（电气工程专业论文）高精度压药机的电气控制与plc程序的设计及研究.pdf

高精度压药机的电气控制与p l c 程序的设计及研究 摘要 高精度压药机( 压药机) 的电气系统设计主要包括电气原理图的设计和 p l c 程序的开发。要实现高的位置和压力精度要求，采用高性能的硬件是 一方面，另一方面是采用软件控制方法来实现。文章主要从以下几方面对压 药机进行了设计和研究： 1 分析压药机的液压原理及工艺动作，及闭环电液比例控制的原理及 组成特点。 2 根据技术要求，设计了电气原理图，选择了电气元器件，并设计了 互连图。 3 介绍了触摸屏各画面的功能及操作，根据输入特点选择了p l c 的型 号、设计p l c 硬件的连线图，并开发了压机逻辑顺序控制程序。 4 运用精密齿轮齿条副及旋转编码器控制位置的精度计算；位置超差 报警和置零程序设计。 5 分析系统的稳定性，并对比例压力阀的非线性段曲线进行线性化处 理，并对相关程序及压力超差报警p l c 程序进行开发设计。 6 研究了数字直接干预法在压力精度控制中的运用及p l c 程序开发。 实现压力的高精度控制。 关键词：高精度压药机电液比例控制系统位置控制压力控制p l c 程序设计数字直接控制( d d c ) d e s i g na n dr e s e a r c h o f e l e c t r i cs y s t e m & p l cp r o g r a mo i lh i g h l y p r e c i s ep o w e r p r e s s i n g - e x p l o s i v em a c h i n e a b s t r a c t e l e c t r i cp r i n c i p l ep l a na n dp l cp r o g r a mi st h et w os e c t i o no fe l e c t r i cs y s t e m d e s i g n t h e r ea 地t w om e a s u r et oh o l dg o o dp r e c i s i o n f i r s tw eu s e f i n ep e r f o r m a n c e e k n a l t s e c o n dw et a k eam e a s u r eo fs o f t w a r ec a l c u l a t i o n ( d d c ) t oc h a n g ei n p u t v a l u e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 r e s e a r c h i n gt h eh y d r a u l i cp r i n c i p l ep l a na n df u n c t i o np r i n c i p l ep l a n ；a n a l y s et h e p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro f t h ec l o s e - l o o pe l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e m 2 o nt e c h n i c a lr e q u e s t , d e s i g nt h ee l e c t r i cp r i n c i p l ep l a na n dl i n k a g ep l a nb e t w e e n e l e m e n t s s e l e c tt h et y p eo f t h ee l e c t r i ce l e m e n t s 3 i n t r o d u c et h ef u n c t i o na n du s a g eo nt h em e n u w i n d o wo f p r o g r a m m a b l et e r m i n a l 4 c a l c u l a t i n gt h ed i s p l a c e m e n tp r e c i s i o na n dd e s i g nt h ep r o g r a mo fd i s p l a c e m e n t d e f l e c t i o na l a r ma n dz e r or e s t o r a t i o n 5 a n a l y s et h es y s t e ms t a b i l i t y ；，m a n a g en o n - l i n e a r c h a r a c t e r i s t i co np r o p o r t i o n p r e s s u r ev a l v e ；d e s i g n t h ep r o g r a mo f p r e s s u r ed e f l e c t i o na n dl i n e a rc h a