（通信与信息系统专业论文）全自动码坯机位置控制系统的设计及应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会和科技的进步，各高新技术企业也在逐步改善员工工作环境、提 高企业的科技含量【1 1 。人们对自己周围的工作环境或者所从事的工作也有着更高 的要求，正在逐步的由较繁重的体力劳动向较轻的体力劳动或者脑力劳动转变， 企业的人力成本也由此在逐步上升。这对传统的制砖企业采用手工码坯用人多 并且劳动强度大、生产效率低、砖坯码放质量不一致是一个严峻的挑战。现在 制砖企业正逐步使用自动化设备去取代劳动力工作。过去的制砖企业通过采用 手工将已生产成型的砖坯搬运和码放到窑车上，因砖坯生产线单位时间内砖产 量高并且刚生产出来的砖坯湿且重，需要搬运和码放好，使得工人的劳动强度 大、砖坯码放质量不一致、企业的人力成本高【2 j 。为了解决人力成本的提高和劳 动力的短缺为制砖企业带来的一系列问题，我们设计了一种位置控制器，让它 去控制码坯机和分坯机，从而构成一种自动码砖的设备，全自动码坯机【3 1 。 全自动码坯机位置控制系统的设计都是基于码坯机和分坯机这两个控制部 件来进行设计的。其中关键的控制部件是三台控制行走的电机和码砖定位用的 传感器。在熟悉控制关键的控制部件和码砖工序之后，对控制系统进行了详细 的设计。详细设计分为硬件设计和软件设计。控制系统硬件部分由a r m + f p g a 构成的主控模块以及模拟量和数字量模块的构成，其中a r m 用于对整个系统进 行控制，f g p a 用于发出d d s 正交频率去控制伺服电机，模拟量模块用于输出 o 1 0 v 的模拟量给变频电机和电气比例阀，数字量模块输入部分采集传感器和按 键等输入开关量的信号，数字量模块输出部分输出信号给电磁阀等输出开关量。 软件部分主要由自动和手动控制程序，d d s 正交频率程序，a r m 与f p g a 间双 向高速数据通信程序构成。此外，还配有1 0 寸触摸屏用于对整个系统进行操作， 式样新颖，界面友好，在码坯运行遇到问题可以及时停止码坯运行，在线更改 参数，方便可靠。通过硬件、软件再结合触摸屏控制实现了全自动码坯机位置 控制系统的设计。全自动码坯机位置控制系统运行稳定，说明了整个设计的合 理性，减少了制砖企业采用手工码坯的成本，提高了企业的劳动生产率，解决 了人力成本的提高和劳动力的短缺给企业带来的问题【l 】。 关键词：全自动码坯机；位置控制；伺服电机；加减速模型；d d s 正交频率； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h es o c i e t ya n dt h e p r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e 1 1 i g h t e c he n t e r p r i s e sa l ea l s og r a d u a l l yi m p r o v es t a f fw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，i m p r o v e t h ec o n t e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i p e o p l ea l s oh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n t st ot h e i r s u r r o u n d i n gw o r ke n v i r o n m e n to rw o r k ，w h i c hg r a d u a l l ys h i f tb yt h em o r eo n e r o u s p h y s i c a ll a b o r t ol i g h t e rp h y s i c a lo rm e n t a lw o r k , t h em a n p o w e rc o s to ft h ee n t e r p r i s e a l s oi s r i s i n gs t a g eb ys t a g e t h i si sag r i mc h a l l e n g et ot h et r a d i t i o n a lb r i c k e n t e r p r i s e s ，t h e ya d o p tm a n u a lc o d eb i l l e tw i t hm a n yp e o p l ea n dg r e a tl a b o ri n t e n s i t y , l o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , 晡c ks t a c k i n gq u a l i t yi n c o n s i s t e n c y m o d e m 嘶c km a k i n g e n t e r p r i s e sg r a d u a l l yu s ea u t o m a t i o ne q u i p m e