（机械制造及其自动化专业论文）基于siemens运动控制系统的冷拉伸滚压设备研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 本文的主要任务是设计冷拉伸滚压设备的自动控制系统。通过对加工工艺及精度要 求的分析，得出设备对控制系统的具体要求，设计出高效率、高精度的集成控制系统。集 成控制系统由s i e m e n s 运动控制系统和电液伺服系统两部分组成。运动控制系统实现设 备冷滚压功能的控制及实验数据采集，电液伺服系统实现设备冷拉伸功能的控制和实验数 据的采集。 首先，通过对液压控制系统、p l c 控制系统的控制理论和特性进行研究，对这些控 制系统在冷拉伸滚压设备中应用时可能产生的问题进行分析，特别介绍了运动控制系统的 知识领域和硬件构成，通过三闭环控制系统传递函数的理论推导，验证运动控制系统的特 性满足冷拉伸滚压设备自动控制系统要求。最终选择s i e m e n s 运动控制系统和电液伺服 系统组成集成控制系统，共同完成对冷拉伸滚压设备的自动控制及实验数据采集。 其次，介绍s i e m e n s 运动控制系统硬件s 酣a m i c ss 1 2 0 和软件s i m o t i o n s c o u t 的特点。着重设计冷拉伸滚压设备控制系统，使多参数在逻辑和时间上匹配。接 着进行系统的可靠性设计，通过接地、屏蔽、电源抗干扰等措施提高整个系统的稳定性和 可靠性。 最后，对系统的精度做研究与讨论，系统的精度是最终目标。通过现场对集成系统 进行调试，系统的运行结果基本满足预期要求，验证了设计的合理性。通过对系统调试所 出现问题的分析，总结经验教 j i l ，提出对以后更高要求冷拉伸滚压设备的建议。 关键词：运动控制s i e m e n s 运动控制系统多参数匹配系统可靠性 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r i m a r yt a s ki nt h i sp a p e ri st od e s i g na l la u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo ft h ee q u i p m e n t w h o s ei st ot e n s i o n - a s s i s t e dc o l dr o l l i n g a f t e ra n a l y z i n gt h em a c h i n i n gt e c h n i c sa n dp r e c i s i o no f t h e ，g o tt h er e q u e s to ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dd e s i g n e da ni n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mw h i rh i l g h e f f i c i e n c ya n dh i g hp r e c i s i o n t h i si n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e st w os y s t e m s ：t h em o t i o n c o n t r o ls y s t e mt a k e sc h a r g eo ft h ep r i m a r yf u n c t i o no fc o l dr o l l i n g ，a n dt h ee l e c t r i c - h y d r a u l i c p r e s s u r es e os y s t e mt a k e sc h a r g eo ft h ea s s i s t a n tf u n c t i o no fc o l dt e n s i o n i n ga n dc o l l e c t i o no f t h ee x p e r i m e n td a t a f i r s t l y , s t u d yo nt h ec o n t r o lt h e o r ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef l u i dd r i v es y s t e ma n dp l c c o n t r o ls y s t e m ，a n a l y s i so nt h ep r o b l e m sw h e nt h ee q u i p m e n to ft e n s i o n - a s s i s t e dc o l dr o l l i n g a p p l i e dt h e s ec o n t r o ls y s t e m s ，e s p e c i a l l y ，i n v e s t i g a t i n gt h et h c o r e t i c so ft h et h r e ec l o s e dl o o p s c o n t r o ls y s t e m st r a n s f e rf u n c t i o n , t ov a l i d a t