自动剪贴项目

参赛项目名称：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&飞翔指导老师：陈佳队员：陈海峰董伸宇段大伟南京工业职业技术学院2023年8月目录1.前言12自动剪切装置简介23自动剪切机机械机构设计44基于三菱工控产品的自动剪切装置的控制方案设计85软件设计146.控制系统技术性能和特点217.设计总结228．附录239.参考文献251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90块/分钟）、定位精度高（每块误差在±0.15毫米以内）、性价比高等优点，具有极高2自动剪切装置简介2.1自动剪切生产线模型图1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。2.2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（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自动剪切机机械机构设计图2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SolidWorks3D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。3.1、剪切机构方案设计方案一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图3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4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5基于连杆机构的剪切机构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6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。图7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基于三菱工控产品的自动剪切装置的控制方案设计4.1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。4.2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：①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，②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。4.3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、QJ61BTCC-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。图8电气控制系统图Ⅰ、三菱的Q系列可编程序控制器①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.②根据程序容量,选择最合适的CPU模块.Q00JCPU,Q00CPU:8K③实现高速处理.Q00JCPU:0.20us④通过与GX-Developer之间的高速通讯,提高调试效率.Q00JCPU/Q00CPU/Q01CPU/Q02CPU:RS232RS232的通讯速度最高为115.2Kbps⑤有不同的编程口，两个人可以同时调试一个PLC⑥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Ⅱ、三菱GT1575-VNBA触摸屏①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②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③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)。Ⅲ、三菱MR-J3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。Ⅳ、CC-LINK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，连接后这些模块就可以由PLCCPU控制。①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。②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。③可以通过连接多个PLCCPU配置一个简单的分布式系统。④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软件设计5.1参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GXDeveloper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。Q00JPLC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9PLC参数设置读取PLC数据，然后进行I/O口的分配CC-LINK参数设定图10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AL=2*π*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32768pr.3AL=3960umPr.8speedlimit是速度极限值为14500mm/minPr.9acctime是加速时间为10msPr.10dectime减速时间为10ms图11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PA06电子齿轮分子，简称CMXPA07电子齿轮分母,简称CDV电子齿轮设定范围基准<<2000PA13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5.2自动剪切装置控制流程图开始开始设定长度设定长度过长过短报警过长过短剪切块数设定剪切块数设定确认启动启动传输电机传输电机延时2S剪切电机剪切电机接近开关2接通伺服送料伺服送料物料计数满mamam物料计数满mamam满是剪切刀停在下限位否剪切刀停在下限位是剪切电机停剪切电机停延时5秒传输电机停传输电机停系统停止系统停止5.3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（PLCReady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。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12运行状态监视画面图13设备检查基本画面图14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.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：①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。②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）③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。④QD75P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。7.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与MR-J3数字交流伺服驱动系统相结合，经过严密的论证以及精确的参数计算，剪切精度完全达到设计要求（每块误差在±0.15mm以内）。利用三菱FR-A700变频器和Q62DAN模拟量输出模块