（机械电子工程专业论文）基于vb与plc的智能加载液压机控制系统设计与研究.pdf

1 一一 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名： 喻文j 秀 口t 1 年6 月7e l 7珥日 砂n了 厄阳 = 绦年 签 师 d 教痧 导指 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统 设计与研究 d e s i g na n dr e s e a r c ho f c o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i c p r e s sw i t hi n t e l l i g e n tl o a d i n gb a s e do nv b p l c 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 跨d 着人们对汽车轻量化问题越来越多的关注，薄板成形技术已经成为研究的 重点方向之一。新材料的开发和使用已使传统恒压边力技术难以满足冲压要求， 变压边力和变速拉深工艺相对传统拉深工艺及控制方法具有显著优势。 本文以3 1 5 0 k n 整体框架式单动薄板液压机为基础，设计了一种基于v b 6 0 与三菱m e l s e c q 系列p l c 的智能加载液压机控制系统，实现了以拉伸深度为自 变量的变压边力和变速。本控制系统主要通过控制比例泵来达到控制主缸速度的 目的；通过控制比例阀来达到控制主缸和顶出缸压力的目的；通过控制电磁阀的 通断米达到控制压机各项动作的目的。 4 据控制系统的要求，确定了控制系统的总体方案，对控制系统进行了硬件 设计，并开发了软件系统。在此基础上进行了p i d 闭环控制的研究，旨在提高控 制系统的精度。最后根据目前研究的几种变压边力和变速的加载方式验证本液压 机变压边力和变速控制效果，证明了该压机采用变压边力和变速拉深工艺可以提 高板料成形性能。 关键词：液压机，变压边力，变速，v b ，p l c ，闭环控制 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统设计与研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er e d u c t i o no fa u t o m o b i l e s w e i g h ta t t r a c t i n g m o r ca n dm o r e a t t e n t i o n ，t h ef o r m i n go fs h e e tm e t a lh a sb e e no n e o ft h ek e yt o p i c si nr e s e a r c h t h e e x p l o i t a t i o na n d u s eo fn e wm a t e r i a l sm a k et h et r a d i t i o n a ld e e pd r a w i n gw i t hc o n s t a n t b l a n kh o l d e rf o r c e ( c b 耶) h a r dt os a t i s f yw i t h ，t h ed e e pd r a w i n gw i t hc h a n g e a b l e s p e e da n db l a n kh o l d e rf o r c e ( b h f ) i ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lt e c h n i c s o nt h eb a s i so fo v e r a l lf l a m es i n g l ea c t i o nh y d r a u l i cp r e s s ，c o n t r o ls y s t e mo f h y d r a u l i cp r e s sw i t hi n t e l l i g e n tl o a d i n gb a s e do nv b 6 0 m e l s e c qs e r i e s o f m i t s u b i s h ip l cw a sd e s i g n e d ，w h i c hr e a l i z et h ev a r i a b l es p e e da n db h fa l o n gw i t h d r a w