et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw h o s ef u n c t i o ni st e n s i o n a s s i s t e dc o l d r o l l i n g f i n a l l y , c h o o s et h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hi n c l u d e ss i e m e n sm o t i o nc o n t r o l s y s t e ma n de l e c t r i c - h y d r a u l i cp r e s s u r e $ e r v os y s t e m ，t oa c c o m p l i s ht h ee q u i p m e n to f t e n s i o n - a s s i s t e dc o l dr o l l i n gt o g e t h e r s e c o n d l y , i n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es i n a m i c ss 1 2 0 ，i ti st h eh a r d w a r eo ft h e s i e m e n sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m i n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es i m o t i o ns c o u t ，i ti s t h es o f t w a r eo ft h es i e m e n sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m d e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e t e n s i o n - a s s i s t e dc o l dr o l l i n g , m a k em u l t i - p a r a m e t e rm a r c ho nl o g i ca n dt i m e i tu s et h em e n s u r e i n c l u d ee a r t h i n g ，s h i e l d ，p o w e rs u p p l ya n t i - j a m m i n ga n ds oo r ，t oi m p r o v et h es y s t e m d e p e n d a b i l i t y a n dt h e s em a k et h es t a b i l i t ya n dt h ed e l x n d a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e ms t e p p i n g u p f i n a l l y , s t u d y i n ga n dd i s c u s s i n gt h ep r e c i s i o no ft h es y s t e m t h es y s t e mp r e c i s i o ni st h e f i n a lt a r g e t a f t e rt h ed e b u g g i n g ，t h es y s t e m i cr u n n i n gr e s u l ti ss a t i s f i e dt h ee x p e c tr e q u i r e m e n t b a s i c a l l y , v a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n a f t e ra n a l y z i n gt h es y s t e mp r o b l e m ，t o s u m m a r i z et h ee x p e r i e n c e ，b r i n gf o r w a r dt h e a d v i c et oi m p r o v et e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n g k e yw o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ；s i e m e n sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ；m u l t i - p a r a m e t e rm a r c h ； s y s t e md e p e n d a b i l i t y i i 贵州大学硕上学位论文 附录2 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：丕趱 日 期： 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4 - i - 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) 豇撇：嫩神挠率 贵州大学硕士学位论文 1 1 课题背景及来源 第一章绪论 冷拉伸滚压设备主要用于加工高强度柔性螺栓。