（航空宇航制造工程专业论文）低电压电磁铆接设备控制系统的研究.pdf

西北工业大学硕 上 学位论文摘要 摘 要 电磁铆接是一种新型铆接工艺，作为解决高强度、难成形材料铆钉、大直 径铆钉和复合材料结构铆接难题的一种关键技术已经应用于航空航天领域。目 前我国现有电磁铆接设备还不太成熟，电磁铆接工艺在生产实践中应用较少。 本文主要研究了低电压电磁铆接设备的控制系统，以 完善电磁铆接设备从而使 低电压铆接技术能尽快得到应用。 本文建立了电磁铆接设备放电回路的模型，研究了影响电磁铆接工艺的因 素，为控制系统的研究提供了 理论依据。根据实际需求，确定了 低电压电 磁铆 接控制系统的电容器参数及相应的充电电压。 本文以 可编程控制器( p l c ) 为主要控制元件， 设计出 低电 压电磁铆接设备的 控制系统。硬件电路设计主要包括晶闸管桥式整流充电电路、基于 t c a 9 7 5 芯 片的集成触发电路和电容器放电电路。p l c软件编程部分主要对控制系统的电 流、电压进行p i d串极闭环控制，p i d运算结果作为触发电路的控制电压，从 而保证整个系统充电的快速和准确。p i d闭环控制由p l c软件来实现，可以使 控制系统具有较好的柔性。 本文最后基于电磁兼容性、实用性的原则，设计出低电 压电磁铆接设备柜 体。能够使整个控制系统具有较好的电磁兼容性，提高整个系统的可靠性 关键词:电磁铆接 ，控制系统，可编程序控制器 ，p i d 两北工业人学顶 学位论文ab s t r a c t ab s t r a c t e le c t r o m a g n e t ic r iv e t in g is a n e w k i n d o f r iv e t in g p r o c e s s a n d h a s b e e n e m p lo y e d in a e r o s p a c e in d u s t ry . it is a k e y t e c h n iq u e t o b e u s e d t o s o lv e p r o b le m s s u c h a s r iv e t in g o f h ig h s t r e n g t h r iv e t s , la r g e d ia m e t e r r iv e t s , c o mp o s it e s t r u c t u r e s e t c . e le c t r o m a g n e t ic r iv e t in g e q u i p m e n t i n o u r c o u n t ry is n o t g o o d e n o u g h t o b e u s e d . r e s e a r c h e s h a v e b e e n d o n e o n c o n t r o l lin g s y s t e m o f lo w v o lt a g e e le c t r o m a g n e t ic r iv e t i n g e q u ip m e n t in t h is p a p e r , t o e x p e c t t o a p p ly lo w v o lt a g e e le c t r o m a g n e t ic r iv e t in g in t h e m a n u f a c t u r in g p r o c e s s t h e d i s c h a r g e c ir c u it o f e le c t r o m a g n e t ic r iv e t in g e q u i p m e n t h a d b e e n s e t u p t o f i n d o u t t h e f a c t o r s t h a t h a v e e ff e c t o n e le c t r o m a g n e t ic r iv e t i n g p r o c e s s . t h e a p p r o p r ia t e c a p a c it o r a n d c h a r g i n g v o lt a g e p a r a m e t e r s o f c o n t r o l lin g s y s t e m h a v e a ls o b e e n o b t a in e d a c c o r d in g t o p r a c t ic a l a p p l ic a t i o n . a n e w c o n t r o ll in g s y s t e m o f lo w v o lt a g e e le c t r o m a g n e t ic . r iv e t in g e q u ip m e n t b a s e d o n p r o g r a m m a b le c o n t r o lle r ( p l c ) is d e s ig n e d . h a r d w a r e c ir c u it s i n c lu d e b r i d g e c