（电机与电器专业论文）玻璃直线双边磨边机电气控制系统.pdf

玻璃直线双边磨边机电气控制系统 e l e c t r i c a ic o n t l o is y s t e mo fg l a s s s t r a i g h tl i n ed o u b i ee d g i n g m a c h i n e a b s 仃a c t t h et e c l l i l o l o g yo fg l a s ss t m i 出l i n ed o u b l ee d 舀n gn l a c h i n ed e v e i o p si nt h el a t c1 9 9 0 s o v e r s e a s b u tt h ep r i c eo f t h e i re q l l i p m e l l t si sq u 岫e x p e n s i v e i no u rn a t i o n ，t h em a c h i n e s 舭e a tt h ep h 邪eo f d e v e l 叩m e n ta i l dr e s e a 此h 0 n 廿l eb a s i so f t h er e q u e s to fa ne n t e r p r i s eo fg l a s s i i 瑚m i l i n t h i st h e s i s1 1 a sd c s i 印e dt h i sk i n do fe q u i p m e n t so u r s e l v e s t l l i st h e s i sh a sm i i l l ys t i 埘i e ds t e pm o t o r ，m m s d u c e r ，o p t i c a le n c o d e r ，p r o g r a m m a b l e i o 西cc o n t r o l l e r ，a i l dac o n n d ls y s 蛐w h i c hi sc o m p o s e db yt 1 1 e ma d o p t e di nt h em a c h i n e ，“ m a l n l yi n t r o d u c e ss t e pm o t o r ，m ea v a i l a b l ef k q u e n c yc o n t r d l l e ra n ds o m ef u n c t i o n so ft h e e n c o d e r t h i sc o n t r o ls y s t e mi r i c l u d i i l gp l c ，s t c pm o t o r t h ea v a i l a b l ef r e q u e n c yc o n t m l l e r ， a l l dt h ee n c o d e r ，c o n 仃o l sm eg l a s sp r o c e s s i n g t h es y s t e mh a sb a s i c a l l ya c h i e v e d 山ed e m a n d o fp r o d u c t i o ni nc o n t r o lp r e c i s i o n t h es e r v o 鲫s t e li sr e 口l a c e db yi t ，n o to n l yw i l lt e d u c et h e c o s tb u ta l s om e e tt h em a r k e tr e q u i r 嘲e m s a l s 0 也ep 【cp f o 掣a r ni sd e s i g r l e dt oc a r r yo nt h e c o n t l l ，锄dc a 玎i e do nt h es c e n ed e b u g g i n g t h ea m i c i p a t e dg o a l 州l lb ea c l l i e v e da sw e l l i n t 1 1 em e 锄w h i l e ，d i s t m b 锄c eq u e s t i o n sh a v eb e e ns o l v e da n dt h ep l a c t i c a ls e l e c t i o ni l 嬲b e e i l p r e d o m i l l 种c d i na d d i t i o n ，t l l et h e s i s 蛔t r o d u c e st h ep r i m a r yp a 姗e t e r so ft h ei m e r f a c e t h i st i l e s i sn o to n l yh a sa 1 1 a r o u n dd i s s e n a t e dt h ec o l l e c t i v i t yd e s i g 外p r o i e c ta b o u tt h e e l e c t r i c a lc o m r o ls y s t e mo ft h em a c l l i n e ，b u ta l s o 删y s e dt l l ep e b m l a n c eo ft h ec o n d l s y s t e m ，p u tf o n ，a r dt h eo v e r a l l 州e c to ft l l es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ep