n tt or e p l a c et h el a b o rw o r k t h e t r a d i t i o n a lb r i c km a k i n ge n t e r p r i s e sw i l lh a v et oc a r r ya n ds t a c kt h em o l d e db r i c k f r o mt h eb l a n kc u r i n gm a c h i n et ot h ek i l nc a l b yu s i n gm a n p o w e r b e c a u s et h eb r i c k p r o d u c t i o nl i n e c a l lp r o d u c em o r eb r i c kp e ru n i tt i m e t h eb r i c ki s h u m i d i t ya n d h e a v y ，i tn e e dc a r r ya n ds t a c kw h i c hc a u s et h eh i i g hl a b o rl o a dt h ed i f f e r e n c eo ft h e b r i c ks t a c k i n gq u a l i t ya n dh i g hl a b o rc o s t 2 1 i no r d e rt os o l v et h er i s eo ft h em a n p o w e r c o s ta n dt h el a b o rs h o r t a g ew h i c hb r i n g sas e r i e so fp r o b l e m st ot h eb r i c k m a k i n g e n t e r p r i s e s ，w ed e s i g nap o s i t i o nc o n t r o l l e r , l e ti tc o n t r o lt h es e r i n gm a c h i n ea n dt h e b r i c ks e p e r a t i n gm a c h i n e ，t h e r e b yf o r m i n ga l la u t o m a t i cs t a c k i n gb r i c ke q u i p m e n t , a u t o m a t i cs e t t i n gm a c h i n e 3 1 t h ed e s i g no ft h ea u t o m a t i cs e t t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi sb a s e do nt h e s e x i n gm a c h i n ea n dt h eb r i c ks e p e r a t i n gm a c h i n e t h em a i n l ya c t u a t i n gm e c h a n i s mt i st h et h r e em o t o ra n dt h es e n s o r sw h i c hd e t e r m i np o s i t i o no ft h et h eb r i c ks t a c k i n g i nt h ef a m i l i a rw i t ht h em a i n l ya c t u a t i n gm e c h a n i s ma n dt h ep r o c e s so ft h eb r i c k s t a c k i n g ，w ec a r e f u l l yd e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e m t h ed e t a i l e dd e s i g nd i v i d e di n t ot h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e 1 1 他c o n t r o l s y s t e m h a r d w a r e p a r t i s c o m p o s e db y a i 之m + f p g aa n da n a l o ga n dd i g i t a lm o d u l e a r mi su s e df o rt h ec o n t r o lo ft h ee n t i r e s y s t e m ，t h ef g p ap r o d u c ead d so r t h o g o n a lf r e q u e n c yt oc o n t r o lt h es e r v om o t o r t h ea n a l o gm o d u l ei su s e df o ro u t p u t t i n go io va n a l o gf o rv a r i a b l ef r e q u e n c ym o t o r a n