（机械电子工程专业论文）冷拉伸滚压设备运动控制系统和驱动系统应用西门子软件的探索与思考.pdf

贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 摘要 本文主要是冷拉伸滚压设备中运动控制系统与驱动系统应用西门子软件的 探索与思考，在绪论中主要阐述了课题来源，冷拉伸滚压设备原理，设备形式和 加工工艺对控制系统的要求；针对冷拉伸滚压设各所要求的控制方式，控制系统、 传动方式、调速形式、电机类型做出了选择：西门子运动控制系统( s i m o t i o n d 4 2 5 ) 和驱动系统( s i n a m i c ss 1 2 0 ) ；根据设备负载特性、电机容量、现场总 线要求选择适当的电气元件参数进行驱动组态；根据纹备机械结构进行轴的组 态；根据设备要求的工艺过程进行执行系统的组态、背景程序的编写和运动控制 程序的编写；接着阐述部分调试中所遇到的问题和解决问题的方法；最后总结控 制系统在设备中的应用。 关键词：冷拉伸滚压设备，s i m o t i o nd 4 2 5 ，s i n a m i c ss 1 2 0 ，探索，控制， 驱动，组态，编程，调试 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei ss t r e t c h i n gc o l dr o l l i n ge q u i p m e n ti nt h em o t i o n c o n t r o ls y s t e ma n dt h ed r i v es y s t e mo fs i e m e n ss o f t w a r ee x p l o r a t i o n a n dt h i n k i n g ，i nt h ei n t r o d u c t i o no nt h es u b j e c ti nt h em a i ns o u r c e o ft e n s i o nc o l dr o l l i n ge q u i p m e n tp r i n c i p l e t h ef o r mo fe q u i p m e n ta n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo nc o n t r o ls y s t e mt h er e q u i r e m e n t sf o rf u r t h e r c o l dr o l l i n gs t r e t c ht h er e q u i r e dc o n t r o le q u i p m e n t ，c o n t r o ls y s t e m s ， t r a n s m i s s i o n ，s p e e df o r m ，t h ee l e c t r i c a lt y p em a d eac h o i c e ：s i e m e n s m o t i o nc o n t r o ls y s t e mls i m o t i o nd 4 2 5 ) a n dt h ed r i v es y s t e m ( s i n a m i c s $ 1 2 0 ) a c c o r d i n gl o a do fe q u i p m e n t e l e c t r i c a lc a p a c i t y ，f i e l d b u sa s k e d t os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so ft h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n t sd r i v e c o n f i g u r a t i o n ；m e c h a n i c a le q u i p m e n tu n d e rt h es t r u c t u r eo ft h es h a f t c o n f i g u r a t i o n ；e q u i p m e n ti na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fa s y s t e m a t i cp r o c e s so fi m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n ， b a c k g r o u n dp r o c e d u r e sf o r t h ep r e p a r a t i o na n dm o v e m e n tc o n t r o l p r o c e d u r e si nt h ep r e p a r a t i o n ；t h e ne l a b o r a t e di np a r td e b u g g e rt h e p r o b l e m se n c o u n t e r e da n dt h em e t h o d su s e d ；c o n c l u d e dc o n t r o ls y s t e m i ne q u i p m e n tu s e di nt h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e