e r f o 咖a n c eo ft h e c o m m ls y s t e m i no r d c rt om a k et h ep r o i e c tc o m et n i e i th 髂p r o “d e dt l l ee l e c t r i c a lc o n t r o l s y s 咖、v i t hc o n c r e t er e a l i z a t i o np m i e c t ，“h a s 删y s e dt l l ep r i n c i p l eo ft h ct 啪s d u c e ra n d o p t i c a le n c o d e r ，p f o v i d e d1 j l es e l e c t i o nw a yo ft h e m o p e n - l o o pc o m r o li sa d o p t e di nt h e l i 衔n gs y s t e ! mo ft h em a c h i n e c l o s e d 1 0 0 pc o m r o li sa d o p t e di nm ec o n t r o ls y s t e mo f w o r k t a b l e ，m eo p e n - c l o s e dp o s i t i o ni sm e a s u r e db yo p t i c a le n c o d e r ，p l cg e t sm ef e e d b a c k ， w h i c hm a k e st h eo p e n - c l o s e ds y s t e mn l i ls l o w l yt oi m p f o v e 廿l ep o s i t i o np r e c i s i o n ，r e d u c et 1 1 e e x p 【o i t a 五o nc o s t t l l i st h e s i sh a sd e s i g n e dt 1 1 es o f h a r ea n dh a r d w a r es 0 嬲t oc o n t r o o wo r d e rm a c h i n e s c e n eb yp r o 龋m l n l a b l ei o g i cc o n t r o l l e r ni n l d u c e st h es o 胁a r ed e s i g l lo fp l c ，i n c l u d i n g m em a i np r o 铲锄，i i l i t i a l i 翻t i o np r o g r 鼬，o p e n c l o s e do u t f i tc o n t r o ls y s t e mp r o g r a m ，l i r i n g c o n t r 0 量 s y s t e mp r o g m m ，斟a s s 缸a i l s m l s s l o nc o n 圩o ls y s 吣mp r o g r a m ，c o h 它s p o n d e n c e p r o c e s s i n gb e t w e e i lu po r d e ri n a c l l i i l ea n dl o wo r d e rn l a c h i l l c 1 “yw o r d s ： s t 印皿o t o r p o s i t i o nc o n t r o i ，g l 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：医量日期：竺21 ：2 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：睦望导师签名；盔盗生日期：竺! z ! ：! 乡 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 随着工业生产发展和人民生活水平的提高，能源消耗量迅速增加，在我国建筑能耗 约占全国总能耗量的l 4 以上。其中建筑门窗的能耗约占建筑物全部热损失的4 0 ，从 全球整个能源来看，在取暖或空调时期，其中4 5 用于建筑物气温的控制，并且比重日 益增长，因此节能是摆在我们面前的重要任务。 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、玻璃钢门窗中空玻璃约占总面积的6 5 7 0 。因此，开发使用节能玻璃对建筑 节能起着重要的作用。 2 0 0 3 年1 2 月4 日，国家发改委，建设部，国家质检总局，国家工商总局等四部位 委联合发布建设安全玻璃管理规定2 0 0 4 年1 月1 日起实施，地市级以上( 含迪市级) 城市的新建、扩建、改造、装修及维修工程等建筑物，应按该规定要求使用安全玻 璃。 建设安全玻璃管理规定的实施旨在有效地保障人身和财产安全，规范安全玻璃 的生产、使用和安装，已受到社会各方面的关注。 门窗选用具有节能作用的镀膜玻璃、镀膜中空、镀膜钢化、镀膜夹层、低辐射中空 玻璃是改善门窗的绝热性的最好途径f ”。这些玻璃在生产过程中，要求玻璃韵边部必须 经过磨边处理。传统意义上的砂布磨边已满足不了生产工艺和建筑市场的要求。生产效 率低，生产成本提高。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，为了改善传统的玻璃磨边方 式，降低生产成本，提高加工精度和提高生产效率【2 | ，我们拟设计玻璃直线双边磨边机。 