伺服机械压力机控制系统设计毕业设计论文

伺服机械压力机控制系统设计毕业设计论文 学 号 毕 业 论 文 课 题 基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 姓 名 系 别 机械工程系 专业班级 指导教师 二0 一0年 五 月 摘 要 机械压力机用于对材料进行压力加工的机床，通过对坯件施加强大的压力使其发生变形和断裂来加工成零件。传统机械压力是采用用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动的锻压机械，其具有工作平稳、工作精度高、操作条件好、相对液压机具有生产率高等优点，因此广泛应用于汽车、船舶等工业;但传统压力机具有速度不能调整、存在下死点等缺点，现在很多加工工艺要求压力加工设备的速度具有速度可调性，因此进行速度可调的伺服机械压力机的研究具有重要的意义。 控制系统是伺服机械压力机不可缺少的重要组成部分，如何更好地设计、制造和调试整个系统，确定其最佳参数，保证伺服机械压力具有很好的工作性能;因此本此毕业设计进行了J25-63型伺服机械压力机的控制系统的设计。 在研究现有先进控制方法的基础上，本文进行J25-63型伺服机械压力机的控制系统的设计 ，主要从位置伺服控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、落料工艺伺服控制曲线、伺服驱动模型建立及仿真等方面进行设计。 通过控制系统的仿真表明:本文所设计的控制系统完全满足伺服机械压力机的工作性能要求，使该机械压力机具有速度可调并且可以消除传统机械压力机具有下死点的缺点。 关键词:机械压力机 控制系统 伺服控制 I 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 Abstracts Mechanical presses for pressure on the material processing machine, through the blank to exert strong pressure on deformation and fracture to process into parts. Conventional mechanical pressure is used with connecting rod or toggle mechanism, cam mechanism, screw mechanism driving the forging machine, which features the work of a smooth, high precision work, good operating conditions, the relative merits of hydraulic machines with high productivity, it is widely used in automotive , shipping and other industries; However, the traditional press can not be adjusted with the speed, the presence of defects such as dead spots, and now demands a lot of pressure processing equipment, processing speed is the speed adjustable, adjustable servo speed so for the research of mechanical press significance. Mechanical presses for pressure on the material processing machine, blank imposed by powerful servo control system is indispensable mechanical press components, how to better design, manufacture and commissioning the entire system to determine the best parameters to ensure the servo-mechanical stress has a very good performance; therefore the design of this school were J25-63-type Servo press control system. In the study of existing advanced control methods, the paper for J25-63-type Servo press control system, mainly from the position servo control scheme, blanking servo control technology curve, servo-driven modeling and simulation in areas such as design. The simulation showed that by controlling the system: This article is designed to meet the servo control system is fully mechanical press work performance requirements, so that the mechanical press with adjustable speed and can eliminate the traditional mechanical press with the shortcomings of the next dead. Keywords:Mechanical Press Control System Servo control II 目 录 第一章 绪论 ........................................................ 1 1.1 机械压力机发展历程 ............................................. 1 1.2 机械压力机的工作原理及结构组成 ................................. 3 1.2.1工作原理 .................................................. 