i n gd e p t h b yc o n t r o l l i n gt h ep u m pr a t i o ，t h ec o n t r o ls y s t e mc o u l da c h i e v et h e p u r p o s eo fc o n t r o l l i n gt h es p e e do ft h em a s t e rc y l i n d e r ；b yc o n t r o l l i n gt h ep r o p o r t i o n a l v a l v e ，i tc o u l da c h i e v et h ep u r p o s eo fc o n t r o lp r e s s u r eo ft h em a s t e rc y l i n d e ra n dt h e t o po ft h ec y l i n d e r ；b yc o n t r o l l i n gt h eo n o f fo fs o l e n o i dv a l v e ，i tc a na c h i e v et h e p u r p o s e o fc o n t r o l l i n gt h ep r e s s a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h eo v e r a l ls c h e m eo fc o n t r o l s y s t e mw a sd e t e r m i n e d h a r d w a r eo ft h e c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d s ow a s s o f t w a r es y s t e m o nt h i sb a s i s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ， d o s e d 1 0 0 pc o n t r o lo fp i d w a ss t u d i e d a tl a s t ，w eu s e dt h eb h f a n ds p e e dl o a d i n g c u r v e sr e s e a r c h e dp r e s e n t l yt ov a l i d a t et h ec o n t r o le f f e c to ft h ep r e s s ，a n di tw a s p r o v e dt h a tt h ep r e s sc a l le n h a n c e t h ef o r m a b i l i t yo fs h e e tm e t a lt h r o u g hv a r y i n gt h e b l a n kh o l d e rf o r c ea n dv a r y i n gd r a w i n gs p e e d k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ，v b h f , v a r i a b l es p e e d ，v b ，p l c ，d o s e d - l o o pc o n t r o l 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景与意义1 1 2国内外研究现状和发展趋势1 1 2 1 液压机简介1 1 2 2 国内外液压机发展概况一3 1 2 3 液压机的发展趋势6 1 3 论文的主要工作及内容安排8 第二章控制系统总体设计9 2 1 整体框架式3 1 5 0 k n 单动薄板液压机介绍9 2 2 控制系统的功能。1 4 2 3 总体方案。1 5 2 3 1 控制系统结构1 5 2 3 2 总体设计方案1 6 2 4 硬件系统总体设计1 7 2 5 软件系统总体设计。1 8 2 6 本章小结1 8 第三章系统硬件设计。1 9 3 1 系统构成及基本工作原理1 9 3 2 工控机与p l c 的选型1 9 3 3 传感器的选型2 0 3 3 1 传感器的选用原则2 1 3 3 2 位移传感器的选择2 3 3 3 3 力传感器的选择2 4 3 4 数据采集卡2 5 3 5主控系统硬件供电电路集成2 8 3 5 1电气控制电路2 8 3 5 2p l c 和工控机的供电电路2 9 3 5 3比例阀和传感器的供电电路3 0 3 6 硬件系统的抗干扰措施。