玻璃直线双边磨边机可以通过粗磨、精磨、租抛光、细抛光等工序一次可同时磨削平板 玻璃的两个平行边，该机用于磨削各种规格的平板玻璃。磨削玻璃的直线平底边、垂直 边倒角及抛光可一次完成。采用自动补偿抛光刹车机构，保证磨削后表面光洁度。磨边 机宜采用两台设备组成一条磨边生产线，适用于磨平行四边形。产品完全能够满足生产 节能、安全、环保玻璃的前处理要求和建筑市场对玻璃的要求。 玻璃直线双边磨边机电气控制系统 我们所要完成的工作是玻璃直线双边磨边机电气控制系统的设计。为了达到低成 本、高精度的要求，我们采用变频器调速的原理。使用变频器、旋转编码器及变频电机 控制系统的开合机构和传送主传动机构。用步进电机控制玻璃厚度夹持机构。采用p ( 、l 进行系统控制。 1 2 课题研究的相关技术的发展概况 1 。2 1 玻璃直线双边磨边机的发展现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，由于材料科学的重大创新和突破，人们利用纳米材料技 术、表面处理技术和复合杂化技术等高新技术开发出了各种环保节能型、环保型、智能 型等新型深加工玻璃，赋予了玻璃新的机械、电气、光学、化学等功能，增加了玻璃的 使用效果，改善了人类的工作与生活环境。虽然我国深加工玻璃的生产技术在某些领域 接近或达到国外先进国家水平，但是，深加工玻璃的整体生产技术与国外相比有很大差 距，尚未形成规模的专业产品研究与生产线，某些产品的产业化仍是空白。 玻璃直线双边磨边机设各国外在上世纪九十年代末期发展起来，目蘸比利时、意大 利生产的双边磨边机加工精度较高、生产效率高、操作方便，设备技术成熟，运行稳定， 可靠；我国已引进一些进口设备，每台设备在8 0 9 0 万元以上，设备价格比较昂贵。我 国从2 0 0 1 年以后才开始发展该项技术设备，目前存在的主要是玻璃的对角线误差、玻 璃加工尺寸精度问题。从调研情况来看双边直线磨边机设备目前仍以进口设备为主，国 产机上处于研制开发阶段，其性能与进口设备相比仍有较大差距瑚。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。 1 2 2 交流调速的发展概况 一、交流调速的发展概况 交流变频调速的优越性早在2 0 世纪2 0 年代就己被人们所认识，但受到器伟的限制， 未能推广1 4 l 。5 0 年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速，大中型绕线式感应 电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。7 0 年代发展起来的变频调速，比上述两种 调速方式效率更高，性能更好。 沈阳工业大学硕士学位论文 交流调速系统大致经历过以下几个阶段1 5 ，6 l ： ( i 屏步电动机调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电 抗器，或在定子侧加自耗钢材料体积小，控制方便。用晶闸管功率变换器来完成馈送 任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发 脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但 由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是电网提供的完整的工频电压 波形，因此产生了成分复杂的谐波。 ( 2 ) 串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经 济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不 同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但是调速是有级的，不 平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器件阀世后，人们采用在转 子【郅路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸 管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改 变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流 电网，提高了效率。串级诱速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进墅三相四线 逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。 其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管( g t o 诗日成，这样可以省去关断晶闸管 用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。 ( 3 ) 变频调速系统：变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最 有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系绕的种类很多，从2 0 世纪5 0 年代提出的 电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制型等各种交频器。