dt h ep r o p o r t i o n a i rv a l v e ，a n dt h ed i g i t a lm o d u l ei su s e df o rc o n n e c ts o m es e n s o r s a n dk e ys w i t c h s t h es o f t w a r ep a r ti sc o m p o s e db ya u t o m a t i ca n dm a n u a lc o n t r o l p r o g 姗a n de a c hs t a t es w i t c h i n gp r o c e d u r e i na d d i t i o n ，w ea l s oe q u i p p e dw i t h10 i n c ht o u c hs c r e e nf o rt h ee n t i r es y s t e mo p e r a t i o n ，t h es t y l ei s n o v e l ，t h ei n t e r f a c ei 8 f r i e n d l y , w h e nt h eb r i c ks t a c k i n gc o n t r o le n c o u n t e rp r o b l e m s ，w ec a ns t o p s e t t i n g o p e 舢o ni l lt i m e ，o n l i n e c h a n g ep a r a m e t e r s ，c o n v e n i e n ta n d r e l i a b l e t h o u g l l n 删啪坨，s o f l 、】v a r ec o m b i n e dw i t ht o u c hs c r e e nc o n t r o lt o d e s i g nt h ea u t o m a r l c s e m n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m t h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mr u n ss t a b l y , i n d i c a t e st h e r a t l o 删i t yo ft h ed e s i g n , r e d u c et h eu s eo fm a n p o w e rb r i c k s t a c k i n gp r o d u c t i o n c o s t i m p r o v e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo ft h ee n t e r p r i s e ，s o l v et h el a b o rc o s tr i s ea i l d t h el a b o rs h o r t a g ew h i c h b r i n g sp r o b l e m st ot h ee n t e r p r i s e i t l k e yw o r d s ：a u t o m a t i cs e t t i n gm a c h i n e ；p o s i t i o nc o n t r o l ；s e r v om o t o r , ：a c c e l e r a t i o n m o d e l ；d d s ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c y ； 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 人力成本的逐步提高和劳动力的短缺为自动化行业带来持续的需求，这一 外在的压力迫使各高新企业调整生产要素的投入比例，使用机器替代人工。一 方面，制造业通过引进自动化设备提高劳动生产效率来抵御成本的上升，另一 方面通过标准化和自动化工艺流程来提高产品的品质。 1 1 课题研究背景及意义 随着社会和科技的进步，我国国民经济也随之快速发展，各高新技术企业 也在逐步改善员工工作环境、提高企业的科技含量【lj 。人们的生活水平也随之提 高，他们对自己周围的工作环境或者所从事的工作也有着更高的要求1 2 j ，正在逐 步的由较繁重的体力劳动向较轻的体力劳动或者脑力劳动转变，企业的人力成 本也由此在逐步上升。这对传统的制砖企业采用手工码坯用人多并且劳动强度 大、生产效率低、砖坯码放质量不一致是一个严峻的挑战【引。 我们调查得知一个码砖工人每月最高工资可达5 0 0 0 元，少则也有2 0 0 0 多 元，并且窑厂的环境极其恶劣，工人们通常需要在5 0 6 0 摄氏度的高温下进行工 作，劳动强度大，影响身体健康。一般在窑厂工作的工人都是一些来自非常贫 困的地区，家庭条件差，没有受过良好的教育，没有文化，没有一技之长，他 们只能从事低回报的繁重的体力劳动。一些家庭条件比较好的人都受过高等教 育，他们通过自己所学完全可以谋求一份有前景适合自己的工作，而不会选择 在窑厂码砖这样一类的工作，所以一些企业即使花高价钱，也很难请到人1 4 。 