材料加工工程自动化.ppt

1、材料加工工程自动化,相关课：材料工程计算机测控与仿真，主要解决材料加工“环境参数控制”问题。讨论：？ 本课程：主要解决被加工件的时空转移及设备的机械动作问题-顺序控制。 自动化概述 机械（化）系统（传动） *纯硬件顺序自控 *计算机位式控制 *PLC应用 三束（激光束、电子束、离子束） 束斑形态、轨迹及设备控制,第一讲 材料工程自动化概述,一自动化定义及系统 二材料工程自动化简介 三本课程的主要内容，安排及要求,二 自动化定义及系统,1 自动化早期的含义即“机械化”：中国古代的“指南车”，三国时诸葛亮的“木牛留马”，传说中古墓、古堡中的“机关”； 国外传来的“自动步枪”称作“机关枪”。 2 现

2、代定义的“自动化”其主要目的仍是机械化：机械动作的自动、有序进行。(Automatic) 3 自动化中的主要问题： A 动力产生：电动机-(机械、液压)，热能 B 动力传送：运动方向（ 直线、转动及 角度-）变化，运动速度 C 时空信息：机械部件间的信息传送（时间-到时，空间-到位） D 执行机构（施放能量）：阀，卡-,定义： 机械化（最初）“机关（枪）”，“Automatic” 电气化（+射流技术）（以前）； 数字化信息化（当前） 要素：工程施能的自动与自控（动力与传递部，做工施能部，信息与控制部） 学科：闭环控制，开环控制，顺序控制，控制理论，机器人，传感器及执行器技术等）。 意义：节省体

3、力与脑力；高效率、稳定性及重现性。,三 材料工程自动化演示（动画）,摄像： 1 翻砂 2 浇铸 动画： 1 压铸机 2 保护加热、淬火炉,四 本课程的主要内容、参考数目及要求（考试方法）,（一）主要内容：一维顺序自控的两个实施方法。 （二）参考书目： 1 王振清，材料工程计算机测控，北京航空航天大学出版社，2003.12 主页选学院构成中的“材料加工工程与自动化系”点击教师情况栏“王振清”论文下载项即可。 2 田瑞庭，可编程序控制器应用技术，机械工业出版社，（北航TP332/34） 3 韩生廉，顺序控制，同济大学出版社，（北航TP273/228） （三） 考试：开卷考试,第二讲 顺序控制环节,

4、一 机械系统（发生动力、传递动力-传动) 讨论：方式？ 二 信息器件（传递信息-时空传感） 三 控制、执行器件（控制，施加能、力） （以上那些环节含有“换能”过程？） 四 一维顺序控制系统,一 机械（发动、传动）系统,1 动力运动方式 的转变 （直线动力- 旋转动力）： A 活塞、连杆 -曲轴、飞轮,B 凸轮-顶杆（气门）,传动方向的转变伞型（对）齿轮（轴向90）；,对齿轮（轴向180）；齿轮丝杠（旋转转变为长距、大力量的直线动力）,二 信息器件,1 空间（位置）信息（位置开关） A 机械式 B 磁控式 C 霍尔式 D 光电式 2 时间信息（时间继电器） A 机械（钟表）式 B 双金属片（电热

5、）式 C 数字式,时间 继电器,三 控制、执行器,1 按键（钮）,2 继电器（接触器）,触点描述及符号,四 一维顺序机械运动,1 问题的提出：工步过程要求描述 开始后， 把一工件由原位运送到工位（1）；停时刻N1后退回原位；再停N2时刻后重复上述过程。可停止。 2 顺序规划：节拍表(6人在黑板上分别画梯形图),3 纯硬件（继电器）系统线路（梯形图）,五 电机拖动,机械动作是工程施能的常见种类之一。在特殊加工中，仅次于加热。 机械能动的方法很多；城镇中最常见的是电动（机）。异步电动机可分为三相和单相。 1.三相异步电机使用问题：,接线启动方法,电机换向： 改变A、B、C三相的任两相。 制动方法：

6、 反馈制动-“快速发电”制动 反接制动-“反转、倒拉”制动 能耗制动-“直流输入”制动 变速方法： 变极数调速-结构复杂，挡数较少； 变频率调速-发展方向，成本较高。,2单相异步电机的使用,接线与换向,3 继电器使用,A 触点允许电流 B 常开、常闭 触点的数量 C 磁力线圈电压 D 磁力线圈的 接线端子,4 演示及动画,第三讲 计算机（位）控制原理,计算机I/O接口与汇编语言 输出接口的隔离、驱动电路 计算机中的时钟控制 顺序自控中的状态记录 PLC的基本功能 PLC的硬件资源,一 计算机I/O接口与汇编语言,1 I/O接口 ： 计算机的对外接线端口通常为8位，其每一个位均可单独操作，则成为