羼前变频调速 的主要方案有：交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频谓速系 统，正弦波脉宽调制( s p w m ) ，矢量控制、直接转矩控制变频调速等而且无速度传 感技术日益成熟。许多智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、 自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些 变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子 技术的发展水平。2 0 世纪8 0 年代中期随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管 玻璃直线双边磨边机电气控制系统 g 1 0 、绝缘栅双极晶体管i g b t 的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。日、 美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础 上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。 二、变频调速及其优点 所谓变频调速器它将三相工频( 5 0 h z ) 交流电源( 或任意电源) 变换成三相电 压可调、频率可调的交流电源，有时又将变频调速器称为交压变频装置v w f 。主要用 于交流电动机( 异步机或同步机) 转速的调节【s l 。 一个交流电动机变频调速系统由变频调速器驱动器交流电动机和控制器三大部分 组成。其中关键核心设备是变频调速器，由它来实现电动机电压和频率的平滑变化。 变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实 现自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速和 液力耦合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案，代 表今后电气传动的发展方向。 近三十多年来变频调速已在钢铁、冶金、石油、化工、纺织、化纤、轻工、造纸、 橡胶、塑料、电力、水务等行业中得到广泛应用。低压电动机变频调速应用已非常普及 和成熟。高压电动机变频调速也正在被人们关注和逐步应用。交流电动杌变颓调速除了 有卓越的谶速性能之夕卜，还有显著的节约电能和保护环境等重大作用，是企业技术改造 和产品更新换代的理想调速装置。 1 变频调速与环境保护 电动机驱动是电能消耗的大户，在中国占全部用电量的6 0 以上。过度的电力消耗 使得煤炭和石油( 天然气) 燃料桔竭，同时由于c 0 2 和n 0 2 的大量摊放，造成污染环 境，破坏臭氧层，影响甚至危及人类的生存。 人类不断地从对生存环境的破坏和对能源资源的浪费过程中接受了惨痛的教调，于 是保护人类生存环境成为全世界人民共同的呼声，掀起了减少节约能源和环境保护，造 福于社会的浪潮。1 9 7 2 年，瑞典斯德哥尔摩第一届世界人类环境宣言以及1 9 9 4 年日本 京都协议，规定所有签约国应使其国家的c o ：及其它产生温室效应的有害气体捧放量控 制在1 9 9 0 年的水平。充分说明环境保护的重要性和全世界人民的关注。 沈阳工业大学硕士学位论文 据估计，电气产品对环境污染的影响约占3 0 左右，因此节省电能，减少浪费便成 为履行京都协议承诺的重要因素，变频调速和变频技术能发挥些什么作用和贡献昵? ( 1 ) 推广风机水泵变频调速节能技术可达到2 0 一3 0 的节电率。这样可以少建火 电厂，少发电，即少排放s 0 2 、s o 、c 0 2 及灰尘，减少大气环境污染： ( 2 ) 牵引变频机车应用，不用燃煤和烧油，减少排放污染； ( 3 ) 发展城市轨道交遥( 地铁和磁悬浮列车) 和燃料电池汽车，减少c 0 2 捧放。 ( 4 ) 提倡采用电动自行车( 无刷直流电机，自制式变频调速) 。停用燃油助动车 等。 2 变频调速与制造业生产 ( i ) 变频调速可提高产量 交流电动机设计在气隙磁通近似不变的条件下，电机允许超速5 一l o 长期运行( 2 0 短时试验) 。例如，某些国家电机可以在5 0 焰o h z 下长期运行( 当然应保证，z 降q 喊) ， 只要电机轴承能够承受，提高5 1 0 转速是可行的。我公司某化纤厂结合变频调速改 造，适当提高变频器的输出频率，已带来可观的增产效果。 ( 2 ) 交频调速可提高产品质量 变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点。对于化纤纺丝机、纺 织印染联合机、造纸机和注塑机等多单元同步传动或比例同步( 牵伸) 传动非常适用， 既有之前直流机传动的性能，又有交流机坚固、可靠、维护简单的特点，使得产品的质 量有较大的提升。自动化程度提高，减轻工人劳动强度。 3 变频调速与某些特殊加工设备 由于变频技术进步，交频调速更适宜用于恶劣环境( 爆炸、腐蚀、水下核辐射等) 无升速齿轮的甚高速或无降速齿轮的甚低速，以及精确位置控制( 变频伺服系统，步逃 系统，祝械手和机器人) 系统。 1 。2 3p l c 技术的发展概况 第一台可编程控制器( 以下简称p l c ) 的设计规范是美国通用汽车公司提出的。当时 的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单 玻璃奁线双边磨边机电气控制系统 易懂。