自动剪贴项目

0 参赛项目名称 参赛项目名称 基于三菱电机伺服控制系统的自动剪切机基于三菱电机伺服控制系统的自动剪切机 参赛队名称 南工参赛队名称 南工 飞翔飞翔 指导老师 陈佳指导老师 陈佳 队员 队员 陈海峰陈海峰 董伸宇董伸宇 段大伟段大伟 南京工业职业技术学院南京工业职业技术学院 20092009 年年 8 8 月月 1 目录目录 1 前言 1 2 自动剪切装置简介 2 3 自动剪切机机械机构设计 4 4 基于三菱工控产品的自动剪切装置的控制方案设计 8 5 软件设计 14 6 控制系统技术性能和特点21 7 设计总结22 8 附录 23 9 参考文献 25 2 1 1 前言前言 高精度 高动态响应的控制系统 一般会考虑用伺服控制驱动器 这种驱动器是智能控制系 统的一部分 它能够实现机动 灵活和高效的驱动控制 其性能远远超过同类变频系统 它已经 在全世界范围内被广泛应用 它能保证生产系统在运行中具有很高的动态响应 国内外的快速高 精度自动剪切设备大多采用这种智能化的控制系统 定位精度高 运行速度快的自动剪切机具有广泛的应用价值 以钢铁行业为例 无论是轧钢 厂还是钢材配送单位都非常需要快速高精度自动剪切成套设备 不同厚度不同宽度的板材需要高 效率地被切成统一的尺寸 直接送上家电或其它生产线 而无需再加工 衡量自动剪切设备性能 的是自动化程度及定尺精度的高低 它们将直接影响企业生产效率及产品质量 板材剪切部分是 整套设备的关键 板材剪切一般有定尺停剪和飞剪两种 定尺停剪精度高 但生产效率较低 飞 剪效率高 但精度相对低些 一般用于较长板材的剪切 提高定尺停剪的效率和保证飞剪的精度 成为科研人员研究的课题 目前自动剪切进口设备运行速度快 定位精度较高 生产线由一台工控机作为上位机 通过 总线的方式控制多台 PLC 达到控制整条生产线的目的 但这种控制系统价格昂贵 不适合我们 将它模型化后参赛 国内生产的同类生产线 采用单台 PLC 和伺服系统控制 自动化程度较高 价格相对较低 我们将生产线模型化后 采用三菱 FA 工控产品研发了基于三菱电机伺服控制系 统的自动剪切生产线模型 以下简称为自动剪切装置 自动剪切装置的研发目的 一方面是为 了参加第三届 三菱电机自动化杯 大学生自动化科技创新及技能大赛 另一方面想将它用于学 校工业自动化技术等相关专业的综合实训教学 自动剪切机主要由两个系统组成 一 电气控制 系统 它主要由定位模块和伺服放大器组成的定位控制单元 模拟量输出模块和变频器组成的剪 切调速单元 CC Link 和数字显示板组成的计数单元和人机界面组成 二 机械系统 它主要由 夹送机构 出料机构和剪切机构组成 经实验验证 自动剪切装置的整套系统具有运行速度快 剪切速度高达 9090 块块 分钟分钟 定位 精度高 每块误差在 0 15 0 15 毫米毫米以内 性价比高等优点 具有极高的实用价值 3 2 2 自动剪切装置简介自动剪切装置简介 2 12 1 自动剪切生产线模型自动剪切生产线模型 图图 1 自动剪切生产线示意图自动剪切生产线示意图 自动剪切装置主要由开卷机 校平辊 送料机构 伺服定位系统 剪切机 输送装置 收 料装置六部分组成 其中物料定尺剪切部分是整套装置的关键 开卷机后再经过校平辊 然后按 照给定剪切长度要求定位后 剪切机将物料切成成品 最后经皮带送至收料装置进行打包 自动 剪切装置示意图如图 1 所示 该装置即可作为实训控制对象 它可用于剪切硬纸板 地板革 墙 纸等质地较软的材料 又可用于工业生产中 通过改变切刀的材质和剪切电机功率的大小 可以 达到剪切不同材质的物料的要求 满足生产需求 2 22 2 自动剪切机功能自动剪切机功能 1 数码管上实时显示剪切物料的块数 2 系统可以累积记录本设备剪切物料的块数 直到用户清零 3 运行方式 1 自动运行 用户预先设定所需剪切物料的长度和块数 确认数据 启动 系统自动 开始工作 并在数码管上实时显示剪切物料的块数 2 手动运行 手动操作也就是单步运行操作 适用于系统检测 对部件进行逐个调试 可用触摸屏对其进行单步控制 