高强度柔性螺栓在多数通用机械中作 为主要传动零件，已广泛应用于机械、航空、航海等工业之中。其材质、表面质量及综合 机械性能均要求很高，螺栓的强度对整台机器寿命影响很大，其质量的优劣，直接影响着 机器的工作性能和使用寿命。由于对螺栓性能的特殊要求，其杆部需制成如图1 1 所示的 “细腰”状。 图l l 高强度柔性螺栓示意图 目前，对于“细腰”杆部的加工广泛采用传统的切削方式，存在着材料利用率低、能 耗大、生产率低、成本高和工人劳动强度大等缺点，而且，切削加工还会破坏零件表面组 织，形成表面微裂纹，导致材料疲劳强度降低，达不到航空航天、高级轿车等行业高品质 零件的要求。 而冷拉伸滚压成形理论正是针对以上的问题提出新型的零件加工方法。其原理是在对 螺栓“细腰”杆部径向滚压的基础上，辅之以轴向拉伸，以“拉伸滚压”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。冷拉伸滚压过程示意图如图1 2 所示。 由于是在常温条件下的拉伸、滚压复合加载成形方式，所以我们将这项创新技术称之为“冷 拉伸滚压”成形技术。 图1 2 冷拉伸滚压过程示意图 1 - 贵州大学硕士学位论文 “冷拉伸滚压”成形技术是课题组创新的技术，通过科学技术部西南信息中心查新 中心进行的检索，目前国内外未见与本课题相同的研究。 课题组已针对“冷拉伸滚压”成形技术开展了一系列相关研究，通过计算机数值模拟 试验，证实了技术的可行性，研制了专用试验设备，进行了工艺和材料试验。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”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“细腰”杆部的成形，而且还 可应用于外形相似的圆柱台阶轴、杆状零件的塑性成形，可望成为一种应用广泛的通用性 塑性加工成形方法。 “冷拉伸滚压”成形技术属于国家重点支持发展的近净成形技术领域，该技术的研究 不仅可丰富近净成形方法，而且具有良好的应用价值。目前，相关课题冷拉伸滚压精密 成型技术基础研究已列入国家自然科学基金项目，冷拉伸滚压精密成形技术及装备已 列入贵州省重大科技专项项目。四名研究生加入科研小组，在课题主持人王自勤教授和田 丰果教授的指导下，进行冷拉伸滚压设备的机械结构和控制系统的设计。本文主要研究冷 拉伸滚压设备的自动控制系统。 1 2 冷拉伸滚压技术要求 因为加工工件的直径在l o 一- - 1 4 m m 范围内，滚压进给1 一- , 2 m m ，所以加工精度要求在 0 o l m m 以下。在加工的过程中要求有工进速度、加工速度以及回退速度，所以需要速度 和加速度的高动态响应。因为加工的是高硬度材料，且在常温下进行拉伸和滚压，所以在 加工时径向滚压需要输出最大lo t 力，轴向拉伸需要输出最大1 5 t 力。根据工艺要求，滚 压力和拉伸力都需要在加工过程中在最小力和最大力之间变化，而且可已根据t 艺参数设 定。由于力和位移是相互关联的，所以必须进行力和位移的复合控制。由于首台冷拉伸滚 压机是实验设备，它的主要任务是实现功能，验证理论，优化工艺参数，所以加装传感器 以更好实现控制和收集实验数据。 冷拉伸滚压的加工过程包括工件轴向的冷拉伸动作、径向的冷挤压动作和绕轴向旋转 的滚动动作。其中轴向的冷拉伸动作包括加载到设定拉力f l ，卸载到设定拉力f 2 ，卸载 的时间，圆整段保持的时间以及卸载到拉力为零的速率。径向的冷挤压动作包括工进段的 2 贵州大学硕士学位论文 速度和定位控制，挤压段的速度和定位控制，圆整段时间，回退段的速度和定位控制。绕 轴向旋转的滚动动作包括匀速、变速的速度控制和相位控制。 1 3 课题意义、研究内容和研究成果 1 3 1 课题意义 本课题的意义在于对s i e m e n s 运动控制系统进行应用研究，将这种集控制与管理于 一体的高性能运动控制系统用于冷拉伸滚压设备，以增强设备的自动化程度和可靠性。在 这个基础之上，研究整个加工过程中多参数、多向力、多位移和多加载方式的集成控制系 统，以满足各参数在逻辑和时间上匹配，最终实现冷拉伸滚压近净成形技术。 1 3 2 研究内容 本文基于一个完整系统的设计工作，研究的重点在于冷拉伸滚压设备运动控制系统的 设计及其与电液伺服系统的集成。主要研究内容如下： 1 、通过对液压控制系统、p l c 控制系统的控制理论和特性进行研究，对这些控制系 统在冷拉伸滚压设备中应用时可能产生的问题进行分析，尤其介绍了运动控制系统的知识 领域和硬件构成，通过三闭环控制系统传递函数的理论推导，验证运动控制系统的特性满 足冷拉伸滚压设备自动控制系统要求。最终选择s i e m e n s 运动控制系统和电液伺服系统 组成集成控制系统，共同完成对冷拉伸滚压设备的自动控制及实验数据采集。 2 、简要介绍s i e m e n s 运动控制系统硬件s i n a m i c ss 1 2 0 和软件s i m o t i o n s c o u t 的特点。着重设计冷拉伸滚压设备控制系统，使多参数在逻辑和时间上匹配。接 着进行系统的可靠性设计，通过接地、屏蔽、电源抗干扰等措施提高整个系统的稳定性和 可靠性。 3 、对系统的精度做研究与讨论，系统的精度是最终目标。通过现场对集成系统进行 调试，系统的运行结果基本满足预期要求，验证了设计的合理性。通过对系统调试所出现 问题的分析，总结经验教训，提出对以后更高要求冷拉伸滚压设备的建议。 