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- I - 自动铝带绕片机控制系统设计自动铝带绕片机控制系统设计自动铝带绕片机控制系统设计自动铝带绕片机控制系统设计 摘要摘要摘要摘要 绕片机是生产翅片管的专用设备，我国现有的绕片机多属于半机械半手工 的操作方式，效率低、质量不稳定、规格少，不能满足目前生产需求因此很有 必要在翅片管生产中加强自动控制功能，提高控制精度。近年来，由于 PC 机发 展迅速，技术日趋成熟，软件资源更加丰富，因此充分利用 PC 机资源，并将其 功能集成到 CNC 中去，发展基于 PC 的数控系统(即 PC-NC )，已成为世界各国 发展研究的重点 1。本文在对自动铝带绕片机整体机构进行研究与设计的基础 上，本项目针对我国企业的实际情况，借鉴国外先进技术，主要由工业控制计 算机、Trio 运动控制器、伺服电机、PLC 与液压控制系统等构成自动铝带绕片 机控制系统。主要开展了如下几方面的研究： 1.自动铝带绕片机的整体结构的研究。 2.对机床液压系统的研究。详细分析了液压系统多缸同步回路策略，在分 析液压系统工艺过程的基础上，利用 PLC 实现对液压系统的控制。 3.自动铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现。根据铝带缠绕的原理分析 绕片控制算法和机床伺服系统，对绕片控制系统的各个模块进行分析，讨论系 统的抗干扰和可靠性措施，并对 Trio 运动控制卡进行编程。 开发出的自动铝带绕片机解决了传统绕片机的半机械、半手工的操作方式 效率低，质量不稳定，规格少等问题，能够实现加工不同管径、不同长度和不 同螺距的钢管铝带缠绕，并可实现程序管理、参数预设置、自动和手动等功 能，能够有效地提高企业的生产效率和自动化水平。 关键词关键词关键词关键词铝带绕片机；运动控制；PLC；液压系统 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - TheTheTheThe StudyStudyStudyStudy ofofofof thethethetheAutomaticAutomaticAutomaticAutomaticAluminous-WindingAluminous-WindingAluminous-WindingAluminous-Winding MachineMachineMachineMachine ControlControlControlControl SystemSystemSystemSystem AbstractAbstractAbstractAbstract Around the machine is the production of special equipment finned tubes, around the existing China-more than a half-mechanical semi-manual mode of operation and low efficiency, quality, instability, less specifications, production can not meet the current demand so it is very necessary in the fin Production of automatic control functions to strengthen and improve control accuracy. In recent years, due to the rapid development of PC technology matures, the software more abundant resources, make full use of PC resources and its functions integrated into the CNC to the development of PC-based numerical control system (PC-NC), has Become the worlds countries to develop the focus of the study . In this paper, the machine automatically Aluminium around the overall research and design institutions on the basis of the item against the actual situation of Chinas enterprises, draw on advanced foreign technology, mainly by industrial control computer, Trio motion controller, servo motors, PLC and liquid Pressure control system, and constitute a layer around the machine control system. Mainly in the following areas of study: 1. Automatic Aluminous-winding machine control system the overall structure of the study. 