n s i o n - a s s i s t e dc o l dr o l l i n ge q u i p m e n t ，s i m o t i o nd 4 2 5 ， s l n a m i c ss 12 0 ，a p p l i c a t i o n ，p r o g r a m ，d e b u g 4 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 摘要 本文主要是冷拉伸滚压设备中运动控制系统与驱动系统应用西门子软件的 探索与思考，在绪论中主要阐述了课题来源，冷拉伸滚压设备原理，设备形式和 加工工艺对控制系统的要求；针对冷拉伸滚压设备所要求的控制方式，控制系统、 传动方式、调速形式、电机类型做出了选择：西门子运动控制系统( s i m o t i o n d 4 2 5 ) 和驱动系统( s i n a m i c ss 1 2 0 ) ；根据设备负载特性、电机容量、现场总 线要求选择适当的电气元件参数进行驱动组态；根据设备机械结构进行轴的组 态；根据设备要求的工艺过程进行执行系统的组态、背景程序的编写和运动控制 程序的编写；接着阐述部分调试中所遇到的问题和解决问题的方法；最后总结控 制系统在设备中的应用。 关键词：冷拉伸滚压设备，s i m o t i o nd 4 2 5 ，s i n a m i c s $ 1 2 0 ，探索，控制， 驱动，组态，编程，调试 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei s8 t r e t c h i n gc o l dr o l l i n ge q u i p m e n ti nt h em o t i o n c o n t r o ls y s t e ma n dt h ed r i v es y s t e mo fs i e m e n ss o f t w a r ee x p l o r a t i o n a n dt h i n k i n g ，i nt h ei n t r o d u c t i o no nt h es u b j e c ti nt h em a i ns o u r c e o ft e n s i o nc o l dr o l l i n ge q u i p m e n tp r i n c i p l e t h ef o r mo fe q u i p m e n ta n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo nc o n t r o ls y s t e mt h er e q u i r e m e n t sf o rf u r t h e r c o l dr o l l i n gs t r e t c ht h er e q u i r e dc o n t r o le q u i p m e n t ，c o n t r o ls y s t e m s ， t r a n s m i s s i o n ，s p e e df o r m ，t h ee l e c t r i c a lt y p em a d eac h o i c e ：s i e m e n s m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ( s i m o t i o nd 4 2 5 ) a n dt h ed r i v es y s t e m ( s i n a m i c s $ 1 2 0 ) a c c o r d i n gl o a do fe q u i p m e n t ，e l e c t r i c a lc a p a c i t y ，f i e l d b u sa s k e d t os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so ft h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n t sd r i v e c o n f i g u r a t i o n ；m e c h a n i c a le q u i p m e n tu n d e rt h es t r u c t u r eo ft h es h a f t c o n f i g u r a t i o n ；e q u i p m e n ti na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fa s y s t e m a t i cp r o c e s so fi m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n ， b a c k g r o u n dp r o c e d u r e sf o rt h ep r e p a r a t i o na n dm o v e m e n tc o n t r o l p r o c e d u r e si nt h ep r e p a r a t i o n ；t h e ne l a b o r a t e di np a r td e b u g g e rt h e p r o b l e m se n c o u n t e r e da n dt