r a c t e r i s t i c 6 r e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fd d co np o w e rp r e s s i n g e x p l o s i v em a c h i n et or e a l i z e t h eh i g hp r e c i s i o np r e s s u r e k e yw o r d s ：p o w e rp r e s s i n g - e x p l o s i v em a c h i n e ；p l c ；d d c ：p r e s s u r e ；p i d 图1 1 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 l 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 ，2 5 图4 2 6 图4 2 7 图5 1 图5 2 插图清单 液压机电气控制系统组成1 s h p 3 0 1 0 型高精度压药机的液压原理图1 l 闭环电液比例控制系统原理一1 2 电气原理图l 1 6 电气原理图2 1 6 电气互连图1 1 9 电气互连图2 1 9 电气互连图3 2 0 触摸屏画面1 2 l 触摸屏画面2 2 2 触摸屏画面3 2 2 p l c 开关量的输入2 4 p l c 开关量的输出2 5 p l c 模拟量的输入输出2 5 p l c 顺序控制程序段1 一2 7 p l c 顺序控制程序段2 2 8 数字测量通道简化框图一2 9 设定值转换成计算值程序一3 0 偏差报警流程图3 l 位置传递函数框图3 2 位置比较程序设计一3 4 位置偏差显示及超差报警程序设计3 5 零位校准程序设计3 5 位置参数优化程序设计3 6 系统设计原理框图一3 8 比例阀输入输出关系图3 8 非线性特性放大图3 9 非线性段程序4 0 读入力传感器数值4 0 压力数值变换程序一4 l 压力上、下限程序4 1 压力偏差值计算程序4 2 d d c 系统组成框图一4 4 压力闭环控制系统框图4 5 图5 3d d c 控制控制流程图4 5 图5 4压力传递函数框图4 6 图5 5小于1 2 f 时控制程序4 6 图5 6大于1 2 f 小于f 时控制程序一4 7 图5 7大于f 时控制程序4 8 表格清单 表2 1电磁铁铁动作表1 2 表3 1 液体压力与压机公称力对照表1 4 表3 - 2s h p 3 0 1 0 电气元件明细表1 8 表4 1p l c 开关量输入输出地址分配表2 6 表4 - 2p l c 内部地址分配表2 7 表5 1 压力检测对照表4 8 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f 进行的研究i ：作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆王些叁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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字t 哝秘字嗍卯年陟月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥月b 些去堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 蟹些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文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，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导 签 电话： 邮编： 、3 日日 芬， 劣 明 r ， 。： 年 鹳 研 者 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 致谢 在此论文完成之际，首先要感谢导师王群京教授对我论文写作的指导和 帮助! 从工作实践中寻找课题，写自己熟悉的工程技术问题，正是在导师这 些话语的启发下，有了这篇论文课题的选择；论文的修改和最终定稿无不渗 透着导师的智慧和心血，在此要向导师表示衷心地感谢。同时也要感谢合肥 工业大学，为我们提供了那么多优秀的老师，他们渊博的知识、严谨的治学 作风、敏锐的分析洞察问题的能力，让我在研究生学习阶段收益非浅，在此 向各位老师表示深深的敬意。 还要感谢我的工作单位一合肥海德数控液压设备有限公司的领导给我 这个学习和提高的机会，在研究生课程学习期间以及在论文撰写中给予的照 顾和关心。感谢我的同事孔令扬高级工程师和顾玉宏工程师对我论文写作的 指导和帮助，论文中的许多思想和创新的实践方法正是受到孔令扬高级工程 师直接指导和启发，在此向他们表示我深深的感谢之情。 在整个学习阶段，我的家人给予了我无微不至的照顾，在此也向他们表 示诚挚的谢意和最深的感激! 