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硕十学位论文 摘要 冲床或称冲压机，是一种普遍使用的对延性金属进行机械冷加工的设备。常 规冲压机按驱动形式分为曲柄冲压机和液压冲压机床。曲柄冲压机是由曲柄滑块 机构的主传动带动滑块上下运动，由固装于滑块上的成型器( 模具或刀具) 对来 料进行冲制。液压冲床一般为液压驱动动力作为冲头。这种冲床加工的主要特点 是：无废料或少废料；效率高；被冲零件或器件的整体强度高。 本文运用加速度传感器、速度传感器等传感器把运动中冲床冲头的加速度和 速度等数据信号通过数据采集卡送入上位机相应的地址栏中，通过上位机组态软 件w i n c c 中的控件“w i n c cf u n c t i o nt r e n dc o n t r o l ，利用v b s 调用相应地址 栏中的数据从而绘制出相应的速度与加速度曲线，并且通过上位机监控软件对所 绘制的曲线进行分析，从而自动得出判断( 有无故障) 结果。以往的数控冲床检 测手段相比，本文所设计的检测系统可自动对数控冲床进行检测；数据处理和显 示判断结果，完全实现自动化；操作简单易行；对内部设计实现模块化，维修方 便。因此有很大的工程意义和应用价值。 关键字：冲床；数控机床；西门子p l c ；w i n c c 高速数控冲床性能测试系统的研究 a bs t r a c t p u n c ho rp u n c h i n gm a c h i n ei saw i d e l yu s e de q u i p m e n tw h i c hm a k e sd u c t i l e m e t a lm e c h a n i c a l l yp r o c e s s e d t h ec o n v e n t i o n a lp u n c hh a st w om a i nf o m ：c r a n k p u n c ha n dt h eh y d r a u l i cp r e s s u r er a m m i n ge n g i n eb e d t h em a i nd r i v eo ft h ec r a n k p u n c hl e dt h es l i d e ra c tf r o mt o pt ob o t t o m ，a n dt h em a t e r i a li sp u n c h e db yt h e f o m i n ge q u i p m e n t6 x e do nt h es l i d e r ( m o l do rt 0 0 1 ) t h eh y d r a u l i cp r e s st a k e st h e h y d r a u l i cp r e s s u r ea c t u a t i o np o w e ra st h ed r i v e i t sm a i nf e a t u r e sa r e ：n oo rf e w w a s t em a t e r i a l ；h i g he m c i e n c y ；h i g hs t r e n g t ho fp r o c e s s e dp a r t s t h i sp a p e rg e t st h ec o r r e s p o n d i n gc u r y e sb yu t i l i z i n gv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n s e n s o r sw h i c hm a k et h ed a t as i g n a l sg e ta c c e s st ot h ec o r r e s p o n d i n ga d d r e s s e so ft h e a b o v ep ct h r o u g ht h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，a n du t i l i z i n gt h ec o n t r o l l e rn a m e d w i n c cf u n c t i o nt r e n dc o n t r o l o ft h ec o n n g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c ，a n du s i n g t h ec o r r e s p o n d i n gd a t ai nt h ea d d r e s st h r o u g hv b s e x c e p tt h a t ，t h ea u t o m a t i c a l l y j u d g er e s u l t s ( w h e t h e rf a i l u r e ) i sg a i n e db yt h e d r a w e dc u