（机械制造及其自动化专业论文）基于profibus的减速器压装机的监控系统设计.pdf

摘要 摘要 随着我国汽车工业的快速发展，重型卡车制造业对其零部件的自动装配质量提出 了更高的要求，对装配技术的要求也同样如此。为确保零部件装配质量的稳定性和可靠 性，从而达到产品质量的零缺陷，要求装配时的每一个环节均要稳定可靠。减速器压装 机为满足这一要求，在总体设计上充分考虑了零件在装配过程中对减速器质量的影响因 素，并在机、电、液等系统的设计上，作了多方案的比较，最终确定了设计方案。 本文所述的减速器压装机是汽车减速器装配流水线上的一台机电一体化专用自动 装配设备。主要设计工作包括以下几个方面： 1 确定总体设计方案，将国外先进技术和我国现有技术水平相结合。使此设备满 足生产现场及生产工艺的要求。 2 完成机械部分的方案设计，主要从机械、电气和传动组这三大部分进行详细的 阐述。为了提升设备的生产效率，减速器压装机采用能准确、可靠定位的自动压装机构， 来对压力位移进行调整。此机构还可以监控压入装置，根据操作人员的熟练程度调整工 作节拍，大大提高了生产效率。 3 由于软件部分是此台汽车减速器压装机的“心脏 ，在明确了控制思想之后，选 择p l c 作为控制器，控制程序根据电气开关量的输入、机械部分和检测部分的传感器 的输入以及电器部分按钮的输入，对泵、电磁阀、伺服电机、指示灯等输出部分的电器 件进行实时控制和时序控制用以确保设备稳定可靠的运行。 4 利用p r o f i b u sd p 的特点，在实现p l c 、伺服驱动器、触摸屏网络通讯，实时的 监控伺服电机的运转情况和工件的压装过程，并且能够根据需要进行抽样检查，大大提 高了压装工件的质量，在同行业中已经走在了技术的前沿。 关键词：减速器：自动压装；可编程序控制器；网络；现场总线 人连交通人学t 学硕i j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h e r ei sad e m a n df o rh i g h e r a u t o m a t i ca s s e m b l yq u a l i t ya n da d v a n c e da s s e m b l yt e c h n i q u e s i no r d e rt oi m p r o v et h e s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o d u c t sa n dm a k es u r et h e r ea r en od e f e c t sa m o n gt h ep r o d u c t s ， t h e r ei sad e m a n df o rs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yd u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so fa s s e m b l i n g i no r d e r t om e e tt h ed e m a n d ，m a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g no ft h er e d u c e r p r e s s m o u n t i n gm a c h i n e i nt h ed e s i g no ft h em e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n dh y d r a u l i cs y s t e m s ， v a r i o u ss c h e m e sa r ec o m p a r e d f i n a l l y , as u i t a b l ed e s i g ns c h e m ei sc o n f i r m e d t h er e d u c e rp r e s s m o u n t i n gm a c h i n ed i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sa na u t o m a t i ca s s e m b l y e q u i p m e n tw h i c hi sa p p r o p r i a t i v ei nt h ep i p e l i n i n go ft h ea u t o m o b i l er e d u c e ra s s e m b l y i nt h i s p a p e r , t h ef o l l o w i n gd e s i g na s p e c t sa r ei n v o l v e d 1 c o n f i r m i n gt h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m e d u r i n gt h i sp r o c e s s ，s o m ea d v a n c e df o r e i g n t e c h n i q u e sa n de x i s t i n gt e c h n o l o q u e so fo u rc o u n t