（机械制造及其自动化专业论文）全自动螺钉装配机控制系统的研究.pdf

五邑大学硕士学位论文 摘要 全自动螺钉装配机是对实现螺钉、铁芯和塑料排三种零件组成接线端子装配体的装 配。需要装配1 2 个铁芯及螺钉到相应的塑料排的孔中。完成的功能是，首先，将铁芯 推入塑料排中，然后将螺钉拧入已装配到塑料排中的铁芯里。最后检测是否有不良品， 将不良品排除，只取正品。 本文以螺钉装配机为研究主体，利用可编程控制器( p l c ) 作为控制系统的主要控 制单元，结合伺服控制以及触摸屏等工业控制技术，实现螺钉装配机的全自动控制。移 动工作台装置采用脉冲发生器f x 2 n 1 p g 结合p l c 进行全自动控制，使得移动工作台 的控制简洁方便；气缸的顺序动作控制是利用p l c 采用顺序控制的方法实现的，这种 方法不仅成本低，而且编程简单、控制方便。采用步进电机和伺服电机相结合的控制方 法实现拧螺钉，使得装配螺钉的速度快，定位精确，拧螺钉效率高；触摸屏和p l c 的 结合，让控制系统的性能更加安全可靠，使得整套设备成为操作方便、高效自动化的机 电一体化产品。 关键词：螺钉装配机；p l c ；气缸；电机；伺服系统；触摸屏 全自动螺钉装配机控制系统的研究 a b s t r a c t a u t o m a t i cb o l ta s s e m b l em a c h i n ei sam e c h a n i c a ld e v i c ew h i c hc a nc o n t i n u o u s l yf i ti n b o l t , i r o nc o r e , t h ep l a s t i cp l a t o o n t h e r ea r et w e l v eb o l t sa n di r o nc o r et of i ti no n et i m e t h e f u n c t i o nc a nb ee x p a t i a t e da sf o l l o w s f i r s t , p u s ht h ei r o nc o r ei n t ot h ep l a s t i cp l a t o o n , a n d t h e ns c r e wt h eb o l ti n t ot h ep l a s t i cp l a t o o n , a n di nt h ee n d ，c h e c kt h ep r o d u c ta n dr e m o v et h e w a s t e r a u t o m a t i cb o l ta s s e m b l em a c h i n ei sr e g a r d e da st h es u b j e c ti nt h i sp a p e r t l 圮a u t o m a t i cc o n t r o lb o l t a s s e m b l em a c h i n ei sr e a l i z e d , p l cu s e da st h ep r i m a r yc o n t r o lu n i to ft h ec o n t r o l s y s t e m ，a n dt h e t e c h n o l o g yo ft h es e r v o - c o n t r o la n dt o u c hs c r e e na r ea d a p t e d n ef x 2 n 1p ga n dp l ca r eu s e dt or e a l i z e a u t o m a t i cc o n t r o lo ft h em o t i o no ft h ep i p e l i n i n gp u l l i n gb o a r dm e c h a n i s m w i t l lt h i sm e t h o d ，t h em o t i o n c o n t r o lb e c o m e sc o n v e n i e n t ；t h ec y l i n d e r so r d i n a lc o n t r o li sr e a l i z e dw i t ht h ep l c so r d i n a lc o n t r o l f u n c t i o n 1 1 增c o s to ft h i sm e a n si sl o w , t h ep r o g r a m m i n gi ss i m p l e t h ec o n t r o li sc o n v e n i e n t 1 1 地s t e p p i n g m o t o ra n ds e r v om o t o ra r eu s e dt os c r e wt h eb o l ti n t ot h ep l a s t i cp l a t o o n ；t h i sm e a n sm a k et h e9 a 脚 q u i c k l y , t h ep o s i t i o n i n gi sp r e c i s e ，t h es c r e w i n ge f f i c i e n c yh i g h t o u c hs o r e e l la n dp l ca r ec o m b i n e d , w h i c hm a k e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e ms a f e ra n dm o r er e l i a b l e i