小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计 1 毕业设计.doc

小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计第一章 绪论11 推料进给装置简述自工业革命开始，机器作业逐渐代替了手工作业，而机床作为机器作业的典型代表也日益发展，从人工手动控制的老式机床发展到现在的数控机床。相应的，作为机床作业的基础，推料进给装置的发展也成为了机床发展的一个缩影，从最当初的人工送料到现在的全自动机器送料（涉及到数据库的存取）。随着机床的高速发展，机床设计者对推料进给装置的要求也日渐提高，无论从行程，进给方向还是进给速度方面，提高工作效率，不仅要靠机床的快速加工，迅速而准确的推料进给也是十分必要的。因此在现在的机床推料进给装置的设计上，设计者一般都秉承着进给准确，速度合适，行程合理这几个基本原则12课题的提出和课题的主要任务我的毕业设计的题目是小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计，主要有两大部分，一部分是机械部分设计，进给装置的传动系统的设计，还有进给装置的结构设计；一部分是电部分的设计，即温控系统硬件和程序的设计，及其上位显示系统的设计。 1221推料进给装置传动系统的设计传动系统的作用是将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能。常用的传动机构有齿轮机构，连杆机构，凸轮机构，螺旋机构，楔块机构，棘轮机构，槽轮机构，摩擦轮机构，挠性件机构，液气动机构，电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构。传动机构在使用中最主要的目的是为了实现速度或者力的变换，或实现特定运动规律的要求。 根据功率，速度，输出力三者之间的关系： p=fv式中 p输出功率 f输出力 v输出速度 在传输功率一定的情况下，为了得到一个比较大的力输出，可以降低输出速度。如果要使输出力按某一规律变化，则可以通过调整输出速度按某种规律变化来得以实现 常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有以下几种： 1）通过啮合方式进行传动（例如：齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等）。其中齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑，传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，依次得到广泛应用。 2）通过摩擦方式进行传动（例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滚珠丝杠副传动、滑轮传动等）。这类机构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，且有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动。 3）利用楔块进行传动（例如：螺旋传动等）。螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成，螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转矩得到较大的轴向力，结构简单，传动精度高，平稳无噪音等。 4）利用流体作用原理进行传动（例如：液压、气动传动等）。液体可以看作一种不可压缩物体，因而液压传动可以传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的情况下，但液压传动速度较慢，例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。相反气动传动机构一般用于传输较小的力，但作用速度快。原动机的输出较为常见的运动形式是匀速转动，而工作机的输出要求是多种多样的，因此进行运动形式的变换是传动机构一个很重要的任务。机械机构中常见的运动形式主要有：转动、平动、摆动等。常见的用运动形式的变换机构主要有：凸轮机构、螺旋机构、连杆机构、齿轮机构、挠性件机构、摩擦轮机构、流体机构等。它们能将转动变换成移动，或反之，由于运动形式的变化，机构的传力方式也就随之改变。在我的课题里，我把推料进给装置设计在冲压机床上， 选择的原动件是步进电动机，做的是旋转运动，而进给动作是在一个水平方向上的直线运动，因此在传动机构方面我选用的是滚珠丝杠副，利用它将电机的旋转运动转换成一个水平方向上的直线进给运动。而且在电机选型后，由于电机的输出轴和丝杠所在的轴可能存在粗细不同的情况，连轴器的选用也成为可能。冲压机床由于加工材料都为较细的板材，如何将直线进给运动均匀的分摊在板材上，使板材能够平稳的进行直线运动，也成为我的考虑范围之内。 因此，在进给力的分配上，必须保证钢板在进给方向上受力均匀。我的初步想法是将板材上的受力点设定为2个点。1222 基于加工板材温度的要求对温控装置的设计既然设定为冲压机床上的推料进给装置，就得考虑到机床冲压板材时可能出现由于温度过低而出现板材在冲压结束后形成裂纹。而温控装置恰恰就能解决板材温度的问题，但是加工材料是多样的，相应的它们对于温度的要求也是不一样的，而且要将板材在达到温度要求后由于余热的影响降到最小。要一一实现它们的温度要求，温控装置必须能够实现变阶段控温，达到每个阶段温度后的保温时间也能自我设定。 第二章 推料进给装置的设计方案21丝杠副的选型计算及其校核 22 电机的选型电机分为步进电机和交流伺服电机，交流伺服电机与步进电机相比，二者性能又有较大不同，它主要表现为：(1).