3 蛊州大学t 学位论i 1 3 3 研究成果 冷拉伸滚压设备如图1 - 3 所示，电气控制柜如图1 4 所示。 圉1 3 冷忡镕k & 蔷宴物目 幽i - 4 电气控制柜实物圈 女卅大学学位论文 第二章控制方案理论分析与研究 控制方案的选择需要充分了解设备的结构和设备对控制系统提山的要求。 设备的结构如图2 - i 所示。 r ； 一 二、- 圉2 1 降拉伸馥设备理想囤 冷拉仲滚压设备要求的指标： 加上i ：件的直径在l o 4 m m ：滚压度2 s r 啪t 加工什的位移在材料直径变形率的4 0 以内( 变形率超过4 0 达到极限) ： 加j 精度要求在00 1 r a m 以f ； 在加t 的过程中需要速度和加速度的高动态响应。 径向壤压输出最大1 0 i 力：轴向拉伸输出是人1 5 t 力。力在最人和展小问可变且可谓； 收集整个试验加t 过程中的力、位移实验数据。 控制方案的选择从一开始的全液压控制系统设计，到p l c 控制开环系统，再到p l c 控 制半闭环、全闭环系统儿经修改与完善，最终确定由运动控制器与电液伺服麸同控制的 集成控制系统。f 面，详细的分析与研究这儿种控制系统的优缺点，采用优势互补的方法， 最终使i 殳计方案满足冷拉忡滚压设备的要求。 贵州大学硕士学位论文 2 1 液压控制系统 液压传动技术具有功率质量比大、响应速度快、能够自润滑以及易于与数字化信息网 络相连接等特点，被广泛应用于工业生产、航空航天以及日常生活等领域，成为当代最重 要的工程技术之一。随着电子、网络、信息技术的发展以及人们对液压技术性能要求的提 高，液压传动技术在集成化、数字化、环保性等方面得到了迅速发展【5 1 0 2 1 1 液压系统发展现状 随着电气和电子技术的不断发展，机械及电力传动技术的优越性在某些应用场合已经 超过了液压技术，因此液压技术只有不断吸取电气和电子技术的新理论和新方法，与机械、 电气、电子、计算机及网络等技术紧密结合，形成机电液一体化技术，才能不断克服液压 技术本身的缺点，进一步发挥液压技术的优越性，从而在与机电技术的竞争中保持更大的 优势【1 7 1 。 机电液一体化技术具有很高的自动化程度，能够实现高精度、高效率的动作要求，因 此具有更好的工作性能。近年来，机电技术与液压技术的结合主要体现在机电一体化的液 压元件、采用各种传感及信息技术实现的液压系统故障监测及诊断技术、节能技术以及遥 控技术等方面i t 。 传统液压元件多采用手动、液动、机械以及电磁铁控制等简单操纵方法。近年来，随 着电气和电子控制技术的发展，液压元件的电气和电子控制部分不但能够实现更为复杂和 高效的比例或伺服控制，而且控制器和传感器等元件还能够与液压元件结合成一体，作为 一个完整的液压元件出售。例如集成了各种控制阀和电子控制装置的变量液压泵，集成了 各种传感器和控制电路的液压阀等。机电一体化的液压元件不但工作性能得到了明显提高， 而且还具备了小型化和集成化的特点，从而使液压元件的使用更加简单可靠嘲。 2 1 2 电液控制系统基本组成 电气液压控制系统简称电液控制系统，它由电气及液压两部分组成，系统中偏差信号 的检测、校正和初始放人都是采用电气、电子元件来实现的；系统的心脏是电液控制阀， 按系统所用电液控制阀不同，电液控制系统可分为电液伺服系统、电液比例系统和电液数 字系统。电液控制系统的优点是信号的测量、校正和放大都较为方便，容易实现远距离操 作，容易与响应速度快、抗负载刚性大的液压动力元件实现整合，组成以电子、电气为神 经，以液压为筋肉的电液控制系统，具有很大的灵活性与广泛的适应性。由于机电一体化 6 贵州大学硕士学位论文 技术的发展和计算机技术的普及，电液控制系统已在工程上普遍得到应用，成为液压控制 中的主流系统。随着机械装备工作性能要求的提高，有些普遍的液压传动系统将逐步改为 电液控制系统【1 2 】。 2 1 3 电液伺服阀的基本特性 电液伺服阀是电液伺服系统的核心控制元件，所以它的特性直接影响整个系统的性能。 下面针对电液伺服阀的基本特性进行分析与研究【埔1 。 l 、输入电流输出流量特性 空载时输出流量和输入信号电流之间的关系，常用空载流量特性曲线来表示( 图2 - 2 ) 。 由这一曲线可得到该阀的额定值、线性度、滞环、流量增益等特性。 曩 麓愁吃缀 坦缴糕 甄 一 嘞 图2 - 2 空载流量特性曲线 a 额定电流i r ：在这一电流范围内，阀的输出流量与输入信号电流成正比。 b 额定空载流量：在额定压力与额定电流下阀的空载流量。 c 线性度：q - l 曲线直线性的度量。 d 滞环：主要用来表明信号电流改变方向时，由摩擦力、滞环等原因使i _ q 曲线不重 合的程度。常以曲线上同一流量下电流最大差值i 。与阀的额定电流i r 之比来表示。 e 流量增益：q l 与i 之比值，即q - i 曲线的平均斜率。 2 、压力增益特性 当负载流量保持为零时，在零位( 中间平衡位置) 附近的压力增益称为零位压力增益。 零位压力增益与主滑阀的开口形式有关，以零开口形式最高。但这一特性主要与阀的制造 质量有关。提高零位压力增益，对于减小不灵敏区、提高精度有作用，但对稳定性起相反 7 贵州大学硕士学位论文 作用。 3 、负载压力、流量特性 这一特性往往是选用伺服阀的主要依据。 4 、对数频率特性 它表示电液伺服阀的动态特性。阀的频宽值越大则该阀的工作频率范围越大。对数频 率特性也是分析伺服系统动特性以及设计、综合电液伺服系统的依据。 5 、零漂和零偏 伺服阀由于供油压力的变化和工作油温度的变化而引起的零位变化称为零漂。