nt h i sw a y , t h eu n i to f e q u i p m e n t sb e c o m e sm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ci n t e g r a t i o np r o d u c t si nr e a ls e n s e k e yw o r d s ：b o l ta s s e m b l em a c h i n e ；p l c ；c y l i n d e r ；m o t o r ；, s e t v os y s t e m ；t o u c hs c r e e n n 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用的 一切资料均已在参考文献中列出。 作者：刘刚 签字：刘 刚欠l l 冈t 2 0 0 8 年3 月1 5 日 五邑大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1自动化发展概述 自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或 控制的过程i l l 。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、 医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力 劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳 动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和 科学技术现代化的重要条件和显著标志。例如，在机械工程领域，生产线的自动化程度 就标志着一个企业的现代程度。 1 1 1发展概况 1 9 4 6 年，美国福特公司的机械工程师d s 哈德最先提出“自动化”一词，并用来描述 发动机汽缸的自动传送和加工的过程。5 0 年代，自动调节器和经典控制理论的发展， 使自动化进入到以单变量自动调节系统为主的局部自动化阶段。6 0 年代，随着现代控 制理论的出现和电子计算器的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，使自动化进入 到生产过程的最优控制与管理的综合自动化阶段。7 0 年代，自动化的对象变为大规模、 复杂的工程和非工程系统，涉及许多用现代控制理论难以解决的问题。这些问题的研究， 促进自动化的理论、方法和手段的革新，于是出现了大系统的系统控制和复杂系统的智 能控制，出现了综合利用计算机、通信技术、系统工程和人工智能等成果的高级自动化 系统，如柔性制造系统、办公自动化、智能机器入、专家系统、决策支持系统、计算机 集成制造系统等t 3 13 。 现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化 技术的革新提供了必要条件t 3 3 1 。7 0 年代以来，自动化开始向复杂的系统控制和高级的 智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自 动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调 度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统 等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济 管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发 和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。工 全自动螺钉装配机控制系统的研究 厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得 到迅速发展。 1 1 2发展的社会影响 自动化是一r j 涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，是新的技术革命的一个 重要方面。自动化技术的研究、应用和推广，对人类的牛产、t 匕活等方式将产生深远影 响。牛产过程自动化和办公室自动化可极大地提高社会生产率和工作效率，1 了约能源 和原材料消耗，保证产品质罱，改善哆：l ：动条件，改进牛产。i ：艺和管理体制，加速社会的 产业结构的变革和社会信息化的进程1 3 4 1 。 1 2 螺钉及螺钉装配机概述 1 2 1螺钉及螺钉装配机 螺钉是装配机器用连接彳i 可缺少的基本几件，它应用非常广泛，小到微电予元件， 大到重型机械设备，都要用到不同种类，彳i 同型号的螺钉来紧固零件，其紧固的质量直 接影响被紧固设备的使用和安全。接线端子在电路的布置中有着广泛的应用，是布线中 不叮缺少的元件，它可以节省空间，令撕j 线简单，合理，有条4 i 紊，是人量使用的元件。 本义所研究的接线端予如图1 一l 所示。 图1 一l 接线端子 本文所述的螺钉装配机的功能是将1 2 个金属芯以f 确的位置推入塑料排中，然后 将1 2 个螺钉拧入螺孔，使螺钉、金属芯和塑料排装配为一个整体。傅1 4 秒完成一个产 品的装配。 1 2 2螺钉装配机产生的背景和意义 现代制造业飞速发展，各种各样的机器设备层出不穷。不管是多小的设备，都离不 开螺钉来紧固。而随着人们生活水平的提高，各种设备的需求量逐年增加。单纯的用手 工来紧固螺钉显然满足不了| 二| 益增加的生产需求，同时，手工操作生产效率低，产品质 量不稳定，不能满足现代工业的要求。