作者：赵茂翠 2 0 0 7 年9 月 第一章绪论 1 1 液压机电气控制系统 1 1 1 液压机概述 液压机属于锻压机械的范畴，是利用液压传动技术“1 ，将液体压力能转 化为机械能的设备。它具有许多优点：压力和速度可在广泛的范围内无级调 整，可在任意位置输出全部功率和保持所需压力“1 ，压力与行程等参数改变 灵活，因而在国民经济中得到越来越广泛的应用。 1 1 2 液压机电气控制系统组成和分类 1 液压机电气控制系统的组成 对于一般液压机的控制系统，不论采用哪种控制方式，系统的组成基本 都相似，可用图1 1 表示。 图1 1 液压机电气控制系统组成 1 ) 输入元件；也即指令输入元件，它给出输入信号( 指令信号) 并施 加于系统输入端。常见的有按钮开关，触摸屏等。 2 ) 控制单元；是控制系统的核心，它根据输入指令，经过运算或直接 发出控制指令，常有继电器控制单元、p l c 控制单元和工控机控制单元。 3 ) 执行元件；例如电磁阀，比例阀，比例泵等，它们接收控制信号， 并执行相应动作，得电或失电；或根据电信号大小决定阀的开口、泵的偏角。 4 ) 反馈元件；根据测量物理量的不同，反馈分位置反馈、速度反馈和 压力( 力) 反馈，常用元件为位移传感器、速度传感器、压力( 力) 传感器。 在p l c 或工控机控制系统中才有反馈环节。 5 ) 控制对象；在液压机系统中，控制对象常常是各种形式的液压油缸。 2 液压机电气控制系统的分类 1 ) 按控制单元分：液压机的电气系统目前主电路是用交流电动机拖动 ”3 ，控制线路则采用继电器、p l c 、工业控制计算机、p l c + i 控机四种控制方 式。 2 ) 按操作方式分：有手动、半自动、全自动三种。 液压机电气操作方式分“手动”、“调整”( 又称“点动”) 、“半自动”、 “自动”四种，对于单台压机，最常见的控制方式为“调整”和“半自动” ( 又称“单次”) ，“手动”控制方式目前只用于一些特殊行业，还有极少 数简单的压机也采用这种方式。“自动”控制方式用于由许多设备组成的自 动化生产线，可实现全自动生产。 3 ) 加压方式分为“定程”和“定压”两种。作“定程”压制时，压力 发讯值设定要比位置发讯值高，作超程保护用；作“定压”压制时，即位置 发讯值要比压力发讯值高，作超压保护用。 1 2 可编程控制器( p l c ) 1 2 1 可编程控制器的发展简史 可编程控制器( p l c ) ，早期又叫可编程逻辑控制器，或p c 。早在1 9 6 8 年，美国通用汽车公司( g m ) 为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争 的汽车工业中占有优势，提出用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制 装置，美国数字设备公司( d e c ) 按照技术要求，研制出了世界上第一台可编 程控制器。8 0 年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展， p l c 具有了高速计数、中断技术、p i d 调节和数据通信功能。 1 9 8 5 年1 月，国际电工委员会( i e c ) 制定了p l c 标准，定义如下：“可 编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用研究 而设计，它采用可编程序的存储器，用来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命令，并通过数字式、模拟式的输入和 输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程程序控制器及其有关的外部 设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而 设计。1 6 1 1 2 2p l c 的编程语言 p l c 中常用的编程语言有：梯形图、助记符( 指令表) 、功能图、顺序功 能图、高级编程语言等。 1 梯形图 梯形图是一种图形语言，在形式上类似于继电器控制电路，在梯形图中 沿用了继电器、线圈、常开触点、常闭触点、串联、并联等继电器线路中术 语。梯形图的主要特点如下： 1 ) 梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，两侧的垂直公共线 称为母线，分支线称指令行或回路。 2 ) 梯形图中继电器为软继电器， 3 ) 输入继电器用于p l c 接受外围设备的输入信号，不能由p l c 内部其 2 它继电器的驱动，输出继电器作输出控制用。 4 ) 内部继电器触点可无限多次的被使用 2 助记符语言 助记符是p l c 的的命令语句表达式，它与计算机汇编语言类似。用户可 以直观地根据梯形图，写出助记符语言程序。 3 功能图语言 功能图是一种类似数字逻辑电路图的编程语言。 4 顺序功能图语言 顺序功能图语言常用来编制顺序控制类程序。它包括工步、动作、转换 驱动条件三个元素。