（电力电子与电力传动专业论文）基于plc的八工位管端成形机控制系统的开发.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p i p ei st l l em o s tw i d e l yi l s e dp i 咖砷em a t i e re x c e p tp 1 甜l l 【蛐j f f j i ia v i 砒i o l l m 哟m o b j l e ，p e 蜘o c h 哪i c a l i i l d l l s 由吼伽嘛锄dn 铷p c 删i o i lw i mt l l ed e v e l o p m e n to f m h i n e r ym 锄u f k t l l mt e c i l 棚o g y ，c o m p 吡盯 t e c h n 0 1 0 呈乳m o d e mc o i l n d lt e c h l o g y 甜i d 辩n s 钟m s u r i n gt e c t l n o l o g y ，m ed e v e l o p 忸e n to f m h i n i n g i n d t l s n yb e c 0 i l l e 囱s t 锄dt l w o r l 【d 锄锄d so f p i p ea b e c o i n e 撕g h 盯a sa d e v i c e 啦e dt 0p p e d m h i i l i n g ，ni sv e r yi m p o r t a n tt oi n c r e a t l l c 咖研觚de 伍c i c yo f p i p c e n df b m i n gm a c h i n e t h i sp a p 盯d 船i g n e dat y p eo f p i p e 锄df o 咖i n gm h 妇nc 锄硎i 跫a c c t m em 解h i n i n gt op i p e 啪d t h em a c h i n ei s 伽p o s 酣o f p l c 器l l l ec o 的lc o 他；i l l l 州k e dt os e n ，om 砷啉，h y d m i l l i cc o m p o n 忸，t o h 瓢犯a i l d m eo t h 盯m e c l l a j l i s m h 啪g e t 邺l l j g ha c c i m a c yt ou l i i l e 盯矗l c i d d 盱舔t l l ep o s i b o nd e t e c t c o m p e n l t h e p 印盯d i l l s s c dg e m ld 髂i 印o f c 伽n d ls y s t e mo f t i i ep i p c 蒯f b n n i n gm 扯i l j n e ，锄dd e t a i ld 髂i g n o f h a f d w a 陀；脚a mp r o 伊锄m i n g 删面璐p u ：p l q 争a m m i l l gd c s i g na n dt o 眦h d i s p l a y 血两g n f u n l l 锄o r e ap l i l i i i 加l yd e b u g 画n gh 鹊b 嘲d 彻e t t 埒s y s t e mc 锄陀a l i z e 乱哟c o i i i m lm 跚m a lc 伽打o la i n oc l l a n g cd i 髓1 tc 锄m 砌t o re v e r yl i n ko f p i p e 哪l dm 粒h j i l i n 晷n j u s tn 出s 蚰p l co p e r 鲥o i la tt l l es 锄et i l i l e ha l h 器h i g l l 盯r e l i a b i l 姆锄d 倒d l y h m m h i n ei n t e r f h c e 【k e yw o r d s 】p l c ，h m i ，s e r v om o t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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了 谢意。 研究生签名： 童字l 日期：净丝l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：毒牛导师签名梅日期：旦世 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 管类结构具有强度、刚度高，以及节省材料、外形美观的特点，其成形加工性也很好。 例如，除传统的车、铣、刨等机械切削方式外，管材还可以用冲裁、弯曲、缩口，扩口、 胀形、翻转等塑性方法加工。以各种金属薄壁管件为主的中空截面管件，广泛应用在航空 航天、车辆、石油化工、家具及交通运输等领域，特别在汽车、摩托车上，管件是除板材 外使用最多的一类型材。以管件为坯料，进行各种加工以得到制件，称为管件的二次加工， 简称管件加工。 随着市场竞争的日益加剧、产品更新换代速度的加快，从根本上改造和提升传统管件 加工水平，成为广大企业的当务之急。近年来管件成形技术得到了很大提高。一是出现了 一些具有发展潜力的新型管件成形技术，二是由于数字技术与传统工艺的紧密结合，管件 成形方面从工艺设计，分析到设备都出现了很多新的内容。其中，塑性加工由于容易满足 产品轻量化、强韧化和低耗高效、精确制造等方面的要求，成为了先进加工技术的重点发 展方向。管件的塑性成形，就是对传统塑性成形技术的重要扩展与提高。 