3 0 3 6 1 硬件抗干扰技术的方法3 0 3 6 2 供电系统的抗二f 扰措施3 1 3 6 3 地线系统的抗干扰措施3 1 3 6 4 电缆的选择与敷设3 1 3 7 本章小结3 2 i i l 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统设计与研究 第四章系统软件设计。3 3 4 1 软件系统的设计要求。3 3 4 2 下位机软件设计。3 4 4 2 1i o 地址分配表。3 4 4 2 2p l c 控制流程3 6 4 2 3p l c 读取工控机输出方法3 8 4 3 上位机软件设计3 8 4 3 1 软件开发平台及语言3 8 4 3 2 数据采集及软件实现方法3 9 4 3 3 人机界面4 2 4 4 上下位机的通信5 0 4 5闭环控制5 2 4 5 1 闭环控制的原理5 2 4 5 2p i d 闭环控制的实现装最5 3 4 5 3 控制算法5 3 4 5 4p i d 参数的工程整定5 4 n 4 6 软件系统的抗干扰措施5 5 4 6 1 数字滤波5 5 4 6 2 程序运行监视系统w a l h d o g 5 6 4 7 本章小结5 6 第五章实验结果与讨论。5 7 5 1 实验目的5 7 5 2 实验方案。5 7 5 2 1 实验设备及材料5 7 5 2 2 方法和步骤5 7 5 3 实验结果及分析6 0 5 4 本章小结6 6 第六章总结与展望6 7 6 1 总结6 7 6 2 展望6 7 参考文献。碣 致谢7 1 攻读硕士期间发表的学术论文7 2 附录i实物图7 3 附录i i液压机工作原理图。7 4 附录部分p l c 程序7 5 附录部分v b 程序7 9 i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究的背景与意义 在我国，液压成形技术己经在航空航天、电器仪表、汽车工业等领域得到迅 速发展。液压成形件具有重量轻、机械性能好、形状和尺寸精度高、加工工序少、 成本低等优点h 1 。随着液压产品零件形状越来越复杂，对制造工艺技术要求越来 越高，特别是各种尺寸的复杂成形件，液压机【2 4 】自身的技术水平直接影响到加 工产品的质量和性能。为了满足产品生产需要，很多研究工作者都将目光汇聚到 了液压机的控制系统研究与开发上。目前老式的采用继电器控制的液压机已逐步 退出市场，液压机已大部分采用微机控制或p l c 控制巧1 。p l c 采取了屏蔽、滤波、 隔离等抗干扰的措施，通过直观性很好的梯形图方式进行软件编程来实现控制， 控制灵活，功能强，可靠性高，适合车间恶劣的使用环境晒1 。但这种控制方式p l c 只作为简单的顺序控制器使用，主要对电气、往返动作及滑块位置、油路、气路 进行了控制，无法对压力和速度进行很好的控制，对不同工件的冲裁适应性差， 因此仍属于较低级的控制系统。 本文正是在此背景下提出的。本文旨在研究与开发高性能单动薄板液压机控 制系统，通过工控机与p l c 共同控制结合液压成形工艺，实现液压机数字化、智 能化控制。该液压机可预先实现对压边力和速度的加载，在冲压过程中又可对压 边力和速度进行智能调节。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 液压机简介 1 液压机的工作原理和工作特点 液压机作为一种通用的无屑成形加工设备，其工作原理是利用液体( 水或液 压油) 的静压原理，通过液压泵及各种液压控制阀来调整拉伸力的大小和拉深的 速度，实现将旋转的机械动力转化为直线方向的拉深力，即利用液体的压力传递 能量以完成各种压力加工。液压机的工作循环一般包括：主缸快速下行一主缸慢 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统设计与研究 速下行一拉深，压边缸随活动横梁下行一保压、卸压一主缸快速上行，顶出缸顶 出，压边缸延时上行一主缸返回到位停，顶出缸停，压边缸到位停【7 - 8 】。如图1 1 所示。 s 主缸 压边缸 图1 1 液压机工况图 其工作特点是：一、动力传动为“柔性 传动，不像机械加工设备动力传动 系统那样复杂，这种驱动原理还可以避免机器过载的情况发生；二、液压机的拉 伸过程只有单一的直线驱动力，没有“成角”的驱动力，这使加工系统有较长的 生命期和高的工件成品率。 2 液压机结构分类 目前，不锈钢制品的拉深主要使用液压机。在国内外液压机产品中，按其结 构形式可分为四柱式液压机、框架式液压机、单柱液压机( c 型机) 。一般在制品 的拉深工艺中大多数企业还是使用四柱式液压机，由于其在对称结构制品生产中 具有较强的性能价格比而获得广泛的应用，例如康思达液压机械有限公司生产的 产品。