h a r g in g c ir c u it w it h t h y r is t o r s , t r ig g e r in g c i r c u it w it h t c a 7 8 5 c h i p a n d c a p a c it o r s d is c h a r g i n g c ir c u it . p l c s o ft w a r e m a in ly u s e s c h a r g in g c u r r e n t a n d v o lt a g e t o im p le m e n t s e r ie s - w o u n d p i d c lo s e d - lo o p c o n t r o l . t h e r e s u lt o f p i d is r e g a r d e d a s c o n t r o l v o lt a g e o f t r ig g e r in g c ir c u it t o e n s u r e c h a r g i n g q u ic k ly a n d a c c u r a t e ly . p l c s o ft w a r e e x e c u t e s p i d c lo s e d - l o o p c o n t r o l, s o t h e c o n t r o ll in g s y s t e m h a s g o o d fl e x ib ilit y . t h e lo w v o lt a g e e le c t r o m a g n e t ic r iv e t in g t a n k b a s e d o n e le c t r o m a g n e t is m c o m p a t ib il it y a n d p r a c t ic a l a p p lic a t io n is w o r k e d o u t . k e y w o r d : e le c t r o m a g n e t ic r iv e t in g , c o n t r o l s y s t e m , p r o g r a m m a b le c o n t r o l le r ( p l c ) , p i d 西北下业大学硕 卜 学位论文第一章 绪论 第一章绪论 互 1 . 1选题意义 飞机装配中所采用的连接方法，以机械连接为主，其大量采用铆接，并使用 一 部分螺栓连接。铆接结构重量轻、适用范围广、质量比较稳定、费用低，是 应用 最为 广泛的 连接方 法 u 。 在新型飞 机设 计中， 为了 增加飞 机结构的 强 度， 提高疲劳寿命，同时减轻飞机的重量，大量采用钦合金结构、复合材料结构。 这些材料的应用导致大量钦合金、高温合金和不锈钢等紧固件的采用。但由于 复合材料性能的限制及结构长寿命的要求，限制了热铆方法。另外，在新型飞 机结构中，大直径铆钉采用的越来越多。 而由于结构开敞性的限制，大功率压 铆机在许多情况下无法工作，这时只能采用锤铆。大直径铆钉的手工铆接存在 着铆接质量不稳定、铆接变形大、 效率低下等许多问题，工人对其铆接噪声、 后 座力等己 到了 不能忍 受的 地步 2 1 。以 上 所产生 的问 题都是 普通铆接方 法无法 解决的。因此， 采用新型铆接设备进行电 磁铆接以 解决上述问题，这已 经成为 新型飞机研制中必须解决的问题之一。电磁铆接作为解决铆接难题的一种新型 工艺方法己在航空航天工业中得到应用。波音、空客系列飞机制造中等都采用 了电 磁铆接技术。国外的经验表明，使用电磁铆接设备进行铆接是解决这些铆 接难题的一条有效途径。 早期电磁铆接设备采用高电 压 ( 4 -1 0 m，大量采用分立电子元件， 致使 设备体积庞大、成本高、安全可靠性差、放电频率高。高放电频率导致铆钉成 形 时 间 短， 材 料的 应 变率高， 墩 头 容易 产 生 微裂 纹 3 1 ， 加 之人 们 对高电 压的 危 惧心理，限制了 这一先进工艺方法的应用。为了消除高电 压电磁铆接设备存在 的问 题，美国8 0 年代末开始研究低电 压电 磁铆接技术，并申 请了低电压铆接专 利 4 1 , 9 0 年 代初研制 成功低电 压铆接设备 ( 手提式)， 开 始在波音7 4 7 , a i r b u s a 3 3 0 / a 3 4 0 1 5 1 等飞 机上应用， 并取 得成功。 低电 压的 采用是电 磁铆接技术的 飞 跃， 解决了高电压铆接存在的许多问题，使电磁铆接技术 ( 设备)得到推广应 用。 西北下业大学硕 卜 学位论文第一章 绪论 第一章绪论 互 1 . 1选题意义 飞机装配中所采用的连接方法，以机械连接为主，其大量采用铆接，并使用 一 部分螺栓连接。铆接结构重量轻、适用范围广、质量比较稳定、费用低，是 应用 最为 广泛的 连接方 法 u 。 在新型飞 机设 计中， 为了 增加飞 机结构的 强 度， 提高疲劳寿命，同时减轻飞机的重量，大量采用钦合金结构、复合材料结构。 这些材料的应用导致大量钦合金、高温合金和不锈钢等紧固件的采用。但由于 复合材料性能的限制及结构长寿命的要求，限制了热铆方法。