控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（berger lahr）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 (2).低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（fft），可检测出机械的共振点，便于系统调整。(3).矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000rpm或3000rpm）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 (4).过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机。 (5).运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。(6).速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下msma 400w交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000rpm仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。在我的推料进给装置中，基本上对启停速度要求不算太过严格，综上所述，初步选中电机类型为步进电机。具体型号是45bf003-。计算如下：（1）、步进电机转轴上的总转动惯量的计算 式中 为工作台质量（kg） 为丝杠导程（cm） 计算：=(0.5/6.28)* (0.5/6.28)*30=0.1902（2）、步进电机转轴上的等效负载转矩的计算 通常考虑两种情况：一种是快速空载启动，另一种是承受最大工作载荷。 快速空载启动时电机转轴所受的负载转矩 快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，单位是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位是滚珠丝杆预紧后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩，单位是而上式中：电动机转轴的角加速度，单位是电动机的转速，单位是电动机加速所用的时间，单位是s，一般在0.31s之间选取经计算：=10.750 (35.83)导轨的摩擦力，单位是n滚珠丝杆的导程，单位是m传动链总效率，一般取=0.70.85总的传动比 电机的转速 丝杆的转速经计算：=0.0671滚珠丝杆副的预紧力，一般取滚珠丝杆工作载荷的1/3，单位是n滚珠丝杆副未预紧时的传动效率，一般取0.9由于选择的是无预紧丝杠最大工作载荷状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由最快空载移动速度和系统脉冲当量，算出电动机对应的运行频率。没有超过所选电动机的极限空载运行频率。 启动频率校核 总的转动惯量对应的启动频率，可以通过上式求得，也可以在步进电动机的启动惯频特性曲线上找出 电机空载启动频率，单位是，由产品资料查得加在步进电动机上的总的转动惯量，单位是步进电动机转子的转动惯量，单位是算得启动频率小于经计算，电机符合要求。23 轴承的选型计算及其校核 一般主轴常用的几种滚动轴承的配置有以下几种。1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合，承受径向和轴向载荷；后支承采用成对角接触球轴承，特点是刚度高，可以满足强力切削的要求，数控机床应用较多。（图中a）。2）前轴承采用成组角接触球轴承，23个轴承组成一套，要求背靠背安装，承受径向和轴向载荷；后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于高速、重载、精度好的主轴要求，但承受的轴向载荷比前一配置小。（图中b）。3）前后支承均采用高精度的成组角接触球轴承，承受径向和轴向载荷；这类轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速达4000r/min，它的承载能力小，适合于高速度、图13数控机床主轴轴承的配置形式轻载荷、高精度的数控机床主轴。（图中c）。4）前轴承采用双列圆锥滚子轴承，能够承受较大的径向和轴向载荷，后轴承采用单列圆锥滚子轴承。能承受重载荷尤其能承受较强的动载荷，可调整性好，但限制了主轴最高转速与精度，适合于低速、重载、中等精度的机床。（图中d）。轴承的精度分为2、4、5、6、0五级，2级最高，0级为普通精度级。主轴轴承以4级为主（记为p4），较低精度的主轴可以用p5级，而p6、p0一般不用。前后轴承之间，前轴承对主轴组件的精度影响比后轴承的影响大。因此后轴承精度可以比前轴承低一级。轴承并列使用时，选择背对背的方式。采用推力轴承时，分清楚先装配内径小的圈还是内径大的圈，内径小的圈随轴转动。该设计中采用圆锥滚子轴承，其代号为32914 2bc,计算系数：e=0.32 ;y=1.9; y0=1,基本额定静载荷cr=70800n 额定动载荷cor=115000n采用油脂润滑。在我的设计中,选用的是角接触球轴承.当轴承承受轴向145.125n的力时，f a=f d fr tana=145.125fr4814fa/fre p=fp(xfr+yfa)=1.0(0.44814+1.9 1290)=4376.6n instruction wizard，然后在指令向导窗口中选择pid指令。图1. 选择pid向导在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择“yes”，确认编译。