操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时甸响应 快、控锄精度商、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等 诸多商品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司( d e c ) 于1 9 6 9 年研制成第一台 p l c ，型号为p d p 1 4 ，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果， 从此开创了p l c 的新纪元。 在短时间内，p l c 在其他工业部门也得到应用。到2 0 世纪7 0 年代初食品、金属 和制造等工业部门相继使用p l c 代替继电器控制设备，迈出其实用化阶段的第一步。 7 0 年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8 位微处理器和位片处理器相缝朗世， 在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入 输出规模1 1 0 】。在这个时期，日本、西德( 原) 和法国相继研制出自己的p i c ，我国在1 9 7 4 年也开始研制。 7 0 年代末由于超大规模集成电路的出现，使p l c 向大规模、高速性能方向发展， 形成了多种系列化产品。进入八九十年代后，p i 的软硬件功能进一步得到加强，p i c 已发展成为_ 种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备遥信，生成报表，调 度产出，可诊断自身故障及机器故障。p l c 未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还 在于p l c 与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，p 【c 将在今后的工业自 动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中，p l c 技术和机器人、a v c a m 将成为实 现工业生产自动化的三大支柱 1 2 4 步进电机及控制技术的发展 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步迸电动机没 有什么本质区别，也是依靠气隙问的磁导变化来产生电磁转矩。年代以后，由于廉价 的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。琢来的 步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要 消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于 系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地 沈阳工业大学硕士学位论文 发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势， 也符合数字化的时代发展要求。 步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的， 控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕 组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空闻中按一定的规律捧歹l l ，轮流与直流 电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，i 瞳着 接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮 数有关。 现在比铰常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机 和单相式步进电机等。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域，1 2 1 。它最大的应用是在使用数控枫床的 生产制造中，因为步进电机不需要a 仍转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移， 所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足 需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展， 步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电 动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完 成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨 边桃同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面， 比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印桃绘 图仪中等等1 1 3 l 。 