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空调滤芯生产线控制系统的设计与实现 摘要 本文主要论述了一种新型国产空调滤芯生产线控制系统的设计 与实现，解决了系统运行过程中速度匹配问题，分析了系统运行所导 致的各种误差、最高可运行速度及其限制条件。 目前，我国的家用电器工业得到了前所未有的发展，而空调作 为主要的家电消费品开始进入越来越多的家庭，国内主要的家电生产 企业都把空调作为一种极其重要的主打产品来开发生产，而空调中的 一个小配件滤芯的生产设各却至今全是进口的。本课题主要在于 为国产的滤芯生产设备设计配套的控制系统，使之能够替代国外进 口，满足国内广大空调生产厂家的需要，生产出高品质的空调滤芯。 在控制系统的实现中，为了解决速度匹配问题，系统采用了基 于伺服电机的电气控制系统，结合p l c ，实现了对生产线和与其相配 套的涂胶机的集中控制，系统的运行速度在三个档次之内可以无级调 速，基本达到了国外同类产品的技术指标。 作为一个无级调速系统在生产线的实际运行之中，不可避免 的要调节某些控制参数，以便系统在工厂运行过程中能适应生产的需 要而不会出现操作错误。因此，本文详细分析了系统运行的时候，由 于速度的变化所导致的相对喷胶误差，也分析了在恒定速度运行条件 下所产生的相对喷胶误差，给出了衡量喷胶效果的相对误差的定义和 具体的计算公式。 本文最后分析了影响生产线运行速度的限制条件，通过对各种 因素的分析比较，得出了生产线理论上的最高可运行速度。 按本文设计的控制系统在现场运行中体现出了良好的工作性能 和控制性能。 关键词：滤芯控制伺服电机p l c 误差 d e s i g n ，r e a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e m o fa i r c o n d i t i o nf i i j t e rp l e a tm a c h i n e a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o l s y s t e mo f an e wm o d e lo fa i r - c o n d i t i o nf i l t e rp l e a tm a c h i n e ，s o l v e st h e p r o b l e mo fs p e e dm a t c h i n gw h e nt h em a c h i n ei sr u n n i n g ，a n a l y s e st h e r u n n i n ge r r o r , h i g h e s ts p e e da n di t sl i m i tq u a l i f i c a t i o n s n o w a d a y s ，t h ei n d u s t r yo fh o m ea p p l i c a t i o nh a sd e v e l o p e dv e r yf a s t i nc h i n a m o r ea n dm o r ef a m i l i e sn o wh a v eh e l da i r - c o n d i t i o n s s o ，m a n y h u g ec o m p a n i e s d i v ei n t ot h e d e v e l o p m e n t a n dm a n u f a c t u r eo f a i r - c o n d i t i o n b u t ，t h em a n u f a c t u r ee q u i p m e n to ff i l t e rw h i c hi sa i m p o r t a n tf i t t i n gi nt h ea i r - c o n d i t i o n ，n o ws t i l lw a n t st oi m p o r tf r o mo t h e r c o u n t r i e s t h et a r g e to ft h i st a s ki st o d e v e l o pt h ee l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e mo fa i r - c o n d i t i o nf i l t e rp l e a tm a c h i n em a d eb yo u r s e l v e s ，w h i c h c a nr e p l a c et h ef o r e i g nm a c h i n e ，s a t i s f yt h ed e m a n d so fa i r - c o n d i t i o n m a n u f a c t u r ec o m p a n i e s t os o l v et h ep r o b l e mo fs p e e dm a t c h i n g ，t h ec