另外，在新型飞 机结构中，大直径铆钉采用的越来越多。 而由于结构开敞性的限制，大功率压 铆机在许多情况下无法工作，这时只能采用锤铆。大直径铆钉的手工铆接存在 着铆接质量不稳定、铆接变形大、 效率低下等许多问题，工人对其铆接噪声、 后 座力等己 到了 不能忍 受的 地步 2 1 。以 上 所产生 的问 题都是 普通铆接方 法无法 解决的。因此， 采用新型铆接设备进行电 磁铆接以 解决上述问题，这已 经成为 新型飞机研制中必须解决的问题之一。电磁铆接作为解决铆接难题的一种新型 工艺方法己在航空航天工业中得到应用。波音、空客系列飞机制造中等都采用 了电 磁铆接技术。国外的经验表明，使用电磁铆接设备进行铆接是解决这些铆 接难题的一条有效途径。 早期电磁铆接设备采用高电 压 ( 4 -1 0 m，大量采用分立电子元件， 致使 设备体积庞大、成本高、安全可靠性差、放电频率高。高放电频率导致铆钉成 形 时 间 短， 材 料的 应 变率高， 墩 头 容易 产 生 微裂 纹 3 1 ， 加 之人 们 对高电 压的 危 惧心理，限制了 这一先进工艺方法的应用。为了消除高电 压电磁铆接设备存在 的问 题，美国8 0 年代末开始研究低电 压电 磁铆接技术，并申 请了低电压铆接专 利 4 1 , 9 0 年 代初研制 成功低电 压铆接设备 ( 手提式)， 开 始在波音7 4 7 , a i r b u s a 3 3 0 / a 3 4 0 1 5 1 等飞 机上应用， 并取 得成功。 低电 压的 采用是电 磁铆接技术的 飞 跃， 解决了高电压铆接存在的许多问题，使电磁铆接技术 ( 设备)得到推广应 用。 西北t 业人学硕 学位论义 第一章 绪论 国外利用低电压电磁铆接设备进行铆接的实践表明，电磁铆接一般一次完 成徽头的成形，避免了锤铆时由于多次锤击加载使材料冷作硬化，并可用于钦 合金铆钉的铆接。如采用低压电 磁铆接设备进行铆接时，丁 b 2 - 1 , a 2 8 6 等难成 形材料的铆钉能够顺利形成嫩头。而采用锤铆时，这些材料的铆钉嫩头往往会 产生剪切破坏。同时，利用低电压电 磁铆接设备对复合材料结构铆接不容易产 生 初 始 安 装 损 伤， 还 可实 现比 较 理 想 的干 涉 配合 阁 ， 提高 接头 的 疲劳 寿 命 ，是 实 现复合材料干涉配合铆接的理想设备之一。低电压电磁铆接设备在进行铆接时 所产生的后坐力小，因而手提式电磁铆接设备可用于大直径铆钉的铆接，能够 解决普通手铆铆接大直径铆钉时后坐力太大的问题，还具有噪音低、铆接质量 稳定和效率高的优势。因此，应用低电压电磁设备进行铆接完全可以 解决国内 新型飞机研制中所要求的对大直径铆钉、钦合金和复合材料进行铆接的需求。 我国电磁铆接技术研究工作起步较晚， 研制出的电磁铆接设备还不太成 熟，可靠性较低，还不能完全满足工程实际生产的需要。而要引进国外低电压 电磁铆接设备需要花费大量外汇，如美国的一套电 磁铆接设备要十万到一百万 美元。新型飞机的研制迫切需要低电压电磁铆接设备。因此研制新型低电压电 磁铆接设备，有利于解决新型飞 机研制中 在大直径和钦合金铆钉铆接、复合 材 料连接等现实工艺问题，同时对降低生产成本， 提高铆接质量和铆接效率有重 要的意义。 本文通过理论分析和试验研究的方法， 研究了 低电 压电 磁铆接设备的 控制 系统，以期能早日 将低电压电 磁铆接设备应用到实际生产实践中。 1 . 2国内外研究现状 美国最早开展了电磁铆接技术的研究， 始于六十年代末七十年代初， 6 0 年 代 美国 波音公司为 解决 锤铆中 存在的问 题，由h u b e r a s c h m i tt 等 人首 先开 始 摸 索电 磁铆接技术。 经过几年的努力， 研制成功了高 冲击 ( 高电压) 手提式铆接 设备的电 磁铆接装置，该设备采用双枪加载，于1 9 7 1 年申 请了 专利。 7 0 年代 格鲁门公司为配合f -1 4 的研制而发明了 一种单枪电 磁铆接装置， 也称为应力 波铆接设备， 成功地解决了 因干涉配合紧固 件连接钦合金结构和厚夹 层结构所 遇到的困难，取得了明显的技术经济效益，并由b a s i l p .l e t h e r i s 申请了金属成 两北t 业人学坝卜学位论义 辩一章鳍论 国外利用低电压电磁铆接设备进行铆接的实践表明，电磁铆接一般叫一次完 成镦头的成形，避免了锤铆时由于多次锤击加载使材料冷作硬化并可用于钛 合衾铆钉的铆接。如采用低压电磁铆接设备进行铆接时，t b 2 1 、a 2 8 6 等难成 形材料的铆钉能够顺利形成镦头。而采用锤铆时，这些材料的铆钉镦头往往会 产生剪切破坏。同时，利用低电压电磁铆接设备对复合材料结构铆接不容易产 生初始安装损伤，还可实现比较理想的干涉配合m l ，提高接头钓疲劳寿命，是实 现复合材料干涉配合铆接的理想设备之一。低电压电磁铆接设备在进行铆接时 所产生的后坐力小，因而手提式电磁铆接设备可用于大直径铆钉的铆接，能够 解决普通手铆铆接大直径铆钉时后坐力太大的问题，还具有噪音低、铆接质量 稳定和效率高的优势。因此，应用低电压电磁设备进行铆接完全可以解决国内 新型飞机研制中所要求的对大直径铆钉、钛合金和复台材料进行铆接的需求。 我国电磁铆接技术研究工作起步较晚，研制出的电磁铆接设备还不太成 熟，可靠性较低，还不能完全满足工程实际生产的需要。