1 3 论文主要研究内容 ( 1 ) 解决上位机与p l c 的通讯，使玻璃所需的相关参数如磨削宽度、厚度、磨边速 度等参数值通过人机界面从触摸屏( e e w ) 下传到p 【c 中，并实时监控设备 运行状态及各种故障报警显示。 ( 2 ) 设备开合结构尺寸定位问题，保证磨削玻璃的宽度尺寸。 ( 3 ) 织决2 组磨头租抛光、精抛光的时序动作控制问题。 ( 4 ) 解决加工玻璃厚度的夹持机构厚度调整问题。保证玻璃直线运行，不跑偏。 玻璃直线双边磨边机电气控制系统 2 玻璃直线双边磨边机电气控制系统的硬件设计 2 1 玻璃直线双边磨边机的结构 本课题是与企业合作，应用数控加工技术研制了双直线磨边机设备数控装置和变频 调速定位控制系统，以步进控制实现高精度的玻璃磨边自动加工。该设备具有磨边玻璃 尺寸精度高、自动化程度高和操作简便的特点，其结构和性能满足国内玻璃深加工企业 的需求。 玻璃双边直线磨边机的结构示意图，如图2 1 所示： 1 进料机构2 底座3 夹持机梅4 固定、移动滑台5 出料机构6 主传动极梅 图2 1 玻璃双边直线磨边机结构示意图 f 畦2 11 1 l e d e m o o f 珥a 骚s 旺a i 曲l 缸e d 帆削e c d 曲g m 妇砬 玻璃双边磨边机主要包括：工作台开会定位系统，玻璃夹持梁升降杌构，磨头给进 气动控制系统，玻璃传送系统等。 工作台开合定位系统由滑台、滚珠丝杠、导轨滑块、减速器、交流冥步驱动电机等 组成；夹持梁升降机构由齿轮、齿条、同步电机、减速器等组成；玻璃传送系统由同步 带、同步轮、交流步进电机、同轴传送轴、减速器等组成。 2 2 玻璃直线双边磨边机控制系统的基本要求 玻璃直线磨边机是玻璃深加工的设备中最先进的设备之一，其要求磨削质量好、加 工精度高、生产效率高、操作简便，适用于磨削不同尺寸和厚度的平板玻璃。其系统设 计的基本原则是安全、可靠、高效率、低成本。具体要求如下： 1 能保证系统长期稳定运行。 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 实用性：直边的粗磨、半精磨、精磨；粗抛、半精抛、精抛、倒角精磨、抛光 等工序一次完成。 3 操作性：控制系统的人机界面便于操作，画面直观，全部过程采用中文显示， 实时监控生产过程。 4 维护功能：系统具有自我诊断、报警功能，维护方便。 5 价格：系统投资合理，成本低，便于推广使用。 6 主要技术指标： ( 1 ) 速度范围：啦8 1 1 1 ，m i l l ( 2 ) 单边最大磨削量：4 m m ( 3 ) 加工玻璃宽度：3 0 0 4 0 0 0 m m ( 4 ) 加工玻璃厚度：3 2 5 m m ( 5 ) 总功率：5 0 k w ( 6 ) 电压频率：3 8 0 v 5 0 h z ( 7 ) 倒角角度：4 5 。3 。 2 3 玻璃直线双边磨边机的工作原理 图2 2 玻璃直线双边磨边机的磨削过程示意图 f i g2 2w h e tp r o c e s ss k e t c ho f g l a s ss t r a i g h tl i n ed o u b i ee 起j n gm a c h i n e 图2 2 为玻璃直线双边磨边机磨削过程示意图。 把要进行磨边的玻璃放在设备的进料架上，在设备的上位机( 触摸屏) 上设定相关的 工艺参数如玻璃厚度，玻璃磨削后的宽度( 磨削后的宽度= 磨削前的宽度一磨削量，设备的 单边磨磨削量为1 5 。3 蚴) ；设备的夹持机构，开合机构自动调整到相应的夹持厚度和开 合宽度。启动第一组第四组磨头电机，给定设备的主传动，设定传送速度，被磨削玻 玻璃直线双边磨边机电气控制系统 璃在设备夹持机构的夹持下，通过设备两侧的同步带传送向前移动。第一组磨头中的磨 头l 、磨头2 、磨头9 、磨头l o 对玻璃直线平底边进行磨削。第二组磨头中的磨头3 、 磨头1 1 对玻璃下边沿进行4 5 。磨削；磨头4 、磨头1 2 对磨削后的下边4 5 0 倒角进行抛 光。第三组磨头中的磨头5 、磨头1 3 对玻璃的上边沿进行4 5 。的磨削。磨头6 、磨头 1 4 对磨削后上边4 5 。倒角进行抛光当玻璃的前端到达磨头7 、磨头1 5 的中心时，这时 启动第一组抛光机构。磨头7 、磨头1 5 在气动机构的作用下同时向前推进，把玻璃对称 顶住，同时对玻璃的底边进行粗抛光。当玻璃的前端行至磨头8 、磨头1 6 的中心时，启 动第二组抛光机构。磨头8 、磨头9 在气动机构作用下同时向前推进对玻璃的底边进行 精抛光。当玻璃后端离开磨头7 、磨头1 5 中心时，关闭第一组抛光机构，磨头7 、磨头 1 5 复原，等待下一块玻璃，当玻璃后端离开磨头8 磨头1 6 的中心时，关闭第二组抛光 机构，磨头8 、磨头1 6 复原，等待下一块玻璃。当磨削玻璃另外两个边时，在玻璃未进 第一对磨头前给挡抓机构，使玻璃停留在传送带上，调整玻璃的前边与侧边垂直，停留 几秒钟后，收回挡爪，对玻璃进行侧边的磨削，磨削过程同上。经过磨削后的玻璃对角 线相等，同时玻璃上边、下边均进行4 5 。倒角和抛光，完全可以满足后续深加工的工艺 要求。 2 4 玻璃直线双边磨边机控制系统的总体方案设计 1 系统组成 玻璃双边直线磨边机的硬件系统由四部分组成： ( 1 ) 工作台开合控制系统：根据玻璃加工的尺寸来控制工作台的开合。要求该系 统开合速度快，定位精度高。 ( 2 ) 玻璃传送控制系统：传送被加工的玻璃，控制各种磨头的进行顺序及给进控 制。 ( 3 ) 夹持梁控制系统：根据不同玻璃厚度，调整夹持梁的高度，使被加工的玻璃 在夹持梁的夹持下，两边在同步带上进行同步传送。 ( 4 ) 挡爪、磨头电机气动控制系统。 图2 3 为玻璃直线双边磨边机系统控制原理图。 