o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e db a s e do nt h es e r v om o t o ra n dp l c t h es y s t e mb r i n g st h ep l e a t m a c h i n ea n dt h eh o tm e l tm a c h i n et o g e t h e rt ob ec o n t r o l l e da n dr e a l i z e s l i n e a ra d j u s to fs p e e dd u r i n ge a c ho ft h r e es p e e dr a n g e s a sal i n e a rs p e e dc o n t r o ls y s t e m ，w h e nw ea d j u s tt h es p e e da tt h e t i m et h em a c h i n ei sr u n n i n g ，t h ec h a n g eo fs p e e dc a l lr e s u l ti ne r r o r s ，s o ， t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r sw h i c ha r ep r o d u c e d b yt h ec h a n g eo fs p e e d i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s oa n a l y z e st h ee lr o r s w h e nt h em a c h i n ei sr u n n i n ga sf i x e ds p e e d o f c o u r s e ，t h ep a p e rb r i n g s f o r w a r dt h ed e f i n i t i o no fc o m p a r a t i v ee r r o ra n dg e t st h ee r r o ra n a l y s i s e x p r e s s i o n sa tl a s t a tt h el a s t ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e ss o m eq u a l i f i c a t i o n st h a tl i m i tt h e r u n n i n gs p e e do fm a c h i n e ，a n df i n d st h eh i g h e s tv a l u eo fs p e e di nt h e o r y d u r i n gt h em a c h i n e sp r a c t i c er u n n i n g ，t h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e d b yt h ew a yt h a td i s c u s s e di nt h i sp a p e rw o r k sv e r yw e l l k e y w o r d s ：f i l t e r , c o n t r o l ，s e r v om o t o r , 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：诲拳奴 日期：蛐- 年堋1 。日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密叫在j 二年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：韵备叔 日期：毒年。月、。日 指导教师签名：齐oi 矿隔 日期：；年 月一日 海变通太学硕学位论文 摇一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 八十年代以来，随着我国改革开放，国民经济有了极大的发展。各个行业都 取得了很大的进步，特别是高技术行业，从无到有建立起了很多家大型企业。由 于现代高技术产品的要求，例如计算机硬盘驱动器的生产，很多生产车间必须具 有一定的空气洁净度，从而导致了对空气过滤器材的大量需求。 与此同时，建筑行业得到了飞速发展，很多大中城市建起了大量的高楼大厦。 这就导致了中央空调的大量使用，而在中央空调中同样需要空气过滤器。很显然， 空气过滤器材在我国具有很大的市场前景。目前，我国的空调工业通过从国外引 进技术与自己的开发，掌握了很多核心技术取得了很大的进展，已经能够自己 开发中央空调设备、洁净车间设备的生产线，但设备中很多配件，则依然用落后 的手段生产着。空气过滤器就是其中一个很重要的部件。 常用的空气过滤部件如下图所示： 目i i ：! w n e 部件 图中是已经装配好的成品过滤器，包括了两大部份：其一，过滤材料外面的 框架，这是用来固定过滤材料的同时提供安装尺寸。