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硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 摘要 文中对汉江机床厂昆山分厂螺纹磨床电气系统进行重新设计，用工业控制机作为 上位机，p l c 作为下位机，两者共同组成控制系统，从而实现磨床电气自动化控制和 网络控制。 磨床的改造，其中对动力部分的改进是重要的一个环节。将由一台直流电机完成 的带动工件旋转和工作台纵向移动的功能，改由两台交流伺服电机完成，利用运动控 制卡实现对交流伺服电机的精确控制，运用p l c 的位置控制功能实现对运动控制卡的 控制，从而使电机能很好的执行上位机的命令。 磨床电气系统采用用欧姆龙公司生产的p l c 进行自动化控制改造，与此同时保留 了其原有的手动控制功能。设计了p l c 的软件双向通讯功能，可同时对前、后两台 p l c 进行数据通讯。 文末对p l c 的网络控制进行了初步探讨，设计了一个适用于一般中小型企业的工 业局域i 矧络，并实现了对多台p l c 的网络控制。 关键词；自动化控制，p l c ，交流伺服，网络控制 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 a b s t r a c t t h i s p a p e r i n t r o d u c e san e wd e s i g no fg r i n d i n gm a c h i n ee l e c t r i c a l s y s t e m f o r k u n s h a ns u b s i d i a r yc o m p a n yo fh a n j i a n gt o o l s t h i ss y s t e mt a k e si n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e ra su p p e rm a c h i n e ，p l ca sl o w e rm a c h i n e t h e s et w om a c h i n e sm a k eu po f t h e c o n t r o l s y s t e mt o g e t h e r t h en e wd e s i g nr e a l i z e s e l e c t r i ca u t o m a t i z a t i o na n dn e t w o r k c o n t r o lo ft h eg r i n d i n gm a c h i n e t h ei m p r o v e m e n to np o w e rp a r ti sa ni m p o r t a n tt a c h eo ft h er e c o n s t r u c to f g r i n d i n g m a c h i n et h et a s ko fd r i v i n gw o r k ) i e c ec i r c u m g y r a t ea n dm o v i n gw o r k b e n c hi nv e r t i c a l o r i e n t a t i o n ，w a sf u l f i l l e db yo n ed i r e c tc u r r e n te l e c t r o m o t o ri nt h eo r i g i n a ls y s t e m n o wi t i sf u l f i l l e db yt w oa l t e r n a t i n gc u r r e n te l e c t r o m o t o ni ti sm o t i o n a lc o n t r o lc a r dw h o c a r r i e s o u tt h ep r e c i s i v ec o n t r o lo f a l t e m a t i n gc u r r e n ts e r v oe l e c t r o m o t o nt h ec o n t r o lo f m o t i o n a l c o n t r o lc a r di sf u l f i l l e db yu s i n gt h ep o s i t i o nc o n t r o lp o w e ro fp l c a l lt h e s el e a dt oo n e r e s u l t ，t h a ti se l e c t r o m o t o rc a nc a r r yo u tt h eu p p e rm a c h i n e so r d e r c o r r e c t l y t h e g r i n d i n g m a c h i n ee l e c t r i c a l s y s t e m i sr e c o n s t r u c t e db y u s i n gp l c ，w h i c hi s p r o d u c e db yo m r o nc o m p a n y ，t of u f i l le l e c