如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。如果项目中已经配置了一个pid回路，则向导会指出已经存在的pid回路，并让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路。图2. 选择需要配置的回路第一步：定义需要配置的pid回路号图3. 选择pid回路号一个程序中可同时进行八路pid运算，回路号为0-7。第二步：设定pid回路参数图4. 设置pid参数a. 定义回路设定值（sp，即给定）的范围：在低限（low range）和高限（high range）输入域中输入实数，缺省值为0.0和100.0，在本例中可理解为测量温度的上下限实际值。以下定义pid回路参数，这些参数都应当是实数：b. gain（增益）：即比例常数。 c. integral time（积分时间）：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大：输入“inf”。 d. derivative time（微分时间）：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为0 。 e. sample time（采样时间）：是pid控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时间间隔。 注意：关于具体的pid参数值，每一个项目都不一样，需要现场调试来定，没有所谓经验参数。第三步：设定回路输入输出值 图5. 设定pid输入输出参数在图5中，首先设定过程变量的范围：a. 指定输入类型o unipolar： 单极性，即输入的信号为正，如010v或020ma等o bipolar：双极性，输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为10v、5v等时选用o 20% offset：选用20%偏移。如果输入为420ma则选单极性及此项，4ma是020ma信号的20%，所以选20% 偏移，即4ma对应6400，20ma对应32000b. 反馈输入取值范围o 在a.设置为unipolar时，缺省值为0 - 32000，对应输入量程范围0 - 10v或0 - 20ma等，输入信号为正o 在a.设置为bipolar时，缺省的取值为-32000 - +32000，对应的输入范围根据量程不同可以是10v、5v等o 在a.选中20% offset时，取值范围为6400 - 32000，不可改变c. output type（输出类型）可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等）d. 选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，可以选择：o unipolar：单极性输出，可为0-10v或0-20ma等o bipolar：双极性输出，可为正负10v或正负5v等o 20% offset：如果选中20% 偏移，使输出为4-20mae. 取值范围： o d为unipolar时，缺省值为0-32000 o d为bipolar时，取值-32000到32000 o d为20% offset时，取值6400-32000，不可改变 如果选择了开关量输出，需要设定此占空比的周期。第四步：设定回路报警选项图6. 设定回路报警限幅值向导提供了三个输出来反映过程值(pv)的低值报警、高值报警及过程值模拟量模块错误状态。当报警条件满足时，输出置位为1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。a. 使能低值报警并设定过程值(pv)报警的低值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.10，即报警的低值为过程值的10。此值最低可设为0.01，即满量程的1%b. 使能高值报警并设定过程值(pv)报警的高值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.90，即报警的高值为过程值的90。此值最高可设为1.00，即满量程的100%c. 使能过程值(pv)模拟量模块错误报警并设定模块于cpu连接时所处的模块位置。“0”就是第一个扩展模块的位置第五步：指定pid运算数据存储区图7. 分配运算数据存储区pid指令（功能块）使用了一个120个字节的v区参数表来进行控制回路的运算工作；除此之外，pid向导生成的输入/输出量的标准化程序也需要运算数据存储区。需要为它们定义一个起始地址，要保证该地址起始的若干字节在程序的其它地方没有被重复使用。如果点击“suggest address”，则向导将自动为你设定当前程序中没有用过的v区地址。自动分配的地址只是在执行pid向导时编译检测到空闲地址。向导将自动为该参数表分配符号名，用户不要再自己为这些参数分配符号名，否则将导致pid控制不执行。第六步：定义向导所生成的pid初使化子程序和中断程序名及手/自动模式图8. 指定子程序、中断服务程序名和选择手动控制向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了缺省名，也可以修改成自己起的名字。a. 指定pid初使化子程序的名字。 b. 指定pid中断子程序的名字c. 此处可以选择添加pid 手动控制模式。在pid手动控制模式下，回路输出由手动输出设定控制，此时需要写入手动控制输出参数一个0.01.0的实数，代表输出的0100而不是直接去改变输出值。第七步：生成pid子程序、中断程序及符号表等一旦点击完成按钮，将在你的项目中生成上述pid子程序、中断程序及符号表等。图9. 