其二，框架中的过滤材料， 可以看出，过滤材料是由一层一层折叠起来的滤纸所构成的。 由于目前对过滤器的大量需求，为了提高生产效率、产品质量，滤芯的生产 开始从手工转向采用专用的滤芯生产线来生产。这样，就提出了对空调滤芯生产 线的需求。 1 2 国内现状 目前，我国的空调滤芯的生产大部分是一些小企业在生产，通常是手工作业 效率极低质量也不是根稳定。为了提高生产率，国内少数几家生产过程自动化 程度比较高的厂家开始采用自动化的生产设各来生产滤芯其中包括重庆地区的 些厂家。但他们所采用的设各也是从国外进口，价格高达5 0 万美元。昂贵导 致了广大中小厂家不能大量采用。因此，生产设备的国产化成为一个很有意义的 课题，它将大大降低设备的成本，从而可以在国内大范围的采用自动化生产，提 高生产效率。 13 国外情况简介 镕i 上海交通大学砸学位论文 第一绪镕 相对于国内的落后情况，国外的空调率芯基本上实现了自动化生产。其生产 设备空调滤芯生产线( h e a pm i n ip l e a t ) 的技术水准也达到了相当的高 度，能够全自动的生产各种高质量的滤芯。特别是英国、意利、美国这三个国家 的技术水平，体现了世界最高水准。 下图为德国k a r lr a b o f s k y g m b h 公司研制的滤芯生产线： 目l - i 目外空w 滤芯生产线 上图中德国制造的生产线中，其最只要的功能是：展开卷在一起的滤纸，折 叠滤纸到规定的样子，最后则是在折叠好滤纸产品上的特定地方喷上胶条以防止 折叠好的纸滤散架。该设备具有如下的技术指标： 滤纸材料宽度：5 0 r a m 1 0 0 0 m m 折叠高度：1 5 m m - - - 6 5 n u n 运行速度：6 0 m r a i n 由指标可见，这个系统的运行速度很高，但是，它的胶条是连续喷的，而且， 是在折叠好以后喷在过滤产品的外表面的。这样，过滤产品没有内部的胶条作支 架，作为一种产品来说，强度不是很足够。因此，很快就有了改进的产品问世。 改进产品的示意图如下： 圈1 - 2 ：国外改进型滤# 生f 线示盘圈 图中明显可以看出，此时的喷胶已经放在了折叠机构的前面，而且，喷出的 胶条不是连续的，而是一段一段的，不但节省了胶粒，而且提高了折叠的效率。 第2 页 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 生产出的滤纸则如图中右边所示。 总的来说，国外这样的产品很多，在过滤器材工业上也得到了大规模的使用。 目前阶段主要的改进目标是降低生产过程中的胶水污染，提高喷胶的效率和速 度，提升折叠的速度和精度；同时，提高设备的使用柔性，使之能够生产不同规 格的滤芯产品。在控制系统上，则是改善控制台的人机界面，丰富控制功能。可 以说，这样的产品还是很有前途的，特别是在我国这样比较落后的地区，更有继 续开发滤芯生产线的必要。 第3 页 上海交通大学硕士学位论文第二章滤芯生产线总体结构设计 第二章滤芯生产线总体结构设计 2 1 生产线基本工作原理 作为空调中所用的过滤材料，我们知道，空调过滤的效果与单位时间内空气 流量和单位体积空气通过的过滤材料面积的大小有关。很明显，空气的流量取决 于空调本身的设计以及所采用滤纸的过滤孔密度，通常，这两个因素是变化不大 的。因此，要增强过滤效果的最主要方法就是增加过滤材料中起作用的实际过滤 面积。一方面，我们可以把过滤材料做成多孔立体结构的样子，但这需要过滤材 料生产厂家的支持。另一方面，在我国空调工业之中，大部分用的是纸质的过滤 材料，它仅仅是一张类似纸张的平面材料，因此，要增加在限定过滤材料体积条 件下的过滤效果，就必须把过滤纸折叠起来，这样就增大了过滤的面积。如下面 二图所示： 图2 - l ：没折叠的滤纸图2 - 2 ：折叠后的滤纸 如图2 - 1 、2 - 2 所示，滤纸经折叠后，再从左右两边压紧，则由于纸张的弯 曲折叠，在相同的过滤材料体积下，大大增加了与空气的接触面积。因此，滤芯 生产线所要完成的功能就是把整卷长条状的滤纸高速度、高质量、全自动化的折 叠起来。在这个过程中，还要配合喷胶机一起工作，原因如下： 我们知道，单单折叠起来的滤纸是很松弛的，相邻之间滤纸的空隙很大，也 很容易被拉破、散架。因此，必须对折叠好的滤纸进行一定程度的固定，使之具 有一定的结构框架。通常，我们有很多种方法对折叠好的滤纸固定，比如可以把 它放到一个架子中，也可以用特制的线把它缝起来。考虑到制作成本以及生产自 动化的需要，本系统中，采用了在滤纸的正反两面一定位置喷胶水的方法，当滤 纸折叠起来后，通过胶水粘在了一起，从而成为具有一定牢固度的滤芯框架。喷 胶水的位置如下图所示： 亡= = = = = = 3 亡= = = = j 匕= = = = 了 亡= = = ：j 图2 - 3 ：喷胶水位置示意图 第4 页 0 0 0 0 0 0 三 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 三0 0 0 三 0 0 0 1 8 8 三8 8 0 上拇交通大学碗土学位论文 第= t 滤g 生产线总体结构设汁 上图之中，虚线为滤纸折叠部位的预先要压制的痕迹。而长条状的方框表示 要喷胶条的具体位置( 滤纸两面都有) ，当然，实际当中只是一条胶条而已。