（电机与电器专业论文）玻璃立式钻孔机电气控制系统.pdf

玻璃立式钻孔机电气控制系统 e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fv e r t i c a lg l a s sd r i u a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t l l en e e do f 舀a s si n c r e a s e sq u i c “yi nm a n ya r e a s ，e s p e c i a l l yi nt 1 1 e c o n s t m c t i o na r c a s t h cv e r yl l i g hr e q u e s tt ot h eg l a s sp r o c e s s i n gq u a l i t ya n dt h ep m c e s s i n g e m c i e n c yi sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e fa tt h es a n l et i n l e i i lo r d e rt oc o m p l e t e l yc i l a n g et i l e t r a d i t i o n a lw a yo f “1 1 i n gg l 解sh o l e ，r c d u c et h ep r ；d d u c t i o nc o s t ，i n c 崩l s et h ep r o c e s s i n g p ”c i s i o na n dt h ee n h a i l c e m e mp r o d u 吐i o ne m c i e n c ys i d e ，e s p e c i a l l yr e “c ei nt t l ep r o c e s s i n g t h eg l a s st o p r o d u c ee x p l o d e sw a s t e s 山ep h e n o m e n o nt h eo c c u 巾e n c e ，t h er e a l i z a t i o n a u t o m a t i o np r o d u c t i o n ni sn e e d e dt od e s i g nt h eg l a s sv e r t i c a ld r i l lm a c h i n e t h em a i nt a s ki sa sf o l l o w i n g ： f i f 巩t h ed e s i 辨g i l a r a 嘶 e s 吐岵s y s t e mt oh a v et h eg o o dp 幽衄a n c ec h a m c t 甜s t i c ， w h i c hc 孤t 邝l yi n v e s t i n t 0t h e 劬l a jp r o d u d i o ni i l ，w t l i c hh a dd e 蜘1 l i n e dt a k ep l c 粥m e c o m r o lc o r es e r v os y s t e mh a r d w a r ep l 锄a n di th a sa d o p c e dt h ea d v 锄c e dm e c i l a n i c a la j l d e l e c t r i c a is e r v o c o m r o ls 删e g y ，矗l r t h e rr a i s e st i l es y s t e mn l o v e m e l l tt l l er e l i a b i l i t ya i l dm e l o c a l i z a t i o na c c u r a c y ； n e x t ，t h et h e s i sa i i a l y s e s 锄ds t l l d i e ss e v e r a lc r u c i a lt e c h i l i c a lq u e s t i o n si nt h ec o n t r o l s y s t e m 1 d r i l lb i th o r i z o n 协ia l l dv 舐i c a ll o c a l i z a t i o ns e r v o c o m f o it e c h n o l o g y 2 1 1 l e 嘶l lb i te m e r sf o rs t c pm o t o rc 册t r o lt e c h n o l o g y 3 t h e “l lb “r e v o l v e st h e6 铷u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c 时c o n t r o lt e c h n o l o g y 4 s y s t e ma n t j a m m m gt e c h i l o i o g y 觚de r r o rc o n t m 王t e c h n o l o g y b a s e do nt h ea