管端成形机是管件成形的重要设备，本课题就是为了更好地推进科技进步战略，加快 管件加工机械技术的研究和开发步伐，提高产品科技含量和产品档次而提出的。 1 2 管端成形机简介 管端成形机是对管件端头成形的机械加工设备利用不同的模具可以对管件端头进行 扩口，缩管，切削，倒角，旋沟等加工方式。 其工作过程大致可以分为以下几个步骤： 首先送料，定位，管件夹紧，选择模具，迸模，加工( 成形，切削，倒角，旋沟) ，加 工完毕退模。 根据管件的工艺要求，重新选择模具，即换模，重复上述步骤，直至加工完成后，模 架归位，退夹，取下管件，简单示意图如下所示： 图1 1 管端成形工艺过程 本系统的主要动作有以下三项： 。 1 管件夹紧：液压驱动，电磁阀夹紧。 2 换模：不同的工艺有不同的换模次序，依次选用各模具。伺服电机驱动模具作横向 移动；上下换模靠液压和垫块切换。 东南大学硕士学位论文 3 成形加工：液压驱动模具作纵向移动；用比例阀和位移测量元件来精确定位。 一黼卜 i _ j 辣冲输m 厂 ：l 伺服电机卜b i一 主控制罂机床 r e 涌羁t r 定位加工 + 叫比例阀卜_ - i光娅尽 厂 启动清洁等 _ 叫其它开关量卜_ - l 图1 2 系统总体框图 由系统的工艺流程和动作可知，一般的管端成形机系统框图如上图1 2 所示，包括主 控制器，这是整个控制系统的核心。伺服电机负责换模。液压回路，负责模具夹紧，管件 的定位和加工。 1 3 本文所做的主要工作 1 结合企业具体情况，通过比较论证，在分析管端成形机的工艺要求的基础上，确 定控制系统的设计方案，实现了管端成形机的工艺动作和调整，达到对管材的加工精度的 要求。 2 完成了管端成形机的伺服驱动，位移测量，主控制器和人机界面触摸屏等的硬件 选型与设计。 3 根据管端成形机的工艺要求，完成了管端成形机控制系统p l c 软件设计和工业触 摸屏人机界面监控程序设计 4 初步完成了管端成形机控制系统的安装，实验和调试。 2 第二章管端成形机控制系统总体设计 第二章管端成形机控制系统总体设计 2 1 管端成形机的控制要求 整个机器由主控制器，触摸屏，脚踏开关，伺服电机，位置测量元件和比例液压阀控 制器构成，可以测量模架的进模距离，可以控制比例阀推进模架，控制伺服电机调整模位 等。脚踏开关作为控制系统的启动，暂停开关。 该系统能够完成手动、半自动、自动三种工作机制 对管件成形过程中的各个开关、按钮的状况可以进行实时监控和显示，使得操作人员 对机器的工作状态有一个快速直观的了解。并且在工作过程中，工作参数具有可选性与可 调性。 具体步骤说明： 1 模具对管件工位定位，等待放管。( 即其中一个模具在管件夹紧前移动至换模的正 常位置相差半步，用模具端面傲定位面，主油缸前进至所设定的定位位置对管件进行定位) 。 2 夹紧管件由液压驱动夹紧油缸作夹紧动作，由时间控制电磁阀一端电磁铁带电作夹 紧动作，时间长短可设定，精度o 1 秒，夹紧动作到位后电磁铁断电，由单向阀保持油缸 压力。 3 移动模具换模，有八个不同的模具，如图2 1 所示，根据需要其中有了两个具有旋 转动作( 7 和8 ) ，由电动机驱动作旋转动作，一个是对管件进行平面切削及倒角，另一个 对管件进行旋沟加工，任选一模具对管件进行管件夹紧前的定位。模具工作的顺序排列先 后可任意选择，其中两个有旋转动作的模具由电机进行控制，动作时通电，不工作时断电。 左右换模：对各模具的横向移动均由伺服电机驱动。 上下换模：选择下排模具则由液压做顶起动作，模具上移一定距离后，下方垫块的电 磁铁动作，将垫块推入，模具下移至指定位置。选择上捧模具，同样，将模具顶起，移出 垫块，即可。 图2 1 模具排列示意图 4 主油缸推动模具，对管件进行成形，平面倒角、旋沟等动作，前进到位时停止精度 士o 0 l 咖，位置可单独设定、修正，后退到位时停止精度士2 舳，可单独设定。某一模具兼 做定位作用，放管前主油缸前进至定位位置，对管件进行定位。流量比例是到位前逐步慢 速，以提高到位精度、降低冲击。 3 东南大学硕士学位论文 5 夹紧松开，由液压驱动夹紧油缸作夹紧返回动作，由时间控制电磁阀另一端电磁铁 带电，时间长短可调精度0 1 秒，返回后电磁铁断电。 6 取管。 2 2 管端成形机的精度要求 所设计的系统应该达到一下参数精度要求： 1 具有自动计数功能。 2 夹紧、退夹时间的分辨率o 1s o 3 换模重复精度：士o 0 1 衄，换模速度：o 5 l m ，s 。 4 加工重复精度：士0 0 l m m ，加工最快速度：0 5 l m ，s ，进模速度分高速和低速， 低速区可3 4 档速度，退模一档快速退模。 5 平均无故障时间3 年。 6 伺服电机最高精度：5 姗 3 管端成形机的控制系统现状 目前，管端成形机常用的控制系统有以下三种： 1 基于单片机的控制系统 单片机是一种适合工业控制的微处理器，又称为m i c c o f i n d 日。通常，单片机由单 块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器c p u 、存储器和一 些i ，o 接口电路等。基于单片机的测控系统由硬件电路和系统软件组成。一般要进行单片 机硬件系统的扩展和接口电路的设计，以及单片机程序的开发和调试。单片机具有丰富的 指令和硬件资源，在硬件，软件的设计上具有很大的灵活性，可以实现复杂的实时测量与 控制。然而，单片机系统的设计周期一般较长，系统的可靠性与系统的硬件电路和软件程 序的设计有很大关系。此外，单片机测控系统在设计时要实现的功能必须是确定的。因为 一旦系统设计完成，再增加新的功能就很困，往往需要对硬件和软件进行重新设计。所以， 尽管单片机的成本比较低，但是一般只用来开发简易性的经济性机床，在管端成形机上应 用较少。 