r v e sa n a l y s i st h r o u g h m o n i t o r i n gs o n w a r eo nt h ep c c o m p a r e dt ot h ef 0 加e rn u m e r i c a lc o n t r o lp u n c h e x a m i n a t i o nm e t h o d s ，t h et e s ts y s t e mo ft h ed a t ap r o c e s s i n ga n dt h ed e m o n s t r a t i o n j u d g e m e n tr e s u l t sa r er e a l i z e da u t o m a t i c a l l y ；t h eo p e r a t i o ni se a s ya n df e a s i b l e ； t h e r e f o r e ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ea n dv a l u eo fp r o j e c t s k e y w o r d s ：p u n c h ；c n cm a c h i n e ；s i m a t i cp l c ；w i n c c l i 硕士学位论文 插图索引 图2 1 数控多模位转台冲床的外形图5 图2 2 测试系统的配置图6 图2 3 d 转换与数据缓冲电路图9 图2 4s 7 2 0 0 外形结构图1 1 图2 5p p i 通讯1 2 图2 6m p i 通讯1 2 图2 7p r o f i b u s 协议：1 3 图2 8 电荷放大器原理图1 5 图2 9 强电控制回路1 6 图2 1 0 传感器和接线段子连接图1 7 图2 1 l 数据采集卡和其接线段子的连接图1 8 图2 1 2p p i 通讯方式连接图1 8 图2 1 3m p i 编程接口一1 9 图2 1 4 信号采集流程图1 9 图2 1 5 数据处理流程图2 0 图3 1 典型的o p c 系统结构：2 2 图3 2w i n c c 的初始界面2 3 图3 3o p c 驱动程序下“连接属性 设置2 4 图3 4 上位监控系统结构图2 5 图3 5 开机后系统自动运行初始界面图2 5 图3 6 进入系统后初始界面图2 6 图3 7 登陆界面2 6 图3 8 显示全部功能的界面一2 7 图3 9 力测试界面2 7 图3 1 0 速度测试界面2 8 图3 1 l 加速度测试界面2 8 图3 1 2 查询界面2 9 图3 13 用户管理界面一2 9 图4 1 实现读取力信号v b s 动作编辑过程3 2 图4 2 力曲线试验结果3 3 图4 3 实现读取速度信号v b s 动作编辑过程3 4 ，图4 4 速度曲线试验结果3 5 i i i 高速数控冲床性能测试系统的研究 图4 5 实现读取加速度信号v b s 动作编辑过程：3 6 图4 6 加曲线试验结果3 7 图4 7v b s 动作分类表4 2 图4 8v b s 动作工作原理4 2 l v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名： 彳硼诏 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，即：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和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期槲年名月 厂d 日 日期洲年彩月t 口日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出和研究意义 冲床或称冲压机，是一种普遍使用的对延性金属进行机械冷加工的设备。常 规冲压机按驱动形式分为两种类型：曲柄冲压机和液压冲压机床。曲柄冲压机是 由曲柄滑块机构的主传动带动滑块上下运动，由固装于滑块上的成型器( 模具或 刀具) 对来料进行冲制。液压冲床一般为液压驱动动力作为冲头。这种冲床加 工的主要特点是：无废料或少废料；效率高；被冲零件或器件的整体强度高【2 1 。 高速数控冲床具有公称力大，往返工作频率大，冲孔精度高等特点，因此对 其性能进行测试的难度很大。通过查阅国内高速数控冲床相关资料可以了解到， 高速数控冲床的最大公称力可达到3 0 0 k n ，行程往返的最高频率可达到 6 0 0 1 0 0 0 每分钟次，冲孔精度可达到0 o l 毫米。 至目前为止，国内还没有一种比较完善和有效的方法对工作中的数控冲床和 普通冲床进行性能检测。几乎所有的锻压公司都是根据经验来检测或者采用传统 的针对某一方面性能的静态检测法，而这种方法存在很多弊端和不准确性，效率 也非常低下。 基于上述原因，本文提出一种新的检测方法。这种方法对工作中的数控冲床， 甚至运动中的高速数控冲床能进行实时跟踪监控和检测，并能及时的发现冲床出 现的故障，从而进行及时维修和处理。