（控制理论与控制工程专业论文）玻璃切割控制系统设计与控制方法研究.pdf

0，1、 at h e s i si nc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g s t u d yo nc o n t r o l l i n gm e t h o da n d d e s i g n i n g f o rc l a s sc u t t i n g s y s t e m b ys u nj i a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gj i n q u a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ，-一、 东北大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 ： 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 j 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 匹 思。 学位论文作者签名：霉心里 日 期：乙加& 缸1 局f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 。醴 签字日期：劲讲，2 7 6 jfb ，ul ，qi 岱 导师签名： 签字日期： l 东北大学硕士学位论文摘要 玻璃切割控制系统设计及控制方法研究 摘要 詹玻璃是一种重要的建筑和装饰材料，被广泛应用于楼房搭建、汽车生产、家具制造 等各个领域，而玻璃切割是形成玻璃成品的一个重要工序。目前，国产的切割系统在精 度、速度、可靠性方面与国外同类产品相比都还有一定的差距，国内玻璃切割厂家的切 割设备大多依赖于进口。因此，自主开发自动玻璃切割系统具有重要的现实意义，它将 大大增强国内玻璃机械生产厂家的国际竞争力。 根据玻璃切割的工艺流程，本文设计了由上位机、p l c 、伺服驱动器、伺服电机和 一些辅助设备组成的玻璃切割系统。该系统实现了玻璃自动上片功能，控制器可接收来 自上位机的图形信息进行自动切割。为了提高剥片效率，设计了气动式剥片结构。在切 割的精度方面，系统采用了插补算法。本文采用最小偏差法、数字积分法分别实现直线 和圆弧插补。 玻璃深加工产品的排料优化问题，是提高产品成品率的关键，也是难题。由于任意 异形图形都可以被某个最小矩形所包容，因此异形玻璃的优化排版问题转化为二维矩形 的排版优化问题，此问题属于n p ( n o n - d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ) 完全问题。本文在分 析玻璃加工的排料特点与工艺要求的基础上，对一般排料问题的数学模型进行了分析， 将二维排料问题通过降维启发式方法转化为一维问题，即将长度或宽度相近矩形块生成 矩形条料。采用f f d 启发式算法和直接搜索法分别解决大、小规模的一维排料问题。 以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具，实现了二维排料优化。 关键词：玻璃切割；伺服控制；插补；p l c ；二维排料优化 i i ，liyf c s t u d y o n c o n t r o l l i n gm e t h o da n dd e s i g n i n gf o r c l a s sc u t t i n gs y s t e m a b s t r a c t g l a s si sak i n do fi m p o r t a n ta r c h i t e c t u r a la n do r n a m e n t a lm a t e r i a lt h a ti su s e dw i d e l yi n m a n yf i e l d ss u c ha sb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n ，a u t o m o b i l ep r o d u c t i o n ，f u m i t u r em a n u f a c t u r ea n d s oo n a n dg l a s sc u t t i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tw o r kp r o c e d u r e si nt h eg l a s sm a c h i n i n g p r o c e s s a tp r e s e n t ，c o m p a r e dw i t ht h es a m et y p eo ff o r e i g np r o d u c t s ，h o m e - m a d eg l a s s c u t t i n ge q u i p m e n t ss t i l l h a v e d