h em e t h o d su s e d ；c o n c l u d e dc o n t r o ls y s t e m i ne q u i p m e n tu s e di nt h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e n s i o n - a s s i s t e dc o l dr o l l i n ge q u i p m e n t ，s i m o t i o nd 4 2 5 ， s l n a m i c s $ 12 0 ，a p p l i c a t i o n ，p r o g r a m ，d e b u g 4 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垒 军导师签名： 5 5 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 刖吾 一、问题提出和研究意义 在汽车、航天、航海等多种行业，大量使用高强度柔性螺栓，由于对螺栓性能的特殊要 求，其杆部需制成“细腰”状。对于“细腰”杆部，传统的加工方法是采用车削、磨削等 切削加工，浪费材料、生产率低、劳动强度大、生产成本高，而且，切削加工还会破坏零件 表面组织，形成表面微裂纹，降低零件疲劳强度，达不到航空航天、高级轿车等行业高品质 零件的要求 针对上述问题，一般采用滚压成形加工“细腰”杆部，但试验表明，单独滚压工艺只能 适用于局部塑性变形、表面强化、表面光整等加工，很难满足大尺度滚压成形的要求，特别 是对于高强度、高硬度材料，更是无法实现。在前期研究的基础上，提出了以“冷拉伸滚医 成形技术进行高强度柔性螺栓“细腰杆部成形的新方法，也即是在对螺栓“细腰”杆帮径 向滚压的基础上，辅之以轴向拉伸，以“拉伸一滚压”复合加载方式，来实现高强度柔性螺 栓“细腰”杆部的塑性成形。由于是在常温条件下的拉伸、滚压复合加载成形方式，所以将 这项创新技术称之为“冷拉伸滚压”成形技术。 研究及试验表明，“冷拉伸滚压”成形技术可以适应较大尺度的材料塑性变形，具有节 约材料、能源，生产效率高，产品的力学性能、表面质量优良等一系列技术优势。根据“冷 拉伸滚压一成形技术的工艺特点，该技术不仅可以应用于高强度柔性螺栓搿细腰”杆部白9 成 形，而且还可应用于外形相似的台阶轴、杆状零件的塑性成形，可望成为一种应用广泛酌遁 用性塑性加工成形方法。 二、冷拉伸滚压设备原理与组成 冷拉伸滚压成形技术属于金属塑性加工范畴，在对材料力学性能的影响方面也与其也 塑性成形方法相似。经过冷拉伸滚压成形后的制件材料性能得到明显改善，滚压成形零件的 表面状态良好，材料的疲劳强度得到提高。 冷拉伸滚压成形技术是通过由淬硬钢制成的专用滚压工具，与杆件接触而形成对杆件表 面的挤压，同时辅之以轴向拉伸，使金属内部结构发生滑移，产生塑性变形。材料在滚压力 和拉力的共同作用下，金属内部组织发生变化，金属的相关性能也发生相应的改变。在对试 件进行滚压加工的过程中，由于晶格的扭曲、畸变，晶粒的滑移，晶粒的细化，提高了金属 的强度及硬度在多晶体变形方向上，晶粒被拉长，形成纤维组织，增大了晶粒周界的面积， 加大了晶粒表面张力，从而提高了多晶体的强度，并降低了金属的塑性。在塑性变形的过程 中，沿滑移面有过冷奥氏体转变成马氏体，使表面硬化，增大了金属变形的阻力，减少了塑 性。随着变形程度的增加，金属的强度增加，塑性降低，提高金属的耐磨性和抗疲劳强度 5 贵州大学机械i 程学院2 0 晒级顸毕业论女 另外一方面，冷拉伸滚压成形技术具有睡压加工的特点材料表面初始留下的凸起散积 波峰将被熨平使其填 凹下的波谷内，从而改变表而波蜂的分布情况，使表面粗糙度羿到 很大降低。减少在交变载荷作用下，园表面租糙度波谷处引起的应力集中，降低产生疲劳裂 纹的可能性，提高试件的疲劳寿命。 图( 一) 冷拉伸滚压设备结构囤 2 0 0 6 年到2 0 0 7 年通过与南海机电产学研合作、通过设备总体方案论证，结构设计、事 件设计、控制系统设计、零部件制造、控制元器件选型采购、设备组装、软件开发、设备葡 试等工作，研制出了样机。如图( 一) 所示为研制成型设备。 冷拉伸渡压成形装各主要由拉伸加载系统、两组径向加压系统、滩压轮系统、= ；夜压系、 控制系统等组成。辅助拉伸部分主要组成：液压源、液压缸、液压螺纹杆、螺纹杆连接轴、 压缩弹簧、传感器、锥套、滑套、连接轴、夹头；径向加压系统；主要由伺服电机、减速暑、 联轴器、压力传感器、滚珠丝杆副，滑动导轨组成：滚压轮部分主要组成：电机减速器、锥 轮、传动齿轮、滚压轮支捧架、滚压轮刀具。如图所示为渡压轮加工部分；液压站主要由自 机、油泵、风冷散热嚣、高压滤油器、温控器、电器控制箱及操作面板组成 径向加压控制系统由于位移控制精度要求高，采用了伺服驱动、闭环控制方式。伺服 制系统通过伺服电机电机尾部的旋转编码器构成速度环和位置环控制，同时，考虑到传动l 统的误差、譬部件在加压后的变形等因素，设置了高精度的光栅尺，使径向的位移精度# 到保障。对于轴向拉伸部分，一方面要满足装、卸工件，快进、快退，拉伸加载、卸载等i 艺过程控制要求另一方面，还需根据不同工件尺寸，材料、热处理、加工过程尺寸变化 条件实现参数控制的要求，为此，使用了专用的电、液伺服驱动系统。