零漂一 般用使其复位所需加的电流值与额定电流值之比来衡量。这一比值越小越好。另外，由于 制造、调整、装配的差别，控制线圈中不加电流时，滑阀不一定位于中位，有时必须加一 定的电流才能使其恢复中位( 零位) ，这一现象称为零偏。零偏以使阀恢复零位所需加之电 流值与额定电流值之比来衡量1 3 6 1 。 6 、不灵敏度 由于不灵敏区的存在，伺服阀只有在输入信号电流达一定值时才会改变状态。使伺服 阀发生状态变化的最小电流与额定电流之比称为不灵敏度。其值越小越好 6 1 。 2 1 4 液压传动的优缺点及应用 传统设计方案中大力矩输出首先考虑液压传动系统，在滚压设备中( 如滚齿机、滚花 键机床) 广泛应用液压伺服系统。所以在控制系统设计之初研究过使用电液伺服系统来实 现滚压和拉伸的功能。现将液压传动系统的性能进行讨论。 2 1 4 1 主要优点 与其他传动方式相比，液压传动具有下列优点。 1 、液压传动在运行中，能方便地实现无级调速，且调速范围比较大，可达1 0 0 ：1 2 0 0 0 ：1 。 2 、在同等功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑( 如液 压马达的重量只有同功率电机重量的1 0 一2 0 ) ，而且能传递较人的力或转矩。 3 、液压传动工作比较平稳，反应快，冲击小，能高速启动、制动和换向。液压传动装 置的换向频率对于回转运动每分可达5 0 0 次，往复直线运动可达4 0 0 , - - 1 0 0 0 次： 4 、液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，易于实现自动化，与 电气控制配合使用能实现复杂的顺序动作和远程控制。 5 、液压传动装置易于实现过载保护，系统超负载，油液会经溢流阀网油箱。由于采用 8 贵州大学硕士学位论文 油液作工作介质，液压元件能自行润滑，因而使用寿命长。 6 、液压传动元件和装置易于实现系列化、标准化、通用化，易于设计、制造和推广使 用。 7 、液压传动易于实现同转、直线运动，且元件排列布置灵活。 8 、液压传动中，由于功率损失所产生的热量可由流动着的油液带走，因此可避免在系 统某些局部位置产生过度温升。 2 1 4 2 主要缺点 l 、液体为工作介质，易泄露；油液可压缩，故不能用于传动比要求精度较高的场合。 2 、传动效率偏低。传动过程中，需经两次转换，常有较多的能量损失。 3 、液压传动对油温和负载变化敏感，不宜于在低、高温度下使用；对污染很敏感。 4 、油液的体积弹性模量随油温和混入油中的空气含量而变化。油液的粘度也随油温变 化而变化，因此油温变化对系统的性能有很大的影响【1 0 1 。 5 、由于液压系统中的很多环节具有非线性特性，因此系统的分析和设计较电气系统复 杂，以液压方式进行信号的传输、检测和处理不及电气方式便利1 6 1 。 2 1 5 结论 传统设计方案中大力矩输出首要考虑液压传动系统。研究液压传动系统时，优点与缺 点同样重要，将它的优点与冷拉伸滚压设备的控制系统要求相比对，发现它只能满足部分 功能。现在的液压伺服系统也满足精确定位及频繁调速要求，但其响应速度和精度略低于 伺服电机，且时钟同步性也略低于运动控制系统。因为本套设备在加工实验时要求同时到 达，同时加工且输出力矩相等，所以时钟同步性要求很高。另外从经济角度考虑，液压设 备成本较高。 以上是理论总结的优缺点，在实际上作中还会遇到一些随机的干扰因素。 在电液伺服系统的控制过程中，可以在一定的范围内修改p i d 参数，使得系统无论在 大负载还是小负载的情况下均能满足设备的精度要求。此时，出现一对矛盾。在大负载工 作时，将p i d 参数调低，在满足精度的情况下运行平稳，但当系统卸载时出现定位不准， 甚至冲出极限位置报警。如果将p i d 参数调高，满足卸载后的定位精度，则在大负载工作 时油路产生大幅震荡，运行不平稳，精度无法保证。 由于电液伺服系统的控制程序复杂、程序量大，人为编写容易出现混乱与纰漏，即使 是小错误也会造成运行不稳定，操作不方便，使整个系统的可靠性降低。 9 贵州大学硕士学位论文 2 2p l c 控制系统 在选择控制方案的过程中，设计过p l c 控制系统，方案有两种：开环控制和闭环控制。 2 2 1p l c 控制开环系统 开环控制是最简单的一种控制方式，按照控制信息传递的路径，它所具有的特点是， 控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反向通路。 p l c 控制开环系统实为p l c 控制步进电机的控制系统。 步进电动机又称为脉冲电动机，是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位 移的电磁机械装置，是数字控制系统中的一种控制元件。该元件具有转矩大、惯性小、响应 频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用。 步进电动机输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，是一种输出 与输入脉冲对应的增量驱动元件。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环 境条件的波动而变化。因而可适用于开环系统中做执行元件，使控制系统大为简化。