i s p a r i t i e s i nl o c a t i o n p r e c i s i o n , c u t t i n gs p e e d ，r u n n i n g d e p e n d a b i l i t ya n ds oo n s o ，h o m eg l a s s w o r k sg e n e r a l l yu s ei m p o r t e dg l a s s c u t t i n g e q u i p m e n t s t h e r e f o r ei ti so fi m p o r t a n tm e a n i n gt od e v e l o pa u t o m a t i cg l a s sc u t t i n gs y s t e m d e p e n d e n t l ya n di tw i l lg r e a t l yi m p r o v ei n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i v ep o w e ro fd o m e s t i cg l a s s m a c h i n em a n u f a c t u r e r a c c o r d i n gt ot h eg l a s sc u t t i n gp r o c e s s ，t h ep a p e rw a sd e s i g n e db yt h ep c ，p l c ，s e r v o d r i v e s ，s e r v om o t o r sa n da n c i l l a r ye q u i p m e n tc o n s i s t i n go fg l a s sc u t t i n gs y s t e m t h es y s t e m h a sa u t o m a t i c a l l yg l a s sf e e df u n c t i o n s ；t h ec o n t r o l l e rc a nr e c e i v ef r o mt h eh o s tc o m p u t e r g r a p h i c si n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l yc u t t i n g , d e s i g nt h ea e r o d y n a m i co ft h es t r u c t u r e - s t r i p p i n g ， m a k es t r i p p i n ge a s y i nc u t t i n gt h e a c c u r a c y , t h es y s t e mu s e st h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m b a s e do nt h ep l c ，t h et h e s i su s eo ft h es m a l l e s td e v i a t i o n , d i g i t a li n t e g r a t i o nt oa c h i e v ea s t r a i g h tl i n ea n dc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n t h e a r r a y i n go p t i m i z a t i o np r o b l e mo fg l a s sd e e p p r o c e s s i n gp r o d u c t si st oi m p r o v et h e y i e l do fk e yp r o d u c t s ，b u ta l s od i f f i c u l tp r o b l e m a sp r o f i l e di nt h eg l a s sc a nb eo n eo ft h e l e a s tt o l e r a n to fr e c t a n g u l a r , a n dt h e r e f o r eo p t i m i z et h el a y o u to ft h ec o n t o u rg l a s si n t ot h e t w o _ d i m e n s i o n a l r e c t a n g u l a rl a y o u t o p t i m i z a t i o np r o b l e m ，t h ep r o b l e m i sn p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ) c o m p l e t e l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea r r a y i n g g l a s s p r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so ft h ep r o c e s s ，a n a l y s et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eg e n e r a ll a y o u t ，t h et w o d i m e n s i o n a lm a r k e r sw i l lb ed e s c e n d i n gt h r o u g ht h ei s s u eo f p e a c e k e e p i n gh e u r i s t i cm e t h o d sw i l lb et r a n s l a t e di n t oao n e d i m e n s i o n a lp r o b l e m ，t ob e r e c t a n g u l a rb l o c kg e n e r a t e dr e c t a n g u l a rs t r i p a d o p t e dt h ef f dh e u r i s t i c sa n dd i r e c ts e a r c h m e t h o dt os o l v el a r g e - s c a l er e s p e c t i v e l y , a n ds m a l l s c a l eo n e d i m e n s i o n a l p r o b l e m u s e v i s u a lc + + 6 0f o rt h ed e v e l o p m e n to ft o o l st oa c h i e v eat w o 。d i m e n s i o n a ll a y o u to p t i m i z a t i o n i i i 查! ! 奎兰堡主兰堡垒文a b s t r a c t 一一- ： k e y w o r d s ：g l a s sc u t t i n g ；s o v oc o n t r o l ；i n t e r p o l a t i o n ；p l c ；t w o d i m e n s i o n l a y o u t o p t i m i z a t i o n i v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i ，摘 要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 课题的研究背景、意义1 1 1 1 玻璃及玻璃切割工业的现状、特点1 1 1 2 论文的目的、意义2 1 2 国内外控制系统研究现状2 1 2 1 硬件控制系统2 1 2 2 排料优化3 1 3 玻璃切割系统的工艺流程5 1 4 本文主要研究内容5 第2 章玻璃切割系统总体设计7 2 1 控制系统的组成7 2 2 伺服控制系统8 2 3p l c 与伺服驱动器的选型l o 2 3 1p l c 选型1 0 2 3 2 伺服驱动器与伺服电机的选型1 0 2 4p l c 与伺服驱动器的功能l l 第3 章插补算法15 3 1p l c 实现直线插补原理1 5 3 2p l c 实现圆弧插补原理1 8 第4 章软件设计与仿真2 5 4 1c x - p r o g r a m m e r 7 1 概述2 5 4 2p l c 扫描工作与用户程序设计的特殊性2 6 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 4 3p l c 实现插补前的准备2 7 4 4p l c 直线插补的软件设计2 7 4 4 1 最小偏差法直线插补流程图及插补参数的隔离2 7 4 4 2 最小偏差法直线插补的各子程序梯形图设计2 9 4 5 圆弧插补的软件设计3 5 4 5 1 数字积分法圆弧插补流程图及插补参数的隔离3 5 4 5 2 数字积分法圆弧插补的各子程序梯形图设计3 7 4 6 插补运算控制输出的进给轨迹仿真结果及分析4 l 第5 章异形玻璃的排料优化4 3 5 1 排料的特点与工艺要求4 3 5 2 排料优化设计思想4 5 5 2 1 排料问题数学模型分析4 5 5 2 2 排料问题的设计思想4 6 5 3 排料优化的实现4 7 5 3 1 排样模式分析4 7 5 3 2 矩形板条的生成4 8 5 3 3 矩形板条的优化排放5 0 5 3 4 余料区间的递归填充5 3 5 3 5 排料的实现5 5 第6 章总结5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望5 9 参考文献6 1 致谢6 3 一v i 一 1 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、意义 1 1 1 玻璃及玻璃切割工业的现状、特点 玻璃是重要的建筑、装饰材料、其透明、透光、反射、多彩、光亮的特性，使得它 被广泛应用于建筑构造、家具装修、汽车风挡等各个领埘。