通过工业控制计算机 力、位移传感器，信号采集系统等组成电、渡伺服控制系统，控制轴向拉伸力及动作实现 数控制及工艺过程要求 6 竭摩 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 第一章：绪论 一、课题背景 为了满足高强度柔性螺栓传统的生产需要，首先借鉴采用了楔横轧的加工方法，但是楔 横轧属于热轧加工，需要在轧轧前对试件进行加热处理，并且一般只能作为毛坯生产，精度 不高，且资源环境效益不佳，无法满足要求。而后又采用了滚压塑性的方法，但是经研究发 现，在室温( 约2 0 0 c ) 条件下，简单的滚压只能适用于局部的塑性变形，不能实现较大尺 度的变形。高强度螺栓杆部“细腰 部分沿轴向尺寸较长，当滚轮刀具与光杆接触时，接触 区材料受周围材料的阻抗作用，塑性变形很难发生。为此，从金属塑性成形理论入手，进行 了全面深入的分析，提出了采用“多向复合加载”条件下塑性成形技术方案，在简单滚压的 基础上加一辅助拉力，以“拉伸滚压”复合加载方式，来高强度柔性螺栓的塑性变形。它 具有如下优点； 1 材料利用率显著提高。比切削加工节大约可以材料、能源达3 0 以上。 2 生产效率高。冷拉伸滚压成形是一次行成形技术，没有切削加工那么繁杂的工序： 3 产品质量高。经过冷拉伸滚压成形的产品，晶粒得到细化，成形件表面粗糙度基本 可以达到o 2 以上| l1 1 1 ，试件的强度、硬度得到大幅度提高。 4 为实现高强度、高硬度、大尺寸的塑性变形提供了可能。 5 改善劳动条件。冷拉伸滚压技术无冲击少噪音，劳动条件得到明显改善。此外，产 品的成形、精整等工序均连续自动完成，减少了操作工人的劳动强度。 由于是在常温条件下的滚压、拉伸加工，所以称其为冷拉伸滚压成形技术。经过深入的 理论分析和大量实验证实，该技术不仅可以应用于高强度柔性螺栓的滚压加工，而且还可应 用于外型相似的圆柱台阶轴、杆状零件的塑性加工成形，有可能作为一种通用性的塑性加工 成形方法加以推广应用。冷拉伸滚压成形技术是根据金属塑性成形原理，借鉴现代滚压加工 方法，而提出的一种创新技术。由于是创新型技术，与该技术的滚压工艺参数、滚压后材料 性能相关联的研究还不是很充分，尤其是将该技术应用于实际工业生产，满足工业生产的需 求，还需要进行深入的研究和探讨，为此，课题组在前期技术研究和试验的基础上，研发了 冷拉伸滚压成形装备样机，为该技术的进一步深入研究提供了条件。 本课题是国家科学自然基金。贵州省重大专项和贵州省重点科技攻关课题：冷拉伸滚压 原理研究和冷拉伸滚压设备研制；主要由贵州大学机械工程学院负责研制。本课题主 要是研究多方向力作用条件下，机械材料各种性能提高的原理和由此原理研究支持的设备的 成型。以长杆件为例，在多次实验后发现：在轴向拉力和每圈径向滚压量达到一个适当值时， 工件的最大面积收缩率超过了5 7 ，而且成形表面良好，且疲劳强度得到较大的提高。 7 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 由有限元软件a d i n a 仿真冷拉伸滚压原理结果和各种实验机上大量的实验表明工艺要 求如下： l ：对工件所施加的轴向拉力和径向进给量都必须是一个恰当的值，否则，滚压成形效 果将是不理想，甚至无法实现； 2 ：轴向进给时，应当是分段进给，以保证在每前进一段后都会停留一段时间让工件在 滚轮摩擦力带动下旋转一圈，这样以保证工件的圆整； 3 ：当轴向拉力处在工件屈服强度极限的8 0 左右、每圈径向滚压量为0 0 5 珊左右时， 滚压成形比较容易，成形效果也比较理想； 4 ：工件加工过程中，由于工件直径在减小，所以滚轮电机的转速在一定时间里按一定 加速度变速旋转。 二，设备所选用的运动控制系统与驱动系统简介 1 、运动控制系统( s i m o t i o nd 4 2 5 ) 冷拉伸滚压设备选用的运动控制系统是西门子( s i e n s ) 的s i m o t i o nd 4 2 5 系统。运 动控制( m c ) 是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行 机或者是电机来控制机器的位置和或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用 要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制 ( g m c ) 。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。( 卢文祥、杜润生2 0 0 5 ) 一个运动控制系统的基本架构组成包括： 一 一个运动控制器用以生成轨迹点( 期望输出) 和闭合位置反馈环。许多控制器也可以 在内部闭合一个速度环。 - 一个驱动或放大器用以将来自运动控制器的控制信号( 通常是速度或扭矩信号) 转换 为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度 环，以获得更精确的控制。 - 一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动。 一个反馈传感器如光电编码器，旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置 到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合 - 众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、 滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承( 雷振山2 0 0 2 ) 通常，一个运动控制系统的功能包括： - 速度控制 - 点位控制( 点到点) 。