当今，不断提高产品的技术含量，追求高效节能， 五邑大学硕士学位论文 最大限度地获取经济效益已经成为企业组织生产所遵循的基本原则，同时也是现代化工 业的要求。接线端子是电路设计布线中经常使用的元件，合理的使用接线端子能使电路 简单明了，不仅利于布线，节省空间，而且对于电路的接线也可以一目了然。本文所研 究的螺钉自动装配机就是专门用来完成接线端子的装配的。作为一种专门的螺钉装配 机，对于实现其它生产线的自动化都具有很大的参考价值和研究价值。因此，螺钉自动 装配机的研制就具有重要的理论意义和实际意义。 1 3 本文研究的主要内容 本文所研究的全自动螺钉装配机的控制系统是采用日本三菱公司的f x 2 n 系列p l c 作为主控制单元，结合位置伺服控制、触摸屏及气缸等工业控制技术，实现螺钉装配机 机的全自动控制。第一章主要对自动化和螺钉装配机进行简要概述，明确课题研究的背 景及意义，阐述自动化在工业生产中的重要地位和作用，确保采用自动化技术能够实现 螺钉装配机的可行性；第二章首先对螺钉装配机的工作过程及主要机械组成部分进行简 单的介绍，明确各主要部件的工作原理，设计了工作时序图，对所要控制的对象及控制 要求进行了介绍。第三章主要介绍了p l c 的工作原理、主要特点及应用现状等。第四 章在充分了解螺钉装配机的主体机械结构以及具体的工作流程之后，最后应用p l c 对 螺钉装配机控制系统进行总体设计；主要对移动工作台的控制、送金属芯和螺钉的气缸 控制以及紧固螺钉的步进电机与伺服电机的控制进行详细的研究，给出具体的控制方 法；第五章主要对螺钉装配机的p l c 控制程序进行设计。程序编写完成以后，利用模 拟调试软件对控制程序进行模拟调试实验，检验程序的正确性，保证程序是可执行的正 确的控制程序：第六章利用h i t e c ha d p 6 0 触摸屏软件进行人机界面的设计，使得螺 钉装配机的控制操作更加方便和直观化。 3 全自动螺钉装配机控制系统的研究 第二章螺钉装配机及其控制对象与要求 2 1 螺钉装配机的主要工作过程概述 本文研究的螺钉装配机是将1 2 个金属芯装配到塑料排中，然后将1 2 个螺钉紧固到 已装有金属芯的塑料排中，最后装配成具有1 2 位的接线端子。由于装配一个成品需要 1 2 个工位才能完成，所以设计工序时，采用了双线装配的方式，这样就只需6 个工位即 可完成一个成品的装配，节省了时间，提高了效率。该设备的主要生产流程如图2 一l 所示。 塑料排、金属芯 及螺钉的上料 将金属芯送入塑 料排 将螺钉压入以装配 有金属芯的塑料排 用紧固装置将 螺钉紧固 图2 一l螺钉装配机的主要生产流程 根据螺钉装配机的主要生产流程，其主要工作过程概述如下：首先由金属芯自动上 料装置、螺钉自动上料装置及塑料排自动上料装置将金属芯、螺钉及塑料排上料；然后 移动工作台前进到各个加工工位位置，由于本装配机采用的流水线同步工作方式，所以 在各个工位上将金属芯和螺钉同步的装配到塑料排中；之后检测产品，将正品送出，将 不良品排除；最后，移动工作台回到初始位置，准备开始下一个循环周期。根据螺钉装 配机的工作流程，设计了螺钉装配机的工作时序图，见附录a 。一个周期为1 4 s 。 2 2 螺钉装配机的主要组成部分介绍 螺钉装配机是进行螺钉装配的专用机器，其组成部分多，结构复杂，其主要机构的 功能及p r o e 模型介绍如下： ( 1 ) 金属芯、螺钉及塑料排自动上料装置：这三个装置的功能都是实现原料的自 动上料。金属芯自动上料装置是利用振动原理将散放在振动盘里的金属芯排列成与所需 方位相反1 8 0 度的位置，确保金属芯连续以所需方位供应。该装置由生产振动盘的厂家 生产。螺钉自动上料装置也是利用振动原理将散放在振动盘里的螺钉排成一列，顺着螺 钉槽上料，以保证螺钉的连续上料。塑料排上料装置是利用重力的作用，将塑料排放在 斜轨上，在其后面加一个重物，使其自动滑落。当原料少于5 个的时候或者摆放方位不 4 五邑大学硕士学位论文 对的时候，控制系统的检测装置发出报警信号。塑料排上料装置的模型如图2 2 所示 螺钉上料装置的模型如图2 3 所示。 图2 2 塑料排上料装置模型 图2 3 螺钉上料装置模型 ( 2 ) 推送金属芯、螺钉的装置：它们的功能都是将原料推送到加工工位上。金 属芯的推送利用了2 个气缸。该装置的设计十分巧妙，大大节省了工艺的复杂性，首先 用一个换向装置将金属芯换向1 8 0 ，之后用气缸将其直接推入塑料排中，其换向装置的 模型如图2 4 所示，推块装置的模型如图2 5 所示。螺钉推送装置首先利用气缸将螺 钉从气管中吸到螺钉工作台上的孔中，然后将工作台推送到放入螺钉的工位，然后在用 气缸将其压入塑料排中，在气缸压螺钉之前，必须用气缸将塑料排中金属芯顶住，使螺 钉能顺利准确的压入。其装置的模型如图2 6 所示。 尘旦丝些坠茎些堡堡型至竺竺丝垒 阁24 换向裟置的模型 图2 6 推送螺钉装置模型 图2 5 推送塑料排推块 ( 3 ) 移动工作台装置：移动工作台是螺钉装配机中很重要的一部分，它的作用是带 动塑料排到f 一个装配工位上。它是由伺服电机通过滚珠丝杠带动其运动，对其进行位 置控制，以实现工作台的准确移动，每次定位的误差不能超过00 5 m m ，一个周期的累计 误差不能超过0 ，l m m 。移动工作台的模型如图2 7 所示。其上有5 个单向弹片，用来 拖动塑料排移动。 皇兽銮兰鎏圭兰垡笙蚤 图2 7 移动工作台装置的模型 ( 4 ) 紧固螺钉装置：紧圃螺钉装置主要是由一个步进电机和两个伺服电机组成，是 由一个步进电机连接滚珠丝杠来带动两个伺服电机的运动，伺服电机通过连接螺刀 来实现螺钉的紧固。