很 明显，这些位置都是对称的，这样，当滤纸折叠起来的时候，胶条将互帽碰到一 起从而可以粘合起来以固定滤纸。 从以上的分析可以看出，一个成品滤芯是由折叠起来的滤纸所构成的，并且 通过喷在滤纸中间的胶条的相互粘合而加以固定。因此，一条完整的空调滤芯生 产线，必须包括两大部分：滤纸牵引折叠系统与胶水喷涂系统。牵引折叠系统把 卷在一起的滤纸牵引到滤芯生产线中，并在最后把滤纸折叠起来。滤纸涂胶系 统则是一台喷腔机，能够按照控制系统的指令在滤纸上的特定位置喷胶条。这里 的喷胶机采用了国内外成熟的现成产品并且通过控制系统把喷胶机和新设计的 滤纸牵引折叠系统整合起来，组成了完整的空调滤芯生产线，以共同完成整个的 全自动生产流程活动。 综合上面的讨论，有如下的整个生产线的工作原理简图： 1 霸胡一o m _ u ，。 痕：2 拖动：3 拖动4 折叠，喽 鞫2 j 口* 原目衙目 从图中可以看出，在该系统中，滤纸在拖动轧辊2 的拉动下，首先进入压痕 轧辊1 ，由轧辊从正反两面在滤纸上每隔一定距离交叉压出折叠所需的痕迹：然 后滤纸由另外一个拖动轧辊3 拖动，经过拖动轧辊2 而进入喷胶部分，由p l c 控制的一组八个水平安装的平行喷头( 图中5 仅仅只表示了一个喷头) 在每两个 压痕之白j 喷上腔条：最后到达折叠系统3 ，滤纸被折叠起来并利用喷在滤纸上的 胶水粘住以便在相同的外部体积下增加滤纸接触空气的面积。 按照上述原理所设计出来的类似的空调滤芯生产线如下图所示： 目2 - 5 ：相同原g 类似生产线照片 第5 负 上变趣大学碗学位论文 笫二索滤芯 线总体结构设计 配套的啼腑栅样品孵片 图2 - 6 ：游芯生产线配套喷腔机 生产线所生产出来的产品样品如下图所示： 腔条 圈2 - 7 滤苍产品 上图为本课题所研制的空调滤芯生产线生产出来的空调滤芯样品，箭头所指 的地方为喷的胶水凝固后留下的痕迹，由于是调试产品喷的胶水是连续的。 2 2 小结 本章简单讨论了空调滤芯生产线的机械机构。根据所生产的产品特点，给出 了设备的基本原理图，最后给出了生产线的照片和所生产出来的产品的照片。 第6 上海交通大学硕士学位论文 第三章控制系统硬件设计 第三章控制系统硬件设计 3 1 控制系统综述 如上一章所述，本生产线的主要任务是生产出折叠好的空调滤芯，因此，必 须仔细考虑作为生产原料的滤纸的性能。很明显，作为机器设备，生产线对作为 生产原料的滤纸有一定的作用力，考虑到上一章中叙述的工作原理，可以肯定， 生产线对滤纸的作用力主要体现在对滤纸纵向的拉力上面，然而，作为过滤用的 纸，是一种多微孔结构的纸，不可能承受很大的拉力。这样，在整条生产线中， 必须把对纸的纵向拉力控制在一定的范围之内，同时，又不能因为张力过小而让 纸太松，导致在生产过程中纸张耷拉下来，从而影响喷胶过程以及喷在纸上的胶 水凝固后的形状。 从生产线的结构图中( 图2 4 ) 可以看到，使滤纸受力的地方主要是以下几 个：1 、拖动机构2 对滤纸的前向拉力：2 、压痕机构1 对纸的后向拉力：3 、拖 动机构3 对纸的前向拉力；4 、折叠机构的前向拉力。其中，l 、2 、3 部分产生 的拉力是主要的。在结构设计中，拖动机构2 和压痕机构1 采用了同一套驱动电 机，因此，这两者之间对滤纸的反向拉力的控制主要由动力分流机构和减速机构 的加工、装配精度来保证，从而可以把这两大机构看成是一个整体。因此，系统 对滤纸的拉力主要体现在拖动机构2 和拖动机构3 之间。如果两者的线速度不一 致，滤纸就会张得很紧或很松。由于这两者分别由两个电机驱动，在考虑到减速 系统带来的固定的速度误差之后，发现生产线能正常运行的关键在于电机的转速 比例关系能否在生产线运行之中一直保持比较恒定的关系。这就对电机的速度控 制能力提出了比较高的要求。 除了上面所说的两大拖动机构之间要实现线速度比的精确稳定，我们还必须 考虑折叠机构的速度问题。和前面明显不一样的是：在折叠部分，滤纸由于要折 叠起来，它的纵向长度将大大的缩短。因此，在这个部分，生产线的线速度必须 大大的降低。考虑到理论计算的不完整，该部分电机的理论速度是很难和实际合 拍的。速度快，导致折叠出来的滤芯后倾；速度慢，导致折叠出来的滤芯前倾。 同时，如果折叠的高度改变，电机的转速则也要改变，由此可见，此处的电机转 速必须能够在必要的时刻可以随时改变。 综上所述，对该生产线来说，动力系统电机类型的选择成了一个比较关键的 问题，那么，究竟选择什么样的电机? ， 3 。2 电机的选择 有以上分析可知，生产线中采用的三个电机之间的速度配合是控制系统设计 成败的关键，通常，生产线中的动力系统由普通交流电动机、步进电动机、交流 伺服电动机等几种动力系统中的一种组成，从成本上考虑，普通交流电动机最便 宜，步进电动机次之，伺服电动机最贵，从可控制性能上考虑，伺服电动机最好， 步进电动机次之，普通交流电动机最差。实际上，由上面讨论得出的结果，电机 的速度、位置控制必须能够达到一定的精度才能采用。对于普通交流电动机来说， 其运行速度是无法通过简单的控制系统来控制的，必须通过变频设备才能进行较 精确的控制，而电机的位置控制则是根本不可能实现的。