（机械电子工程专业论文）数控冲床送料机控制系统研究.pdf

硕士论文数控冲床送料机控制系统研究 摘 而 f i i i i i i l l l liii i i i i i iii i i i ifl1 11iiiiiilliiiiiiiiiiiiiiiiiiii f 要 l y 2 0 6 17 3 攀 冲床自动送料机构主要与冲床成套配合使用，在加工过程中按照加工要求自动控制 工作台移动，以提高冲床加工的自动化程度。自动送料系统的自动化程度越高，冲压加 工效率就越高。 本文采用t i 公司3 2 位数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，其在工业控制中得到 广泛应用，具有速度快、精度高、控制能力强和片上资源丰富等特点。该系统能完成自 动送料的功能，位置精度很高，软硬件设计简单，操作方便并且人机界面良好。 论文首先根据生产加工要求以及控制系统设计基本原则制定系统设计的总体方案。 本文设计内容主要包含三方面：系统的控制电路设计、系统的软件系统设计和控制算法 的设计。硬件方面，在基于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的基础上扩展了d a 转换器、s c i 接口、 e 2 p r o m 、c a n 接口、测速电路、位置采集电路等电路。软件方面基于d s p b i o s 操作 系统，并设计了各个模块的程序，其中包括人机交互程序、d a 输出程序、c a n 通讯 程序、测速程序、控制程序以及1 2 c 通讯程序的设计。最后，还对实际系统进行数据采 集并基于遗传r _ b f 算法辨识系统模型，采用基于r b f 神经网络的单神经元p l d 控制算 法，在m a t l a b 软件中对电机控制算法进行仿真，和经典p i d 控制算法作对比，并进行 半实物系统仿真。 文章在最后对整个设计进行了总结和展望，指出了系统存在的问题和一些可以改进 的地方。 关键字：t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，触摸屏，c a n 通讯，r b f 神经网络 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t p u n c ht r a n s f o r m a t i o ni sm a i n l yu s e di nc o n j u n c t i o nw i t ht h ep u n c h , w h i c hc o n t r o l st h e t a b l et om o v ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fp r o c e s so fp u n c h i n g ，a n di m p r o v i n gt h e a u t o m a t i o nd e g r e eo fp u n c h i n g i ft h ed e g r e eo fa u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e mi sh i g h e r , t h e e f f i c i e n c yo fp u n c h i sh i g h e r i nt h i sp a p e r , t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，t i s3 2 一b i td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，w h i c hi sw i d e l y , u s e di ni n d u s r i a lc o n t r o l ，w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲p r o c e s s - s p e e da n d p r e c i s i o n , s t r o n gc o n t r o lc a p a b i l i t ya n dr i c ho n - c h i pr e s o u r c e s t h es y s t e me n a b l e st h e m a c h i n et of e e dp u n c h i n ga u t o m a t i c a l l y , w h i c hh a sah i 曲a c c u r a c yo fp o s i t o n , s i m p l es t u c u r e o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，g o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dt h es y