具体的动作是，首先由步进电机带动两个伺服电机向下运动5 m m ， 之后停止02 s ，同时伺服电机丌始反转一圈后停止，o 2 s 后步进电机和伺服电机以配合 的速度和加速度向下运动5 4 m m ，通过伺服电机带动螺刀将螺钉拧紧。拧紧之后，在同 时反转提升2 6 m m 。之后伺服电机停止转动，步进电机带动整个装置返回原位。其装置 如图2 8 所示。 图2 8 紧固螺钉装置的模型 ( 5 ) 检测下料装置：检测装置由一个气缸带动1 2 个探针的组成，当产品是正品时， 探针向上顶起，电路导通，当产品是不良品时，必有一个探针不能顶起，电路不导通， 发出信号，由气缸推开滑轨，在下一个周期不良品将沿斜槽滑落。其检测装置的探针组 件模型如图2 9 所示。 全自动螺钉装配机控制系统的研究 图2 9 检测装置模型 2 3 控制功能要求及控制对象 2 3 1功能要求及其实现的主要控制方式 功能：首先，将铁芯推入塑料排中，然后将螺钉拧入已装配到塑料排中的铁芯里。最后 检测是否有不良品，将不良品排除，只取正品。 要求：时间：一个周期在1 5 s 之内。 拧螺钉：要限制拧螺钉的转矩。拧螺钉之前首先要反转1 圈。拧入螺钉之后还要 反转将螺钉再拧出2 4 m m 。 主要控制方式：移动工作台：利用伺服控制系统实现对移动工作台的定位控制。 拧螺钉的控制：利用p l c 对步进电机及伺服电机进行起停控制。 气缸的控制：利用p l c 控制电磁阀来实现对气缸动作的控制。 2 3 2伺服控制系统概述 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速 度及动力输出的自动控制系统1 3 2 1 。它是自动化控制系统的一个分支，是伴随着电的应用 而发展起来的，最早出现于2 0 世纪初。1 9 3 4 年第一次提出了伺服机构( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个词，随着自动控制理论的发展，到2 0 世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成 熟，并得到了广泛地应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技 术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更加是如虎添翼、突飞猛进，它的应用几乎遍及 社会的各个领域。伺服系统在机械制造行业中用得最多最广泛，各种机床运动部分的速 度控制、运动轨迹控制、位置控制等，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成 转动控制、直线运动控制，而且能够依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运 动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。它们可以完成的运动控 制精度高，速度快，远非一般人工操作所能达到。 固 五邑大学硕士学位论文 2 3 3交流伺服电机的主要特点 交流伺服电机的工作原理：交流伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 u n w 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信 号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度 9 1 0 交流伺服 电机的精度决定于编码器的精度( 线数) 。因为是正弦波控制，所以交流伺服电机的转 矩脉动小1 。交流伺服电机的主要特点如下啪1 ： ( 1 ) 控制精度高：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。以松下 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 。1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。由于伺服控制器具有电子齿 轮，通过它可以大范围的调整脉冲当量值，使得满足不同的需要。 ( 2 ) 矩频特性好：交流伺服电机在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r m i n 或3 0 0 0 r r a i n ) 以内 为恒转矩输出，在额定转速以上为恒功率输出。 ( 3 ) 具有过载能力：以瑞合5 7 b l 系列交流伺服电机为例，电机的最大转矩是其额定 转矩的3 倍，对有瞬间负载波动和要求快速启动的场合特别实用。 ( 4 ) 力i 1 速性能好：交流伺服系统的加速性能较好，如瑞合5 7 b l ( 3 ) 系列交流伺服电机， 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。 2 3 4三菱交流伺服电机及其驱动器的概述 由于移动工作台装置的控制是位置控制，控制精度要求高，在一个周期内累计误差 不能超过0 1 m m ，每一次定位的误差不能超过0 0 5 r a m ，且电机通过滚珠丝杠带动整个 移动工作台动作，所需扭矩比较大，发生过载的可能性比较大。交流伺服电机具有良好 的性能，位置控制精度高，过载能力强，因此选用交流伺服电机作为移动工作台的驱动 装置。经过综合考虑，选用三菱公司的交流伺服电机及与其配套的伺服驱动器。 三菱通用交流伺服m e l s e r v o j 2 s u p e r 系列是在m e l s e r v o - j 2 系列的基础上开 发的具有更高性能的更多功能的伺服系统1 1 4 1 0 其控制模式有位置控制，速度控制和转矩 控制3 种模式。