据有关资料显示，当今世 界加工玻璃( 含特种玻璃) 已有近千种，已经展现出品种多、质量好并实现了系列化、 标准化、节能化的；b n - r - 玻璃生产规模。世界主要工业发达国家的加工玻璃市场份额正从 2 0 世纪8 0 年代的6 0 、9 0 年代的7 0 上升到2 0 0 0 年的7 5 以上，其中量大、质优的 加工玻璃数安全玻璃、节能环保玻璃、表面改性的加工玻璃市场需求还在急剧增加【2 】。 “十五 期间是我国玻璃工业发展较快的时期。5 年间，我国新增7 6 条浮法生产线， 5 年平板玻璃产量累计增长近2 亿重箱，特别是后两年平均每年递增6 0 0 0 多万重量箱， 新增4 7 条浮法玻璃生产线，5 年平均增长速度达1 4 7 。随着一系列建筑安全玻璃和建 筑节能法规、政策、标准的出台和严格执行，安全玻璃和中空玻璃等深加工玻璃快速发 展，中空玻璃增长了7 倍，l o w e 玻璃增长了近4 倍，加工玻璃率从2 0 0 1 年的1 5 提 高到2 0 0 5 年的2 5 。进入2 0 0 6 年，平板玻璃新增产能较多；预计今后十年，我国玻璃 工业还将飞速发展，特别是深加工玻璃，无论在产量、消费量、出口方面都具有非常广 阔的前景。 玻璃切割是玻璃深加工的前道工序一原片玻璃开片作业，包括玻璃原片上片、玻璃 原片切割、切割前后的传送、切割后的掰片等工序，同时还需要实现原料、订单、产品 图形、加工程序等数据信息的管理，玻璃排样优化的实现等一系列功能，其自动化水平、 切割精度、原料利用率等的高低，对于企业提高生产规模、降低生产成本以及适应市场 需求都具有重要的意义【3 】。 目前，自动玻璃切割系统绝大部分来源于国外一些大型跨国公司，主要有：意大利 的保特罗( b o t t e r o ) ；瑞士的百超( b y s t r o n i c ) ；奥地利的李赛克( l i s e c ) 等。 这些企业均能提供全套的自动玻璃深加工系统，能够集自动上片、切割、掰片、磨边、 清洗、镀膜、刻花、中空等各项功能于一体。同时，系统软件本身也集成了c a d 计算 机辅助设计系统，原料、订单、产品图形库等数据管理，切割工艺调整，n c 程序自动 生成以及实时监控等，不仅实现了生产过程的自动化，而且能自动实现信息交换、信息 共享、信息传输等各种信息处理过程。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由于历史原因，我国是平板玻璃的生产大国，1 9 9 7 年平板玻璃总产量达1 6 6 亿重 量箱。至1 9 9 8 年末已建成浮法玻璃生产线6 1 条，年生产能力1 3 亿重量箱，约占全部 生产能力的6 5 。浮法玻璃是实施玻璃深加工的基础材料，通过深加工增值是国内外玻 璃工业发展的主要趋势。目前发达国家平板玻璃的深加工率( 用于深加工的玻璃原片量 与全部玻璃原片产量之比) 达4 0 - 6 0 ，且每年以5 0 0 x 1 0 4 m 2 的速度递增，而我国的深，、 加工率只有1 6 ，明显偏低。因此，提高玻璃产品的深加工率是实现玻璃工业产业升级 的有力途径。 国内企业采用的玻璃切割系统主要包括整线引进、引进关键技术与零部件、整线自 主开发生产三大类。大部分国内企业采用了整线引进的方式，以意大利保特罗和奥地利 李赛克的生产线为主，只有为数极少的国内企业或研究机构进行整线自主开发，不过目 前都处于研究阶段。 1 1 2 论文的目的、意义 国外的玻璃切割系统在性能方面有优势，但在硬件与软件设计上较为封闭，不能根 据不同用户需求进行修改或扩展；而且，价格昂贵，维修费用高、周期长；操作界面是 英文的，工人操作不太方便；另外，由于这些系统是针对全球销售，很难考虑到我国用 户的特殊要求。二十世纪九十年代，我国在玻璃机械领域获得了可喜的成果。在由中国 硅酸盐学会主办、中国日用玻璃协会和中国建筑玻璃与工业玻璃协会共同举办的第十七 届中国国际玻璃工业技术展会上，我国的玻璃机械制造加工企业大放异彩。展览会涉及 玻璃生产工业的各个领域，其中包括建筑和装饰玻璃、玻璃门窗和五金配件、工业玻璃、 电子玻璃、电光源玻璃、特种玻璃及工艺艺术玻璃制品；玻璃深加工机械及磨料磨具； 玻璃生产用仪器、设备和自动控制系统；玻璃原材料、耐火材料和辅助材料等。玻璃深 加工设备和技术是本届展览会的主要内容，约占全部展品的6 5 以上，由计算机控制的 各种新工艺、新技术和新设备也占据了很大比例，对改造和提升玻璃制造业的生产水平 具有重要意义。国内的参展单位为3 3 4 家占总参展单位的3 5 。参展单位的产品性能与 与会的国际先进品牌产品相比仍有良好的竞争优势。但是，产品不能形成配套完整，功 能单一；而且控制器多采用国外的产品，没有自己的核心技术。因此，根据我国的实际 情况，借鉴国外的先进技术，研制具有自主知识产权的自动玻璃切割系统，来替代同类 进口设备，具有重要现实意义。 