毕业设计（论文）-高压水除磷喷嘴性能参数自动测试装置设计.doc

全套图纸加扣 3012250582高压水除磷喷嘴性能参数自动测试装置设计摘要随着我国市场经济的发展和加入WTO，我国制造的钢铁产品要面对国际市场的激烈竞争。钢材产品质量主要受其尺寸和形状精度、表面质量和力学性能三个方面的影响。高压水除磷系统主要通过高压水除去钢铁表面的氧化膜，从而达到提高钢铁产品表面质量的目的。 本文针对目前钢铁产品生产中存在的表面质量问题，提出了基于PLC控制的高压水除磷喷嘴性能参数自动检测的方案。选用S7-200和四个扩展模块，结合伺服电机与触摸屏，开发了高压水喷嘴性能参数采集系统。该系统包括工作台运动控制部分和性能参数采集部分，工作台运动控制部分实现了工作台手动控制、自动控制以及工作台归零位程序的设计，性能参数采集部分中包括对高压水喷嘴性能参数的采集、存储、读取功能，通过这两部分设计的结合，实现了对高压水喷嘴参数的准确、快速的采集。该系统在控制工作平台运动的基础上完成了对喷嘴性能参数的采集，绘出了喷嘴压力分布图，从而能够更好地提高钢铁除磷效果。关键词高压水除磷；PLC；伺服电机；参数采集High pressure water spray nozzle performance parameters phosphorus automatic test equipment design AbstractAlong with the development of the market economy and joining WTO, Chinas 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 phosphorus 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 modules, 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 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 combination 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; PLC; servo motor; param- -eter acquisition不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究意义及国内外发展概况21.2.1 研究意义21.2.2 课题研究在国内外的发展概况21.3 本课题的主要研究内容4第2章 系统软件总体设计52.1 系统工作原理52.2 系统的软件设计62.2.1 软件的模块划分62.2.2 工作台控制部分62.2.3 高压水喷嘴参数采集部分62.3 本章小结7第3章 工作台控制部分83.1 工作平台简述83.2 电机的选择83.2.1 交流伺服电机简介83.2.2 交流伺服电机的选择原则与容量计算93.2.3 伺服电机容量选择123.3 1FL5交流伺服电机的特性143.4 工作台控制系统的实现163.5 工作台控制系统的实现163.5.1 控制系统工作原理163.5.2 控制系统完成的功能213.6 本章小结21第4章 高压水喷嘴参数采集部分224.1 数据采集技术的基本概念224.2 数据采集244.2.1 数据采集方案的选择244.2.2 数据采集系统的硬件构成244.2.3 系统软件的简介254.3 触摸屏的设计264.4 喷嘴性能参数采集的实现274.4.1 电动调节阀开度控制和流量、压力信号的采集274.4.2 二维平台运动控制模块284.4.3 绘制流量- 压力曲线, 打击力三维图294.4.4 保存测试的数据到数据库304.5 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录34千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景 随着市场经济的发展，并随着我国进入WTO，我国生产的产品不仅要面对国内市场的激烈竞争，同时也要面对国际市场的激烈竞争，尤其钢材产品要面对国际市场更加激烈的竞争。如何提高产品的内在和外在质量是摆在我们面前的一个迫切任务，只有不断提高钢材产品质量，才能增加产品的竞争力，使我们的钢材产品在市场上处于不败之地。 钢铁产品质量指标主要由尺寸和形状精度、表面质量、力学性能三个方面组成。