步进电 动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要 变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制1 9 1 。 2 2 1 1 系统硬件构成 p l c 模块选用s i e m e n s3 1 4 c 2 d p ，步进电机定位模块选用s 正m e n sf m 3 5 3 ，步进电 机及其驱动器选用常州三科机电技术研究所常州市常锋电机有限公司产品，步进电机： 1 3 0 b y g 3 5 0 a ，步进电机驱动器：c f - b q m 3 0 8 b 。 p l c 模块：3 1 4 c - 2 d p ，集成了2 4 个数字量输入端口，1 6 个数字量输出端口，5 个模 拟量输入端口，2 个模拟量输出端口和2 个p r o f i b u sd p 总线通讯口 步进电机定位模块：f m 3 5 3 是单通道步进电机定位模块，通过步进电机，实现各种定 位任务：进给轴、调整轴、设定轴和传送带式轴( 直线和旋转轴) 。使用于简单的点到点定 位，或者响应、精度和速度有极高要求的复杂运动模式。具有脉冲宽度调制功能( p w m ) 4 卯。 步进电机驱动器：c f b q m 3 0 8 b 三相混合式步进电机驱动器把交流伺服电机驱动器原 理应用到步进电机驱动器中，输入的2 2 0 v a c 经整流后产生3 2 5 v d c ，再经调制器调制为 3 2 5 v 阶梯式正弦电流波形，每个阶梯对应电机转动一步，通过改变驱动器输出电流的频率 来改变电机转速，而输出的阶梯数确定了电机转过的角度。 b q m 3 0 8 b 混合式步进电机驱动器，具有以下特点： 1 0 贵州大学硕士学位论文 1 具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。 2 具有细分、半流和掉电相位记忆功能。 3 具有多种细分选择，可控制电机在任意细分状态下精确定位，最小步距角可设为 0 0 3 6 0 ( 1 0 0 0 0 步转) 。适用面广，通过设置相电流可配置各种电机。 步进电机：1 3 0 b y g 3 5 0 a ，三相感应子式永磁步进电动机。步距角：0 6 1 2 。电压： 8 0 - 3 2 5 v 。电流：6 a 。电阻：0 7 5 f 2 。电感：3 0 m h 。保持转矩：3 5 n m 。定位转矩：0 8 n m 。 转动惯量：3 5 k g c m 2 。重量：1 3 k g 。 2 212 系统存在的主要缺点 采用p l c 控制步进电机的开环系统，系统构成简单，控制方便，维修简便，研发和维 护成本低廉。但是由于步进电机的动态性能和开环控制系统无反馈特点的限制使得该系统 在精确定位及频繁调速方面可以勉强实现功能，但其输出转矩随速度的提高而降低，无法 满足加工工件时对力矩的要求p 3 1 。 1 、执行元件的缺陷 步进电机容易出现的问题： 在负载情况下，启动和停止过程中容易发生失步和过冲现象。控制系统无法检测，造 成误差累计，使系统精度下降。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的 脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，在有负载的情况下，可能发生丢 步或堵转。 步进电机低速转动时振动和噪声大是其同有的缺点，要通过改变减速比等机械传动避 开共振区【1 9 】。 实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效 的方法。步进电机细分运行时，细分的均匀性是首先要考虑的。目前报道的步进电机细分 驱动器，多采用量化的梯形波、正弦波作为细分驱动的驱动电流波形，但事实上这些电流 波形在一般的步进电机上均不能得到满意的细分精度。 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将 形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越人。在它的作用下，电机随频率( 或速度) 的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 贵州大学硕士学位论文 2 、控制原理的缺陷 图2 - 3 开环控制系统方框图 由图2 3 可明显的看出控制信号的传递过程是由输入端沿箭头方向逐级传向输出端。 控制作用直接由系统的输入量产生。给定一个输入量，就有一个输出量与之相应。控制精 度完全取决于信息传递过程中所用元件性能的优劣及校准的精度。 从开环控制的控制原理来看，其简单性就在于输出直接受输入的控制。至于控制的精 度，是不能由输入值来保证的。就以上系统来说，假如输入值不变，原则上希望输出值保 持相应的恒定值，其他的干扰因素不要影响输出的状态。但实际情况往往不是这样，当系 统受到外界扰动时，例如电动机的负载增大，即使控制器的控制指令不变，输出转速仍要 随之下降。这说明开环控制虽然简单但准确性较差，即抗干扰性差【3 1 。为了克服开环控制 的缺点，提高控制精度，在一些扰动可以预计的场合，可根据测得扰动量的大小，对系统 产生一种补偿和修正，从而减小或抵消扰动对输出量的影响。但是，控制系统存在着各种 干扰信号，会直接或间接影响系统的控制精度。对于这些干扰信号，有些是可以预先估计 的。有些则是无法预知的随机信号。对于能够预测的部分，虽然我们可以采用补偿的方式 来实行控制，但由于干扰的种类繁多，测量的困难，实现起来也不可能面面俱到。