s t e mi se a s yt oo p e r a t e i nt h ep a p e r , t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fs y s t e mi sf i r s td e t e r m i n e db yr e q u i r e m e n t so fc o n t r o l s y s t e md e s i g na n dp r o d u c t i o n t h ed e s i g nm a i n l yi n c u l d e st h r e ea s p e c t sw h i c ha r eh a r d w a r e d e s i g n , s o f t w a r ed e s i g na n dc o n t r o la l g o r i t h md e s i g n i nt h et e r m so fh a r d w a r e ，w e ，b a s eo n t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，e x p a n dd ac o n v e r t e r , s c ii n t e r f a c e ，e p r o m ，c a ni n t e r f a c e ，m e a s u r e s p e e dp o s i t o na c q u i s i t i o na n ds oo n i nt h et e r m so fs o f t w a r e ，w h i c h u s e sd s p b i o s o p e r a t i n gs y s t e ma n dg i v e sp r o c e d u r e so fe a c hm o d u l ed e s i g n ，i n c l u d i n gh u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o np r o g r a m , d ao u t p u tp r o g r a m ，c a nc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，m e a s u r es p e e d p r o g r a m ，c o n t r o lp r o g r a ma n d1 2 cp r o g r a m f i n a n u y , d a t aa c q u i s i t i o ni na c t u a ls y s t e ma n d s y s t e mi n d e n t i f i c a t i o nb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mr b f n e u r a ln e t w o r k , m o t o rc o n t r o lu s e r b fn e u r a ln e t w o r ks i n g l en e u r o np i dc o n t o la l g o r i t h mi nm a t l a bs i m u l a t i o n , w h i c h c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lp i da l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n tr s l u s t sp r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h e a l g o r i t h m i nt h ee n d ，t h ep a p e rg i v e sa ne n t i r es u m m a r ya n dp r o s p e c to ft h ea u t o m a t i cf e e d i n g s y s t e m ，s o m ep o i n t st h a tn e e dt ob e m o d i f i e da r ep o i n t e do u tt o o k e y w o r d s ：t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，t o u c h - s c r e e n , c a nc o m m u n i c a t i o n , r b fn e u r a ln e t w o r k i i 图表目录 硕士论文 图表目录 图2 1 半实物仿真平台的工作原理4 图2 2 硬件结构图4 图2 3 上位机软件模块5 图2 4 下位机软件模块5 图3 1t p s 7 6 7 d 3 