r ya r et a k e ni n t oa c c o u n t ，s ot h a tt h e e q u i p m e n td e s i g n e dc a nm e e tt h ed e m a n do fp r a c t i c a lp r o d u c t i o n 2 a c c o m p l i s h i n gt h ed e s i g no fm e c h a n i c a lp a r t s ，m a i n l yi n v o l v i n gt h r e ep a r t s ：t h e m e c h a n i c a l ，t h eh y d r a u l i ca n dt h ed r i v i n gm o t i o ng r o u p i no r d e rt oi m p r o v ep r o d u c t i v e e f f i c i e n c y , t h e r e d u c e rp r e s s m o u n t i n gm a c h i n ea d o p t sa na u t o m a t i cp r e s s m o u n t i n g c o m p o n e n tw h i c hc a ne f f e c t i v e l ya d j u s tp r e s s u r e a n d d i s p l a c e m e n t t h ea u t o m a t i c p r e s s 。m o u n t i n gc o m p o n e n tc a nm o n i t o rt h ep r e s sd e v i c ea n da d j u s tw o r kf r e q u e n c ya c c o r d i n g t ot h ep r o f i c i e n c yo ft h eo p e r a t o r ss ot h a tt h ep r o d u c t i v ee f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y 3 a st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h er e d u c e rp r e s s - m o u n t i n gm a c h i n e ，t h es o f t w a r ep a r t c h o o s e sp l ct oe x e c u t i v es y s t e mc o n t r 0 1 t h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mc a nc a r r yo u tr e a lt i m e c o n t r o la n dt i m es e q u e n c ec o n t r o lo ns u c h o u t p u tp a r t sa st h ep u m p ，s o l e n o i dv a l v e ， s e r v o - a c t u a t o ra n dp i l o tl a m pt oi n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t 4 u s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o f i b u sd p , i nt h er e a l i z a t i o no fp l c ，s e r v od r i v e s ， t o u c h s c r e e nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s r e a l - t i m em o n i t o r i n gt h es e l v om o t o rf u n c t i o n i n ga n d t h ep r e s s f i tp r o c e s so ft h ew o r k p i e c e a n dc a nc a r r yo u tr a n d o mc h e c k s ，g r e a t l yi m p r o v i n g t h eq u a l i t yo fp r e s s - f i tp a r t s i nt h es a m ei n d u s t r yi th a sb e e nw a l k i n gi nt h ef o r e f r o n t k e y w o r d s ：r e d u c e r ；a u t o m a t i cp r e s sm o u n t i n g ；p l c ；n e t w o r k ；p r o f i b u s n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太垄塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 