t r i ca u t o m a t i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，i t c o n t a i n si t s o r i g i n a l m a n u a lc o n t r o l p o w e r t h e w r i t e r d e s i g n s o f t w a r em u t u a l c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no f p l c ，i tc a nt r a n s f e ri n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ef r o n ta n dt h eb a c k p l c i nt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ew r i t e rp r o b e si n t o p r i m a r yn e t w o r kc o n t r o lo fp l ca n d d e s i g n a ni n d u s t r i a ll a n ，w h i c hs u i t sf o r g e n e r a ll i t t l eo rm e d i u m s i z e de n t e r p r i s e so nt h e b a s i so f t h el a n ，w ec a nc o n t r o ls e v e r a lp l c t h r o u g ht h en e t w o r k k e y w o r d s ：e l e c t r i ca u t o m a t i z a t i o n ，p l c ，a l t e r n a t i n gc u r r e n ts e r v o ，n e t w o r kc o n t r o l ， 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：呈毪! 垒至： ，4 年夕月五日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 p 。4 年7 月，珀 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 1 绪论 1 1 电气控制国内外研究概况及发展趋势 电气控制系统是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅 速发展的。从最早的手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制 系统，从有触点的硬接线继电器控制系统发展到以计算机为中心的软件控制系统。现 代电气控制技术综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等许多先进的科 学技术成果。 作为生产机械动力的电机拖动，已由最早的采用成组拖动方式单独拖动 生产机械的不同运动部件分别由不同电机拖动的多电机拖动方式，发展成今天无论是 自动化功能还是生产安全性方面部相当完善的电气自动化系统。 继电接触式控制系统主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方 式是断续的，所以又称为断续控制系统。由于这种系统具有结构简单、价格低廉、维 护容易、抗干扰能力强等优点，至今仍是机床和其他许多机械设备广泛采用的基本电 气控制形式。这种控制系统的缺点是采用固定接线方式，灵活性差，工作频率低，触 点易损坏，可靠性差。 从2 0 世纪3 0 年代开始，机械加工企业为了提高生产效率，采用机械化流水作业 的生产方式，对不同类型的零件分别组成自动生产线。随着产品机型的更新换代，生 产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，从而使生产线的机械设备 按新的工艺过程运行，而继电接触器控制系统是采用固定接线的，很难适应这个要求。 大型自动生产线的控制系统使用的继电器数量很多，这种有触点的电器工作频率很 低，在频繁动作情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产线的运行可靠性降低。 为了解决这个问题，2 0 世纪6 0 年代初期利用电子技术研制出矩阵式顺序控制器和晶 体管逻辑控制系统来代替继电接触器控制系统，对复杂的自动控制系统则采用电子计 算机控制，由于这些控制装置本身存在某些不足，均未能获得广泛应用。1 9 6 8 年美 国最大的汽车制造商通用汽车( g m ) 公司为适应汽车型号不断更新，提出把计算 机的完备功能以及灵活性通用性好等优点和继电器控制系统的简单易懂，操作方便， 价格低等优点结合起来，做成一种能适应工业环境的通用控制装置，并把编程方法和 程序输入方式简化，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。根据这一 设想，美国数字设备公司( d e c ) 于1 9 6 9 年率先研制出第一台可编程控制器( 简称 p l c ) ，在通用公司的自动装配线上试用获得成功。