4 报警功能 1 物料过长报警 2 物料过短报警 3 无料报警 4 物料斗已满报警 4 5 切刀空切报警 6 按下启动按钮以后切刀与刀台间长时间没有相对位移报警 7 物料从传送带上掉落报警 3 3 自动剪切机机械机构设计自动剪切机机械机构设计 图图 2 自动剪切装置机构设计图自动剪切装置机构设计图 在我们进行方案讨论时 我们利用 SolidWorks 3D 绘图软件设计本套装置 如图 2 所示 我 们把我们的设计思想用 3D 视图形象生动的表现出来 然后利用 3D 视图进行方案的讨论 3 13 1 剪切机构方案设计 剪切机构方案设计 5 方案一方案一 连杆机构连杆机构 在实际应用中 除了平面四杆机构的基本形式外 还有其他形式的平面四杆机构 这些机构 虽然与基本形式的铰链四杆机构在外型和构造上不相同 但他们之间往往具有相同的相对运动特 性 可以认为其他形式的平面四杆机构是由基本形式的铰链四杆机构演化而成的 工程上常见的 演化形式有 滑块机构 偏心轮机构 导杆机构 摇块机构 定块机构 当曲柄作连续转动时 滑块作往复移动 主动件可以是曲柄 也可以是滑块 曲柄滑块机构 可以看成是由曲柄摇杆机构演化而成的 行程 在曲柄滑块中 当曲柄转到与连杆成一条直线时 滑块的两极限位置之间的距离 S 称 为滑块的行程 行程与曲柄长度 R 有如下关系 S 2R 6 图图 3 对心曲柄滑块机构 主动件为滑块 对心曲柄滑块机构 主动件为滑块 当取 AB 的杆作为机架时 即可得到导杆机构 曲柄转动时 DE 杆对滑块的运动起导向作用 故 DE 杆称为导杆 此图 图 3 所示机构为转动导杆机构 图图 4 摆动导杆机构 主动件为曲柄 摆动导杆机构 主动件为曲柄 当取 BC 杆作为机架时 即可得到导杆机构 曲柄转动时 DE 杆对滑块 或轴承 的运动起 导向作用 因此称 BC 杆称为导杆 此图 图 4 所示的机构为摆动导杆机构 利用摆动导杆机构我们把切刀机构设计成如下形式 图图 5 基于连杆机构的剪切机构基于连杆机构的剪切机构 7 在我们的设计中我们取 AB 段为主动件 图 5 利用电机的转动带动 AB 段杆子的转动 把 AB 段杆子的曲线运动转化为 BC 杆子的直线运动 因为电机的转子轴向是固定的 所以刀架也会 在一条竖直的直线上做往复的运动 我们利用两条竖直导杆作为刀架的导向机构 保证刀架能够 在竖直的直线上作上下往复运动 行程 切刀的行程 S 为两倍的 AB 长度 方案二方案二 凸轮机构凸轮机构 凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件 它通过与从动件的高副接触 在运动时可以获 得连续或不连续的任意预期运动 凸轮机构是由凸轮 从动件和机架三个基本构件组成的高副机 构 由于凸轮机构具有多用性和灵活性 因此广泛应用于机械 仪器 操纵控制装置和自动 生产线中 是自动化生产中主要的驱动和控制机构 但由于凸轮机构是高副机构 易于磨损 因 此只适用于传递动力不大的场合 图图 6 尖顶从动件凸轮机构尖顶从动件凸轮机构 盘形凸轮 它是一种有向径变化的绕固定轴转动的盘形零件 最初我们的设计思路是依 据盘形凸轮设计一个剪切机构 利用盘形凸轮的有向径的变化把凸轮的曲线运动转化成切刀的上 下直线运动 8 图图 7 基于凸轮机构的剪切机构基于凸轮机构的剪切机构 由轴连接减速电机转子带动凸轮转动 连杆作为牵引切刀上下往复运动的链接机构 利 用凸轮的有向径变化的原理 我们把凸轮的曲线运动 转换为切刀的竖直运动 4 4 基于三菱工控产品的自动剪切装置的控制方案设计基于三菱工控产品的自动剪切装置的控制方案设计 4 14 1 自动剪切装置整体方案设计自动剪切装置整体方案设计 在本套自动剪切装置的方案中 测长辊由三菱伺服定位控制系统控制的伺服电机控制 夹紧 机构由气动系统代替了工业生产线上的液压系统 剪切机的运行速度是由变频器控制 三菱可编 程控制器控制伺服电机与剪切电机高效地配合 校平机构的压力由人工手动调节 因为此处的压 力要求稍低于侧长辊处 所以我们选择手动调节 