沈阳工业大学硕士学位论文 i 步进5 l 动器i l 步进7 一m “】 i 步进3 e 动器il 步一。】 1 变璺翌ll 苎竺苎竺r - 1 苎竺兰i 二咽巨丑琏 l 第一组 罚 i 蹙垫 i 品卜 军 隔i l 璧鎏 窖晤萝万 吾 i 磨头 由 闻 继 陌面万 电 器 l 星墨 或 晤e 万 接 i 翌鉴 触 嚣隔衙 旧、豁卜 i 地娄 i 限位、报警l广：= i ：= ： i 速度设定l 阿 i 设备急停i阿 图2 3 系统控制原理框图 f i g2 3 s k c t c ho f s y s 电e mc 伽的l 2 系统实施方案 ( 1 ) 开合机构的开合尺寸定位精度控制采用变频器和旋转编码器及变频电机及高 精度丝杠传动机构。 玻璃直线双边磨边机电气控制系统 ( 2 ) 玻璃传送主传动速度控制采用变频器和旋转编码器及变频电机及同步带传动 机构。 ( 3 ) 加工玻璃厚度夹持机构厚度精度控制采用两台k i n c o 公司的步进电机控制系 统及齿轮和齿条机构。 ( 4 ) 采用测量每片玻璃的长度来控制粗抛光、精抛光磨头的时序动作。 ( 5 ) 系统采用三菱p l c ( f ) ( 1 n 6 0 m t ) 进行系统控制。 ( 6 ) 人机界面采用触摸屏( e v i e wm r 5 0 0 ) ，提供各种操作界面和菜单选取。 2 5 玻璃直线双边磨边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 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 上位机实现系统工作所需的工作参数的输入，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p l c 的通讯等功能。在设计人机界面时，要确保 各画面切换自如。 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 本章主要是对玻璃直线双边磨边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。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 玻璃直线双边磨边机电气控制系统的设计和实现 3 1 位置控制技术 位置控制是伺服控制系统的基本功倒”i 。位置控制系统分为开环和闭环两种，在运 动控制系统中，按部件的类型可分为开环、半闭环和闭环伺服系统采用步进电机驱动 的歼环系统，没有位置反馈和系统，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l 嘲。采用赶集伺服电机、交流伺服电机的闭环位置控制，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【1 7 l 。 3 1 1 位置控制的基本原理 一般位置控制都是选用电动机作为驱动部件，电动机轴的转动可以通过丝杠转化为 工作台的直线运动，因此电动机的定位控制实际上就是工作台的位置控制，典型的位置 控制结构如图3 1 所示： 图3 1 典型的位置控制系统结构图 3 11 h e t y p i c a l 咖o f 脚c 删毋咖 以p l c 、交流电动机、交频器、轴脉冲编码器以及高速计数嚣为基本组成，说明位 置控制系统的工作原理：控制对象( 工作台) 的指令位置由p l c 给出，通过d ，a 模块 或r s 4 8 5 接口连接到变频器，变频器调节交流电动机的转速，增量型轴脉冲编码器安装 在交流电动机轴上或丝杠上，编码器的输出脉冲接入p l c 的高速可逆计数器模块。电 玻璃直线双边磨边机电气控制系统 动机的旋转通过传动机构转化为控制对象的运动，高速计数器的值记录了电动机轴或丝 枉的旋转位置，间接或直接地得到了控制对象的实际位置，p l c 根据指令值与实际值艉 。 差值，利用自动控制理论中闭环反馈控制的原理产生控制信号，再次加到变频器上驱动 电动机旋转，这一调节过程持续进行直至控制对象的实际位置与指令位置之闻的差处于 允许的误差范围以内。位置控制的系统框图如图3 2 所示【1 8 l ： 图3 2 位置控制系统框图 f i g 3 2s c h 锄l a l i co f l l l cp o s i 如nc 伽仃o ls y s t e i n 图3 2 中，调速系统由变频器和交流电动枫组成，作为整体控制对象，其传递函数 为一阶惯性环节。在固体摩擦很小、不会产生稳态位置误差或是强调响应速度时。位置 控制器一般选用p d 算法；当由于固体摩擦的影响，在目标值附近存在不敏感区，会产 生固定的定位误差时要通过加入积分补偿构成p d 控制器，以消除这种误差l 嘲。在工业 控制中，常采用的p d 控制算法为： 矿( f ) = 置，印) + 警+ 墨e 印) d r ( 3 - 1 ) 式中：晦为比饲增益；娲为微分系数；硒为积分系数：e 彬= 厨砂一7 御。 由于采用数字计算机控制，p d 控制的实现须用数值逼近的方法，当闭环控制采样 周期相当短时，用差分方程代替微分方程，p d 控制器的算法为： 砧，( f ) = 定，m ) + 乜坐l 竽业+ r 乙印) ( 3 2 ) 式中：r 为闭环采样周期；七为采样序号。 反馈环节厨是为了将反馈结果与指令值的单位进行统一而增加的比例环节，如果 在控制程序中选择反馈值的单位作为统一单位的话，则 l 。 沈阳工业大学硕士学位论文 在许多实际应用的系统，由变频器和交流电动机构成的执行机构在控制输入很小 时。会出现不动作的情况，这就是控制系统的死区，这种死区会造成控制系统的不稳定 和到达稳态的时阀加长。