1 2 国内外控制系统研究现状 1 2 1 硬件控制系统 实现玻璃切割的控制系统通常有下面几种方法，单片机或d s p 技术的伺服运动控 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制系统、c n c 的伺服运动控制系统、p c + 运动控制卡组成的运动控制系统，p l c + 伺服 驱动器组成的运动控制系统。运动控制器技术的水平主要体现在三个层面：硬件方案、 核心控制算法、以及应用软件功能。国内运动控制器所采用的硬件平台和国外产品相比 没有太大区别，有的甚至更加先进。与欧美发达国家相比，国内运动控制器的主要差距 主要体现在控制算法和二次平台的易用性方面。 欧美运动控制器提供许多先进的控制算法，如伺服调节、p v t 算法、样条插补、反 向运动学算法、龙门双驱算法、空间圆弧插补、速度前瞻和轨迹拟合，以及电子齿轮、 电子凸轮、虚拟轴、高速位置锁存、位置比较输出等。国内运动控制器在这方面还存在 较大的差距，有的甚至还处在起步阶段 4 1 。 1 2 2 排料优化 1 2 2 1 二维排料优化 二维优化排料问题是指在一定尺寸的矩形区域内尽可能多的排放一系列形状的二 维几何图形，要求几何图形排放在矩形区域内，各图形互不重叠，并满足一定的工艺要 求，从而使得此矩形区域的利用率尽可能的高。这项工作广泛应用于玻璃、造船、汽车、 电力、钣金、皮革、家具、服装及造纸等生产行业。材料费用在产品成本占有很大比重， 据资料显示：材料的费用约占零件总成本的6 0 以上，尤其是大批量生产时，只要对优 化排料算法有所改进，减小材料的废料率，即使是材料的利用率提高1 ，也就可以大 大降低成本，提高产品竞争力，从而收到明显的经济效益。而合理排料是提高材料利用 率的主要手段【5 圳。 。 排料是优化组合的一类典型问题，从数学计算的复杂性理论来看，它属于具有最高 复杂性的一类问题刊p ( 多项式复杂程度的非确定性问题) 完全问题。根据计算和难 解性理论，目前还没有解决完全类问题的多项式算法【9 j 。凭当前的计算技术和硬件条 件去求该问题的最优解是很困难的，而由于生产实际的需要，人们又迫切需要利用现代 科学手段得到一些能满足生产需要的算法。这些算法应该在可以接受的好解，即虽不是 最优解，但接近最优解，并且比人工排料效率高，能达到或超过人们所期望的材料利用 率。排料优化的目的就是要考虑选用什么样的排样模式来获得较高的材料利用率，从而 使消耗的原材料板材数最少，达到使企业的经营成本最低的目的【8 。1 1 1 。二维排料问题大 致分为两类： ( 1 ) 矩形件排样问题 这类问题可以说是排样问题研究的热点，在工业生产中常见的要求有两类：一是材 料数量无限，而要求的矩形件数量是固定的，要求耗用材料量最少；二是材料数量有限， 要求排列出尽可能多的矩形，使废料最少。 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 不规则件的排样问题 这类问题是最难处理的，由于零件和材料均为任意形状，使得每一次排料均得重新 排样，因此，增加了问题的难度，所以排样i 、u 题的解法只是寻找一个较好的解决问题的 方法。对该问题的研究方法大致分为两类【1 2 - 1 3 】： ( a ) 矩形近似 如图1 1 ，此类解法的主要思想是为单个或多个不规则零件的组合找出其最小包容 矩型转化为矩形排料问题进行处理。此方法的优点是使得问题比较简单，缺点是对于高 不规则度的零件会造成很大程度原料的浪费，失去可行性。 ( b ) 对不规则零件进行直接处理 此种方法采用模拟人类手工排料思路进行排料。每次仅排定一个零件，以产生理想 的结果，但需花费大量的排放和搜索时间，造成人力和财力的浪费。 图1 1 最小包容矩形 f i g 1 im i n i m u mi n c l u s i v eo fr e c t a n g u l a r 1 2 2 2 国内外研究现状 国外学者对排料优化问题的研究可追溯到2 0 世纪四五十年代，但是直到2 0 世纪6 0 年代，随着计算机技术的快速发展，人们对排料优化问题的研究才得到了较快的发展 1 1 4 - 1 9 1 。g i l m o r e 和g o m o r y 通过对一刀切类型排料优化问题的研究，提出了一种线性规 划模型，通过列生成的方法把线性规划模型转化为一个背包子问题，然后构造求解背包 问题的有效方法。c h r i s t o f i d e n 和w h i t l o c k 给出了一种树搜索算法。a d a m o w i e z 和a l b a n o 以及h a i m s 则提出了两阶段的算法。f r a n c o i s 、v a n d e r b e c k 则对三阶段的二维排料优化 问题进行了研究。2 0 世纪8 0 年代以来，现代优化算法得到了较大的发展并逐渐被应用 到排料优化问题，v i c t o rp a r a d a 和m a u r i c i os e p u l v e d a 等用模拟退火算法来求解排料优化 问题。 我国在排料优化问题上的研究起步较晚，大部分是对国外学者提出的一些模型进行 改进。