其次考虑普通步进电动 机，步迸电机的转速和电机转轴的角位置这两个方面都是可控的，但是，要让步 进电机运行起来，就必须有脉冲发生装置，而且步进电机通常都是小功率的，控 第7 页 上海交通大学硕士学位论文第三章控制系统硬件设计 制精度也不是很高。所以，考虑到生产线功能的柔性化，以及控制系统设计的简 单化，我们采用了伺服电机作为控制系统的核心部件。通过调用伺服电机本身具 有的各种功能，实现了系统运行速度的大范围无级可调性，同时，精确的实现了 电机速度之间的比率关系。 伺服电机作为机电一体化系统中的一个重要执行元件，具有结构紧凑、功能 多样、控制容易等优点，广泛应用于需要精确控制速度、位置、力矩的场合，在 各类生产线上获得了普遍的使用。特别地，很多生产线上都同时采用了多个伺服 电机，当这些伺服电机之间存在着速度、位置等的相互约束时，就需要对这些电 机从整体的角度进行分析，采用适当的控制策略实现对各电机速度等的协调控 制，以满足生产的需要。 在伺服电机的选型中，一个重要的因素是电机功率的确定。但由于负载对象 复杂，伺服电机选择过程中需要计算伺服电机起动、运转、制动、空载和断能情 况下的转矩、转动惯量、转速、加速度等，涉及大量的计算，且易出错。所以，这 里采用了等效模型的办法来初略得到所需电机的功率值：将所有由电机驱动的转 动部件的惯量等效到电机的转轴上，从而可以得到电机所需要的转矩。最终，计 算所得到的三个电机的负载功率都不大于2 0 0 w 。 基于以上分析，同时考虑了各品牌伺服电机的性价比，最后在该系统中采用 了三个高精度的松下m i n a s 系列2 0 0 w 的三相伺服电动机，分别用于压痕部分 轧辊1 、拖动轧辊3 、折叠系统4 的驱动。 3 3 电机性能 在本控制系统中采用的m i n a s 系列电机具有很强的实际运行性能，能够提 供所需要的高精度运行手段。其具体的性能如下： ( 1 ) 采用松下公司独特算法。使速度频率响应提高2 倍，达到5 0 0 h z ；定位超 调整定时间缩短为以往松下公司的四分之一。 ( 2 ) 具有共振抑制和控制功能：可涵盖机械的刚性不足，从而实现高速定位。 ( 3 ) 具有全闭环控制功能：通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进 一步提高系统精度。 ( 4 ) 具有一些方便使用的功能： ( a )内藏频率解析机能( f f t ) ，从而可以检测出机械的共振点，便于系统 调整。 ( b ) 有两种自动增益调整方式：常规自动增益调整和实时自动增益调整。 ( c ) 配有r s 4 8 5 ，r s 2 3 2 c 通信口，上位控制器可以同时控制多达1 6 个电 机。 ( 5 ) 电机防护等级达到i p 6 5 ，环境适应性强。 ( 6 ) 电机可配用多种编码器，适应各种用户的需要： ( a ) 普通型：2 5 0 0 p r 增量式编码器。 ( b ) 高精度型：1 7 位型( 2 1 7 ) 增量式编码器。 ( c ) 特殊型：1 7 位型( 2 1 7 ) 绝对式编码器。 ( 7 ) 在外部控制上有速度、位置、转矩三种单一方式和位置一速度、位置一转 矩、速度一转矩三种复合方式。 由以上所列出的伺服电机基本性能可知，松下m i n a sa 系列伺服电动机能 满足本生产设备的控制要求。 3 4 总体控制结构方框图 第8 页 上海交通大学硕士学位论文 第三章控制系统硬件设计 作为空调滤芯生产线的动力系统来源，伺服电动机在控制系统里面起了很重 要的作用，电机的内部参数配置、外部的控制方式等等对控制系统的设计都有着 很重要的影响，而且，三个电动机的速度必须很精确的同步这一条件也限制着电 机的使用方式。同时，包括伺服电机在内的整个控制系统的结构也对控制性能有 着很大的影响，从而必须仔细的考虑控制的结构问题。 3 4 1 伺服电机控制结构 在工业控制应用中，一套设备往往同时应用了好几个伺服电机，为此，如何 在控制系统中协调伺服电机的运转就成了一个需要仔细考虑的问题，作为被控制 的对象，伺服电动机在系统中的相互关系也对控制系统的设计起着很重要的反馈 作用。 通常，在实际应用中多伺服电机系统有如下几种常用控制结构： 图3 - 1 ：伺服电机同步传动关系 图3 1 中，( a ) 为独立式结构，( b ) 为并联式结构，( c ) 为串联式结构。考 虑到本系统中各个电机的转速要求成一定的比率，很明显，( a ) 是不可行的，因 为几个伺服电机之间没有任何联系，相互之间的速比关系完全要靠外部控制系统 的独立调节，没有充分利用驱动器本身的功能：对于( b ) ，则是通过相同的外部 输入信号来调节电机的转速，这样就必须调节各个电机本身的速度指令输入增益 来调节电机对输入指令的反应，从而改变不同电机之间的转速比。这种情况下， 如果输入的是模拟指令信号，则精度不够，输入数字脉冲信号则要外加可调脉冲 发生电路，增加控制系统的复杂程度和成本。在( c ) 结构的控制方式中，由外 部控制系统提供模拟电压指令控制第一个电机的转速，然后由第一个电机的编码 器输出脉冲信号作为第二个电机的位置控制输入信号，使的第二个电机跟着第一 个电机运转，而且，第二个电机的转轴所转过的角度也和第一个电机所转过的角 度成严格的比率关系，这样，两个电机的速度也就具有了严格的比率关系。 