随着社会的发展，人们的生活条件越来越好，特别是出生在9 0 后的这一代 孩子们，他们从出生开始生活环境相对前几代优越许多，他们大多数在良好的 生活环境下成长，接受着良好的教育，过着衣来张口，饭来伸手的生活，他们 已经习惯了父母的宠爱和娇惯，他们做的大都是脑力劳动，他们已不能也更不 会独立的去完成一些比较复杂的体力劳动，更别说像在窑厂这样一种恶劣的环 境下工作，他们根本吃不了这样的苦。即使是在较偏远的农村，他们也不愿意 从事报酬较低的繁重的体力劳动【2 j 。事实证明现在多数砖厂招工已经非常的困 难，即使招到厂后人员的流动性也比较大。劳动力短缺势必会导致用机械去代 武汉理工大学硕士学位论文 替人力。一些机械化自动化的设备随着社会的发展，也应运而生，逐渐解放着 人类的双手，或者代替人类去从事一些有危险的工作，让人类免于伤害。因此， 采用全自动码坯机替代手工码坯势在必行，是社会发展的必然趋势【5 1 。 1 2 相关领域的研究现状 随着国家的相关政策( 墙改政策和墙材革新发展1 2 1 ) 的出台，一些创新企业 通过引进国外先进的码坯机控制技术，或是自主研发，提出新的控制方法，自 主创新，使码坯机的应用得到很快发展，提高了砖厂的生产效率，其中有些公 司的技术已经成熟，为未来建设砖坯码放自动化生产线提供了关键的技术支撑。 从上个世纪8 0 年代开始，我们国家通过不断引进国外先进技术，制砖行业的技术 装备不断更新换代，以全自动码坯机的推出为代表，标志着我国的码砖行业的 自动化、智能化的开始。全自动码坯机采用自动码坯方式，在提高生产效率的 同时有效的降低了生产成本，为制砖企业带来了更大的利益。在未来的制砖行 业的发展中，码砖设备技术的提升是非常关键的，全自动码坯机会在砖坯的生 产中越来越重要的作用【6 】。 当今，国内大多数全自动码坯机主要采用p l c 进行控制1 9 j ，p l c 虽具有结 构简单、编程方便、性能优越等优点，但对于某些要求苛刻的场合，p l c 不能 满足要求的时候，很多用单片机或者嵌入系统实现，以达到技术要求。对于像 全自动码坯机这种有固定控制要求的场合，还是找到优秀的单片机开发工程师 单独设计比较划算，虽然初期投入成本高，时间长，但是分摊到单个的产品上 还是便宜很多。 1 3 论文的组织结构 全自动码坯机位置控制系统以控制部件码坯机和分坯机为基础，从全自动 码坯机的工作原理出发，明确了位置控制系统的需求，再根据需求来进行关键 技术的研究以及硬件和软件的设计，再通过系统测试，从而完成整个系统的设 计。 本论文中涉及到的研究内容如下： ( 1 ) 伺服电机定位控制的研究； ( 2 ) 变频电机定位控制的研究； 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 控制系统加减速模型的构建； ( 4 ) d d s 原理分析，以及利用f p g a 实现d d s 正交频率的输出； ( 5 ) a r m 与f p g a 间双向高速数据通信的研究和设计； ( 6 ) 熟悉e b 8 0 0 0 v 1 0 软件，从而进行人机界面的制作： ( 7 ) 在熟悉应用需求的前提下，利用a r m 和f p g a 实现对整个系统的控制。 在项目的研究开发过程中，通过对全自动码坯机位置控制系统进行需求分 析，选择并确定最终的可行性方案。 论文总共分为六章，分别如下： 第1 章，绪论。这一章主要介绍了自动化设备全自动码坯机的研究背景及 其意义，分析了其在当前的研究现状和我们要研究的目的。 第2 章，全自动码坯机的构成及工作原理。这一章主要介绍全自动码坯机 的整体构成、机械将结构以及工作原理，从而引出全自动码坯机位置控制系统 的重要性，最终确定位置控制系统的总体设计方案。 第3 章，全自动码坯机位置控制系统的硬件设计。这一章主要介绍位置控 制系统关键控制部件的控制策略，硬件i o 分配，以及主控制器的电路设计。 第4 章，全自动码坯机位置控制系统软件设计。这一章根据全自动码坯机 的工作原理，在第3 章搭建的硬件平台上，进行软件设计，主要包括人机界面 的设计、总体程序以及手动和自动控制程序设计、基于f p g a 的d d s 正交频率 和双向高速数据通信程序设计。 第5 章，全自动码坯机位置控制系统测试。这一章主要介绍整个系统基本 功能测试和码放每一层砖的精度测试。 第6 章，总结与展望。总结了全文所做的工作，并对系统后续的改进工作 进行了展望。 武汉理：1 ：人学硕士学位论文 第2 章全自动码坯机的构成及工作原理 通过绪论这章的介绍得知，采用人工码砖有诸多的不便之处，我们需要借 助自动化设备来代替人工码砖1 4 j ，从而解决随着社会发展，从9 0 后或者往后走 的一批年轻人已不会或者不愿意从事像码砖这样一类的艰辛的劳动导致的企业 用工难的问题，同时也节省了企业的人力和物力成本，提高企业生产效率。 由此可见，设计一种自动化设备去进行自动化码砖迫在眉睫。全自动码坯 机在这种形势下应运而生，与人工码砖相比，大大提高了生产效率、节省了人 力物力、避免了人员损伤，也解决了新生代不会从事这些辛苦的劳动而导致企 业用工难的尴尬处境。 2 1 全自动码坯机的整体构成 全自动码坯机由位置控制器、码坯机和分坯机组成，可细分为分坯机系统、 夹手系统、水平行走系统、升降行走系统、旋转系统、气路系统和控制系统【2 j 。 