b o v eo v e r a up l a na n dt h ee s s e n t i a lt e c h n i c a lr o u t e ，t h ep a p e rh a v ec 缸畦e d o nt i l es e oc o n 仃o lh 删w a r ea n dt h es o 竹w a r ed e s i g i l ，i i l c l u d i n gt h em a c h i n es c l e c t i n go f s e r v oe l e c t r i c a lm a c h i i l e ，s t 印m o t o r ，a v 础a b l e 矗e q u e n c yc o n t r o lm o t o ra i l ds oo n ，卸d m a t c h i n gv v i t i lp l cc o n 咖lp r o c e d u r ec o m p i l a t i o n ht l l ed e s i g i li th 勰a l s oh i 曲l i g h t e dt h e v e r t i c a l 蹦1 lp r e s sc h a 姐c t e r i s t i cs i d e ，a b a n d o n e dt h e 伽i d i t i o l l a lh o r i z o n t a lt y p ed r i l lp r e s s c o n 咖ls y s t e mt oc 由e a 比e x p l o d e s ，d e c i d e st h ep o t e l l t i a ld i 虢r e n c e ，c 猢o tr e a l i z es h o r t c o r n i n g a 1 1 ds oo na u t o m a t e dp r o d u c t i o n a tt h es 锄e 如e ，i l lv i e wo ft i 他d i s n 】r b a i l c eq u e s t i o 珥、v h e n m el l a r d w a r e ，s o f t w a r ed e s i g l l e dt l a sm a d es o m ec o i l s i d e r a t i o n s k e yw o r d s ：v e n i 姐id i 噎h ，s e r v om o “r ，g i a s sm a c h i n i n g 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：型：猛日期：圭! 翌：! ：1 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蛰：指导师签名：拯堡日期：尘：z ! 二 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 世界范嗣内的能源紧张状况日趋严重，在世界都普遍重视节能、环保的今天，各国 纷纷实施各项节能政策，建筑节能作为整体节能的重要组成部分，成为世界性大趋势。 建筑节能也已经成为我国可持续性发展战略的一部分，并越来越受到各级政府的重 视，我国是能耗大国，而建筑能耗中，通过玻璃门窗的能耗占到建筑总能耗的4 0 左右。 因此，提高玻璃的节能性能，已经成为如何真正实现建筑节能的关键所在。 伴随着人类社会的发展，建筑物在美化城市面貌的同时，对节约能源、环境协调、 有益健康等方面提出了前所未有的新要求。国家建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规 划中的目标是：在2 0 0 0 年- 2 0 0 4 年在当地通用设计能耗水平的基础上节能5 0 ， 2 0 0 5 年起在达到该要求的基础上再节能3 0 。为了实现建筑节能5 0 的目标，建筑部 发布了j g j 2 6 9 5 民用建筑节能设计标准( 采暖居住部分) 。众所周知，建筑物门窗 中玻璃面积所占的比重越来越大。目前各种铝合金门窗、塑钢门窗、玻璃钢门窗中玻璃 约占总面积的6 5 7 0 。因此，开发使用节能玻璃对建筑物节能起着重要的作用。 目前国内的节能、安全玻璃有镀膜玻璃、中空玻璃、夹层玻璃、钢化玻璃等，近年 来随着人们对节能建筑、建筑物的采光效果及光照时间的追求及建筑物向高层发展，玻 璃幕墙的面积及玻璃的幅面也越来越大，玻璃受风压的环境更加恶劣，玻璃的破损的概 率更大，也给玻璃的安装带来诸多不便。为此近年国际、国内开始推广点式幕墙玻璃i l 】， 即在玻璃上钻孔，通过金属联结件把各种功能玻璃与建筑物固定在一起，如图1 1 所示。 图l ，l 点式玻璃幕墙 f i g i tg l a 辐瓣龃 玻璃立式钻孔机电气控制系统 近年来，在很多行业，特别是在建筑行业，对玻璃的需求增长很快，同时对玻璃的 加工质量和加工效率也有了很高的要求。为了彻底改变传统的玻璃钻孔方式，降低生产 成本，提高加工精度和提高生产效率，特别是减少加工中玻璃产生爆边而浪费现象的发 生，实现自动化生产，为此设计了玻璃立式钻孔机。 1 2 课题研究的国内外发展现状 玻璃钻孔机在国外是上世纪九十年代末期发展起来的，目前美国、法国、比利时、 意大利生产的立式钻孔机定位精度高，设备技术成熟，运行稳定，可靠；我国已引进一 些进口设各，但是设备价格比较昂贵，每台设备在5 0 _ 吒o 万元以上。