而在国内冶金行业的板材、型材、线材及棒材生产厂中，由于加热炉内产生的氧化铁皮及轧制过程中再生氧化铁皮的大量存在，不仅极大的影响了产品的精度及内外质量，同时也加剧了对轧辊的磨损及周边环境的污染；导致生产成本的加大，经济效益的降低。随着控制技术的发展和炼钢技术的改进，钢铁产品精度和力学性能得到很大的提高，因此如何更好地解决钢铁产品的表面质量的问题摆在我们面前。钢坯的高压水除磷装置正是在这种形势下得到了快速应用和发展。高压水除磷的工作原理：主要利用高压水的冲击力，钢管与水接触时产生汽化的爆炸力，将磷片除去。 高压水除磷的效应： 1破裂效应 铁磷在高压水产生的冲击力作用下破裂脱落。 2冷却效应 高温轧件在高压水喷射作用下冷却时，由于材料基体和铁鳞冷却收缩率不同而产生的切向剪力使铁鳞脱落基体。 3蒸汽效应 轧件表面铁鳞的裂缝中进入水滴，水滴在基体和铁鳞之间突然汽化而爆炸，将铁鳞从基体上剥落。 4冲刷效应 已经和将要脱落的铁鳞在高压水的冲刷下冲走，使铁鳞不要进入轧辊而在轧件上。 以上四种效应并不单独存在，几种效应会同时发生，各种因素的除鳞效果难以分别用数衡量。一般在设计中以高压水产生的冲击力的大小作为衡量除鳞效果的好坏指标。 在国外，由于高压水除磷装置效果明显、设备相对简单，投资少，几乎所有的钢铁产品热轧生产中都采用了高压水除磷装置来去除氧化铁皮，以提高热轧产品的表面质量。国内近几年，这项新兴技术也得到了快速应用和发展，如宝钢、包钢等大型钢铁生产企业。 本文将虚拟仪器技术应用到高压水除磷喷嘴性能参数检测系统中，依靠虚拟仪器独特的优势设计一套操作简单、测量准确的检测系统。为我国钢铁企业的除磷设备性能的提升以及产品质量的提高有较大的帮助。1.2 课题研究意义及国内外发展概况1.2.1 研究意义在轧钢生产过程中,板坯、方坯等在加热炉中加热都会发生氧化,并生成很厚的氧化铁皮,附着在钢铁材料表面上。另外,钢铁在轧制过程中,还会发生二次氧化,形成薄薄的二次氧化铁皮。在轧辊的辗压作用下,一部分氧化铁皮被破碎成小片状自动脱落,另一部分则被压入金属表面,形成夹渣、麻点、疤痕等,成为影响轧材表面质量的重要因素之一。为了改善成品质量,目前在钢铁轧制中广泛采用在线高压水除磷系统。高压水除磷系统是利用高压水喷出时产生的强大的冲刷力和冷却力,由于轧材的基体材料和氧化铁皮层的冷却收缩率不同而产生的剪切力,又因高压水水渗入基体材料和氧化铁皮之间产生的蒸汽膨胀而爆裂,使氧化铁皮破碎并与基体表面脱离,同时高压水还可将氧化铁皮冲掉。 高压水除磷系统的关键部件是高压水除磷喷嘴。研制一套高压水除磷喷嘴的性能测试系统,对国产以及进口的喷嘴进行特性测试,为生产选择合适喷嘴、提高除磷效果和板坯质量,具有十分重要的意义。1.2.2 课题研究在国内外的发展概况近年来,国内外一些研究人员对高压水除磷喷嘴进行了大量的研究,结果表明,喷嘴的除磷效果和冷却效果不仅仅与喷水条件有关,还和喷嘴的种类、结构以及安装布局有很大的关系；国内外热轧除磷普遍采用基于流体力学原理的高压水去除一、二次氧化铁皮，用高压水的机械冲击力除去氧化铁皮是一种最为经济的除磷方式，形式上比较统一，但布置上有较大差异，主要是根据产品的轧制工艺、产品的形状及产品标准的要求而确定；随着轧制技术的发展和产品质量的高要 求，对除磷技术和除磷效果的要求也在不断提高，同时，近10多年来，射流技术在中国有了飞跃的发展，对高压水除磷技术的发展也起了很大的推动作用，现在高压水泵、喷嘴、喷射阀等设备及零部件的专业研究部门和生产厂已具备很强的配套能力，高压水除磷的趋势将始终向高压力、大打击力、钢坯温降小、节约能源及装备低故障率高寿命的方向发展。 20世纪80年代美国国家仪器公司（National Instruments Company简称NI）首先提出了虚拟仪器的概念。这一概念的核心思想是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此在国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。自20世纪80年代以来，NI 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟式仪器，特别是它推出的LabVIEW图形编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。在NI公司之后，美国惠普（HP）公司紧紧跟上。