3 1.2.2结构类型 .................................................. 4 1.3 交流伺服压力机的特点 ........................................... 5 第二章 Labview软件 ................................................ 6 2.1Labview软件的介绍 .............................................. 6 2.2Labview软件的控制界面 .......................................... 6 第三章数据采集卡 ................................................... 7 3.1数据采集卡的介绍 ................................................ 7 3.2数据采集卡的作用 ............................................... 10 第四章 控制系统设计过程 ........................................... 12 4.1位置伺服控制方案 ............................................... 12 4.1.1位置和速度控制器设计 ..................................... 12 4.1.2点动控制 ................................................. 14 4.1.3定位精度分析 ............................................. 15 4.2 落料工艺伺服控制曲线 .......................................... 16 4.3伺服驱动模型建立及仿真 ......................................... 18 结论 .............................................................. 20 致谢 .............................................................. 22 参考文献 .......................................................... 22 III 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 插图清单 图1-1 .............................................................. 1 图1-2 .............................................................. 1 图1-3 .............................................................. 2 图1-4 .............................................................. 3 图1-5 .............................................................. 3 图2-1 .............................................................. 6 图2-2 .............................................................. 7 图3-1 .............................................................. 8 图3-2 ............................................................. 10 图4-1 ............................................................. 12 图4-2 ............................................................. 14 图4-3 ............................................................. 15 图4-4 ............................................................. 17 图4-5 ............................................................. 17 图4-6 ............................................................. 19 图4-7 ............................................................. 19 IV 第一章 绪论 1.1 机械压力机发展历程 随着国内外锻压行业之间科研交流活动的进一步展开，国内关于伺服压力机的研究也越来越广泛和深入。广东工业大学孙友松教授领导的课题组对直流伺服电动机直接驱动的压力机进行了深入的研究，将传统机械压力机的飞轮采用超大容量的电容构成的“电子飞轮”来替代。天津大学孟彩芳教授提出了几种交流伺服—异步恒速电动机混合驱动的连杆式压力机传动结构，但并没涉及到具体的滑块控制方案。香港中文大学杜如虚课题组也研究了一种可控地机械式金属压力机，由一个恒速电机与一个伺服电机联合驱动，具有可控、节能、高效及精密等特点;并对一种新型二自由度机械式可控压力机 申请 关于撤销行政处分的申请关于工程延期监理费的申请报告关于减免管理费的申请关于减租申请书的范文关于解除警告处分的申请 了中国发明专利，该机构是通过齿轮和曲柄连杆传动，交流异步电机提供主动力源，交流伺服电机提供控制，但 [46]对惯性力平衡问题未提出解决办法。