我国是2 0 0 1 年以 后开始发展该项技术，但受加工精度和控制等方面的影响，设备的钻孔精度及定位精度 差些。从调研情况来看立式钻孔机目前仍以进口设备为主，国产机尚处于研制开发阶段， 其性能与进口设备相比仍有较大差距。随着我国数控技术的发展，数控机床的应用，相 信我们的设备完全可以替代进口设备，开发出能够满足国内建筑市场需求的设备。玻璃 立式钻孔机是目前玻璃深加工企业必备设备之一，随着建筑节能市场对点式幕墙的需求 的不断扩大，该设备具有广阔的市场前景和发展空闻。 玻璃钻孔加工是一种两面磨削的特殊加工方式，对孔的定位要求很高。目前国内玻 璃钻孔加工设备大多数是普通的玻璃钻孔机床。这类设备的自动化程度很低，在加工中 对每个玻璃加工孔的定位，主要依靠人工操作。这样的加工误差大、工效低、劳动强度 高。而进口的国外玻璃钻孔加工设备，大多数采用高档数控系统，设备造价非常昂贵。 根据我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情，在玻璃加工中采用经济型数控技 术，尤其是对普通设备进行数控改造，具有特别重要意义。 ( 1 ) 设备成本价格低。仅数控系统与国外同类型系统相比，国外数控系统需几十 万到上百万元，而经济型数控系统则只需一万到二万元。因此，它特别适合对玻璃加工 行业现有的普通加工设备进行数控改造。 ( 2 ) 解决复杂加工精度控制，提高产品质量和工效。对数控玻璃钻孔加工来说， 加工精度高，产品致性好，合格率高。般比人工定孔或用模板定孔可提高工效1 0 2 0 倍。尤其对复杂的多孔加工( 如矩阵式网孔) ，加工工艺要的精度和难度越高，提高的工 效贝b 越多。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强。对不同的 加工工艺要求，可以通过变换加工程序和更换刀具方便地实现。 ( 4 ) 节约工装费用，降低成本，缩短生产准备周期，而且数控玻璃钻孔加工可以 不用工装。 ( 5 ) 减轻工人劳动强度。 1 3 论文主要研究内容 ( 1 懈决上位机与p l c 的通讯，使钻孔时所需的相关参数通过人机界面由上位工控 机下传到p l c 中，并能实时监控设备运行状态及各种故障报警显示。 ( 2 ) 解决玻璃x 轴方向及钻头机构在y 轴方向的定位精度闯题，即钻孔的坐标点定 位精度闯题。 ( 3 懈决钻头机构中前后钻头的快速给进及后退，以及当钻头接近玻璃表面时按上位 机给定的攻进速度( 不同厚度的玻璃及不同的钻孔直径攻进速度不同) 进行钻孔，同时 解决不问厚度，不同的孔直径钻头的旋转速度也不一样。 3 一 2 玻璃立式钻孔机电气控制系统的硬件设计 2 1 玻璃立式钻孔机的结构 k ；己 、 巴 睦刍 蚓 ii 删 。 隰卸h 囤 扩 f 一 e 爿 、 严= 2 ，气 | f 一 阁 图2l 立式钻孔机加工设备结构示意图 f i g2lv e 币c a ld d u 删d l i i l i 蚰哆e q u l p m 眦 沈阳工业大学颈士学位论文 该课题为与企业合作，应用数控技术，研制开发的立式玻璃钻孔机。将工作台设计 成一个x y 二坐标立式工作台，数控滑架式玻璃钻孔加工设备，垂直方向的滚珠丝杠导 轨滑架，水平方向的同步带传送机构和伺服系统驱动，实现高精度自动化加工。玻璃钻 孔加工设备，具有定位精度高、自动化程度高和操作简便的特点【烈。完全可以满足我国 目前现有玻璃钻孔加工生产的要求。 立式玻璃钻孔加工设备的结构示意如图2 1 所示。 其中；l 玻璃立钻钻架部分2 立钻进料部分卜立钻出料部分 4 一立钻地脚，- 水平同步带槽6 一水平传送电机 7 垂直传送电机8 钻头定位机构 钻头定位机构包括：前后钻头机构，驱动前后钻头进给的2 台步进电机，控制钻头 旋转的2 台交流变频电机，4 个支撑传动前后进给的精密导轨模块，定位机构升降的滚 珠丝杠传动机构以及压紧玻璃的压盘机构，构成钻头前后上下联动的定位机构。钻头定 位机构上下移动时，前后钻头始终与玻璃支架相互垂直，印钻头与被加工玻璃垂直，垂 直支架与水平支架相互垂直。 2 2 玻璃立式钻孔机的工作原理 把经过磨边的玻璃放在设备进料端传送的同步带上，在设备的上位机画面上输入相 关参数。如：前后钻头距玻璃表面的距离、玻璃厚度、玻璃的长度、宽度、需钻孔数量、 每个孔的坐标值参数；然后按设备的系统启动按钮，这时玻璃在水平同步带的传送下水 平前进，当玻璃的前沿到达水平方向原点时，启动传送钻头机构的垂直传动系统。当钻 头的中心位置到达第一个孔的坐标点时，水平传动和垂直传动停止，钻头机构中的前后 压盘通过气动系统给进把被钻孔的玻璃夹紧。此时后钻头开始给进，在钻头接近玻璃表 面2 咖时，启动钻头旋转系统使钻头在给进过程中旋转，同时从钻头内向外喷水。当 钻头钻进玻璃厚度的1 2 时后钻开始退出，退到位后，停水，钻头停止旋转。这时前钻 头开始给进，当前钻头离玻璃表面2 栅时，启动前钻头旋转系统，同时打开给水阀， 从钻头内向外喷水，当钻头到达玻璃厚度1 ，2 处时前钻退出，退出到位后停水，停止钻 头的旋转，前后压盘松开，设备完成第一个点的钻孔。水平、垂直传动再次同时启动， 当钻头中心达到第二个孔时的坐标点时，水平传动、垂直传动停止。