该公司生产的四柱液压机由主机、液压系统和电控系统三部分组成，实物 如图1 2 所示。其主框架由上中下横梁、四根立柱及台架所组成，用螺母将上下 横梁和立柱紧固地连接在一起组成一个封闭框架。工作时全部载荷都由机身框架 来承受。主缸固定在上横梁的缸孔中，主缸内装有下端与活动横梁( 中梁) 相连接 的活塞，活动横梁通过其四个导向套沿立柱上下滑动，凹模放在下横梁上( 工作 台) ，凸模固定在活动横梁上。工作时，压边缸下行，压住放在下横梁凹模上的 工件，主缸的上腔通入高压液体，在液体压力作用下推动活塞、活动横梁及固定 在活动横梁上的凸模具向下运动，在主缸的压力作用下，工件在凹凸模之间成形。 主缸回程时，主缸下腔通高压油，推动活塞带着活动横梁向上运动，返回其初始 2 江苏大学硕士学位论文 位置。幸1 1 需顶出工件，则在顶出缸上腔通入高压油，使顶出活塞顶出，通过f 横 梁的中心孔顶出工件，然后向顶出缸下腔通高压油，使其回程，完成一个工咋循 环。 1 2 2 国内外液压机发展概况 图1 2 四柱液压机 十七世纪中叶，法国科学家帕斯卡( p a s c a l ) 发现了利用液体产生很大能量的 可能性，提出了著名的静压传递原理。1 7 9 5 年英国发明家b r a m a h 制造出第一台 水压机，1 8 6 2 年g l e d h i l l 制造出第一批用于钢材锻造的7 0 0 0 k n 、1 0 0 0 0 k n 和 1 2 0 0 0 k n 的液压机，结束了手工锻造的传统方法，开始了机器锻造的时代。1 8 8 4 年在英国曼彻斯特制造了第一台蒸汽锻造水压机，它与传统的锻锤相比具有很多 的优点，因此发展很快。接着英国d a v y l o e w y 公司制造了一台4 0 m n 的水压机。 1 8 9 3 年美国伯利恒钢铁公司建造了当时最大的一台1 2 6 m n 水压机。随后由于战 争军备扩张的需要，液压机有了迅速的发展。1 9 3 4 年，德国制造了7 0 0 0 0 k n 水 压机；1 9 3 8 - 1 9 4 4 年问，德国相继建造了三台1 5 0 m n 的水压机和一台3 0 0 m n 的大 型水压机。二战之后，由于宇航工业的需要，美国在1 9 5 5 年左右，先后制造了 两台3 1 5 m n 及两台4 5 0 m n 的大型水压机。此外，在英国、法国、德国先后建造了 2 0 0 一3 0 0 州的各种大型液压机哼1 。 国外生产液压机的厂家主要有丹麦的s t e n h q j 公司、美国的m u l t i p r e s s 公 司、加拿大的b r o w nb o g g s 公司等。它们普遍采用微电子技术和比例伺服系统 控制n 删，如b r o w nb o g g s 公司的产品，采用计算机控制，可通过数字面板显示 输入压力、快进和回程速度、压制速度及保压停机时间参数，极大减轻了劳动 强度h ”。d a k e 公司、迪斯公司、f e r r a r a 公司也都推出了低噪声、高速度系列 3 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统设计与研究 的液压机。在系统安全方面，国外厂家采用电子互锁门( 如f r e n c hp r e s s 公司) 水加强其操作时的安全性。在系统维护方面，国外厂家的高性能液压机普遍采用 微处理器控制，并利用软件进行故障的监测和维护，如b r o w nb o g g s 产品可实现 负载监测、自动模具保护以及故障诊断等功能 1 2 1 。典型的还有德国 s m s h a s e n c l e v e r 公司研制的5 1 0 0 t 压力机，它是一台全自动控制的大型液压机， 其主机及上下模全部采用s i e m e n s s i m a t i c s 7 自动控制系统h3 】，其液压控制系 统精确可靠，平衡部分用机械液压双重保障，制件精度高、操作控制简便、安全 稳定性高，并且其跨度为国内外同类设备之最，模具采用组合式拼装结构，可冲 瓜厚度达l o m m 、长度达1 2 m 的钢板料，采用先进的快换式冲头，压型质量稳定。 我国液压机的发展解放后从零开始，最早的一台2 0 m n 液压机于1 9 5 3 年在沈 刚重型机器厂投产n 钠。1 9 5 7 年沈阳重型机器厂设计了我国第一台2 5 m n 水泵一蓄 势器传动式锻造液压机，以后又设计制造了i o m n 锻造液压机。西安重型机器研 究所于1 9 5 8 年设计制造了1 2 5 m n 锻造液压机，太原重型机器厂设计并制造了同 一吨位两种型号的锻造液压机，并于1 9 5 9 年设计了3 1 5 m n 锻造液压机。