在位置控制器软硬件的支持下，通过气路系统自动夹坯，采用伺服电机和变频 电机做动力进行运坯，放坯。全自动码坯机通过更换夹具，夹手，可夹取空心 砖，标砖，道路砖等不同规格的产品。全自动码坯机的构成如图2 1 所示。 全自动码坯机 图2 1 全自动码坯机构成 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 全自动码坯机的机械结构 全自动码坯机的机械部分由码坯机和分坯机组成，如图2 2 所示。为了实现 全自动码坯机自动码转的功能，我们分别在码坯机和分坯上面安装了一些控制 部件。 井- 函矛i 圈 上援限位 升降上工作高度 上工作斋度减逮位 夹砖荨持位 夹肆毫度 碍蕨i 一屡高度燕遣位 碍放第一晨高度 下囊展位 图2 2 全自动码坯机机械结构示意图 在整个机械结构中，最为关键的是这些与全自动码坯机位置控制系统相关 的控制部件，即图2 2 中用文字和数字标注的部分。控制部件的分类如下： 一、码坯机装有如下控制部件 l 、控制水平运动：变频器、水平变频电机； 2 、控制升降运动：伺服驱动器、升降伺服电机； 3 、控铝1 1 ) j n 减速的检测开关( 电感式接近开关) ： 水平部分：夹转减速位、夹转位、放转减速位、放砖位、左极限位、右极 限位； 升降部分：下极限位、第一层高度位、第一层高度减速位、夹转位、夹转 等待位、上工作高度减速位、上工作高度位、上极限位； 转向部分：转向减速、转向到位、回转减速、回转到位。 4 、控制气缸的电磁阀： 夹转和放转电磁阀、分夹和收夹电磁阀、压砖电磁阀、安全气缸控制阀、 转向电磁阀、电气比例阀： 5 、安全装置检测开关( 气缸磁性开关) ： 武汉理： 大学硕士学位论文 l 撑机锁打开、1 群机锁工作、2 群机锁打开、2 ! j 机锁工作。 二、分坯机装有如下控制部件 控制皮带运输：伺服驱动器、伺服电机； 控制分坯机皮带部分的检测开关( 对射式光电开关) ：送砖、砖送满。 除了码坯机和分坯机外，为了实现全自动码坯机的启动、停机等状态的切 换，我们还配有一个控制柜，在其上面安装有状态切换按键：手动自动、机锁 工作机锁分离、工作检修、启动、停机、急停。 2 3 全自动码坯机的工作原理 2 3 1 分坯机的工作原理 图2 3 模拟分坯机效果图 图2 3 是模拟分坯机的实物图，分坯机是用来将切坯机切出来的砖坯进行分 坯，以方便码坯机进行砖坯的夹取。在分坯机的头和尾分别装有送砖和砖送满 两组对射式光电开关。当有砖坯经过送砖开关时，送砖开关会检测到有信号， 控制器接收到送转信号后，启动电机，从而带动皮带行走进行砖坯的运送。每 来一排砖经过送砖开关( 图中有虚线表示的就是待运送的砖坯) ，就进行一排砖 坯的运送，运送的距离事先在触摸屏上设定好，这样在分坯机上面总共运送十 二排砖( 每排砖有3 2 块紧密摆放着) 一直运送到皮带末端，直至第一排砖送到 砖送满开关的位置。当皮带上的砖送满时，砖送满检测开关就会检测到信号。 当控制器接收到砖送满信号时，就会通知码坯机进行夹砖。 6 武汉理工大学硕士学位论文 分坯机砖坯的排数可以在分坯机停止运行后，根据实际需要在触摸屏上实 时更改。 2 3 2 码坯机的工作原理 码坯机整体的工作原理可以简化为： 从夹砖等待位下降至夹砖位进行夹砖，然后运行到放砖位放砖； 放砖后回到夹砖等待位等待第二次夹砖。 现将整个码转工序分解成水平和垂直两个方向来进行概述。 垂直方向：码坯机从夹砖到放砖的整个过程图2 4 所示， 放砖位夹砖位 至上= i ：作高度位 具了 妻著篓鍪垦蔓兰夹一奎萋鬟纛 单层码放网转。 善立零 双层码放不回转 王。了州呃 上极限 上工作高度 上工作高度减速 一 夹砖等待位 l 夹砖高度 l 第一层高度减速 i r 一第一层高度 卜_ 下极限 图2 4 垂直方向夹砖到放砖的整个过程详细分解 垂直方向：放砖后回到夹砖等待位等待第二次夹砖整个过程如图2 5 所示。 7 武汉理工人学硕士学位论文 从第七层开始上升 至上工作高度位 前六层上升至 夹砖等待位 黼1 5 1 0 n j 放砖后，慢速 i 上升 。一 检测 通知 图2 5垂直方向放砖后到夹砖等待位的整个过程详细分解 水平方向：从央砖到放砖的整个过程如图2 - 6 所示， 放砖位 放砖减速位 自_ 在放砖减速位转向到位 匪 夹砖减速位 夹砖位 燃豁 减速位开始转向- 双层码放不转向 图2 - 6 水平方向夹砖到放砖的整个过程详细分解 单双层砖坯码放平面图如2 7 所示，实际的砖坯码放如图2 8 所示， 囤 产 稠 冈n 罔臼 武汉理j 】：大学硕士学位论文 图2 7 砖坯码放单双层的平面图 图2 8 砖坯码放单双层实际效果图 水平方向：放砖后回到夹砖等待位的进行第二次夹砖整个过程如图2 - 9 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 放砖位 放砖减速位夹砖减速位 灾砖伸 二升的同时-l 开始收夹ii 在夹砖减速位回转到位 双层码放不回转，水平移动夹砖减速位减速夹砖位停j - iiii- - ii - 1 i 1 i- - - - t 升的同时 开始收夹确 图2 - 9 水平方向放砖后到夹砖等待位的整个过程详细分解 码坯机整体工作原理的整合如下： 从放砖位回到夹砖等待位的整个过程： 从夹砖等待位下降至夹砖位进行夹砖，然后运行到放砖位放砖位的整个 动作流程如下： 从夹砖等待位下降至夹砖位的整个过程：夹手停在夹砖等待位，检测到砖 送满信号，夹手慢速向下运行至夹砖位，到达夹砖位后，进行夹砖； 在央砖位上升：夹砖后，快速上升，码放前6 层时，上升到夹砖等待位高 度，然后开始水平向放砖位移动；码放第七层起，上升到上工作高度位，开始 水平向放砖位移动； 水平向放砖位移动：水平移动同时分夹，单层码放在夹砖减速位开始转向， 双层码放不需转向，到达放砖减速位后需要检测转向是否到位，若不到位，则 水平电机暂停，直至转向到位，然后水平行走至放砖位，夹手下降，直至码放 高度，码放高度为：第一层高度+ 层数x 砖高，放砖。 