有很多方法可以计算出一个运动轨迹，它们通常基于一个运动 的速度曲线如三角速度曲线，梯形速度曲线或者s 型速度曲线。 8 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 - 电子齿轮( 或电子凸轮) 也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。 一个简单的例子是，一个系统包含两个转盘，它们按照一个给定的相对角度关系转动。 电子凸轮较之电子齿轮更复杂一些，它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一 个函数。这个曲线可以是非线性的，但必须是一个函数关系。 s i m o t i o n 是西门子( 中国) 自动化与驱动集团最新推出的运动控制系统，它将运动控 制、逻辑控制及工艺控制功能集于一身，为生产机械提供完整的解决方案。s i b l o t i o n 运动 控制系统可以由一个系统来完成所有的运动控制任务，适用于具有许多运动部件的机器。该 运动控制系统由三个部分组成：工程开发系统，实时软件模块和硬件平台。( 西门子1 9 9 5 ) 工程开发系统可以实现由一个系统解决所有运动控制、逻辑及工艺控制的问题，并且它 还能够提供所有必要的工具，从编程到参数设定，从测试调试到故障诊断；实时软件模块提 供了众多的运动控制及工艺控制功能，可以针对某一特定的机器所需的功能，灵活地选择相 关的模块；硬件平台是s i m o t i o n 运动控制系统的基础。该平台可以使由工程开发系统所开 发的、使用了实时软件模块的应用程序在不同的硬件平台上运行，而用户则可以选择最适合 自己机器的硬件平台。s i m o t l 0 n 运动控制系统可连接三种硬件平台，s i m o t i o nd ，s i m o t i o n c 及s i m o t i o np 。其中，s i m o t i o nd 是集成在驱动器中的紧凑型系统平台。它可以使整个 系统成为一个极其紧凑的拥有控制器及驱动器的系统，从而使系统具有极快的响应速度。 s i m o t i o nc 是模块化设计的高灵活性系统平台。它具有四个模拟量接口用于连接驱动器， 并且带有若干数字量输入及输出端口。此外，s i m o t i o nc 带有两个具有时钟同步的p r o f i b u s 接口以及一个以太网接口，提供了多种可选择的通讯方式。s i m o t i o nc 的极高灵活性，可 以满足对驱动器灵活性要求较高、对过程信号范围要求极宽的应用领域。s i m o t i o np 是一个 基于p c 的运动控制系统。它采用具有实时处理能力的w i n d o w sn t 操作系统。除了执行控制 任务外，还可执行操作员监控、过程数据分析、标准p c 应用等任务。开放性及工业p c 技术 使得s i y o t i o n p 适用于以下场合：要求在同一硬件平台上既执行控制又进行显示的场合，具 有方便的数据管理、分析及报表的场合，以及对远程诊断及操作员控制要求高的场合。 s i i o t i o n 是为那些运动控制起着主导作用的机器而设计的，通常是那些控制要求复杂， 高速，精确运动的机器。s i m o t i o n 系统的目的是为实现各种运动控制任务提供一种简单，灵 活的控制系统。为了确保成为最佳的控制方案，新系统的功能得到了很大程度的扩展。除了 运动控制功能以外，还综合了在大多数机器上经常会涉及到的其他两种控制功能：逻辑控制 及工艺控制功能。通过这种功能上的综合，使得所有的运动控制功能，以及与运动控制相关 的逻辑控制功能均可由一个系统来实现。工艺控制功能也同样包含在新系统中系统将运动 控制，逻辑控制及工艺控制功能综合在起，它具有以下优点：l 、独立元件问影响响应时 间的接口不需要了；2 、节省了为这些中间接口进行编程及诊断的投入；3 、整个机器的编程 及诊断不仅规范，而且像p l c 一样开发，透明。s i m o t i o n 系统具有三个组成部分：1 、工程 开发系统：工程开发系统可以实现由一个系统解决所有运动控制、逻辑及工艺控制的问题， 9 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 并且它还能够提供所有必要的工具，从编程到参数设定，从测试调试到故障诊断；2 、软件 模块：这些模块提供了众多的运动控制及工艺控制功能。针对某特定的机器所需的功能， 灵活地选择相关的模块；3 、硬件平台：硬件平台是s i m o t i o n 运动控制系统的基础，由工程 开发系统所开发的且使用了软件模块的应用程序可以运行在不同的硬件平台上，用户可以选 择最适合自己机器的硬件平台。以往，许多独立的元件被用来解决要求迥异的运动控制任务。 即使一个很小的功能变化或功能增加都将意味着元件的更换或增加。新的结构、更多的更换 元件、新的配置以及新的编程工具。采用s i m o t i o n 运动控制系统将使用统一的工程开发系 统：整个控制系统的工程开发工作仅需要一个统一的工程工具系统来完成。运动控制、逻辑 控制以及工艺控制功能均可以由同一个装置，用同一种编程语言来完成。机器的客户化优化： 三种硬件平台控制器平台、p c 平台以及驱动器平台提供了一个完整的产品系列，为各 种不同类型的机器提供自动化解决方案。可以根据需要选择硬件平台及系统组合，从而达到 优化系统的目的。因此特别适用于模块化设计的机器，灵活的功能现在，众多运动控制任务 可以由一个统一的系统来解决。