该公司推出HPVEE编程系统可以提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用户可以用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如Tektronix公司，Racal公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从90年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们的仪器观，据“世界仪表与自动化”杂志报道，21世纪初叶，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测仪器的50%。这一预测对整个仪器仪表领域，不啻是一次强烈的震撼，使从事电测仪器科学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟式仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在本世纪虚拟式仪器将成为电测仪器的发展方向。虚拟仪器最核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件华，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。因此，虚拟仪器是受益和依赖于计算机技术。其外部特征与传统的仪器相比有较大的不同，其中最突出的特点就是面板及相应的控件和指示器等，不再是由一些无礼的实体所构成，而是由计算机内部强大的图形环境和在线帮助功能建立起来的虚拟面板所替代，人们称之为“软面板”；从内部特征看，原来智能仪器中较为复杂的微处理器及其部件，现在大多可共享计算机内部的软、硬件资源，并借助其完善的数据分析和处理能力，实现测试仪器所需的全部测试功能。随着虚拟现实技术的发展，高压水除磷技术得到广泛的应用，因此对整个系统喷嘴性能参数采集部分成为本系统的重点。对于整个系统的设计来说，这部分功能是最为重要的，也是系统设计的最终目的。借助于PLC数据采集功能，通过对工作台处于不同位置时对安装在工作台上的力传感器的信号进行采集、分析，从而较为准确的得到高压水喷嘴的性能参数。另外还添加了对所采集数据的存储和读取功能，以供以后分析使用。虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴涵的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代。1.3 本课题的主要研究内容本课题的研究是：高压水喷嘴压力检测采用固定于固定工作台上的一排压力传感器,由两轴伺服电机带动喷嘴扫描一定的检测范围，即可以检测到喷嘴的压力分布。 本课题主要内容包括喷嘴试验用小型X-Y工作台机械结构设计和计算机控制与数据采集、处理系统研制。本研究主要内容包括以下几方面： 1、 确定高压水喷嘴压力检测系统的总体方案，撰写开题报告； 2、 设计并绘制高压水模拟系统的原理示意图； 3、 设计喷嘴压力检测X-Y工作台机械结构，包括伺服电机，滚珠丝 杠和导轨的选择，绘制装配总图和零件图； 4、 显示喷嘴压力分布状态的触摸屏程序设计； 5、 数据采集和两路伺服电机控制电路设计。4第2章 系统软件总体设计本课题的目的是研究开发出一套系统设备，用于采集、分析高压水喷嘴性能参数的系统。该系统是通过伺服电机对工作平台进行控制，通过对工作台在不同位置时高压水喷射在力传感器上产生的信号进行采集、数据处理和显示，从而确定喷嘴的压力分布。2.1 系统工作原理 检测系统硬件由伺服电机、力传感器、流量计、数据采集卡和计算机组成。对运动控制的最有效的方式是对运动源的控制，而电机是最常用的运动源，因此，可以通过对伺服电机的控制来是实现本系统工作台的运动控制。交流伺服电机的种类很多，按其结构形式、可分为同步交流伺服电机和感应式交流伺服电机。同步交流伺服电机又分为永磁式同步交流伺服电机和励磁式同步交流伺服电机。现代自动监测和自动控制都离不开传感器，它是测试与控制系统的首要环节，它能把被测物理量直接转换为与之有确定对应关系的并容易检测的电信号输出，以满足信息的传输、记录、显示、分析、处理以及控制等要求。数据采集是检测系统的核心部分，担当着采集各种信号的任务，因此对数据采集方案的选择在采样精度和采样率方面都有较高的要求。本系统采用的是基于S7-200 CN的数据采集方案。