由于 这些缺点，p l c 控制步进电机的控制系统不能满足系统要求。 2 2 2p l c 控制闭环系统 p l c 控制闭环系统实为p l c 控制伺服电机的控制系统。 在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用，若能取自被控量的反馈信息， 即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反 馈控制原理。正是由于引进了反馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈原理 建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。 2 2 2 1 闭环控制系统的优缺点 闭环控制系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数 1 2 贵州大学硕士学位论文 变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件 构成精密的控制系统。在开环情况下就不可能做到这一点。 从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，因为对开环系统来说，不存在稳 定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起 过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。 应当强调指出，当系统的输入量能预先知道，并且不存在其他任何扰动时，采用开环 控制比较合适。只有当存在着无法预计的扰动和系统中元件的参数存在着无法预计的变化 时，闭环控制系统才具有优越性。另外，闭环控制系统中采用的元件数量比相应的开环控 制系统多，因此闭环控制系统的成本和功率通常比较高【。 2 2 2 2 步进系统与伺服系统的性能比较 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。现在将二者的性能进行对比讨论。 l 、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3 6 0 、1 8 。，五相混合式步进电机步距角为0 7 2o 、 0 3 6 0 。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的 步进电机，其步距角为0 0 9 。；德国百格拉公司( b e r g e rl a h r ) 生产的三相混合式步进 电机其步距角可通过拨码开关设置为1 8 0 、0 9 0 、0 7 2 。、0 3 6 。、0 1 8 0 、0 0 9 0 、0 0 7 2 0 、0 0 3 6 0 ， 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。以三菱全数字式交流伺服 电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其 脉冲当量为3 6 0 0 1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 0 对于带1 7 位编码器的电机而言，驱动器每接收2 1 7 = 1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为3 6 0 。1 3 1 0 7 2 = 9 8 9 秒。是步距角为1 8 0 的步进电机的 脉冲当量的l 6 5 5 。 2 、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一 般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振 动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采崩阻尼技术来 克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有 1 3 贵州大学硕士学位论文 共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( f f t ) ，可检测 出机械的共振点，便于系统调整： 3 、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工 作转速一般在3 0 0 6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速( 一般为 2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。矩频 特性如图2 _ 4 所示。 图2 - 4 步进电机与伺服电机矩频特性的比较 4 、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以三菱交流伺服 系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服 惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这 种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转 矩，便出现了力矩浪费的现象。 