1 9 5 8 年国家决定自行设计制造万吨锻造液压机，并先后于1 9 6 2 年和1 9 6 4 年在上海江 南造船厂和沈阳重型机器厂制成。与此同时沈阳重型机器厂于1 9 6 1 年设计制造 了一台3 2 m n 锻造液压机，太原重型机器厂发展了1 6 m n 锻造液压机新品种，1 9 6 4 年沈阳重型机器厂设计制造了6 0 m n 锻造液压机。7 0 年代以来，全国很多省市建 立了自己的工业体系，中小型液压机发展很快，液压机的性能参数、结构形式、 操作控制、动力装置和控制技术水平都有了很大进展。 我国制造液压机的厂家众多，在设计技术、制造水平、产品质量、生产规模、 加工能力等方面均处于国内同行业领先地位的有合肥锻压机床股份有限公司、天 津市锻压机床总厂、徐州压力机械股份有限公司等等。典型的产品如下： 1 徐州压力机械股份有限公司设计研发的y x 2 8 6 3 0 1 0 3 0 c 双动薄板拉伸数 控液压机5 】，公称最大达1 0 3 0 0 k n ，框架式结构，四角八面导轨，工作台采用可 平箩动的顶杆托板结构，采用p l c 和工业计算机控制，液压系统采用磁栅尺等光电 f 七感控制技术和闭环比例伺服控制技术，实现了液压机压力、速度、位移可数显 数控。 2 合肥锻压机床有限公司研制的r z u 快速薄板拉伸液压机6 ，公称力从 4 江苏大学硕士学位论文 1 6 0 0 k n 一3 0 0 0 0 k n ，框架式结构，四角八面导轨，全吨位低噪声冲裁，无触点开关， 采用p l c 控制，液压系统设有油缸下腔支承回路，油缸上下腔互锁回路等安全装 置。该公司还自主研制丌发了多工位快锻液压机h 刀，争芒制系统采用s 5 1 1 5 型p l c 及触摸式彩色电脑显示屏实现数字化控制，利用进口的德国巴鲁夫行程限位，具 有对压机故障跟踪显示、报警、诊断以及工件计数显示、油温报警显示、模具保 护等功能，智能化程度达到国内先进水平。 3 佛山市康恩达液压机械有限公司研制的y z 2 8 g 一2 0 0 a 型智能高速液压机 n 剐，该机采用工控机控制方式，实现由压力传感器、位移传感器、电液比例阀 等组成的高精度压力、速度闭环控制；在深入研究金属制品拉伸变形工艺的基础 上，提出了极限拉伸工艺原理，并研制出基于该原理的具有智能实时变速、变压 边力的液压拉伸机。 4 重庆江东机械有限责任公司自主研发、成功生产调试西部最大的液压机 1 9 1 ，该液压机整机重量3 1 0 吨，公称力达到5 0 0 0 0 k n ，设备工作台长达1 2 米， 能压制6 1 2 米的坯件，其工作台和活动梁采用整体结构，单件重最高可达6 5 吨， 导向采用多柱结构，在控制上配备高精度压力传感器和位移传感器，可通过触摸 屏控制设备的各种参数，真正实现了人机对话，该设备的生产调试成功填补了我 国西部不能自主研制大型压机的空白，也是我国在该领域最先进的设备之一。 在国内外液压机产品中，按照控制系统主控元件的不同，可以将液压机分为 三种类型：一是以继电器为主控元件的传统型液压机：二是采用可编程控制器 ( p l c ) 控制的液压机；第三种是采用高级微处理器( 或工业控制计算机) 控制的高 性能液压机。 继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构简单，技术要 求不高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。其适用于单机工作、加工 产品精度要求不高的大批量生产，也可组成简单的，上产线。但由于电路的限制， 稳定性、柔性差。现在，这种控制方式己经逐步退出市场，国内外众多厂家只是 保留了对这种机型的生产能力，而主要面向以下两种技术含量高的机型组织生 产。 可编程控制器( p l c ) 是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来 的，并逐渐发展成以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通讯技术融 5 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统设计与研究 为一体的新型工业自动控制装置。目前己被广泛的应用于各种生产机械以及自动 化生产过程中。随着技术的不断发展，可编程序控制器的功能更加丰富。早期的 可编程序控制器在功能上只能进行简单的逻辑控制，后来一些厂家开始采用微电 子处理器作为可编程序控制器的中央处理单元( c p u ) ，从而扩大了控制器的功能， 使其不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。