整个检测系统由如下部分组成： （1）工作台运动控制部分； （2）喷嘴性能参数采集部分； （3）用户操作面板部分。根据检测系统的工作要求，系统的总体布局如下图2-1所示。由图2-1可以看出系统的工作原理是通过PLC发出脉冲，经过伺服电机驱动器将脉冲信号放大，然后驱动伺服电机运动到合适的位置，然后通过PLC采集流量计和高压水喷射在力传感器上产生的信号，通过A/D转换进行数字化。然后计算及通过软件对信号进行显示、存储和处理。系统的整体构架以及步进电机的控制程序和数据采集程序均使用VB软件编写，极大的缩短了软件开发的周期。该系统具有使用方便、通用性好、功能扩展易实现等优点，可根据用户不同的需求增加不同的模块。图2-1 系统总体框图2.2 系统的软件设计2.2.1 软件的模块划分 系统软件功能包括：工作台控制部分、喷嘴性能参数采集部分、数据读取部分和帮助功能。 对一个测试系统来说，软件界面是其设计中最重要的一环。因为对于用户，他们的任务只是单纯的使用，并不需要领会整个软件设计的设计思想以及功能如何实现。所以一个测试系统的成功与否与设计者能否设计出一个对使用者来说更为方便、快捷的用户界面有很大关系。界面的设计在满足用户需求功能的前提下应尽可能的简洁，有利于使用者的操作。2.2.2 工作台控制部分 工作台控制部分是本系统的重要组成部分。因为对于喷嘴参数的数据采集是一个动态的过程，需要工作台运动到不同的位置。工作台控制部分的设计主要应用PLC和两台伺服电机，通过选用四个扩展模块（两个EM253，两个EM235）配合S7-200使用来控制X、Y方向伺服电机运动，从而达到控制工作台运动的功能。工作台控制部分分为手动控制、自动控制和归零控制三个部分。2.2.3 高压水喷嘴参数采集部分 喷嘴参数采集部分是本系统的重点。对于整个系统的设计来说，这部分功能是最为重要的，也是系统设计的最终目的。借助于基于S7-200 CN的数据采集方案，通过对工作台处于不同位置时对安装在工作台上的力传感器的信号进行采集、分析，从而较为准确的得到高压水喷嘴的性能参数。另外还添加了对所采集数据的存储和读取功能，以供以后分析使用。2.3 本章小结本章主要介绍了系统的组成和工作原理，并提出了系统总体的设计方案和工作台控制部分的组成，同时针对整个系统软件的功能进行了划分，并且简单介绍了系统软件各个部分的主要功能。第3章 工作台控制部分3.1 工作平台简述 由于高压水喷嘴喷射出来的高压水面积有限，大概是100mm*3mm 的面积，所以要求装载喷嘴的工作平台是一个运动的平台，能够在蓄能器能量恒压得这段时间内完成规定的运动轨迹并且完成参数采集工作。考虑到本装置需要检测的高压水宽度是一个很精确的数据，根据步进电机的快速起停能力以及精度高的特点，因此我们选用步进电机作为工作台的控制装置；在工作台运动时，喷嘴距离工作台的距离是不变的，因此在设计本系统是只需要对工作台平面运动进行控制，即工作台X、Y方向运动控制如图3-1所示。控制系统需要分别对应于X、Y方向控制的两台步进电机。图3-1 工作台示意图3.2 电机的选择3.2.1 交流伺服电机简介 交流伺服电机的种类很多，按其结构形式、可分为同步交流伺服电机和感应式交流伺服电机。同步交流伺服电机又分为永磁式同步交流伺服电机和励磁式同步交流伺服电机。永磁式同步交流伺服电机根据其磁极的结构，可分为凸极型和隐极型两种；感应式交流伺服电机又分为一相、二相、三相等几种；图3-2所示为交流伺服电机的结构示意图，用做伺服电机的主要是永磁式同步交流伺服电机和感应式交流伺服电机。永磁式同步交流伺服电机的结构特点是，转子用永磁材料制成，构成转子磁极，定子与感应式交流电动机一样装有绕组，以产生旋转磁场。由于旋转磁场与转子磁极的相互作用，转子以和旋转磁场相同的旋转速度同步旋转。感应式交流伺服电机结构和普通鼠笼感应电动机相同。图3-2 交流伺服电机结构示意图3.2.2 交流伺服电机的选择原则与容量计算 伺服电机主要用于位置和速度控制系统中，其动力选择除了考虑电机的功率与扭矩参数外，还要考虑系统的转动惯量匹配问题，一般选择伺服主要从下面四个方面考虑： (1) 负荷转矩； (2) 负载转动惯量； (3) 加速/减速时间； (4) 运行模式。1. 交流伺服电机的选择原则及计算公式 (1)电机的最高转速 电机选择首先依据机床等被驱动部件的快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。 (2)转动惯量匹配原则 负载惯量对电机的控制特性和快速移动的加/减速时间有很大的影响。