R.F.Fung和K.W.Chen通过对压力机的运动学和动力学分析，研究了永磁同步伺服电机—曲柄滑块机构的动态模型，并通过控制策略减小了柔性振动及外部干 主齿轮、偏心轴调速皮带滚珠丝杠滚珠丝杠伺服电机 连杆驱动齿轮、 连杆驱动轴 滑块伺调速皮带滑块调速皮带服 电滑块 机伺服电机 (a) HCP3000型产品 (b)HCP3000型结构示意图 图1-1小松HCP3000型交流伺服压力机 主齿轮、偏心轴调速皮带滚珠丝杠滚珠丝杠伺服电机 连杆驱动齿轮、连杆驱动轴 滑块伺服滑块调速皮带电滑块机伺服电机 (a) H2F型产品 (b)H2F、H4F系列结构示意图 图1-2小松H2F、H4F系列交流伺服压力机 - 1 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 主齿轮、偏心轴调速皮带滚珠丝杠滚珠丝杠伺服电机 连杆驱动齿轮、 连杆驱动轴 滑块伺调速皮带滑块调速皮带服 电滑块 机伺服电机 (a) H1F型产品 (b) H1F系列结构示意图 图1-3小松H1F系列交流伺服压力机 扰等对系统带来的不利影响。台湾国立成功大学颜鸿森课题组深入研究了由伺服电机驱动的变转速曲柄滑块冲床，对于不同工艺要求，冲床可提供不同的输入转速。 华中理工大学金属塑性加工专业科研人员长期从事锻压机械自动化的研究，近十年来，已研制成功快速压力机等CNC系统。北京机床研究所与天津重型机器厂联合生产了国内第一台大型数控压力机，通过伺服闭环系统，实现了高精度的位置、压力控制，并配有人机界面。浙江锻压机械有限公司也成功研制JZ21K-110型1100kN开式数控快速返程压力机，该机是以普通的开式曲柄压力机为基型，在传动系统中增设多连杆机构，在控制 [52]系统中增加数控系统设计而成。浙江大学自80年代末开始研究直线伺服电机驱动的锻 [53,54]压设备，成功地完成了直线电机驱动小型压力机的研制。济南机床二厂2007年研发出内地首台10000kN伺服压力机、首台双龙们移动式机械五轴联动数控镗铣床等系列高精尖产品。该伺服压力机(见图1-4)是由两电机驱动，且传动系统仍包含有飞轮和制动器;所配的伺服电动机和驱动装置由ABB公司提供;4m宽黄色的零件为滑块，其上下移动可实现最大为0.9m的行程。 但国内生产的数控压力机的特点是:功能较完善的数控压力机全部为仿制国外的产品，数控系统的关键部件，如全套硬件及软件、伺服驱动电机和高精度大导程滚珠丝杠及直线滚动导轨，都是从日本或西德进口;而功能简单的经济型数控压力机则是操作不方便、加工精度低，适用面窄，达不到高的性价比，尚需进一步的改进和完善。 台湾地区的锻压机床行业起步于上世纪50年代，销售市场与大陆市场形成了鲜明的对比。由于岛内五金、电子行业发展需求，锻压机床行业发展迅速，以价廉物美在国际市场上赢得了良好声誉，每年有80%的锻压设备出口，并造就了一批优秀的锻压设备制造企业。金丰、协易(SEYI)机械两家公司先后跻身世界锻压企业前十名。其中协易(SEYI)公司已成为亚洲第一大冲压机床供应商，市场占有率超过30%。而金丰公司率先推出CM1型数控伺服驱动自由运动冲床，如图1-5示。该伺服压力机除了利用一般马达驱动曲轴机构外，伺服马达驱动利用回转摩擦套筒带动的齿轮以达到无段变速与正反转的作用，实现滑块做摆动设计。 - 2 - 图1-4 10000kN的混合伺服压力机 图1-5 台湾金丰CM1型伺服冲床 压力机是金属成形加工领域中广泛使用的锻压设备，品种和数量繁多，其中以机械式压力机应用最为普遍。现代制造技术的发展要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负载的运转，而且应具有更大的柔性，能迅速、方便的改变输出运动规律。但传统的机械式压力机的运动特性单一、工艺适用性差。伺服控制的液压机虽然在作用力、速度和位移等工艺参数的控制方面达到了较高的精度，但存在工作频率相对较低、油污染、高能耗、低可靠性等缺点。近年来随着交流伺服电机驱动成形装备技术的发展，出现了滑块运动曲线可调的各种交流伺服驱动压力机，使压力机的工作性能和工艺适用性大大提高，设备朝着柔性化、智能化的方向发展。 在上世纪90 年代，世界工业发达国家兴起了伺服压力机的研究。美国的WIEDEMANN 和W.A.WHITNEY 公司、德国的TRUMPF 和NIXOORF DARADORN 公司、日本的AIDA 和NISSHINBO 公司以及瑞士的RASKIN 公司等都对交流伺服压力机进行了研究。Tokuz 建立了交流伺服电机驱动四杆机构的系统模型; R.F.Fung 和K.W.Chen 通过对压力机的运动学和动力学分析, 研究了交流伺服电机—曲柄滑块机构的动态模型; Yan 和Chen 提出一种由交流伺服电机驱动的变转速曲柄滑块冲床, 对于不同的冲压加工, 冲床可提供不同的输入转速;日本会田(AIDA) 和小松(KOMATSU)公司先后推出的新型数控压力机, 在传动结构上采用伺服电机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构工作。这些交流伺服压力机类型有: 机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、直动式伺服压力机、液压式精密伺服压力机和液压式伺服压力机等等, 压力机规格从40kN 到25000kN。其中,世界上最大的交流伺服压力机为日本网野公司(AMINO)研制的25000kN 机械连杆伺服压力机。 目前, 国内对于伺服压力机的研究也日趋广泛和深入。广东工业大学孙友松教授等对直流伺服电动机直接驱动的机械压力机进行了深入的研究, 采用超大容量的电容构成的“电子飞轮”来替代传统机械压力机的飞轮。天津大学孟彩芳教授也研究了交流伺服混合输入式机械压力机。 1.2机械压力机的工作原理及结构组成 1.2.1工作原理 机械压力机工作时, 由电动机通过三角皮带驱动大皮带轮(通常兼作飞轮),经过齿轮副和离合器带动曲柄滑块机构,使滑块和凸模直线下行。锻压工作完成后滑块回程上行,离合器自动脱开，同时曲柄轴上的自动器接通，使滑块停止在上止点附近。 - 3 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 每个曲柄滑块机构称为一个“点”。最简单的机械压力机采用单点式，即只有一个曲柄滑块机构。有的大工作面机械压力机，为使滑块底面受力均匀和运动平稳而采用双点或四点的。 机械压力机的载荷是冲击性的，即在一个工作周期内锻压工作的时间很短。短时的最大功率比平均功率大十几倍以上，因此在传动系统中都设置有飞轮。按平均功率选用的电动机启动后，飞轮运转至额定转速，积蓄动能。凸模接触坯料开始锻压工作后，电动机的驱动功率小于载荷，转速降低，飞轮释放出积蓄的动能进行补偿。锻压工作完成后，飞轮再次加速积蓄动能，以备下次使用。 机械压力机上的离合器与制动器之间设有机械或电气连锁,以保证离合器接合前制动器一定松开,制动器制动前离合器一定脱开。机械压力机的操作分为连续、单次行程和寸动(微动)，大多数是通过控制离合器和制动器来实现的。