操作人员可通过三菱触摸屏输入所需剪切物料 的长度与剪切的数量 设定完成后 启动系统 由于变频器输出的干扰信号比较强 所以切刀侧 边的接近开关选择的是埋入式接近开关 使用埋入式接近开关可以有效地降低变频电机的干扰 提高系统工作的稳定性 装置上有一个由 CC LINK 系统组成的计数单元 该计数单元不仅可以用 于剪切物料的块数计算还可用于报警 当实际剪切块数与设定值不相等时我们可以及时的进行参 数的修正 4 24 2 定位剪切方案设计定位剪切方案设计 定位剪切部分是自动剪切装置的关键 定尺剪切是在材料停顿时刻进行的 也就是说 切 刀刀口分离时 定长控制系统启动 送料长度由 PLC 伺服定位系统联合进行控制 触发开始后 整套系统直接以预设的加减速率 最高速度以及目标长度为基本参数 计算出运转速度曲线 直 接驱动三菱伺服电机送料 当输送的长度到达规定长度时 伺服电机停下 物料停止运动 切刀 刀口下行 将物料切断 然后物料由传输装置输送到收料装置 依次循环 自动地将物料切割成 规定长度的成品 自动剪切装置的机械部分由夹送机构和剪切机构两部分组成 夹送机构由交流 9 伺服电机驱动旋转 上下夹送辊的加紧力调至刚好压紧物料 使物料在两辊中按设定的速度无滑 动滚动 完成送料和测长 剪切机构由变频减速电机带动做连续上下运动 剪切的速度由 PLC 跟 据每刀剪切的长度等条件算出 在控制方面 根据具体控制要求的不同 可分为两种控制方式 位置半闭环控制 在这种控制方式下 伺服电机上的反馈元件既是速度反馈元件又是位置反馈元件 根据设定 的加速度 运行速度 减速度和长度 定位功能模块自动的完成速度和位置的控制 这种控制方 式虽然不能消除牵引辊打滑和机械传动间隙产生的长度误差 但是我们可以通过定位功能模块用 软件修正这些系统性误差 位置全闭环控制 在位置全闭环控制方式中 在测量轮上安装了增量式光电编码器 伺服电机上的编码器作为 速度反馈元件 测量轮上的编码器作为位置反馈元件 这样 伺服控制器可消除牵引辊打滑和机 械传动间隙产生的长度误差 但安装增量式光电编码器机械结构相对复杂些 4 4 3 3 电气控制系统设计电气控制系统设计 自动剪切装置的电器控制系统部分我们选择的是三菱 Q 系列工控产品 主要包括 Q00JCPU 模 块 QD75P 伺服定位摸块 MR J3 A 伺服放大器 QJ61BT CC LINK 通讯模块和 AJ65SBTB1 和 AJ65SBTB1 8D T 远程输入输出模块 Q62DAN 数模转换模块 人机界面采用三菱 GOT1000 触摸屏 伺服送料系统采用三菱交流伺服电机和 MR J3 数字交流伺服驱动器与 QD75P 伺服定位摸块组成的 伺服定位控制系统 剪切机控制器采用三菱 FR A740 系列变频器 控制系统示意图如图 2 电气 原理图见附录 10 图图 8 电气控制系统图电气控制系统图 三菱的三菱的 Q Q 系列可编程序控制器系列可编程序控制器 可以对多点的输入输出进行控制 Q00JCPU 256 点 通过 CC LINK 或者 MELSEC H 网的远程 I O 站可以支持 2048 点 根据程序容量 选择最合适的 CPU 模块 Q00JCPU Q00CPU 8K 实现高速处理 Q00JCPU 0 20us 通过与 GX Developer 之间的高速通讯 提高调试效率 Q00JCPU Q00CPU Q01CPU Q02CPU RS232 RS232 的通讯速度最高为 115 2Kbps 有不同的编程口 两个人可以同时调试一个 PLC 利用扩展基板 可以将系统扩张为大规模系统 Q00JCPU 2 级扩展 最多支持 16 个模块 三菱三菱 GT1575 VNBAGT1575 VNBA 触摸屏触摸屏 11 监视性能和 FA 机器连接性的提高 由于采用了 Unicode2 1 对应的字体实现了多语言显示功能 由于采用了 TrueType 高质 量字体 可以绘制优美的文字 配备有 256 色显示由于实现了 16 阶灰度单色显示 表现力得到提高 通过最大 115 2kbps 的高速通信实现高速监视 