2. Hydraulic system of machine tools. Detailed analysis of the hydraulic system of multi-cylinder synchronous loop strategy, in the process of analysis of the hydraulic system on the basis of the PLC to control the hydraulic system. 3. Automatic Aluminous-winding machine control system around the Research and Implementation. According to the principle of Aluminous-winding around algorithms and machine-control servo system, the control system around-the various modules for analysis, discussion and anti-jamming system reliability measures and movement control card Trio program. Developed automatic aluminous-winding machine control system to solve the traditional around-the-half machinery, semi-manual mode of operation is inefficient, 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - unstable quality, specifications and other issues less, to achieve the processing of different diameters, different lengths of pipe and different pitch Aluminous-winding, and realize management procedures, pre-set parameters, such as automatic and manual functions, can effectively increase their productivity and the level of automation. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsthe Automatic Aluminous-Winding Machine; movement control; PLC; hydraulic system 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - 目录目录目录目录 摘要.I AbstractII 第 1 章 绪论 1 1.1 课题研究的目的和意义. 1 1.2 自动铝带绕片机发展现状和趋势. 2 1.3 课题来源. 3 1.4 主要研究内容. 3 第 2 章 自动铝带绕片机系统设计分析 4 2.1 绕片机总体结构. 4 2.2 缠绕部分控制系统原理和结构分析. 5 2.3 缠绕运动控制方案的提出. 5 2.4 位置伺服系统基本结构类型比较. 6 2.5 本章小结. 7 第 3 章 自动铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现 8 3.1 绕片部分整体结构. 8 3.2 绕片控制部分控制系统的组成. 8 3.3 绕片部分控制原理. 9 3.4 绕片控制模块设计. 10 3.4.1 速度位置控制模块 10 3.4.2 伺服系统分析 12 3.4.3 TRIO 运动控制卡 I/O 模块分配14 3.4.4 按钮站功能简介 14 3.5 TRIO 运动程序编制关键点分析16 3.6 系统抗干扰和可靠性措施. 16 3.7 绕片部分控制系统软件设计. 17 3.7.1 控制策略分析 18 3.7.2TRIO 运动控制器与 IPC 串行通信的实现策略19 3.7.2 绕片机控制系统交互界面 21 3.8 本章小结. 22 第 4 章 自动铝带绕片机液压控制系统的研究 23 4.1 可编程控制器简介. 23 4.1.1 可编程控制器器的特点 23 4.1.2 可编程控制器的主要功能 23 4.1.3 可编程控制器的结构 23 4.1.4 可编程控制器工作过程 24 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 4.2 自动铝带绕片机液压系统的工艺过程. 25 4.3 液压系统硬件设计. 26 4.4 液压控制系统设计. 27 4.4.1 可编程控制器 CPU 组态.28 4.4.2 液压控制系统组成 28 4.5 液压系统电气控制电路. 29 4.5.1 液压系统供电电路和油泵电机控制电路 29 4.5.2 可编程控制器输入模块和输出模块接线图 29 4.6 液压控制系统软件设计. 30 4.6.1 PLC 程序设计.30 4.6.2 液压系统功能图 31 4.7 本章小结. 34 结论 35 致谢 36 参考文献 37 附录 A.39 附录 B.41 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 由于我国现有的绕片机多属于半机械、半手工的操作方式，效率低下、质 量不稳定、规格少、不能满足用户对质量、品种和规格的要求。