而且一般集中在矩形件的排料优化上，采用人机交互的方法对图形进行平移、旋 转达到优化的目的，对不规则件涉及的较少。文献【2 0 2 1 1 利用矩形法原理件排料优化原理 将非矩形件转化为规则图形，然后根据矩形件的排料优化算法进行排料，一定程度上解 决了不规则件的排料优化问题。 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 玻璃切割系统的工艺流程 完整的切割系统包括：上片机、玻璃切割机、落片机。控制器协调所有工作流程。 工作流程如下：上片机通过真空吸盘将待加工的玻璃原片从料架上取下来，落到上片台 上。通过上片台上的滚轮，玻璃切割台上的输入滚轮和输送皮带，将玻璃输送到切割平 台上。通过控制器控制刀轮，进行切割。当切割结束后，再通过切割台上的输送皮带， 输出滚轮和剥片台所形成的气垫将玻璃板送到剥片台。通过剥片条进行剥片，特殊曲线 还要送到专用剥片台上进行第二次剥片。 上片机主要用途是将从料架上取下玻璃原片并向切割机送片，它由机架、翻片组件、 行走地梁、送片滚轮、液压系统和气路系统等部件组成。 玻璃切割机从双向上片台输送来的玻璃进入输入滚轮，通过皮带输送到切割台。输 送结束后，对玻璃进行定位。接收到切割开始请求后，在控制器和伺服驱动器的配合下， 按要求进行纵横走刀，通过切割刀头上的合金钢刀轮对玻璃进行切割。全部切割结束， 系统控制器控制输送皮带将已切割好的玻璃推向输出滚轮进入剥片台。 剥片台通过气动剥片条对裁切后的玻璃进行剥片工作。具体工作过程：玻璃切割机 将玻璃切割好以后，通过皮带输送装置和输出滚轮将切割完成的玻璃原片从切割机送到 剥片台台面上。在输送时，剥片台上的风机已开启，产生了气垫将玻璃原片浮起，操作 人员可轻便地将玻璃原片放置到最佳的剥片位置，通过气动脚踏开关操纵剥片条工作。 由于采用气浮方式可轻松移动玻璃，达到减轻劳动强度、保障安全的目的。对于异形或 薄玻璃允许用人工方法进行剥片【2 2 。2 3 1 。 1 4 本文主要研究内容 论文的主要内容及章节安排如下： 第一章介绍了玻璃及玻璃切割工业的国内外发展现状及发展趋势，本课题研究背 景、以及完成的主要工作。 第二章根据玻璃切割的工艺流程，设计了由上位机、p l c 、伺服驱动器、伺服电 机和些辅助设备组成的玻璃切割系统。并说明各个组成部分的功能。 第三章介绍了插补算法及其作用，包括最小偏差法和数字积分法。 第四章通过c x - p r o g r a m m e r 7 1 软件编程，在无插补功能的p l c ( c j l m c p u 2 2 ) 上采用最小偏差法、数字积分法分别实现直线和圆弧插补，利用数控仿真软件对插补 的过程进行仿真。 第五章对二维的排料问题进行了阐述，将二维排料问题通过降维启发式方法转化 为一维问题，即将长度或宽度相近矩形块生成矩形条料。采用f f d 启发式算法和直接 一5 一 i ：! ! 查兰塑主兰堡垒查 第1 章绪论 一 2 ：二竺：! 搜索法分别解决大、小规模的一维排料问题。以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具，实现了二 维排料优化。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章玻璃切割系统总体设计 第2 章玻璃切割系统总体设计 卜 2 1 控制系统的组成 系统主要由上位机、p l c 、伺服驱动器、伺服电机、还有一些辅助装置构成，如气 垫、定位汽缸、润滑油路等【2 3 。2 5 1 。玻璃切割系统主要完成以下功能： ( 1 ) 上位机存储图形以及切割的路径的信息； ( 2 ) p l c 接收上位机下载的程序，进行直线和圆弧插补的运算，向伺服驱动器发 出进给脉冲；同时p l c 还要控制辅助设备( 如气垫、定位汽缸、润滑油路开关等) 的 运行，以及采集处理报警信号( 如极限开关、急停按钮等) ； ( 3 ) 伺服驱动器接收p l c 发出的进给指令，带动伺服电机进行精确的定位，伺服 电机轴端的光电编码器采集的脉冲信息反馈到伺服驱动器和p l c 的高速脉冲计数模块 形成双闭环控制。 控制系统的组成如图2 1 图2 1 系统组成框图 f i g 2 1s y s t e mc o m p o n e n td i a g r a m 一7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章玻璃切割系统总体设计 2 2 伺服控制系统 伺服指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。 伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反 馈装置和控制器。在2 0 世纪6 0 年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在7 0 年代 以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电 机。 