还有位置速度控制、速度转矩控制、转矩位置控制这些切换控制方式 可供选择。m e l s e r v o - j 2 s u p e r 系列的伺服电机编码器采用了分辨率为1 3 1 0 7 2 脉冲 转的绝对位置编码器，具有高精度控制的能力1 1 4 1 0 ( 1 ) 位置控制模式 可通过最大5 0 0 k p p s 的高速脉冲串控制电机速度和方向。位置控制的分辨为 1 3 1 0 7 2 脉冲转。此外还提供了位置斜坡功能，并可以根据机械状况从两种模式中 o 全自动螺钉装配机控制系统的研究 进行选择。当位置指令脉冲急剧变化时，该功能实现了平稳的启动和停止。通过实 时自调整，可以根据机械的情况自动地设置增益。急剧加减速或过载而造成的主电 路过流会影响功率器件，因此伺服放大器中采用了嵌位电路以限制输出转矩。转矩 的限制可用模拟量输入或参数设置的方式调整。 ( 2 ) 速度控制模式 通过模拟速度指令( 0 t 0 v d c ) 和参数设置的内部设定( 最大7 速) ，可 对伺服电机的速度和方向进行高精度地平稳控制。另外，还具有用于速度指令的加 速时间常数设定功能、停止时的伺服锁定功能和用于模拟量速度指令的偏置自动调 整功能。 ( 3 ) 转矩控制模式 通过模拟量转矩输入指令( o 8 v d c ) 或参数设置的内部转矩指令可控制 伺服的输出转矩。为防止无负载时电机速度过高，可通过模拟量输入或参数设置来 设定速度控制。本功能可用于张力控制等场合。 伺服控制系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构 成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的失步或过冲现象，控制性能更为可靠1 2 9 3 。 伺服驱动器是用来接收上位机的控制信号去控制伺服电机的装置。 2 3 5步进电机概述 步进电机又称脉冲电机，它是有脉冲信号控制的一种特种电机。对应于每一个电 脉冲，电机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或直线位移1 9 1 。 电机运动的步数由脉冲决定，运动方向由脉冲相序控制1 3 9 | 0而在一定时间内转过的角 度或移动的距离由脉冲频率决定。步进电机能够快速启动，正、反转和制动，并且可通 过改变脉冲频率在很宽的范围内调速1 4 0 1 。由于步进电机可以实现数字信号转换，因此， 目前它是自动控制系统以及数字控制系统中广泛采用的执行元件“。步进电机的主要性 能指标如下1 3 5 1 ( 1 ) 最大静态转矩：指步进电机在规定的通电方式下矩角特性上转矩的最大值。 ( 2 ) 步距角：每输入一个电脉冲信号，转子转过的角度。 ( 3 ) 静态步距角误差：实际的步距角与理论的步距角之间的差值。 ( 4 ) 启动频率和启动矩频特性：启动频率又称突跳频率，是指步进电机能够不失 步启动的最高脉冲频率。启动矩频特性是指，在一定的负载惯量下，启动频 率随负载转矩变化的特性。 1 0 五邑大学硕士学位论文 ( 5 ) 运行频率和运行矩频特性：运行频率是指，步进电机启动后，当控制脉冲频 率连续上升而维持不失步的最高频率。运行矩频特性是指，当电机带着一定 负载运行时，运行频率与负载转矩大小之间的关系。 ( 6 ) 额定电流：指步进电机不动时，每相绕组允许通过的电流。 ( 7 ) 额定电压：指驱动电源供给的电压。 2 3 6气动技术、气缸及电磁阀概述 气动技术是指以压缩空气为工作介质，实现动力传递和控制的技术，也称气压传动 技术阱1 。一个典型的气动系统是由方向控制阀、气动执行元件、各种气动辅助元件以及 气源清净化元件所组成。由于气动技术具有经济、安全可靠、便于操作的特性，因此在现 代工业中得到越来越广泛的应用。随着科学技术和电子信息产业的发展，电子设备大都朝 着自动或半自动化的方向发展，由于气动技术是低成本自动化的最佳手段，并且具有非常 广泛的工作适应性，再加上微电子技术、现代控制理论与气动技术相互结合，使得气动技 术已成为电子设备中不可缺少的部分。在气动技术中，控制元件与执行元件之间的相互作 用是建立在一些简单元件基础上的。根据任务要求，这些元件可以组合成多种系统方案。 由于气动技术使机构或设备的机械化程度大大提高，并能够实现完全自动化，因此，气动技 术在“廉价自动化方面做出了重大贡献。实际上，单个气动元件( 如各种类型气缸和控 制阀) 都可以看成是模块式元件，这是因为气动元件必须进行组合，才能形成一个用于完 成某一特定作业的控制回路1 3 6 1 。 气动系统常常是由少量气动元件和若干个气动基本回路组合而成的。气动系统的组 成具有可复制性，这为组合气动元件的产生与应用打下了基础。一般来说，组合气动元件 内带有许多预定功能，如具有1 2 步的气机械步进开关，虽然被装配成一个控制单元，但却 可用来控制几个气动执行元件。间歇式进料器也常作为整个机器的一个部件来提供。这 样就大大简化了气动系统的设计，减少了设计人员和现场安装调试人员的工作量，使气动 系统成本大大降低。采用气动技术解决工业生产中的问题时，其特征是灵活性强，既适用 于解决某种问题的气动技术方案，也适用于解决其它场合的相同或相似的问题。既然空气 动力在气源与完成各种操作的工位之间不需要安装复杂的机械设备，因此，在各工位相距 较远的场合应用气动技术是再合适不过了。对于需要高速驱动情况，优先选择全气动设备 是合适的。在各种材料的操作过程中，很少要求各顺序动作具有较高的进给精度，且在这 些操作中设计的力也较小，因此，采用气动技术不仅可以完成这些操作，而且进给精度不会 超越其技术允许范围。除了通过机械化来达到降低成本、提高生产率的目的外，在实际工 i l 全自动螺钉装配机控制系统的研究 程中，决定采用气动技术主要是由于其具有结构简单、事故少、可用于易燃易爆和有辐射 危险场合等特点。