负载惯量增加时，计算机发出指令到伺服电机执行完毕之间的时间就长，即指令变化后，需要较长的时间达到新指令指定的速度。若机床沿着两个轴高速运动加工圆弧等曲线，会造成较大的加工误差。若负载惯量为电机的3倍以上，则电机的控制特性就会降低，若为5倍以上则电机的可操控性大大下降；反之，负载惯量若小于或等于电机的惯量时，则不会出现上述问题。为了保证系统的反应灵敏性和满足系统的稳定性要求，负载惯量应限制在2.55倍的电机惯量之内，即： （3-1） (3)空载转矩 机床等设备无负载运行时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的50%以下。否则，在切削或加减/速时电动机就可能过热。 (4)负载转矩 在正常工作状态下，负载转矩不超过电机额定转矩的8090%。根据系统的减速比，电机轴的负载转矩和转速，按下式选择电机功率： （3-2）式中： ：对电机轴换算的负载转矩()； ：伺服电机额定转速()； ：传动系统的总效率。 (5)核算加速/减速时间 对初选电机根据机械系统的要求，加减速时间，必须小于机械系统要求值。通常，负载力矩能够帮助电动机的减速，因此，如果加速能在允许时间内完成的话，减速也可在相同的时间内完成，因此只需核算加速时间或转矩即可。加速/减速时间及转矩计算公式如下： 最短加速/减速时间： （3-3） 加速/减速转矩： （3-4）式中： ：加速/减速时间()； ：伺服电机惯性矩()； ：对电机轴换算的负载惯性矩()； ：对电机轴换算的负载转矩()； ：加速/减速转矩()； ：最高转速()； ：加速初始启动转速或减速终止转速()。 若大于初选电机的额定转矩，但小于电机的瞬时最大转矩（510 倍额定转矩），也可以认为电机初选合适。图3-3 典型的伺服电机定位控制工作方式 (6)不同工作方式时的热校核计算 当电机工作在频繁地定位、加/减速频繁以及负载波动工作情况时会使电动机发热，所以要计算一个工作周期的负载力矩的均方根值，并使其小于电动机的额定力矩。例如当采用图3-3所示的工作方式时， 一个循环周期的负载力矩的均方根值计算公式为： （3-5）式中： ，：为起动时间()和加速转矩()； ，：为正常运行时间()和负载转矩()； ，：为减速时间()和减速转矩()； ：为停歇时间()。当，即实际转矩小于额定转矩，则可以按指定的运行模式连续运行。2. 伺服电机容量选择的步骤 伺服电机容量选择的步骤如图3-4所示。值得说明的一点是，对于图中“重新审定机械规格”，即当时，需重新审查以下项目： 在允许范围内，将加速/减速时间加长一些；1. 延长运转频率(增加循环时间长度)；2. 当旋转速度有余量时，加大减速比；3. 加大电机容量；4. 当升降机械停止时间长时，加机械制动；5. 在高频率运行时，尽量加大减速比，减小惯性矩。图3-4 伺服电机容量选择流程图3.2.3 伺服电机容量选择图3-5 伺服电机驱动工作台示意图 为了方便计算，选择两丝杠中受力最大的作为计算对象，并将本设计伺服电机驱动工作台简化为如图3-5所示的工作台，其中，丝杠螺距 p=10mm，输送重量W=20 kg，推力0 kg(无)，试选择伺服电机的容量。1 最大移动速度v由于采用直接传动，减速比i=1，当选择电机的额定转速为3000 r/min时，工作台的最大移动速度为： （3-6）2 负载惯性矩 首先计算丝杠折算到电机轴的负载惯性矩，假定丝杠直径d=20、长度为l=500 mm，有: （3-7） 根据以上计算公式，移动部分折算到电机轴的负载惯性矩为: （3-8）于是，总惯性矩 为： （3-9）3 换算到电机轴端的负载转矩假定工作台导轨移动摩擦系数=0.1，机械效率=0.9，对电机换算的负载转矩为:（3-10）4 电机容量预选 （3-11） （3-12） 假设选电机转速为3000 r/min （3-13） 查表25-2-61，可得到符合选择条件的1FL5 ()5 最短加速/减速时间 （3-14） 若工作时加减速时间为0.08s，此时的加减速转矩 （3-15）6 运行模式及热校核 假设运行模式同图3-5，且；一个工作周期时间，则等效转矩为： （3-16） 等效转矩小于所预选的的额定转矩（），可以用指定的运行模式连续运行。7 最终选择结果 伺服电机：1FL5()。3.3 1FL5交流伺服电机的特性 1FL5交流伺服系统该系统响应快、精度高，是日前体积最小、重量最轻的交流伺服系统产品之一。该产品已经广泛应用于数控机床、机器人、轻工机械、纺织机械、医疗器械、自动化生产线和导体生产线等各种有精确调速、定位及运动轨迹要求的场合。 