实现了高速显示和高速的触摸开关响应 画面设计 启动 调整 应用 维护工作的效率化 装备了标准 3MB 的用户内存 装备了 CF 卡的接口 仅 GT1175 GT1165 GOT 的背面配置了 USB 连接器 通过使用 FA 机器设置工具可以更有效地启动系统 间接 工作 电缆交换 电缆连接调换工作 的减轻使得工作效率得到进一步提高 强化了与 FA 机器设置工具的亲和性 与 A QnA Q FX 系列 PLC 的直接连接 或者与 A QnA Q 系列计算机连接时 通过连接 在 GOT 上的个人计算机可以进行顺控程序的传送 监视 透明功能 三菱三菱 MR J3MR J3 数字交流伺服驱动器数字交流伺服驱动器 三菱通用伺服 MELSERVO J3 系列是在 MELSERVO J2 Super 系列基础上开发的性能更高 功能 更丰富的交流伺服 控制模式有位置控制 速度控制和转矩控制三种 还可以选择位置 速度切换控制 速度 转 矩切换控制和转矩 位置切换控制 所以本伺服不但可以用于机床和普通工业机械的高精度定位 和平滑的速度控制 还可以用于线控制和张力控制等 应用范围十分广泛 此外 本产品有 USB 和 RS 422 串行通信功能 可以使用装有伺服设置软件的个人计算机 进行参数的设定 试运行 状态显示的监控和增益调整等 产品的实时自动调整功能可以根据机械自动调整伺服的增益 MELSERVO J3 系列伺服电机采用了分辨率为 262144 脉冲 转的绝对位置编码器 与 MELSERVO J2 Super 系列相比 可以进行更高精度的控制 伺服放大器只需安装电池 就可以构 成绝对位置检测系统 这样 只需进行一次原点设定 在电源开启和报警发生时就不再需要原点 回归 CC LINKCC LINK 现场总线现场总线 CC Link用专用电缆连接象I O模块 智能功能模块和特殊功能模块这样的分布式模块 连接 12 后这些模块就可以由PLC CPU 控制 通过将各个模块分布安装到传送线和机器设备上 可以提高整个系统的工作效率 可以非常容易地高速发送和接收由模块处理的输入 输出ON OFF 数据和数字数据 可以通过连接多个PLC CPU 配置一个简单的分布式系统 通过连接由三菱合作厂商制造的各种设备 系统可以提供灵活的解决方案 满足各种不 同需 5 5 软件设计软件设计 5 15 1 参数设置参数设置 我们的系统是使用三菱 Q 系列的 PLC PLC 各个模块 I O 地址值以及 CC LINK 的基本参数都 是 GX Developer 来实现的 见图 8 本系统还使用了 QD75P 与 MR J3A 伺服放大器组成的伺服定 位系统 定位控制编程部分是使用设置 监控软件 QP GX Configurator 通过填表的方式来完 成 见图 9 伺服放大器的参数设置如图 10 Q00J PLC 主要完成送料 剪切以及传输皮带的程 序控制 控制程序包括手动和自动两个部分 整套设备的运行速度匹配和各部分相互之间的通讯 是控制的难点 采用标准的串行数据传送 RS232 或 USB 实现 PLC 与 PC 机之间的通讯 图图 9 PLC 参数设置参数设置 读取 PLC 数据 然后进行 I O 口的分配 13 CC LINK 参数设定参数设定 图图 10 定位模块参数设置定位模块参数设置 由于选择的是 AB 相脉冲 所以输出是 4 的倍数 旋转一圈的位移量是 14 AL 2 r AM 4 10 1 送料的主动辊的半径 r 12 6mm 单位放大倍率 AM 10 将 r 12 6 mm AM 10 代入式 10 1 中得 AL 31 680 mm 31680 um 电机每转一圈所需的脉冲数就是编码器的分辨率 即 262144 由于 pr 2 和 pr 3 的限制范围是 1 至 65535 和 0 1 至 6553 5um 所以将 AL 31680 um 和 pr 2 的每一转脉冲数 262144 同时约分得 Pr 2 每一转脉冲数为 32768 pr 3 AL 3960um Pr 8 speed limit 是速度极限值为 