滑块的行程长度不变，但其底面与工作台面之间的距离(称为封密高度)，可以通过螺杆调节。 生产中，有可能发生超过压力机公称工作力的现象。为保证设备安全，常在压力机上装设过载保护装置。为了保证操作者人身安全，压力机上面装有光电式或双手操作式人身保护装置。 1.2.2结构类型 机械压力机一般按机身结构型式和应用特点来区分。 按机身结构型式分:有开式和闭式两类。 ?开式压力机:也称冲床，应用最为广泛。开式压力机多为立式。机身呈C形，前、左、右三面敞开,结构简单、操作方便、机身可倾斜某一角度,以便冲好的工件滑下落入料斗,易于实现自动化。但开式机身刚性较差，影响制件精度和模具寿命，仅适用于40,4000千牛的中小型压力机。 ?闭式压力机:机身呈框架形，机身前后敞开，刚性好，精度高，工作台面的尺寸较大，适用于压制大型零件，公称工作力多为1600,60000千牛。冷挤压、热模锻和双动拉深等重型压力机都使用闭式机身。 按应用特点分: 有双动拉深压力机、多工位自动压力机、回转头压力机、热模锻压力机和冷挤压机。 ?双动拉深压力机:它有内、外两个滑块,用于杯形件的拉深成形。拉深前外滑块首先压紧板料外缘，然后内滑块带动凸模拉深杯体，以防板坯外缘起皱。拉深完成后内滑块先回程，外滑块后松开。内外滑块公称工作力之比为(1.7,1):1。 ?多工位自动压力机:在一台压力机上设有多个工位，装置多道成形模具，坯料依次自动向下一工位移动。在压力机的一次行程中，各工位同时进行各道成形工序，制成一个工件。 ?回转头压力机:在滑块与工作台之间设有可装置数十组模具的回转头，可按需要选用模具。坯料放在模具上而不再移动。每次行程完毕，回转头转动一个位置，完成一道工序。这种压力机定位精度高，便于调整产品，一机多用，多用于冲制仪器底板和面板等。回转头压力机可配上数控系统，根据编好的指令选用模具和板材成形部位，自动完成复杂的冲压工作。 - 4 - ?热模锻压力机:用于模锻件生产。机身刚度大，导向面长,承受偏载能力强。过去多用曲柄连杆机构,为提高刚性多已改用双滑块式和楔式。双滑块式结构较简单，重量轻;楔式结构支承面积大，但传动效率低。模锻时滑块在下止点附近容易卡死(俗称闷车)，所以设有脱出装置。机械中有上下顶出装置，能实现多模膛锻造,锻件精度较高，适于大批量生产。最大规格为160兆牛。 ?冷挤压机:用于冷、温态挤压金属零件，如枪弹壳、牙膏管等。冷挤压机一般是立式的，特点是刚度好，导向精度高，工作压力大，工作台面小，工作行程长。 1.3 交流伺服压力机的特点 与机械压力机相比较。常见机械压力机滑块的位移—时间关系曲线一般为近似的余弦曲线。工件在距下死点以上几毫米的工作冲程中成形,工作冲程的最大速度为成形速度。但在各类金属成形工艺中,压力机的滑块运动曲线需符合锻压生产工艺的要求。普通机械压力机一般采用各种不同的机械传动机构获得工艺所需的滑块运动规律,以满足不同的工艺要求。常见的滑块驱动机构有曲柄式、肘杆式、螺旋式和连杆式等。然而传统的机械压力机虽然可以通过选择适当的执行机构及其构件的尺寸,得到一些满足冲压工艺要求的典型运动规律,但一种结构方案无法满足多种典型运动规律的要求。虽然采用偏置曲柄滑块机构、多连杆机构、非圆齿轮机构等可以部分改变某种驱动机构的滑块运动规律,但当各杆件的尺寸参数确定后,滑块的运动特性也随之确定,因而不具有柔性,难以用于不同的冲压工艺。而伺服压力机能极方便地改变滑块的运动曲线,获得不同的工件变形速度,保证冲压件的质量，从而使制造柔性化。如日本著名的压力机生产厂商Komatsu公司生产的伺服压力机 ,就可以通过编制不同的程序，从而实现工艺所需的各种运动曲线。 与液压伺服驱动相比，交流伺服电机驱动具有能消除油液泄漏，使运动控制更加柔性，每分钟行程次数进一步提高等许多优点。如天田公司推出的EM 2510N T 产品，采用双伺服电机驱动，行程次数达1800n/m in。K om atsu 公司采用交流伺服电机—滚珠丝杠驱动方式的折弯机，克服了液压系统速度切换时的短暂停顿现象，滑块运动更加敏捷，如图所示。加之操作方便、调整容易等其它优点，据称其整体效率较液压式提高了1倍以上。 综合目前各类伺服电机驱动压力机的工作特性，其主要优势有: (1)高柔性.滑块运动曲线不再仅仅是余弦曲线，可根据不同生产工艺和模具要求(如冲裁、拉深、板料挤压和级进模等)进行优化设置，通过程序编制实现滑块“自由运动”，大大提高了压力机智能化程度和适用范围。 (2)高生产率。滑块行程可根据生产工艺需要调整。例如:对于薄板冲裁，曲柄无需完成3600 旋转，而仅进行一定角度的摆动来完成冲压工作。 (3)高精度。由线性传感器组成的全闭环控制系统能实现高精度的位置控制。如:由偏心载荷引起的在下死点中心处的位置波动及滑块各点处的平行度波动可控制在?10μm 以内。 (4)低噪音。无飞轮、离合器等零件，简化了机械传动，从而可大大降低噪音。除此之外，通过设定滑块的低噪音运动曲线同样有助于降低冲裁噪音。 (5)节能、易于维护。由于简化了机械传动机构，可维护性强，润滑量减少。此外，电气制动储能装置可使能耗大为减少,伺服驱动压力机能很好地满足一些新材料的成形。 - 5 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 第二章 Labview软件 2.1 Labview软件的介绍 VI (Virtual Instrument)——虚拟仪器是指加在计算机上的一些软件和/或硬件，它们具有和实际独立仪器类似的外观和性能，如:示波器、逻辑分析仪、控制开关等，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者操作这台计算机，就像是在操纵一台他自己专门设计的电子仪器。 虚拟仪器本质上是利用计算机强大的图形显示功能来模拟传统仪器的控制面板及其显示模块，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用I/O接口设备配合各种传感器完成测试对象信号的采集、测量与调 [102]理，控制对象的控制，从而实现各种测试与控制功能的一种计算机仪器系统。它是现代测量技术和计算机技术深层次结合的产物，其系统组成原理如图2-1所示。 图2-1虚拟仪器的组成原理框图 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)——实验室虚拟仪器工程平台是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于G语言(Graphics Language)的虚拟仪器软件开发工具。它是一种面向科学家和工程师的编程语言，它提供的简单、直观的图形编程方式，把复杂、繁琐、费时的文本语言简化成工程师最熟悉的功能结构图的编程方式。