2 基于p l c 的控制系统 可编程控制器( p r o 鲫n m a b l ec 仃d l l e r ) 又称p l c ，它从传统的继电器逻辑控制系统 发展而来，通过程序实现逻辑控制、定时、计数等功能。并逐步发展成为既有顺序控制功 能，又有数字运算、数据处理、模拟量调节、操作显示、联网通讯等功能的控制系统，实 现对各类生产机构及生产过程的控制。它是一种用特殊语言编写程序的专用计算机，结构 简单、编程方便、性能优越，兼具备继电器抗干扰能力强和微型计算机可编程序、运算、 控制的优点，它也可以作为集散控制系统或监视、数据采集系统的组成部分。而且，p l c 很容易实现与触摸屏的通讯，人机界面友好。 3 基于工控机的控制系统 工控机采用基于p c 总线结构，通过功能板卡扩展控制i ，o 功能。具有工业现场应用 特性，同时又极大的利用了p c 机的软件环境。在操作系统和应用软件的支持下，可以实 现数据通讯，网络管理、人机界面和数据处理等功能。与p l c 相比，工控机在数值计算， 信息处理方面具有明显的优势。在w i n d o w s 操作系统下，采用可视化的编程软件，可以 设计出理想的人机界面。因此，在工业自动化领域，工控机与p l c 应用定位的层面不同。 4 第二章管端成形机控制系统总体设计 工控机一般作为控制系统的上位机，进行信息处理。p l c 作为下位机进行现场控制。 2 4 管端成形机的控制方案的选择 根据管端成形机的控制要求分析，系统的控制信号有伺服电机的控制信号，液压回路 主要是液压阀的控制信号，此外一些开关设备。如按钮开关、选择开关和限位开关的信号 等，所控制的都是一些开关量。p l c 与单片机相比，其可靠性更高，抗干扰能力更强；p l c 与工控机相比有很大的价格优势，而且其体积也较小，便于标准化安装。因此采用p l c 作 为主控制器。 此外，由于管端成形机，无论是在工作，还是进行机床工艺参数调整时，都有一定量 的数据输入以及数据显示，因此可视化的人机界面必不可少。触摸屏组态软件所提供的众 多的按钮、指示灯、列表等控件，还可以减少硬件模块及电气连线，相应故障率也会减少。 使界面友好灵活。当控制功能需要改变时，只需修改程序及更改少量的接线。采用触摸屏 与p l c 相配合，使设备的大量操作控制运行信息通过触摸屏编程予以实现，与触摸屏之间 通过串行接口通讯，连线简洁。 目前，数控机床的位移检测元件占据主要地位的是光栅测量系统。光栅测量系统的分 辨率高达纳米级，测量速度高达4 8 0 m m n 。测量长度高达百米以上。由于这些无可比拟的 优点，高精度、高切削速度的数控机床无疑要采用光栅测量系统。因此，采用光栅尺作为 位移测量元件，完全能够满足系统的定位精度的要求。 综上所述，由系统的控制要求和控制精度所选择的控制方案，则控制系统的原理图如 下所示： 指令输入脉冲输入 图2 2 控制系统原理图 即控制系统以p l c 为主控制器，人机界面作为监控和参数设置的工具。主液压回路 采用光栅尺和比例流量阀联合控制。精度上有保障。管件夹紧和上下换模由液压控制。左 右换模由伺服电机控制。 5 东南大学硕士学位论文 第三章控制系统的硬件设计 管端成形机的控制系统主要可分为几个方面：伺服控制，液压控制，主控制器即p l c 部分，和人机界面四个部分。 3 1 伺服控制 伺服电机又叫做执行电动机，或叫控制电动机。伺服系统本质上是一种随动系统，只 不过被控量是位移或是其对时间的导数。随动系统，就是一个系统的输出尽可能以最快， 最精确的方式复现输入信号。其衡量的指标有超调量、延迟。在自动控制系统中，伺服电 动机是一个执行元件，它的作用是把信号( 控制电压或相位) 变换成机械位移，也就是把 接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。 3 1 1 伺服电机的工作原理与特点 伺服电机有直流和交流之分。直流伺服电机由于其电刷和换向器容易磨损，有时产生火 花，电动机的最高速度收到限制，咽而在某些场合下，已被交流伺服电机完全代替。 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。 图3 1 交流伺服电机原理图 其定子上装有两个位置互差9 0 。的绕组一个是励磁绕组r f ，它始终接在交流电压u f 上； 另一个是控制绕组l ，连接控制信号电压u c 、所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交 流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围，线性的机 械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比。应具有转子电阻大和转动 惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种使采用高电阻率的导电材料 做成的高电阻率导条的鼠笼转子。为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用 铝合金制成得空心杯形转子，杯壁很薄，仅o 2 - 0 3 m m ，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯 形转子内放置固定的内定子。 空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转乎稳，因此被广泛采用。交流伺服 电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制 6 第三章控制系统的硬件设计 电压时定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转。