从此以后，许多国家的著名厂商对 第1 页 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 此进行研制，各自形成系列，而且品种更新很快，功能不断增强，从最初的逻辑控制 为主发展到能进行模拟量控制，具有数据运算，数据处理和通信网络等多种功能p l c 另一个突出优点是可靠性高，平均无故障运行时间可达1 0 万小时以上，可以大大减 少设备维修费用和停产造成的经济损失。当前p l c 已经成为电气自动化控制系统中应 用最为广泛的核心装置。 数控技术在电气自动化控制中占有十分重要的地位。1 9 5 2 年美国研制成功第一 台三坐标数控铣床，它综合应用了当时电子计算机，自动控制，伺服驱动，精密检测 与新型机械结构等多方面的最新技术成就，成为一种新型的通用性很强的高效自动化 机床，它标志着机械制造技术进入一个新阶段。随着微电子技术的发展，出现了具有 更换刀具功能的数控加工中心机床( m c ) 工。数控技术还在绘图机械，坐标测量机 广泛应用，取得良好效果。 工件在一次装夹中可以完成多种工序的加 激光加工机，火焰切割机等设备上得到了 自2 0 世纪7 0 年代以来，电气控制相继出现了直接数字控制( d d c ) 系统，柔性 制造系统( f m s ) ，计算机集成制造系统( c i m s ) ，综合运用计算机辅助设计( c a d ) 、 计算机辅助制造( c a m ) 、智能机器人、集散控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统等多 项高技术，形成了从产品设计与制造和生产管理的智能化生产的完整体系，将自动制 造技术推进到更高的水平。 计算机直接控制d n c 指一台计算机控制多台数控机床。早期的d n c 系统的功能曾 朝着向替代各台机床数控箱的插补功能的方向发展，主计算机有足够的内存，可以统 一存储与管理大量的零件程序，利用分时操作系统，同时完成一群数控机床的控制与 管理。但在这种系统中，一旦主计算机出现故障，则多台数控机床全部停止工作，而 且由于主计算机的周而复始的扫描，作插补运算和数控分配，对通信系统要求高，使 d n c 系统硬件和软件都很复杂，抵消了简化机床数控箱带来的好处。目前d n c 系统中 每台数控机床都带有各自数控装置，是两级计算机控制。 柔性制造系统( f m s ) 是专指2 0 世纪8 0 年代出现的“一组数控机床，由物料处 理系统连接在一起，并且完全受计算机控制和管理”的系统。 f m s 系统特点主要是柔性： ( 1 ) c n c 系统柔性； ( 2 ) 物料处理系统柔性； ( 3 ) 计算机的柔性； ( 4 ) 系统组织的柔性。 f m s 中的主要设备包括c n c 机床、坐标测量机、自动导向运输装置等。f m s 是实 施联机控制的系统。它的主要设备主要组成若干制造单元，各自担负一定功能，各主 要操作已完全自动化。 第2 页 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 f m s 由自动化物料处理系统和层次式计算机网络组成。物料处理系统包括专门为 f m s 系统服务的自动仓区、装卸站、a g v 和机器人组成的运输系统以及由平板站和平 板交换机等组成的物料暂存区，它控制整个系统物料流动。 在企业从规模经济向品种经济转变的过程中，仅仅依靠计算机技术作基础，只注 意提高加工系统的柔性和控制水平，并不注意发挥f m s 的效能。f m s 系统需要进一步 发展成为更加有力的系统，采用集产品设计、制造和管理为一体的计算机集成制造 ( c i m ) 技术，或称c i m s 。我国现阶段的c i m s 应用与研究着重于信息采集集成及数 据共享，也就是通讯网络技术。数据库在企业中的应用形成自动化控制技术，c a d c a m 是c i m s 的核心。 综上所述，电气控制技术的发展始终是伴随着社会生产规模的扩大，生产水平的 提高而前进的。电气控制技术的进步反过来又促进了社会生产力的进一步提高；同时， 电气技术又是与微电子技术、电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术等紧密联 系在一起的。当前科学技术继续在突飞猛进，2 1 世纪的今天，电气控制技术必将达 到更高的水平。 科技以人为本，电气控制技术的发展应建立在人身和设备的安全之上，假使无法 保证安全，任何新技术的应用都将没有效益可言。 1 2 电气系统设计与控制研制应遵循的原则 所谓电气系统设计与控制应遵循的原则，一言以蔽之：安全! 电气安全包括人身安全和设备安全两个方面。电气安全技术就是保障这两个方面 安全的技术，安全技术与专业技术基础紧密相连，研究专业技术不能不研讨安全技术。 影响电气设备安全运行的主要环节有三个方面：首先是产品设计制造质量及选择正确 与否，产品设计制造质量好，选择正确是保证产品安全运行的先决条件；其次是设备 安装和验收：最后是电气设备投产后运行维护和缺陷管理。作为研发人员，处于三个 环节中的第一环，因此应小心谨慎，力求高质量。电动机型的选择应满足工作环境和 使用要求的条件。电动机的功率必须与生产机械载荷的大小及其持续间断时间的规律 适应。选用电机还应考虑转速要求，启动要求，调速要求，机械特性的要求和安装要 求。