丽要弓l 进国外低电压 电磁铆接设备需要花费大量外汇，如美国的一套电磁铆接设备要十万到一百万 美元。新型飞机的研制迫切需要低电压电磁铆接设备。因此研制新型低电压电 磁铆接设备，有利于解决新型飞机研制中在大直径和钛合金铆钉铆接、复合材 料连接等现实工艺问题，同时对降低生产成本，提高铆接质量和铆接效率有重 要的意义。 本文通过理论分析和试验研究的方法，研究了低电压电磁铆接设备的控制 系统，以期能早曰将低电压电磁铆接设备应用到实际生产实践中。 1 2 国内外研究现状 美国最早开展了电磁铆接技术的研究，始于六十年代末七十年代初。酏年 代美国波音公司为解决锤铆中存在的问题，由h u b e r as c h m i t t 等人首先开始摸 索电磁铆接技术。经过几年的努力，研秘成功了高冲击( 高电压) 手提式铆接 设备的电磁铆接装置，该设备采用双枪加载，于1 9 7 1 年申请了专利。7 0 年代 格鲁门公司为配合f 一1 4 的研制而发明了种单枪电磁铆接装置，也称为应力 波铆接设备，成功地解决了因干涉配合紧固件连接钛合余结构和厚夹层结构所 遇到的困难，取得了明显的技术经济效益，并由b a s i lp l e t h e r i s 申请了金属成 两北t 业大学颤十学位论义第一章绪论 形方法和设备的专利。随后几年，l e t h e r i s 一直从事电磁铆接技术研究，先后申 请了应力波安装干涉配合紧固件 7 】、发生应力波的线圈 8 】、应力波制孔 9 1 等专 利，使电磁铆接技术的应用范围不断扩大，极大地推动了电磁铆接技术的发 展。1 9 8 6 年波音公司在波音7 6 7 的制造中就开始采用了电磁铆接设备完成一些 难成形材料铆钉的铆接。 8 0 年代术9 0 年代初，美国开始研究低压电磁铆接技术。p e t e rz 在华盛顿 大学攻读博士学位期间，对低压电磁铆接技术进行了研究，将原来需5 0 0 0 8 0 0 0 v 的铆接电压降至q s o o v 以下。p e t e rz 1 9 8 8 年申请了低压电磁铆接的专利， 并成立t e l e c t r o i m p a c t 公司，专门从事低压电磁铆接设备的研究丌发和生产。 低电压的采用，降低了设备的成本，提高了设备的寿命和安全系数i ”1 ，并且解 决了高电压电磁铆接无法解决的许多问题，从而使这一技术很快得到推广应 用，先后在波音7 4 7 、a 3 2 0 、a 3 3 0 3 4 0 等飞机上得到应用，先后已有几t 个航空 工厂购置了e l e c t r o i m p a c t 公司的低压电磁设备。波音公司在九十年代初研制出 的一种手提式铆枪设备采用双枪加载，控制系统采用模块化，两组充电电容器 组的大小独立可进行调整，且放电线圈加装有温度传感器，可在铆接时根据放电 线圈温度进行电压补偿，当温度超过设定值时，设备供电电源自动切断，确保 铆接质量的一致性n “。同时低压电磁铆接技术的采用促进了飞机结构的改进。 譬如，波音公司已采用这一技术在7 4 7 飞机上铆接3 8 英寸( 9 5 m m ) 的7 0 5 0 锣0 钉 以替代以前所用的双件紧固件，减轻了飞机的结构重量。 图1 1h h 5 0 3 控制系统的面板 图l i 为e l e c t r o i m p a c t 公司最新的手持式低压电磁铆接设备h h 5 0 3 垃1 的控 制系统箱体的面板，控制系统的用户接口主要由带有液晶显示器( l c d ) 和相应 键盘的组成。整个控制系统主要有p l c 控制，够存储多达2 0 个经过试验验证的 铆钉铆接参数预设值。l c d 显示器提供如：模式、铆接电压、延迟时间及错误消 息等信息。键盘用来在操作时进行模式选择，或在设置时输入铆接参数，及在 铆接时选择对应的参数值。 两北 业人学顿_ 二学位论文第一章绪论 9 0 年代中期，美国将电磁铆接技术用于自动钻铆机，以电磁铆接头代替液 压头，并开始了计算机控制的低电压电磁铆接设备的工程化研究。采用电磁铆 接头代替自动钻铆机的液压头可明显减轻自动钻铆机的重量。英国宇航公司为 进行空中客车系列运输机翼面装配而向美国e l e c t r o i m p a c t 公司订购了一台血 坐标的自动电磁铆接设备，可将原液压式自动钻铆机的重量由1 0 0 吨减轻到j o 州13 1 。 电磁铆接在俄罗斯称为磁脉冲铆接伏尔加航空科学技术中心开发和研制 的tmk 一6 a m ，tmk 一8 a m 磁脉冲铆接设备己用于伊尔一8 6 飞机的生产， 研制的tmk c h 一3 装置已用于发动机燃烧室简体c r n i 钢等铆钉的铆接。 电磁铆接技术研究工作在我国起步较晚。1 9 8 1 年为解决t b 2 1 铆钉用普通 铆接方法铆接时镦头容易打裂的问题，在原航空部三零一研究所的支持下，西 北工业大学余公藩教授领导的课题组在我国率先开始电磁铆接技术的研究。 1 9 8 6 年研制成功当时称为应力波铆接设备的固定式电磁铆接设备。在这期 间，为解决设备研制中存在的问题，曾和中国科技大学王礼立教授等人合作对 电磁铆接理论进行了一些研究f l 引。为解决固定式电磁铆接设备存在的问题并满 足实际生产的需要，课题组又_ 丌始了手提式电磁铆接设备的研制，并于1 9 9 0 年 研制成功。在以后几年，他们将工作重点主要集中于电磁铆接工艺的研究。