1. 自动调整 (1) 高性能的实时自动调整增益； (2) 根据负载惯重的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以自动调整增益；(3) 具备异常速度检测功能，因此可以将增益调整过程中产生的异常速度调整到正常。 2. 高速高响应 (1) 速度响应频率最高达1KHz； (2) 无论是易产生共振的传送带驱动机械，还是高刚性的丝杆传动机械，都可以高性能的自动调整功能来实现高速定位。 3. 低振动 (1) 内置自适应滤波器，可以根据机械共振频率不同而自动地调整陷波滤波器的频率； (2) 可以控制由于机械不稳定以及共振频率变化而发生的噪音； (3) 内置了不同于自适应滤波器的两个独立通道的滤波器；(4) 内置了两个通道的振动抑制滤波器，可以抑制刚性较低的机械在启动和停止时生产的振动；(5) 两个通道的振动频率，可以根据旋转方向的不同而自动地切换；或者也可以分别对应于由于外部输入信号切换而产生的机械位置变化而导致的振动频率。 4. 多种控制方式 (1) 速度控制方式输入模拟电压，供用户方便灵活地设定运行速度及其变化； (2) 位置控制方式输入信号是脉冲，可以是正/反转脉冲、A/B相脉冲、脉冲/符号等三种形式。采用位置控制方式时，该交流伺服系统的使用就和利用步进电动机一样方便，用户可以采用电子线路、单片机、PC机或其他方式非常简便地实现数控功能； (3) 转矩控制方式用电压信号来限定伺服电机所能输出的最大转矩，单纯选用转矩控制方式时，此时的交流伺服电机可实现“力矩电机”的功能。以上三种基本控制方式还可以进行复合控制，以便实现更复杂的控制功能。另外，系统还能提供诸如伺服系统启闭、控制方式确认、左/右转向锁定、停车锁定选择、报警清除等许多控制信号的输入端口，使该系统的使用十分方便。系统还有自动检查接线状态的功能，便于用户判别接线的错误，使系统工作更为可靠。如图3-6所示为1FL5伺服电机的驱动器，表3-1为1FL5伺服电机的驱动器端子的说明。如图3-6 1FL5伺服电机的驱动器表3-1 1FL5伺服电机的驱动器端子的说明端子名称 记号说 明数字地GND驱动器数字地24V+24V内部提供24V供电电源，可用作数字输入，输出电路的供电电源，负载电流不得超过100mA输入共阳极COM+数字输入端口共阳极，用来驱动输入隔离光耦的正极，DC1224V，电流不超过100mA伺服使能Servo伺服使能输入端子，Servo ON/OFFServo ON：允许驱动器工作；Servo OFF：驱动器关闭，停止工作。有自锁信号时，电机处于自锁状态。位置脉冲A相信号输入Pulse+驱动器可以接收四种不同的指令脉冲Pulse-指令种类对应脚位关系位置脉冲B相或方向信号Dir+脉冲+种类脉冲+方向Dir-脉冲+方向A+B脉冲误差清零信号CLR+用户误差清零信号输入+CLR-用户误差清零信号输入-3.4 工作台控制系统的实现由于需要检测工作台在不同位置时的高压水冲击力，所以装载力传感器的工作台要求能够准确、高速的运动。我们选用的是两台伺服电机作为动力源，通过丝杠的连接来控制工作台X、Y方向和位移。控制系统的软件设计平台我们选用了PLC编程控制。3.5 工作台控制系统的实现 由于需要检测工作台在不同位置时的高压水冲击力，所以装载力传感器的工作台要求能够准确、高速的运动。我们选用的是两台伺服电机作为动力源，通过丝杠的连接来控制工作台X、Y方向和位移。控制系统的软件设计平台我们选用了PLC编程控制。3.5.1 控制系统工作原理 根据伺服电机的工作原理，结合本课题的任务和实际，我们选用了西门子（SIEMENS）公司的S7-200 CN和四个扩展模块，分别为两个EM253和两个EM235，S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（PLC），这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，图3-7展示一台S7-200 CPU226 CN。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。表3-2为S7-200 CN系列的技术规范。