当需要改变或增加功能时仅仅需要修改控制程序即可。过去 所熟悉的机器自动化许多功能有限且编程方法全然不同的独立元件s i m o t i o n 的不同之处可 按任务层次划分的系统，具有灵活的功能，且使用同一种工程开发工具。s i m o t i o nd 一集 成在驱动器中的紧凑型系统，s i m o t i o nd 的功能是集成在新的s i n a m i c ss 1 2 0 多轴驱动系统 的控制模板上使之成为一个极其紧凑的拥有控制器及驱动器的系统。将运动控制与驱动器 功能集成在一起，使得系统具有极快的响应速度。s i m o t i o nd 具有若干种规格，均是取决 于其性能要求。第一种规格是s i m o t i o nd ，它适用于中等规模的性能要求， 带有两个具有 时钟同步的p r o f i b u s 接口以及两个乙态网接口。典型应用领域：根据其紧凑的设计，以及 集成于驱动器上这特点，s i m o t i o nd 特别适用于：1 小型机械；2 分布式自动化结构， 例如拥有多轴的机器；3 模块化设计的机器，也可以与s i m o t i o np 或s i m o t i o nc 配合使 用：4 实时性要求极高的多轴耦合应用。( 西门子1 9 9 5 ) 2 、驱动系统( s i n a m i c ss 1 2 0 ) 冷拉伸滚压系统的驱动系统采用的是西门子( s i e 艇n s ) 的s i n a m i c ss 1 2 0 。s i n a m i c ss 1 2 0 以模块化的驱动轴组构建，取代了原来将独立的驱动轴连接起来的方式，其优点在于：简单 的工程设计和更快的调试降低了工程成本。( 曾毅2 0 0 6 ) s 1 2 0 采用了模块化设计，将一个 驱动器分为控制单元和电机模块两部分。预装配电缆可以通过d r l l i e c l i q 接口连接所有的组 件包括电机和编码器，这样就可以构建一个完全连续的通讯系统。控制单元可以插接选 件模板，进一步增强了通讯能力。s 1 2 0 特别适合应用于高性能的工业机械和工厂设备中。由 于采用了创新的硬件和软件思想。s 1 2 0 可以胜任工业应用领域内的很多复杂的驱动任务。 s 1 2 0 有高性能的单轴驱动器和组合驱动器，具有矢量控制和伺服控制功能。对于s 1 2 0 系列驱 动器，控制单元功能的选择决定了其属于矢量控制或伺服控制。在进行连续材料处理，起重 机，离心式分离机，船用驱动等需要平滑运转的领域，使用矢量控制方式。而在循环处理领 1 0 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 域需要使用精确而高速的位置控制，此时使用伺服控制方式。当使用更高级的伺服控制方式 d s c ( 动态伺服控制) 控制方式时，可以达到更高的动态响应特性和更高的精度。现代驱动 系统设计的趋势，是将不同的功率等级与控制性能自由结合，而s i n a m i c ss 1 2 0 正是在这种 思想下开发的。模块化的s 1 2 0 驱动系统既是可以用来实现高水平的多轴伺服控制，也可以用 来实现矢量驱动控制。这使得生产机械可以进行模块化设计，也使机械的样式种类大大增加。 不过，不论这些模块或组件如何进行组合或创新，s 1 2 0 始终保证所有系统进行组合或创新， s 1 2 0 始终保证所有系统组件之间的完全兼容性从而不会带来很高的工程成本。s 1 2 0 将智 能控制部分与功率部分分离开，从而创造了一种顺应未来发展需要的模块化驱动系统。由一 个连接到现场总线的中心控制单元处理所有与之连接的轴的驱动控制，包括这些轴之间的工 艺互琐。控制单元集中处理了所有必要的数据，这意味着这些数据无需通过现场总线传输一 一而传输这些数据是需要很高成本的( 因为需要相关的工程和安装投入) 。对于成组驱动轴， 控制单元可以为其所连接的电机模块提供控制信号，包括转速和位置设定值。要实现组件之 间的无缝通讯，其先决条件是驱动系统的模块化。只有满足了这个条件，才能实现模块化的 机械和系统。为此，s 1 2 0 开发了全新的通信标准d r i v e c l i q 这一统一的串行数字通讯接 口，用于连接s i n a m i c s 的所有组件，包括电机和编码器。标准化的通讯电缆和插头使不同组 件的种类减少，同时也降低了库存备件和调试成本。每个组件都具有一个电子铭牌，在进行 s 1 2 0 驱动系统的组态可以通过d r i v e - c l i q 电缆被自动识别。因而在进行系统调试或系统组件 更换时可以省掉数据的手工输入举例来说，等效电路的参数和电机集成编码器的特性参数 就存储在其电子铭牌中。另外，电子铭牌中还存有定货号和识别码。在s 1 2 0 驱动系统中融入 更多的智能性。配合使用s i m o t i o nd 控制单元，可以创造一套完整的运动控制系统。s i n a m i c s s 1 2 0 驱动系统可以通过集成在控制单元中p r i f i b u sd p 接口与高层自动控制系统进行通讯。 这些自动控制系统包括s i m a t i c 工业自动化系统和s i m o t l 0 n 运动控制系统等。s 1 2 0 驱动系统 可以满足对性能和功率等级的各种需要，并且具有良好的操作导航系统。这意味着使用者可 以非常容易地熟悉这个驱动系统而且学习之后可以直接再次应用比如可以在一套 普通的设备上进行设计，配置和调试。d r i v e - c l i q 接口直接连接，这意味着电缆的种类将减 少，备件费用也将降低在控制单元上使用这种通讯接口，可以非常方便地将s i n a m i c ss 1 2 0 驱动系统与上层控制系统连接起来。