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 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 方筲诊哆乌汐勃蟛乃 日期： 硼年f 月矽日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蔓塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太重交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：多勘恹 日期：渺9 年f f 月纱日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：大连交通大学电话：1 3 9 9 8 5 5 0 9 8 5 通讯地址：大连市沙河口区黄河路7 9 4 号邮编：1 1 6 0 2 8 电子信箱：t x d f s i n a t o m 乡日 【 7 锄 “” 月1 名签 年 者q ， 作 w 徘 砂 位 期 第一章绪论 1 1 本文的工作背景 第一章绪论 减速器是重型卡车驱动轮系中的重要部件，多为齿轮减速方式。因卡车种类多，减 速器的种类和规格也很多。在减速器产品装配中齿轮轴及定位销等销轴类零件的装配多 采用压装的方法。以往这种压装作业大部分采用压力机压装、人工上下料、人工更换压 装工具等来完成，由于种类及规格多、压装力的控制难度大、调整难度大、调整耗费时 间长，另外因自动化程度低致使装配效率低下、影响因素多，该装配工艺还必须依靠熟 练工人的经验。减速器装配工艺的自动化将对我国的重型汽车工业有重要影响。 1 2 减速器装配的现状 1 2 1 国外减速器装配的现状 日本三菱、韩国大宇等公司，皆拥有自己先进的变速箱和桥减速器总成装配线，其 装配精度高、噪声低、寿命长，减速器装配工艺标准明显高于国内。大部分装配线自动 输送、自动上料、自动装配，部分零部件也采用人工上料，机器装配；广泛采用测控技 术和设备i 。 1 2 2 国内减速器装配的现状 目前，国内一些主要汽车生产厂家使用的减速器压装机，在设备上还停留在五、六 十代的水平，结构简单、性能单一、生产效率低，设备完全靠人工控制，尺寸精度不高， 控制系统落后，手动操作，人工检测。不但工人劳动强度大，而且生产效率低。另外， 减速器压装机的压装技术还是停留在五十年代沿用至今的样式和功能，属于通用油压顶 压机，这种产品控制系统落后，功能覆盖不全面，手工操作实现大部分的功能。而且压 装精度不高，如何保证减速器的压装精度，这是目前国内外的研究设计人员思考的问题。 再有，其对不同型号的减速器压装时，需要人工手动更换压头，生产年效率很低。这样 的压装方式延用了很多年，毫无大的改进，这种压装机的最大缺点是人工更换压头，轴 位差很难控制，更难满足减速器的生产过程中的精度要求，且生产效率低，一次压装合 格率低，压装的质量受人为影响很大。鉴于以上各点，得出结论，此类型减速器压装设 备已不能满足牛产人员对减速器压装的过程和结果的最基本要求，亟待进行设备更新。 中国入世以来，面对激烈的竞争压力，许多汽车生产厂家开始同国外大型汽车生 产商合作，大量引进国外技术，使中国汽车制造行业向前迈了一大步。但是，由于中国 人力资源优先于技术资源、商化工业水平较低，对减速器等配件的生产设备人多厂家选 择了国外的退役产品，这螳产品不但落后而且有很多安全隐患l 。 1 大连交通人学t 学硕l j 学位论文 代表国内轮毂减速器装配水平的有五十铃，各重工企业。相对来说，他们的减速 器总成装配线较先进，它们是从国外引进的，采用自动传输等技术广泛应用在线测量， 基本都是进口设备。单线造价2 0 0 0 万以上，且只能装配一种规格减速器，其投资不是 一般企业所能承受的，其大批量单品种的生产能力也不符合中国实际。综观国内主要减 速器装配厂家生产技术现状，大部分企业已认识到研制开发自己的装配测控技术和设备 已刻不容缓，这也是车辆传动系装配测量技术的发展主流。综合中国国情，新研制的装 配测控设备应适合多品种、中批量的生产情况，设备技术先进、造价适中i l j 。 1 2 3 监控系统的现状 目前轮毂减速器压装机的的监控系统还不是很理想，主油缸压入力和压入位移都 只是用普通的压力继电器和接近开关来做的，这样的压装的精度是达不到要求，压装的 质量得不到保证，而且监控系统数据的采集和响应时间上都不够好，监控的参数不能及 时的反应当前的压装状况，而本文采用的p r o f i b u s 现场总线，在这些方面都能很好的满 足客户的要求。 1 3 现场总线的应用优势 1 3 1 p r o f i b u s 基本特性 p r o f i b u s 采用了o s i 参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层和用户自己定 义的用户层。主要应用于现场级，是一种高速( 可达1 2 m b i t s ) 和便宜的通信连接，它 被设计为自动控制系统和设备级分散的i o 之间进行通信使用。p r o f i b u s 是一个主站 从站( m a s t e r s l a v e ) 总线系统，主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权 时，没有外界请求也可以主动发送信息。