因此，可编程控制 器控制方式是介于继电器方式和工业控制计算机控制方式之间的一种控制方式。 可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但在功能方面与工业控制机相比有一定 差异。现在，国内大部分厂家都采用可编程控制器控制方式。通过采用p l c 控制， 使系统的控制性能和可靠性大大提高。国外厂家如丹麦的s t e n h q j 公司采用了 s i e m e n s 的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。 工业控制计算机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一 种高技术含量的控制方式。这种控制方式以工业控制计算机或单片单板机作为 控单元；通过外围接口器件( 如a d ，d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压 系统的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的 目的。它具有以下特点： 1 友好的人机交互界面，可通过数字面板显示输入压力、快进和回程速度、 压制速度及保压停机时间参数，操作简单。 2 控制精度高，控制行程的精度可达到0 0 5 m m 。 3 预存工作模式，可对不同工件的工艺过程、工艺参数预先存储和重复调 用，缩短调整时间。 4 可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错误。 5 易实现生产线的集成控制，组成柔性生产线及与上位机进行通讯和实现 调度控制孙2 。 采用工业控制计算机控制方式，使整机的控制性能、生产效率都有很大提高。 国外众多液压机生产厂家生产这种高性能的液压机产品。而与国外发展情况相 比，国内只有一部分厂家采用工业控制计算机控制方式的产品。 1 2 3 液压机的发展趋势 6 从以上对国内外液压拉深机的控制原理和系统设计及元件选型的分析，可看 江苏大学硕士学位论文 出液压机有以下几个发展趋势。 1 提高速度和生产效率。由于长期以来，在金属板料成形的工艺及设备的 研究中，往往只重视大型覆盖件( 如汽车覆盖件) 的研究，而忽视民用器皿类金属 制品成形的研究，所以我国在此方面的工艺现状还是比较落后和传统的，拉深设 备的水平也比较低下，生产效率及制品质量都有待提高。近年来，随着国内外对 不锈钢制品的质量要求不断提高，企业在激烈的市场竞争中也迫切需要提高生产 效率和产品档次。解决这一问题的主要途径有以下三个方面： ( 1 ) 提高空程和回程速度，以便缩短循环时间，增加行程次数，进而提高效 率。 ( 2 ) 提高自动化程度，缩短辅助操作时间。如采用上、下料装置，多工位液 压机，配备快速换模系统等。 ( 3 ) 与拉深工艺的发展紧密配合，如采用变压边力控制装置，以提高制品成 形的质量、乃至降低实际的拉深系数以提高生产效率。又如目前正在研究的基于 极限拉深原理的工艺及设备。所谓极限拉深原理是指最大限度发挥材料的塑性变 形潜能的一种拉深工艺方法。基于这种原理所开发的液压拉深机具有在拉深过程 中拉深速度无级可调，压边力无级可调等一系列特定功能。 2 提高刚度和精度。随着产品档次的提高，对模具保护、工件精度的要求 也越来越苛刻。对于液压机来讲，总的趋势是在经济合理的基础上，优化结构设 计，不断提高机器的刚度和精度。在制品拉深领域，刚性较好的框架式导轨导向 液压机将是发展的方向。 3 机电液一体化。利用机械和电子方面的先进技术促成液压机技术的完善 和发展。如采用电液比例技术，计算机控制技术等。 4 自动化、智能化。微电子技术的高速发展为液压拉深机的自动化和智能 化提供了充分的条件。自动化不仅仅体现在加工上，并能够实现对系统的状态进 行监测和调整，具有故障预报和预处理的功能。 5 液压元件和系统集成化、标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有 效的防止泄漏和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便，同时也极大地降低 生产成本。 6 基于人机工程学的液压机设计制造理念。如限制噪声和振动、防止环境 7 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统设计与研究 污染、安全保护以及方便的操作位置和操作方式等咙彩1 。 1 3 论文的主要工作及内容安排 本课题主要的研究内容是智能加载液压机控制系统的设计与研究。