在 复合材料电磁铆接工艺研究的基础上制定了碳纤维复合材料应力波铆接工艺规 范的航空标准( h b z 2 7 2 - 9 5 ) 。进入九五后，由于型号研制的需要，再加之电 磁铆接这新技术的作用逐渐被人们认识，国防科工委立项，由西工大对电磁 铆接技术开始进行系统研究，并在电磁铆接设备的研制和电磁铆接技术的应用 方面取得了定突破，研制成功中压电磁铆接设备，在生产实践得到应用，并 被授予发明专利。为了跟踪国外先进水平，解决高压电磁铆接质量、设备的安 全可靠性等方面存在的闯题，曹增强通过对低电压电磁铆接技术的研究，对低 电压电磁铆接设备的研制也作了很多研究工作【1 7 幅1 。 原航空工业总公司6 2 5 研究所1 9 9 9 年6 月引进了俄罗斯的两台电磁铆接设 备。其中y m k - 6 a m 可# p 6 m m 的铝铆钉，y m k 一8 a m 可铆8 m m 的铝铆钉，每 分钟可铆1 0 2 0 个铆钉。和国产高压电磁铆接设备相比，俄罗斯的设备电源系 统中增加了个脉冲变压器，在铆接的瞬间将5 k v 的高压转换为3 8 0 v 的低 4 西北工业大学硕 学位论文第一章绪论 压，这也是它的主要特色。但俄罗斯的电源系统仍采用高压工作，体积庞大， 设备比较笨重和昂贵，同时系统仍采用脉冲电容器高压充电，所以属于高电压 电磁铆接设备，具有高电压电磁铆接设备的种种缺点。 1 3 本文研究内容 括 论文主要围绕低电压电磁铆接设备的控制系统进行研究，主要研究内容包 ( 1 )电磁铆接理论研究及设备参数选择。 ( 2 ) 低电压电磁铆接设备的控制系统设计及试验。 ( 3 ) 电磁铆接设备柜体设计。 西北工业大学硕 l 学位论文 第一章 绪论 压， 这也是它的主要特色。但俄罗斯的电 源系统仍采用高压工作，体积庞大， 设备比 较笨重和昂贵，同时系统仍采用脉冲电 容器高压充电，所以属于高电压 电磁铆接设备，具有高电压电磁铆接设备的种种缺点。 1 . 3本文研究内容 论文主要围绕低电压电磁铆接设备的控制系统进行研究，主要研究内容包 括: ( 1 ) 电磁铆接理论研究及设备参数选择。 c 2 ) 低电压电磁铆接设备的控制系统设计及试验。 ( 3 ) 电磁铆接设备柜体设计。 西北工业大学硕士学位论文第二章 电磁铆接ot论分析 第二章电磁铆接理论分析 电 磁铆接是一种新型铆接工艺方法，电 磁铆接的研究涉及多学科知识，主 要有电 子学、电路学、材料学、金属学， 力学等多 种学科。电 磁铆接设备主要 包括电气控制系统和铆枪系统。前者的研究主要集中于电子和电路知识:对铆 枪的研究较为复杂，主要包括电磁学，材料学，物理学等。铆接应用涉及的学 科有金属学和材料力学。 2 . 1 电磁铆接基本原理 1 0 1 1 1 2 图2 -1电磁铆接设备的基本 l 作原理图 交流电源 放电线圈 充电开关 次级线圈 硅整流器 调制器 4放电开关5电容器组6 1 0 , 1 1 铆接_ 二 件1 2顶铁 铆枪减振装置 1 3铆钉 电 磁铆接设备基本工作原理见图2 -1 所示。电磁铆接设备工作时，充电 开关 2闭 合，交流电 源经硅整流器整流后，对电 容器组充电， 将电能 储蓄在 电 容器组中。当充电电 压达到设定电 压后， 且放电开关 4导通，电 容器组对 电磁铆接设备的放电线圈 7进行放电，在放电线圈中就产生强大的脉冲电 流，同时在其周围形成强度很大的脉冲磁场。在紧靠放电线圈 7的次级线圈 西北工业大学硕士学位论文第二章 电磁铆接ot论分析 第二章电磁铆接理论分析 电 磁铆接是一种新型铆接工艺方法，电 磁铆接的研究涉及多学科知识，主 要有电 子学、电路学、材料学、金属学， 力学等多 种学科。电 磁铆接设备主要 包括电气控制系统和铆枪系统。前者的研究主要集中于电子和电路知识:对铆 枪的研究较为复杂，主要包括电磁学，材料学，物理学等。铆接应用涉及的学 科有金属学和材料力学。 2 . 1 电磁铆接基本原理 1 0 1 1 1 2 图2 -1电磁铆接设备的基本 l 作原理图 交流电源 放电线圈 充电开关 次级线圈 硅整流器 调制器 4放电开关5电容器组6 1 0 , 1 1 铆接_ 二 件1 2顶铁 铆枪减振装置 1 3铆钉 电 磁铆接设备基本工作原理见图2 -1 所示。电磁铆接设备工作时，充电 开关 2闭 合，交流电 源经硅整流器整流后，对电 容器组充电， 将电能 储蓄在 电 容器组中。当充电电 压达到设定电 压后， 且放电开关 4导通，电 容器组对 电磁铆接设备的放电线圈 7进行放电，在放电线圈中就产生强大的脉冲电 流，同时在其周围形成强度很大的脉冲磁场。在紧靠放电线圈 7的次级线圈 西北工业大学硕 卜 学位论文 第二章 电磁铆接理论分析 中，由于电磁感应而产生极强的涡流，次级线圈中的涡流产生的磁场与放电 线圈产生的脉冲磁场方向相反。这两个磁场的相互推斥作用在调制器 9的输 入端形成一个历时微秒级、高强度应力脉冲。应力脉冲以弹性波形式在调制 器中传播并调制成形、放大，然后传递给铆钉 1 3 ，使之墩粗变形。在铆接 中，应力波在调制器 9小端的铆卡和顶铁之间多次来回反射，铆钉杆在塑性 变形的同时形成墩头。因此，电磁铆接也称为应力波铆接。 互 2 . 