在负载恒定的情况下，电 动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电机具有很多特点： 1 控制精度高 交流伺服电机的控制电机精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺 服电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其 脉冲当量为3 6 0 0 ，l o o o o = o 0 3 6 。对于带1 7 位编码器的电机而言，驱动器每接受2 ”= 1 3 1 0 7 2 个脉冲，电机转一圈，即其脉冲当量为3 6 0 0 ，1 3 1 0 7 2 = 9 趵秒，是步矩角为1 8 0 的步进电机的 脉冲当量的l ，6 5 5 2 低频性能好 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服电机系统具 有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析技能口f d ，可检测 出机械的共振点，便于系统调整。 3 矩频特性好 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 i u 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 4 过载能力强 交流伺服电机具有较强的过载能力。以三菱交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩 过载能力，其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步 进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选择较大转矩的 电机，而其在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5 运行性能为闭环控制 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现象，控制性能更为可靠。 6 速度响应性能高 交流伺服系统的加速性能较好，以松下m s m a 4 w 交流伺服电机为例，从静止加速到 其额定转速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。而步进电机从静止d 加 速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要2 0 0 枷毫秒。 3 1 2 常用位置伺服控制系统 在管端成型机系统中，由伺服电机控制模具的横向换模，位置伺服控制起着非常重要 的作用，位置伺服的定位精度会直接影响到模具定位准确度，从而影响管件加工的精度， 因而设计中采用何种位置伺服控制方式是十分关键的。 位置伺服系统是一种与普通电机调速系统有着紧密联系但又有明显不同的系统。一般 来说，位置伺服系统是一种闭环跟踪系统，以足够的位置控制精度( 定位精度) 、位置跟踪 精度( 位置跟踪误差) 和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标，运行时要求能够以一 定能够的精度随时跟踪指令的变化，因此伺服系统在跟踪性能方面的要求一般会比普通调 速系统高而且要严格的多。 广义上的位置伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两大部分。机械执行机构常 包括导轨、减速齿轮等；电气自动控制部分包括交流或者直流伺服电机、驱动功率放大器、 反馈检测传感器和控制调节器。狭义上的位置伺服系统指的是半闭环结构总的电气自动控 制部分 按照系统的构造特点，大体上可以将其分为四种基本结构类型： 1 开环位置伺服控制系统 7 东南大学硕士学位论文 开环位置伺服控制系统是一种没有位置反馈的位置控制系统。它的伺服机构按照指令 装置发来的位置移动指令。驱动机械作相应的运动，但是部队机械实际位移量和转角进行 检测，因此无法将其与指令值进行比较。它的位置控制精度只能靠伺服机构本身的传动精 度保证。这种开环位置伺服系统仅仅适用于一些对位置控制精度要求不高、位移速度较低 的简易型控制系统，其位置控制精度一般在o o l m 左右。由于其结构简单，造价低、调 试容易，因此仍然广泛应用于各种定位要求较低的位置控制系统。 图3 2 开环位置伺服系统 2 半闭环位置伺服控制系统 半闭环位置伺服系统是具有位置检测和反馈的闭环控制系统。它的位置检测器和伺服 电机同轴相连，可通过它直接测出电机主轴旋转的角位移，进而可以推知当前执行机械的 实际位置。由于其位置检测器不是直接装在执行机械上，位置闭环只能控制到电机轴为止， 所以称之为半闭环。它只能间接地检测当前的位置信息，并且难以随时修正、消除因电机 轴以后的传动链误差引起的位置误差。半闭环位置伺服系统在其闭环中非线性因素少，容 易整定，还可以比较方便地通过补偿提高位置控制精度，此外，半闭环的结构使得它的执 行机械与电气自动控制部分相对独立，系统的通用性增强。 图3 3 半闭环位置伺服系统 3 全闭环位置伺服系统 全闭环位置伺服系统的位置检测器直接装在执行机构上，从而可以获得执行机构实际位 置的精确信息，通过反馈闭环实现精确的位置控制。从理论上讲，这是一种最理想的位置伺 服控制方案。但是，采用全闭环时，执行机构本身的机械传动链也被包含在位置闭环中，伺 服的电气自动控制部分和执行机构不再相对独立，因此，传动的间隙、摩擦特性的非线性、 传动链的刚性等都会影响到控制系统的稳定性，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时 负载的变化也对系统的摩擦特性、机械惯量等产生影响，给系统的整定造成困难。