LabVIEW的技术主要有如下特点: (1) 具有丰富的图形元素控件，支持回调功能; (2) 具有设置断点 (Set Breakpoint) 和探针 (Probe Data) 等程序调试功能; (3) 提供多种总线通信控制函数，如RS-232、GPIB、VXI等; (4) 提供网络传输控制 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 (TCP) 接口库; (5) 内含有多种基于WindowsNT/9x风格的软件技术，如ActiveX Automation技术、DDE(动态数据交换技术交换)、Multithread(多线程)技术等; (6) 嵌入了非常丰富的工程应用函数，具有很强的数据处理、数据分析功能。 与传统的编程语言相比，LabVIEW图形编程方式可以节省大量的程序开发时间，而其运行速度几乎不受影响。 2.2 Labview软件的控制界 虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天 - 6 - 等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2009，LabVIEW 2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。工作界面如图2-2 图2-2Labview软件工作界面 - 7 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 第三章 数据采集卡 3.1数据采集卡的介绍 数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号,包括对其进行增益或衰减和隔离,放大,滤波等.对待某些传感器，还需要提供激励信号( 在工业现场，我们会安装很多的各种类型的传感器，入压力的温度的流量的声音的电参数的等等，受现场环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或者电流信号不能远传或者因为传感器太多布线复杂，我们就会选用分布式或者远程的采集卡(模块)在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传通信技术(如485、232、以太网、各种无线网络)把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。这种也算作数据采集卡的一种，只是它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的工业环境。 研华PCI1712数据采集卡，该采集卡具有12为的A/D转换器，采样速率可达1MHZ，具有16路单端或8路差分的模拟量输入，2路12位的D/A模拟量输出通道，16路数字量输出通道。采集卡进行数据的采集同时进行计算机和SR控制器之间的实时通讯。 3.1.1计算机监控系统总体软件结构 由于LabVIEW软件可以很方便的支持多线程编程，便于程序的并发执行，在本文开发程序的过程中就利用了这种并发执行机制，如图3-1所示为机械压力机控制系统的流程图。 图3-1机械压力机控制系统流程框图 - 8 - 从图3-1中可以看出，计算机控制系统的软件结构和硬件结构是一致的，整体结构上可以分为并行的二大模块:滑块位置部分、滑块速度部分。这样可以方便地在变频振动下料过程中对滑块位置、滑块速度进行实时控制和监测。下面将对这二大模块进行详细叙述。 由于研华公司生产的PCL-818L多功能数据采集卡与NI公司生产的数据采集卡不同，因此不能直接调用LabVIEW的数据采集相关程序。但是，研华公司提供了研华采集卡的LabVIEW驱动程序——扩展名为vi。在应用过程中我们只要调用相关的vi程序就可以实现需要的功能。下面将本文所用到的对研华PCL-818L多功能数据采集卡相关操作的vi程序及其功能列于表3-1中。 表3-1 本文中所调用的PCL-818L多功能数据采集卡的vi程序说明 名 称 功 能 DeviceOpen.vi 打开指定的设备，并返回相应的值。 AIConfig.vi 设定设备的模拟量输入通道及采样增益。 AIVoltageIn.vi 以指定的触发方式，从指定的设备的某个通道进行采样，返回采 到的电压值。 AOVoltageOut.将设定的电压值输出到指定的设备的指定模拟量输出通道。 vi DIOWriteBit.v在指定的设备写入指定电平状态到指定端口的指定位。 i DeviceClose.vi 关闭已开启的设备，以释放采集卡占用的系统资源，以便下次再 次开启。 3.1.2 计算机监控系统的用户界面 机械压力机控制系统工作界面如图3-2所示，该界面主要包括五个区域:滑块位置部分、滑块速度部分、信号采集及数据处理设定区、信号采集及数据处理结果显示区、总停控制区。 - 9 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 图3-2机械压力机控制系统工作界面 信号预处理部分进行良信号的转换、奇异点的剔除、滤波、消除趋势项以及零均值化处理;信号的领域分析环节对振动下料机工作过程中的频率特性进行分析，识别下料机的共振、自激振动等特性，从而估计工作过程中的最大功率所在频率，监测振动下料机是否按预设频率控制曲线正常工作。信号时域分析环节将采集到的信号经过预处理后得到的振动加速度信号进行一定的数学计算得到速度信号和位移信号，并对它们的振幅进行计算，为研究振动下料机的工作特性提供依据。 3.2数据采集卡的作用 视频中的采集卡作用主要是采集视频数据源，并且能起到转换格式和传输的作用，随着科学技术的不断发展，采集卡的功能和用途越来越广，在数据采集卡中，主要的作用也是采集视频数据等，下面我们就针对数据采集卡是什么进行详细介绍。 视频中的采集卡主要的作用是采集数据，并且起到转化和传输的作用，所以采集卡一般应用在需要对数据进行采集和传输上。不同的数据采集卡作用和传输速度也是有所不同的。 数据采集卡已经发展有二十多年，数据采集英文是DAQ，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用 户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号,包括对其进行增益或衰减和隔离,放大,滤波等.对待某些传感器，还需要提供激励信号. 数据采集卡故名意思，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、 - 10 - PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等总线接入个人计算机。 