通过硬件 和软件设计，实现其功能：既可以预先加载压边力和速度，又可以在冲压过程中 调整压边力和速度。这种液压机改变了传统液压机在冲压过程中一般不能产生随 模具行程和压边位置而变化的压边力和速度的情况，从而可以提高成形件的质 量，加工更加复杂的零件。 论文的内容安排如下： 第一章，作为绪论，首先阐述本课题的研究背景、研究意义，然后介绍液压 机的工作原理及分类、控制方式比较及液压机的发展趋势，最后简要介绍了本文 主要研究的工作及内容安排。 第二章，阐述了3 1 5 0 k n 整体框架式液压机的组成结构与工艺流程，通过分 析其主要技术指标与系统功能需求，提出了控制系统的整体结构、总体方案，硬 件和软件的总体设计。 第三章，介绍硬件系统的构成及工作原理，上下位机的选型，传感器的选择， 对本文用到的板卡进行了详细说明，主控系统硬件供电电路集成进行了设计，最 后进行了硬件抗干扰的设计。 第四章，采用模块化设计思想，对上下位机进行软件设计，编写了液压机三 种工作状态的流程图，进行了人机界面设计，上下位机的通信以及p i d 闭环控制 的设计，最后进行了软件的抗干扰设计。 第五章，对所设计的控制系统进行实验验证，证明所设计的变压边力和变速 的控制系统是可行的。 第六章，总结与展望。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章控制系统总体设计 2 1 整体框架式3 15 0 k n 单动薄板液压机介绍 单功薄板液压机主要用于金属薄板拉伸与塑性材料的压制加工，如落料、拉 延、整肜、冲孔、弯曲、修边、翻边等，整体框架式3 1 5 0 k n 单动薄板液压机实 物图如图2 1 所示，与别的单动薄板液压机结构有所不同，我们用液压垫代替了 下滑块，液压垫上分布了1 2 个顶杆。液压垫实际上就是一种传力装置，总压边 力由顶f 油缸产生后作用到液压垫板上，再由液压机专用组合式顶出杆传递到压 边圈上，组合式顶出杆的长度可以调节，长度的不同使各个位置的弹性形变不同， 从而使作用到模具压边圈上的压边力在不同位置有着不同的大小，实现了分段压 边的目的，而总的压边力大小由比例溢流阀控制，大小根据需要可以任意设定， 形成压边力的二步可调。液压机原理图如附录i i 所示，电磁铁动作顺序表如表2 1 所示。山图可见，这台液压机的主液压缸( 上缸) 能实现“快速下行一慢速下行、 加压一保压一释压一快速返回一原位停止 的动作循坏；辅助液压缸( 下缸) 能 实现“向上顶出一向下退回一原位停止的动作循环阱1 。 图2 1 液压机实物图 主液压缸具体工作情况如下： 1 主机滑块快下 液压泵启动后，按下工作按钮，电磁铁y v 2 、y v 6 、y v 9 、y v i o 通电使阀 9 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统设计与研究 1 和阀8 上位接入系统，阀9 右位接入系统，阀5 的下位接入系统。阀f l l 、阀 f i o 、阀f 8 的控制腔则与油箱相通，所以阀f 2 关闭，阀f l l 、阀f 1 2 、阀f 1 0 和阀f 8 打开，液压泵向系统输油。这时系统中油液的流动情况为： 进油路：泵y b l 一阀f 1 一阀f 1 1 一阀f 1 2 一主缸上腔； 回油路：主缸上腔一阀f 1 0 一阀f 8 一油箱。 液压机上滑块在自重作用下迅速下降。由于液压泵的流量较小，主液压缸上 所! 产生负压，这时液压机顶部的副油箱通过充液阀向主液压缸上腔补油。 2 主机滑块压制 当滑块快速下行至一定位置，滑块上的挡块压下行程开关时，电磁铁y v 6 火电，w 7 得电，使阀5 上位接入系统，插装阀f 8 的控制腔与调压阀相连，主 液压缸下腔的油液经过阀f 6 在调压阀的调定压力下溢流，因而下腔产生一定背 i i ，上腔压力随之增高，使充液阀关闭。进入主液压缸上腔的油液仅为液压泵的 流量，滑块进行压制。这时系统中油液流动情况为： 进油路：泵y b l 一阀f 1 一阀f 1 l 一阀f 1 2 一主缸上腔； 回油路：主缸下腔一阀f 1 0 一阀f 8 一油箱。 3 保压 当主液压缸上腔压力达到所要求的工作压力时，电压力传感器发出信号，使 电磁铁y v 2 、w 7 、y v l 0 全部断电，因而阀5 和阀1 处于中位，阀8 下位接入 系统。阀f l l 控制腔通压力油，阀f 8 控制腔被封闭，阀f 2 控制腔通油箱。所以， 阀f l l 、f 8 关闭，阀f 2 打开，这样，主液压缸上腔闭锁，对工件实施保压，液 难泵输出的油液经阀f 2 直接回油箱，液压泵卸荷。 