j 控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说 的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直 接驱动的开环伺服系统曾经在9 0 年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速 被交流伺服所取代。进入2 l 世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发 展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术 之一。 在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机( p m s m ) 和感应异步交 流伺服电机( i m ) ，其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控 制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺 服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大 功率场合得到重视。 在响应和运行稳定性等方面，中低档的伺服系统调速范围在1 ：1 0 0 0 以上，一般的在 1 ：5 0 0 0 1 ：1 0 0 0 0 ，高性能的可以达到1 ：1 0 0 0 0 0 以上；定位精度一般都要达到士1 个脉冲， 稳速精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定l r p m 时，一般的在士o 1 r p m 以内，高性能 的可以达至, 1 - , - o 0 1 r p m 以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给 定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过9 0 0 或者幅值不小于 5 0 。应用在特定要求高的一些场合，如伺服电机m r j 3 系列的响应频率可达9 0 0 h z ， 目前国内主流产品的频率在2 0 0 - - - 5 0 0 h z 。运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、 负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条 件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力【2 铊9 1 。 伺服系统的分类： 伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机( 简称直流电机) 伺 服控制系统、交流电动机( 简称交流电机) 伺服系统；按控制方式划分，有开环伺服系 统。闭环伺服系统和半闭环伺服系统。 ( 1 ) 开环系统 图2 2 是开环系统构成图，它主要由驱动电路，执行元件和被控对象三大部分组成。 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章玻璃切割系统总体设计 常用得执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行对象的开环系统是步进式伺服 系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主 要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。 硼i j 环f 甲 微处 功率驱步进被控 理器动器电机对象 图2 2 开环控制系统 f i g 2 2o p e n - l o o pc o n t r o ls y s t e m ( 2 ) 闭环系统 闭环系统主要由执行元件、检测元件、比较环节、驱动电路和被控对象5 部分组成。 在闭环系统中检测元件将被控对象移动部件的位置检测出来并转换成电信号反馈给比 较环节。常用的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、和编码器等。通常把安在 电机轴端的检测元件组成的伺服系统成为半闭环系统；把安装在被控对象上的检测元件 组成的伺服系统成为闭环系统。由于电机轴端和被控对象之间传动误差的存在，半闭环 伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度差一些。 比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟 随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。 由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱 动电路正是为此而设置的。 