5 、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停 止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流 伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置 1 4 贵州大学硕士学位论文 环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6 、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要2 0 0 - 一4 0 0 毫秒。交流伺 服系统的加速性能较好，以s i e m e n s1 f k 71 0 0 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定 转速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合 也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、 成本等多方面的因素，选用适当的控制电机i l l 】。 结论：针对系统要求“系统要求0 0 1 m m 以下精确定位，要求速度和加速度的高动态 响应，要求径向滚压需要输出最大1 0 t 力，轴向拉伸需要输出最大1 5 t 力”，交流伺服系统 的性能优于步进系统。选择p l c 控制伺服电机的控制系统取代p l c 控制步进电机的控制 系统。 2 2 2 3 伺服驱动技术简介 伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分。伺服系统的静态和动态特性直接影响设备 的位移速度，定位精度和加工精度。现在直流伺服系统被全数字式交流伺服系统取代，伺 服电机的位置，速度及电流环实现数字化，并采用新控制理论，实现了不受机械负载变动 影响的高速响应系统。 其主要新发展的技术有： l 、前馈控制技术，前期的伺服系统是将检测器信号和位置指令的差值与位置环增益相 乘，所得结果作为速度指令。这种控制方式总是存在跟踪滞后误差。所谓前馈控制，就是 在原有控制系统上加入速度指令的控制方式，这使得伺服系统的跟踪滞后误差大火减小。 2 、伺服系统的位置环和速度环( 包括电流环) 均采用软件控制，如数字解调和欠量控 制等。为适应不同精度和不同速度要求，预先调整加、减速性能。 3 、采用高分辨率位置检测装置。如高分辨率脉冲编码器，伺服系统内有微处理器组成 的细分电路，使得分辨率大大提高，增量位置检测为1 0 0 0 0 p r ( 脉冲数转) 以上；绝对位 置检测为1 0 0 0 0 0 0p r 以上伫6 1 。 2 2 2 4 闭环系统中的两种方案比较 在p l c 控制闭环系统中有两种方案供选择，一种是半闭环控制系统，一种是全闭环控制 系统。 在机床设备中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线形因素少，容 1 5 贵州人学硕士学位论文 易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分与执行机械相对 独立，系统通用性强【1 5 1 ，它的结构框图如图2 5 。 图2 - 5 半闭环控制系统方框图 但是，结合实际情况，本套设备是实验性质的设备，系统有很多未知的随机扰动信号， 传动系统的精度还需要检验和提高，所以需要在加工机构的最前端加装位移传感器进行反 馈，形成全闭环控制系统。它的结构框图如图2 - 6 。 图2 - 6 全闭环控制系统方框图 系统硬件构成： p l c 模块选用s i e m e n s3 1 4 ( 2 - 2 d p ，伺服电机定位模块选用s i e m e n sf m 3 5 7 ，伺服电 机及其驱动器选用三菱公司产品，伺服电机：h f s p l 2 1 ，伺服电机驱动器：m r - j 3 2 0 0 a 。 位移传感器选用欧姆龙电感式位移传感器。 p l c 模块：3 1 4 c 2 d p ，集成了2 4 个数字量输入端口，1 6 个数字量输出端口，5 个模 拟量输入端口，2 个模拟量输出端口和2 个p r o f i b u sd p 总线通讯口【1 3 1 。 伺服电机定位模块：s i e m e n sf m 3 5 7 非常适宜于最多4 个插补轴的协同定位，既能用于 伺服电机也能用于步进电机。所有定位模块的一个附加优点是，它们可以不受控制程序的干 扰对各轴进行定位控制，其结果是，有可能进行自主测试，全面降低复杂性，从而在启动过 程中提高了效率。 伺服电机驱动器：三菱通用伺服m e l s e r v o j 3 系列是在m e l s e r v o - j 2 s u v e r , 系歹j 基础 上开发的性能更高、功能更丰富的交流伺服。控制模式有位置控制、速度控制和转矩控制三 种。还可以选择位置速度切换控制，速度转矩切换控制和转矩，位置切换控制。所以本伺服 1 6 贵州大学硕士学位论文 不但可以用于机床和普通工业机械的高精度定位和平滑的速度控制，还可以用于线控制和张 力控制等，应用范围十分广泛。此外，本产品有u s b 和r s - 4 2 2 串行通信功能，可以使用装有 伺服设置软件的个人