主站可以是p l c ，p c 等：从站为外围设备( 典 型的从站包括输入输出装置、阀门、驱动器和测量发送器) ，它们没有总线控制权，仅 当接受到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。它可以有多种网络拓扑结 构：线形，星形，环形等1 2 】。 1 3 2p r o f i b u s 的优点 p r o f i b u s 现场总线的应用使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修 维护，都体现出优越性i 引。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资 ( 2 ) 节省安装费用 ( 3 ) 节省维护丌销 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性 由于p r o f i b u s 现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提 2 第一章绪论 高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线 减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此 外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优剧4 1 。 1 4 本文的研究意义 首先，减速器的品种和规格多、生产量大、装配力控制要求严格，是一项复杂、繁 重的劳动，容易使作业工人疲劳和产生厌倦，如果装配力控制不好会造成产品质量问题。 因此借鉴工业机器人的技术思想，开发一套自动化程度高的装配系统，将大大改善工人 的工作环境，提高工作效率和产品质量。其次，减速器装配工艺的人工操作需要依靠熟 练、工人的丰富经验，而这种经验的学习周期长技术难掌握。随着计算机技术的发展， 已经基本实现了装配力的参数计算机管理，在此系统的基础上开发具有机器人功能的装 配系统将改变该工艺过分依赖人工经验的现状。本文介绍的减速器装配压装机系统是 基于装配力工艺参数系统、应用p r o f i b u s 现场总线、数字伺服系统、p l c 等先进技 术，通过双圆柱坐标结构自动地完成装配作业，应用表明该压装机的体系结构先进、功 能强、稳定性好、精确度高、效率高。 1 5 本文的研究内容 ( 1 ) 基于p r o f i b u s 的减速器压装机的控制系统的国内外的研究发展状况 ( 2 ) p r o f i b u s 现场总线的应用优势 ( 3 ) 基于p r o f i b u s 的减速器压装机的控制系统的构成分析 ( 4 ) 减速器压装机的整体机构及工作原理 ( 5 ) 控制系统的硬件设计 ( 6 ) 控制系统的软件设计 ( 7 ) 压装力的检测与合格判定即压装质量的保证 1 6 本章小结 本课题的选题背景是由于国外生产的减速器压装机，虽然性能先进，功能齐全，但 是价格高，操作维修斟难。况且，国外产品的一些技术参数，操作界面和语言也不能很 好的适应工艺现状和技术标准，维修或是售后服务也跟不上。因此，有必要自主研制和 开发具有国际先进水平的、性能价格比很高的并能够替代进口产品的压装机，这不仅是 技术进步的需要，也是摆在相关技术人员面前的一项紧迫的任务。通过对国内外的= 装 机和压装机制造厂的调研，总结国内减速器压装机设备的生产和使用的现状，确定研发 人员的任务就是要研制和丌发具有领先水平的减速器，这样可用来替换一些国外的类似 3 人适交通人学t 学帧f j 学位论文 设备，这类设备本身的缺点有这样几点，首先，他的成本过高，投入很多的资金；其次， 他的维护难度较大；另外，对不同型号的减速器压装时控制程序也不通用，这样就导致 了在生产现场中的诸多不便。 提出的这一课题任务得到了国内一家知名的汽车配件厂的认可和大力支持。鉴于对 生产一类适应国内市场要求的减速器压装机的需求迫在眉睫，致力于研发这类设备，先 投入工厂使用，如果各方面性能良好，运行结果都达标的话，今后要多生产这种设备， 广泛装备市场。 4 第一二章减速压装机的结构方案设计 第二章减速器压装机的结构方案设计 2 1 轮毂减速器的结构 本设备的设计是基于下面4 组型号1 1 个种类的减速器的基础上来设计的，图2 1 是4 组型号减速器的结构图 t 图2 1 轮毂减速器的结构 f i g 2 1t h e s t r u c t u r eo ft h e h u b c u p 图2 1 中的( 1 ) 没有油孔，只有三个压装孔，( 2 ) 没有工件的中心销子，只有三个 压装孔和一个油孔，( 3 ) 是既有中间销子，而且还有四个压装孔和一个油孔，( 4 ) 是有 中心销子，三个压装孔和一个油孔，本设备就是通过压装孔，油孔，中心销子来识别不 同种类的减速器，驱使液压站将销子压入中心销子孔和压装孔，以达到工艺要求。 2 2 减速器压装机的整体机构方案设计 减速器装配机采用了双圆柱坐标结构( 如图2 1 所示) ，分左右侧布置，分别具有臂 回转、臂升降和臂伸缩三个自由度运动，其中回转自由度由伺服电机驱动、升降与伸缩 自由度由气缸驱动；其中左侧机械手完成被装配零件的转位及装卸工作，分装料工位、 压装工位和卸料工位；右侧机械手完成压头的选择与更换，压头工具库中可预置1 0 只 压头，可根据不同的减速器选择不同的压装工具。压装动作包括上压装和下压装，由液 压缸驱动，其压装力通过压力传感器检测、压装进给位移通过迟滞伸缩位移传感器测量。 