放砖后回到夹砖等待位等待第二次夹砖的整个动作流程如下： 在放砖位上升：放砖后，慢速上升1 5 0 1 1 m ，再快速上升，码放前6 层时， 上升到夹砖等待位高度，然后开始水平向夹砖位移动；码放第七层起，上升到 上工作高度位，开始水平向夹砖位移动。 回到夹砖等待位：水平移动到放砖减速位，开始快速移动，单层码放在放 砖减速位开始回转，双层码放无需回转，到达夹砖减速位后需要检测回转是否 l o 武汉理工大学硕士学位论文 到位，若不到位，则水平电机停止，直至回转到位，水平行走至夹砖位，然后 夹手下降到达夹砖等待位，等待分坯机砖送满检测开关发出信号进行第二次夹 砖。 2 4 全自动码坯机位置控制系统构成 全自动码坯机之所以能够让码坯机以及分坯机自动工作，是因为它有一个 核心的控制系统。如果把全自动码坯机比作成一个有生命的个体，那么它的心 脏就是控制系统，如果缺少了控制系统，全自动码坯机就只是一个空的壳体， 无法动弹，全自动码坯机也称不上全自动了。因此控制系统的作用至关重要， 全自动码坯机位置控制系统i l o j 就是我们为实现码砖控制的自动化而设计的一种 控制系统，它的构成如图2 1 0 所示。 佩 手动徨嚣丁丽启动h 征删 急刚柜操 停 f h 一作按 机镇腓勰筹蒜拉机镇工作，机锁分离+ 一 = 夹砖阀 收夹阀 压砖阀 转向阀 安全气缸控制阀罕一关 码坯机 安全装置检测开关 分夹检测开关 回转检测开关 升降检测开关 水平检测开关 王鬟 图2 1 0 全自动码坯机位置控制系统构成 全自动码坯机位置控制系统由位置控制器、人机界面【l l l 、安装在码坯机上 的控制部件、安装在分坯机上的控制部件、安装在控制柜上的控制部件构成。 通过位置控制器对分坯机控制部件的控制，从而可以实现将刚生产出来的 粘土砖在分坯机上进行分坯；通过位置控制器对码坯机控制部件的控制，从而 可以实现对经过分坯机分坯的粘土砖进行夹取、运送和按一定顺序码放等一系 列自动化的操作。通过位置控制系统的灵活控制，从而实现了全自动码坯机自 武汉理工大学硕士学位论文 动运坯，放坯操作。 全自动码坯机位置控制系统同时配有1 0 寸台湾e v i e w 触摸屏，式样新颖， 界面友好，可以根据码坯实际运行情况在线更改参数，遇到问题可以及时停止 码坯运行，从而使得全自动码坯机位置控制系统更加人性化、更具可操作性。 2 5 全自动码坯机位置控制系统总体方案 通过上节的分析，我们知道全自动码坯机位置控制系统实际上是由位置控 制器及其控制部件组成。我们将控制部件结合其在控制系统中所要实现的功能 进行提炼和分析，得知最为关键的三个控制部件如下： 控制分坯机皮带运转的伺服电机； 控制码坯机竖直方向运动的升降伺服电机； 控制码坯机水平方向运动的水平变频电机； 这三个电机用来实现全自动码坯机各个方向的运动，再配以安装在码坯机 以及分坯机上的控制夹砖的气路控制阀、控制电机加减速的传感器等，即可实 现全自动码坯机控制系统的加速、减速以及精确定位等一系列控制。 据了解，现在大多数全自动码坯机采用p l c 进行控制，但其价格昂贵，一 套三菱p l c 全自动码坯机控制系统要2 到3 万，如果实行量产，成本就非常高 了，我们的控制系统一套仅需1 万元，并且工作性能并不亚于p l c ，所以我们 选择使用单片机去控制。 2 5 1 硬件系统设计方案 通过对全自动码坯机的工作原理分析，我们确定了全自动码坯机位置控制 系统的硬件方案，如图2 1 l 所示。 伺服+ 伺服电机 伺服+ 伺服电机 变频器+ 电气比 变频电机例阀 模拟量 模块 2 q 数宁量 模块 8 1 8 q 数字量 模块 8 1 8 q 数字量 模块 1 6 1 图2 1 l控制系统结构示意图 整个控制系统硬件由：主机a r m 2 】和从机f p g a 构成的主控模块、2 路输 出的模拟量模块、2 个8 路输入8 路输出的数字量模块、1 6 路输入的数字量模 1 2 武汉理王太学硕士学位论文 块、人机界面五部分构成。各模块的作用如下： 1 ) 主机a r m 与从机f p g a 进行双向高速数据通信，与数字量和模拟量模 块进行通信，通过r s 4 8 5 通信协议与人机界面进行通信，从而控制整个位置控 制系统的运转： 2 ) 从机f p g a 起辅助作用，发出两路正交频率d d s ，通过主机a r m 与其 进行通信，从而控制升降伺服电机和分坯机皮带伺服电机【1 3 】- 【1 5 】的运转； 3 ) 2 路输出的模拟量模块中l 路输出用来控制水平变频电机的运转，另l 路输出用来控制转向控制的电气比例阀，从而去精确控制转向和回转； 4 ) 8 路输入8 路输出以及1 6 路输入的数字量模块用来接各个检测开关、气 动控制阀，控制柜上的开关，从而采集他们的信号，送给主机a r m ，主机a r m 接收检测开关的信号，去对各个电机进行定位、加减速的控制以及对码坯机的 气路系统进行控制，从而确保整个系统精确有效的运转。 