经过不断的改 进和完善，绕片机的性能和各项参数都得到了很大的提高，但这些改进多数都 只限于对机械结构的改进，绕片机自动控制能力相对较低。因此，很有必要在 翅片管生产中加强控制功能，提高控制精度。从而，达到精确控制缠绕速度， 提高工效，降低废品率保证产品质量以更好地满足客户的要求。 开放式数控系统是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，它解决了 传统数控系统由于硬件和软件结构专用而造成的设备维护，升级更新和使用困 难等缺点。近年来，由于 PC 机发展迅速，技术日趋成熟，软件资源更加丰富， 因此充分利用 PC 机资源，并将其功能集成到 CNC 中去，发展基于 PC 的数控 系统(即 PC-NC )，已成为世界各国发展研究的重点。具体地说，PC-NC 就是在 PC 机硬件平台和操作系统的基础上，方便地使用市售软件和硬件板卡，构造出 数控系统功能。由于 PC 总线是一种开放性的总线，所以这种系统的硬件体系结 构就具有了开放式、模块化、可嵌入的特点，为机床厂和用户通过软件开发给 数控系统追加功能和实现功能的个性化提供了保证 2。 Trio 运动控制器就是在这种大背景下，由英国 Trio 公司遵循开放式系统体 系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器。Trio 数字运动控制器采用 32bit 120MHz150MHz 的最新微处理技术，融合了最新的控制理论及其网络技 术控制。其产品有基于 PC 机的 PCI 总线和具有 RS232C、RS485、USB、 Ethernet、CANBus、SERCOS、Hostlink、DeviceNet、ModBus、ProfiBus 等通 讯功能的独立型运动控制器。单 CPU 可控制 124 个轴，多 CPU 联机可控制 更多的轴，例如 72 轴同步控制。全部产品均可控制伺服电机、步进电机、变频 器、气动/液压伺服缸或者是这几种执行机构的任意组合，并带有可编程的光电 隔离的数字输入/输出和模拟输入口，可以根据设备的需要进行选配。采用专用 的 Trio BASIC Programming（类似于 BASIC 语言）运动控制编程，提供 Active X 软件可支持用户采用 VB、VC、C/C+等高级语言针对设备的需要进行二次 开发。另外还提供 CAD 转化运动程序文件，可以根据用户设计的图形文件*.dxf 转化成 Trio 的编程语言的运动程序文件*.bas 进行加工和控制运动过程。为保护 编程人员的合法权益，可设置双重密码，使得用户的知识产权得到合理的保 护。Trio 有着广泛的应用，如纺织机械、特种磨床、纸张及钢材的剪切设备、 印刷机械、贴标机、玻璃纤维生产线等。 本项目针对我国企业的实际情况，借鉴国外先进技术，开发的数控铝带绕 片机开放式数控系统的硬件主要由工业控制计算机、Trio运动控制器、伺服电机 等构成。Trio运动控制器用作系统的实时控制，工控机用作人机交互的界面和系 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 统的管理。通过模块化的设计方法，建立统一的可重构的系统工具平台，极大 地增强了数控系统的柔性和适应性。 开发后的生产装置功能齐全，使用可靠，通过程序的改变，可方便的完成 不同管径、长度和翅片螺距的绕片加工，实现螺距的无级调整，上下料等均自 动完成，使设备具有较高的柔性，从而提高企业的自动化程度，提高生产效率 和加工精度，以更稳定的加工质量，更好的满足客户对产品的多种需求，降低 企业的生产成本，提高企业的效益和市场竞争力，是一项具有很大开发潜力的 项目。开发后的设备具有广泛的市场前景，为企业带来更大的经济效益和社会 效益，与开发前的机床相比，其生产率可在原基础上提高 6 倍。该自动机床研 制成功后，可进行批量生产，投放市场。经调查，全国使用该设备的企业有约 上万家，该设备批量生产后大大提高企业的竞争能力，具有可观的经济效益和 社会效益。 1.21.21.21.2 自动铝带绕片机发展现状和趋势自动铝带绕片机发展现状和趋势自动铝带绕片机发展现状和趋势自动铝带绕片机发展现状和趋势 翅片管是空气冷却器管束上最基本、最重要的一种新型高效节能热交换元 件，它利用压力将铝带在钢管外侧缠绕成螺旋状的散热片，增大钢管的散热面 积，成倍的提高散热效率。这种翅片管是目前国内外一致公认的一种新型高效 热交换元件，是先进的节能产品，可广泛应用于空调、暖通、冶金、石油、化 工、电站等行业的热交换器及各种散热器、暖风机等设备上。 我国绕片机的大量使用从 6070 年代开始，但多数为引进的技术较落后的 设备。几十年来，随着我国空调制冷、暖通业的发展，对翅片管的需求量日益 增加，作为生产翅片管的专用设备，绕片机仅靠进口已不能适应市场竞争的要 求。从 80 年代开始我国空调、暖通行业的崛起由全国 30 几个生产厂经过 20 几 年的快速发展现以达到上万个生产家,而翅片管换热元件的加工装备却是我国从 50、60 年代引进至今的生产单一规格半自动、手动的铝带绕片机,生产效率低, 质量不稳定.经调研现国内生产家急需更换装备,提高产值、提高产品质量来满足 市场需求。为此，我国有些企业也进行了开发和研制，但并没有解决绕片机的 自动化问题，满足不了对换热元件的物理结构参数和性能技术参数的要求，所 做的一些改进多数都只限于对机械结构的改进，技术落后，绕片机尚无自动控 制能力 3。 目前，国内生产翅片管企业的生产线自动化程度水平较低，在控制系统方 面大多是采用继电器，接触器等强电的一般逻辑顺序控制。其生产线缠绕机头 的牵引和旋转合用一个电机。电机有两个输出，一个是直接带动钢管旋转，一 个是通过传动齿轮，拖动钢管及附件做直线运动。