此外，由 于执行机构的一部分包含在位置闭环内，位置控制调节器的设计就必须要考虑这部分的传输 特性。全闭环位置伺服系统的通用性比较差，不利于降低成本。 8 第三章控制系统的硬件设计 图3 4 全闭环位置伺服系统 4 混合闭环位置伺服系统 混合闭环位置伺服系统中同时存在半闭环和全闭环。系统启动时，半闭环起主要控制 作用。由于半闭环中电气自动控制部分与执行机械相对独立，可以采用较高的位置增益， 使系统易于整定、响应快、跟踪误差小；系统稳定运行时利用全闭环进行稳态误差补偿， 位置增益可以选的较低以保证系统的稳定性。两者相结合可以获得较高的位置控制精度和 跟踪速度。但是，由于系统中同时存在两个闭环，使系统变得比较复杂，它们之间的配合、 增益调整等都必须仔细整定，位置伺服系统的通用性也就比较差。 3 1 3 本系统的伺服设计 图3 5 混合闭环位置伺服系统 1 松下伺服电机m i n a sa 4 系列特点 本系统选用的m i n a sa 4 系列伺服电机，具有高性能的实时增益自动调整。可以根据负 载惯重的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以自动调整增益。因旋转方向 不同而产生不同负载转矩的垂直轴情况下，也可以自动进行调整。具备异常速度检测功能， 因此可以将增益调整过程中产生的异常速度调整到正常。通过显示面板操作，可以在监控实 时调整情况的同时，进行设置和确认。 它的速度响应频率最高达1 k h z 。内置有瞬时速度观测器，可以高速、高分辨率地检测 出电机的转速。 高性能的机械适应性。无论是易产生共振的传送带驱动机械，还是高刚性 的丝杆传动机械，都可以高性能的自动调整功能来实现高速定位。 m i n a s a 4 系列还内置有自适应滤波器，可以根据机械共振频率不同而自动地调整陷波 滤波器的频率。可以控制由于机械不稳定以及共振频率变化而发生的噪音。并且内置了不同 于自适应滤波器的两个独立通道的滤波器。两个陷波滤波器可以以1 h z 为单位、分别设置陷 波的频率和幅度。此外，内置了两个通道的振动抑制滤波器，可以抑制刚性较低的机械在启 动和停止时生产的振动。两个通道的振动频率，可以根据旋转方向的不同而自动地切换；或 者也可以分别对应于由于外部输入信号切换而产生的机械位置变化而导致的振动频率。即使 设置的振动频率和滤波器的数值不确切，也不会导致不稳定状况。 2 伺服设计 在本系统中共有两个伺服电机。一个用于旋转模具的加工，由机械齿轮实现在两个旋转 模具之间的切换。另一个用于与滚珠丝杆配合水平切换8 个模具。后者选用松下m i n a sa 4 系列m b d r 2 2 1 0 伺服驱动器。电源为单相2 0 0v ，有三种控制方式：位置控制、速度控制、 转矩控制。这里选用位置控制方式且采用半闭环的位置控制方式。 在位置控制方式下，伺服驱动器接收数控主机发出的位置指令信号脉冲，方向，送入脉 冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。 反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信 号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与 9 东南大学硕士学位论文 位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在 电流环中经矢量变换后，由s p w m 输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度 由光电编码器每转产生的脉冲数控制。 选用的伺服电机是松下m h m d 0 4 2 p l c ，电源为2 2 0v ，额定输出功率枷w ，额定转速 3 0 0 0r 哪，额定转矩1 3n m 旋转编码器选用增量式、l l 线旋转编码器，每转2 5 0 0 个脉冲，分辨率为1 0 0 。由于增 量式旋转编码器只有在旋转时才输出与旋转角相应的脉冲，在静止状态时不能输出，因此， 在p l c 中有特定的计数器计算，p l c 输出的脉冲数，可依据计算数值来检测旋转量。 控制系统布置如下图所示： 控制电路及主要参数设置 图3 6 伺服控制系统示意图 柳 c o m 肆 s _ r d y + 伺 札m 服p u l s l 驱p u l 8 2 吖詹 s r v o n 动 瓤g n l a n r 器 鳓g n 2 啪y - a l m - 0 0 帏 图3 7 硬件接口电路 需要设置的主要参数有： 控制方式选择p r 0 2 ：0 一位置控制；l 一速度控制；2 一转矩控制；3 一位置( 第一) ，速 度( 第二) 控制，等。 指令脉冲输入方式选择p r 4 2 ：o 或2 一正交脉冲，a 、b 两相9 0 0 相差；1 一c w 脉冲+ c c w 脉冲；3 一指令脉冲+ 指令方向。 指令脉冲分倍频设置：1 1 1 分倍频比率计算公式如下 分倍频分子( p r 4 8 或p r 4 9 ) 2 分倍顿分子倍奉“ 指令脉冲分倍频分母( p r 4 b ) 如果分子( p r 4 8 或m 9 ) = o ，则实际分子( p r 4 8 2 “) 计算值等于编码器分辨率，p r 4 b 第三章控制系统的硬件设计 即可设为电机每转一圈所需的指令脉冲数。 如果分子( p r 4 8 或p r 4 9 ) o ，那么分倍频比率根据上式计算。而每转所需指令脉冲数的 计算如下式： 每转所需指令脉冲数= 编码器分辨率雨石t 麦；竺j 了刀 主要参数设置好后，控制系统即可实现运动。为保证伺服电机的运动平稳可靠，按照指 令运动，动作不延迟、有误，还需进行增益调整。