设备重复上述钻孔 玻璃立式钻孔机电气控制系统 动作，直至玻璃上所有的孔被钻宪，且前后钻头已复位。水平传动把钻孔完毕的玻璃输 送到设备出料端处，垂直传动钻头使钻头机构归零，前后钻头回到原点处，等待钻下一 块玻璃n 2 3 玻璃立式钻孔机电气控制系统基本要求 玻璃立式钻孔机是一种对玻璃两面钻孔的特殊的加工方式，是玻璃深加工设备中最 先进的设备之一。它对孔的定位、孔的同心度具有很高的要求，作为玻璃立式钻孔机的 控制系统，要求能实时监控和显示设备的运行状态，满足深加工行业的精度要求，其系 统设计的基本原则是安全、可靠和效率，性能价格比商，具体包括： ( 1 ) 可靠性：能保证系统长期稳定运行 ( 2 ) 实用性：能满足控制系统的各方面技术指标要求，系统投入运行后维护方便。 ( 3 ) 操作性：控制系统的人机界面便于操作，画面直观，参数输入方便，全过程采用 中文显示。 ( 4 ) 价格：系统投资合理，造价尽可能低。 ( 5 ) 维护方便，系统具有自我诊断和报警功能，维护容易。 本系统的主要技术指标为： 。 最大玻璃加工尺寸： 3 0 0 0 2 5 0 0 m m最小玻璃加工尺寸：4 0 0 4 0 0 咖 钻孔孔径：由3 由1 0 0 黜加工玻璃厚度：3 砣5 咖 中心孔误差：o 1 衄对角线误差：o 3 伽 同心度误差：o 1 咖 2 4 玻璃立式钻孔机控制系统总体方案设计 控制系统总体方案如图2 2 所示，硬件系统由五个分系统组成； 1 水平方向( x 轴方向) 伺服传动系统，用于控制玻璃在水平方向的定位传送， 每次传送距离取决于被钻孔的x 坐标值。 2 垂直方向( y 轴方向) 伺服传动系统，用于控制玻璃在垂直方向的移动，每次 移动距离取决于被钻孔的y 坐标值。 3 前后钻头的进给控制系统，本设备的钻孔采用前后钻头分别进行钻孔，一方面 提高玻璃钻孔的同心度，另一方面保证玻璃的外观质量，满足点式幕墙工程的要求。 4 前后钻头在钻孔过程中旋转速度控制系统，根据加工玻璃的厚度和钻孔的直径 沈阳工业大学硕士学位论文 大小，采用不同的钻头旋转速度。 5 压盘气动机构，钻头的给水机构，行程限位控制。 图2 2 控制系统总体方案 f - g 2 2g 锄e r a ls c h 啪eo f c o l 帅ls y g t e i n 2 5 玻璃立式钻孑l 机电气控制系统的软件设计 系统的软件设计是整个系统设计的关键工作，系统要求实现智能控制，整个系统的 工作最终是否达到设计目标，除了涉及到系统开发者对目前己有的电气系统设计的专业 一7 一 玻璃立式钻孔机电气控制系统 知识和技术的积累、掌握和应用之外，系统软件的效率、工作的速度以及软件的智能化 等也是影响系统性能的重要因素。 根据控制系统的功能要求及其工作流程方案，系统的软件设计主要包括上位机监控 端、下位机现场控制端两个部分的设计。 1 上位机用来输入工艺参数监控系统运行，要求有良好的操作界面。由于钻孔时 所需的相关参数通过人机界面输入，我们采用组态王软件进行编程实现人机界面， 这样可以缩短设备开发周期，并提高系统的抗干扰能力。上位机实现系统工作所需 的工艺参数的输入、监视系统的运行状况、实时显示系统的工作状态以及数据存储、 分析、及与p l c 的通讯等功能。 2 下位机p l c 的程序设计，由p l c 的专门编程语言( 梯形图、功能块图或语句 表) 来实现现场的数据采集、执行机构的控制以及与上位机通信等功能。 2 6 本章小结 本章主要是对玻璃立式钻孔机电气控制系统的总体设计方案进行综合性论述 对控制系统进行了功能分析，阐述了系统的性能要求；根据控制系统的性能要求， 提出了系统的总体设计方案。整个系统采用上下位机的体系结构，并对系统的软件 设计进行了介绍。 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 3 智能控制的基本理论及位置控制技术的分析 随着科学技术及计算机的飞速发展和广泛应用，人们希望用计算机帮助人甚至代替 人来完成更多更复杂的脑力劳动，以提高自动化水平和工作效率，这促使自动控制与人 工智能两个学科交叉融合，形成了智能控制。计算机技术和智能控制理论的发展为复杂 动态不确定系统的控制提供了薪的途径。迄今为止，人是众历周知的智能水平最高的生 物，人本身也是一个生物智能控制系统，具有很高的智能特性。智能控制就是希望能用 机器来模拟人在控制过程中的智能特性。通过采用智能控制技术可设计出具有良好性能 的智能控制器，来实现系统的智能化。本章先后对传统的p d 控制原理、位置控制技术 进行了介绍和分析，为下一章系统的设计打下基础嗍。 3 1p d 控制原理 p d 控制具有算法简单、鲁棒往好和可靠性高的优点。p d 控制器是一种线性控制 器，在闭环系统中，它根据给定值与实际值比较，得到偏差砸) ，将偏差信号的比例、微 分和积分通过线性组合，构成控制量“o ： 啦) = l 盼砉l 砸加鹇筹i ( 3 ) 式中t 知一比例系数；斤积分时间常数；微分时间常数； p d 控制的基本原理框图如图3 i 所示： 图3 1 髓控制的基本原理 f i 9 3 1p m c o n 纽o l 呻c i p l e 比例环节能及时成比例的反映控制系统的偏差信号e ( t ) ，偏差一旦产生，控制器就 立即产生控制作用，以减少偏差：积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分 玻璃立式钻孔机电气控制系统 环节能反映偏差信号1 5 】的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变得太大之前，产生 一个有效的早期修正信号，以加快系统的控制，减少超调量，缩短调整时间。 