顺序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些具 体的工作状态。 5 高级语言 高级语言已经在某些厂家生产的p l c 中应用。这种语言类似于b a s i c 语言、c 语言等高级编程语言。 1 2 3p l c 控制方式的主要特点 与触摸屏连接，具有友好的人机交互性，操作简单。可通过数字面 板显示输入压力、快进和回程速度、压制速度及保压时间参数，直观、方便。 与电液比例技术或伺服阀技术相配合，控制精度高。数字控制的行 程长度及工作行程与传统的机械式的行程开关控制相比，精度有极大的提 高。 运用反馈技术形成闭环控制，可实现自动化生产，易于实现高速化， 提高生产效率。 可顺利实现对工作参数( 压力、速度、行程等) 的各自单独调整。通 过对控制参数的单独控制，能进行复杂工件加工，提高加工质量。 预存工作模式，可对不同工件的工艺过程、工艺参数预先存储和重 复调用，缩短调整时间。这与柔性加工要求相适应。 对高速下的换向冲击可利用软件来消除，以降低噪声，提高系统的 稳定性。 在安全方面，可利用软件进行故障预诊断，并显示故障和错误。 易实现生产线的集成控制，组成柔性生产线及与上位机进行通讯和 实现调度控制。 1 2 4p l c 的应用 p l c 在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中有着广泛的应用，根据 p l c 的特点，可以将其应用归纳为以下几种类型。 1 )开关量逻辑控制 p l c 具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。 3 这是p l c 的最基本最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器接触器的控 制。 2 ) 模拟量控制 p l c 配置有a d 和d a 转换模块。其中a d 模块能将现场的温度、压 力、流量、速度等这些模拟量经过a d 转换变为数字量。再经p l c 中的微 处理器进行处理去进行控制或经d a 模块转换后，变成模拟量去控制被控 对象，这样就可实现p l c 对模拟量的控制。 3 ) 过程控制 现代p l c 一般都配备了p i d 控制模块，可进行闭环过程控制。当控制 过程中某一个变量出现偏差时，p l c 能按照p i d 算法计算出正确的输出去控 制生产过程，把变量保持在整定值上。 4 ) 定时和计数控制 p l c 具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十甚至上百个、 上千个定时器和计数器。其计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序 时任意设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时 和计数的控制。如果需要对频率较高的信号进行计数，如光栅尺和光电编码 器等，则可以选择高速计数模块。 5 ) 顺序控制 在工业控制中，可采用p l c 步进指令编程或用移位寄存器编程来实现顺 序控制。 6 ) 数据处理 ， p l c 不仅能进行算术运算、数据传送、排序、查表等，而且还能进行数 据比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等，具有很强的数据处理能 力。 7 ) 通信和联网 现代p l c 一般都有通信功能，它可以对远程i o 进行控制，又能实现 p l c 与p l c ，p l c 与与计算机之间的通信，这样用p l c 可以方便地进行分布 式控制。 1 3国内外液压机控制技术发展和现状 由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，随着电子技术 的飞速进步和控制理论的新发展，新的电子、电气元件不断出现，新的理论 计算方法也不断的涌现，给液压机控制系统的发展带来了很大的机遇，也为 改进液压机的性能、提高稳定性、加工效率等方面提供了可能。 1 3 1液压机控制方式分类 在国内外液压机产品中，按照控制系统，液压机可分为四种类型：一种 4 是以继电器为主控元件的传统型液压机：种是采用可编程控制器控制的液 压机；第三种是应用微机( 或工业控制计算机) 控制的液压机。第四种是p l c 与工控机相结合的控制方式，四种类型功能各有差异，应用范围也不尽相同。 但总的发展趋势是高速化、智能化。 1 继电器控制方式 传统的继电器控制方式，具有结构简单，价格便宜等优点，上个世纪九 十年代以前，是液压机的主要控制方式，随着p l c 的出现及在液压机行业的 应用，这种控制方式正逐步被p l c 控制方式所取代。对于繁杂工艺流程的液 压机，这种控制装置体积大，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂， 当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线的控制就必须随之改变或更换， 通用性和灵活性较差盯1 。