随着行业的不断前进，科学技术的日新月异，数据采集卡应用范围也越来越广，采集卡广泛应用于安防监控、教育 课件 超市陈列培训课件免费下载搭石ppt课件免费下载公安保密教育课件下载病媒生物防治课件 可下载高中数学必修四课件打包下载 录制、大屏拼接、多媒体录播录像、会议录制、虚拟演播室、虚拟现实、安检X光机、雷达图像信号、VDR纪录仪、医疗X光机、CT机、胃肠机、阴道镜、工业检测、智能交通、医学影像、工业监控、仪器仪表、机器视觉等领域。 数据采集卡是对视频数据进行采集的，可以使视频数据传化成数字化形式. - 11 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 第四章 控制系统设计过程 4.1位置伺服控制方案 伺服系统亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律，它通常是具有负反馈的闭环控制系统。对有的执行机械，位置伺服系统采用半闭环结构虽然容易整定，但很难补偿其机械传动部分引起的位置误差，使位置控制精度不能达到要求的指标;采用全闭环结构系统又很难整定，系统闭环后因环内多种非线性因素诱发的振荡很难消除，使系统的控制复杂程度大大增加，它们之间的配合、增益调整等都必须仔细整定。于是，提出一种混合闭环结构的位置伺服系统方案，如图4-1所示。 执行++位置控制速度控制控制对象给定位置电机-+ 速度估计编码器 误差补偿位移传感器 图 4-1混合闭环位置伺服系统 系统中同时存在半闭环和全闭环。系统工作时，半闭环起主要作用。由于半闭环中电气自动控制部分和执行机械相对独立，可以采用位置前馈控制器实现位置参数向速度参数控制的转换，这样可以使系统快速响应;而全闭环只用于稳态误差补偿，位置增益可选得较低以保证系统的稳定性，跟踪系统误差小。两者相结合获得较高的位置控制精度和跟踪速度。 4.1.1 位置和速度控制器设计 位置伺服跟踪控制中，给定的期望位置不是一个固定位置，而是时间的函数，是一系列随时间改变的指令位置，并且，这一系列期望位置通常是时间的线性函数，实际位置在一定的误差范围内不断地逼近随时间变化的期望位置的过程，其响应过程包含了加速逼近和匀速跟踪的运动过程。 位置误差补偿控制器可以采用PID控制或自适应、控制、模糊控制等等，但是速度控制器不能再选用简单的PID控制方式。因为位置伺服控制对转子速度的范围要求更宽，对响应曲线的精度要求更高，PID速度控制器无法满足位置伺服控制的要求。 因此，本文位置误差补偿控制器采用简单的PID控制，不在重述。主要侧重于速度控制器的设计，在滑模比例切换控制的基础上，加上滑移量的前馈控制，补偿给定速度和负载的变化，增强速度控制器的鲁棒性。 已知系统的机械运动方程: d,,,,JTTD,eLdt (4-1) ,ddt,dTdt 假设给定转速为恒定值，即;负载转矩不变，即;忽略摩擦转， rrL - 12 - 则可建设系统的状态方程为 xx010,，，，，，，，，11,，Ut,,,,,,,,xaxb0,，，，，22，，，， (4-2) x,,,,xddt,,bJt,1taDJ,式中，;;;;为积分时间常数，为外环一1r2dd UdTdt,个采样周期;，是用来控制速度误差的控制信号。 te Ux现在要求设计速度控制器的控制量，使速度误差按照预先给定的某一特定轨迹运t1 a动，而不考虑系统参数、的变化。相空间中沿滑模线运动的开关面可设计如下: b scxx,，11 (4-3) c式中，为时间常数，表示滑模线的斜率。(4-3)式相应的瞬态响应是以为时间常1/c数的一阶方程。 设计的控制律为: Uxx,，,,t1121 (4-4) 式中， ,,0sx,,,0sx,,,1121,,,,,,12,0,0,sx,sx,,1121,,， (4-5) ,,,,,,其中，、分别为比例、微分系数，、、和为实常数。 121122 根据广义滑模存在性条件，由(4-2),(4-5)式可得得出当控制器各参数满足ss,0 如下条件时，滑模存在性条件得以满足: ca,,,minmax,,22ab,ab,b 0,,,,11 (4-6) 由于在设计控制器的时候，进行了许多假设，所以式(4-3)和(4-4)所示的滑模速度控制器仅适合于一般的速度调节系统。当系统增加较大负载或系统有较大扰动时，式(4-3)和(4-4)设计的速度控制器的鲁棒性将变得较差。为了增强速度控制的鲁棒性和控制精度，在式(4-4)控制律中加入滑移线的前馈增益调节即加入比例项，去补偿大ks的负载扰动和给定速度期望曲线的变化，所以式(4-4)可修改为: ,，，,xxksx,,,11211pt,U,,txxx，,,,,,11211t, (4-7) ,式中，是误差所允许的边界层厚度。 t ks由于线性控制项引入控制律中，所以，如果系统有外部负载扰动和给定速度的变p 动所导致的跟踪误差，式(4-7)控制律能产生一个比例转矩驱使实际速度能较快的跟踪上给定速度，直至速度误差到达边界层。当速度误差在边界层内时，速度控制器执行(4-4)控制律，是滑模PI类控制。因此本文所提出的(4-7)式增强了传统滑模比例控制(4-4)的鲁棒性。 UdTdt,T由于，可看作是内环转矩控制器的给定转矩输入，为了减小抖振和稳态tee - 13 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 误差，在转矩控制环输入进行积分操作，所以可以得到连续的给定转矩: ,()()[()(0)],,,，，，,,kcxdtkxtxx112111ppt,,TtUdt,,(1),edt,xdtxtxx[()(0)]，,,,,,,112111t,, (4-8) 则速度控制器如图4-2。 在此过程中，SRM的转子必然经历一个起动、匀速、制动和停车的运动过程，如果考虑到此响应过程中的位置超调时的各种运动，转子就经历了一个包含起动、制动和正转、反转的四象限运行的复杂的运动过程。 速度控制器x(0)1-Tx,+++eU+1r,2++-,,k1 x(0)-1+1cS+ ,B 图 4-2转矩积分速度控制器 由于每种电机都存在一个死区速度，所以一般实际中当速度很小时，认为小于死区速度的时候，撤去所加激励，让电机靠惯性减速，到达一定位置后再实现电机抱死准确停车。也就是说，在控制程序里除了加入位置判断还要加入速度判断，如果小于最小限定速度，控制系统关闭。 4.1.2点动控制 服压力机滑块的点动控制是根据SRM定转子结构设计的，用循环通电方法对定子绕组供电，并给定通电次数，来实现SRM控制，从而实现滑块位移的定位，无需检测转子位置。 针对12/8SRM，压力机点动实现可以表述为以下内容。