7、“并行I/O口”；可输出（控制）信号的称做“输出口”，可采集信号的称做“输入口”，两项兼做的称做“双向并行口”。,2 计算机输入接口与汇编语言,JB P1.0,CH1 ；如果P1.0高电平则 JNB P1.0,CH2 ；如果P1.0低电平则 MOV A, P1 ；采集P1口入A CJNE A，1，CH3 ；如果A不等于1则,二 输出接口的隔离、驱动电路,输出汇编指令,SETB P1.0 ；P1.0输出高电平 CLR P1.0 ； P1.0输出低电平 MOV P1,#1 ； P1.0输出高电平 MOV P1,#0 ； P1.0输出低电平,三 计算机中的时钟控制,四 顺序自控中的状态记录,CPU中

8、的接口寄（锁）存器 （Xi,Yi-输入、输出寄存器) CPU中的随机存储器 RAM (Mi,Pi-辅助继电器、指针） （ Ti,Ci-定时器、计数器),五 用单片机实现一维机械移动控制的硬件连接,C51语言描述硬件动作,if (P1.0= =1| |P2.0= =1&P2.1= =0&P1.1= =0 &P1.2= =0)P2.0= =1 if(P1.2= =1)ET1=1,T1=0,TH1=A,TL1=B (时钟1中断初始化并启动) if (T1= =1| |P2.1= =1&P2.0= =0&P1.1= =0 &P1.3= =0)P2.1= =1 if(P1.3= =1)ET2=1,T2=

9、0,TH2=A,TL2=B (时钟2中断初始化并启动) if (T2= =1| |P2.0= =1&P2.1= =0&P1.1= =0 &P1.2= =0)P2.0= =1,六 PLC的硬件资源,1 硬件框图,2 输入接口电路,a为直流供电 b为交流供电,3 输出接口电路,a为继电器输出的交流（或直流）负载 b 为晶体管输出的直流负载 c为固体继电器输出交流负载,七 PLC的基本功能,按“梯形图”实现顺序自动控制- 输入、分析、处理、输出触点信号： 1 母线输入： LD Xi,LDI Xi ；取触点 2 逻辑运算： OR,AND,ANI- ；或，与，非- 3 内部定时： OUT Ti Kn ；

10、定时调节 4 触点输出： OUT Yi ；线圈操作,第四讲 PLC应用,一 应用目标 节拍表 PLC选择及资源分配 梯形图与指令 运行,一 应用目标,二 节拍表（器件资源关系）,元件（空间）分布及循环图,三 PLC选择及资源分配,PLC实物示意图,输入、输出的实际电路,四 梯形图与指令,触点指令,LD X（Y，M) ；如果触点闭合则-（取） OR X（Y，M） ；或者触点闭合则-（或） ANI X（Y，M） ；并且触点不闭合则-（与非） AND X（Y，M） ；并且触点闭合则-（与） LDI X （Y，M) ；如果触点不闭合则-（取非） ORI X（Y，M） ；或者触点不闭合则-（或非） OU

11、T Yi ；输出触点Yi闭合 （输出） OUT T i ；启动延时 Ti K n n0.1秒,运行-(作业题),1 叙述顺序控制的逻辑处理方法和法则？ 2 说明顺序控制与参数反馈控制的差别？ 3 概述机械传动的方式、方向变化的方法 4 列表说明顺序自控中的信息元件和执行元件 5 画出一维往返机械运动的纯继电器控制梯形图 6 画出一维往返机械运动的节拍表 7 画出PLC 的硬件组成框图 8 叙述PLC的主要操作指令的意义 9 编写一维机械运动的PLC 指令程序 10 比较PLC的“取”、“输出”指令对应的汇编语句,第五讲 PLC编程器应用,一 FX-20P-E的结构形式 二 HPP 的基本操作

12、三 实例程序编制 四 运行,一 FX-20P-E的结构形式,HPP 的基本操作体积较小，便于手握，因此称之“手持式编程器”（Handy Programming Panel,简称HPP）。,1 连接：串行通讯电缆线（PLC-HPP） 2 上电：PLC 3 首闪屏： 4 功能选择： 读（R）、写（W） 插入（I） 、删除（D） 5 单步指令 （ ， ，GO） 6 多步指令（SP） 7 复合指令（FUN+1，2-）,三 实例程序编制,运行-思考题,1 叙述顺序控制的逻辑处理方法和法则？ 2 说明顺序控制与参数反馈控制的差别？ 3 概述机械传动的方式、方向变化的方法 4 列表说明顺序自控中的信息元件和