对于控制量少、控制功能简单、无模拟量输入输出 的单机工作系统，采用继电器控制具有很大的优势，其电路结构简单，技术 要求不高、成本低。在低价位、低档次的液压机中，仍有采用。随着时间的 发展和技术进步，这种设备越来越少，逐步将被p l c 控制方式取代。 2 p l c 控制方式 可编程控制器( p l c ) 控制，是将传统继电器控制技术和计算机控制技 术、通讯技术溶为一体的新型工业自动控制装置，专为工业控制而设计，具 有直观，编程灵活的特点。在工业控制领域有广泛的应用“1 。 目前国内外的液压机多采用这种控制方式，采用这种方式进行控制的液 压机数量至少占到总数的7 0 ，而且还在扩大，凡是有继电器的地方，都可 采用。 一 随着科技进步，电液比例技术迅速发展，采用比例控制的液压机也越来 越多，这一方面可满足了厂家生产高精度产品的要求，另一方面使得液压机 的运用范围加大。比例控制有模拟量的输入和输出，这是继电器控制无法实 现的。p l c 控制在这一领域有很广泛的运用，它能很方便的调节液压机各项 技术参数。通过比例压力阀可实现压力的无级调整，通过位移传感器可对工 作行程无级调整；通过电子泵或比例流量泵和阀能实现速度的无级改变，还 有工艺动作因生产零件的型号改变而改变，需要存贮几十到几百种模具参 数。 随着微处理技术的飞速发展，p l c 的功能迅速增强，已接近工业控制微 机的水平“1 ，p l c 加上触摸屏，具有友好的人机交互界面，操作方便，可实 现多达几十套模具参数的存贮、对故障进行检测和报警。是高档液压设备电 控系统的发展方向，是液压设备主流控制方式和发展方向。 目前，p l c 正朝着两个方向发展，其一是向大型、快速、高功能方面发 展，以取代工业计算机的部分功能。其二是向小型化、专用化、低成本方向 发展，以真正成为继电器的替代品”，。 5 3 工业计算机控制方式 工业控制计算机简称工控机，在许多书本上，把p l c 也纳入了工业控制 计算机范畴，而这里工控机指的是微机，也就是工业p c 机。这种控制方式 以工控机作为主控单元，通过外围接口( 如a d ，d a 模块) 或直接应用数字 阀实现对液压系统的控制，同时利用各种传感器组成闭环控制系统，达到精 确控制的目的。 在单台液压机控制系统中，采用工控机控制方式的很少，不但价格高， 控制也没有p l c 方便，易学。 工控机在液压机控制中主要运用于多层分布式控制系统，也就是下面第 四种控制方式。 4 p l c 加工控机控制方式 以工控机作为上位机，p l c 为二级系统控制机，采用各种现场总线控制 系统，对生产过程进行分散控制、集中管理。各现场p l c 控制系统对各自设 备的工艺参数和检测信息，进行响应的处理，完成各自设备的工艺数据检测 和过程控制，并向中央控制系统实时传送所需的信息。中央控制系统可以监 测总线中所有设备的信号及数据，并实现现场设备的远程控制。中央控制监 控管理计算机还完成数据分析与处理、参数设定、事故报警处理、报表生成 和图形显示、打印；中央控制监控计算机显示的数据和图像这种控制方式多 用于多台设备构成的生产线。例如我厂有一控制系统：分为中央控制系统、 8 0 0 0 k n 双工位液压机控制系统、机械手控制系统、3 1 5 0 k n 上移式液压机控 制系统、中频感应加热设备控制系统及7 2 0 0 k n 挤压液压机控制系统。中央 控制系统由一台研华工控机、w i n c c 组态软件和惠普激光打印机及控制台等 组成，通过p r o f i b u s - - d p 总线与各部分的p l c 控制单元连接，中央控制系 统具备良好的人机界面，能够实现各设备( 8 0 0 0 k n 双工位液压机、机械手、 3 1 5 0 k n 上移式液压机、中频感应加热设备及7 2 0 0 k n 挤压液压机) 的参数设 定、工作状态显示、故障报警及诊断、数据存储及报表打印等功能。其余控 制系统采用p l c 可编程控制器，各设备能独立控制、工作。 1 3 2 控制方式比较 1 p l c 与微机的比较 1 ) p l c 抗干扰能力比微机高。 2 ) p l c 使用方便，编程比微机简单。 3 ) p l c 控制系统硬件配置简单，开发周期短。 4 ) p l c 控制响应速度较慢，一般为0 2 m s ；而微机的响应速度快，一般为 l ls o 5 ) 在自动化控制系统中，p l c 与微机控制可共存，p l c 主要现场控制和操 作，微机主要是中央控制和信息处理。 6 2 p l c 与继电器的比较 1 ) 器件组成不同，继电器控制线路是由若干真正的继电器组成；而梯 形图是由许多的“软继电器”所组成。 2 ) 工作方式不同。在继电器控制线路中的各继电器是按“并行”方式 工作的，当电源接通时，满足条件的继电器将同时动作。而在p l c 控制系统 中，各软继电器都处于周期性扫描顺序，所以说p l c 以串行方式工作。 3 ) 控制的方法不同。在继电器控制线路中，控制功能的实现是通过硬 件连线来完成；而在p l c 控制系统中，是通过软件编程来实现控制。 4 ) 触点数量不同。在继电器控制线路中，触点数量有限；而在p l c 控 制系统中，触点数量无限多。 