为了消除这种死区的影响，一般在控制环节中采用死区补偿器。 经死区补偿的输出“，就是送往变频器的控制信号，若采用d a 转换输出，由于计 算机中表示数位的精度所限。一般还需要饱和非线性环节，以防止不切实际的控制信号 加到变频器端。 3 1 2 定位过程的分析 定位过程基本曲线如图3 - 3 所示。 轴 v h l 暑 ot i乜t ，h 图3 3 基本定位曲线 f j 9 3 ，3 髓e b a s i c c u r v e o f 融c d p o s 姬 o f l 为加速起动段；其加速度为一；f l 一如为最高速度运转段，其速度为；如 一如为减速制动段，加速度为一；白一，4 为自由滑行段，6 时刻为调整机械设备进入允 许误差的起始时间，在此时刻撤消速度给完，设备依惯性继续滑行，由机械摩擦使其停 车定位运动关系如下； s = & 一r v 。d f = 晶一f 口。曲= 瓯一口。f 2 2 ( 3 - 3 ) 式中：争啦置偏差，岛初始位置偏差。 于是到达的时闻； f l = 肛。 ( 3 4 ) 将( 3 ，4 ) 式代入( 3 3 ) 对，得出在f l 时刻的偏差位置为： s i = & 一圪2 2 口。 ( 3 5 ) 玻璃直线双边磨边机电气控制系统 ( 3 5 ) 式中2 2 盯。是在加速阶段移动的距离。设如一“自由滑行的位移为& ， 摩擦力产生的减速度为4 ，在如时刻的运行速度为蚝，根据( 3 3 ) 、 ( 3 4 ) 、( 3 5 ) 式，可以得出。 德国学者j o 们h i l i lh o l 乜等人在异步电动机的定位控制研究领域发展较深入，对无 传感器的异步电动机位鼍控制提出了新的控制方法1 2 0 0 ”，其方法既免去了传感器又降低 了成本，由于免除了传感器而提高了可靠性，勿容置疑j o l l i mh o 等人的研究成果， 将会发展成十分有潜力的新的应用技术。 3 ，1 3 步进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。 步进电机运动系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。纯硬件盼步 进电机控雠器由脉冲发生器、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，藤且可靠性也会大为提高1 2 2 1 。 3 2 变频调速系统基本原理 目前，从数百千瓦级的家用电器直到数千千瓦级乃至数万千瓦级的调速传动装置， 可以说无所不包的都可以用交流调速传动方式来实现。交流调速传动己经从最初的只能 用于风机、泵类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制。从性 能价格比的角度评价，交流调速装置已经优于直流调速装置1 2 3 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 目前人们所说的交流调速传动，主要是采用电子式电力变换器对交流电动机的变频 调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变级调速、定予调鹾调速、转差 离合器调速等，虽然仍在特定的场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会祓变频 调速所取代。 交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性透 展有关，它们是电力电子器件( 包括半控型和全控型器件) 的制造技术、直接转矩控钊技 术、p w m ( p l l l s cv n d l l lm d d u i 撕) 技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全 数字控制技术等。 交频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、徽电子技术 和计算机技术的基础上洲。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动视进 行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范 围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以 进行快速的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较 大负载在启动对，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电 流，解决大负载的启动问题。电源功率因数大，所需容量小，可以组成高性能的控制系 统等。变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别( 如 电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等) ，并立即封 锁输出电压。这种“自我保护”的功能。不仅保护了变频器，还保护了电钒不易损坏。 3 2 1 变频调速的基本原理 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一令旋 转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将 切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此