p i d 控制是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种调节器。它具有简单而固有的 形式；很宽的操作条件范围内，能保持较好的鲁棒性；在长期应用中积累了丰富的经验， 允许工程人员用一种简单而直接的方式来调节系统。但p i d 的三个参数的整定规则往往 比较复杂，同时必须依赖于系统的稽确的数学模型，这些不足之处制约了其在过程控制 中的应用。这些问题的存在，并不是p d 本身引起的，而是线性p d 控制中p ，i ，d 的线性组合、系统特性变化与控制量之间线性映射关系造成的。 随着计算机技术的发展，p d 控制算法已经能够通过计算机编程实现，形成数字 p 。由于软件系统的灵活性，使得数字p d 算法可以得到修正，从而更加完善。数字 p d 控制算法通常又分为位置式算法和增量式算法1 6 。 计算机控制是一种采样控制，因此，对模拟p d 控制算法必须进行离散化处理。离 散后积分和微分项不能直接使用，只能用数值计算的方法逼近，以和式代替积分，以平 均式代替微分。采样周期越短，这种逼近越准确，被控过程与连续控制过程越相似。现 以一系列的采样时刻点聍代表连续时间，将础z ) 简化表示为p ( d ，可得到离散的p m 表达式为： ( d ：后，七) + 七j 圭“_ ，) z + 丸丛盟二；警卫 ( 3 2 ) - o o 式中棵样序号，七一o ，l 2 ，3 “七卜第七次采样时刻计算机的输出值； 妁，“知l 卜一第j ， 一1 ) 次采样时刻输入的偏差值； 由于计算机输出的“n 直接去控制执行机构( 如阀门) ，域d 的值与执行机构的位置 ( 如阀门开度) 是一一对应的，所以常称式( 3 2 ) 为位置式p m 控制算法。 当执行机构需要的是控制量的增量( 例如驱动步进电机) 时，可由式3 2 导出增量式 p d 控制算法。将采样时刻，= 灯和f = 伍一1 妒代入式3 2 ，并两式相减可得： “七) = 4 “七) 一b “七一1 ) + c 0 ( 七一2 )( 3 3 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 式中 彳喝( 1 + 昙+ 争 丑= 酢( 1 + 2 等) c = 酶毛 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分对问常数有关的系数。 采用增量式算法，计算机输出的控制增量础) 对应的是本次执行机构位置( 例如阀 门开度) 的增量。目前利用较多的算式为心) = o 1 ) + 血g ) ，它通过软件来实现。 位置式算法的特点是控制精度高，但由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态 有关，计算时要对反七) 进行累加，计算机运算工作量大。并且计算机输出的娴对应的 是执行机构的实际位置。 增量式控制有许多优点。由于计算机输出的是增量，所以误动作时影响小，必要对 可用逻辑判断的方法去掉；手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计 算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。 但增量式控制也有其不足之处。积分截断效应大，有静态误差：溢出的影响大。所以 在选择时不可一概而论，在控制精度要求高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步 进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量控制算法。 3 2 理想定位过程理论分析 3 2 1 理论分析 理想的定位册过程要求定位既快速又准确，其定位过程曲线如图3 2 所示，图中，s 为位置偏差；岛为位置初始偏差；口。为被控对象的最大线速度；为最大加速度。 为了尽快地消除位置偏差吲，使被控对象能够迅速移动到所要求的位置，应使电动 以最大加速度a m 启动，在加速阶段有下列关系： l ，= 口m f 位置偏差量为 j 强一i ：砌 玻璃立式钻孔机电气控制系统 j = s o 一【磁 s = 旷扣t 2 则达到p 。的时间为 f ：量 4 麻 将式( 3 5 玳入式( 3 4 ) 则此时的位置偏差为 驴驴吉罢 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 图3 ，2 定位过程曲线 f i 驴2p 0 3 i t i o 幽gp r d h 搿sc h e 式3 6 中( 2 口。) 是加速阶段移动的距离，由于此时尚未达到所要求的位置，因此还 将以最大速度护。继续匀速移动。但是到什么位置减速，则是一个很重要的问题，既要 处理好减速时闻，又必须综合考虑使定位时间最短，且定位准确的问题。为此，采用最 大加速度和最大减速度( 一a ) 相等的原则，使减速阶段移动的距离等于加速阶段移动的 距离如果在s ：= 吒q 口。) 