2432 大尺寸多工步自動(dòng)推料進(jìn)給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì),尺寸,多工步,自動(dòng),進(jìn)給,裝置,控制,節(jié)制,數(shù)據(jù)管理,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 大尺寸多工步自動(dòng)推料進(jìn)給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告班級(jí)：機(jī) 0405-33 姓名：張明旺指導(dǎo)教師：李啟光一、綜述1、本課題研究的意義伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的自動(dòng)推料進(jìn)給裝置是靠限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)來(lái)決定工件是否進(jìn)給，在實(shí)際生產(chǎn)中工件種類多數(shù)量也多，這樣對(duì)限位開(kāi)關(guān)的有數(shù)量多、質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，增加了產(chǎn)品的成本，同時(shí)誤差較大，生產(chǎn)的產(chǎn)品成本高質(zhì)量差，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的21 世紀(jì)是沒(méi)有優(yōu)勢(shì)的，是對(duì)國(guó)家資源的浪費(fèi)。綜上原因提出了“多工步自動(dòng)推料進(jìn)給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的課題，通過(guò)程序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件的進(jìn)給與否，這樣既減低了產(chǎn)品成本且提高了產(chǎn)品質(zhì)量，有利于提升公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。2、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望進(jìn)給伺服以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對(duì)象，產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度，并能精確地進(jìn)行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給伺服可細(xì)分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。（1）步進(jìn)伺服系統(tǒng)步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停機(jī)后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，如 500步、1000 步、50 000 步等等，從理論上講其步距誤差不會(huì)累計(jì)。 步進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動(dòng)速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來(lái)的恒斬波驅(qū)動(dòng)、PWM 驅(qū)動(dòng)、微步驅(qū)動(dòng)、超微步驅(qū)動(dòng)和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，將把步進(jìn)伺服的性能提高到一個(gè)新的水平。 （2）直流伺服系統(tǒng) 直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的是互相獨(dú)立的兩個(gè)變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵(lì)磁電流與電樞電流，可方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個(gè)單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)，因此，直流伺服系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。 然而，從實(shí)際運(yùn)行考慮，直流伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動(dòng)機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 （3）交流伺服系統(tǒng) 針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子、轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測(cè)出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，同時(shí)隨著矢量控制方法的實(shí)用化，使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性。其寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，使其動(dòng)、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。 目前，在機(jī)床進(jìn)給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統(tǒng)，有三種類型：模擬形式、數(shù)字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號(hào)，位置控制通常由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字伺服可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模擬指令和脈沖指令，各種參數(shù)均以數(shù)字方式設(shè)定，穩(wěn)定性好。具有較豐富的自診斷、報(bào)警功能。軟件伺服是基于微處理器的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。其將各種控制方式和不同規(guī)格、功率的伺服電機(jī)的監(jiān)控程序以軟件實(shí)現(xiàn)。