机械基础自动技术 4

任何机械制造设备的自动化其实质是在其终端执行元件上无需由人来直接或间接操作的自动控制。为了实现机械制造设备的自动化就需要对这些被控制对象进行自动控制。第二章自动化控制方法与技术

自动控制与机械控制技术、流体控制技术、自动调节技术、电子技术、电子计算机技术等密切相关，它是实现机械制造自动化的关键。它的完善程度是机械制造自动化水平的重要标志。一、自动化控制系统的基本组成

自动控制系统的核心思想是“检测偏差,纠正偏差”。系统会持续地将实际输出值与期望值(设定值)进行比较,如果存在误差(偏差),系统就会自动产生一个控制作用来消除或减小这个误差,从而使被控量稳定在期望值附近。1.被控对象

被控对象是指需要被控制的设备或过程，被控对象是系统的主体,其输出信号就是需要被控制的物理量。2.执行器执行器是根据控制器的指令,直接作用于被控对象的装置,执行器负责将控制器输出的弱小电信号转换成能驱动被控对象的物理动作(如力、位移、流量等)。第一节自动化控制系统的概念一、自动化控制系统的基本组成

3.控制器控制器是系统的决策中心,控制器将设定值与测量值进行比较,然后根据预设的控制规律进行运算,产生一个控制信号发送给执行器。4.检测装置(传感器)

检测装置(传感器)用于测量被控对象的输出信号，并将其转换成电信号的装置。检测装置提供反馈信息,是形成闭环控制的关键。

5.比较器

比较器通常是控制器的一个功能器件或模块，比较器将系统的设定值(输入)与检测装置反馈回来的测量值进行比较,计算出两者之间的偏差。第一节自动化控制系统的概念一、自动化控制系统的基本组成

以上五个部分构成闭环控制系统,其信息流动形成一个回路

(闭环),如图所示。正是因为有了检测装置和比较器形成的反馈回路,系统才能变得“自动”和“智能”,能够自我调节、抵抗外部干扰,最终精确地达到预定目标。第一节自动化控制系统的概念

二、自动化控制的基本要求

自动控制系统应能保证各执行机构的使用性能、加工质量、生产效率及工作可靠性。（1）能自动进行。（2）系统模块化，便于独立调试，与系统匹配。（3）具有柔性的必须能适应加工对象的变化。（4）简单可靠，严格筛选元件。（5）适应环境，抗干扰。（6）及时掌握系统工作状态。（7）便于安装调试维护修理。（8）布线安全合理，整齐美观。（9）不过分追求完美，适应实际条件。第一节自动化控制系统的概念

三、自动化控制的基本方式

主要是指机械制造设备中常用的集中和分散控制方式。1.集中控制方式：指由一个中央控制器(通常是一台计算机)来承担整个系统的所有控制任务。中央控制器直接采集所有现场传感器的信号,进行集中处理和分析,并根据预定的控制程序,输出对所有执行器的控制指令,如图所示。第一节自动化控制系统的概念

三、自动化控制的基本方式

集中控制方式示例如图所示。示例采用转鼓连续回转的机械式集中控制系统,在转鼓上装有一些凸块,当转鼓回转时,凸块分别碰触1~5限位开关,并接通相应的执行部件。当凸块转过限位开关后限位开关复位,相应的执行部件就停止运动。转鼓转一转,执行部件完成一个工作循环。改变凸块参数或转鼓的转速就可以调整执行部件的运动时间和工作循环周期。第一节自动化控制系统的概念2.分散控制方式将一个庞大、复杂的被控对象分解成若干个相对独立的子系统,并为每个子系统配备一个专用的、本地化的控制器。这些控制器通常只处理自己所在子系统的信息,并独立完成控制任务,从而实现控制功能在物理上和功能上的分散。下图是典型的工业生产线采用计算机控制技术的分布式控制系统。分布式控制系统(DistributedControlSystem,DCS)在国内自动控制领域又称为集散控制系统。DCS的主要特就是“分散控制,集中管理”。DCS通常采用若干个过程控制站对一个生产过程中的众多控制点进行控制,生产控制操作采用管理员站、操作员站、工程师站等计算机操作站实现,系统通过现场总线、工业以太网等与控制器连接,收集生产数据,传达操作指令。第一节自动化控制系统的概念