通过比较以上三种伺服电机控制结构的优劣，在滤芯生产线控制系统的实际 设计中，采用了第三种串联结构的控制方式。操作人员通过模拟量控制第一个电 机的运行速度，第一个电机控制第二个电机的速度，第二个电机控制第三个电机 的速度。这样，利用伺服电机本身编码器的高精度与驱动器脉冲输入时的分辨率 就可以保证系统运行的精度，而转速比则由驱动器内部的分、倍频功能设定。 3 4 2 控制系统总体框架 上面简单分析了控制系统中的关键部件一伺服电动机的控制结构，由分析 可知，系统的控制电路应该围绕伺服电机的串联结构来考虑，但是，控制系统光 有伺服电动机的话，只能驱动滤芯生产线的初步运转，能折叠滤纸，但却没有提 供喷胶的支持。因此，完整的控制系统必须包括对喷胶系统的支持。 喷胶系统是一台外购的喷胶机，包括胶粒融化炉、温度控制系统、输胶管、 喷胶头等几个主要部件。融化炉将固态的胶粒融化成液体；温度控制系统则负责 针对不同性质的胶粒提供并保持合适的融胶温度，使胶水具有最佳的喷涂性能： 输胶管则是将融化好的胶水输送到需要喷胶的地方，同时在输送的过程中提供保 第9 页 莩 一 一 上海交通大学硕士学位论文第三章控制系统硬件设计 温机制，以保证胶水的可喷性：最后个关键部件是胶水喷头，由电磁阀控制喷 头的开关，当电磁阀上电打开，则胶水由压缩空气推动而喷出。 喷胶机的电源系统包括两个方面：其一，用于提供融胶能量的电源，由喷胶 机的技术资料可知，这部分的功率是很大的，如果直接由控制系统内部提供，则 控制系统的隔离变压器将会做得很大，而且成本也很高。因此，直接在控制箱的 隔离变压器之前、三相电源的接入处提供一个额外的喷胶机电源接口，这样，既 能把整个生产线的电源集中在一处提供，并且不影响控制系统的电源，而且，由 于喷胶机是一个独立的产品，这样直接从外部电网中取电也不会影响其使用。其 二，喷头电磁阀所需要的电源，喷胶机的电磁阀是可拆卸的，通常生产厂家提供 了交流2 2 0 v 、直流2 4 v 这两种电源制式电磁阀供客户选用，这里选用了交流 2 2 0 v 的电磁阀作为喷头开关控制阀门。 另外，由于生产线的喷胶被要求设计成不连续的，而且对喷胶的位置也有具 体的要求，因此，必须在喷胶的时候让控制系统知道滤纸的具体位置，从而决定 是要喷胶还是不喷胶。要完成这样的任务，可以通过科学的设计、精密的配件制 造和严格的装配来固定滤纸在压痕和喷胶之间的运行距离，从而确定位置，但这 样的设计将导致制造加工的难度大大增加，同时生产线的柔性也大大下降。因此， 这里采用了外部传感器来动态确定滤纸的位置，提高了定位精度，也降低了设计 难度。 由上面的讨论可知，控制系统所要控制的对象主要包括伺服电机、喷胶机以 及位置传感器。其中，只有伺服电动机自身带有控制系统，但也只能控制电机的 运转，不能把电机和喷胶系统集成起来。为此，必须有一个总的控制系统，能够 处理传感器送来的位置信息，并把伺服电机和喷胶系统组合成一个控制整体。很 显然，最常用的可编程逻辑控制器p l c 是最合适起这个作用的，一方面，p l c 具有简单的数据处理能力，能够满足处理传感器送来的位置信息的要求，同时 p l c 的逻辑控制能力也足以控制喷胶机喷头电磁阀的开关，考虑到成本控制的需 要，控制系统中伺服电机部分的控制不全部通过p l c 来实行，而直接由控制面 板上的控制按钮来实现，p l c 仅仅处理传感器信息、喷头电磁阀已经伺服电机中 的某些信号信息。这样，大大降低了p l c 所需要的输入输出点数，从而降低了 控制系统的成本。 综合前面的讨论，所设计的整个生产设备的控制简图如下： 外 图3 - 2 ：系统控制框图 在该控制系统中，控制面板在接收伺服电机反馈过来的各种报警、指示信号 第1 0 页 上海交通大学硕士学位论文第三章控制系统硬件设计 的同时，所发出的控制信号主要包括两大部分：伺服使能信号与速度控制信号。 伺服使能信号直接与每个电机相连，系统启动时，同时打开三个电机的驱动器以 使电机能运转。速度控制信号则由电机启动停车信号与电压模拟量信号合并而 成，由于第一个电机采用速度控制方式，因此由控制面板发出的电压信号可以直 接用来调节其速度。第二个电机与第三个电机都采用位置控制方式，由上一级电 机编码器的输出脉冲作为其控制输入，这里，在编码器输出信号与次级电机输入 信号之间不接任何指令脉冲分倍频与脉冲类型转换电路，原因在于编码器输出脉 冲类型与电机位置控制时可接收的脉冲类型有相同部分。同时，通过调节驱动器 内部的分倍频关系或编码器每转输出脉冲数，可以任意调节两个电机之间的转速 比率。松下伺服电机的分倍频比率关系由如下的式子所确定： m = 半( 3 - 1 ) 其中，m 为比率关系，a 为指令脉冲分倍频分子，范围为1 1 0 0 0 0 ，b 为指 令脉冲分倍频分子倍率，范围为1 1 7 ：c 为指令脉冲分倍频分母，范围为1 1 0 0 0 0 。 同时，a 2 b 必须小与2 6 2 1 4 4 0 ，大于此值时，自动由2 6 2 1 4 4 0 代替。可见，该 伺服电机所提供的转速比率关系有很大的调节范围，调节的精度也足够，在本系 统中是完全适用的了。另一方面还可以看到，伺服电机与p l c 是相互独立的， 这是因为利用了传感器来探测滤纸的位置，p l c 根据传感器来的信息决定何时 开始喷胶、何时停止喷胶。