这种方法简单易行，可连续对不同的数控 冲床进行性能检测。为了达到运用这种方法来研究数控冲床的性能检测的目的。 本文所提出的方法可自动对数控冲床进行检测，数据处理和显示判断结果， 完全实现自动化，操作简单易行，对内部设计实现模块化，维修方便。因此有很 大的意义和使用价值。 1 2 现今数控冲床性能检测技术的状况 通过查阅大量的科技资料，并同时走访了许多企业如“天水锻压机床厂”，“湖 北新晨自动化技术有限公司”等较大规模生产数控冲床的公司。目前国内还没有 一种比较完善和有效的方法能够对工作中的数控冲床和普通冲床较好地进行性 能检测。许多公司多是利用多年的工作经验对机床进行直觉的判断，目前对冲床 精度检测，一般是以冲床静态精度为标准( 而对冲床其他因素的性能测试也没有 较为有效的方法) ： 1 正直度 高速数控冲床性能测试系统的研究 取一直尺( 校验过且宽度能支撑指针表钢珠) 置于床台中央及两端位置，以指 针表测定其左右方向及前后方向的最大误差。 2 平行度 将滑座置于最下位置，然后再将指针表置于床台上，再移动左右方向及前后 方向测定其最大误差。 3 正( 直) 角度 床台中央位置放置直角尺，并将指针表置于滑座上，使滑座上下运动，测定 其最大误差。 4 模( 头) 柄孔与滑座底面之直角度 以模( 头) 柄孔为基准，指针表置于滑座底面回转，以测定左右方向及前后方 向之最大误差。 5 总合间隙 以千斤顶置于冲床中心，滑座在下死点，指针表置于滑座底面，千斤顶加压 至标准压力使滑座往上微动，以测定其最大误差。各种等级数和不同吨位有不同 数据标准。 目前，对冲床及高速数控冲床的性能精度检测主要是针对某一方面因素进行 静态检测，而对其他方面性能静态检测手段和动态检测就没有有效的方法。由于 高速冲床的静态特性和动态特性差异很大，所以这种检测有很大的缺陷。 1 3 本课题研究的内容、创新性及可行性 1 3 1 研究内容 本文将主要以设计一个自动化控制装置对高速运动中的速度冲床进行动态 检测为核心内容，并进行分析和研究。在这个研究内容中，将主要运用加速度传 感器、速度传感器等传感器把运动中冲床冲头的加速度和速度等数据信号通过数 据采集卡送入上位机相应的地址栏中，通过上位机组态软件w i n c c 中的控件 “w i n c cf u n c t i o nt r e n dc o n t r o l ”，再利用v b s 动作调用相应地址栏中的数据绘制 相应的曲线。通过上位机监控软件对所绘制的曲线进行分析，从而自动得出判断 ( 有无故障) 结果。 1 3 2 可行性分析 根据以上所提供的数据可以知道，高速数控冲床的最大公称力可达到 3 0 0 k n ，行程的最高频率可达到6 0 0 1 0 0 0 每分钟次，冲孔精度可达到0 0 1 。 若以行程为5 0 m m 的高速冲床为例，假设该高速数控冲床完成一次工作周期最快 要10 0 毫秒，要在这么短的时间内检测其速度、加速度和力的信号，并且要保证 各个检测值整个曲线准确性，预算要在这么短的时间内检测1 0 0 个点，即平均1 硕十学位论文 毫秒要检测1 个点，因此就可以看出在实现上难度比较大。 在以前的项目中本人有接触过这么高的采样数据，所以有一定的实际和理论 基础。在参与兰州理工大学机电工程学院所为某航天工业系统研发的实验台的整 个行程周期最快仅有5 0 毫秒，比本文设计的检测系统难度更大；在1 9 9 9 年兰州 理工大学为中科院物理研究所设计的“核元素高速采集装置”中，其采集数据的频 率也比本文所设计的系统采集频率要高。因此，本文所设计的系统借鉴了以上两 个检测项目部分的先进的思想，从而使得本课题的可行性能得到很好的保证。另 一方面本文所选择的“研华a d a m 3 9 6 8 高速数据采集卡”最快可达到4 k b 每秒， 完全能够满足对高速数控冲床检测所要求的条件。 1 3 3 创新性 一由于目前国内还没有一种比较完善和有效的方法对工作中的数控冲床和普 通冲床进行性能检测。几乎所有的锻压公司都是运用目前比较传统的静态检测 法，由于这种方法存在很多弊端和不可靠性。所以本文提出一种新的动态检测方 法对工作中的数控冲床，甚至高速的数控冲床进行实时跟踪监控和检测。及时的 发现冲床出现的故障，及时维修和处理。这种方法简单易行，可连续对不同的数 控冲床进行性能检测。本文所设计的检测系统与以往的数控冲床检测手段相比： 可自动对数控冲床进行检测；数据处理和显示判断结果，完全实现自动化，操作简 单易行；对内部设计实现模块化，维修方便。因而有很大的工程意义和应用价值。 1 4 本章小节 本章分析了目前国内外数控冲床检测手段及其发展现状，提出了目前国内外 数控冲床检测手段所存在的弊端和不足之处，提出一种新的方法对运动中的高速 数控冲床进行检测，并设计和研发具有此特定功能的数控冲床的测试系统。 高速数控冲床性能测试系统的研究 第2 章高速数控冲床性能检测系统设计 2 1 高速数控冲床性能检测的系统组成及控制原理 2 1 1 数控冲床的组成及工作原理 数控冲床是利用数控技术控制冲压机床进行板料冲压的数控机床。它由信息 载体、数控装置、伺服系统、冲床四部分组成。