项目中两个电机必须同时启动同时停止，当任何一个出现故障，必须先退砂轮， 防止损坏螺纹。因此应设计一个综合监控系统，当任何一个电气元件出现故障，该系 统会示警并显示故障位置，与此同时，将故障源信息输入工控机中，由工控机完成在 线故障处理，从而实现故障临床诊断和处理，实现系统智能化“1 。 第3 负 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 1 3 论文选题的背景 1 3 1 课题来源 本课题是源于工程实际项目“汉江机床厂昆山分厂螺纹磨床在线自动补偿磨削系 统”，该项目是在精密测量技术发展的基础之上，对原有的螺纹磨床的测量及控制系 统进行合理化设计与改造，使得改造后的机床能实现在线自动补偿功能，从而提高滚 珠螺纹和梯形螺纹的精度，大大提高滚珠螺纹的生产效率。本系统研制成功后，可使 螺纹磨床省略了工件旋转传动链，通过交流伺服电机的直接控制，可以灵活控制工件 的旋转速度、旋向，提高传动精度等。同时省略了工件螺纹传动链，通过交流伺 服电机的直接控制，可以灵活控制母螺纹的旋转速度、旋向，提高传动精度等，并且 省略了比较复杂的螺距挂轮，螺纹的螺距选择比较方便、灵活，有效的控制螺距，使 得校正可以简化，总体上来说系统研制成功后，可大大提高螺纹磨床的加工精度，提 高螺纹的加工质量。 现在国内厂家使用的螺纹磨床多是七八十年代产品，随着科技发展，其在电气自 动化控制方面的相对薄弱( 很多仍然采用手动或半自动控制) 这一缺陷，已经让其处 于被淘汰的边缘，汉江机床厂昆山分厂中的磨床就是典型的例子。因此对磨床电器控 制进行重新设计和改造就显得刻不容缓! 针对厂方要求，结合电子计算机技术的发展， 特别是工业控制机技术的发展，对原有的螺纹磨床的电气系统进行自动化设计和控制 改造，使得改造后的机床电气系统能实现工业控制机的自动控制。与此同时保留其原 有的手动控制功能，从而提高机床的生产效率，降低生产成本，尤其是人力资源消耗 成本。 1 3 2 螺纹磨床电气系统设计与研制原则 ( 1 ) 应实现机床电气系统的重新设计及其自动化控制。控制功能应包括机床原有的 手动控制功能和新加上的控制柜集中控制功能，同时能够对诸如断电、停机等突发事 件进行在线处理。 ( 2 ) 应实现控制与调速功能：控制各电机的启动与停止：控制工件电机的快、慢转 速；保证加工过程中必要的动作连锁；螺纹电动机具有调速功能。 ( 3 ) 应实现磨削补偿功能，这主要包括：转速匹配功能、确定测量误差、温度 补偿、床身导轨误差补偿、调速补偿。 ( 4 ) 同时应考虑系统安全性设计，在研制过程中应选择合适的交流伺服电机和合适 的交流伺服运动控制卡；另外还应考虑限位问题和拨杠的安全问题：最后应进行工作 第4 贞 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研在 稳定性的试验考核与软硬件系统的可靠性设计。 1 4 电气系统设计与控制研制方案 待改造磨床机械系统性能良好，而中间继电器多，使用时间长，电气元件普遍老 化，本方案利用可编程序控制器( p l c 机) 对设备进行改造，使之能正常使用，以满足 磨床的工艺要求。 将由一台直流电机完成的带动工件旋转和工作台纵向移动的功能，改由两台交流 伺服电机完成，利用运动控制卡实现对交流伺服电机的精确控制，运用p l c 的位置控 制功能实现对运动控制卡的控制，从而使电机能很好的执行上位机的命令。 磨床电气系统采用用欧姆龙公司生产的p l c 进行自动化控制改造，与此同时保留 了其原有的手动控制功能。床体终端电气自动化控制利用p l c 作为下位机，与上位机 工业控制机共同组成控制系统，从而实现磨床电气自动化控制。通过局域网络将各个 p l c 同工业控制机对接，实现了对多台p l c 的网络控制，并为网络化生产控制和管理 打下基础。全系统用工业控制机进行全面的控制与检测，且操作方便。系统软件设计： 确保界面友好，操作简捷方便，最大限度地实现计算机辅助的设备控制与管理。 p l c 机采用典型的计算机结构，由中央处理单元、存储器、输入输出接口电路和 其它一些电路组成( 见图l ，1 和图1 2 ) 。 图1 1 结构示意图 第5 负 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 厂_ l 酮可爱 l垡塑王 图1 2p l c 机逻辑结构图 1 5 螺纹磨床电气自动化控制的实践意义 国内厂家目前使用的机床大多数在电气自动化控制方面相对薄弱，很多仍然采 用手动或半自动控制。而现代社会，科学技术突飞猛进，计算机技术更是排头兵。计 算机应用于工业生产，是计算机应用领域的一个重要拓展，用计算机技术改造传统的 工业生产过程，也是我国既定的重要技术方针。计算机技术在机床系统上运用，从而 实现电气自动化控制，能够大幅度提高产品更新换代能力，同时还能节省能源和原材 料，降低成本，实现科学管理，能够进一步保障安全生产，改善工作条件，减轻体力 劳动。本系统研制的成功，为其它技改开辟道路，可为本行业树立一面旗帜，并可为 其它同类厂家进行技术革新，承担改造任务，从而可带来可观的直接经济效益，市场 前景一片广阔，并为国家节省大量外汇。 1 6 论文各章节内容安排 第一章绪论部分，介绍了电气自动化控制应用情况及其方法。 