來的虛擬面板所替代，人們稱之為“軟面板”；從內(nèi)部特征看，原來智能儀器中較為復(fù)雜的微處理器及其部件，現(xiàn)在大多可共享計(jì)算機(jī)內(nèi)部的軟、硬件資源，并借助其完善的數(shù)據(jù)分析和處理能力，實(shí)現(xiàn)測試儀器所需的全部測試功能。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，高壓水除磷技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)整個(gè)系統(tǒng)噴嘴性能參數(shù)采集部分成為本系統(tǒng)的重點(diǎn)。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，這部分功能

20、是最為重要的，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的。借助于PLC數(shù)據(jù)采集功能，通過對(duì)工作臺(tái)處于不同位置時(shí)對(duì)安裝在工作臺(tái)上的力傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集、分析，從而較為準(zhǔn)確的得到高壓水噴嘴的性能參數(shù)。另外還添加了對(duì)所采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取功能，以供以后分析使用。虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)最重要的組成部分，它們被稱為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。虛擬技術(shù)蘊(yùn)涵的巨大潛力，使發(fā)達(dá)國家趨之若鶩，在這一領(lǐng)域的研究上投入了巨資，希望有朝一日能在它的帶動(dòng)下率先進(jìn)入信息時(shí)代。1.3 本課題的主要研究內(nèi)容本課題的研究是：高壓水噴嘴壓力檢測采用固定于固定工作臺(tái)上的一排壓力傳感器,由兩軸伺服電機(jī)帶動(dòng)噴嘴掃描一定的檢測

21、范圍，即可以檢測到噴嘴的壓力分布。 本課題主要內(nèi)容包括噴嘴試驗(yàn)用小型X-Y工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)研制。本研究主要內(nèi)容包括以下幾方面： 1、 確定高壓水噴嘴壓力檢測系統(tǒng)的總體方案，撰寫開題報(bào)告； 2、 設(shè)計(jì)并繪制高壓水模擬系統(tǒng)的原理示意圖； 3、 設(shè)計(jì)噴嘴壓力檢測X-Y工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括伺服電機(jī)，滾珠絲 杠和導(dǎo)軌的選擇，繪制裝配總圖和零件圖； 4、 顯示噴嘴壓力分布狀態(tài)的觸摸屏程序設(shè)計(jì)； 5、 數(shù)據(jù)采集和兩路伺服電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)。第2章 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)本課題的目的是研究開發(fā)出一套系統(tǒng)設(shè)備，用于采集、分析高壓水噴嘴性能參數(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過伺服電機(jī)對(duì)工作平臺(tái)進(jìn)行控

22、制，通過對(duì)工作臺(tái)在不同位置時(shí)高壓水噴射在力傳感器上產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理和顯示，從而確定噴嘴的壓力分布。2.1 系統(tǒng)工作原理 檢測系統(tǒng)硬件由伺服電機(jī)、力傳感器、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的最有效的方式是對(duì)運(yùn)動(dòng)源的控制，而電機(jī)是最常用的運(yùn)動(dòng)源，因此，可以通過對(duì)伺服電機(jī)的控制來是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。交流伺服電機(jī)的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式、可分為同步交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式交流伺服電機(jī)。同步交流伺服電機(jī)又分為永磁式同步交流伺服電機(jī)和勵(lì)磁式同步交流伺服電機(jī)。現(xiàn)代自動(dòng)監(jiān)測和自動(dòng)控制都離不開傳感器，它是測試與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，它能把被測物理量直接轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的并容易檢

23、測的電信號(hào)輸出，以滿足信息的傳輸、記錄、顯示、分析、處理以及控制等要求。數(shù)據(jù)采集是檢測系統(tǒng)的核心部分，擔(dān)當(dāng)著采集各種信號(hào)的任務(wù)，因此對(duì)數(shù)據(jù)采集方案的選擇在采樣精度和采樣率方面都有較高的要求。本系統(tǒng)采用的是基于S7-200 CN的數(shù)據(jù)采集方案。整個(gè)檢測系統(tǒng)由如下部分組成： （1）工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制部分； （2）噴嘴性能參數(shù)采集部分； （3）用戶操作面板部分。根據(jù)檢測系統(tǒng)的工作要求，系統(tǒng)的總體布局如下圖2-1所示。由圖2-1可以看出系統(tǒng)的工作原理是通過PLC發(fā)出脈沖，經(jīng)過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將脈沖信號(hào)放大，然后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)到合適的位置，然后通過PLC采集流量計(jì)和高壓水噴射在力傳感器上產(chǎn)生的信號(hào)，通過A/