数控冲床的工作过程为：零件的 加工代码( 零件加工程序) 经由磁盘等信息载体或由计算机通讯输给控制装置，由 数控装置进行编译，再经过数据处理，将伺服控制点数值及控制信号输给伺服系 统，由伺服系统完成工作台的定位，定位后，冲头下冲，完成一个工作周期。 数控装置的作用是接受信息源的控制信号并将其转换成冲床自动作业的指 令信号。伺服装置的作用是接受数控装置的位置进给脉冲或进给速度指令，经过 转换和放大后，转化成冲床工作台的位置控制信号。冲床是数控冲床的加工机械， 其本体结构一般有c 型、桥型和双c 型等结构，冲床按主传动机构分为机械式 压力机和液压式压力机两类【3 q l 。目前，国外生产的数控冲床有4 7 是液压驱动 压力机【5 1 。数控冲床在加工过程中要使用不同的模具进行加工，因此，更换模具 的方式是数控冲床应考虑的一个重要方面，换模方式有多工位转塔自动换模和固 定单工位自动换模或手工换模两种。高性能数控冲床一般采用转塔型自动换模方 式，可以很快完成换模例程，可以很大程度上提高生产效率低档经济型数控冲 床中一般采用单工位的自动或手工换模【6 1 。此外，数控冲床还有一些辅助的气动 系统、行程限位开关和其它保护装置等【3 】。 数控冲床是利用数字控制技术实现板料冲压自动操作的冲压机床，与传统的 冲压机床相比，它有以下优点：( 1 ) 具有较大的灵活性，例如小孔可步冲出，而不 需要专门的模具。( 2 ) 适用于多品种、小批量产品的生产。( 3 ) 加工的精度高，重 复性好，不受操作工人技术水平的影响。( 4 ) 降低了工人的劳动强度，提高了生 产率 7 】 转塔型数控冲床( 冲模回转头压力机) 是用来对板材进行冲孔和步冲的压力 机，在其上滑块与工作台之间，有一对可以存放若干套模具的回转头( 即转盘) 。 把待加工的板材夹持在夹钳上，使板材在上、下转盘之间相对于滑块中心沿x 、 y 轴方向移动定位，按规定的程序选择所需要的模具，并由滑块冲击模具，从而 冲出所需尺寸和形状的孔来。这是一种通用、高效、精密的锻压机械，也是板材 加工中的主要设备p j 。其外观见图2 1 。 硕士学位论文 图2 1 数控多模位转台冲床的外形图 2 1 2 数控冲床的测试指标及测试系统原理 为了全面的分析冲床在运动中的状况，本文所设计的系统分别对运动中的高 速冲床的“速度”，“加速度”，“力”等因素进行实时检测，并对所检测的数据进行 科学的分析，得出数控冲床的运动状况。 根据以上所提供的数据一高速数控冲床的最大公称力可达到3 0 0 k n ， 行程 的最高频率可达到6 0 0 1 0 0 0 每分钟次，冲孔精度可达到o 0 1 毫米。若以行程为 5 0 m m 的高速冲床为例，该高速数控冲床完成一次工作周期最快要1o o 毫秒，要 在这么短的时间内检测其速度、加速度和力的信号。为了描述各个检测值整个曲 线准确性，预算要在这么短的时间内检测1 0 0 个点，平均1 毫秒要检测1 个点， 所以基本上难度比较大。为了完成测试过程，本文将选择的器件有：位移传感器， 加速度传感器，拉压力力传感器，a d 转换，上位p c 机与s 7 2 0 0p l c ，西门子 监控软件w i n c c 等。结合这些元器件并进行组合，可得到系统的配置图见图2 2 。 根据产品的检测要求，该系统用p l c 对位置和其它的i o 进行控制，采集 卡进行信号采集，并用组态软件进行组态。该系统是一套高精度、数字化、测量、 控制、数据记录和显示、报警于一体的智能化测控系统。 各传感器分别把其采集的如“速度信号”，“加速度信号”，“拉压力信号”和“位 移信号”输送到数据采集卡的接线段子上，接线段子与数据采集卡用专用电缆连 接，信号进入接线段子后，经过a d 转换，使信号有“模拟量”变为“数字量”，然 后再把数字量的信号输入到西门子s 7 2 0 0c p u2 2 1 中，最后把信号输送到上位 高速数控冲床性能测试系统的研究 机里，交给工控机处理。这就是系统整个工作过程。 采集 图2 2 测试系统的配置图 为了详细阐述系统硬件的工作过程以下将对每一个元器件的工作原理进行 详细阐述。 1 ) 位移传感器 位移测量时，应根据不同的测量对象、选择恰当的测量点、测量方向及测量 系统。位移测量系统由位移传感器，相应的信号调理电路及显示、记录或者存储 装置组成。位移传感器选择恰当与否，对测量精度影响很大，必须引起特别的注 意。位移传感器的种类很多，有电阻式、应变式、电感式、电容式、等等。 位移传感器有两种测量方式：线位移传感器和角位移传感器。本系统所采用 的传感器是线位移传感器。线位移传感器按工作原理分为：电阻应变式、差动变 压器式、电涡流式、电容式、光栅式和光导纤维式等几种。本系统选择的是光栅 式线位移传感器【哪】。 根据上述性能要求，可选择康宇测控仪器仪表工程有限公司型号为 k y c m l p m l 4 7 0 5 0 0 a t 3 0 的位移传感器，其具体的参数和安装信息见附录b 2 ) 加速度传感器 线加速度是指物体质心沿其运动轨迹切线方向的加速度，反映的是物体在空 间运空本质的一个基本物理量。因此，可通过测量加速度来测量物体的运动状态。 