第6 页 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 螺纹磨床在线自动补偿磨削系统简介 螺纹磨床电气系统控制方案论证 螺纹磨床交流伺服系统 螺纹磨床电气系统控制 p l c 网络控制初探 结论 筘7 负 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 2 螺纹磨床在线自动补偿磨削系统简介 螺纹磨床在线自动补偿磨削系统包括三个部分：螺纹磨床动态测量系统i 螺 纹磨床加工误差分析与诊断系统；螺纹磨床在线自动补偿系统。本章将对这三部分 进行简单的介绍。 2 1 螺纹磨床动态测量 2 ，l 。1 螺纹磨床补偿系统简介 本次改造的s 一7 4 2 0 螺纹磨床属于早期产品，控制加工精度的主要方法是机械校 正尺方法。图2 1 是磨床校正机构示意图。 图2 1 磨床校正机构示意图 根据被磨工件的螺距累积误差和相邻误差曲线，按放大比例画出校正曲线，然后 把画好的校正曲线贴在校正尺( 用有机玻璃做，既耐磨又易挫) 上，挫修到所需要的 尺寸。 可以看出，这种校正尺方法，没有对已加工部分的精度测量，也没有加工误差的 反馈控制，属于开环控制。而且这种对校正尺的操作是磨床工人凭借自己长期的加工 经验来完成的，因此，工人的熟练程度对于丝杠的加工精度影响很大，不利于大批量 高精度生产。 鉴于此，本螺纹磨床在线磨削补偿系统采用了反馈控制，引入了丝杠的在线动态 测量系统。 第8 页 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 工件 2 1 2 系统设计特点 图2 2 校正尺 本测量系统是整个磨削补偿系统的一部分，其最大的特点在于测量是动态的，即 动态测量。测量的对象( 采样点) 是随着加工过程不断变化的，测量的环境也是不断 变化的( 由于丝杠磨削过程中，磨削生热，被加工丝杠的温度在不断变化，丝杠长度 也随之变化) ，因而每次测量结果都不一样，具有极强的随机性。 本系统与丝杠动态测量仪有很多相似之处，但又有些区别。普通的丝杠动态测量 仪是用于丝杠加工完毕，在计量室里冷却至室温2 0 。c 下，对丝杠精度动态进行测量。 本系统的测量是在丝杠加工过程中。因此应注意：随着丝杠的加工，实际行程偏差 拟合线是不断变化的，需要不断计算：采集数据时，丝杠温度不是国标规定的测量 温度2 0 。c ，而是随着加工过程逐渐上升的，在计算行程精度的四大指标e a ( 有效 行程内平均行程偏差) 、v u ( 有效行程内行程变动量) 、v 3 0 0 ( 任意3 0 0 r a m 行程内行程变 动量) 、v 2n ( 2n 弧度内行程变动量) ，要注意换算消除掉热变形；由于磨削热的原 因，丝杠长度不断变化，对测量有一定影响，故而需要注意实时性问题；丝杠的加 工过程是一个连续的过程，采样完毕后，在计算所需数据时，耗时不能太多，要给下 一步的预报和补偿留有足够的时间。 2 1 3 系统基本工作原理 ( 1 ) 丝杠动态测量基本工作原理 采用丝杠的实际螺旋线与标准螺旋线相比较的方法来求得被测丝杠的螺旋线误 差。图2 3 给出了测量丝杠螺旋线误差的示意图。“。 第9m 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 根据此原理，可由下式求得螺旋线误差： 。z 一旦r 2 a - 其中 z 测量头沿丝杠轴线方向的行程 7 1 为被测丝杠的导程 臼为被测丝杠转过的角度 z l 1 才 、 0 ， 2 n e 图2 3 丝杠螺旋线误差图 ( 2 ) 系统基本测量原理简图如图( 2 4 ) 所示。 l 、圆磁栅2 、被测丝杠 3 、螺母4 、螺母小车 5 、螺母小车带动头6 、测量头7 、光栅读数头 8 、砂轮 9 、温度测量点1 0 、长光栅 l l 、尾架补偿测量仪 图2 4 系统基本补偿原理图 第l o ! j ：【 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 系统测量工作原理如下： 长光栅测量丝杠工件的轴向实际行程；伺服电机驱动器的旋转编码盘测量电机的 旋转角度，作为丝杠精度测量的基准；温度和尾架的测量用来补偿丝杠加工过程中丝 杠的热变形；丝杠工件由采用交流伺服电动机作为驱动装置，由运动控制器控制其运 行，并可以做到无级调速，经过机械传动装置带动主轴及被测丝杠转动。 丝杠的加工数据经采样和修正后，计算出加工误差，送入实时预报控制系统，由 该系统预报出下一加工点的加工误差，并判断是否要补偿。如果需要补偿，则送出补 偿数据到伺服电机，由其执行加工补偿。 2 2 螺纹磨床加工误差分析与诊断系统 加工误差分析与诊断系统是利用磨床加工在线测量获得的丝杠导程误差数据进 行分析计算。由于丝杠导程误差信号的复杂性，不可能单用种分析方法就可以进行 比较好的分析，丝杠导程误差信号是一种复杂的非平稳信号，为了能够全面分析并能 够提取故障特征，必须从时域，频域，和时频分析三个方面进行。在用各神方法对大 量数据的分析试验后，找到最有效的几种方法，最后把它编成操作界面的程序。 对导程误差的分析主要是时域回归分析，直方图分析，利用均值和累积和控制图 进行统计分析，功率谱分析，以及利用小波包技术进行小波包能量分析和小波包自回 归谱分析。最后在对误差数据分析实验的基础上，利用m a t l a h 语言编了一个操作界 面，从而能够很方便的使用。 2 3 螺纹磨床在线自动补偿磨削 采用综合动态补偿法，其基本方法是实时补偿技术和软件技术相结合。