0 1 内部工作原理l l 图3 2t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 双供电电源启动电路12 图3 3 电源的上电时序1 2 图3 4t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 模数转换器的引脚接线图l3 图3 5d a 电路设计1 4 图3 6 伺服放大电路15 图3 7r s 2 3 2 的硬件设计电路图1 6 图3 8c a n 的数据格式一1 7 图3 9c a n 模块结构一1 7 图3 1 0c a n 电路设计1 8 图3 1 1 数字测角原理1 9 图3 1 2m t s l 6 r 的原理框图1 9 图3 13a t 2 4 c 6 4 的硬件电路图。2 0 图3 1 4 制作完成后的电路图2 1 图4 1 软件结构设计框图2 2 图4 2c c s 开发流程2 2 图4 3 串口的发送程序。2 6 图4 4 串口中断接收程序2 6 图4 5 主输入输出界面图一2 7 图4 6 加工过程模拟图2 8 图4 7d a 程序设计框图2 9 图4 8c a n 初始化程序框图3 0 图4 9c a n 发送程序框图3 0 图4 1 0c a n 中断接收子程序31 图4 1 l 光电编码器理论输出波形图31 图4 1 2 光电编码器实际输出波形图。3 1 图4 1 3 输入限制时钟周期3 2 图4 1 4m 厂r 法测速原理3 3 图4 15 测速程序框图3 3 v i 硕士论文 数控冲床送料机控制系统研究 图4 16 控制程序框图3 4 图4 17 向a t 2 4 c 6 4 写数据的流程图3 5 图4 1 8 按字节方式写数据时数据线状态3 5 图4 1 9 从a t 2 4 c 6 4 读数据的流程图3 6 图4 2 0 按字节方式读取数据时数据线状态3 6 图5 1 系统建模数据。3 8 图5 2 系统校验数据3 9 图5 3 人工神经网络的基本数学模型4 0 图5 4r b f 神经网络结构图4 l 图5 5g a 的流图4 2 图5 6g a r b f 模型速度辨识4 5 图5 7g a r b f 模型辨识误差4 5 图5 8g a r b f 模型校验速度4 5 图5 9g a r b f 模型校验误差4 5 图5 1 0p i d 控制系统原理框图。4 6 图5 1 1 基于r b f 神经网络辨识的单神经元p i d 控制系统框图。4 7 图5 1 2 阶跃输入时系统输出跟踪曲线4 9 图5 1 3 斜坡输入时系统输出跟踪曲线5 0 图5 1 4 正弦输入时系统曲线5 1 图5 15p i d 控制运行结果图5 2 图5 1 6r b f 单神经元p i d 控制运行结果图5 2 表3 1 寄存器选择1 4 表3 2 参考电压选择1 4 表3 3s n 6 5 r v l ) 2 3 0 工作模式的选择18 表4 1 迪文智能终端触摸屏相关指令2 5 表4 2 按键功能表2 6 表4 3 延迟d 的取值表。3 5 v i i 硕士论文 数控冲床送料机控制系统研究 1 绪论 1 1 冲压生产过程中自动送料装置的概况与发展趋势 冲压加工是一种塑性成形的方法，在压力机上利用模具对板料施加压力使其变形或 分离以获得所需零件。由于冲压件有种种优点如厚度薄、质量稳定、重量轻等等，所以 工业生产中，广泛使用冲压设备。冲压制件在日常生活中处处可见，在很多行业都有很 重要的地位，如机械化工、日用五金、汽车制造、建筑机械、精密机械、医疗器械甚至 军事兵器和航空航天等部门。冲床作为点位控制机床的一种，一般采用手工送料的方式 送料。很显然，这种方式存在着效率低、安全性以及精度等一系列的问题。随着我国经 济的发展，生产加工要求越来越人性化、冲压制品的加工工艺和形状越来越复杂，自动 送料机构必然会取代手工送料的冲压机构，从而提高生产效率、冲压生产自动化程度以 及加工精度等要求【1 1 。 随着不断提高的计算机科学技术和测控技术，自动送料机构与数控冲床也日新月 异，主要特点如下【2 】： ( 1 ) 高精度化 现代对冲压件的加工精度要求越来越高，一些精密工件的误差要求在p i n 以内，为 了满足该加工工艺的要求，在实际应用中已研发出很多提高加工精度补偿方法。自动送 料装置是数控冲床自动化的辅助机构，它的精度直接决定冲压件的加工精度。 ( 2 ) 高速度化 加工速度快也是冲压加工的目标之一，效率高。如n c 伺服辊轮送料机( 日本d i m a c 公司) ，不间断高速送料，速度最高可达1 0 0 0 m m i n ，可调节的送料厚度和送料步距并 且性价比高。 ( 3 ) 高自动化 在生产加工过程中，机床能够自己完成加工任务而不需要过多的人工操作，当今， 将自动送料设备和数控冲床配套使用，大大提高了其自动化程度。 ( 4 ) 高柔性化 随着工业的发展，竞争越来越残酷，用尽可能少的加工装置生产出尽可能多种类的 产品，就能间接地降低生产成本，如万能冲床等。 ( 5 ) 高可靠性 系统的高可靠性、抗干扰能力也是冲床研究的一个重要方面，由于工业加工环境的 恶劣性和复杂性，干扰无处不在，故一般使用已成熟集成电路，增加数控机床的可靠性。 ( 6 ) 基于交流伺服系统的自动送料装置 近几十年来，交流伺服电机控制技术发展迅速。同直流伺服电动机相比较，永磁交 l l 绪论硕士论文 流伺服电动机的主要优点：工作可靠性高，维护和保养成本低( 无换向器和电刷) ；系 统的快速响应性高( 惯量小) ；定子绕组散热性能好；在相同功率下质量和体积较小。 我国从1 9 5 8 年开始研制数控机床，自2 0 世纪6 0 年代中期进入实用阶段，从8 0 年 代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服系统制造商的技术，使我国 数控系统在性能和可靠性等方面得到了迅速发展。经过“六五”、“七五”、“八五”以及“九 五”的科技攻关，我国现今已掌握了现代数控技术的核心内容。目前我国已有数控系统 ( 含主轴与进给驱动单元) 生产企业五十多家，数控生产企业百余家。随着电子、计算 机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数控冲压设备与自动送料装 置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变。 数控冲床送料系统由冲床、两坐标工作台及数控系统组成。数控冲床系统可以根据 控制系统的结构形式不同分类如下： ( 1 ) 专用的数控系统 国外的西门子( s i n u m e r i k ) 数控系统、法那科( f a n u c ) 数控系统、三菱 ( m i t s u b i s h i ) 数控系统以及国内的华中数控系统和广州数控( g s k ) 系统。专用的数控系 统有安全可靠，定位精度高等诸多优点，但根据上文所述，冲床属于点位控制机床，控 制策略要求相对简单，如果采用专用的数控系统就增加成本、浪费资源。 ( 2 ) 单片机控制 王安敏、牛传猛等【3 】设计了步进电机闭环控制系统的x y 工作平台。李国平等 4 1 设计了基于单片机控制的3 轴经济型数控系统。欧洲等【5 】设计了基于1 6 位单片机控制的 数控系统。一般来说，基于单片机设计的控制系统具有设计简单和成本低等优点，但是 一般的单片机不善于高精度的数据处理和计算，一般仅用于简单的中央控制或数据采 集，故当应用于工作台实时控制时，需要及时地执行合适的控制算法，发送控制指令， 对单片机来说，执行较复杂高精度的乘除运算很吃力。另外，单片机的抗干扰能力以及 接口资源都有所欠缺，不适合应用于现场工业控制。 ( 3 ) p l c 控制 焦连岷【6 】设计了基于p l c 的冲床的数控改造及全自动送料装置。这种方案设计简 易，编程简单，但成本昂贵，在预算较低的情况下很难采用该方案。 1 2 选题的背景和意义 在我国的一些民营企业、生产规模较小、资金有限，大多使用结构简单、人工手动 送料的冲压装置，并且缺乏必要的保护措施，经常发生加工事故忉。随着工业水平的发 展，国内外市场竞争越来越激烈。最大限度地降低操作工人的劳动强度和尽可能的减少 操作工人的直接参与是数控冲床自动化的最终目标。冲压加工自动化总的来说主要包 括：自动更换模具、原料的自动供给、冲压件和废料的自动排出、实时监控冲压生产过 2 硕士论文 数控冲床送料机控制系统研究 程以及自动处理故障等生产加工的自动化，从而实现冲压加工的自动化就是将这些技术 应用到冲压生产过程中的各个相应环节。但由于我国冲压生产装置的发展现状，简易的 冲压装置在冲压生产过程中还在大量的使用，还需要很久才可能实现冲压生产完全自动 化的目标。 可以通过购买新的冲压装置来实现自动化数控生产加工，但前期需要投入的资金太 高，并且直接淘汰旧的机床，没有合理地利用资源，在这种情况下，不如对旧设备进行 数控改造。数控冲床自动送料机与普通冲床联机后，普通冲床就改造成了数控冲床，投 资较少、收益大，是企业进行技术改造，提高经济效益的优选方案。 1 3 论文的预期目标与主要内容 自动送料机构设计的基本思想：保留旧冲床的机械结构部分，改造其工作台的控制 电路，使冲床可以自动加工生产。能实现整张板料上料，自动排料、自动进给，自动冲 压，提高生产效率，能高精度地加工各种复杂图形，同时还实现了人工离机操作，确保 了劳动安全。进给精度可以达到0 1 5 m m ；显示精度为o o l m m ；最大加工进给速度5 m m s ； 滚轴丝杠的导程是4 0 ；送料架规格有l m x l m ，0 7 1 2 m x o 5 1 2 m ；加工板厚 s m m ；人机 交互界面应该操作简单、直观方便；可以动态显示加工过程；提供开放式的数据通讯接 口，以便实现整个加工车间的集散控制。本设计采用的是天津科尔摩根的电机，功率 2 0 k w ，最大转速为2 5 0 0 r m ，控制位置精度为l m i l 。 本论文要完成总体设计方案的论证及选择，主控电路的设计，触摸屏界面软件的设 计，对交流伺服电机的模型进行辨识和并设计控制算法进行控制，并进行半实物系统仿 真。论文的章节主要安排如下： ( 1 )