14500mm min Pr 9 acc time 是加速时间为 10ms Pr 10 dec time 减速时间为 10ms 图图 11 伺服放大器参数设置伺服放大器参数设置 本画面为伺服基本参数设定界面 PA01 是控制模式设定 0000 代表位置控制模式 PA05 是电机旋转一周所需脉冲数 0 为初始值 编码器分辨率 262144 PA05 设定为 0 时电子齿轮 参数 PA06 和 PA07 为有效 15 PA06 电子齿轮分子 简称 CMX PA07 电子齿轮分母 简称 CDV 电子齿轮设定范围基准 2000 10 1 CDV CMX PA13 为指令脉冲形式 0002 代表 AB 相脉冲 必须与定位模块的脉冲形式相同 16 5 2 自动剪切装置控制流程图自动剪切装置控制流程图 报警 确认 延时 2S 接近开关 2 接通 否 是 否 是 延时 5 秒 开始 设定长度 过长 过短 剪切块数设定 启动 传输电机 剪切电机 伺服送料 物料计数满 mamam 满 剪切刀停在下限位 剪切电机停 传输电机停 系统停止 17 5 35 3 程序设计程序设计 部分程序解析 1 判断切刀是由上往下运动还是由下上往下运动 并在切刀从下往上运动的时候在到达 x21 的时候使 m30 闭合 到下一次到达 x21 的位置的时候断开 m30 2 用智能模块写指令修改定位长度和定位速度 PLC Ready 从 OFF 到 ON 有效 3 启动指定轴的定位数据 其中 1 表示要启动的轴的定位数据 U4 表示定位模块 I O 口地址的高两位地址 5 4 触摸屏设计触摸屏设计 本系统人机界面采用的是 GT1575 触摸屏 它在本系统中起了非常重要的角色 GOT 1000 是三菱公司新一代人机界面 它可以连接三菱伺服放大器 自由绘制参数等监控 画面 还可以与温度控制器 三菱变频器 CNC 连接 GT15 内置了高速 RS 232 接口安装 RS232 转换模块可以进行 RS 通行 GOT 1000 在编辑画面上提供了许多简单易懂而又强大的功能 能够使人轻松的选中所要编 辑的画面 快速的放置 不需要打开对话框就可以设定 可以简单的更改部件 更改颜色从很大 意义上减少了错误 最突出的特点就是能够快速简单的在电脑上进行仿真是有些软件所无法匹敌 的 18 触摸屏总共有 5 幅基本画面和一幅初始化画面组成 主要分两大部分 一是正常的操作人员 操作的主画面 如图 12 图 13 图 14 二是设备维修 调试人员须口令才能进入的特殊功能画 面 它的参数改变直接影响设备的运行 图图 12 运行状态监视画面运行状态监视画面 图图 13 设备检查基本画面设备检查基本画面 19 图图 14 基本参数设置画面基本参数设置画面 用户可以设定要剪切的物料长度和块数 先按确认键 再按开始键 系统就开始工作 6 6 控制系统技术性能和特点控制系统技术性能和特点 本系统中最主要的部分就是伺服送料 它是保证系统精度的核心 伺服控制器的参数 数据 设定比较复杂 基本参数主要是单位设定 脉冲数量 脉冲输出模式 转动方向 速度限制值 加减速时间 回原点参数主要是复归的方式 方向 原点地址 速度 在人机界面的软件设计中 把与伺服系统相关的定位数据参数直接编写在触摸屏画面中 通过人机界面可显示和修改 PLC 数据存储器的数据 这样可以有效的对系统进行调整和改变 整个控制系统的技术性能和特点归 纳为以下几点 系统采用 PLC 与人机界面相结合 操作直观 方便 系统的布线更简单 系统采用定位模块 QD75P 与 MR J3 数字交流伺服驱动系统相结合 定位精度高 每块误 差在 0 15mm 以内 运行速度快 剪切速度高达 90 块 分钟 系统采用 CC LINK 远程通讯 使用了远程 I O 模块 实现剪切块数的动态显示 QD75P 系列定位模块和 MR J3 系列数字交流伺服驱动器都有设置 监控软件 这样参数的 设定和监控变的非常容易 20 7 7 设计总结设计总结 我们的设计目的是 快速送料和高精度的定位剪切 定位控制系统采用 PLC 定位模块 QD75P