它的主要 特点为： ( 1 ) 补偿的动态性：这是指能根据机床的工况、环境条件和切自作用点的空间位置 的变化来自动跟踪相应地调整补偿量。 ( 2 ) 补偿的综合性：由于机床工作时存在多种类型误差( 如几何误差、热误差和承 载变形误差等) 的共同作用，而其各自的比重随工作条件而变化，如高速时热误差占 有最大的比重，而低速时几何误差可能是最主要的。 经过比较下列几种算法：利用神经网络技术的控制算法；利用时间序列法进 行预报控制：离散勒让德多项式序列预报控制原理与算法。最后选用离散勒让德多 项式序列预报控制原理与算法来实现螺纹磨床在线自动补偿磨削功能。 第1 i 贞 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 3 螺纹磨床电气系统控制方案论证 3 1 螺纹磨床电气系统原有控制方案及改造要求 3 1 1 螺纹磨床原有电气系统工作原理 本机床的电气系统可分为交流控制和直流拖动两大部分，交流控制系统的主要作 用是控制机床各部分的运动，以满足机床工艺过程的要求，它们的工作大致可以分为 以下几个部分： ( 1 ) 引入电源 将位予电箱右侧的电源开关“g k ，合上，使整个机床电路与电源网络接通。在操 纵台上的总停止按钮内的讯号灯“1 t a s ”燃亮，表示整个机床已处于准备工作状态。 ( 2 ) 油泵运转 开动机床的第一步是揿按钮“i q a ”，启动液压泵“2 d ”和静压轴承油泵“l d ”。 液压泵提供液压系统的压力和各部分的润滑，静压轴承油泵专供砂轮主轴之用。 ( 3 ) 砂轮运转 选择开关“1 z k ”用作磨削丝杠或滚压砂轮的预选。砂轮主轴采用静压轴承，必 须保证充分供油条件下才能运转。所以在启动砂轮前，须待供油系统建立一定压力， 接通压力继电器“lj i j 燃亮了装于砂轮启动按钮能的讯号灯“2 q a s ”，此时方可启动 砂轮。在运转过程中，如油压降低，也能自动停止砂轮。在停车时，静压轴承油泵有 延时停车装最，以保证在砂轮泵车时，其轴承仍有充分的供油。 ( 4 ) 架快速进退 将右边操纵台上的手柄顺时针转6 0 度，接通微动开关“1 x k ”，通过继电器“6 j ” 和电磁阀“i z k ”借液压作用，使砂轮架快速引进；反之则退。 ( 5 ) 工作台运动 工作台以往复运动和工件的旋转运动由同一台直流电动机传动，它们的工作原理 另行叙述，今将其操作方法简述如下： 按钮“3 q a ”或“4 q a ”分别控制工作台的向右或向左运动，当工作台行至行程 终端碰到行程开关即行停止。如在行程中间需要停止工作台，则可揿按钮“2 t a ”。 将操纵台上的手柄向外拉出，压住微动开关“5 x k ”，通过继电器“7 j ”能获得 工作台的最高速度( 此时电动机为2 5 0 0 转分) 。 在磨削左旋螺纹的工件时，除了必须将转动开关“5 z k ”扳到“左旋螺纹”位 置外，尚须在工作台运动的齿轮传动链中加入改变方向的中间齿轮方能满足左旋螺纹 第1 2 贝 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 磨削的传动要求。 ( 6 ) 砂轮修整与修整进给 本机床装有半自动砂轮修整器，并能自动进行修整进给。利用转换开关“6 z k ” 可予选“单进给“单修正”和“进给修正”三种工作状态。其中只需一揿按钮“5 q a ”， 即能完成全部预选动作。修正和进给都是通过电磁阀控制液压系统进行工作的。 ( 7 ) 尾架顶尖伸缩 在床身前部有一脚踏板，当踏下时触及开关“9 x k ”接通电磁阀“6 z t ”，使尾架 顶尖缩回，放松踏脚板则顶尖又伸出，这样就便于操作者装卸工件， ( 8 ) 冷却吸尘系统 冷却泵和吸尘器分别由转换开关 2 z k ”及“3 z k ”控制。 ( 9 ) 停止机床 总停止按钮“1 t a ”在任何时候可以使机床的全部动作停止。每班工作结束时， 应将电源开关“g k ”拉开。 本机床的直流电动机拖动系统 转速范围，整定2 0 2 0 0 0 转分，快速行程2 5 0 0 转分。机床前面操纵台中的 k r 电位器，就是实现转速调节的旋钮。多圈电位器，角度可从o 度到1 8 0 0 度变化。 机床电动机转速可从2 0 2 0 0 0 转分变化。操纵台上的转速表( 实际上是一个1 5 伏 的电压表) 指示其机床的转速。 3 1 2 螺纹磨床的基本结构和控制要求 该螺纹磨床用于磨削加工有效丝杠长度为3 0 0 0 毫米、直径3 2 0 毫米以内的各种 规格的丝杠。工件的齿形型面由砂轮型面决定，砂轮的型面由修整器修出。该机床的 机械结构主要由工作台、砂轮架、工件头架、工件尾架、砂轮修整器五部份组成。其 头架的传动和工作台的运动由一套变频交流系统带动，通过一定的传动系统可磨削所 需螺距的丝杠。 从机床控制要求可分为：主控制部分及辅助控制部分。主控制部分即为完成磨削 加工的主动作流程控制部分，辅助控制部分即为完成所要求的砂轮型面修形的控制功 能，两个控制部分既要互相独立亦要相互依赖。 控制分为： 手动调整控制：主要用于手动调整工件如：对刀，手动控制砂轮型面修形等功 能。 自动双向磨削控制：加工行程及回程时，砂轮均要参与磨削( 回程磨削时要补 偿反向间隙) ：再完成一个循环后，需要修形砂轮时可启动修形器。 第1 3 页 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 自动单向磨削控制：加工行程时砂轮参与磨削，回程时砂轮退刀不参与磨削： 回程时，若需修形砂轮可启动修形器。