2 5 2 软件系统设计方案 软件系统设计主要是在硬件平台的基础上，进行整个系统码砖控制程序的 设计。码砖控制程序主要分为三块： 采用a r m 编程实现控制系统总体程序设计 主要包括手动控制码砖、自动控制码砖的程序设计，从而实现整个码砖工 作流程。 采用f g p a 输出两路d d s 正交频率的设计和实现与a r m 间双向通信程 序的设计。 采用e b 8 0 0 0 软件设计人机界面，从而实时监测全自动码坯机的运行状况 和对全自动码坯机进行相关操作。 2 6 本章小结 本章首先介绍了全自动码坯机的整体构成，机械结构，进而分析了全自动码 坯机的工作原理，从而得出全自动码坯机的核心是位置控制系统。通过对全自 动码坯机的工作原理分析和位置控制系统的构成，得出了全自动码坯机硬件系 统设计方案和软件系统设计方案。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章全自动码坯机位置控制系统硬件设计 3 1 全自动码坯机位置控制系统关键控制部件控制策略 3 1 1 伺服系统的连接和电子齿轮比设定 ( 1 ) 伺服系统的连接 在整个位置控制系统中，两个交流伺服系统为比较关键的控制部件，即分 坯机伺服系统和码坯机升降伺服系统。伺服系统由伺服驱动器和伺服电机构成， 为了增大伺服电机的输出扭矩，在伺服电机后又级联了减速机。伺服驱动器、 伺服电机和减速机构成了一个完整的被控伺服系统1 1 6 】。整个系统的连接如图3 1 所示。 u 旧 v p u l s 伺 w k ”j 位 位置指令 p u l $ t l 服 p e 置 驱 控 动 制 s i g n 一器 器 方向指令 编码器 s l g n t 连接线 速机 图3 1 伺服系统连接图 由图3 1 可见，伺服驱动器选用的控制方式为位置控制，位置控制器输出差 分的位置脉冲和方向脉冲给伺服驱动器，从而通过伺服驱动器去驱动伺服电机 进行工作【16 1 。输入给伺服驱动器的脉冲输入形式为脉冲列+ 符号，如图3 - 2 所示。 脉冲形式正向回转逆向回转 脉冲列+ m 厂 广 厂 一 p u l 一一厂 厂 厂 符号 s 咖 厂 s i 口ni o 0 i - j 图3 2 伺服驱动器控制脉冲逻辑形式 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 伺服系统电子齿轮比【l7 】设定 电子齿轮功能是指可将相当于指令控制器输入指令l 脉冲的工件移动量设 定为任意值的功能。这种来自指令控制器的指令1 脉冲即最小单位叫做“1 指令 单位。即电子齿轮比是匹配电机脉冲数与机械最小移动量的。 电子齿轮比的分子是电子编码器的分辨率，分母为电机转一圈所需的脉冲 数，电子齿轮比是通过更改电子齿轮比的分倍频来实现不同的脉冲当量。 在控制系统中两个电机后面都与减速机相连，如图3 3 所示。若减速机减速 比为n ，机械部件直径为d m m ，则电机走一圈的距离为：等蚰，在整个系统 中为提高控制精度，我们规定控制器发4 0 0 个脉冲，电机走l m m ，则电机走一 圈的脉冲数为4 0 0 掣，则电子齿数比为：分辨率( 4 0 0 掣) 。 nn 皮带+ 滑轮 图3 3电机与减速机连接示意图 分坯机伺服系统 分坯机伺服电机：减速机减速比为5 1 1 8 ：滚筒直径为2 0 4 m m ，皮带厚度为 5 m m 。则电机走一圈的长度为( 2 0 4 + s x 2 ) x 3 1 4 5 1 1 8 r a m ，则4 0 0 脉冲n u n 下，分 坯机伺服电机走一圈所需要的脉冲数为：4 0 0 2 1 4 x 3 1 4 5 1 1 8 = 5 2 5 1 7 3 9 。 4 0 0 脉冲m m 下，电子齿轮比运算： 型铲- 匮黔2 印等 也为电机编码器的分辨率，f 1 为电机走一圈控制器发的脉冲数，n 为电子 齿数比分子，m 电子齿数比分母。指令脉冲输入比值范围：l 5 0 n m 2 5 6 0 0 。 分坯机伺服电机的分辨率为1 2 8 0 0 0 0 h z ，所以电子齿数比为： n m = 1 2 8 0 0 0 0 5 2 5 1 7 3 9 1 3 5 2 5 5 0 ，通过计算和实验调试，即可将电子齿数 比的分子设定为1 3 5 2 5 ，分母设定为5 0 。 武汉理工大学硕士学位论文 码坯机升降伺服系统 升降伺服电机：减速机减速比为1 6 0 ，提升卷简直径：2 2 0 r a m ，提升带厚 7 5 m m ，则4 0 0 脉冲m m 下，升降伺服电机走一圈所需要的脉冲数为： 4 0 0 2 2 0 3 1 4 1 6 0 。 4 0 0 脉冲m m 下，电子齿轮比运算： b编码器脉冲数4m3 2 7 6 8 41 6 03 2 7 6 8 彳负载轴旋转一圈的移动量门 2 2 0 x 3 1 4 ( 1 4 0 0 )l4 3 2 ( 说明：m n 为减速机的减速比，b 为电子齿轮比分子，a 为电子齿轮比分母) 通过计算和实验调试，即可将电子齿数比的分子设定为3 2 7 6 8 ，分母设定为4 3 2 。 