线加速度的单位是m s 2 ，而习惯上常以重力加速度g 作为计量单位。对于加速度， 硕士学位论文 常用惯性法测量，即把惯性型装置安装在运动体上进行测量。常用的加速度传感 器有惯性式加速度计、应变式加速度计和压电式加速度计【8 。9 1 。 本文通过综合考虑选择传感器的型号为： 根据上面加速度传感器的大致要求选择朗斯测试有限公司型号为 l c 0 1 0 3 l c 0 1 0 3 t ( 1 0 0 9 ) 传感器，内装i c 压电加速度传感器是是内装微型i c 集成电路放大器的压电加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大 器集于一体，能直接与记录和显示仪器连接，简化了测试系统，提高了测试精度 和可靠性。其突出特点如下：， ( 1 ) 低阻抗输出，抗干扰，噪声小； ( 2 ) 性能价格比高，安装方便； ( 3 ) 适于多点测量，稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。 具体的性能参数和技术指标见附录b 3 ) 拉压力传感器 力测量是广泛存在的课题，如机器运行载荷，各种切削力、轧制力、冲压力、 牵引力和扭矩力等【1 0 】。目前市场上主要使用的是压电石英力传感器。它是利用 压电石英晶体的纵向压电效应设计而成的。当沿晶体的x 轴( 此处的x 轴是指 石英晶体坐标中的x 轴，相当传感器的z 轴一灵敏度) 方向施加力f ，晶体发 生变形，并产生极化现象。因而在晶体两表面产生大小相等、极性相反的电荷q 。 其电荷q 的大小与作用力成正比，与石英晶体的几何尺寸无关( 纵向压电效应) 。 电荷q 与作用力f 有如下关系： q = ，d l l ( 2 1 ) 式中：q 电荷的数值( p c ) ，沿传感器z 轴施加的力( n ) 正石英晶体的压电模数 因此，我们采用k 切割的石英晶体片作为压电石英力传感器的敏感元件， 从晶体上垂直与x 轴的上下表面引出电荷，再经电荷放大器转换成电压输出， 输出电压将正比于晶体所受之力【l 。 ， 为了确保力测量的正确性和准确性，使用前必须对测力传感器进行标定。标 定的精度将直接影响传感器的测量精度。测力传感器在出厂时，尽管已对其性能 指标逐项进行过标定和校准，但在使用过程中还应定期进行校正，以保证测量精 度。此外，由于测量环境的变化，使得系统的灵敏度也发生变化。测力传感器的 标定分静态标定和动态标定。 静态标定是对传感器施加一系列标准力，测得相应的输出后，根据两者关系 作出标定曲线，再求出表征传感器静态特性的各项指标，如静态灵敏度、线性、 高速数控冲床性能测试系统的研究 迟滞、重复性、稳定性以及干扰性等。 动态标定的目的是在于获取传感器动态特性的参数。对测力传感器或者整个 测力系统进行动态标定的方法是输入一个动态激励力，测出相应的输出，即可确 定出传感器的频率相应特性等【8 m 】。 由于数控冲床的最大剪切和冲击力一般最大为2 0 0 i ( n 2 5 0 k n ，考虑到数控 冲床的工况和量程，本文选择的拉压力传感器为：美国p c b 公司( p c b p i e z o t r o n i c si n c 美国压电有限公司) 型号为2 0 0 c 5 0 它的性能参数见附录b 。 4 ) a d 转换 由于a d 转换技术非常的成熟和简单，在市场上也有现成的产品。为了充 分的了解和解析d 转换电路的内部状况，本文将深入分析a d 转换电路的工 作过程。对d 转换模块的设计主要考虑两点：一是要参考刖d 转换器的速率 和性能；二是要注意p l c 的处理速度。 选择依据d 转换器的选择既要考虑a d 转换器的性能又要考虑能满足系 统所要求的动态范围和性能指标。评价d 转换器的性能指标主要有d 转换 位数、无寄生动态范围( s f d r ) 、信噪比( s n r ) 、转换速率、量化灵敏度等。一般 来说刖d 转换器的转换位数越多越好，转换位数越多，其动态范围就越高【1 3 14 1 。 d 转换与数据缓冲电路图如图2 3 所示。 硕+ 学位论文 图2 3a d 转换与数据缓冲电路图 - 9 高速数控冲床性能测试系统的研究 5 ) 西门子s 7 2 0 0p l c 西门子s 7 2 0 0p l c 系列属于小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合， 也可用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，即使在大型的网 络控制系统中也能充分发挥作用。 s 2 0 0p l c 系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由系统的c p u 模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域 极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种 机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。