螺距的变化调整，是通过很 多组备用齿轮组及齿轮箱共同调节，而且，螺距受齿轮比的限制，为有限个数 量级，不能达到无级设定，往往不能满足客户的要求，达不到最佳的缠绕速 度，时常出现质量问题。为此，我国有些企业，如开封市红日散热器厂、哈尔 滨空调机厂等，也进行了开发和研制，但并没有解决绕片机的自动化问题，满 足不了对换热元件的物理结构参数和性能技术参数的要求，所做的一些改进多 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 数都只限于对机械结构的改进，技术落后，绕片机尚无自动控制能力。 早在 70 年代初期，美国 Mcelory 公司就已经开始研制绕片机 4。目前，该 公司的绕片机已具备自动化加工功能。意大利 C.M.S 公司、Alabama 公司等许 多国外企业都在不断研制、开发不同规格的绕片机。现在国外已经有成型的全 自动铝带绕片机，它能不但能完成不同管径和翅片螺距的绕片加工，而且操作 方便，可实现程序管理、参数预设置、自动、手动等功能，并且加工零件的精 度高、精度一致性好、加工质量稳定、废品率低 5。因而，针对国内企业的实 际情况，借鉴国外先进技术，开发自动铝带绕片机显得尤为迫切。 1.31.31.31.3 课题来源课题来源课题来源课题来源 本课题自动铝带绕片机的研究与开发来源于哈尔滨市科技攻关项目， 哈尔滨哈暖环境工程有限公司的合作项目。 1.41.41.41.4 主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容 本课题的主要研究内容如下： 1. 自动铝带绕片机整体结构的设计； 2. 利用 PLC 实现对自动铝带绕片机液压系统的控制； 3. 自动铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现。根据铝带缠绕的原理分析 绕片控制算法和机床伺服系统，对绕片控制系统的各个模块进行分析，讨论系 统的抗干扰和可靠性措施，并对 Trio 运动控制卡进行编程。以及控制系统软件 设计。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 自动铝带绕片机系统设计分析自动铝带绕片机系统设计分析自动铝带绕片机系统设计分析自动铝带绕片机系统设计分析 2.12.12.12.1 绕片机总体结构绕片机总体结构绕片机总体结构绕片机总体结构 如图 1-1 所示，自动铝带绕片机主要由：工业控制计算机，Trio 运动控制 器，伺服电机和 PLC 等组成。工控机的 CPU 与 Trio 卡的 CPU 构成主从式双微 处理器结构。技术路线采用上位机与下位机同时工作的方式来实现。主机到指 定的硬件资源地址去寻找 Trio 卡，Trio 运动控制卡将实时状态数据，例如位置 数据和程序信息数据，进行重复下载。也就是可以快速的重复的获取系统状态 信息，例如，交流伺服电机的状态、位置、速度、跟随误差等数据可以不停的 被更新。在铝带绕片机中除了对电机的控制之外，还需要对其他的电器元件进 行控制，例如指示灯、液压元件，这部分采用 PLC 来控制。输入信号通过光电 隔离后送入智能 I/O 接口，然后送入 PLC，输出信号通过智能 I/O 接口输出， 控制相应的电器。PLC 用来控制指示灯、继电器、接触器、伺服系统的驱动使 能和速度使能等等。送入 PLC 的信号主要有各伺服模块工作状态信号、液压开 关接触信号、强电柜中接触器、报警等信号、机床电器动作、限位信号、各轴 的行程开关、机械零点开关等信号、操作面板和机床上的控制按钮信号等等。 综上所述，工业控制计算机作为上位机主要完成数控系统的管理和程序相关参 数的设定，利用开发的用户界面直观的显示系统状态，数据的输入等功能。下 位机（Trio 运动控制器）给出具体的控制算法，并由下位机的各个分立器件 （如放大器）等来完成输出控制信号采集被控制对象的位置、速度等信息功 能。利用 Trio 卡完成整个数控系统数据的采集和各种开关信号，反馈信号的处 理。采用类似 BASIC 等高级语言的编程方式处理各种输入信号并输出控制信号 控制液压系统和电控系统。 工 控 机 T rio运 动 控 制 器 （M C2 0 6） 绕 片 按 钮P L C MODBUS协 议 HOSTLINK 协 议 机 床 限 位、手 动 按 钮 等P L C 输 入 信 号 液 压 系 统 动 作 顺 序、 指 示 灯 等P L C 输 出 信 号 伺 服 放 大 器1 伺 服 放 大 器2 主 轴 电 机 小 车 电 机 图 1-1 自动铝带绕片机总体控制框图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 控制系统的软件包括上位机管理软件和下位机控制软件。上位机管理软件 主要完成系统配置、数控程序编辑、系统诊断和上下位机的通信功能。该数控 系统软件利用 Windows 内部大量的 API(Application Program Interface)函数以及 VisualC+的 MFC (Microsoft Fountain Class)类库,使用较成熟的 Visual C+ 6.0 进行开发调试和维护利用面向对象的编程思想,以多级菜单为主体,辅以对话框 工具栏快捷键等交互方式,依据用户需要定制良好的人机交互界面，为了在自动 铝带绕片机安装出现故障时调试程序特意设计了手动、半自动和自动运行的功 能 6-8。工控机和 MC206 通过串口基于 Modbus 协议完成工艺参数下载和机床状 态参数上传显示。Modbus 通讯采用主从方式的查询机制,系统将工控机设为主 站,MC206 设为从站,只有主站发出查询时,从站才能给出响应,从站不能主动发 送数据。