使用時(shí)可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口，改變工作方式、更換電動(dòng)機(jī)規(guī)格時(shí)，只需重設(shè)代碼即可，故也稱萬(wàn)能伺服。 交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。 （4）直線伺服系統(tǒng) 直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動(dòng)方式(Direct Drive)，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式相比，最大特點(diǎn)是取消了電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)，如加速度可達(dá) 3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的 10～20 倍，進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的 4～5 倍。從電動(dòng)機(jī)的工作原理來(lái)講，直線電動(dòng)機(jī)有直流、交流、步進(jìn)、永磁、電磁、同步和異步等多種方式；而從結(jié)構(gòu)來(lái)講，又有動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上的主要有高精度高頻響小行程直線電動(dòng)機(jī)與大推力長(zhǎng)行程高精度直線電動(dòng)機(jī)兩類。 直線伺服是高速高精數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動(dòng)模式，受到機(jī)床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。在 2001年歐洲機(jī)床展上，有幾十家公司展出直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床，快移速度達(dá)100～120m/min，加速度 1.5～2g，其中尤以德國(guó) DMG公司與日本 MAZAK公司最具代表性。2000年 DMG公司已有 28種機(jī)型采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，年產(chǎn) 1500多臺(tái)，約占總產(chǎn)量的1/3。而 MAZAK公司最近也將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度 8馬赫，主軸最高轉(zhuǎn)速 80000r/min，快移速度 500m/min，加速度 6g。所有這些，都標(biāo)志著以直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為代表的第二代高速機(jī)床，將取代以高速滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)為代表的第一代高速機(jī)床，并在使用中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。二、研究主要內(nèi)容1、硬件的設(shè)計(jì)利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，利用絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)的前進(jìn)。對(duì)進(jìn)給裝置電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)也要對(duì)進(jìn)給裝置傳動(dòng)裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。2、軟件的設(shè)計(jì)利用 PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。針對(duì)不同的工件調(diào)用相應(yīng)的程序來(lái)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)多工步自動(dòng)推料進(jìn)給。三、實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)1、硬件的實(shí)現(xiàn)方法由于是大尺寸多工步自動(dòng)推料進(jìn)給裝置，故在工作臺(tái)的左右端各置一個(gè)推進(jìn)裝置，且兩推進(jìn)裝置之間采用同步帶連接，保證了工件在推進(jìn)過(guò)程中的平行運(yùn)動(dòng)。目前面臨的問(wèn)題：自動(dòng)推料進(jìn)給裝置系統(tǒng)的進(jìn)給裝置傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，主要是如何實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)輪和的動(dòng)力傳動(dòng)2、軟件的實(shí)現(xiàn)方法利用高速脈沖輸出（PTO）發(fā)生器的多段管線功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖輸出。數(shù)據(jù)的管理分為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分為工件大小即工件號(hào)的存儲(chǔ)和零件步進(jìn)數(shù)的存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)的調(diào)用分為工件號(hào)的調(diào)用和步進(jìn)數(shù)的調(diào)用。注：PTO 功能按照給定的脈沖個(gè)數(shù)和周期輸出一串方波，占空比為 50％。PTO 可以產(chǎn)生單段脈沖或通過(guò)使用脈沖包絡(luò)產(chǎn)生多段脈沖。必須為其設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)和周期（以微秒或毫秒為單位） 。S7-200 的高速脈沖硬件發(fā)生器有兩個(gè) Q0.1 和 Q0.0，在使用 PTO 操作之前需要將兩者的過(guò)程映像寄存器清零，在高速脈沖輸出過(guò)程中，輸出負(fù)載至少為 10%的額定負(fù)載，才能提供陡直的上升沿和下降沿。因此在每個(gè)輸出波形包括三段：步進(jìn)電機(jī)的加速（第一段） ；步進(jìn)電機(jī)的勻速（第二段） ；步進(jìn)電機(jī)的減速（第三段） 。