三、自动化控制的基本方式第一节自动化控制系统的概念

三、自动化控制的基本方式从结构上划分,DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成,是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括操作员站和工程师站,完成系统的操作监控和组态维护。

管理级主要是指工厂管理信息系统。一、机械传动控制的特点

机械传动控制一般利用机械装置实现动力和信号的传递。凸轮就是一种最原始、最基本的机械式控制装置,在采用机械传动控制的自动化装备中,很多运动部件及机构都是由装有许多凸轮的分配轴来驱动和控制的。第二节机械传动控制

二、典型实例分析

图示为C1318型单轴转塔自动车床控制原理。C1318型单轴六角自动车床控制原理简图六角车床运动控制第二节机械传动控制

一、液压传动控制

液压传动控制是利用液体工作介质实现能量的转换与传递,通过流量阀、压力阀和方向阀分别控制液体的流量大小、压力大小和液流方向。液压传动的功重比大,因此使用小的执行机构就可以输出较大的力,液压系统具有响应速度快、抗扰动能力强等优点,易于实现装备对位置、速度、力等的控制。

液压控制有机械-液压组合控制和电气-液压组合控制。

第三节液压与气动传动控制电气—液压组合控制系统机械-液压组合控制系统

1-凸轮2-活塞3-油管4-活塞5-弹簧6-执行机构第三节液压与气动传动控制一、液压传动控制二、气动传动控制

气压传动控制(简称为气动控制)是以压缩空气为动力源,通过各种气动元件(气缸、气阀、气源处理元件等)组成控制回路,驱动执行机构完成预定动作(如直线运动、摆动、夹紧、吹气、提升等)的一种自动化技术。气压传动和液压传动同属于流体传动,但特性与应用领域截然不同。1.气压传动系统组成气压传动系统通常由以下四个部分组成。

1)气源装置2)执行元件3)控制元件4)辅助元件第三节液压与气动传动控制2.气动控制的形式与使用范围(1)全气控气阀系统

(2)电-气控制电磁阀系统

(3)气-电子综合控制系统

(4)气动逻辑控制系统气-电子综合控制系统的构成1-数控系统或PLC2-接口3-气阀4-气动执行元件第三节液压与气动传动控制气动控制形式选择控制形式全气控气阀控制气动逻辑控制气-电子综合控制电-气控制电磁阀使用压力/MPa0.2～0.80.01～0.80～0.8直动式0～0.8

先导式0.2～0.8元件响应速度较慢较快快较慢信号传输速度较慢较慢最快快输出功率大较大较小大流体通道尺寸大较大较小大耐环境影响能力防爆，耐灰尘，较耐振和潮湿注意防爆注意防爆、漏电抗干扰能力不受辐射、磁场影响受磁、电场干扰受磁场、电场、辐射干扰配管或配线较麻烦容易容易寿命106～108次最长103～107次，电气触点易烧坏对过滤要求膜片、截止式要求一般，间隙密封的滑柱式阀对气源过滤要求高要求一般要求一般，间隙密封滑柱阀要求高维修、调整直观、易调整容易、需懂电子需懂电气，注意电气故障价格低高较高其他停电后可工作一段时间，滑柱式有永久记忆能力有记忆能力，宜与电控系统连接断电时单控阀返回原位，电气元件易得到适用场合动作较简单及大流量动作较复杂及小流量，大流量时要放大动作复杂，运算速度快，特别能用于电子控制的设备电器控制有基础或远距离控制的场合，易与电子控制系统连接第三节液压与气动传动控制