增益调整的方式主要有自动调整和手动调 整两种方式自动调整可采取常规自动增益调整和实时自动增益调整。 3 2 液压控制 液压传动是研究以液体为传动介质来实现各种机械传动与控制的技术，几乎应用于与 机械运动相关的各个领域，已成为自动控制系统中的一个重要组成部分，采用液压技术的 程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志。 3 2 1 液压原理 液压系统是在一定的机械、电子系统内，依靠液体介质的静压力，完成能量的积压、 传递、放大，实现机械功能的轻巧化、科学化、最大化。一个完整的液压系统由五个部分 组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。川 动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它 向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。 执行元件( 如液压缸和液压马达) 的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作 直线往复运动或回转运动。 控制元件( 即各种液压阀) 在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控 制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为 溢流阀( 安全阀) 、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分 流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同， 液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。 液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几 大类。 本液压系统由三个油缸组成，夹紧油缸，顶起油缸和主油缸。夹紧油缸用于夹持管件， 用来保证加工过程中管件的固定。项起油缸用来切换上下两捧模具。主油缸控制模具的前 进后退及模具定位。 在液压系统中，夹紧油缸，顶起油缸和主油缸均有液控单向阀锁紧，减少了工作中的 压力损失，并保证油缸活塞在任意位置都能够保持，从而使管端成形机的夹紧、支撑等动 作可靠。 东南大学硕士学位论文 顶起油缸 兜綮柏缸 图3 8 液压系统图 主油缸回路有比例流量阀，叠加式液控单向阀和电磁换向阀，与光栅尺，p l c 一起构 成闭环控制回路，控制模具的前进与后退，实现模具的精确定位。 3 2 2 电液比例控制回路 电液比例控制是介于普通液压阀的开关式控制和电液伺服控制之间的控制方式，它能实 现对液流压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而变化，其响应速度和控制精度能满足 一般工程需要，且具有抗油污、成本低、简化液压系统、改善控制性能等优点，技术和产品 都比较成熟。电磁比例控制系统主要分为： 1 2 第三章控制系统的硬件设计 1 指令组件：是给定控制信号的产生与输入组件。可以是信号发生装置或过程控制器。 在有反馈信号的情况下，它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号 2 比较组件：作用是把给定信号与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器的输 入。进行比较的信号必须是同类型的。比例控制器的输入量为电学量，因此反馈量也应当转 换为同类型的电学量。如遇不同类型的量作比较，在比较前要进行信号类型转换，例如a ，d 、 d ，a 转换、机一电转换等。 3 比例阀：内部分为两大部分，即电一机械转换器及液压放大组件，还可能带有阀内 的检测反馈组件。电一机械转换器是电液的接口组件。它把经过放大后的电信号转换成与其 电学量呈正比的力或位移。这个输出量改变了液压放大级的控制液阻，经过液压放大作用， 把不大的电气控制信号放大成足以驱动系统负载的液压能。这是整个系统的功率放大部分。 4 液压执行器：通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于驱动负载。 5 检测反馈组件：对于闭环控制需要加入检测反馈组件。它检测被控量或中间变量的 实际值，得出系统的反馈信号。 图3 9 电液控制回路 在连续时间的控制系统中，p i d 算法【8 】得到了广泛应用，因其结构灵活，参数整定方 便，且设计成熟，从而被成功得应用在过程控制中。p i d 调节是根据输入的偏差值，按比 例、积分，微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在模拟系统中，p i d 算 法的表达式为： p ( f ) = 耻( f ) + 考m 破+ 乃华 p m 一调节器的输出信号 k 。一调节器的比例系数 t i 一调节器的积分时间 t d 一调节器的微分时间 e ( t ) 一调节器的偏差信号。它等于测量值与给定值之差 将电气元件和液压元件的结合，此系统可发挥两者的优点。它既具有电气元件的信号 传递速度快，线路连接方便，易于测量、比较和校正的特点，又具有液压元件的输出功率 大，结构紧凑，重量轻，惯性小，反应快，适合作动力元件等优点。所以结合起来的电液 控制系统具有控制精度高，响应速度快，信号处理灵活，输出功率大，结构紧凑，质量轻 等特点。因此这种电液结合的系统被各个技术领域里的各个部门广泛采用。 