这样做的好处是：决定系统运行速度的伺服电机转速 可以随机调节，从而使设备的运转可以无级调速，带来了更大的生产柔性；同时 也降低了对p l c 的要求，简化了p l c 的编程。 3 5 传感器的选择与安装 l ( 本生产线中，传感器的主要作用是用来随时确定滤纸在生产线上的位置。可 以说，满足这样条件的传感器是很多的。比如光学传感器、旋转编码器等等。光 学传感器可以直接检测滤纸的位置，构成闭环控制，效果最好，但成本高、技术 复杂；而旋转编码器则是测电机的转速，为全开环控制，虽然测速精度高，但经 过了减速传动系统以后，间接测出的滤纸位置误差就比较大了，同时，伺服电机 本身就有编码器，因此，考虑到成本控制和设计上的简便性。采用了德国 p e p p e r l + f u c h s 公司的电感式传感器，型号为：n j o 8 5 g m 2 7 e 2 v 3 ，主要技 术参数如下： 齐平安装额定动作距离：0 8 m m 工作电压：1 0 3 0 v 开关频率：6 0 0 h z 信号输出电压：7 5 2 7 5 v 在本生产线中，传感器采用非齐平安装。由于齐平式安装的传感器与非齐平 式安装的传感器相比较，其作用距离大约是后者的6 0 ，因此，传感器实际作用 距离为： 0 8 6 0 = 1 3 3 3 m m 综上所述，传感器的技术指标相对于控制系统的设计需要来说是足够的。 选择好传感器以后，就是选择合适的安装位置了，由图2 - 4 可以看到，生产 线中可以安装传感器的地方主要是卜压痕、2 一拖动、3 一拖动、4 折叠，这四个 机构中，3 一拖动、4 折叠机构已经位于喷胶机构后面，不合适，在卜压痕、2 一 第l i 页 上海变通太碘学位论文第三章控制系统砸柞设* 拖动这两个机构中，由于是由同一个电机驱动，没有什么区别，所以，传感器选 择安装在了1 一压痕部分，通过检测和压痕轧辊同轴安装的齿形轮转动的时候一 定时间内经过的齿的数目来获得所需的信息。具体安装位置如下图所示： 目33 ：传殍g 的安装 上图中，箭头所指处分别为传感器和齿形轮。那么，齿形轮一周应该有多少 个齿呢? 实际上，在设计机构的时候已经很明确的规定了压痕轧辊转动一周，压 1 2 个痕迹。纯粹从提过精度上考虑，齿数越多越好，然而，综合考虑传感器测 量精度和p l c 软件设计的方便性，当一周的齿数和压痕轧辊转动一周的压痕数 相等的时候。比较合理。p l c 软件设计上不用再考虑时间上的分、倍关系。传感 器两次脉冲信号的间隔时侧就是滤纸在喷胶喷头下面经过一个折叠高度所需的 时间。 3 6p l c 的硬件连接 本节讨论p l c 的选型和在控制系统中的硬件连接，咀解决p l c 和滤纸位最 传感器、喷头电磁阀之间的相互配合问题，同时给出了p l c 接线的具体圈纸和 说明。 3 , 6 1p l c 的选择 可编程逻辑控制器作为控制系统中喷胶控制部分的核心，其选型首先要确定 所需要的输入、输出点数。输入方面，主要有传感器的输入信号和伺服电机是否 运转信号这两个由于传感器输入脉冲的频率不是很高，用不着高速计数模块， 所以这两个信号可以各占用一个常规输入点。输出方面，则更加简单了，仅仅是 输出一个控制电磁阀的信号。但由于这个信号要进行非常频繁的开关，所以这里 不选用继电器输出的p l c ，因为这样一旦p l c 继电器出故障就必须更换整个 p l c ，而采用晶体管输出的p l c 可以避免这个问题，通过晶体管输出带动外部 继电器，即使继电器坏了也可以根方便的更换，而晶体管的寿命比继电器长的 多。另外，由于现阶段滤芯生产线只配有一台喷胶机，总共有喷头两组共1 6 个， 这样，只需要两个继电器就可以提供足够的电磁阀驱动电流，也就是说需要两 个p l c 输出点。考虑到生产线晟多可以配备两台喷胶机，所以p l c 总共必须提 供4 个开关量输出点。可见，所选用的p l c 最少必须具有2 个数字量输入点、4 个数字量输出点，而s i e m e n ss 7 2 0 0 系列的小型p l c 正好满足这些条件，具 备了如下出色的性能： 第1 2 页 上海交通大学硕士学位论文第三章控制系统硬件设计 ( 1 ) 极高的可靠性 ( 2 ) 极丰富的指令集 ( 3 ) 易于掌握 ( 4 ) 便捷的操作 ( 5 ) 丰富的内置集成功能 ( 6 ) 实时特性 ( 7 ) 强劲的通讯能力 ( 8 ) 丰富的扩展模块 具体的选用型号为：s i e m e n ss 7 2 0 0 c p u 2 2 l 。该p l c 采用2 4 v 直流电 源输入和2 4 v 控制电压，提供集成的2 4 v 负载电源，集成了6 输入4 输出共1 0 个数字量i o 点：无i 0 扩展能力；6 k 字节程序和数据存储空间；4 个独立的 3 0 k h z 高速计数器，2 路独立的2 0 k h z 高速脉冲输出：1 个r s 4 8 5 通讯编程口， 具有p p i 通讯协议、m p i 通讯协议和自由方式通讯能力。可见，这个型号的p l c 是非常适合小点数控制的。 