执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移的 电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元 件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随着执行元件的不同而不同的。 伺服系统是提高玻璃切割系统精度的保证，是玻璃切割系统的总要组成部分。本系 统选用半闭环的控制方式，其构成图如图2 3 所示。 鐾h 纠薹奎h 甘 i 反馈脉冲 图2 3 半闭环系统结构图 f i g 2 3s e m i - c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章玻璃切割系统总体设计 2 3p l c 与伺服驱动器的选型 2 3 1p l c 选型 p l c 选型时要满足以下几个条件： ( 1 ) i o 点数是p l c 的主要性能参数，也是设计时最直接的参数； ( 2 ) 指令的运算速度，本课题是利用软件编程插补代替插补硬件，所以指令运算 速度必须足够快才能输出令人满意的脉冲频率； ( 3 ) 要有高速脉冲计数功能； ( 4 ) 输出为晶体管输出型。 通过比较国外厂商欧姆龙、三菱、松下、西门子、a b 等p l c 的性价比，欧姆龙的 低价位，高性能的特点，很适用与本系统。p l c 选型如表2 1 。 表2 1p l c 选型 t a b l e2 1p l cs e l e c t i o n 电源( 2 5 w )c p u 输入模块( 1 )输出模块( 1 )高速计数模块( 2 ) c j l w - p a 2 0 5 rc j l mc p u 2 2c j i w - i d 2 6 1 ( 6 4 点) c j l w - o d 2 6 1 ( 6 4 点) c j l w - c t 0 2 1 ( 1 ) 指令处理时间2 0 n s 起，执行一个3 8 k 步的梯形图程序只需l m s ； ( 2 ) 有内置高速脉冲输出口； ( 3 ) 使用倍数总线来缩短各单元的i o 刷新时问； ( 4 ) 改进时间响应及指令执行两方面得性能( 事件相应：快两倍；循环事件：1 4 ) ； ( 5 ) 数据链接、d e v i c e n e t 远程i o 通信、协议宏等的刷新性能改善了( 约提高 一倍) ； ( 6 ) 提供了一种程序执行和外设服务的平行处理模式，与程序执行的同时外设服 务，大约成倍提高了外设服务的响应； ( 7 ) 最多可生成1 2 0 k 步程序容量，处理2 5 0 6 个i 0 点。 各个模块的作用： ( 1 ) 输入模块接受来限位开关，急停按钮等输入信号； ( 2 ) 输出模块主要控制三个伺服驱动器、气垫、油路开关、定位汽缸等设备，输 出模块选择晶体管输出型主要是利用晶体管的通断频率高的特点，这样便能产生高速脉 冲控制伺服驱动器； ( 3 ) 高速计数模块接收来自光电编码器的脉冲，和以输出的脉冲作比较，做一个 闭环控制。 2 3 2 伺服驱动器与伺服电机的选型 一10 东北大学硕士学位论文第2 章玻璃切割系统总体设计 伺服驱动器选用松下数字交流驱动裂3 1 1 ，a 4 系列交流伺服驱动器技术比较成熟， 性价比高。它有4 种方式可以选择，位置控制、速度控制、转矩控制、全闭环控制。在 4 种控制模式下均有自动调整增益的功能。伺服驱动器与电机的选型如表2 1 。 表2 2 伺服系统配置及技术参数 t a b l e2 2s e r v os y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 伺服驱动器的部分管脚及信号功能如表2 3 表2 3 伺服驱动器部分管脚及信号功能简要说明 ! 尘! 曼三：j 曼塑翌垒堕! 堕塑皇竖旦些也塑坚! i 墅型璺堑堕生笪塑逊i q 塾 信号管脚号符号功能 2 4p l c 与伺服驱动器的功能 ( 1 ) p l c 要实现的功能 p l c 实现的功能主要有：玻璃原片上片、玻璃原片切割、切割前后的传送、玻璃的 剥片。在玻璃切割中，最重要就是切割出指定的图形，完成工艺要求，这就需要利用插 补算法。由于很多p l c 都没有插补功能，要想完成插补，就得选用带插补或者带插补 控制卡的p l c ，这样在选型上就会受到一定的限制。在本文中，用无插补功能的p l c 通过软件编程实现插补控制。其中x 轴( 带动横梁运动) 、y 轴( 刀具纵向移动) 实现 直线和圆弧的插补。z 轴用于切割。对这三个轴，p l c 都会通过程序输出一个脉冲迸给 量和进给方向控制量对其控制【3 2 。3 1 。 一1 1 东北大学硕士学位论文 第2 章玻璃切割系统总体设计 ( 2 ) 伺服驱动器实现的功能 在位置控制方式下，伺服驱动器接收p l c 发出的位置指令信号( 脉冲方向) ，送入 脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏 差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。 位置偏