目前国内外液压机控制系统，采用继电器控制都是些老设备或低档设 备。新生产的液压设备控制系统多数都采用p l c 可编程控制器，有采用低档 p l c 的，也有采用高档p l c 的，根据控制需要选择。对于多数精度要求不高 的液压设备，p l c 输入一般为开关量；而精度要求较高的液压设备，一般都 有比例控制环节，即模拟量的输入和控制，通过a d 或d a 转换控制系统参数 的无级改变。随着电液比例技术和伺服控制技术的发展，p l c 可实现对整个 系统的压力、位置及位移、速度等参数的集中连续控制、故障报警，使生产 过程实现自动化。 国内外众多液压机生产厂家生产这种高性能的工业控制机控制方式的 液压机产品。正是因为采用这种先进的控制方式，使整机的控制性能，生产 效率都有很大提高。成熟的产品是采用可编程控制器( p l c ) 的控制方式。 1 4 压药机的发展现状 “科学技术是生产力”己曰益被人们所认识，因此，运用现代先进的科 学技术、先进的自控与检测技术更替落后的压药生产工艺，是增强国防建设 的需要，同时也是科技发展的必由之路。耳前国际上虽然军备竞赛有所缓和， 但他们更注重武器的质量，把最新最尖端的技术运用到军工生产上。压药机 多为兵工企业使用，由于兵工企业是一个特殊的行业，国外企业很少进入。 目前国内生产液压压药机的厂家，有天津锻压机床厂、合肥锻压机床厂等大 型锻压厂。国内企业新近生产的压药机，对压力控制多采用国产比例压力阀， 能实现在线检测及实时控制，但存在压力控制误差大，重复精度差等缺点。 并且火工品生产厂家多数采用手工或半自动生产方式，在文献 1 7 谈到 了p l c 在压药机中试验和研制，认为采用可编程序控制器取代传统继电器对 新型压药机液压系统进行控制，不但能够克服传统继电器控制的缺点，而且 控制系统性能稳定，可靠，操作简单，维修量大大减少。 7 1 5 论文的主要内容及意义 高精度压药机以液压油为媒介，以p l c 为主控单元的防爆液压设备。 它将先进的电液比例技术、现代控制理论以及反馈理论进行综合运用，是我 厂专为兵工企业设计制造的高精度液压机。该项目的研究内容有三方面：一 是压药机主机的研制与开发；二是液压系统的研发；三是电气控制系统的研 发。主机是液压系统、电气控制系统安装和作用的载体，是压药机的基石， 阀体、控制柜、油缸等都固定在机身上。液压系统是系统的动力源，由油泵 电机组将电能转化成液压能，提供给油缸，作机械运动。电气控制系统是整 个系统的指挥者，调动各个部件，按操作者的指令、意愿工作。压药机的用 途比较广泛，既可用于兵工企业，也可用来对轴类零件进行校直，同时也可 以完成轴类零件的压装。 1 5 1高精度压药机项目研制的主要技术内容 1 主机结构件的受力分析、计算和设计。 主要分析、计算结构件受力以后的变形与强度，并从而得出结构件的高 度，厚度及分布位置。画出结构件的外形图。 2 系统压力、流量计算：液压元件选型及液压系统的设计。 根据已知的公称力、速度参数，计算出系统的压力值、泵的流量以及电 机的功率，并选择液压元件的型号，设计出液压原理图。 3 电气原理图与互连图设计，电气元件选型。 根据液压原理及工艺动作要求，选择电机起动方式，设计出电气原理图 和电气元件的互连图，并选取各种电气元件。 ： 4 触摸屏的画面的设计。与p l c 的通讯联接。 将各种控制按钮、指示灯、参数输入设计在触摸屏画面上，方便操作者 操作。并与p l c 相连，实现人机交互的友好界面，提高了产品的档次和操作、 设制的方便性。 5 电气控制程序的设计。 控制程序就像是人大脑中的中枢神经，对外界环境各种信息进行综合、 比较并作出判断。控制程序可以执行逻辑顺序动作、也可以控制模拟量输入、 输出，并将反馈与输入进行比较，实现闭环反馈控制，减少输入与输出的偏 差。并利用软件计算方法，对控制过程出现的稳态误差进行补偿。 1 5 2 本论文研究的主要内容 本论文主要研究的是第三方面，电气控制系统研发。 1 p l c 控制的设计 主要介绍项目的工艺动作及液压原理，以及p l c 接线连接。 2 位置控制的实现 位置检测元件一旋转编码器的选择，位置控制精度的理论计算，以及精 8 度的实现。 3 在线自动检测技术和自动校准理论的应用 利用传感器对压药机的两个重要参数：位置、压力实现闭环控制。并对 旋转编码器实现手动自动校准。对最佳压制位置进行存贮，优化参数。 4 压力控制的实现 压力传感器的选择，压力控制程序的设计，非线性特性的线性化。 5 控制算法的研究 主要研究压力控制过程中，利用软件消除各种因素对压力控制的影响。 1 5 3 项目研究的意义 高精度压药机首先是一台液压机，其次是一台专用液压机。因而它的 高精度实现不仅对兵工行业有重要意义，对于锻压行业提高液压机的精度和 档次也有很重要的意义。 1 液压机具有许多优点，如结构简单，可根据工艺要求灵活改变压力 与行程，在国民经济中应用越来越广泛。根据实际运用的需要，提高液压机 控制精度可扩大它的运用领域和范围，降低生产成本。l o k n 高精度压药机 正是高精度液压机运用的典范，它的精度调整方法也可应用于其它液压机控 制系统，对提高液压机控制精度有很重要的意义。 