首先保证通电相定子绕组中的电流大小相同，实施A?AB通电，可以使SRM的转子旋转7.5º;实施A?AB?B通电，可以使SRM的转子旋转15º;实施A?AB?B?BC?C通电，可以使SRM的转子旋转30º;实施一轮循环通电，可以使SRM的转子旋转45º;实施二轮循环通电，可以使SRM的转子旋转90º;实施三轮循环通电，可以使SRM的转子旋转135º;实施四轮循环通电，可以使SRM的转子旋转180º;实施五轮循环通电，可以使SRM的转子旋转225º;实施六轮循环通电，可以使SRM的转子旋转270º;实施七轮循环通电，可以使SRM的转子旋转315º;实施八轮循环通电，可以使SRM的转子旋转360º，以止连类推，可以使SRM的转子旋转一定角度位置。需要回程时，反向操作即可。 通过以上操作可以实现最小7.5º点动，或7.5ºSRM转子的角定位。由于电动机转子角位置和曲柄角位置成5:1的关系，则曲柄此时转过了1.5º。也就是说，点动开关接触一下，可以实现曲柄1.5º位置角分辨率的变化，则滑块实现对应1.5º分辨率的位移变化。图4-3为滑块空程向下时，点动位移情况。点p1、p2、p4为曲柄以30º间隔步进时滑块 - 14 - 点动位移，即电机为150º步进，可以看出点p1与之间及点p2与p4之间的滑块前进位移是不等的，为15.58mm和13.633mm。而当SRM电动机步进角为45º时，而较大滑块速度附近，p2与相差9º步进角p3点位移差为4.69mm，;较小滑块速度附近，p4与相差9º步进角p5点位移差为2.751mm。所以，根据相通电的次数，电动机7.5º倍数的步进角，进而曲柄实现1.5º倍数的步进角，则滑块实现点动控制。 45 40p1(30, 38)+35 30 25p2(60, 22.42)+20p3(69, 17.73)+滑块位移 /mm15 10p4(90, 8.787)+p5(99, 6.036)5+ 004590135180。曲柄转角 / 图4-3滑块点动位移 点动控制并不要求滑块精确的定位关系，只要SRM循环通电开环实现定角度的旋转，从而实现滑块的点动运行。滑块的点动控制和定位控制的不同之处，在于?定位一般用于压力机工作压力角范围内，而点动主要用于调模和调曲柄零点位置;?定位要求较高的精度，而点动只要能实现小范围滑块的移动即可;?定位控制用在每个工作循环中，而点动不算入压力机的正常工作循环中。 4.1.3定位精度分析 由上点动控制分析，可以得出电动机单相通电可以实现最小7.5º的转角。SRM电动机可以实现7.5º的步进运动，则曲柄也可以实现1.5º的步进运动。只不过对于点动控制来说，曲柄每次实现连续的固定步长运动，滑块位移并不是定步长;对于定位控制而言，在压力机和SRM停车之前，理想上SRM电动机实现最后一步7.5º的定位，滑块实现1.5º曲柄转角的位移量。 所以，SRM电动机理论可以实现电角度和机械角度定位精度，则曲柄是理论,:45,:7.5 定位精度，滑块可以实现的最大定位精度为0.7332mm。这是SRM电动机以7.5º步进，,:1.5 即曲柄以1.5º步进，在滑块空程、最大速度处，滑块最大步进位移。 真实验算表所提供的12/8SRM电动机是否满足定位精度为0.7332mm要求，即压力机 和电动机最后在7.5º步进角内停车能否实现。 已知本论文所采用的SRM额定扭矩为 MP,,，,/955015/150095.5Nm,e (4-9) 且SRM处于制动状态的时候可以提供3倍的额定扭矩，为286.5Nm。 2rad/s,假设:? SRM以(即60rpm)起始转速制动;? 实现了7.5º的转子位移; - 15 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 ? 电动机匀减速到静止。由此，可得转子制动时间为 t,,,,,,,,,/(7.5/180)/(2)0.0417s (4-10) MJt,,,,/ee制则所需制动转矩为 应用文献上理论公式计算传动系统各个部件的转动惯量时，因其几何形状的不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 形，不可避免地要对部件进行抽象，省略那些使计算复杂的细小结构，使得最后结果不准确。本文而采用Pro/e的模型分析模块对部件进行计算则可以得到准确的计算结果，传动系统部件相应的质心转动惯量: M,,102.94Nm<286.5Nme制,0.683J整个机电系统的等效转动惯量，则可以得到。即制动转e 矩小于额定转矩的3倍，所以，以转速是可以实现7.5º转子位移角内的停车，甚2rad/s, 至只是转过更小角度位移，进而可以实现滑块的最大定位精度为0.7332mm，且滑块距离下死点一个工作行程时的定位精度可达0.3085mm。 4.2落料工艺伺服控制曲线 一般的冲裁加工会有大的破断面产生，往往需要以二次加工来处理这些破断面，这些额外的加工处理会大大地增加产品的成本。而且，剪切速度过快也容易造成模具与工件发生剧烈冲击，造成精密度降低并缩短模具寿命。因此，在工作范围内，滑块作为冲头应尽量保持低速和速度恒定。所以，可建立以下冲裁加工的工艺曲线的优化问题。 目标函数 目标函数与拉深工艺输入曲线优化相同，取为 fat(,,,)peak(()),,,,最小化: (4-11) 129 ,,,,,,其中，曲柄转角,()t表达式为式取10阶Bezier函数，所以优化变量为:。 129 7 6恒速驱动0.04恒速驱动变速驱动5变速驱动 0.034 30.02 输入转角 /rad2滑块位移 /m0.01 1 0000.250.50.75100.250.50.751 时间 /s时间 /s (a)输入转角 (a)滑块位移 - 16 - 90.2 8 0.1-1-17 60 5滑块速度 /m?s 输入转速 /rad?s-0.1恒速驱动恒速驱动 4变速驱动变速驱动 3-0.200.250.50.75100.250.50.751 时间 /s时间 /s (b)输入转速 (b)滑块速度 1 20恒速驱动0.515变速驱动-22100 5-0.5 0 -1滑块加速度 /m?s恒速驱动-5 变速驱动--1.5输入角加速度 / rad?s-10 -2 -5 000.250.50.7510.250.50.751 时间 / s时间 / s (c)输入角加速度 (c)滑块加速度 图 4-4 伺服压力机拉深工艺输入运动特性 图 4-5伺服压力机拉深工艺输出运动特性 约束条件 h(,,,)(1)(0)0,,,,,,,, (4-12) 1129 h(,,,)(1)(0)0,,,,,,,, (4-13) 2129 hstss(,,,)()(0.62)0.0450,,,,,,,, (4-14) 3129returnstroke T,0.5gvtvdt(,,,)()(0.35)0,,,,,,,, (4-15) 1129,T,0.35 (4-16) gv(,,,)(0.35)0.18,,,,,2129 hhh其中，条件和为连续周期运动的边界条件;条件中0.62为规定的滑块回程率，123 g使滑块在运动周期的0.62倍时间处(本优化正好是0.62s时间点处)快速回程;条件1 ,g使滑块在工作区间s(0.35)~内能以接近等速运动，且式中取0.001;条件满足冲s(0.5)2 - 17 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 裁工作的速度要求。 