纵观整个生产加工过程，有许多要掌握的技术问题，但这些技术问题在 不同工程领域中是相似或相同的。同样，对相同或相似的技术问题，若采用气动技术作为 其解决方案，也存在着不同领域技术上的重复问题。因此，若给出各种合理应用准则，那么， 在工业部门的许多领域中，就可以广泛应用气动技术，以提供功能强大、成本低、效率高 的控制和驱动。 气缸是能够实现往复运动的气动元件。单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现 一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力 等。双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双 活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，通过电磁阀对流体流向的控制来控制气 缸的往复运动“1 。它是由电磁线圈和磁芯组成，是包含一个或几个孔的阀体。当线圈通 电或断电时，磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断，以达到改变流体方向的目的。 电磁阀的电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成；阀体部分由滑阀芯、滑阀套、 弹簧底座等组成。电磁线圈被直接安装在阀体上，阀体被封闭在密封管中，构成一个简 洁、紧凑的组合。我们在生产中常用的电磁阀有二位三通、二位四通、二位五通等。这 里先说说二位的含义：对于电磁阀来说就是带电和失电，对于所控制的阀门来说就是开 和关。 2 3 7气缸的选择原则 由以上可知，通过电磁阀与气缸的配合，来完成机械的往复运动。气缸的选择主要 由以下因素决定。 l 、类型的选择 根据工作要求和条件，正确选择气缸的类型。 2 、安装形式 根据安装位置、使用目的等因素决定。 3 、作用力的大小 即缸径的选择。 4 、活塞行程 与使用的场合和机构的行程有关，但一般不选满行程，防止活塞和缸盖相碰。如用于夹 紧机构等，应按计算所需的行程增加1 0 , - , - - 2 0 咖的余量。 1 2 五邑大学硕士学位论文 5 、活塞的运动速度 主要取决于气缸输入压缩空气流量、气缸进排气口大小及导管内径的大小。要求高速运 动应取大值。气缸运动速度一般为5 0 - - - 8 0 0m - s 。 气缸的选型： 程序l ：根据操作形式选定气缸类型： 气缸操作方式有双动，单动弹簧压入及单动弹簧压出等三种方式 程序2 ：选定其它参数： l 、选定气缸缸径大小根据有关负载、使用空气压力及作用方向确定 2 、选定气缸行程工件移动距离 3 、选定气缸系列 4 、选定气缸安装型式不同系列有不同安装方式，主要有基本型、脚座型、法兰型、u 型钩、轴耳型 5 、选定缓冲器无缓冲、橡胶缓冲、气缓冲、油压吸震器 6 、选定磁感开关主要是作位置检测用，要求气缸内置磁环 7 、选定气缸配件包括相关接头 方向控制阀的选型： l 、方向控制阀系列的选择 应根据所配套的不同的执行元件选择不同功能系列的阀 2 、方向控制阀规格的选择 选择阀的流通能力应满足系统工作要求，即应根据气动系统对元件的瞬时最大流量的要 求来计算阀的通径。 3 、控制方式的选择 应根据工作要求及气缸的动作方式选择合适的换向阀控制方式。 4 、使用电压的选择 应根据气缸的工作电压选择合适的控制阀。 2 4 本章小结 本章首先概述了螺钉装配机的主要工作过程，然后对螺钉装配机的主要组成部分进 行了详细的说明，之后对其控制功能和要求进行了简要的说明和总结，最后对其控制的 对象进行了详细的介绍。 1 3 全自动螺钉装配机控制系统的研究 第三章可编程控制器( p l c ) 3 1可编程控制器简介 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 简称p c ，是6 0 年代末在继电器控制系统 的基础上开发出来的，最初叫做可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ， 即p l c 。为了与个人计算机p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 相区别，人们习惯上将可编程控制 器称为p l c ，它是一种存储程序控制器。随着计算机技术的飞速发展，可编程控制器逐 渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工 业控制装置。由于p l c 具有可靠性高、抗干扰能力强、通用性好、编程简单、使用方 便、易于安装和维护等优点，因而在机械、化工、食品、金属、包装、交通、电力等领 域中有着广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱( p l c 、机器人和c a d c a m ) 之 一【4 盯。 3 2p l c 的硬件组成及工作原理 p l c 是一种存储程序控制器，用户根据某一具体的控制要求，编制好程序后，用编 程器键入p l c 的用户程序到存储器中寄存，p l c 的控制作用就是通过用户程序来实现 的。世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件系统都大 体上相同，主要由中央处理器模块、存储器模块、输入输出模块、编程器和电源等几部 分构成。p l c 的硬件系统结构图如图3 1 所示1 3 3 1 0 可编程控制器在确定了工作任务，装入专用程序后就成为一种专用机，它采用循环 扫描的工作方式，系统工作任务管理以及应用程序执行都是按照循环扫描方式完成的。 