在完成一个砂轮型面修形过程中，动作主要分 为：进给、修形、单面修形及双面修形；通过这几部分不同的功能组合，要求驱动相 应电磁阀以完成不同的修形控制功能。 机床其它控制有：主液压、静压、冷却、照明等部分的控制。协调完成以上控制 动作，就要求有紧密的、合理的逻辑控制流程“3 。 3 1 3 螺纹磨床电气系统改造的原因 该机床已使用三十年，经过三十年运行，机械部件性能良好，但是电气部件普遍 存在老化现象，电气故障率越来越高，直接影响生产效率及产品质量。该机床采用继 电器逻辑控制，各种中间继电器、热继电器、交流接触器较多，动作复杂，因而线路 也相应复杂。由于触点多、动作频繁、电气故障多、维修量大，因此，对该设备电气 部分进行技术改造刻不容缓。 3 2 控制方案论证 随着电子技术的飞跃发展，可编程序控制器( p l c ) 的出现及其日趋成熟的发展， 从而减化了电气控制中外围复杂的硬逻辑接线线路，减少了强电元器件数目，提高了 电气系统的可靠性及稳定性，从而提高了产品的质量。接下来是对几种控制系统的比 较，从中可以看出最终选用可编程序控制器对磨床电气进行控制改造的原因。 3 2 1 可编程序控制器概况及发展 ( 一) 概况 可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系 统，它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计 数和算术运算等操作指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设 备或生产过程。可编程序控制器及其有关设备的设计原则是：它应易于与工业控制系 统联成一个整体和具有扩充功能，并可以直接在工业环境中应用，不需专门的空调和 恒温，这是它能广泛应用的原因。 七十年代初，美国汽车制造工业为了适应生产工艺不断更新的需要首先采用了美 国数字设备公司生产的可编程序控制器( p l c ) 代替硬接线的控制逻辑控制电路，实现 了生产的自动控制。由于p l c 的灵活性和扩展性，也被其它行业采用。随着微电子技 术和计算机技术的发展，七十年代中期出现了微处理器，后来被应用于p l c 中，使可 第1 4 页 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 编程序控制器具有计算机的功能，做到了小型化和超小型化，成为今天的p l c 机。 ( 二) 发展 由于p l c 机的体积小、功能强、速度炔、可靠性高，又有较大的灵活性和可扩展 性，很快在机械、冶金、化工、交通等行业中应用，它不仅可作为通用的自动控制设 备，还可用于单一机电设备的控制和工艺流程的控制，而且控制精度和可靠性都相当 高，使用也很方便。在工业发达国家，可编程序控制器应用相当广泛，传统的顺序控 制器，如继电器逻辑控制、二极管矩阵逻辑以及硬件接线的数字逻辑控制，正在被具 有存储功能的可编程序控制器代替。 由于可编程序控制器的广泛应用，它正在向小型机、加强联网能力、更快的处理 速度、多c p u 结构和容错系统、故障诊断、p l c 编程语言与编程工具标准化和高级化、 i o 组件智能化、高密集和增大处理能力、记忆容量增大、采用专用集成电路适用性 增强、卡片式存储等方向发展“1 。 3 2 2 可编程序控制器与其他顺序逻辑控制系统的比较 ( 一) 与继电器顺序逻辑控制系统的比较 继电器顺序逻辑控制系统的硬件一旦安装完成，只能用于一种工艺流程的控制， 当工艺流程更改或控制顺序稍有不同时，必须对硬接线进行更改，所以更改控制方案 十分困难。这表明继电器顺序逻辑控制系统的环境适应性很差。此外，这种控制系统 有大量的活动触点和元器件，根据可靠性原理，只要其中任一部件或触点故障，将造 成系统的故障，而活动部件的可靠性又比不活动部件的可靠性差，因此这种控制系统 的可靠性较低。继电器顺序逻辑控制系统的体积和质量较大，常常要用多个继电器柜 安装有关设备，它耗电量较大，维修工作量较大，因查线困难，对维修人员的技能要 求相对较高，因此继电器顺序逻辑控制系统的可维修性较差。 与此相比，可编程序控制器组成的顺序逻辑控制系统，采用软接线的方式实现程 序所需要的功能，它可适应工艺过程的更改或生产设备的更新等变化，通过在线或离 线编程，可方便的实施所需的控制要求，所以可编程序控制器控制系统的环境适应性 很强，由于采用可靠性设计和一系列高新技术，使可编程序控制器的可靠性大大提高， 在工业恶劣环境条件下，它的m t b f 可达l0 0 00 0 0h ，比一般继电器控制系统提高 了一个数量级。由于采用可靠性设计和合理的部件设置，采用自诊断和其他软硬件措 施，对维修人员的技能要求降低。在故障发生率下降的同时，维修时间大大缩短。正 常操作条件下，它的m t t r 降到几分钟。此外，采用标准的供电、标准化的软件及对 环境要求较低等特点，使得它在工业过程控制领域得到广泛应用。 可编程序控制器是专门为工业过程控制而设计的工业控制计算机，因此，计算机 第1 5 _ ! j 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 所具有的一些优点也在可编程序控制器中得到体现，例如运算速度快、存储容量大、 体积小、重量轻、功能强等优点都是可编程序控制器所具有的。 ( 二) 与无触点顺序逻辑控制系统的比较 无触点顺序逻辑控制系统是指采用晶体管作为无触点开关的顺序逻辑控制系统。 在国内应用较多的产品是德国p a u lh i l d e b r a n d t 公司的h i m a 产品等，国内的仿制产 品称为j l b 一2 0 0 系统。这类产品由各种功能卡件组成，它们有标准的外形尺寸，按所 需的功能，用晶体管、集成电路和其他元器件组成各自的功能卡件。常用的功能卡件 有8 类：信号器单元、时间单元、放大单元、逻辑单元、转换计算单元、测量和试验 单元、电源和监视单元及中央控制单元等。无触点顺序逻辑控制系统根据过程控制的 要求，选择合适功能卡件，通过适当的硬接线，完成所需的控制功能。它具有积木式 的结构，与单元组合仪表的设计思想一致，通过积木的组合，完成逻辑控制、报警、 运算等功能。因此，与继电器顺序逻辑控制系统比较，无触点顺序逻辑控制系统前进 了一大步。它的主要特点如下。 可靠性高：为了提高可靠性，该系统采取了一系列提高可靠性的措施。例如， 采用低功耗c m o s 集成电路，钽电容等可靠性较高的元器件：元器件经过严格筛选和 老化处理：功能卡件采用先进的流水线生产：接插部位涂金等。 对环境适应性增强：无触点顺序逻辑控制系统的信号逻辑电平规定为高电平电 压范围是十8 + 2 4 v ( 电源电压正端) ，低电平电压范围是+ 2 o v ( 电源电压负端) ，可见， 它对噪声干扰的容限很大，达6 v 以上，所以它有很强的抗干扰能力。此外，对于需要 防爆的应用场合。该系统提供本安防爆型卡件，其最高开路电压在1 0 1 2 v ，最大短 路电流为1 3 m a ，适应了各种工业环境的要求。 互换性好，设计和维修较方便：由于该系统是根据控制要求设置的系列功能 卡件组成，因此它与单元组合仪表相似，具有较方便的组合和互换性。系统设计的时 间可大大缩短，在需要更改控制功能时，较继电器顺序逻辑控制系统要简单。由于采 用可靠性较高的元器件，加上可活动的部件减少，因此维修工作量也相应减少。 与此相比较，可编程序控制器控制系统的可靠性更高，它的活动部件少，抗干扰 能力强，功能多，编程灵活性大，在硬件较少更改时，能适应工艺过程的更改要求。 它的通信功能使该系统能与其他控制系统实现管控一体。它的体积更小，安装和维修 更方便，设计和安装时间较短，但价格还较高，尤其在小规模的应用场合，性能价格 比不算太高。 ( 三) 与计算机控制系统的比较 计算机控制系统是指用单片处理器或工业控制机组成的计算机控制系统。在可编 程序控制器发展的阶段中，单片处理器组成的计算机控制系统对顺序逻辑控制系统系 统的发展发挥了较大作用。但是可编程序控制器对此进行了改进，表现在下列几个方 第1 6 负 硕士论文螺纹磨床在线磨削自动补偿系统电气系统设计与控制研究 面。 采用便于编程的语言。在以单片处理器组成的控制系统中，程序由程序设计人 员用处理器提供的汇编语言编制。对顺序逻辑控制系统的技术人员来说，需要通过一 定的学习才能掌握语言。可编程序控制器为此开发了适应这种需要的编程语言，如语 句表编程语言、梯形图编程语言等，这些编程语言容易为工程技术接受和理解，因此 对沟通设计人员、操作人员和管理人员的设计思想较有利。对缩短设计时间、安装和 投运时间及维修时间都是十分有用的。 变通用为专用，有利于降低成本，缩小体积，提高系统可靠性等性能。采用单 片处理器的控制系统是通用计算机控制系统，可编程序控制器是专门用于工业过程顺 序逻辑控制的计算机控制系统( 对于模拟量控制，常采用单回路或多回路控制器) 。 因此在可靠性、抗干扰能力、成本等性能都有较全面的考虑，使其更适合工业过程控 制的要求。 吸取了单元组合的思想，采用了功能模块的结构形式。与无触点逻辑控制系统 相似，可编程序控制器吸取了单元组合的设计思想，采用了功能模块的结构形式。硬 件和软件采用这种结构，可使系统的环境适应性大大增强。硬件上，可根据工艺过程 控制规模，选择合适的功能模块，以降低成本；工艺规模扩展时，可通过增加功能卡 件扩展容量和功能；对工业过程现场的恶劣环境，可选择远程输入输出单元和防爆等 系列卡件等。软件上，为提高可靠性采取了自诊断软件、容错技术等各种措施，根据 控制规模，可提供不同规模应用软件，降低成本。而由工控机或单片机组成的计算机 控制系统的灵活性较差，体积较大。当然，从某种意义来说，可编程序控制器也是计 算机控制装置，它也具有计算机控制装置所具有的优点。 采用扫描方式工作。可编程序控制器采用扫描方式工作，而通用计算机或工控 机按照用户程序指令工作。近年推出的可编程序控制器产品中，也有辅以中断方式工 作的。采用扫描方式工作，有利于顺序逻辑控制的实施，各个逻辑元素状态的先后次 序与时间的对应关系较明确。此外，扫描周期也较一致。 功能分散和危险分散。在工厂自动化或计算机集成过程控制系统中，为了把危 险分散和功能分散，采用了分散综合的控制系统结构。可编程序控制器是分散的自治 系统，它可以作为下位机完成分散的控制功能，与直接数字计算机的集中控制比较有 质的飞跃。这种递阶控制系统也是分散控制系统的基础。可编程序控制器、分散过程 控制装置和单回路多回路控制器将作为控制级来完成控制功能。 适应恶劣工业应用环境。可编程序控制器的可靠性大大提高，它对工业恶劣环 境的适应性强，使得它在工业生产的各个领域得到广泛应用。 近年来，现场总线的标准化和它的实现对可编程序控制器也有较大影响。由于 在现场总线级己能完成控制功能，使可编程序控制器向现场控制级发