24、D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)字化。然后計(jì)算及通過軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和處理。系統(tǒng)的整體構(gòu)架以及步進(jìn)電機(jī)的控制程序和數(shù)據(jù)采集程序均使用VB軟件編寫，極大的縮短了軟件開發(fā)的周期。該系統(tǒng)具有使用方便、通用性好、功能擴(kuò)展易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)用戶不同的需求增加不同的模塊。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)2.2.1 軟件的模塊劃分 系統(tǒng)軟件功能包括：工作臺(tái)控制部分、噴嘴性能參數(shù)采集部分、數(shù)據(jù)讀取部分和幫助功能。 對(duì)一個(gè)測試系統(tǒng)來說，軟件界面是其設(shè)計(jì)中最重要的一環(huán)。因?yàn)閷?duì)于用戶，他們的任務(wù)只是單純的使用，并不需要領(lǐng)會(huì)整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想以及功能如何實(shí)現(xiàn)。所以一個(gè)測試系統(tǒng)的成功與否與設(shè)計(jì)者能否設(shè)計(jì)出一個(gè)對(duì)使

25、用者來說更為方便、快捷的用戶界面有很大關(guān)系。界面的設(shè)計(jì)在滿足用戶需求功能的前提下應(yīng)盡可能的簡潔，有利于使用者的操作。2.2.2 工作臺(tái)控制部分 工作臺(tái)控制部分是本系統(tǒng)的重要組成部分。因?yàn)閷?duì)于噴嘴參數(shù)的數(shù)據(jù)采集是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，需要工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到不同的位置。工作臺(tái)控制部分的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用PLC和兩臺(tái)伺服電機(jī)，通過選用四個(gè)擴(kuò)展模塊（兩個(gè)EM253，兩個(gè)EM235）配合S7-200使用來控制X、Y方向伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的功能。工作臺(tái)控制部分分為手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和歸零控制三個(gè)部分。2.2.3 高壓水噴嘴參數(shù)采集部分 噴嘴參數(shù)采集部分是本系統(tǒng)的重點(diǎn)。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，這部分功能是最

26、為重要的，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的。借助于基于S7-200 CN的數(shù)據(jù)采集方案，通過對(duì)工作臺(tái)處于不同位置時(shí)對(duì)安裝在工作臺(tái)上的力傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集、分析，從而較為準(zhǔn)確的得到高壓水噴嘴的性能參數(shù)。另外還添加了對(duì)所采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取功能，以供以后分析使用。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的組成和工作原理，并提出了系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案和工作臺(tái)控制部分的組成，同時(shí)針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)軟件的功能進(jìn)行了劃分，并且簡單介紹了系統(tǒng)軟件各個(gè)部分的主要功能。第3章 工作臺(tái)控制部分3.1 工作平臺(tái)簡述 由于高壓水噴嘴噴射出來的高壓水面積有限，大概是100mm*3mm 的面積，所以要求裝載噴嘴的工作平臺(tái)是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)，能夠

27、在蓄能器能量恒壓得這段時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡并且完成參數(shù)采集工作。考慮到本裝置需要檢測的高壓水寬度是一個(gè)很精確的數(shù)據(jù)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的快速起停能力以及精度高的特點(diǎn)，因此我們選用步進(jìn)電機(jī)作為工作臺(tái)的控制裝置；在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴嘴距離工作臺(tái)的距離是不變的，因此在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是只需要對(duì)工作臺(tái)平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，即工作臺(tái)X、Y方向運(yùn)動(dòng)控制如圖3-1所示。控制系統(tǒng)需要分別對(duì)應(yīng)于X、Y方向控制的兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。圖3-1 工作臺(tái)示意圖3.2 電機(jī)的選擇3.2.1 交流伺服電機(jī)簡介 交流伺服電機(jī)的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式、可分為同步交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式交流伺服電機(jī)。同步交流伺服電機(jī)又分為永磁式同步交流伺服電機(jī)和勵(lì)磁式