工作时工人选定待缠绕管件型号并将工艺文件下载后,进入缠绕加工状 态,此时所有运动和逻辑控制由 MC206 完成,从站仅响应主站的查询并上传状态 数据。即使工控机由于某种原因出现故障或死机,也不会影响当前铝管的缠绕加 工。从而提高了系统的稳定性和控制的实时性。 下位机控制软件是通过运行在 PC 机上的 Motion Perfect 软件来进行开发 的，采用的是 Trio BASIC 语法格式进行编写的。通过运行在 PC 机上的 Motion Perfect 软件将编制好的运动控制程序下载到 MC206 内即可脱机运行。 2.22.22.22.2 缠绕部分控制系统原理和结构分析缠绕部分控制系统原理和结构分析缠绕部分控制系统原理和结构分析缠绕部分控制系统原理和结构分析 自动铝带绕片机控制系统主要完成的任务是能接受用户的参数输入，并对 输入参数解析，控制伺服系统按一定的速度运行。要求系统具有良好的用户交 互界面、高控制精度、良好的运动平稳性。 为了满足上述要求，整个控制系统主要由工业控制机和相应的输入输出模 块组成的计算机系统、运动控制单元、交流伺服驱动单元和交流伺服电机组 成。采用计算机控制，为建立良好的交互界面和扩展接口创造了条件，随着计 算机技术的发展，硬件本体和软件技术都产生了巨大的进步，对于上位机软件 的编写和运行速度已经不是系统的瓶颈，系统的实时性也有了保证。但是系统 的精度和稳定性需要进一步的研究。 自动铝带绕片机运动控制主要由两部分组成，一是主轴系统，拖动制品芯 模绕轴旋转。在主轴的控制中采用速度闭环控制系统，实现恒转速。二是小车 系统，小车拖动铝带沿轨道运动。二者按一定要求同时运动，完成铝带在芯模 上的缠绕，达到制品的技术要求。绕片机生产工艺要求小车在筒身段作速度(与 主轴速度成严格速比关系)跟随运动，在封头段要求精确定位，采用半闭环伺服 系统设计。绕片机中使用伺服系统拖动铝带，具有可连续调速的优点，易于达 到绕片机的工艺要求。上位机控制系统协调小车与主轴的运动，控制完成不同 规格的制品的生产。 2.32.32.32.3 缠绕运动控制方案的提出缠绕运动控制方案的提出缠绕运动控制方案的提出缠绕运动控制方案的提出 铝带绕片机生产工艺要求主轴的转速稳定，即要求主轴系统无静差，动态 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 恢复过程短。故可在主轴的控制中采用速度闭环控制系统。其生产工艺要求小 车在筒身段作速度跟随运动，在封头段要求定位精度高，故采用位置伺服系 统。 位置伺服系统是一种与调速控制系统有着紧密联系但又有明显不同的系 统。一般调速系统的要求希望有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的启、 制动性能，系统工作时，都是以一定的速度精度、稳定调速范围内某一固定的 转速上运行的，系统的主要控制目标是使转速尽量不受负载变化、电源电压波 动及环境温度等干扰因素的影响。而位置伺服系统，一般是以足够的位置控制 精度（定位精度）、位置跟踪精度（位置跟踪误差）和足够快的跟踪速度以及 位置保持的能力（伺服刚度）来作为它的主要控制目标。系统运行时要求能以 一定的精度随时跟踪指令的变化，因而系统中伺服电动机的运行速度通常是不 断变化的。伺服系统在跟踪性能方面的要求一般要比普通速度系统高而且严格 的多。一个位置伺服系统中，仅当它的指令呈斜坡函数形式，即每单位时间内 移动的距离或转过的角度相等时，其运动与控制特性才与一个普通调速系统类 似。 自动控制中用到斜坡函数，其数学表达式为： f(t)=0(t=0) 表示在t=0时间开始，以恒定速率R随时间而变化的函数。 2.42.42.42.4 位置伺服系统基本结构类型比较位置伺服系统基本结构类型比较位置伺服系统基本结构类型比较位置伺服系统基本结构类型比较 位置伺服系统包括机械执行机构和电气自动化控制两大部分组成。可分为 开环位置伺服系统、半闭环位置伺服系统、全闭环位置伺服系统和混合闭环位 置伺服系统四种基本结构类型 911。 1.开环位置伺服系统 开环位置伺服系统是一种没有位置反馈的位置控制系统。它的伺服机构按 照指令装置发来的位置移动指令驱动机械作相应的动作，但并不对机械的实际 位移或转角进行检测，从而无法将其与指令值进行比较。它的控制精度只能靠 伺服机构本身的转动精度来保证。所以，这种开环位置伺服系统仅适用于那些 对位置控制精度要求不高、位移速度较低的系统。 2.半闭环位置伺服系统 与开环位置伺服系统不同，半闭环位置伺服系统具有位置检测和反馈的闭 环控制系统。它的位置检测器与伺服电动机同轴相连，可通过它直接测出电动 机轴旋转的角位移，进而推知当前执行机构的实际位置。由于位置检测器不是 直接装在执行机构上，位置闭环只能控制到电机轴上，所以称为半闭环位置伺 服系统。 半闭环位置伺服系统在它的闭环中非线性因素少，容易整定，还可以比较 方便地通过补偿来提高位置控制精度，此外，半闭环的结构使它的执行机构与 电气自动控制部分相对独立，系统的通用性增强。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 3.全闭环位置伺服系统 全闭环位置伺服系统将他的位置检测器件直接安装在工作台上，从而可以 获取工作台的实际位置精确信息，通过反馈闭环实现高精度的位置控制。 从理论上说，这是最理想的一种位置伺服控制方案。但是，在实际的应用 中却很少使用这种结构方案。这主要是因为当采用全闭环时，执行机构本身的 机械传动链也包括在位置闭环中，伺服的电气自动控制部分与执行机构不再相 对独立，传动的间隙、摩擦特性的非线性、传动链的刚性等都会影响控制系统 的稳定，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时，由于机械部分也包含在 位置闭环内，位置环的设计就不得不考虑这部分机械的传输特性。 