s 7 2 0 0 系列除了具有 p l c 的基本控制功能以外，还在以下三个方面有独到之处： ( 1 ) 功能强大的指令集 指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器令、字符串指令、时钟指令、通 讯指令、p i d 指令以及和智能模块配合的专用指令等。 ( 2 ) 丰富强大的通讯功能 s 7 2 0 0 提供了十种左右的通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的 s 7 2 0 0 之间的通讯到s 7 2 0 0 通过p r 0 6 b u s d p 网络通讯，甚至到s 7 2 0 0 通过以 太网通讯。 一 ( 3 ) 编程软件的易用性 s t e p 7 m i c r o w i n 3 2 编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程 环境。w i n d o w s 的界面风格、以及丰富的编程向导和帮助信息，能够使用户快速 上手。 西门子s 7 2 0 0 系列p l c 具有极高的性价比，适用于各行各业，各种场合中 的检测、监测及控制的自动化。s 7 2 0 0 系列的强大功能使其无论在独立运行中， 或相连成网络皆能实现复杂控制功能【1 5 。2 0 1 。 由于系统的i o 的点数很少，所以本文所选用的c p u 的型号为：c p u2 2 l ，它 的性能参数介绍如下： 本机集成6 输入4 输出共l o 个数字量i o 点。无i o 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。非常适合于小点数控制的微型控制器。 s t e p7 m i c r o w i n 3 2v 4 o 编程软件可以对c p u 2 2 l 功能进行编程。同时也 可以使用s t e p7 m i c r o w i n l 6v 2 1 软件包，但是它只支持对s 7 2 1 x 同样具有的 功能进行编程。 如果使用s t e p7 m i c r o w i n 3 2 v 4 0 编程软件，则也可以通过s i m a t i cc p 5 5 1 1 或c p5 6 1 1 编程。在这种情况下，通讯速率可高达1 8 7 5 k b i t s 。外形图见图 2 4 所示： 硕士学位论文 电源输出 图2 4s 7 2 0 0 外形结构图 s 7 2 0 0p l c 的通信与网络功能强大，有如下通讯方式： ( 1 1 网络主站与从站 在通信网络中，上位机、编程器和各个p l c 都是整个网点的一个成员，或 者说它们在网络中都是一个节点。每个节点都被分配有各自的节点地址。在网络 通信中，可以用节点地址去区分各个设备。但是，这些设备在整个网络中所起的 作用并不完全相同。有的设备如上位p c 、p g 编程器等设备可以读取其他节点的 数据，也可以向其他节点写入数据，还可以对其他节点进行初始化。这类设备掌 握了通信的主动权，叫主站。还有一些设备，比如s 7 2 0 0 系列p l c ，在有些通 信中，它可以做主站使用，但是在另一些网络通信中，它只能让主站读取数据， 让主站写入数据，而不能读取其他设备的数据，也无权向其他设备写入数据，这 类设备在这种通信网络中是被动的，被称作从站。根据网络结构的不同，在一个 网络中主站和从站的数量也完全不相同。一般情况下，总是把p c 和编程器作为 主站。网络中也有单主站和多主站之分，单主站就是一个主站连到多个从站够成 网络；多主站就是多个主站和多个从站构成的网络 ( 2 ) p p i 协议 p p i 通信协议是西门子专门为s 7 2 0 0 系列p l c 开发的一个通信协议。主要 应用于对s 7 2 0 0 的编程，s 7 2 0 0 之间的通信以及s 7 2 0 0 与h m i 产品的通信。 可以通过p c p p i 电缆或两芯屏蔽双绞线进行联网。支持的波特率为9 6 k b s 、 】9 2 k b s 和18 7 5 k b s 。 高速数控冲床性能测试系统的研究 p p i 是一个主从协议。在这个协议中，主站( 其他c p u 、编程器或t d 2 0 0 文本显示器) 向从站发送申请，从站进行响应。一般情况下，s 7 2 0 0 作为从站， 自己不发送数据，也不初始化信息，当主站发出申请或者查询时，从站才响应。 图2 5p p i 通讯 3 )m p i 协议 s 7 2 0 0 可以通过通信接口连接到m p i 网上，如图2 6 所示，主要应用于 s 7 3 0 0 4 0 0c p u 与s 7 2 0 0 通信的网络中。应用m p i 协议组成的网络，通信支 持的波倍率为1 9 2 k b s 或1 8 7 5 k b s 。通过此协议，实现作为主站的s 7 3 0 0 4 0 0 c p u 与s 7 2 0 0 的通信，在m p i 网络中，s 7 2 0 0 作为从站，从站之间不能通信， s 7 3 0 0 4 0 0 作为主站，当然主站也可以是编程器或h m l 产品。 