上压装进行减速器轴的压装、下压装进行销轴的压装。从图2 1 可看出总体机械结构为 双立柱龙门结构，其刚度高，稳定性能好。 5 人连交通人学t 学硕l ：学位论文 图2 2 压装机的总体结构 f i g 2 2t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ep r e s s - m o u n t i n gm a c h i n e 在该压装机系统中采用p r o f i b u s 总线来实现了分布式控制，包括左右二个回转 伺服要求轴和开关量控制的升降、伸缩、更换压头及压装和上下料动作控制等。系统中 配置触摸屏和按钮指示灯等作为人机交互界面。从应用结果看采用基于p r o f i b u s 总 线结构的分布式控制结构其系统的实时性很好，完全满足压装机系统的实时性要求；同 时系统布线少、调试及维修方便；系统的扩展性优良。 2 2 1 减速器压装机的控制要求 压装机的压装轴工序主要包括归零、摆放工件、压装轴旋转到压装位、上下油缸压 装、压装轴旋转到卸件位、下件气缸压下、推件气缸推进翻转缸、翻转气缸翻转将工件 送到传送轨道；压装机的换压头轴工序主要包括归零、换头轴旋转、上油缸动作、夹紧 油缸松开( 夹紧) 卸下( 装上) 压头为了保证压装机工作的可靠性必须满足以下控制要 求： 1 ) 对胍装机的工件摆放位置、压头选择、胎具、胎垫选择都要有检测，保证压装 质量和安全； 胍装机主要压装i 种工件为a 、b 、c ，三种工件对应有三种压头( 1 、2 、3 ) 以及 四种胎具( i 、i i 、i i i 、i v ) 和两种胎挚( a 、1 3 ) ，不同的工件所要求的胎垫和胎具 是不同的，例如a 工件要求1 号压头i i 胎具和q 胎挚组合才能压出合格的工件来，工件 摆放位置、所选择的压头、胎具、胎挚任何一个不正确系统报警，需要解决直到所有的 都按工装要求后报警j 请皂解除，系统彳能正常工作。 2 ) 每个j f 步均可在手动和自动状态下工作； 3 ) 考虑到压装轴和换头轴同时转动存在安全隐患，要求两个轴的动作实现互锁， 且换头轴动作时要求压装轴能让出空间保证换头轴有足够的空问转动； 6 第二章减速压装机的结构方案设计 4 ) 实现系统压装和卸件动作同时进行的控制要求；但是在压装完最后一个工件药 实现单独卸件，即压装动作停止； 5 ) 考虑到翻转动作过快有安全隐患，要求翻转速度能得到控制。 2 2 2 减速器压装机的动作流程 根据压装工艺要求确定压装机压装动作流程如下： 1 ) 开机回参考点，开机后首先进行压装机寻找参考点动作，各气缸、油缸返回到 原点； 2 ) 压装品种选择，从压装产品库中选择预压装产品，同时指定了压装进给距离和 压装力检测参数等； 3 ) 更换压头工具，根据工具选择的品种自动选择压头工具，并在接到更换命令后 进行自动更换； 4 ) 自动压装，在上料工位人工装载被压装零件，同时在压装工位进行压装及在下 料工位自动卸料到输送线上，这三个动作并行。在压装过程中检测压装力是否满足要求， 如果满足要求继续进行，否则停止压装动作，退回到装料位置将不合格零件卸载。其 自动压装控制动作流程如图2 2 所示。 凡工插伯【隹登辩工值) 图2 3 压装机动作流程图 f i g 2 3a c tio nf lo wc h a to fp r e s s m o u n t i n gm a c h i n e 2 3电气硬件部分 为了便于与国际标准化设备接轨，采用国际电气设备的通用标准，并将电气硬件部 分独立出来。总体来说，电气控制系统比较简单时，控制电气可以安装在生产机械的内 部，控制系统比较复杂或操作需要时，都要有单独的电气控制柜。当工业用电接入电控 柜时，经过电控柜，输出为机械部分提供能源的功率电和为控制机械设备而需要的信号 电。由于此部分内容足本论文的重点部分，后面的沦文中会有专门的章节做具体的详细 阐述，这里只简单介绍一下系统的组成部分i l j 。 监控系统主要l 扫 q 部分组成： 7 人连交通人学t 学顾i 学位论文 1 机床电气控制装置：控制装置采用比较常用的p l c 控制，根据适时的输入输出， 为设备提供相应的信号电；根据安全检测信号，监视设备运行状态，保护操作者与设备 本身的安全；根据传感器检测型号，辩识不同的加工器件，监视压装程度；根据人机界 面的操作指示，通过串口通讯正确的执行操作者的命令，并将设备状态、信息及时准确 的反馈给操作者；根据不同的加工要求，对伺服控制器进行控制，实现不同精度、不同 效率的加工程序。总之，控制部分就是设备的核心，所有的外围设备都要受它的监视、 控制、检测和约束。 当然还有一些外围设备，由于p l c 输出的信号电功率很小，无法驱动某些电器元件 或不能实现稳定的驱动。工业设备经常采用p l c 控制继电器进行功率电控制的经典方式， 而伺服控制信号由p l c 直接控制，需要介入放大器控制来准确快速的完成功率电控制。 而且，大部分的安全系统都需要外部的继电器搭制的安全外围电路，为操作者以及设备 的安全提供了机械保证的第二道保险，保证设备即使在软件出现故障的时候，操作者和 设备本身依然是安全的。 2 人机交互装置：由于此台设备的自动化程度比较高，操作方法要求简单，因此 直接采用电压表和气压表以及按钮站、灯组以及触摸屏进行人机“对话”。工人可以直 观的通过触摸屏、仪表和灯组的显示，了解设备的实时情况并通过按钮站进行对设备的 操作控制以及维修和维护。 