p l c 有两种基本的工作状态，即运行( r u n ) 状态与停止( s t o p ) 状态，其中运行状 态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。在运行状态，p l c 通 过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使p l c 的输出及时地响应随时 可能发生的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到p l c 停机或是切换到停止工作状态。p l c 程序执行的过程如图3 2 所示。 1 4 五邑大学硕士学位论文 p c ( t ：位机) r s 2 3 2 c 4 2 2 ii 电源 编程软件 数字输入1i 数字输入口li r s 2 3 2 c i。i 数字输l l 口l。i 数字负载 模拟输入卜- 1 模拟输入口l 。c p u 卜_ - 1 模拟输j i iu 卜_ - 1 摸拟负载 扩展输入口 存储器卜1 编程器 扩展输j i i 口 图3 1p l c 硬件系统结构图 输输 执输输 入入 行 出出 入 用映 端 端 映 子像 户 像子 寄 程寄 序存 存 器 器 输入采样程序处理输出刷新 j l i l l jk 1 ，r 1 1r 1 1 r l 反复一个周期称为扫描周期 图3 2p l c 程序执行过程 除了执行用户程序外，在每次循环过程中，p l c 还要完成内部处理、通信处理等 工作，一次循环可以分为5 个阶段，如图3 3 所示。 1 5 全自动螺钉装配机控制系统的研究 图3 3p l c 扫描过程阶段图 p l c 的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速 度极高，从外部输入输出关系看，处理过程似乎是同时完成的。内部处理阶段，p l c 要检查c p u 模块的硬件是否输入处理正常，复位监视定时器等；在通信操作服务阶段， p l c 与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示程序执行内容等， 当p l c 处于停( s t o p ) 状态时，只进行内部处理和输出处理通信操作服务等内容；在 p l c 处于运行( r u n ) 状念时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输 出，一直循环扫描工作。扫描周期是p l c 的一个很重要的指标，其时间长短取决于扫 描速度和用户程序的长短。对于一个选定的p l c ，合理编制程序是缩短响应时间的关键。 3 3p l c 的主要特点 p l c 的诞生给工业控制带来了一次革命性的飞跃，与继电器、微机控制相比，p l c 有其独特之处，下面来看其特点1 4 5 1 。 l 、灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好的 电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果 因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除， 而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力、和时间。而p l c 是通过 在存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改变，只需修改程序及少量接线即可。 而且，同一台p l c 还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要 求。因此，p l c 具有很大的灵活性和通用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规 模、不同工业控制要求。 2 、可靠性高、抗干扰能力强 可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，要求在各种恶劣工作环境和条件f 如电 磁干扰、灰尘等) 下可靠工作，将故障率降至最低。p l c 具有很高的可靠性和抗干扰能 力，不会出现继电器一接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象，故被称为 1 6 五邑大学硕士学位论文 “专为适应恶劣工业环境而设计的计算机 。 为了进一步提高可靠性。p l c 还在硬件和软件两方面采取了以下措施 硬件措施，电源变压器、c p u 、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽，以 防外界干扰。供电系统及输入线路采用多种形式滤波，如l c 或n 型滤波网络，以消除 或抑制高频干扰，以及各种模块间的相互影响。c p u 所需5 v 电源，采用多级滤波，并 用集成电压调整器进行调整，以消除交流电网波动和过电压、欠电压的影响。c p u 与 i 0 间，采用光电隔离措施，有效地隔离了内部电路与i 0 间的电联系，减少故障和误动 作。 软件措施，监控程序定期地检测外界环境，如出现欠电压、后备电池电压过低及强 干扰信号等故障时，存储器被立即封闭，以防存储信息被冲掉。一旦外界环境恢复正常 后，便继续原来的工作。设置监视定时器w d t ( w a t c hd o gt i m e r ) ，如果程序每次循环 执行时间超过了w d t 规定时间，表明程序进入死循环，立即报警。