3 1 2 变频系统的连接 在整个位置控制系统中， 变频驱动器和变频电机构成， 的连接如图3 - 4 所示。 变频系统也为比较关键的控制部件。变频系统由 两者构成了一个完整的被控变频系统。整个系统 位频率指令 a v i 一变频电机 置 a c m 。 蛮 u ) o 控 磊 w v k j 制 r e v 器p e 器 方向指令 f w d l 上 d c m 图3 - 4变频系统的连接 位置控制器输出频率指令和方向指令给变频器，从而通过变频器去驱动变 频电机进行工作。 变频器的频率指令来源为由模拟量量模块a v i 输入的模拟信号：d c 0 - - , + 1 0 v 控制。1 0 v 对应最大的频率，这里我们设定的是5 0 h z ，0 v 对应的0 h z 。 变频器采用两线式的运转控制方式，外部端子控制回路如图3 5 所示。 f e d ，s t o p r e v ，s t o p 图3 5 变频电) 0 l g i 部端子控制回路 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 当f w d 为高电平时，电机正转；当r e v 为高电平时，电机反转。 在控制系统中，变频电机用来控制码坯机水平运转，通过在人机界面上设 定最高速度和加减速的时间，在指定位置安装接近开关即可实现加减速以及停 止定位。 3 1 3 电磁阀与电气比例阀的功能分析 ( 1 ) 电磁阀的功能分析 全自动码坯机位置控制系统中，夹砖或者放砖也是非常重要的一部分，不 可或缺。而夹砖需要采用气路控制，气路控制是通过电磁阀控制气缸的伸出或 者收回，从而实现夹砖和放砖、分夹和收夹、压砖下压和压砖上抬一系列功能。 通过第二章第二节全自动码坯机的机械机构可知有下列控制阀：三位五通的夹 砖和放砖控制阀、压砖控制阀，二位五通的收分夹控制阀、安全气缸控制阀和 转向控制阀，电气比例阀。( 夹砖和放砖控制阀有2 个，动作一致，其余控制阀 均为一个) 。下面对气缸与电磁阀配合工作的原理进行简单的分析。 二位五通的电磁阀，如图3 - 6 所示： 图3 - 6 二位五通电磁阀示意图 五通中：p 为进气孔，a 、b 为出气孔，r 、s 为排气孔； 左位：p _ a 、s _ _ b ；右位：p l b 、r a ； 电磁阀通电时，处左位；失电时，处右位。电磁阀与气缸连接如图3 7 所示。 电磁阀通电电磁阀失电 图3 7电磁阀与气缸连接图 电磁阀通电时，气缸伸出；电磁阀失电时，气缸收回。 三位五通的电磁阀工作方式和两位五通的类似，不同之处是，还有个中位， 武汉理工大学硕士学位论文 中位是进行排气，气缸不做动作。 通过控制器给电磁阀进行通电或者失电，即可控制气缸的进气或者出气，伸 出或者收回，从而灵活地控制夹砖、放砖、压砖、收夹、分夹等一些列与气路 有关的动作。 ( 2 ) 电气比例阀的控制 除了电磁阀外，还有一个与气路有关的控制对象：电气比例阀。电气比例阀 是用来控制转向或者回转的加减速的。电气比例阀也是用模拟信号：d c 1 0 v 控制。结构示意图如图3 8 所示。 电气比例阀 图3 8 电气比例阀结构示意图 电气比例阀由进气排气电磁阀，底座气路板，内置压力传感器和控制电路 板等部分组成，其输出压力与输入电信号成正比1 1 引。通过改变0 1 0 v 输入电压 的大小，从而改变输出压力的大小，再配上接近开关，从而进行转向或者回转 的平稳控制，当输入电压大时，输出压力大，转向的速度大；反之，则相反。 3 2 全自动码坯机位置控制系统硬件i o 分配 在第二章我们根据全自动码坯机所要实现的功能确定了全自动码坯机位置 控制系统的硬件方案，现在将硬件平台里面的i o 进行分配，即根据各个控制部 件的属性，将他们分别与位置控制器的相应功能的端口进行直接的连接，从而 通过位置控制器对它们进行控制。硬件系统各模块的实际连接如图3 - 9 所示。 控制丰机 a r m + f p g a 模拟量 模块 数字量 模块l 8 1 8 q 数字量 模块2 8 1 8 q 数字量 模块3 1 6 i 图3 - 9 硬件系统实际连接图 整个控制系统的i o 端口分配表3 1 所示。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 表3 1 硬件i o 分配图 梗块名称 输入 输出 p 0 升降伺服p u l s e - p 0 升降f 田服p u l s e d o +升降何服s i g n + d o 升降伺服$ 1 霞- n 控制主机 无p i -分坯机伺服p u l s e , - p i 分坯机伺服p u l s e , d l +分坯机伺服$ 1 g n ，- d 1 分坯机伺服s i g n - 1 个k s - 堪5 通信接口 梗拟置梗块无 汐变频嚣信号a v i v l电气比例阀及c i o o送砖 q o 1变频嚣r m l o i砖送清 q 0 2变频器i l e v 1 0 4水乎夫砖i 翘 q 0 3 升降伺服抱闸b l y 数字置梗块ll o j 水平夹砖位q o 6转向控制电磁阙 z x c d i r 1 0 6 水平放砖减速q 0 7升降f 珥服启动信号s o n i o 7水平放砖位 i l d 下极