生成pid子程序、中断程序和符号表等第八步：配置完pid向导，需要在程序中调用向导生成的pid子程序图10. pid子程序图11. 调用pid子程序在用户程序中调用pid子程序时，可在指令树的program block（程序块）中用鼠标双击由向导生成的pid子程序，在局部变量表中，可以看到有关形式参数的解释和取值范围。a. 必须用sm0.0来使能 pidx_init 子程序，sm0.0 后不能串联任何其他条件，而且也不能有越过它的跳转；如果在子程序中调用 pidx_init 子程序，则调用它的子程序也必须仅使用 sm0.0 调用，以保证它的正常运行 b. 此处输入过程值（反馈）的模拟量输入地址 c. 此处输入设定值变量地址（vdxx），或者直接输入设定值常数，根据向导中的设定0.0100.0，此处应输入一个0.0100.0的实数，例：过程值aiw0是量程为0200度的温度值，则此处的设定值20代表40度（即200度的20）；如果在向导中设定给定范围为0.0 - 200.0，则此处的20相当于20度 d. 此处用i0.0控制pid的手/自动方式，当i0.0为1时，为自动，经过pid运算从aqw0输出；当i0.0为0时，pid将停止计算，aqw0输出为manualoutput（vd4）中的设定值，此时不要另外编程或直接给aqw0赋值。若在向导中没有选择pid手动功能，则此项不会出现 e. 定义pid手动状态下的输出，从aqw0输出一个满值范围内对应此值的输出量。此处可输入手动设定值的变量地址（vdxx），或直接输入数。数值范围为0.0-1.0之间的一个实数，代表输出范围的百分比。例：如输入0.5，则设定为输出的50。若在向导中没有选择pid手动功能，则此项不会出现 f. 此处键入控制量的输出地址 g. 当高报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能高报警功能，则此项将不会出现 h. 当低报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能低报警功能，则此项将不会出现 i. 当模块出错时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能模块错误报警功能，则此项将不会出现 调用pid子程序时，不用考虑中断程序。子程序会自动初始化相关的定时中断处理事项，然后中断程序会自动执行。第九步：实际运行并调试pid参数没有一个pid项目的参数不需要修改而能直接运行，因此需要在实际运行时调试pid参数。查看data block（数据块），以及symbol table（符号表）相应的pid符号标签的内容，可以找到包括pid核心指令所用的控制回路表，包括比例系数、积分时间等等。将此表的地址复制到status chart（状态表）中，可以在监控模式下在线修改pid参数，而不必停机再次做配置。参数调试合适后，用户可以在数据块中写入，也可以再做一次向导，或者编程向相应的数据区传送参数。3） pid自整定原理在step 7-micro/win v4.0中可用pid调节控制面板，根据工艺要求为调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或极慢速响应，pid自整定会根据响应类型而计算出最优化的比例、积分、微分值，并可应用到控制中。以下是pid调节控制面板的介绍：图14. pid调节控制面板在图14中：a. 过程值指示显示过程变量的值及其棒图b. 当前的输出值指示显示当前使用的设定值、采样时间、pid 参数值及显示当前的输出值和棒图c. 可显示过程值、设定值及输出值的pid趋势图d. 调节参数1) 选择pid参数的显示：当前参数（current）、推荐参数（suggested）、手动输入（manual) 2) 在manual模式下，可改变pid参数，并按update plc按钮来更新plc中的参数 3) 启动pid自整定功能 4) 选择advanced（高级）按钮进入高级参数设定e. 当前的pid回路号这里你可以选择需要监视或自整定的pid回路 f. 时间选项设定这里你可以设定趋势图的时基，时基以分为单位 g. 图例颜色这里你可以看到趋势图中不同的颜色代表不同的值的趋势h. 帮助按钮i. pid信息显示窗口 j. 关闭pid调节面板pid步骤如下：第一步：在pid wizard (向导）中完成pid功能配置注意：要想使用pid自整定功能，pid编程必须用pid向导来完成 第二步：打开pid调节控制面板，设置pid回路调节参数在micro/win v4.0在线的情况下，从主菜单tools pid tune control panel或点击进入pid调节控制面板中，如果面板没有被激活（所有地方都是灰色），可点击configure（配置）按钮运行cpu。在pid调节面板的e.区选择要调节的pid回路号，在d.区选择manual（手动），调节pid参数并点击update（更新），使新参数值起作用，监视其趋势图，根据调节状况改变pid参数直至调节稳定。为了使pid自整定顺利进行，应当做到： 使pid调节器基本稳定，输出、反馈变化平缓，并且使反馈比较接近给定 设置合适的给定值，使pid调节器的输出远离趋势图的上、下坐标轴，以免pid自整定开始后输出值的变化范围受限制 第三步：在d.区点击advanced（高级）按钮，设定pid自整定选项。如果不是很特殊的系统，也可以不加理会。第四步：在手动将pid调节到稳定状态后，即过程值与设定值接近，且输出没有不规律的变化，并最好处于控制范围中心附近。此时可点击d.区内的start auto tune按钮启动pid自整定功能，这时按钮变为stop auto tune。这时只需耐心等待，系统完成自整定后会自动将计算出的pid参数显示在d.区。当按钮再次变为start auto tune时，表示系统已经完成了pid自整定。注意：要