电气传动控制是指以电动机作为动力源,通过对电动机的启动、制动、调速、转向等过程进行控制,从而驱动生产机械按预定工艺要求运行的技术。其核心是“电能-机械能”的高效、精确转换与控制。它不仅是让电动机转起来,更是要精确控制其转速、转矩和位置,以满足复杂的工作需求。第四节电气传动控制一、电气传动控制系统组成电气传动控制系统由以下四部分组成：1)控制对象:电动机将电能转换为机械能,驱动负载运动。2)功率变换器:根据控制器的指令,将电网的固定工频交流电(或直流电)转换为交流电动机所需的可变电压、可变频率的变频器,从而改变电动机转速;用于直流电动机,通过改变电枢电压或励磁电流来调速的直流调速器。3)控制器:接收指令和反馈信号,根据预设的控制算法(如经典的PID控制)进行运算,产生控制信号并发送给功率变换器。4)检测与反馈元件:用于检测电动机的实际运行状态(如转速、转矩、电流、位置),并将检测信号反馈给控制器,形成闭环控制,实现精准调节。第四节电气传动控制二、电气传动控制方式电气传动通常采用闭环控制,其工作原理流程如图所示。第四节电气传动控制三、电气传动控制要求

电气传动控制就是按照生产设备的生产工艺要求实现自动工作循环程序,控制执行元件,驱动各动力部件进行自动化加工。因此,电气传动控制应满足如下基本要求。1)满足生产设备和工艺对电气传动控制的要求。2)保证控制线路的工作安全和可靠。3)在满足生产工艺要求的前提下,控制线路力求经济、简单。4)应具有必要的保护环节,以确保设备的安全运行。第四节电气传动控制四、电气传动控制工作循环的表示方法

1.工作循环图表示工作循环图主要用于表示单台生产设备的工作循环。工作循环图的表示方法→动作顺序和信号传递方向ST1～ST8—行程开关等传感元件

SP1、SP2—压力继电器第四节电气传动控制四、电气传动控制工作循环的表示方法2.工作循环周期表示动作复杂的自动线很难用工作循环图表示清楚,此时一般采用工作循环周期表来表示工作过程。第四节电气传动控制图1-7功能流程图的表示方法a)工作台示意图b)功能流程图四、电气传动控制工作循环的表示方法3.功能流程图表示功能流程图是一种专用于工业顺序控制程序设计的功能说明性语言,能清楚地表示控制系统的信息传递过程和输入、输出信号的逻辑关系,并且可以标明输入、输出信号,以及执行元件的名称、代号及其在控制装置中的地址编码。功能图的基本构成元素是步、有向线段、转移和动作说明。第四节电气传动控制五、电气控制的操作方式（1）自动循环（或称连续循环）（2）半自动循环（或称单次循环）（3）调整

（4）开工循环和收工循环六、电气控制的联锁要求

生产设备在运行中，各动力部件的动作有着严格的相互关系。这种关系主要通过电气控制系统的联锁功能来加以保证。

按联锁信号在电路中所起的作用分为：

联锁、自锁、互锁、短时联锁、长时联锁等。

注意：电气控制程序的设计必须在充分了解机床工艺要求的基础上，按实际需要考虑联锁关系，不是越多越好！第四节电气传动控制七、常用的电气控制系统1.继电器-接触器控制系统2.

程序控制系统

1）可编程控制系统。2）数控可编程控制系统3）分布式数控系统上位机是指可以直接发出操控指令的计算机,下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机。上位机发出的指令首先通过网口、串口、蓝牙等传输给下位机,下位机再将此指令解释成相应的时序信号来直接控制相应设备。下位机读取设备状态数据或报警信息,转换成数字信号反馈给上位机。为了实现以上过程,上/下位机都需要单独在各自平台上编写代码。第四节电气传动控制上-下位机系统组成与连接关系

计算机在机械制造中的应用已成为机械制造自动化发展中的一个主要方向,而且其在生产设备的控制自动化方面起着越来越重要的作用。一、普通数控机床的控制

采用数控装置，以数码的形式编制加工程序，控制机床各运动部件的动作顺序、速度、位移量及各种辅助功能，以实现机床加工过程的自动化。二、加工中心的控制

采用小型计算机进行控制，能够实现对同族零件的自动加工。第五节计算机控制技术三、计算机数控

在数控装置部分引入了一台小型通用计算机。四、计算机群控

计算机群控系统与计算机数控系统的区别是用一台较大型的计算机来代替专用的小型机,并按分时方式控制多台机床。图示为一个计算机群控系统,它包括一台中心计算机、给各台数控机床传送零件加工程序的缓冲储器以及数控机床等部分。计算机群控第五节计算机控制技术五、适应控制