m p i 可以是主主协议，也可以是主从协议，这取决于设备的类型。如果设 备是s 7 3 0 0c p u ，m p i 就建立主主协议，因为所有的s 7 3 0 0c p u 都可以是网 络的主站，但如果设备是s 7 2 0 0c p u ，m p i 就建立主从协议，因为s 7 2 0 0c p u 是从站。 图2 6m p l 通讯 4 ) p r o 舶u s 协议 在s 7 系列的c p u 中，c p u 2 2 2 、c p u 2 2 4 、c p u 2 2 6 都可以通过增加e m 2 7 7 p r o 舶u s d p 扩展模块的方法增加d p 网络协议。 硕十学何论文 p r o 舶u s 协议用于分布式i o 设备( 远程i o ) 的高速通信。p r o f i b u s 设备的 生产厂家很多，因此种类也较多。这些设备包括从简单的输入或输出模块到复杂 的电机控制器和p l c 。协议支持的波特率为9 6 0 0 k b s 到1 2 m b s 。 c 刚3 娆弹 盯2 啪 l i ，蠢- o p 图2 7p r o f i b u s 协议 5 ) 用户自定义协议( 自由口通信模式) 自由通信口( f r e e p o i r tm o d e ) 模式是s 7 2 0 0 p l c 一个很有特色的功能。 s 7 2 0 0 p l c 的自由口通信，即用户可以通过用户程序对通信口进行操作，自己定 义通信协议( 例如a s c i i 协议) 。应用此种通信方式，使s 7 2 0 0 p l c 可以与任何 通信协议、具有串口的智能设备和控制器( 例如打印机、条形码阅读器、调制解 调器、变频器、上位p c 机等) 进行通信，当然也可以用于两个c p u 之间简单 的数据交换。该通信方式可以使可通信的范围大大增大，使控制系统配置更加灵 活、方便。当连接的智能设备具有r s 4 8 5 接口时，可以通过双绞线进行连接： 如果连接的智能设备具有r s 2 3 2 接口时，可以通过p c p p i 电缆连接起来进行自 由口通信。此时通信支持的波倍率为1 2 1 1 5 2 k b s 【2 1 1 3 0 3 1 1 。 6 ) 上位p c 机 工控机即工业控制计算机，但现在，更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑， 英文简称i p c ，全称i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r 。工控机通俗的说就是专门为工 业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很 高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即常年工作运行【2 6 1 。因此， 工控机与普通计算机相比必须具有以下特点： ( 1 )机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力； ( 2 ) 机箱内有专用底板，底板上有p c i 和i s a 插槽： ( 3 ) 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力； ( 4 ) 要求具有连续长时间工作能力。 高速数控冲床性能测试系统的研究 7 ) w i n c c 上位组态软件概述 上位监控软件为w i n c c 6 0 组态软件。w i n c c 是西门子公司在自动化领域采 用最先进的技术与微软公司共同开发的居于世界领先地位的工控软件。w i n c c 即视窗控制中心( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ) 。w i n c c 是一个功能强大的 全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的监控应用，也可以用来完 成复杂的应用。在任何情况下w i n c c 都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口【2 7 】， 使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。w i n c c 几乎拥有先进人机界面产品 的所有功能，允许用户编写可用于扩展w i n c c 基本功能的标准应用程序。、肼n c c 集成的功能已包括：( 1 ) 图形系统，用于自由的组态画面，并完全通过图形对象 进行操作，图形对象具有动态属性并可对属性进行在线组态。( 2 ) 报警信息系统， 用于记录和存储事件并予以显示，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作 非常简便。( 3 ) 变量归档，用于接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示 及进一步的编辑功能。