4.混合闭环位置伺服系统 对有的执行机构，位置伺服系统采用半闭环结构系统虽然容易整定，但是 很难补偿其机械传动部分引起的位置误差，使位置控制精度不能达到要求的指 标；采用全闭环结构系统又很难整定，系统闭环后因环内多种非线性因素诱发 的振荡难以消除。于是，提出一种混合闭环结构的位置伺服系统方案。系统中 同时存在半闭环与全闭环。系统工作时，半闭环起主要作用。由于半闭环中电 气自动控制部分与执行机构相对独立，可以采用较高的位置增益，使系统容易 整定、响应快、跟踪误差小；而全闭环只用于稳态误差补偿，位置增益可选得 较低以保证系统的稳定性。两者相结合可获得较高的位置控制精度和跟踪速 度。但由于系统中同时存在两个闭环，使系统的控制复杂程度大大增加，它们 之间的配合、增益调整等都必须仔细整定，位置伺服系统因之不具有通用性。 在位置伺服系统的上述四种基本结构形式中，半闭环结构是当前应用最广 泛的结构。并且由于半闭环中的电气自动控制系统与执行机构相互独立，可以 根据机械惯量和负载情况划分为不同的等级，独立的进行电气自动控制部分的 设计，因此，玻璃钢管道缠绕机控制系统采用这种结构。 2.52.52.52.5 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章讨论了缠绕机控制系统的系统组成，着重分析了缠绕控制系统要求， 根据其要求设计和分析了自动铝带绕片机运动控制系统。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 自动铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现自动铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现自动铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现自动铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现 3.13.13.13.1绕片部分整体结构绕片部分整体结构绕片部分整体结构绕片部分整体结构 铝带在绕制过程中不仅发生塑性变形，而且还利用材料的弹性变形使得芯 管与铝翅片通过内应力达到联接后施行断续焊接以达到粘联的目的。采用了一 种特殊的行星轮系实现了管子轴向进给和沿自身轴线回转的合成，这种驱动轮 系是在一个圆周上均匀分布三组完全相同的结构的转轮，对于不同的钢管管 径，通过调节各个转轮上的调整螺钉调整间隙。驱动轮的表面带有一种防滑材 料，其目的就是增大驱动轮与钢管之间的摩擦力，这样更能有效的驱动钢管进 行轴向运动。 自动铝带绕片机绕片部分主要由铝带盘、溜板箱、导向轮、转动体、扎 头、同步带轮、矫正机构等组成，其中缠绕头部分装置图如图 3-1 所示： 1. 伺服电机 2. 机头箱体 3. 转动体 4. 扎头 5. 伺服电机 6. 同步带轮 3.23.23.23.2绕片控制部分控制系统的组成绕片控制部分控制系统的组成绕片控制部分控制系统的组成绕片控制部分控制系统的组成 自动铝带绕片机绕片部分主要由三部分组成，一是主轴系统，拖动钢管单 向旋转。在主轴的控制中采用速度闭环控制系统，实现恒转速。二是纵向溜板 箱（小车）系统，小车沿轨道往复运动。二者按一定要求同时运动，完成铝带 1 2 4 5 3 3 6 图 3-1 缠绕头部分装置图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 在钢管上的缠绕，达到制品的技术要求。自动铝带绕片机生产工艺要求小车作 速度（与主轴速度成严格速比关系）跟随运动，并要求精确定位，采用半闭环 伺服系统设计。使用伺服系统拖动主轴和小车，使其具有可连续调速的优点， 易于达到根据不同参数的工艺要求 12。三是上位机控制系统，协调小车与主轴 的运动，控制完成不同规格的制品的生产。 根据不同的钢管直径 D、钢管长度 L、缠绕螺距、计算出主轴和小车的速 比，由控制卡向伺服系统发出控制信号，控制主轴和小车的相对运动，同时根 据主轴的速度反馈信号与小车的速度反馈及位置反馈修正主轴与小车的控制信 号，以实现预定的线型。上位机主要用来完成系统监控和参数设置。 自动铝带绕片机绕片控制系统硬件主要由西门子工控机、Trio 多轴运动控 制卡、和安川交流伺服电动机和伺服驱动器组成，并利用 Trio 运动控制器自带 的 8 个输入通道和 8 个双向输入输出通道完成系统的调试单步运行，如纵向溜 板箱左右运动以及加减速，主轴的加减速程序的启动、零点矫正、暂停等功 能。并通过运动控制卡上的串口和 PLC 进行通信。 3.33.33.33.3绕片部分控制原理绕片部分控制原理绕片部分控制原理绕片部分控制原理 自动铝带绕片机绕片控制系统主要由三部分组成，一是主轴系统，拖动钢 管单向旋转。二是纵向溜板箱（小车）系统，小车在床身上沿轴线作直线往复 运动。二者按一定速比要求同时运动，完成铝带在钢管上的缠绕，达到制品的 技术要求。三是控制系统，按照不同的参数要求控制系统完成不同规格的制品 的生产。 自动铝带绕片生产工艺要求主轴的转速稳定，即要求主轴系统无静差，动 态恢复过程短。故可在主轴的控制中采用速度闭环控制系统。绕片生产工艺要 求小车在缠绕时做速度跟随运动，在缠绕结束时要求定位精度高，故采用位置 伺服系统。 伺服驱动单元的控制一般有三种方式，即速度控制方式、扭矩控制方式和 位置控制方式，通常情况下，采用速度控制方式比较多。