28、同步交流伺服電機(jī)。永磁式同步交流伺服電機(jī)根據(jù)其磁極的結(jié)構(gòu)，可分為凸極型和隱極型兩種；感應(yīng)式交流伺服電機(jī)又分為一相、二相、三相等幾種；圖3-2所示為交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，用做伺服電機(jī)的主要是永磁式同步交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式交流伺服電機(jī)。永磁式同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極，定子與感應(yīng)式交流電動(dòng)機(jī)一樣裝有繞組，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。由于旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極的相互作用，轉(zhuǎn)子以和旋轉(zhuǎn)磁場相同的旋轉(zhuǎn)速度同步旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)式交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)和普通鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同。圖3-2 交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖3.2.2 交流伺服電機(jī)的選擇原則與容量計(jì)算 伺服電機(jī)主要用于位置和速度控制系統(tǒng)中，其動(dòng)

29、力選擇除了考慮電機(jī)的功率與扭矩參數(shù)外，還要考慮系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配問題，一般選擇伺服主要從下面四個(gè)方面考慮： (1) 負(fù)荷轉(zhuǎn)矩； (2) 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； (3) 加速/減速時(shí)間； (4) 運(yùn)行模式。1. 交流伺服電機(jī)的選擇原則及計(jì)算公式 (1)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 電機(jī)選擇首先依據(jù)機(jī)床等被驅(qū)動(dòng)部件的快速行程速度。快速行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 (2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配原則 負(fù)載慣量對(duì)電機(jī)的控制特性和快速移動(dòng)的加/減速時(shí)間有很大的影響。負(fù)載慣量增加時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令到伺服電機(jī)執(zhí)行完畢之間的時(shí)間就長，即指令變化后，需要較長的時(shí)間達(dá)到新指令指定的速度。若機(jī)床沿著兩個(gè)軸高速運(yùn)動(dòng)加工圓弧等曲線，會(huì)

30、造成較大的加工誤差。若負(fù)載慣量為電機(jī)的3倍以上，則電機(jī)的控制特性就會(huì)降低，若為5倍以上則電機(jī)的可操控性大大下降；反之，負(fù)載慣量若小于或等于電機(jī)的慣量時(shí)，則不會(huì)出現(xiàn)上述問題。為了保證系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏性和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，負(fù)載慣量應(yīng)限制在2.55倍的電機(jī)慣量之內(nèi)，即： （3-1） (3)空載轉(zhuǎn)矩 機(jī)床等設(shè)備無負(fù)載運(yùn)行時(shí)，加在電動(dòng)機(jī)上的力矩應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)的連續(xù)額定力矩的50%以下。否則，在切削或加減/速時(shí)電動(dòng)機(jī)就可能過熱。 (4)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 在正常工作狀態(tài)下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不超過電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的8090%。根據(jù)系統(tǒng)的減速比，電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，按下式選擇電機(jī)功率： （3-2）式中： ：對(duì)電機(jī)軸換算的負(fù)載轉(zhuǎn)

31、矩()； ：伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速()； ：傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。 (5)核算加速/減速時(shí)間 對(duì)初選電機(jī)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的要求，加減速時(shí)間，必須小于機(jī)械系統(tǒng)要求值。通常，負(fù)載力矩能夠幫助電動(dòng)機(jī)的減速，因此，如果加速能在允許時(shí)間內(nèi)完成的話，減速也可在相同的時(shí)間內(nèi)完成，因此只需核算加速時(shí)間或轉(zhuǎn)矩即可。加速/減速時(shí)間及轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下： 最短加速/減速時(shí)間： （3-3） 加速/減速轉(zhuǎn)矩： （3-4）式中： ：加速/減速時(shí)間()； ：伺服電機(jī)慣性矩()； ：對(duì)電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性矩()； ：對(duì)電機(jī)軸換算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩()； ：加速/減速轉(zhuǎn)矩()； ：最高轉(zhuǎn)速()； ：加速初始啟動(dòng)轉(zhuǎn)速或減速終止轉(zhuǎn)速()。 若大于初選電機(jī)