处开始以一a m 开始减速，那么速度减到零时必然能够达到所 要求的设定位置，即s = o 3 2 2 在允许精度内进行轴的定位控制 从以上的分析可以看出，要实现图3 2 所示的理想定位过程，可以分为3 个阶段”0 1 ( 1 ) 首先以加速到y = 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 从s 2 = y ：( 2 口。) 处开始，以日。减速到i ，= o ，s = o 从理论上讲这种定位过程的时间是最短的，定位也最准确但是由于受到采样控制和 传动装置响应滞后的影响，定位的时间会延长， 设在j 2 = v 三( 2 ) 处以a m 减速，则 y = 一口。扛一f 2 ) ( 3 7 ) 8 。屯一j 2 础 ( 3 8 ) 根据式3 7 和式3 8 可得 矿= 2 吒 因此在s 从s 2 ：到。这一区间内y = 舟) 关系曲线为一条二次抛物线 由式3 8 可知： l 曲业： 廊 1 ，在位置偏差很小的情况下，要实现图3 1 所示的理想定位过程，需使控裁系统的 开环放大倍数为无穷大，而这种理想的定位过程是难以实现的采取一种分段控制式的折 线型速度设定曲线，使定位精度控制在允许的范围内。 3 3 位置控制技术的分析 位置控制是伺服控制系统的基本功能，它要求体现调速范围宽、负载特性硬、反应 速度快、多轴联动响应一致等多方面的性能指标，其中的重要指标是跟随误差、定位精 度及允许运动速度的高低等。因此，研究与开发高性能驱动系统及位置控制系统，一直 是研究数控机床与机器人的关键技术之一。 3 3 1 位置控制系统的种类 位置控制系统分为开环和闭环两种，在运动控制系统中，按执行部件的类型可分为 开环、半闭环和闭环伺服系统，埘。采用步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校 正系统，其位移精度取决于步进电机的步距角及传动机构的精度等。采用直流伺服电机、 玻璃立式钻孔机电气控制系统 交流伺服电机的闭环位置控制系统，因为具有位移测量和位置比较环节，这样可以达到 比开环系统更高的精度与运行速度。 3 3 2 步进电机运动系统的有关控制技术 步进电机是一种增量运动的电磁执行元件，这种元件是将数字脉冲输入转换为旋转 或直线增量运动的一种装置，当采用适当的控制时，步进电机的输出步数总是和输入指 令的电脉冲相等，因此它可以作为开环位置系统工作。在增量运动方面步进电机可以用 作具有迅速加速、减速和停机功能的起停运动控制器。 步进电机以具有转子惯量、无漂移和无累积误差为特征，控制路线经济简单，不需 反馈编码器和相应的电子线路，特别是近年来微机方面的发展，使步进电机的控制性能 大为改善。所以在很多位置和速度控制的应用中都是比较理想的。 步进电机运动系统f 1 3 l 主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。纯硬件的 步迸电机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成。它的作用就是能把代表 转速的脉冲串分配给步进电机的各个绕组，让步进电机按既定的方向和转速旋转。若采 用微机技术，以软件与硬件相结合的方式改造上述步进控制器，则不仅可在硬件上简化 电路，降低成本，而且可靠性也会大为提高 3 3 3 伺服电机运动系统的位置闭环控制 采用伺服电机的闭环系统主要由执行元件( 如交直流伺服电机、液压马达等) 、反馈 检测元件、比较环节、驱动线路和机械运动机构五部分组成。其中，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，经驱动控制执 行元件带动机械位移，直到跟随误差为掣1 4 l 。根据比较环节组成的闭环位置控制方式， 伺服系统也有多种形式。 随着微处理器及控制技术的介入和完善，由硬件组成的比较环节将由软件实现的位 置控制环取代，印由模拟式向数字化方向过渡，以适应更高速度与精度的需要，而且系 统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全部伺服的控制模型均由高速 微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒，采样前馈与反馈结合 的复合控制可以实现高精度和高速度，近年来又出现了学习控制这一智能型伺服控制， 沈阳工业大学硕士学位论文 在周期性的高速度、高精度跟踪中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差，数 字化的软件伺服是当今的发展趋势。 3 3 4 运动控铺方案 运动控制器是控制技术和运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下，它通 常以微处理器为核心，综合软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、各运动部件的实 时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动控制中，运动控制器还需对具体的运动 速度、加速度、位置误差等进行实时监控，井对相关情况等作出反应旧。 目前，运动控制器类型较多，可分为箱式、卡式和片式三个层次，但它们的功能基 本相似，都是从主机接收控制指令，从位置传感器接收位置信息，向伺服电机功率驱动 电路输出运动指令。