3放电回路分析 电磁铆接设备放电线圈回路等效电路如图2 -2 所示: 与 / 试拭 恢血，leses c 一电容器组 图 2 -2放电回路等效电路 k 一放电开关 l 一放电线圈电感 r 一放电线圈的电阻 电容器组c 的充电过程，就是把电源能量存储在电容器组中的过程，电容 器如果充电到某个电压u a .那么在电容器的两个板极就积累了电荷，建立了电 场，电场的能量w为: w = 生 c u z 2 c 2 一 1 ) 当开关闭合后，储能电容器放电，在放电回路中产生放电电流，在放电线 圈周围形成脉冲磁场，储能电容器存储的电场能转变为磁场能，进而在次级线 圈中产生巨大的涡流，涡流产生的磁场与放电线圈的磁场相反，两个线圈磁场 的相互推斥作用在调制器的输入端形成一个历时微秒极、强度高的应力脉冲。 应力脉冲以弹性波形式在调制器中传播并调制成形、放大，然后传递给铆钉， 完成铆钉的铆接。 图2 -2 是一个典型的r -l -c 电路，由放电回路的等效电路可以列出如下 方程: 西北工业大学硕 卜 学位论文 第二章 电磁铆接理论分析 中，由于电磁感应而产生极强的涡流，次级线圈中的涡流产生的磁场与放电 线圈产生的脉冲磁场方向相反。这两个磁场的相互推斥作用在调制器 9的输 入端形成一个历时微秒级、高强度应力脉冲。应力脉冲以弹性波形式在调制 器中传播并调制成形、放大，然后传递给铆钉 1 3 ，使之墩粗变形。在铆接 中，应力波在调制器 9小端的铆卡和顶铁之间多次来回反射，铆钉杆在塑性 变形的同时形成墩头。因此，电磁铆接也称为应力波铆接。 互 2 . 3放电回路分析 电磁铆接设备放电线圈回路等效电路如图2 -2 所示: 与 / 试拭 恢血，leses c 一电容器组 图 2 -2放电回路等效电路 k 一放电开关 l 一放电线圈电感 r 一放电线圈的电阻 电容器组c 的充电过程，就是把电源能量存储在电容器组中的过程，电容 器如果充电到某个电压u a .那么在电容器的两个板极就积累了电荷，建立了电 场，电场的能量w为: w = 生 c u z 2 c 2 一 1 ) 当开关闭合后，储能电容器放电，在放电回路中产生放电电流，在放电线 圈周围形成脉冲磁场，储能电容器存储的电场能转变为磁场能，进而在次级线 圈中产生巨大的涡流，涡流产生的磁场与放电线圈的磁场相反，两个线圈磁场 的相互推斥作用在调制器的输入端形成一个历时微秒极、强度高的应力脉冲。 应力脉冲以弹性波形式在调制器中传播并调制成形、放大，然后传递给铆钉， 完成铆钉的铆接。 图2 -2 是一个典型的r -l -c 电路，由放电回路的等效电路可以列出如下 方程: 西北工业人学硕士学位论文第二章 电 磁铆接理论分析 l 兰 + r i + 止 d t c 式中:l 一放电回路的电感量 c 一放电回路的电容量 将 ( 2 -2 )式微分得: j id t 一 0 ( 2 - 2 ) r 一放电回路的电阻 i 一放电电流 _ 护i _ d i 1 . l -+r一 +一 l d t d t c 二0 ( 2 一 3 ) 求解 ( 2 一3 )，因为放电回路电阻较小 r 2 、 止，(r 5 m m 3 0 c r m n s i 铆钉铆接时，设备储能 要 4 5 0 0 j 左右， 如果电 容器取2 0 0 0 11 f ， 则充电电 压就需2 2 0 0 v ， 考虑到设备铆 接效率n 小于1 ，则实际充电电压要更高。 西北工业大学硕 t : 学位论文第_ _ 章 电磁铆接理论分析 器、高充电电压的高、中电压电磁铆接设备来讲，可以大幅度降低设备的加 载速率。因而，能够很好地解决高、中电压电磁铆接设备由于高放电频率所 导致铆钉成形时间短、材料的应变率高、墩头容易产生微裂纹的缺陷。 2 . 3铆接电压的选择 开发低电压电磁铆接设备的基本思路就是将高、中压电磁铆接设备改为低 电 压电磁铆接设备。作为低压设备，其工作电压一般应在5 0 0 v 以下。电磁铆接 设备的实质上是先在电容器中存储能量，然后通过线圈放电将电容器中存储的 电能以电磁感应的方式转换为机械能，完成铆钉的塑性变形。电容器存储的能 量为: w ,t, 一 喜 c v 2 乙 ( 2 一1 6 ) 式中:c一电容器组总电容;v一电容器充电电压 用于铆钉变形的机械能为: w ,r = w ,* 。 一 告 .c v , ( 2 一1 7 ) 式中:n 一设备铆接效率 从 ( 2 - 1 7 ) 可以 看出 ， 在电 容器 不 变的 情况 下，铆 钉 变 形 所需 机 械功 越 多，电 容器的充电电 压就要愈高。我国现有高、中压电磁铆接设备的工作电压 一 般在4 0 0 0 v - 8 0 0 0 v 之间。电压高， 放电线圈的寿命就短， 这是我国电磁铆接 设备存在的一个突出问题。要延长放电 线圈的寿命，除改进放电线圈结构外主 要方法就是降低线圈的工作电 压。因而，在新设备研制时，必须尽可能降 低工 作电压。在进行铆接时，当铆钉选定后，铆接所需机械功就为一定值。从 ( 2 - 1 7 ) 式可以 看出，要降低充电电 压v ，则要增加电容器c 。我国现阶段高、中电 压电磁铆接设备中使用的脉冲电容器能做到几百微法，电磁铆接设备可以 将几 个电 容器并联。由于脉冲电容器体积很大，考虑到设备体积的限制，一般总容 量只能达到 2 0 0 0 11 f 左右。 从试验测得d 5 m m 3 0 c r m n s i 铆钉铆接时，设备储能 要 4 5 0 0 j 左右， 如果电 容器取2 0 0 0 11 f ， 则充电电 压就需2 2 0 0 v ， 考虑到设备铆 接效率n 小于1 ，则实际充电电压要更高。 