s i n a m i c ss 1 2 0 不仅降低调试的费用，还可以在维修方 面节省成本。在维修中更换s 1 2 0 的系统组件时，系统可以通过电子铭牌自动识别它们可以 说这种系统是真正的“即插即用型”，因为预先装配好的d r i v e - c l i q 电缆只要插入插座即可， 名牌数据无需手工输入。( 刘军2 0 0 7 ) s i n a m i c ss 1 2 0 的模块和扩展选件：适用于各种应用的组件( 西门子2 0 0 5 ) 1 控制单元处理工艺功能，并且与上层控制系统进行通讯 2 电机模块用来驱动所联接的电机 3 供电模块为直流母线供电，对再生回馈产生的电能进行处理，并且对电网电 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 压的波动进行补偿 4 电子选件模板扩展了驱动系统的功能，可以为编码器和处理信号提供各种接 口 5 可选直流链路组件可以稳定直流电压 6 熔断器，接触器，电抗器和滤波器等亡侧电源组件，进一步完善了整个电气 系统 7 高动态响应与高精度：3 2 位数字控制技术 8 加速快：电流上升时间短 9 通用性：可以驱动同步电机和感应电机 1 0 过载能力：很高的过载系数 1 1 安全性：集成了安全功能 1 2 灵活性与简便性：b i c o 技术 1 3 即插即用：d r i v h l i q 连接技术实现了即插即用功能( 西门子2 0 0 5 ) 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 第二章设备需求分析与方案比较 一，设备需求分析 由于本论文主要讨论的是给利用冷拉伸滚压原理加工高强度螺栓的冷拉伸滚压机做控 制部分，所以机械设备型号，用途，工艺过程，技术性能暂不在这里叙述，但传动方式，调 速性能，负载特性，电机容量，控制方式，控制系统，编码器形式，工业现场总线形式，用 户供电电网种类，电压，频率和容量在本章所讨论的实际课题选型中却是要注意与选型设备 吻合的。( 丛爽2 0 0 6 ) 1 、设备传动，调速方式选择 传动方式分为：单独拖动和分立拖动。单独拖动是指生产机械的不同运动部件都由一台 电动机拖动的方式，分立拖动是指生产机械的不同运动部件分别由不同电动机拖动的多电机 拖动方式。考虑到冷拉伸滚压设备本身机械设计的形式，加工效率和四轴之间的高精度配合， 所以选用了分立拖动。( 王军2 0 0 6 ) 由于冷拉伸滚压设备对滚压方向位置精度要求较高，所以在滚压方向选用伺服驱动技 术，而工件旋转方向只要求速度控制，所以采用了交流交频控制。调速种类分为：齿轮变速 箱，液压调速装置( 进给) ，多速电机，无级调速，无级调速适用于重型或大型设备，精密 机械设备，自动化程度较高的设备，可选用可控硅直流调速系统和交流变频调速系统。在本 课题高精度要求下，无疑要选用无级变速系统，但具体选用变频器还是伺服驱动器就要明白 两者之间的异同：伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。变频是伺服控制的一个必须的 内部环节，伺服驱动器中同样存在变频( 要进行无级调速) 但伺服将电流环，速度环或者 位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。除此外，伺服电机的构造与普通电机是有区别的， 要满足快速响应和准确定位。现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服，但这 种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几k w 以上的同步伺服价格及其昂贵，这样在 现场应用允许的情况下多采用交流异步伺服，这时很多驱动器就是高端变频器，带编码器反 馈闭环控制。( 宋伯生2 0 0 6 ) 所谓伺服就是要满足准确、精确、快速定位，只要满足就不 存在伺服变频之争 当然这两者就具有共同点：交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流 电机的伺服控制的基础上通过变频的p w m 方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说 交流伺服电机必然有变频的这一环节：变频就是将工频的5 0 、6 0 h z 的交流电先整流成直流 电，然后通过可控制门极的各类晶体管( i g b t ，i g c t 等) 通过载波频率和p 删调节逆变为频 率可调的波形类似于正余弦的脉动电，由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了( n = 6 0 f p ，n 转速，f 频率，p 极对数) 简单的变频器只能调节交流电机的速度，这时可以开 环也可以闭环要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的v f 控制方式现在很多的 变频已经通过数学模型的建立，将交流电机的定子磁场u ，v ，w 3 相转化为可以控制电机转 1 3 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 速和转矩的两个电流的分量，现在大多数能进行力矩控制的著名品牌( 包括s i e 脏n s ) 的变 频器都是采用这样方式控制力矩，u ，v ，w 每相的输出要加霍尔效应的电流检测装置，采样 反馈后构成闭环负反馈的电流环的p i d 调节；a b b 的变频又提出和这样方式不同的直接转矩 控制技术，具体请查阅有关资料。