2 目前一个国家在国际上地位，一是靠经济实力，二是靠军事实力。 压药机的防爆设计，能满足兵工企业压药的需求，为兵工企业提供了高档的 装备，对于提高武器的发射篚力，有很重要的意义。某一兵工企业共订制了 十台1 0k n 高精度压药机，从中我们可以看出，兵工企业急需要这样的商精 度设备，它的开发有着广阔的市场前景。 9 第二章s i - i p 3 0 - 1 0 型高精度压药机概述 2 1 压药机的结构概述 高精度压药机是我厂专为兵工企业设计制造的，已先后生产了6 k n 、 l o k n 、2 0 k n 、4 0 k n 一系列产品。它属于液压机的范畴，是一种专门用途、 高精度的、防爆的液压机。以下介绍我公司生产的l o k n 高精度压药机。 2 1 1 压药机结构组成 由机身，主缸，液压动力系统，电气控制系统，行程限位装置等组成。 1 ) 机身为c 型单柱结构，承受工作时的力载荷。工作台面周围安装了 防护罩，维护操作时的人身安全。油箱在机身内部，结构紧凑。 2 ) 主缸为活塞式油缸，紧固于机身上部，活塞头下部装有力传感器， 用来测量压头力的大小，并与触摸屏连接，将测量值显示在触摸屏上。当油 缸活塞头腔进油时，压头下行并加压；当活塞杆腔进油时，压头回程。 3 ) 行程限位机构，本机构主要作用是将行程开关、齿轮、齿条、光电 编码器固定在机身内。通过齿轮、齿条啮合，将直线位移转化成旋转运动， 光电编码器检测后，将位置尺寸显示在触摸屏上。 4 ) 液压系统采用叠加阀组合，由叠加单向顺序阀、叠加溢流阀、叠加 调速阀和电磁阀组成，控制主缸速度和系统压力的设定。 5 ) 电气采用p l c 控制，各种工艺数值如压力、位置等参数可在触摸屏上 设定并显示。除操作按钮和触摸屏外，电器元件均在压机后部上方防爆电气 箱内。 2 ，1 2 压药机的结构特点 1 ) 采用防爆设计；防爆电气柜，防爆操纵盒，防爆电机、电缆，工作 区防护罩保护，保证爆炸中的安全。 2 ) 人机交互式信息交换设计；触摸屏和p l c 的联用，使得参数的置入 很方便、很直观，参数输出更是一目了然。 2 2 压药机的液压系统 压药机的液压系统要求，开始时为空程快速下行；接触工件时转为慢速 下行加压，并且压力可精确调整；加压到设定压力后，进入保压状态；保压 时间到，系统回程。因而在液压系统设计过程中，采用调速阀调整慢下的速 度，采用闭环比例压力阀控制系统压力。 2 2 1 液压原理( 参见液压原理图2 2 ) 1 )压药机工艺动作：快下日慢下日保压日回程 图2 。is h p 3 0 - 1 0 型高精度压药机的液压原理图 1 一油缸，2 一电动单向调速阈，3 单向顺序阀，4 一溢流阀， 5 一电磁换向阀，6 一比例压力阀，7 一滤油器，8 一电机，9 一叶片泵 2 ) 压药机液压系统工作过程 启动电机，泵排油直接回油箱。按下“压头下降”按钮：电磁阀3 y l a 、 3 y 2 得电，泵排油经过电磁阀3 y i a 和调速阀中电磁阀3 y 2 ，无阻尼、全流量 进入主缸上腔，压头快速下降。当压头位置到达触摸屏设定慢速位置，电磁 阀3 y 2 失电，比例溢流阀3 y 3 得电，泵排油经过电磁阀3 y l a 和调速阀，进 入主缸上腔。调节调速阀可改变压头的慢下速度；比例溢流阀3 y 3 可调节压 头的工作压力，用户可在触摸屏上设定工作压力值。当压力达到设定值，系 统进入保压状态。保压时间到，电磁阀3 y l a 、比例溢流阀3 y 3 失电，电磁 阀3 y i b 得电，系统泄压回程。回到上限位置，压头停止运动，至此一个单 i i 次循环完成。 3 ) 相应的电磁铁铁动作如下电磁铁动作表2 3 所示。 表2 - 】 电磁铁铁动作表 电磁阀快降慢降加压保压回程 备注 3 y l a + 油液进入主虹上腔 3 y 1 b + 油液进入主缸下腔 3 y 2 + v 油液全流量进入 3 y 3+ + 比例电磁铁 2 2 2 电液比例控制技术( 参见液压原理图2 2 ) 液压系统主要由各个功能阀块的叠加组成，液压功能如上面液压原理 所介绍。在系统中溢流阀主要起限定系统压力的作用，一旦手动调整好以后， 在工作过程中是不会改变的。而主缸压力在工作过程需要不断改变，在快速 大流量时，要求低压；在加压慢速时，需要高压。这只有通过电液比例控制 技术来实现，传统的开关阀是无法实现变力的要求。 所谓电液比例控制是指按电输入信号调制液压参数。与机电系统相比， 电液控制使用集中控制单元，以软件实现柔性自动化控制“”。 对于闭环控制的电液系统，它的组成可由下图表示。 图2 2闭环电液比例控制系统原理 该系统输入量为控制电量( 电压或电流) ，经电控制器( 比例放大卡) 放大转换成相应的电流信号输入给电一机械转换装置，后者输出与输入电流 近似成比例的力、力矩或位移，使液压阕的可动部分移动或摆动，并按比例 输出具有一定压力p 、流量q 的液压油以驱动执行元件，执行元件也将按比 例输出力f 、速度v 或转矩r 、角速度。以驱动负载，无级调节系统输入量 就可以无级调节系统输出量。 通过检测元件位置传感器、力传感器、速度传感器等将输出量反馈到输 入端，进行偏差调节，可获得相当高的精度。 