图3-7 S7-200 CPU226 CN表3-2 S7-200 CN系列的技术规范技术规范CPU222 CNCPU224 CNCPU224XP CNCPU226 CN集成数字量输入/输出8入/6出14入/10出14入/10出24入/16出可连接的扩展模块数量（最大）2个7个7个7个最大可扩展的数字量输入/输出范围78点168点168点248点最大可扩展的模拟量输入/输出范围10点35点38点35点用户程序区4K8K12K16K数据存储区2K8K10K10K数据后备时间（电容）50小时100小时100小时100小时后备电池（选件）200天200天200天200天编程软件Step 7-Micro/WIN 4.0 SP3及以上版本Step 7-Micro/WIN 4.0 SP3及以上版本Step 7-Micro/WIN 4.0 SP3及以上版本Step 7-Micro/WIN 4.0 SP3及以上版本续表3-2 S7-200 CN系列的技术规范每条二进制语句执行时间0.22s0.22s0.22s0.22s标志寄存器/计数器/定时器256/256/256256/256/256256/256/256256/256/256高速计数器单相4个30KHz6个30KHz4路30 KHz6个30KHz2路200KHz高速计数器双相2路20 KHz4路20 KHz3路20 KHz4路20 KHz1路100 KHz高速脉冲输出2路20KHz（仅限于DC输出）2路20KHz（仅限于DC输出）2路100KHz（仅限于DC输出）2路20KHz（仅限于DC输出）通讯接口1*RS4851*RS4852*RS4852*RS485外部硬件中断4444支持的通讯协议PPI，MPI，自由口，Profibus DPPPI，MPI，自由口，Profibus DPPPI，MPI，自由口，Profibus DPPPI，MPI，自由口，Profibus DP模拟电位器1个8位分辨率2个8位分辨率2个8位分辨率2个8位分辨率实时时钟可选卡件内置时钟卡内置时钟卡内置时钟卡外形尺寸（WHD）mm908062120.5806214080621968062 此外，为了扩充输入、输出端子，在设计中使用了扩展模块EM235和EM253，图3-8分别为其外观图。 图3-8 EM235（左）和EM253（右） EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。下表3-3简单介绍了EM235的技术参数。表3-3 EM235的模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位定位模板EM253，集成有“5个数字量输入点”（STP，停止；RPS，参考点开关；ZP，零脉冲信号；LMT+，正方向硬极限位置开关；LMT-，负方向硬极限位置开关），“6 个数字量输出点”（4个信号：DIS，CLR，P0，P1，或者P0+、P0-，P1+ 、 P1-）， 用于S7-200 PLC定位控制系统中。通过产生高速脉冲来实现对单轴步进电机的开环速度、位置控制。通过S7-200 PLC的扩展接口，实现与CPU间通讯控制。表3-4为EM253的输入、输出点的说明。表3-4 EM253的输入/输出 信 号功 能 描 述STPSTP输入可让模块停止脉冲输出。在位控向导中可选择所需要的STP操作RPSRPS（参考点切换）输入可为绝对运动操作建立参考点或零点位置ZPZP（零脉冲）输入可帮助参考点或零点位置。通常，电动机驱动器/放大器在电动机的每一转产生1个ZP脉冲LMT+LMT-LMT+和LMT-是运动位置的最大限制。位控向导中可以组态LMT+和LMT-输入P0P1P0+，P0-P1+，P1-P0和P1是漏型输出，用以控制电动机的运动和方向。P0+、P0-以及P1+、P1-是差动脉冲输出，与P0和P!的功能一样，但所提供的信号质量更好。漏型输出和差动输出同时有效，可以根据电动机驱动器/放大器的接口要求来选择使用哪种输出DISDIS是一个漏型输出，用来禁止或使用电动机驱动器/放大器CLRCLR是一个漏型输出，用来清除伺服脉冲计数器 控制流程如图3-2所示:图3-2 工作台控制框图由于系统检测要求的时间较短，所以要求设计控制系统时能够充分重视这一点。基于以上要求，我们在控制系统的设计中采用了电机连续控制的思想：即用户点击控制面板中的开始按钮，即可完成所有的工作运动控制。以避免因多次手动控制造成的控制误差。通常情况下，伺服电机驱动系统由控制电路、驱动电路、伺服电机三部分构成。控制电路：用于产生脉冲，控制电机的速度和转向。本设计中采用S7-200 CN PLC作为控制核心部件。S7-200 PLC的CPU214有两个脉冲输出，可以用来产生控制伺服电机驱动器的脉冲，S7-200 PLC完全能够实现控制要求。