( 尔桂花2 0 0 2 ) 这样可以既控制电机的速度也可控制电 机的力矩，而且速度的控制精度优于v f 控制，编码器反馈也可加可不加，加的时候控制精 度和响应特性要好很多。伺服驱动器方面：伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动 器内部的电流环，速度环和位置环( 变频器没有该环) 都进行了比一般变频更精确的控制技 术和算法运算，在功能上也比传统的变频强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。 通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置( 当然也有些伺服内部集成了控制单元或 通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里) ，驱动器内部的算法和更快 更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。由于变频器和伺服在性能和 功能上的不同，所以应用也不大相同：1 、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一 般用变频器，也有在上位加位置反馈信号构成闭环用变频进行位置控制的，精度和响应都不 高。现有些变频也接受脉冲序列信号控制速度的，但不能直接控制位置。2 、在有严格位置 控制要求的场合中只能用伺服来实现，还有就是伺服的响应速度远远大于变频，有些对速度 的精度和响应要求高的场合也用伺服控制，能用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取 代，关键是两点：一是价格伺服远远高于变频，= 是功率的原因：变频最大的能做到几百k w ，甚至更高，伺服最大就几十肼。 2 、负载特性 冷拉伸滚压设备的负载特性为恒转矩负载。负载的特性主要分为：恒功率负载和恒转矩 负载。当负载功率恒定，与转速无关，或负载功率为某一定值时，负载转矩与转速成反比的负 载特性称为恒功率负载，如机床的切削运动等等所产生的负载，直流电机改变励磁调速适应 于恒功率负载；任何转速下负载转矩总保持恒定或基本恒定，而与转速无关的负载称为恒转 矩负载，这类负载多数呈反抗性的，即负载转矩的极性随转速方向的改变而改变。还有一种 位势性转矩负载，负载转矩的极性不随转速方向的改变而改变。因此，恒转矩负载根据负载 转矩的方向与旋转方向有关，如机床的进给运动所产生的负载，直流电机调压调速适应于恒 转矩负载。( 阮毅2 0 0 6 ) 在分析了课题机械结构和加工工艺后，确定了负载特性为恒转矩 负载。( 陈伯时2 0 0 5 ) 3 、电机选择 按照冷拉伸滚压设备的加工工艺和成本要求，在滚压方向上选择了伺服电机，而在旋转 方向上选择了普通异步电机。伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交 流电机( 一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机) ，也就是说当驱动器输出电流、 电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性 1 4 贵州大学机械工程学院2 0 0 5 级硕士毕业论文 和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根 本。就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在 变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定，所以普通的异步电机是无法满足 课题的加工要求的，但是选用伺服电机还是步进电机，需要对伺服电机和步进电机的性能做 比较：步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国 内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流 伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系 统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相 似( 脉冲串和方向信号) ，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异：1 控制精度不 同：两相混合式步进电机步距角一般为1 8 、0 9 ，五相混合式步进电机步距角一般为0 7 2 、0 3 6 。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如西门子( s i 雕e n s ) 公 司生产的二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 7 2 、0 3 6 、 0 1 8 、0 0 9 、0 0 7 2 、0 0 3 6 ，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。以西门子交流伺服电机为例，对于带标准 2 0 4 8 线编码器的电机