3 伺服控制装置：一般来讲，伺服控制有三种控制方式：速度控制方式，转矩控 制方式，位置控制方式。其中，速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，而位置控 制是通过脉冲来控制的。本设计所采用的闭环伺服驱动系统由伺服电机、伺服驱动器、 增量编码器、伺服制动器组成。伺服电机是运动的执行单元，负责动力输出。增量编码 器与电机同轴连接，驱动器对编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环1 3 j ， 有效抑制了丢步现象。 4 网络：由于此台设备要求监控压装的整个实时过程，以及便于以后对系统的扩 展和维护，和与国际接轨，采用的是p r o f i b u sd p 总线，用p l c 主站对伺服系统从站进 行控制。系统的设计更加清晰，方便了伺服系统的调试工作，而且对故障的处理能力， 和整个系统的安全和可靠性都有了提高。 总体来讲，电气控制部分，结构上要遵循紧凑、便于安装和调整以及维修，能够满 足系统所需要的功能。 2 4 软件程序部分 软件部分是指p l c 的控制程序，控制程序用来根据各个方面的输入，确保设备稳定 可靠的运行。 1 通讯部分：由于要实现触摸屏、伺服驱动器、p i 。c 之i h j 的通讯，所以要对通讯部 8 第一二章减速，h 装机的结构方案设计 分进行设定，主要是组态他们之间的地址、通讯方式、主从站等的设定。 2 逻辑控制部分：由于液压系统，气动系统，伺服系统之间的动作顺序是有逻辑关 系的，需要他们之间的相互辅助，才能完成压装的整个过程，这样就需要对逻辑控制有 了具体的要求，要做到系统运行的安全，可靠，需要有缜密的逻辑控制程序； 3 检测部分：检测部分有夹具压力传感器、位移传感器、压装运动行程开关以及 电控部分的电压表和气压表。 这些检测元件不但有可以为电器硬件部分提供准确输入的传感器，还有可以为操作 工人直观显示的仪器和仪表。这些传感器组不仅大大提高了系统的稳定性，同时也为产 品的优良质量提供了良好的保证。 2 5 小结 为了满足以上要求，减速器压装机采用能准确、可靠定位的自动压装机构，能对压 入位移进行调整、监控的压入装置以及可靠的时序动作和报警控制系统。压装机主要由 机体框架、压件油缸、工装胎具放置台、压装机与导向装置、压头放置台、控制系统和 驱动系统等组成。压入装置采用了液压增力气缸，可得到足够大的压入力，使系统简单 可靠。压入位移检测采用了自动检测报警控制器，可实现自动监控，控制系统则采用可 靠性和抗干扰能力很高的p l c 可编程序逻辑控制器，为保证压装工作的安全，机床还装 有光栅安全控制器，保证了机床的安全性、可靠性和稳定性。 9 人连交通人学t 学顾l ：学位论文 3 1 系统组成 第三章控制系统的硬件设计 系统主要由触摸屏、可编程控制器、伺服驱动器、伺服电机、液压站等构成，其系 统的硬件逻辑框图如图3 2 所示 本控制系统主要是通过p l c 程序来控制伺服电机、通过油缸的压力传感器以及油缸 的运动位移传感器来监视系统的压力和位移以达到控制压件质量；同时根据要求实现更 换压头以达到压装要求。 图3 2 系统的硬件逻辑框图 f i g 3 2h a r d w a r el o g i co ft h ec o n t r o ls y s t e m 触摸屏作为人机界面可以进行工艺参数的设定、运行状态的监控等。可编程控制器 ( p l c ) 是整个控制系统的核心，它将工艺参数存储并通过一定的控制算法控制伺服驱 动器从而控制伺服电机的运行状态和系统的动作顺序。开关电源直接为传感器、伺服电 机、液压站提供电源，间接为触摸屏和p l c 以及接近开关、按钮、中间继电器等提供 电源。伺服驱动器将p l c 给定的控制信号转换和放大驱动伺服电机工作，伺服电机作 为执行单元通过机械传动完成压装轴和换头轴所要到达位置要求，再通过伺服驱动器将 伺服电机的状态信号反馈给p l c 以便控制下一步动作。 3 2 硬件的选型 国际上的p l c 种类、品牌繁多，但是严格符合国际通用标准的只有西门子、欧姆 龙、施耐德、三菱、a b b 、台达、菲宝克斯儿家低压电器制造商。两门子( s i e m e n s ) 公司应用微处理器技术牛产的s i m a t i c 可编程控制器主要有s 5 和s 7 这两大系列。目 1 0 第三章控制系统的硬件设汁 前，前期的s 5 系列p l c 产品已被新研制生产的s 7 系列所替代。s 7 系列以结构紧凑、 可靠性高、功能全等优点，在自动控制领域占有重要地位。考虑到使用的广泛化、设备 的价格、性能稳定以及程序编写简单的要求，该系统全部选用西门子产品。 1 、电源模块的选型 其作用是把1 2 0 2 3 0v a c 线路电压转换到所需的2 4v d c 工作电压，利用外部电 压为s 7 3 0 0 压t 2 0 0 m 以及传感器和执行器供电。久经验证的s i m a t i cs 7 3 0 0 电源，既 可以与p s c p u 连接，也可以卡装到s 7 母排上。由于输出电流为较大，故选用型号为 “p s3 0 7 ， 1 2 0 2 3 0v a c ： 2 4vd c ， 1 0 a 的电源模块。 2 、c p u 的选型 西门子公司的可编程控制器fp l c ) 继s 5 系列后，9 0 年代初又研制出s 7 系列，并 获得巨大成功。