适应控制是系统本身具有适应能力的控制系统。所谓适应能力就是系统本身能够随着环境条件或结构的不可预见的变化，自行调整或修改系统的参量。加削加工的适应控制系统原理图第五节计算机控制技术第六节电动机控制技术应用一、步进电动机的控制

步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1.步进电动机的特点（1）电动机旋转的角度正比于脉冲数；（2）电动机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；（3）由于每步的精度在3%~5%之间，不会将一步的误差积累到下一步，因而有较好的位置精度和运动的重复性；（4）快速的起停和反转响应；（5）由于没有电刷，可靠性较高，因此电动机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；（6）电动机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电动机的结构可以比较简单而且容易控制成本；（7）仅仅将负载直接连接到电动机的转轴上也可以极低速的同步旋转；（8）由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围；（9）步进电动机外表允许的最高温度。第六节电动机控制技术应用2.步进电动机控制原理步进电动机控制框图步进电动机的转动需要由步进驱动器驱动,步进驱动器由控制器控制如图所示。步进电动机带动执行元件运动时,一般需要设置左、右限位开关,防止执行元件超过行程。第六节电动机控制技术应用2.步进电动机控制原理

两种步进电动机的性能参数，见下表。

第六节电动机控制技术应用3.步进驱动器简介

CW+、CW-为步进电动机方向的控制端，若规定CW+为高电平时，步进电动机转动为正转，则CW+为低电平时，步进电动机转动为反转；CP+、CP-为脉冲信号端，接收来自控制器的脉冲信号；A+、A-为A相端口，与步进电动机的A相绕组连接；B+、B-为B相端口，与步进电动机的B相绕组连接；VCC、GND为直流电源端口，一般在24～40V之间。步进电动机驱动器接线示意图第六节电动机控制技术应用4.FX3U128MT-PLC控制器简介

FX3U128MT-ES-A是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出、模拟量控制和通信及链接等功能。控制器的主要参数有64点输入、64点输出、AC220V电源和晶体管输出。下表为控制器元件地址分配表。第六节电动机控制技术应用5.

PLC控制器、步进电动机驱动器和步进电动机接线图步进电动机控制电路接线图

第六节电动机控制技术应用6.步进电动机控制软件设计控制界面的作用主要是对步进电动机进行常规的操作。要求对步进电动机实现正转、反转、正转点动、反转点动、停止和正反间歇循环运动等功能；要求步进电动机转速可调,正反间歇循环运动的时间可调等。步进电动机正反间歇循环规律图第六节电动机控制技术应用6.步进电动机控制软件设计三菱GT1275-VNBA触摸屏,采用GTSimulator3仿真软件,步进电动机运动控制界面。

步进电动机运动控制界面第六节电动机控制技术应用6.步进电动机控制软件设计图示为控制界面上软元件的地址与功能见表2-6。第六节电动机控制技术应用6.步进电动机控制软件设计步进电动机正转的梯形图步进电动机反转的梯形图第六节电动机控制技术应用6.步进电动机控制软件设计步进电动机正转点动梯形图步进电动机反转点动梯形图第六节电动机控制技术应用6.步进电动机控制软件设计步进电动机停止梯形图步进电动机间歇循环运动梯形图第六节电动机控制技术应用程序清单第六节电动机控制技术应用6.步进电动机控制软件设计二、交流伺服电动机的控制

伺服电动机的主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。交流伺服电动机是交流电动机的一种，通过伺服驱动器的矢量控制理论控制电动机的扭矩、速度、位置等等，交流伺服电动机的转子电阻一般很大，这样可以防止自转，当控制电压消失后，由于有励磁电压，此时的交流伺服电动机中会有脉振磁动势，这