32、的額定轉(zhuǎn)矩，但小于電機(jī)的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩（510 倍額定轉(zhuǎn)矩），也可以認(rèn)為電機(jī)初選合適。圖3-3 典型的伺服電機(jī)定位控制工作方式 (6)不同工作方式時(shí)的熱校核計(jì)算 當(dāng)電機(jī)工作在頻繁地定位、加/減速頻繁以及負(fù)載波動(dòng)工作情況時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，所以要計(jì)算一個(gè)工作周期的負(fù)載力矩的均方根值，并使其小于電動(dòng)機(jī)的額定力矩。例如當(dāng)采用圖3-3所示的工作方式時(shí)， 一個(gè)循環(huán)周期的負(fù)載力矩的均方根值計(jì)算公式為： （3-5）式中： ，：為起動(dòng)時(shí)間()和加速轉(zhuǎn)矩()； ，：為正常運(yùn)行時(shí)間()和負(fù)載轉(zhuǎn)矩()； ，：為減速時(shí)間()和減速轉(zhuǎn)矩()； ：為停歇時(shí)間()。當(dāng)，即實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩，則可以按指定的運(yùn)行模式連續(xù)運(yùn)行。2

33、. 伺服電機(jī)容量選擇的步驟 伺服電機(jī)容量選擇的步驟如圖3-4所示。值得說明的一點(diǎn)是，對(duì)于圖中“重新審定機(jī)械規(guī)格”，即當(dāng)時(shí)，需重新審查以下項(xiàng)目： 在允許范圍內(nèi)，將加速/減速時(shí)間加長一些；1. 延長運(yùn)轉(zhuǎn)頻率(增加循環(huán)時(shí)間長度)；2. 當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度有余量時(shí)，加大減速比；3. 加大電機(jī)容量；4. 當(dāng)升降機(jī)械停止時(shí)間長時(shí)，加機(jī)械制動(dòng)；5. 在高頻率運(yùn)行時(shí)，盡量加大減速比，減小慣性矩。圖3-4 伺服電機(jī)容量選擇流程圖3.2.3 伺服電機(jī)容量選擇圖3-5 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)示意圖 為了方便計(jì)算，選擇兩絲杠中受力最大的作為計(jì)算對(duì)象，并將本設(shè)計(jì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)簡化為如圖3-5所示的工作臺(tái)，其中，絲杠螺距 p=1

34、0mm，輸送重量W=20 kg，推力0 kg(無)，試選擇伺服電機(jī)的容量。1 最大移動(dòng)速度v由于采用直接傳動(dòng)，減速比i=1，當(dāng)選擇電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min時(shí)，工作臺(tái)的最大移動(dòng)速度為： （3-6）2 負(fù)載慣性矩 首先計(jì)算絲杠折算到電機(jī)軸的負(fù)載慣性矩，假定絲杠直徑d=20、長度為l=500 mm，有: （3-7） 根據(jù)以上計(jì)算公式，移動(dòng)部分折算到電機(jī)軸的負(fù)載慣性矩為: （3-8）于是，總慣性矩 為： （3-9）3 換算到電機(jī)軸端的負(fù)載轉(zhuǎn)矩假定工作臺(tái)導(dǎo)軌移動(dòng)摩擦系數(shù)=0.1，機(jī)械效率=0.9，對(duì)電機(jī)換算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:（3-10）4 電機(jī)容量預(yù)選 （3-11） （3-12） 假設(shè)選電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min （3-13） 查表25-2-61，可得到符合選擇條件的1FL5 ()5 最短加速/減速時(shí)間 （3-14） 若工作時(shí)加減速時(shí)間為0.08s