S7-200 CPU本体已含有高速脉冲输出功能，CPU脉冲输出频率达20KHz100KHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，再由电机直接驱动负载主轴旋转，完成控制工艺所要求的动作。驱动电路：由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号，为伺服电机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流；同时提供各种保护措施，如过流、过热等保护。功率驱动器将控制脉冲按照设定的模式转换成伺服电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应同频率的步序列。如果控制频率足够高，伺服电机的转动可看作一个连续的转动。伺服电机：控制信号经驱动器放大后驱动伺服电机，带动负载。用S7-200 PLC的Q0.0的输出脉冲触发伺服电机驱动器。当输入端I1.0发出START信号后，控制器将输出固定数目的方波脉冲，使伺服电机做出相应的转动。当输入端I1.1发出STOP信号后，伺服电机停止转动。接在输入端I1.5的方向开关位置决定电机正转或反转。本设计中采用带有标准的功率驱动器和相关连接电缆的伺服电机。3.5.2 控制系统完成的功能 1. 控制系统首先要实现的功能，是步进电机的平稳起动、加速、减速、平稳停止。在S7-200中，支持高速输出口PTO0/PTO1的线性加/减速，通过MicroWin的向导程序，非常容易实现。实际上，以目前的情况，线性加/减速只能使用向导生成的程序，Siemens没有公开独立可使用的指令。 2. 定位控制功能 关于定位控制、调节和控制操作之间存在一些区别。步进电机不需要连续的位置控制，而在控制操作中得到应用。在以下的程序中，借助于CPU214所产生的集成脉冲输出和定位指令系统，确定相对一根轴的固定参考点，借助于一个输入字节的对偶码(Duul coding)给CPU指定定位角度，在程序中根据该码计算出所需的定位步数，再有CPU输出相关个数的控制脉冲，通过步进电机来实现相对的定位控制。 3. 软件设计 在程序的编制中，为使伺服电机在换向时能平滑过渡，不至于产生错步，应在每一步中设置标志位。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值;在反转时也如此。这样，当步进电机换向时，就可以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步。3.6 本章小结本章根据工作台所需完成的功能，通过计算确定了所需要的伺服电机型号，重点介绍了工作台控制系统的原理和通过S7-200 CN实现了对伺服电机的控制，并在此基础上强调了工作台控制系统完成的功能和一些细节。第4章 高压水喷嘴参数采集部分 今天，已有大量的科技和工程人员对计算机进行总线扩展以便将其用于实验室研究、工业控制、测试和测量，这些都要用到基于计算机的数据采集技术（PC-based Data Acquisition），再加上适当的软件，可以构成价格低廉、灵活性较好的虚拟仪器测试系统。一个数据采集系统的基本任务就是测量和产生现实世界的物理信号。在本系统的设计中，对于高压水喷嘴性能参数的采集是系统设计的重点。通过对流量计以及工作平台上3个力传感器数据的采集，从而确定喷嘴的压力分布。4.1 数据采集技术的基本概念 随着计算机的广泛应用和电子技术的高速发展，数字系统已经被广泛应用于国民经济、国防建设与科学实验的各个领域，和模拟系统相比，数字系统由精度高、稳定性好等优点，但数字系统只能处理离散的数字信号。外部世界各种被检测量，如温度、压力、位移、角度等都是模拟信号，因此需要将这些模拟信号转换为处理和存储的数字信号。 一个完整的数据采集系统由传感器（Transducer）、信号调理（Signal Conditioning）、采集硬件（DAQ Hardware）、接口（Interface）、数据分析和处理软件（Software）等几大部分组成，如图4-1所示。图4-1 数据采集系统组成的一般原理图1. 传感器 传感器的作用是按一定规律将检测量转换为数据采集系统能够测量的电信号。它所产生的电信号与它所检测的物理量成比例地变化。亮相的传感器应该能够将各种被检测量转换为高输出电平的电量。能够提供零输出阻抗，噪声极低，并具有良好的线性和重现性。常用的传感器有热敏传感器、光敏传感器、力与压力传感