西北t业人学硕 卜 学位论文第二章 电磁铆接理论分析 在新型设备研制中，我们采用电 解电容器，其具有容量大、体积小并可进 行快速充电的特点。 通过分析和试验， 最终选用了 2 0 个额定电 压4 5 0 v ,额定电 容4 6 0 0 4 f 的可充放电电解电容器c d 9 3 。根据理论计算，当充电电压达到3 2 0 v 时就可实现对 b 5 m m 3 0 c r mn s i 铆钉的铆接。这样就达到了降低电压的目的， 同时使设备体积大幅度减小。 西 北丁 业大学硕 学位论文第二章 控制系统总休vx计 及p l c下 作原理 第三章 控制系统总体设计及p l c 工作原理 3 . 1 电磁铆接设备总体设计 电 磁铆接设备的基本要求是根据所要铆接的铆钉尺寸设定好铆接电 压， 铆 接设备在接受到用户的 “ 充电”指令后，开始对充电电容器进行充电并在充电 过程中显示电容器充电电压。在充电电压达到设定铆接电压后，必须能显示充 电完成信号。如果充电电压达到铆接电压时且设备收到 “ 铆接”信号后，充电 电 容器对铆枪中的放电线圈进行放电，铆接设备就完成了 一次铆接。如果在充 电电 压未达到设定 值时，设备即使收到“ 铆接” 信号，电 容器也不会进行放电 即不能进行铆接。以上问 题是一个开关量的控制问 题。 控制电 容器充电电 压达到设定电 压是铆接设备所要解决的关键问题，因此 充电电 路采用晶闸管全桥整流形式，通过触发电路控制晶闸管的门极开关来控 制全桥整流电路的通断，最终达到控制电 容器充电电压的目 的。由于铆接设备 的充电过程的是一个非线性过程， 充电过程的模型很难建立，因此触发电路控 制电 压是通过对电 容器上实际充电电 压和设定电 压之间的差值进行p i d控制来 得到的。在p i d控制过程中，只有对p i d控制中所需要的参数进行合理的设 定，才能 够取得比 较满意的结果。 对充电电 压的控制涉及到一个p i d控制的问 题。 综合以上两个方面，决定以可编程控制器 ( p l c )为核心来构建电磁铆接 设备。 p l c 是一种专为在工业环境下 应用而设计的工业用计算机。它采用了 可 编程程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时，计数 和算术操作等面向 用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出， 控制 各 种类型的机械或生产过程。 可编程控制器及其有关外围设备，都按照易于与工 业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 p l c 的可 靠性和抗千扰能 力高， 且功能 及扩展能力强。 p l c中 含有数量巨 大的可用于开关量处理的 继电 器类软元件，可轻松地实现大规模的开 关量 逻辑控制，又 用程序 ( 软连接) 代 替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要具有p l c 就可进行控制系统设计 西 北丁 业大学硕 学位论文第二章 控制系统总休vx计 及p l c下 作原理 第三章 控制系统总体设计及p l c 工作原理 3 . 1 电磁铆接设备总体设计 电 磁铆接设备的基本要求是根据所要铆接的铆钉尺寸设定好铆接电 压， 铆 接设备在接受到用户的 “ 充电”指令后，开始对充电电容器进行充电并在充电 过程中显示电容器充电电压。在充电电压达到设定铆接电压后，必须能显示充 电完成信号。如果充电电压达到铆接电压时且设备收到 “ 铆接”信号后，充电 电 容器对铆枪中的放电线圈进行放电，铆接设备就完成了 一次铆接。如果在充 电电 压未达到设定 值时，设备即使收到“ 铆接” 信号，电 容器也不会进行放电 即不能进行铆接。以上问 题是一个开关量的控制问 题。 控制电 容器充电电 压达到设定电 压是铆接设备所要解决的关键问题，因此 充电电 路采用晶闸管全桥整流形式，通过触发电路控制晶闸管的门极开关来控 制全桥整流电路的通断，最终达到控制电 容器充电电压的目 的。由于铆接设备 的充电过程的是一个非线性过程， 充电过程的模型很难建立，因此触发电路控 制电 压是通过对电 容器上实际充电电 压和设定电 压之间的差值进行p i d控制来 得到的。在p i d控制过程中，只有对p i d控制中所需要的参数进行合理的设 定，才能 够取得比 较满意的结果。 对充电电 压的控制涉及到一个p i d控制的问 题。 综合以上两个方面，决定以可编程控制器 ( p l c )为核心来构建电磁铆接 设备。 p l c 是一种专为在工业环境下 应用而设计的工业用计算机。它采用了 可 编程程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时，计数 和算术操作等面向 用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出， 控制 各 种类型的机械或生产过程。 可编程控制器及其有关外围设备，都按照易于与工 业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 p l c 的可 靠性和抗千扰能 力高， 且功能 及扩展能力强。 