优化结果 用可变容差遗传算法求解(4-11),(4-16)式组成的优化问题，得最有解,,,,,,,(1.2421，-1.3842，11.3016，-12.3654，20.9077，-19.2068，24.9405，129 -13.0913，17.6534)，其对应的曲柄输入与滑块输出运动特性分别为图4-6和图4-7所示。 由图4-6和图4-7可以观察到，在预设的剪切加工区间内，输出滑块sss(0.3)(0.5),, 确实以近乎等速度运动，且速度没有超过最大限制。将该组优化的曲线，对时间轴反归一化处理就可以得到电动机在任何转速下的剪切工艺输入控制曲线。 4.3伺服驱动模型建立及仿真 伺服压力机机械系统建模 伺服压力机机械系统建模是通过SIMULINK的Function组件通过编写m文件来完成，核心程序可见附录。机械系统建模主要完成运动学和动力学计算:一是已知曲柄输入速度 vsa获得滑块的速度、位移和加速度，二是已知各个时间点输入载荷大小实时计算的机械 T系统的负载转矩。 L SRM调速控制系统建模 由于压力机用SRM主要工作在额定转速之下或额定转速附近，所以本课题只研究磁链控制和角度控制。在SRM驱动系统中，速度调节器的输出作为内环的给定转矩，通过转矩-磁链转换，实现磁链控制，改变加在导通相绕组上的电压，从而满足所需要的转矩。同时，对电路的电流进行限幅控制，防止电流过大。另一方面采集获得的系统电流和电动机转矩作为开通角和关断角调节的依据，实现开关角度控制。端子1是输入速度，端子2是输入扭矩，端子5是采集反馈的系统实际转速，端子3和4分别是用于设置开通角和关断角，端子6、7、8分别输出的磁链、电流和电磁转矩。 0.057 恒速驱动6恒速驱动0.04变速驱动变速驱动5 0.034 30.02滑块位移 /m输入转角 /rad2 0.011 00 00.250.50.75100.250.50.751 时间 /s时间 /s (a)输入转角 (a)输出位移 - 18 - 10 0.29 8-1-1.0.1.7 605滑块速度 / m s4输入转速 / rad s-0.1恒速驱动恒速驱动3变速驱动变速驱动2-0.2 100.250.50.75100.250.50.751时间 /s时间 /s (b)输入角速度 (b)输出速度 30 2 20-2110-2. 00 -1-10 恒速驱动恒速驱动输入角加速度 / rad?s滑块加速度 / m s-20-2变速驱动变速驱动-30-300.250.50.75100.250.50.751时间 /s时间 /s (c)输入角加速度 (c)输出加速度 图4-6冲裁工艺的杆件输入运动特性 图4-7冲裁工艺的杆件输出运动特性 - 19 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 结 论 交流伺服电机驱动的压力机可提高设备的自动化、智能化水平，改善压力机的工作特性，是新一代成形设备的发展方向。国外发达国家已投入研制使用阶段，而目前国内这一技术尚比较落后。研制高容量、大扭矩、低转速交流伺服电机，改善大变负荷下交流伺服驱动系统的效率，开发新的控制系统以满足伺服传动和承载能力的需要是现阶段此项技术发展的关键所在。 (1)本文分析了该新型压力机的控制要求，构建了压力机控制系统的总体结构，并详细介绍了系统硬件构成。 (2)建立了滑块运动控制系统各环节的数学模型，并以此建立了基于Simulink的仿真模型，根据试验参数进行了仿真试验。 (3)根据压力机的控制要求和监控任务，开发了控制系统软件，包括位置和速度控制器设计、落料工艺伺服控制曲线、伺服驱动模型建立及仿真，经过多次测试，测试结果达到了设计目标。 - 20 - 致 谢 四年的大学生活即将结束,毕业就在眼前，剩下的日子已屈指可数，在这要向给予我关怀、教导及帮助的家长、母校、老师和同学表达自己深深的谢意。 首先，我要感谢我的父母，是他们的辛苦劳作，才使我能够顺利的读完四年 大学，给了我创造美好前途的机会，对我来说他们是天下最慈爱、最伟大的人，有了他们的付出，才有了今天的我，在心里我由衷的感谢他们。 其次，我要感谢母校对我的培养，大学生活不但让我学到了许多知识，还让我倍增了不少社会经验。 再次，我要感谢在校期间给予我指导和教诲的老师们，在学业上的教导，在生活中关怀，在人生观上的教育，他们都尽情的付出，我非常感谢他们。在此我要特别感谢我的毕业设计导师魏老师，他给了我极大的帮助，处处为我着想，使我能够顺利的完成毕业设计，我十分感激。 最后，我要感谢我的同学，我相信团队的力量是伟大的，感谢他们在生活中的陪伴，在学习上的帮助，使我逐渐的成熟，逐渐的成长。 总之，该感谢的人还有很多，譬如答辩组的老师们，是他们让我不断的成长，进步。 谢谢大家～ 黄超 2 2010-5-23 - 21 - 黄超:基于LabviewJ25-63型伺服机械压力机控制系统设计 参 考 文 献 [1] , 孙友松, 史国亮, 黎勉, 刘伟, 李绍培, 李新忠. 1100kN伺服曲柄压力机运动仿真与实 验研究[J]. 广东工业大学学报 , 2009,(03) [2].肖阳, 史国亮, 魏航, 黎勉, 黄开胜, 李优新. 直流无刷电机驱动曲柄压力机动态仿真与 实验研究[J]. 中国机械工程 , 2009,(13) [3].周先辉, 黎勉, 魏良模, 黄开胜, 何宏肃. 交流伺服压力机及其应用[J]. 机械工人(热加 工) , 2008,(Z1) [4] .孙友松, 黎勉, 肖阳, 李绍培, 李新忠. 1100kN伺服曲柄压力机控制系统研究[J]. 锻压 技术 , 2009,(02) [5] . 曲柄压力机的运动模拟及选用[J]. 锻压机械 , 1996,(01) [6] .周敏. 机械压力机安全生产现状及应对策略[J]. 现代职业安全 , 2006,(11) [7] . 曲柄压力机的噪声及其控制[J]. 锻压机械 , 1997,(03) [8] . 小松机械压力机结构组成及性能分析[J]. 重型机械 , 1996,(03) [9] .汤晓丹, 郝玉新. 机械压力机用直流调速装置的配置与调整[J]. 锻压机械 , 1999,(01) [10] . 机械压力机产品安全质量检验方法浅析[J]. 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