由于电液控制的液压元件，特别是精密液压控制元件( 如电液伺服阀) 抗污染能力差， 1 3 东南大学硕士学位论文 制造难度高且对工作油液的清洁度要求高，所以液压系统必须采用精细过滤 3 2 3 光栅尺的工作原理与接口设计 在高精度的数控机床上，使用光栅尺作为位置检测装置的敏感元件是一种很好的选择。 光栅输出信号为数字量，数据不受温度、时间的影响抗干扰能力强，它是一种定值式传 感器，测量精度取决于光栅刻线的准确性，能够动态而高精度地测量直线位移，还可以测 量角位移，是一种比较理想的测量工具。 光栅是由光源、透镜，主光栅、标尺光栅和光电元件组成如图。当主光栅和标尺光栅 呈一很小的。角相对倾斜重叠放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交 叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。 当标尺光栅相对主光栅沿垂直刻线移动时，莫尔条纹跟随其移动。莫尔条纹的光强度近似 呈正( 余) 弦曲线变化，经光电元件所感应的光电流变化规律近似为正( 余) 弦曲线。经 放大、整形，形成脉冲。光栅输出信号一般为两路相角相差蜘。的方波，因此可以通过记 录这两路方波的个数来测量位移的方向和大小。 光线 i 必 毡簧 萸尔条纹 图3 1 0 光栅尺的工作原理 本系统选用f a g o r 公司的通用型直线编码器m 系列m k v t 3 2c ，精确度可达士l o m ， 输出信号为5 唧方波。p l c 内部输入电路要求输入端子和c o m 之间应是无电压接点或 n p n 集电极开路连接，而光栅尺输出形式为+ 5 v 方波，方波频率与运动速度成正比，v l o w 砷3 v ：v h l g 珥9 v 。因为光栅尺的输出与p l c 的输入不匹配，故需将光栅尺方波输 出转换成n p n 集电极开路信号，电气原理图如图3 1 l 所示。 1 4 3 3 控制器部分 图3 1 l 光栅尺与p l c 接口电路图 可编程控制器( p l c ) 是系统的控制核心，p l c 是一种数字运算操作的电子系统，专 为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻 辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，井通过数字或模拟式输n 输出控制各种类犁的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业 控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台计算机， 它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。 它具有丰富的输入，输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针 对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根 据控制要求进行设计编制。 3 3 1 p l c 的特点 1 高可靠性 所有的i ，o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与p l c 内部电路之间电气 上隔离。各输入端均采用r c 滤波器，其滤波时间常数一般为l o - 2 0 m s 。各模块均采用屏 蔽措旌，以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。良 好的自诊断功能，一旦电源或其他软硬件发生异常情况，c p u 立即采用有效措施，以防止 故障扩大。大型p l c 还可以采用由双c p u 构成冗余系统或有三c p u 构成表决系统使可靠 性更进一步提高。 2 丰富的i ，o 接口模块 p l c 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉 冲或电位，强电或弱电等。有现成的i ，o 模块与现场的器件或设备，如按钮、行程开关、 接近开关、传感器、变送器，电磁线圈和控制阀等直接连接。另外，为了提高操作性能， 它还提供多种人机对话的接口模块。 3 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模 块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、v o 等均采用模块化设计，由机架及电缆 将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 p l c 的输入，输出系统功能完善，性能可靠，能适用于各种形式和性质的开关量和模拟 量的输入，幸禽出。在眦内部具有许多控制功能诸如时序、计算器、主控机电器以及移位 寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、 跳转和强制i ，o 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数值转换以及顺序控制功能， 而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外它还可以和其他微机系统、 控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能事先成组数据的传送、矩阵运算、闭环 控制、捧序与查表、函数运算及快速终端等功能。因此p l c 具有极强的适应性，能够满足 各种类型控制的需要。 