在這三個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生周期增量，用以下公式來(lái)計(jì)算每個(gè)脈沖周期所使用的周期增量值，以便 PTO 發(fā)生器來(lái)調(diào)整：De 給定段的周期增量= ｜ECT－ICT｜／Q其中：ECT=該段結(jié)束周期時(shí)間ICT=該段開(kāi)始周期時(shí)間Q=該段的脈沖數(shù)量PTO脈沖串的單段管線在單段管線模式，需要為下一個(gè)脈沖串更新特殊寄存器。一旦啟動(dòng)了起始PTO段，就必須按照第二個(gè)波形的要求改變特殊寄存器，并再次執(zhí)行PLS指令。第二個(gè)脈沖串的屬性在管線中一直保持到第一個(gè)脈沖串發(fā)送完成。在管線中一次只能存儲(chǔ)一段脈沖串的屬性。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖串發(fā)送完成時(shí)，接著輸出第二個(gè)波形，此時(shí)管線可以用于下一個(gè)新的脈沖串。重復(fù)這個(gè)過(guò)程可以再次設(shè)定下一個(gè)脈沖串的特性。PTO脈沖串的多段管線在多段管線模式，CPU自動(dòng)從V存儲(chǔ)器區(qū)的包絡(luò)表中讀出每個(gè)脈沖串的特性。在該模式下，僅使用特殊存儲(chǔ)器區(qū)的控制字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)。選擇多段操作，必須裝入包絡(luò)表在V存儲(chǔ)器中的起始地址偏移量（SMW168或SMW178）。時(shí)間基準(zhǔn)可以選擇微秒或者毫秒，但是，在包絡(luò)表中的所有周期值必須使用同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而且在包絡(luò)正在運(yùn)行時(shí)不能改變。執(zhí)行PLS指令來(lái)啟動(dòng)多段操作。每段記錄的長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，由16位周期值、16位周期增量值和32位脈沖個(gè)數(shù)值組成。圖1中給出了包絡(luò)表的格式。您可以通過(guò)編程的方式使脈沖的周期自動(dòng)增減。在周期增量處輸入一個(gè)正值將增加周期；輸入一個(gè)負(fù)值將減少周期；輸入0將不改變周期。當(dāng)PTO包絡(luò)執(zhí)行時(shí)，當(dāng)前啟動(dòng)的段的編號(hào)保存在SMB166（或SMB176）圖表 1用指針對(duì)S7--200存儲(chǔ)區(qū)間接尋址間接尋址是指用指針來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)。指針以雙字的形式存儲(chǔ)其它存儲(chǔ)區(qū)的地址。只能用V存儲(chǔ)器、L存儲(chǔ)器或者累加器寄存器（AC1、AC2、AC3）作為指針。要建立一個(gè)指針，必須以雙字的形式，將需要間接尋址的存儲(chǔ)器地址移動(dòng)到指針中。指針也可以作為參數(shù)傳遞到子程序中。S7--200允許指針訪問(wèn)以下存儲(chǔ)區(qū)： I、Q、V、M、S、AI、AQ、SMT（僅限于當(dāng)前值）和C（僅限于當(dāng)前值）。您無(wú)法用間接尋址的方式訪問(wèn)單獨(dú)的位，也不能訪問(wèn)HC或者L存儲(chǔ)區(qū)。要使用間接尋址，您應(yīng)該用“&”符號(hào)加上要訪問(wèn)的存儲(chǔ)區(qū)地址來(lái)建立一個(gè)指針。指令的輸入操作數(shù)應(yīng)該以“&”符號(hào)開(kāi)頭來(lái)表明是存儲(chǔ)區(qū)的地址，而不是其內(nèi)容將移動(dòng)到指令的輸出操作數(shù)（指針）中。當(dāng)指令中的操作數(shù)是指針時(shí)，應(yīng)該在操作數(shù)前面加上“＊”號(hào)。如圖2所示，輸入*AC1指定AC1是一個(gè)指針，MOVW指令決定了指針指向的是一個(gè)字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。在本例中，存儲(chǔ)在VB200和VB201中的數(shù)值被移動(dòng)到累加器AC0中。圖表 2目前面臨的問(wèn)題：（1）脈沖該如何輸出的？多段還是單段？（2）數(shù)據(jù)該如何存儲(chǔ)？是否應(yīng)該按工件號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)？（3）數(shù)據(jù)該如何調(diào)用？可否采用間接尋址？3、目前需要解決的問(wèn)題（1）如何實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。 （24V 轉(zhuǎn) 5V）解決方案：制作電壓轉(zhuǎn)換電路板，可以選擇帶公放功能的光耦，也可選擇帶公放功能的繼電器，這要根據(jù)實(shí)際情況和購(gòu)買(mǎi)情況決定。（2）教學(xué)設(shè)備相關(guān)定義（限位圓點(diǎn)定義）解決方案：用萬(wàn)用表測(cè)每個(gè)管腳電壓，逐步定義每個(gè)管腳號(hào)（根據(jù)左右極限時(shí)是否有電壓即可判斷左右極限位）注：每個(gè)軸的左右限位有可能反，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)檢查。4、重點(diǎn)難點(diǎn)（1）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如何找零件；（2）自動(dòng)推料進(jìn)給裝置的整體設(shè)計(jì)；（3）控制界面的設(shè)計(jì)，如何在屏上顯示；四、對(duì)進(jìn)度的具體安排1～3 周，按照調(diào)研提綱完成調(diào)研，寫(xiě)出調(diào)研報(bào)告；4 周，擬出設(shè)計(jì)方案，完成開(kāi)題報(bào)告；5～７周，擬訂軟件方案、界面與程序通訊框架，完成控制功能初步設(shè)計(jì)；８～10 周，完成控制功能和界面詳細(xì)工程設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；11～12 周，完成電氣和結(jié)構(gòu)圖紙的草圖設(shè)計(jì)；13～14 周，完成裝配圖的設(shè)計(jì)；15～16 周，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯。五、參考文獻(xiàn)1、PLC 編程及應(yīng)用；2、S7-200 用戶手冊(cè)；3、BUILD 500 用戶手冊(cè)；4、PMAC 手冊(cè)及網(wǎng)站；5、siemens 網(wǎng)站；6．E-VIEW 網(wǎng)站。指導(dǎo)教師： 年 月 日督導(dǎo)教師： 年 月 日領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見(jiàn)：審查人簽字 年 月 日