( 4 ) 报表系统，用户自由选择一定的报表格式，按时间顺 序或事件触发来对信息操作，对文档当前数据进行用户报表输出。( 5 ) 数据处理， 用于对图形对象的动作使用c 语言及c 编译器进行编辑。( 6 ) 标准接口，通过 o d b c 和s q l 访问用于组态和过程数据的s y b a s e 数据库【2 7 d 们。 8 ) 数据采集卡 数据采集( d a q ) ，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自 动采集或产生信息的过程。据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实 现灵活的、用户自定义的测量系统【1 3 j4 1 。通常，必须在数据采集设备采集之前 调制传感器信号，包括对其进行增益或衰减和隔离等。 数据采集卡，即实现数据采集( d a q ) 功能的计算机扩展卡，可以通过u s b 、 p x i 、p c i 、p c ie x p r e s s 、火线( 1 3 9 4 ) 、p c m c i a 、i s a 、c o m p a c tf l a s h 等总线接 入个人计算机。 由于本人在过去一些项目中多次使用了研华的数据采集卡，对研华的数据采 集卡有较好的了解，如在兰州理工大学机电工程学院为某航天集团研发的性能测 试装置中，研华数据采集卡在周期为5 0 毫秒之内检测过程完好。所以在这里选 用的是研华的数据采集卡，型号为a d a m 3 9 6 8 。 9 ) 滤波器 在动态测试中所获取的信号往往是具有多种频率成分的复杂信号，但是为了 各种不同目的，需要将信号中人们感兴趣的频率成分提取出来，而将不需要的频 率成分衰减掉，以便对信号的某一方面特征由更深的认识，或者有利于对信号作 进一步的分析和处理。用于实现这一功能的环节称为选频滤波器，简称滤波器。 硕十学位论文 滤波器根据通过的频率范围，通常分为低通滤波器( l p f ) 、高通滤波器( h p f ) 、 带通滤波器( b p f ) 和带阻滤波器( b e f ) 4 中类型。低通滤波器( l p f ) 主要用 在信号处于低频或者直流成分，并且需要拟制频率较高的干扰和噪声等场所。高 通滤波器( h p f ) 主要用在信号处于高频并且需要消弱低频的场所；带通滤波器 ( b p f ) 主要用于突出有用频段的信号，消弱其余频段的信号或者干扰和噪声， 从而提高信躁比，常用在载波通信、弱信号的提取等场所；带阻滤波器( b e f ) 主要用来拟制干扰【1 3 3 1 1 。 l o ) 电荷放大器 放大器的“放大”是指对信号能量( 功率) 进行放大，并不是单指对电压或者 电流的放大。放大器的输出信号的能量总是比输入信号的能量大。放大器的本质 是在输入信号的控制下，把直流电源能量部分转化为输出信号的能量部分。所以 放大器实际上是一个利用输入小能量信号控制的换能器【3 2 】 电荷放大器是接压电式传感器( 例如：压电加速度传感器、压电力传感器、 压电压力传感器等) 的前制放大器，其输出电压正比于输入电荷。电荷放大器广 泛地应用于振动与冲击、力、压力等非电量电测中 电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、末级功放、过荷级、电源 几部分组成。其工作原理方框图见图2 8 图2 8 电荷放大器原理图 1 1 ) 信号调理器 信号调理器主要是为加速度传感器提供恒流源，本文所选择的信号调理器主 要是为内装i c ( i c p ) 压电加速度传感器提供2 4 v ，4 a m 恒流供电。同时将内装 i c ( i c p ) 压电加速度传感器输出与振动加速度成正比的叠加在输出偏压上交流 信号，通过c r 隔直电路隔掉输出偏压，变成通常意义上的以的为参考点地交流 信号。本文所选择的信号调理器为朗斯测试技术有限公司型号为l c 2 0 l 的信号 调理器【9 ，3 3 ，3 4 】见附录b ： 高速数控冲床性能测试系统的研究 2 2 高速数控冲床性能检测系统的系统设计 2 2 1 i o 点的统计 冲头的加速度( 模拟信号a i ) ，冲头的速度( 模拟信号a i ) ，冲头的位移( 模 拟信号a i ) ，冲头的拉压力( 模拟信号a i ) 2 2 2 强电控制电路图 三项3 8 0 v 电压引进来后，经过总电源开关，第一支经过低通滤波器后直接 给工控机提供电源。第二支给p l c 和传感器提供电源( 提供2 4 v 和5 v 的直流 电) ，第三支提供常用的2 2 0 v 电源。其强电控制电路见图2 9 。 l l 卵ol ih l 2 ， 1 l 3 ， 一。 。r ii i 3 ： l3 ：l3 1 ， 争 凹l 、 |够2 婵3 、。_ 、 1一弋 1一一、 i 、 iiii，li 24 56 1 3 阿3 即i冈f 】 i ll l t 1 6 l ，一x l 洼沿妻 1 41 6 1ll “。l 硒很罾 一 肋擞叠f 厂u f 。8 | 1 9 | t ! r 8 t8 l 工投机电潭 2 4 丫0 0 i 耵c 0 曩 图2 9 强电控制回路 2