对于伺服电机位置闭环系统来说，它们主要是完成了位置环作用， 可称为数字饲服运动控制器，适用于一切交直流和步进电机的闭环控制。在运动控制器 中还有一种步进伺服控制器，它将一个伺服电机的闭环控制系统转换成类似于一台步进 电机开环控制一样，这样可直接接收主机来的脉冲系列指令，使主机的控制算法得以简 化，它可使用步进电机系统开发的控制器和软件。利用这个系统，交直流电机的控制裁 像步进电机一样，既可作为位置控制，也可作锁相控制。 专用控制器的使用可把主机的轨迹插补与伺服闭环控制分离开来，减少了主机计算 负担，且所有控制参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单，位置环容易调整，有利 于提高系统可靠性【。 基于运动控砖器的控制方案一般包括：单片机系统，专业运动控制p l c 。p c 机和 i 卡，p c 机和运动控制卡。 3 4 本章小结 本章主要对智能控制的基本理论进行了详细介绍，介绍了传统p d 控制的原理，并 比较了位置式p d 控制和增量式p d 控制的优缺点：主要介绍了模糊控制的基本理论， 其中重点介绍了位置控制的种类，对实现位置控制实现的方法进行分析和研究。 玻璃立式钻孔机电气控制系统 4 玻璃立式钻孔机电气控制系统的设计和实现 4 1 伺服运动控制系统 玻璃立式钻孔机伺服运动控制系统如图4 1 所示： p 上 位i 曩位 t 覃点 住 l 杌 刁n r 伺 服 一i 。 c 一遮墨卜 电机 i 一 工 寰蔫采平蒋硅机扮 木平传每 住l 罹垃 l 露点 图4 1 钻孔机伺服运动控制系统 f i 9 4ls c n 竹m o n o n c o r l 舡u l s y 蛐即1 0 f 雠l m h i l l e 玻璃钻孔过程中，把玻璃放置在x 轴水平的同步传输带上，在上位机上输入工艺参 数( 所需钻孔的数目、孔的坐标值、玻璃幅面、前后钻头距离、钻头功进速度等) ，对 钻孔定位机构进行归零操作( 回到y 轴原点) ，启动系统，玻璃在水平同步带传送下， 沈阳工业大学硕士学位论文 沿水平方向前进，当玻璃前沿到达x 轴原点时，钻头定位机构在垂直伺服系统的驱动和 滚珠丝的传动下，向上移动，同时玻璃在水平伺服的驱动下平移，钻头机构在垂直移动 过程中与被加工的玻璃保持垂直。钻头机构移位的位移与被钻孔的y 轴坐标相等，当水 平方向移动位置与钻孔的x 坐标相等时，玻璃停止传动，从而完成孔的定位，进行一步 钻孔工作。 本项目p l c 选用三菱p s - _ 3 0 n t ，伺服驱动单元选用日本松下m n s a 系列交 流伺服驱动器和配套的交流伺服电机，驱动器由2 2 0 v 三相正弦交流供电，电机运动的 位置由旋转编码器确定，旋转编码器提供正交脉冲差分信号，反馈给伺服驱动器，构成 位置半闭环，同时反馈给p l c ，上位机可随时显示钻头机构，玻璃的位置及钻孔情况。 4 2 伺服系统的分析与研究 玻璃立式钻孔机的一个重要的指标就是孔的加工精度，而影响加工精度的主要因素 就是伺服定位运动控制系统性能，伺服定位运动系统的设计应该满足以下几个方面的要 求： 1 足够宽的调速范围。 2 较高的位置分辨率和重复定位精度。 3 ，较强的抗负载扰动能力，以减少稳态误差和动态速降误差。 4 足够大的电磁转矩，以提高加减速时的动态响应。 5 速度急速变化时，要保持平滑，电机转矩脉动尽可能小。无过大噪声，急停时电 机不爬行，无高频振动。 为了提高饲服定位运动的定位精度，运行平稳性以及更快的动态响应速度，本项目 中采用了松下m 啊a s a 系列交流伺服驱动器和配套的交流伺服电机( 永磁同步电机) 。 4 2 交流伺服系统原理 a c 伺服系统按照电动机的类剐分为异步型a c 伺服系统和同步型a c 伺服系统栩。 目前的交流伺服系统大多采用的是在转子上装有永磁材料的同步电动机。一类称为无刷 直流电动机卿 句，另一类称为三相永磁同步电动机m s h d 。现所要介绍的是三相 玻璃立式钻孔机电气控制系统 p m s m 交流伺服系统，该交流伺服系统由交流伺服电动机、速度和位置传感器、功率逆 变器和p w m 波产生电路、速度控制器和电流控制器等组成| 1 8 l ，如图4 2 所示。 圈4 2p m s m 交流伺服系统原理图 f i g4 2 p m s m3 c r y os y s t e mp r i i ，c j p l e 出8 w i n g 基本原理：速度指令和速度反馈信号比较后差值送入速度控制器，得到期望转矩电 流指令信号，相关信号经过乘法器单元处理就得到了交流电流指令，再经过2 3 变换功 能单元变换为a 相和b 相的期望正弦电流指令，该两相指令分别与两相电流反馈信号 相比较后，差值送入电流控制器，得到驱动a 相和b 相p w m 波信号，并经运算后得到 驱动c 相p w m 波信号，三路p w m 信号控制功率晶体管单元，将逆变器中的直流电变 换成电压与频率均可调的三相正弦交流电，继而驱动伺服电机按期望值运转。b r 是旋 转变压器，用来检测伺服电动机的转速和磁极位置信息。 4 2 2 松下啊in s a 系列交流系统原理、特点及操作 基本原理：松下m i n a s a 系列交流伺服系统由a 系列驱动器和配套交流伺服电机 组成。其以三相交流伺服系统为基本原理，采用光电编码器作为电机转速和转子磁极位 沈阳工业大学硕士学位论文 置检测单元，系统在驱动器内部集成了相关功能模块，构成了一个高集成度、高控制精 度、智能化的闭环伺服控制系统。