这三种控制方式不同 点关键在于所输入的参考值不同，它们所输入的量分别是速度参考（模拟电 压） 、扭矩参考（模拟电流） 、位置参考（数字脉冲） 。同时它们的控制结构也不 同，图 3-2 是速度方式控制原理图 13。 该伺服控制方式的位置控制在主控机内形成，主控机将参考的位置与位置 反馈信号相比较，并将处理的结果作为速度参考发送到伺服驱动单元中。这样 主控机可以脱离伺服机械的控制，伺服单元承担了速度环控制和结果处理控制 的任务。而在伺服驱动单元中，伺服驱动单元根据输入的模拟电压量来计算相 应的速度值，对伺服电机实行控制，并去驱动机械装置。该控制系统采用的速 度参考是模拟电压值，所以就采用了速度控制方式作为主轴伺服控制方式。 根据应用场合和对控制性能要求的不同，位置系统具有多种不同的结构形 式。按照系统的结构特点，大体上将其分为四种基本结构类型：开环位置伺服 系统、半闭环位置伺服系统、全闭环位置伺服系统、混合闭环位置伺服系统。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 由于本伺服系统是采用的半闭环位置伺服系统，所以我们在此对半闭环位置伺 服控制系统进行专门讨论。半闭环位置伺服系统是具有位置检测和反馈的控制 系统。它的位置检测器与伺服电动机同轴相连，可通过它直接检测出电动机轴 旋转的角位移，进而推知当前执行机械（如上作台）的实际位置。由于位置检 测器不是自接装在执行机构上，位置闭环只能控制到电机轴为止，所以被称为 半闭环，它只能间接地检测当前的位置信息，且也难以随时修正、修除因电动 机后传动链误差引起的位置误差 14。 增 量 编 码 器 电 源 放 大 器 电 流 反 馈 速 度 反 馈 位 置 反 馈 主 控 机 速 度 参 考（模 拟 电 压） 伺 服 电 机 半闭环位置伺服系统在闭环中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地 通过补偿来提高位置控制精度，此外，半闭环结构使它的执行机构与电气自动 控制部分相对独立，增强了系统的通用性。所以就采用了半闭环位置控制方式 作为纵向溜板箱（小车）的伺服控制方式。 3.43.43.43.4 绕片控制模块设计绕片控制模块设计绕片控制模块设计绕片控制模块设计 根据以上对系统的分析，自动铝带绕片机缠绕部分控制系统采用 TRIO MC206 系列四轴运动控制卡和两台安川II系列伺服电机和驱动器。 3.4.13.4.13.4.13.4.1速度位置控制模块速度位置控制模块速度位置控制模块速度位置控制模块 速度和位置模块主要用来完成主轴和纵向溜板箱的速比和精确的位置控 制，根据缠绕的算法获得缠绕数据，运动控制器依据控制算法控制伺服电机完 成相应的功能。运动控制模块采用英国 TRIO MC206 四轴运动控制卡，该控制 具有如下特点： 1. 将运动控制和逻辑算法有机结合，轻松实现多种运动形式。 图 3-2 速度方式控制原理图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - 直线/圆弧/螺旋线插补、电子凸轮、电子齿轮同步跟踪（如飞剪、绕线，贴 标，套印）、运动叠加、虚拟轴控制、硬件位置锁存、位置比较输出、进给保 持。 2. 可扩展性提供多种功能模块，可根据应用要求按需组合。 1运动轴扩展：用子板(Daughter Board)进行运动轴扩展，单控制器最多可 控制 16 轴。可用 Fiber Optic Network 将多个控制器联网，最多控制 180 个轴。 步进轴（脉冲+方向）、伺服轴（模拟量指令+位置反馈）可混合配置； 2数字量输入、输出扩展（最多可做 256 个双向 I/O 点扩展）； 3模拟量输入、输出扩展（最多进行 32 路 12 位的模拟量输入扩展）； 4位置反馈接口扩展（A/B/Z、SSI、SIN/COS）； 5现场总线接口扩展：CAN、SERCOS、EtherNet、ProfiBus、 USB、 DeviceNet、ModBUS、RS232C、RS485、HostLink。 3. 除了运动控制外，Trio 还具有强大的运算处理能力。 1算术运算：+、*、/、SQR、EXP； 2逻辑运算：=、=、=、AND、NOT、OR、XOR； 3三角函数：SIN、ASIN、COS、ACOS、TAN； 4其他函数：ABS、SGN、INT、MOD。 4. 多种运行方式。 1独立脱机运行：应用程序用 TrioBasic 编制，然后下载到控制器中脱机 运行； 2基于计算机方式：用 VB、VC、Delphi、C+Builder 等高级语言调用运 动函数； 3现场总线控制：如 ProfiBus、DeviceNet、EtherNet、CanOpen、 SERCOS 等。 5. 多任务执行。 所谓多任务就是将复杂的程序分成几个部分的任务来同时执行，每个部分 的任务是独立的，这样就可以使设备的复杂运动过程控制变得简单明了。可将 后台 PLC 功能和人机交互处理等作为独立任务执行，简化编程。控制器最多可 同时执行 14 个独立程序(MC224）。 6. 可接收多种类型的位置反馈信号。 增量式光电编码反馈（A/B/Z）、绝对式光电编码反馈（SSI）、正/余弦编 码反馈（SIN/COS） 7. 与伺服驱动器多种接口形式。 CANopen (Controller Area Networking)、DeviceNET、Profibus、SERCOS (Serial Realtime Communication System)、SLM (Speed Loop Module)、通用伺服 接口等。 8. 编程方便。 Trio Basic：一种类似于 BASIC 的语言，简单明了，易学易用。