压药机的压力控制采用的就是闭环电液比例控制原理。这种控制的特点 是：简化液压系统，实现复杂程序控制；利用电信号便于远距离控制， 以及在线检测与控制；利用反馈，提高控制精度。 2 ，2 ，3电气控制系统 压药机电气采用p l c 控制；电机、电缆、电线采用防爆元件；输入、显 示设备采用工业触摸屏，触摸屏嵌入式安装在压机前侧上方，各种工艺参数， 如压力、位置、工作方式等可在其上设定、显示。防爆电气柜安装在机身后 部上方，各种开关、接触器及p l c 安装在电气柜内部。操作按钮盒安装在工作 台前方，“总停”、“电机启动”、“静止”和“压头下降”、“压头上升” 按钮在压机工作台前操纵盒上除了操作按钮和触摸屏外，还设有脚踏开关 可供操作。 压药机工作方式有调整、单次两种，可实现定压和定程两种加压方式。 通过力传感器和旋转编码器检测反馈，实现自动化生产。 工作方式介绍： 一、 1 调整 在调整工作方式下，按相应按钮有相应动作，但压头下降无快速，并须 用按钮操作。 2 单次 在单次工作方式下，原始位置为压头在上限位置。按“压头下降”按 钮或脚踏开关，压头快下。到设定慢下位后转为慢下，接触工件后加压。加 压到设定压力值时，压头开始保压( 压力、慢下位、保压时间均可在触摸屏 上设定) 。保压时间到，压头泄压上升。到设定上限位，压头停止运动，至 此一个单次循环完成。 第三章s 印3 0 1 0 型高精度压药机电气系统设计 3 1 压药机电气设计要求 3 1 1主要技术参数 1 技术参数 1 ) 公称力：1 0 k n 2 ) 最高液体压力：5 ，5 m p a 3 ) 油缸缸径：由5 0 l 由3 6 4 ) 泵公称流量：6 l r a i n 4 ) 压头速度：快降速度：4 0 m m s 压制速度：8 m m s 回程速度：8 0 m m s 2 液体压力与压机公称力如下： 表3 - 1 液体压力与压机公称力对照表 压力k g 公称力n压力蚝公称力n 59 8 0 3 05 8 9 0 1 01 9 6 23 56 8 7 0 1 52 9 4 04 0 7 8 5 0 2 0 3 9 2 04 58 8 3 0 2 54 9 1 05 0 9 8 1 0 3 1 2电气控制技术要求 1 ) 在压头上配有一个相匹配的力传感器，压头的输出压力可根据产品 工艺参数的改变任意调整。在达到设定的压力值后，系统进入保压状态，此 时采用位移传感器检测压头的位置并判定产品是否合格。位置检测精度为 0 0 l m m 。 2 ) 本机采用力传感器来控制压制力，其控制精度如下： 5 0 0 n i o o o n 1 0 ( 只允许单向) 1 0 0 0 n 7 0 0 0 n2 ( 只允许单向) 7 0 0 0 n 1 0 0 0 0 n8 ( 只允许单向) 上述指标应同时满足下列测试条件： 用测力器测定压机的压力精度，每组测1 0 个数据。 ( 设定值一实测值) 设定值 x 1 0 0 9 f i ；应满足压力精度要求。 连续运行8 小时无故障，每隔2 小时检测一次，其定压控制、位移检 测精度不得超差。 3 ) 压机具有保压性能，保压时间o 1 0 秒内可调。 4 ) 本设备配备1 0 4 英寸触摸屏，实现对压机的控制和调整，可以设定 工艺参数。并实时显示各工艺参数，压力显示单位为n ，位移显示单位为 咖。配有脚踏开关、紧急停车按钮。液压机压制速度应稳定无冲击， 5 ) 压头压力采用力传感器控制，实现压力闭环系统的控制。 6 ) 保压期间可按预先设定值检测压头实际位置，从而判定制件是否合 格，实际在线检测，当位移量大于上限值或低于下限值时用2 个不同颜色的 信号灯指示。 7 ) 电气采用p l c 可编程控制器控制，控制系统设有独立的“半自动” 和“调整操作”。 8 ) 压机上带有压力及其他数据的输出接口。 3 2电气控制系统设计 3 2 1 电气原理图设计 压药机是通过交流电动机带动叶片泵，将电能转化成系统的压力能，高 压液体推动液压缸运动，将压力能再转化成机械能。各种动作及位置、压力 的控制，是采用p l c 控制系统，因而电气原理图的设计主要包括电机控制 电路和p l c 控制电路两部分。p l c 控制电路主要是限位，按钮等开关量的 输入输出和压力传感器、比例阀等模拟量的输入输出。p l c 控制电路留待 第四章p l c 控制设计时再说，这里介绍电机控制电路和一些辅助电路。 1 ) 电机容量计算： 电机功率计算公式： p = 器 式中：p 一一电动机额定功率( k w ) ； p 一一液体压力( m p a ) ； q 一一液压泵的额定流量( l m i n ) 。 在压药机系统中：p = 5 5m p a ，q = 6 l m i n 代入上式，得 p = 0 6 9k w 考虑与同批次2 0 k n 压药机的通用性，最终选择y b 9 0 l 6 型1 1 k w ( 3 2 a ) 隔爆三相异步电动机。 2 ) 电气原理图设计 图3 1电气原理图1 7 7 ， 一_ r 一1 _ 铀 图3 2 电气原理图2 因电机功率较小，因而电机起动采用直接起动控制方式，用接触器 2 k m l 进行控制。电机的保护采用热继电器2 f 1 ，当