p l c中 含有数量巨 大的可用于开关量处理的 继电 器类软元件，可轻松地实现大规模的开 关量 逻辑控制，又 用程序 ( 软连接) 代 替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要具有p l c 就可进行控制系统设计 西北工业大学硕 学位沦义第三章 控制系统总体设计及p l c下作原 理 并可在实验室进行模拟调试，具有设计、安装、调试方便的特点，这是一 般继 电器系统所不能实现的。p l c或其扩展功能单元能方便地实现d / a . a / d转换 及p i d 运算， 可实 现过程控制、 数字 控制等 功能 t2 0 l o p l c 体积小， 重量 轻， 易 于实现机电一体化。因此在电磁铆接设备中采用p l c可以完全满足设备的要 求，提高设备的可靠性，减小设备的体积，更好地应用于工业生产现场 图3 - 1 是以p l c为中心所构建的低电压电磁铆接设备总体框图: 1 参 数 设 置 及 0 t卜 一一 - ，【 a / d i- - - i k f l eki,jj 9 开关量输入控制可编程控制器p l c充电电路 铆枪放电电路!d / a 触发 电路 图3 一1电 磁铆接设各的总体框图 低电压电磁铆接设备的开关量较少，因此可编程控制器选用整体式 ( 单元 微型p l c . 2整体式 p l c 的硬件组成 )q 式互 编程器 卜 位计算机 e p r o m 写入器 可 编程终端p t 图3 - 2 整体式p l c 的组成示意图 西北工业大学硕 学位沦义第三章 控制系统总体设计及p l c下作原 理 并可在实验室进行模拟调试，具有设计、安装、调试方便的特点，这是一 般继 电器系统所不能实现的。p l c或其扩展功能单元能方便地实现d / a . a / d转换 及p i d 运算， 可实 现过程控制、 数字 控制等 功能 t2 0 l o p l c 体积小， 重量 轻， 易 于实现机电一体化。因此在电磁铆接设备中采用p l c可以完全满足设备的要 求，提高设备的可靠性，减小设备的体积，更好地应用于工业生产现场 图3 - 1 是以p l c为中心所构建的低电压电磁铆接设备总体框图: 1 参 数 设 置 及 0 t卜 一一 - ，【 a / d i- - - i k f l eki,jj 9 开关量输入控制可编程控制器p l c充电电路 铆枪放电电路!d / a 触发 电路 图3 一1电 磁铆接设各的总体框图 低电压电磁铆接设备的开关量较少，因此可编程控制器选用整体式 ( 单元 微型p l c . 2整体式 p l c 的硬件组成 )q 式互 编程器 卜 位计算机 e p r o m 写入器 可 编程终端p t 图3 - 2 整体式p l c 的组成示意图 西北工业大学硕士学位论文第三章 控制系统总体设计 及p l c工 作原理 整体式机构的p l c 是将中央处理单元 ( c p u )、存储器、输入单元、输出单 元、电 源、通信端口、i / 0 端口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立 的工 / 0 扩展单元等与 主机配合使用。整体机结构紧凑、体积小，小型机常采用 这种结构，整体机的一般结构如图3 - 2 所示。 以下是p l c基本结构各组成部分及作用 1 中央处理器 与一般计算机一样，c p u 是p l c 的核心，它按p l c 中系统程序赋予的功能指挥 p l c 有条不紊地进行工作。其主要任务如下: ( 1 ) 控制从编程键入的用户程序和数据的接收与存储;用扫描的方式通过 1 / 0 部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中。 ( 2 ) 诊断p l c 内部的工作故障和编程中的语法错误等。 ( 3 ) p l c 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，解释并按照指令 规定的任务进行数据传递、逻辑或运算等;并根据运算结果，更新有关标志位 的状态和输出映像寄存器的内容，再经过输出部件实现输出控制、制表打印或 数据通信功能。 c p u 芯片的性能关系到p l c 处理信号的能力与 速度， c p u 位数越高， 系统处 理的 信息量越大，运算也越快。随着芯片技术的不断发 展， p l c 所用c p u 芯片 也越来越高档。 2 .存储器 p l c 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器用来存放由p l c 生产厂家编写的系统程序，并固化在r o m 内， 用户不能直接更改。 它使p l c 具有基本的智能，能 够完成p l c 设计者规定的各 项工作。系统程序质量的好坏，很大程度决定了p l c 的性能，其内容主要包括 三部分。 第一部分为系统管理程序。它主要控制p l c 的运行，使整个p l c 按部就班 地工作。 第二部分为用户指令解释程序。 通过用户指令解释程序将p l c 的编程语言 变为机器语言指令，再由p l c 执行这些指令。 西北t业大学砚 七 学位论