根据期望输入指令值，按照已设定好的控制方式和各 参数设定值，驱动器控制各相关功能单元。产生出控制1 g 呼w m 模块的信号，最终控 制伺服电机按照期望值运转。系统具有分倍频功能，可以以多种形式将反馈脉冲输出给 外部控制器或接收位置控制指令信号。系统在速度和转矩控制模式，以模拟信号作为输 入。系统具有内部再生放电和动态制动器功能。在主电源掉电、伺服信号无效等情况下 能紧急制动，有效保护驱动器和电机。系统具有自动增益调整和报警保护功能，可以自 动调整系统各参数以使系统获得良好盼性能，能够对欠压、过流等4 0 余种故障和警告 进行报警并显示，能立即关断伺服并停止驱动器和电机。系统各有控制器接口、r s 2 3 2 c ， r s 4 8 5 串口，串口组合使用时，上位机可同时控制1 6 个驱动嚣系统具有数字显示和面 板按钮功能可以实时显示电机转速、转矩、报警信息等。5 个面板按钮能够对系统的控 制模式、参数、增益、显示模式等进行设置。 伺服系统用来控制被控对象的转角和位移，使其能自动地、连续地、精确地复现输 入指令的变化规律。位置控制的作用是将c n c 装置插补出的瞬时位置指令值片和检测 出的实两；值只，在位置比较器中比较，产生位置偏差凹，再把a p 转换为瞬时速度指 令电压“，输入位置比较器中的指令有两种方式脉冲列和数值指令。数值输入方 式的位置控制是由软、硬件结合实现的，软件负责偏差和进给速度指令的计算，硬件接 受进给指令的数据，进行d 4 转换为速度控制单元提供指令电压，以驱动电动机运转。 目前，采用硬、软件结合的数字伺服系统较为普遍。而目前伺服系统同时有两种输 入方式。日本松下生产的m n a s a 系列交流伺服电动机驱动器可以选择脉冲输入方 式也可以选择数值指令输入方式1 1 9 1 ，其原理框图如图4 3 所示。 特点： 1 h 心弧s 系列具有各种参数可用来调节系统的特性功能，正确设定这些参数可 使系统达到最好的运动状态。 2 它具有监视功能，如偏差脉冲数监视，电动转速监视，电动机转矩监视。 3 显示c 船伊酶输入输出控制状态。 玻璃立式钻孔机电气控制系统 4 显示故障原因与历史 5 可通过计算机对m s d 进行监视与操作 图4 3m 烈a s - a 系列交流伺服系统原理图 f i 9 4 3m 附a s - a 蛳i 器o f a cs c r v o s y 鼬咖砸i p l e 出椰i n g 脉冲串位置控制误差的操作： ( 1 ) 在位置控制方式时，使偏差计数清o 信号c l 释放，使脉冲指令禁止信号i n h 释放，电机处于s b r v ( m o c k 状态。 ( 2 ) 设置参数n o 0 2 为o ，此方式是位置( 脉冲串) 控制方式 ( 3 ) 设置参数n o 2 9 为i ，电机转速正比予输入脉冲频率 即 ，p 2 5 p 2 6 p 2 7 = 2 5 0 0 4 叫6 0 ( 4 ) 通过参数2 l 将速度前馈系数设置最小 ( 5 ) 设置参数0 3 的值至较大值而不至于发生震荡为止 ( 6 ) 设置位置环增益2 0 参数较大不至于发生震荡为止 ( 7 ) 设置速度环积分时间常数0 4 参数较小值，其值越小，位置偏差值相减就越大。 4 2 ，3 松下交流伺服驱动器内部电流环原理 松下交流伺服驱动器内部电流环与永磁同步电机矢量控制原理一致，如图4 4 所示。 图4 1 4 中，从定子电枢绕组反馈的三相正弦量( ，x ，y ，z ) 经3 ，2 坐标变换，在定子 坐标系中转化为两相正交量( ，i ，“) ，再经定子与转子之间坐标旋转变换，转化为转子坐 沈阳工业大学硕士学位论文 标系两相正交电流( ，d ，) 。( ，d ，) 与给定的参考量( c ，) 比较，差值通过p i 控制 器调节，p i 控制器输出的正交电压( ，“。) 经定子与转子之间坐标旋转变换和2 ，3 坐标 变换，转化为三相( 乩，叱，鸭) 控制信号，提供给p w m 脉宽调制电路的输入。p w m 电路的输出提供给s p w m 电路的功率开关管的基极信号，控制功率开关管的关闭或导 通的时间，控制占空比，调节s p w m 电路输出( x ，y z ) 的电压平均值，从而驱动永磁同 步电机的运转。在脉冲反馈回路中，脉冲反馈通过位置度检测器，检出转子磁极旋转的 位置8 角，提供定子与转子之间坐标旋转变换的参数。值。 图4 4 松下交流伺服驱动器内部电流环控制框图 f i g4 4s k e i l c ho f c u n _ e i i c l o o pc o n 的lf o rp 粕舾o i j ca cs e r v o “v i n g 松下交流伺服驱动器内部电流环有两个回路，主回路调节的i q 值，控制电磁转矩输 出量；辅助回路通过控制跟踪，使得= = o ，这时，q f p ；衫2 ，电机转子的转 速与定子相电流的角频率同步，在一定的相电流下，电磁转矩最大，动态响应最快，这 就是内部电流环的主要作用【2 0 】。 4 ，2 4 松下交流伺服单元与p l c 连接方式的分析 松下交流伺服电机为永磁同步电机，其控制原理以永磁同步电机矢量控制理论为基 础【2 “，在交流伺服驱动器内部又扩展了许多保护功能：主电源超压保护、过热保护、过 流保护、伺服报警保护、机械制动保护、转矩限制保护等等。这些保护功能使伺服系统 玻璃立