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - OCX Component：在 VB、VC 、Delphi、C+Builder 中，直接调用运动 函数。 3.4.23.4.23.4.23.4.2伺服系统分析伺服系统分析伺服系统分析伺服系统分析 伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量跟随输入目标(或给定 值)任意变化的自动控制系统。其主要组件之一就是控制器，这是影响伺服系统 性能指标的主要因素。常用的运动控制器包括 PLC、PC-Based 运动控制卡、专 用系统和驱动器集成运动控制，运动控制系统则通过伺服驱动装置将预定指令 变成期望的机构运动 15。 使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量 较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。使用在机电系统中的伺服电机的 转动惯量较大，为了能够和丝杠等机械部件直接相连。当使用在进给伺服系统 中时，必须加减速装置。转动惯量反映了系统的加速度特性，在选择伺服电机 时，系统的转动惯量不能大于电机转动惯量的 3 倍。当然，其基本工作原理和 普通的交直流电机没有什么不同 16。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单 元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。在绕片过程 中，缠绕的速度和定位精度、缠绕质量在很大程度上取决于伺服系统的性能。 选用伺服系统应满足下列要求 17： 1.输出位置精度要高。 静态上要求定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要 小（以保证尺寸精度） 。动态上要求跟随精度高，即跟随误差要小，这是动态性 能指标（以保证轮廓精度） 。另外，要求灵敏度高，有足够高的分辨率。 2. 响应速度快且无超调。 这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动 速度的建立时间 tp 应尽可能短。通常要求从 0Fmax (Fmax0)，其时间应小 200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。 3. 调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内)。 调速范围： 一般要求： 稳定性是指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重 要。 4. 负载特性要硬。 在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即F 尽可能 小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即t 尽可能短；另外应 有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 5. 能可逆运行和频繁灵活启停。 6. 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。 为了满足上述要求，对伺服系统的执行元件伺服电动机也提出了相应 的要求： minmax FFRN= min1min1 . 010000 min mmFmmRN且 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 1. 电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速 时应仍有平稳的速度而无爬行现象。 2.电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。 3.为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转 转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。 4. 电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。 综合上述要求，我们选择了日本安川II系列交流伺服系统SGMAH 系列和 SCMGH 系列伺服电机，SGDM 系列伺服驱动器 18。 SGMAH02AAA41 型伺服电机主要指标： 额定功率：200W 额定转矩：0.637 Nm 瞬间最大转矩：1.91Nm 额定转速：3000rpm-1 最高转速：5000rpm-1 SGMGH0ACA61 型伺服电机主要指标： 额定功率：850W 额定转矩：5.39Nm 瞬间最大转矩：13.8Nm 额定转速：1500rpm-1 最高转速：3000rpm-1 SGDM02ADA 和 SGDM10ADA 型伺服驱动器的主要指标： 主回路输入电源：单相 AC200230V，三相 AC200230V 控制回路输入电源：单相 AC200230V 控制方式：三相全波整流、IGBT PWM 控制、正弦波电流驱动方式 编码器：增量式 13 位，17 位 控制方式：速度、位置、扭矩控制或者三者组合 指令电压：0 10V，额定 6V 纵向溜板箱电机与减速器相连，减速器的选用原则： 1.负载额定扭矩要小于减速机额定输出扭矩； 2.伺服电机额定扭矩*减速比要大于负载额定扭矩； 3.负载通过减速机转化到伺服电机的转动惯量，要在伺服电机允许的范围 内； 4.减速机精度能够满足您的控制要求；