4 预卸 主液压缸上腔保压一段所需时间后，时间继电器发出信号，使电磁铁y v l l 通电，阀7 上位接入系统。于是，液压泵压力油经阀7 顶开液控单向阀，从而与 i ：液压缸上腔相通，主液压缸上腔的压力慢慢释放，系统实现预卸。 5 回程 主液压缸上腔压力降低到一定值后，压力传感器发出信号，使电磁铁y v 2 、 y v 8 、y v l l 都通电。于是，阀1 、阀6 和阀7 的上位接入系统，阀f 2 的控制腔 被封闭，阀f 7 和阀f 1 0 的控制腔都通油箱，充液阀的控制腔通压力油。因而阀 f 2 关闭，阀f 7 和阀f i o 打开。液压泵输出的油液全部进入主液压缸下腔，由于 1 0 江苏大学硕士学位论文 下腔有效面积较小，主液压缸快速返回。这时系统中油液流动情况为： 进油路：泵y b l 一阀f 1 一阀f 7 一阀f 1 0 一主缸下控； 回油路：主缸上腔一液控阀一副油箱。 液压机辅助液压缸的工作情况如下： 1 顶出 工件压制完毕后，按下顶出按钮，使电磁铁y v 2 、y v 3 、y v 4 通电，于是 阀1 和阀3 上位接入系统，阀2 下位接入系统。阀f 2 的控制腔被封死，阀f 3 和阀f 6 的控制腔通油箱。因而阀f 2 关闭，阀f 3 、阀f 6 打开，液压泵输出的油 液进入辅助液压缸下腔，实现向上顶出。此时系统口油液流动情况为： 进油路：泵y b l 一阀f 1 一阀f 3 - - - 顶出缸下腔； 回油路：顶出缸上腔一阀f 6 一油箱。 2 退回 把工件顶出模子后，按下退回按钮，使电磁铁y v 3 、y v 4 断电，电磁铁y v 5 通电，于是阀4 下位接入系统，阀1 上位接入系统。阀f 5 、阀f 4 的控制腔与油 箱相通。因而阀f 5 、阀f 4 打开。液压泵输出的油液进入辅助液压缸上腔，其下 腔油液回油箱，实现向下退回。这时系统中的油液流动情况为： 进油路：泵y b l 一阀f l 一阀f 5 一顶出缸上腔； 回油路：顶出缸下腔一阀f 4 一油箱 从上述可知，该液压机液压系统主要由压力控制回路、换向回路、快慢速转 换回路和预卸回路等组成，并采用二通插装阀集成化结构。因此，可以归纳出这 台液压系统的以下一些性能特点： 1 系统采用高压大流量恒功率( 压力补偿) 变量液压泵供油，并配以由调 压阀和电磁阀构成的电磁溢流阀，使液压泵空载起动，主、副液压缸原位停止时 液压泵均卸荷，这样既符合液压机的工艺要求，又节省能量。 2 系统采用密封性能好、通流能力大、压力损失小的插装阀组成液压系统， 具有油路简单、结构紧凑、动作灵敏等优点。 3 系统利用滑块的自重实现主液压缸快速下行，并用充液阀补油，使快动 回路结构简单，使用元件少。 4 系统采用由可调缓冲阀和电磁阀组成的预卸回路，来减少由“保压 转 为“快退 时的液压冲击，使液压机工作平稳。 基于v b 与p l c 的智能加载液压机控制系统设计与研究 5 系统在液压泵的出口设置了单向阀和安全阀，在主液压缸和辅助液压缸 的上、下腔的进出油路上均设有安全阀；另外，在通过压力油的插装阀的控制油 路上都装有梭阀。这些多重保护措施保证了液压机的工作安全可靠。 表2 1 电磁铁动作顺序表 启主机压 保预 同 顶退冲载停 动滑块制 压卸程出 回缓冲止备注 下 缸上 电磁铁代号 行 y v l y v 2 w 3 y v 4液压垫力2 4 0 k n 时通电 y v 5 有项同动作时通电 y v 6 快转慢时延时断电 y v 7 快转慢时延时通电 y v 8 。 一 y v 9 y v l 0 y v l l y v l 2 有冲载缓冲要求时动 作，延时停i ： y b l 按速度要求确定j 二作 电流 y b 2 按液压垫力确定工作 电流 y b 3 按液压垫力确定工作 电流 y b 4 按土滑块力要求确定 上作电流 注：液压垫力 ( 4 - 4 ) 该算法仅与最近几次采样偏差有关，减少了计算时间和内存空间，而且无需 将误差累积，不易产生累积误差。 4 5 4pid 参数的工程整定 将各种p i d 控制算法应用于实际系统时，必须先确定控制器中各参数的具体 值，如放大系数l ( d ，积分时间常数t i ，微分时间常数t d ，以使系统性能满足一定 要求。在实际中有多种确定控制器参数的方法，而无论采用何种方法，明确参数 对系统性能的影响都是至关重要的。 控制系统的控制质量决定于控制系统的参数，其中也包括与p i d 控制规律有 关的参数。所谓p i d 控制规律就是输出随输入变化而变化的规律。 为了提高p i d 控制的控制质量，要对p ，i ，d 3 个参数进行工程整定( 区别 于理论计算整定) ，以期获得这3 个参数之间的优化组合，从而保证较高的控制 精度。参数整定的目的也就是为了使系统获得满