s 7 系列在功能和使用上比s 5 系列有了很多改进，除具有原s i e m e n s 产品的特点外，价格有了大幅下降，s 7 编程基于w i n d o w s 界面， 编程简单且学 习容易，它主要包括s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 、s 7 4 0 0 三种产品。其中s 7 3 0 0 系列p l c 是 西门子公司较新开发的工控软件之一，在西门子工控领域应用中占有重要地位。该系列 p l c 深受国内用户欢迎，应用最为广泛。与同类产品相比，s 7 3 0 0 系列p l c 具有如下 优点1 5 1 ： 模块化微型p l c 系统，满足中、小规模的性能要求 。 简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活 当控制任务增加时，可自由扩展 大量的集成功能使它功能非常强劲 高速的指令处理、浮点运算功能，它提供的标准的用户接口软件工具可以给所 有模块进行参数赋值 方便的人机界面集成在s 7 3 0 0 操作系统内，使得人机对话的编程要求大大减少 c p u 具有诊断功能，可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事 件( 如超时、模块更换等) s 7 3 0 0 系列p l c 采用模块化结构设计，各单独模块之间通过背板总线实时通 讯，可进行广泛组合和扩展，而且，当被控量较多时，可通过连接电缆和通讯模块进行 多机架扩展 带有多种特殊功能的模块，各种模块安装方便，系统带有强大的p r o f i b u s 现场 总线接口及m p i 接口可以与外部设备进行通信 s 7 3 0 0 系列p l c 的多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防 止未经允许的复制和修改 选择型号为“c p u3 1 4 c 2d p 的c p u ，因为满足以下几点： 内置m p i 接口可以最多同时建立1 2 个与s 7 3 0 0 4 0 0 或与p g 、p c 、o p 的连 人连交通人学t 学硕i j 学位论文 接。在这些连接中，始终分别为p g 和o p 各保留一个连接。通过“全局数据通讯”， m p i 可以用来建立最多1 6 个c p u 组成的简单网络 带有p r o f i b u sd p 主从接口的c p u3 1 4 c 2d p 可以用来建立高速、易用的分 布式自动化系统。对用户来说，分布式i o 单元可作为一个集中式单元来处理( 相同的组 态、编址和编程1 。 具有2 4 个数字量输入( 所有输入都可用作中断处理) 和1 6 个数字量输出，以及4 个模拟量输入和2 个模拟量输出 3 、数字量输入，输出模块的选型 选择型号为“s m3 2 1d 1 1 6 x d c 2 4 v 的数字量输入模块用来实现p l c 与数字量过 程信号的连接。使用于连接标准开关和两线制接近开关( b e r o ) 选择型号为“s m3 2 2d 0 8 x 继电器输出”的数字量输出模块用于从控制器向过程 变量输出数字量信号。数字量输出模块把s 7 3 0 0 的内部信号电平转换成过程所要求的 外部信号电平。用于连接电磁阀、接触器、小功率电机、灯和电机启动器。 4 、人机界面的选型 人机界面( 又称用户界面或使用者界面) h m i 是h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 的缩写， 是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受 形式之f n j 的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。人机界面可连接可编 程序控制器( p l c ) 、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示， 通过输入单元( 如触摸屏、键盘、鼠标等) 写入工作参数或输入操作命令，实现人与机 器信息交互的数字设备，由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括处理器、显示单元、 输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了h m i 产品的性能高 低，是h m i 的核心单元。根据h m i 的产品等级不同，处理器可分别选用8 位、1 6 位、 3 2 位的处理器。h m i 软件一般分为两部分，即运行于h m i 硬件中的系统软件和运行于 p c 机w i n d o w s 操作系统下的画面组态软件( 如j b - - h m i 画面组念软件) 。使用者都必 须先使用h m i 的画面组态软件制作“工程文件”，再通过p c 机和h m i 产品的串行通 讯口，把编制好的“工程文件下载到h m i 的处理器中运行i6 。 选择型号为“o p1 7 7 bd p 的键控式面板，可实现按键+ 触摸的操作方式。其面板 带有集成的r s 4 2 2 4 8 5 接口，可进行m p i 或p r o f i b u s 通讯，用户小用考虑通信问题， 可以大大缩短工程周期，且可靠性高，监控实现容易。除此之外，还具有基于文本的显 示设备具有更多功能，和基于图形的显示设备可显示曲线及棒图的标准功能。 