3 6 2p l c 的连接 由于选择了s i e m e n ss 7 2 0 0 c p u 2 2 1p l c ，其方便实用的性能使得线路设 计很容易，硬件连接线路如下图所示： + 2 4 v 图3 - 3 ：p l c 硬件连线 图中，q o 0 、q o 1 分别外接继电器k a 5 和k a 6 的线圈，再由k a 5 和k a 6 的触点来控制喷头电磁阎的开、关；1 0 0 则接受位置传感器送来的脉冲信号，该 脉冲信号为+ 2 4 v 的电压信号；k a 7 则是用于p l c 判断伺服电机是否在运转的继 电器触点，电机运转，k a 7 的线圈得电，k a 7 触点闭合，电机停止运转，则k a 7 触点打开。另外，传感器所用的2 4 v 直流电源也由p l c 上的负载电源来提供。 整个p l c 则由控制系统中的2 4 v 直流稳压电源提供电能。 3 7 电机的硬件连接 本节讨论控制系统之中伺服电机的具体硬件连接线路。 有前面讨论的控制结构可知，伺服电机部分采用了串联控制结构来达到速度 7 同步的目标。详细的硬件线路图如下所示： 第1 3 页 上海交通大学硕士学位论文 第三章控制系统硬件设计 c n i f 2 图3 - 4 ：伺服电机电路 上图中，c n f f1 设置能速度控制方式，c n f f2 和c n f f3 都设置成位置 控制方式。 囡图囡图圉图 图3 - 5 ：控制电路 图3 4 和图3 5 为伺服电机和控制部分的具体电路设计。其中伺服电机所用 到的引脚定义如下： 7 ：控制信号电源+2 9 ：伺服使能 2 6 ：零速箝位 3 l ：报警复位 3 5 ：伺服准备好+ 3 4 ：伺服准备好一 3 7 ：伺服报警+ 3 6 ：伺服报警一 4 1 ：控制信号电源一 5 0 ：外壳地 3 ：指令脉冲l4 ：指令脉冲2 第1 4 页 上海交通大学硕士学位论文第三章控制系统硬件设计 5 ：指令符号l6 ：指令符号2 2 1 ：a 相输出+2 2 ：a 相输出一 4 8 ：b 相输出+ 4 9 1 3 相输出一 1 4 速度指令1 5 ：地线 由图3 4 可见，伺服电机1 的编码器输出为2 1 、2 2 、4 8 、4 8 这四个信号， 并输入到了伺服电机2 的3 、4 、5 、6 这四个接受外部控制脉冲信号的端口，同 样，电机2 的输出送到了电机3 的端口，整个电机系统就组成了一个串联结构的 控制系统。另外，伺服电机的控制信号电源、伺服使能信号、报警复位信号、伺 服报警信号都要求三个电机同时开关，所以这里把它们分别并联在了一起。而伺 服准备好信号由于能看出电机的准备状况，所以是单独连线的。至于1 4 、1 5 这 两条信号线，则是用于速度控制的模拟量电压输入。 图3 5 中，主电源合上，k m 0 闭合，l 1 点亮，表示电源接通。按下s b 0 ， k a 0 接通，伺服使能信号导通，三个电机的伺服全部o n ，从而k a l 、k a 2 、 k a 3 全部闭合，也就是说三个电机的伺服准备好信号都接通，l 2 即点亮，但如 果任何一个电机出问题而导致未能伺服o n ，l 2 将不会点亮。按下s b 7 ，则k a 0 线圈失电，触点断开，从而伺服关闭，l 2 熄灭。同理，在伺服o n 的前提下一 一即k a 0 闭合，按下s b 2 ，k a 7 线圈得电，触点闭合，从而零速箝位信号接通， 电机运转，并且l 3 也点亮，由于电机的串联控制结构，伺服电机2 和伺服电机 3 的零速箝位信号可以不必接：与此同时，在伺服开关电路那边，由于k a 7 触 点的闭合，s b 7 失效，无法关闭伺服，这样起到了防止误操作的作用，而在伺服 o f f 的时候，由于k a 0 的断开，s b 2 失效，不能打开电机运转信号，从而防止 了伺服o n 一打开电机就运转的不合理操作，这样，伺服开关电路和电机开关电 路就做到了互锁。由图3 3 可知，当p l c 发出喷胶指令的时候，k a 5 、k a 6 线 圈得电，触点同时闭合，从而l 4 点亮，当手动安下喷胶按钮s b 5 的时候，l 4 也点亮。最后一条电路为伺服报警电路，由于伺服报警信号是串联在一起的，所 以任何一个伺服驱动器发出伺复报警，都将使k a 4 线圈得电，触点闭合，从而 l 5 点亮，同时蜂鸣器发出报警。 本小节具体讨论了硬件中几个关键电路的设计，在实际的应用中，体现了良 好的控制性能。可以说，设计是比较成功的。 3 8 电机接口电路的简化 在上文所说的电机串联控制中，按通常用法，来自电机l 、2 内部分频器的 编码器信号将通过长线驱动器( 使用a m 2 6 l s 3 2 或其等效品) 提供差分输出， 如图3 - 6 ： o a + o a - o b + o b 0 z + 0 z ： ：互 n 岔 r o j n ：兰 n 小 ，r = 图3 - 6 ：输出电路图3 - 7 ：输入电路 p u l s l p u l s 2 s i g n l s i g n 2 第1 5 页 上海交通大学硕士学位论文第三章控制系统硬件设计 同样，对于脉冲输入控制的电机2 、3 也需要通过a m 2 6 l s 3 1 将两路输入转 为四路输入( 见图3 7 ) 。因此，按通常方式的接线，三个电机的同步连接控制 需要a m 2 6 l s 3 2 、a m 2 6 l s 3 1 各