3 3 2 p l c 的工作原理 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者 1 5 东南大学硕士学位论文 的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电， 该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭触点) 在继电器控制线路的哪个位置上都会立即 同时动作。 p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑 线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不会立即动作，必须等扫 描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电 器控制装置各类触点的动作时间一般在l o o m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小 于1 0 0 岫s ，因此，p l c 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样 在对于i ，o 响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输 出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期1 1 j 。在整个运行期间，p l c 的c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入帕 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两 个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，l ，o 映象区中的相应单元的状态和数据也不会 改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保 证在任何情况下，该输入均能被读入 在用户程序执行阶段，眦总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯形图) 。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左 后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果， 刷新该逻辑线圈在系统i u m 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i ，o 映象区 中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执 行过程中，只有输入点在l ，o 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设 备在i ，o 映象区或系统i 认m 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的 梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反， 捧在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在 其上面的程序起作用。 当扫描用户程序结束后，p l c 就进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照i ，o 映象区 内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设，这时才是 p l c 的真正输出 图3 1 2 p l c 的扫描周期 1 6 第三章控制系统的硬件设计 一般来说。p l c 的扫描周期包括白诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯， 输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 3 3 3 p l c 的选型 可编程控制器( p l c ) 已经越来越多的应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统 中起着非常重要的作用。对于众多的厂家生产的p l c ，各有其特点，且都能满足要求的情 况下，如何正确选择所需的p l c 是相当重要的。在具体的设计中可以通过以下的比较作为 p l c 选型的依据。具体从以下六个方面比较： 1 工作重 在对系统设计的时候，就要对i o 控制点，包括数字量及模拟量，有一个准确的统计， 这是选择p l c 的最重要的条件，一般在实际所需控制点数上留有2 0 左右的余量。主要 考虑以下几个方面的因素： 可以补充设计过程中遗漏的点； 可以保证在运行中出现故障时有可以代替的点； 以备扩展之用。 2 编程方法 程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的 运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这点是要考虑的。 编程方法有两种：第一种是使用厂家提供的专用编程器。也分各种型号规格，大型编 程器功能完备，适合各型号的p l c ，价格高；小型编程器结构小巧，便于携带，价格低， 但功能简单，适用性差；第二种是使用依托个人电脑应用平台的编程软件，本设计所使用 的就是编程法。 3 编程语言 p l c 的编程语言，多种多样，最常用的有五类编程语言叼： 梯形图是p l c 厂家采用最多的编程