13、执行元件 5 画出一维往返机械运动的纯继电器控制梯形图 6 画出一维往返机械运动的节拍表 7 画出PLC 的硬件组成框图 8 叙述PLC的主要操作指令的意义 9 编写一维机械运动的PLC 指令程序 10 比较PLC的“取”、“输出”指令对应的汇编语句,第六讲 高能束流及其加工过程 的控制,高能束流通常是指激光束、电子束及离子束等载能粒子流，俗称“三束”；其功率密度在103W/cm2以上，定向作用在金属（材料）的表面，使照射斑处瞬间产生物理、化学或结构的变化。 谈及控制，自然涉及束流的强度，形状及轨迹；工件（材料）的移动和两者之间的介质（环境）等三个方面，本节主要介绍“三束”相关这三个方面的内容

14、。,主要内容,一 激光束流强度与轨迹控制 二 电子束流强度与轨迹控制 三 离子束的控制 四 束流加工中的工件位移控制 五 束斑与工件间介质的控制 ？高能束斑可被看作是一刀具；分析以下加工与机械加工的特征关系：作用在一转动的面上；作用在一个面上：沿一条线作用；,一 激光束流强度与轨迹控制,将受激活的工作物质放在两端有反射镜的光学谐振腔中，并提供外界辐射（光泵），如氙灯、氪灯或辉光放电等，则受激辐射将不断产生激光光子。其中运动方向与光腔不一致的光子从侧面逸出并转换为热能；运动方向与光腔轴线一致的光子被两面反射镜不断反射，这些光子穿过受激发处于粒子数反转的工作物质时，将引发粒子产生受激辐射光，使沿光

15、腔轴方向的光子数不断迅速增多，当此光强增大到超过光腔的光损耗阈值时，部分光子将从有部分反射作用的窗口，透射出一束高光子兼并度的激光。此激光束经反射镜的折射变向及透镜的聚焦即可在工件上形成照射斑。其原理见图示,激光束加工装置原理图,由于激光束流是以斑点形式照射在工件上，因此，加工工艺的质量与束斑的强度（功率）、形状及轨迹相关。,光斑的强度控制主要是靠调节激光电源的功率来完成；由于激光电源为直流或脉冲形式，带有变压、整流环节；当其功率较小时，可采用上节所述的移相调功方法对激光电源的功率进行调节。如果激光功率较大，其电源采用磁调变压器，可对磁调环节的进行移相调压，同样可以完成对激光斑强度的调节。 由

16、于电源功率的阶跃变化较激光输出有一定的迟延，因此，光斑强度调节的频率不宜太高。对于需要光强突然变化的要求，需用钨块遮挡方法；钨块的遮挡动作控制属于位式控制，计算机的控制输出参见上述的I/O 隔离、驱动环节。,激光束扫描轨迹控制方法示意,二 电子束流强度与轨迹控制,电子具有微粒性，同时也具有波动性。由此，它和可见光是相同的，这就使得电子束可望成为新的加热光源。m0是电子静态时的质量；v是电子运动速度，此运动速度可表示为： v= 式中e是电子所带的电荷；UB为加速电压；两者的积eUB称之电子束的动能。,电子束发生、 控制装置 原理图,电子束的动能及其斑点轨迹控制,由以上介绍的动能概念eUB可知，其

17、中热电子e数量取决于灯丝的温度和表面积：受到热激励，阴极材料中Fermi能极处的电子有可能克服功函数W的作用而逸出进入真空区。根据Richardson定律，热发射电流密度为 J0=AT2exp（ ） 式中A是与材料相关的系数，T是阴极温度，eW是阴极材料的逸出功，k是Boltzmann常数。由此可知，当灯丝的材料与形状确定后，电子束的动能与灯丝电压UD及加速电压UB呈正向关系。两种电压的调节及其计算机控制方法可参见前面一节所述。,斑点轨迹，前面所述的激光可以由光学透镜及折射镜完成。本节介绍的电子束，却需靠静电场（透镜），磁场（透镜）及偏转电磁场的作用。,磁偏转器 对于大偏转角的情况，常用一对鞍

18、形 带屏蔽环的空心线圈，如图所示。 由于线圈端部对偏转作用很弱，因此， 将其端部导线向外翻卷成鞍状，这种 偏转器可以在很大的偏转角下工作， 并能保持良好的线性。,对偏转线圈（X，Y扫描）的控制,线圈电压与 束流轨迹 控制硬件 框图,三 离子束的控制,由于离子束是带正电的粒子，某些方面的性质类似电子，因此可以用电场力和磁场力的作用使其聚焦或偏转。离子束的选分系统也是利用其在磁力作用下离心旋转来实现的。 离子束的产生过程：将选定的某种元素的原子在离子源中电离成离子。后经引出电极，进入加速系统，在加速电压V的作用下，使每个离子具有qV的能量，q为离子的电荷。,三束的强度控制,偶合变压器的机械式控制 原理简单，接触磨损，不宜频繁调节； 可控硅调功 结构简洁，污染电网，功率受限； 磁调变压器 设计先进，可控性好，成本较高