加强对程序的检查 和校验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行。 3 、编程简单、使用方便 p l c 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言 编程，容易掌握。目前，p l c 大 多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到电气 技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修改灵活方便。这种面 向控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然增加了解释程序和程序执行 时间，但对大多数机电控制设备来说，p l c 的控制速度还是足够快的。此外，p l c 工0 接口可直接与控制现场的用户设备联接。如继电器、接触器、电磁阀等联接，具有较强 的驱动能力。 4 、接线简单 p l c 只需将输入设备( 如按钮、开关等) 与输入端子联接，将输出设备( 如接触器、电 磁阀等) 与输出端子联接。接线极其简单、工作量极少。 5 、功能强 p l c 不仅具有条件控制、记时、计数、步进等控制功能，而且还能完成a d 、d a 转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，p l c 既可对开关量 进行控制，又可对模拟量进行控制。可控制一台单机、一条生产线，也可控制一个机群、 多条生产线。可用于现场控制，也可用于远距离控制。可控制简单系统，又可控制复杂 系统。 1 7 全自动螺钉装配机控制系统的研究 6 、体积小、重量轻、易于实现机电一体化 p l c 具有体积小、重量轻、功耗低等特点。由于p l c 是专为工业控制而设计的专 用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，以及有很强的可靠性和抗干扰能力，易于嵌入机械 设备内部。因此，p l c 在机电一体化产品中被广泛应用。 3 4p l c 的应用现状 p l c 的应用相当广泛4 7 1 。 l 、开关量的逻辑控制 p l c 的最基本的控制功能是实现开关量逻辑控制。所控制的逻辑可以是时序、组合、 延时、计数、不计数等。控制的输入、输出点数可以不受限制。少则十点、几十点，多 则成千上万点，并可通过联网来实现控制。用p l c 进行开关量控制主要用于冶金、机 械、纺织、轻工、化工等领域。 2 、模拟量的闭环控制 p l c 具有a d 、d a 转换及算术运算等功能，可以实现模拟量控制。有的p l c 还 具有p i d 控制或模糊控制的功能。因此，p l c 可用于闭环的位置控制、速度控制和过程 控制。 3 、数字量的智能控制 利用p l c 可接收和输出高速脉冲功能，配备相应的传感器( 如旋转编码器) 或脉冲伺 服装置( 如环形分配器、功放、步进电机等) 可以实现数字量的智能控制。有的p l c 还具 有较高级的位置控制单元模块、运动单元模块等，主要用来实现曲线插补。新开发的 p l c 运动单元，可以识别数控技术的编程语言，为进行数字量控制提供了方便。 4 、数据采集与监控 p l c 对控制现场进行数据实时显示或采集保存，可随时观察采集下来的数据及统计 分析结果。有的p l c 本身就具有数据记录单元( 如o m r o n 公司的c 2 0 0 h 。) ，可将便 携式计算机存储卡插入该单元，保存采集到的数据。利用p l c 自检信号多的特点实现 自诊断式的监控，减少系统的故障，提高累计平均无故障运行时间，同时可减少故障修 复时间，提高系统可靠性。 5 、通信、联网及集散控制( t d c s ) p l c 通信联网能力很强。除了p l c 与p l c 之间通信和联网之外，p l c 还可与计算 机进行通信和联网，利用计算机对其进行编程和管理。p l c 可与智能仪表、执行装置( 如 变频器等) 进行通信和联网，互相交换数据并实施对其的控制。利用p l c 强大的通信联 l r 五邑大学硕士学位论文 网功能，把p l c 分布到工业控制现场，并实现各站问、上下层间通信，达到分散控制、 集中管理，即构成了d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系统。 3 5p l c 的发展趋势 随着微处理技术的发展，p l c 技术和产品日趋完善。它不仅以其良好的性能满足了 工业生产的广泛需求，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，使其功能更加完备 。 目前，为适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大p l c 在工业自动化领域的应用范 围，p l c 正朝着体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉、容量、高可靠性、高速度、 多功能、网络化的方向发展1 5 0 1 。 l 、c p u 处理速度进一步加快 p l c 的c p u 与计算机的c p u 相比，还处在相当落后的地步，最高级的仅为8 0 4 8 6 。 目前不少厂商正在开发使用6 4 b i t r i s c 芯片，多c p u 并行处理或分时处理或分任务处理， 以及各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，以使p l c 的速度达到n s 级。 2 、分散型、智能型、现场总线型i 0 及模块化结构 控制和事务的并行处理、分散处理，实现危险的彻底分散，对p l c 的研发提出了 新的要求