5 、传动系统的选型 压装机对传动系统要求如下： 满足位置和速度两个方面的控制； 运动定位精度高，控制性能更为可靠； 1 2 第三章拧制系统的硬件设计 在运送货物过程中，运行平稳即使在低速时也不允许出现振动现象； 加速性能较好，可用于要求快速启停的控制场合。 根据以上要求，决定采用伺服传动系统。 伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值( 或给定 值) 的任意变化的自动控制系统。其主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、 变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。伺服系 统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被 控对象组成。伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和响应性快等基本性能。可控性好 是指讯号消失以后，能立即自行停转；稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降；速 应性强是指反应快、灵敏、响态品质好【”。 根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气一油压式三种。电气伺服 技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护 也比较容易。电气式伺服系统根据电气信号可分为d c 直流伺服系统和a c 交流伺服系 统二大类。a c 交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。伺服电 动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电 动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类i l 。 选用s i m o d r i v e6 1 1 u n i v e r s a l 变频系统，可以配合使用多种不同的驱动系统，并 且可以很容易地对它们进行适配，包括提供有双轴驱动型号，以满足必要的驱动性能和 机器轴数。所有型号都可通过p r o f i b u sd p 甚至是c a n 总线集成在所有自动化环境 中。s i m o d r i v e6 1 1u n i v e r s a l 插入式闭环控制单元可适用于所有三相电机，除了传统 的速度和转矩控制等驱动功能以外，还在标准型号中提供有集成的定位功能，从而减轻 控制器的负担。在进给程序段编辑器中，每个轴可以以纯文本的方式最多保存6 4 个独 立的进给程序段。通过闭环电源接口模块供电，驱动轴的运行不受电源扰动影响。此外， 在制动过程中，多余电能将被反馈到电网中，实现节电功能。 交流伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的u 俐三相电形成电磁场，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。伺服电机的精度决定于编码器的精度( 线 数) 。选用交流伺服电机除满足压装机对传动系统要求外，还具有以下优点i lz j ： 交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小 交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出 交流伺服电机具有较强的过载能力 交流伺服驱动系统为闭环控制，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丢步或过冲的现象 1 3 人连交通人学t 学硕l ：学位论义 其工作原理简单描述如下： 主c p u 与p r o f i b u s 现场总线c p u 公用内部计算机总线，2 个采用定时中断方式 进行数据交换，当周期性中断发生时，由主c p u 程序将控制指令( 速度指令、位置指 令、控制方式指令等) 发往p r o f i b u s 通讯c p u ，再由通讯c p u 发往各个伺服电机的 驱动器，由驱动器产生精确驱动信号驱动相应的电机。同时把电机执行的结果和伺服系 统的状态反馈给主c p u 。主c p u 对伺服系统的工作状态进行监控，并将状态通过总线 送到触摸屏上显示出来。操作命令是通过p r o f i b u s 总线上的触摸屏和示教操作盘进 行的。为了能够进行多品种混流生产，压装缸的行程通过位移传感器检测，经a l d 转换 接口送入主c p u 。主c p u 根据产品品种控制压装油缸的进给行程；压装的产品是否合 格是通过压装力判断的，压装力的检测由压力传感器进行，通过a d 接口送入主c p u ， 主c p u 将压装力与对应产品压装力工艺参数比较，确定是否合格。 3 3 基于p r o f i b u s 的控制系统 在传统的控制系统中通常由多c p u 系统承担复杂的控制任务，主c p u 完成轨迹规 划和任务调度而速度和位置的闭环以及轨迹插补工作要依靠从c p u 完成。多个c p u 都 挂在计算机内部总线上以共用总线方式工作，而从c p u 往往通过共用r a m 进