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大尺寸多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計
開題報告
班級：機0405-33 姓名：張明旺
指導教師：李啟光
一、綜述
1、本課題研究的意義
伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的自動推料進給裝置是靠限位開關(guān)來控制電機來決定工件是否進給，在實際生產(chǎn)中工件種類多數(shù)量也多，這樣對限位開關(guān)的有數(shù)量多、質(zhì)量好的優(yōu)點，增加了產(chǎn)品的成本，同時誤差較大，生產(chǎn)的產(chǎn)品成本高質(zhì)量差，在市場競爭激烈的21世紀是沒有優(yōu)勢的，是對國家資源的浪費。綜上原因提出了“多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計”的課題，通過程序來控制步進電機的停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工件的進給與否，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競爭力。
2、進給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望
進給伺服以數(shù)控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。
（1）步進伺服系統(tǒng)
步進伺服是一種用脈沖信號進行控制，并將脈沖信號轉(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，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進電動機每轉(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累計。
步進伺服結(jié)構(gòu)簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術(shù)，使得步進電動機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平。
（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)的是互相獨立的兩個變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉(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)控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機床的進給驅(qū)動中曾占據(jù)著主導地位。
然而，從實際運行考慮，直流伺服電動機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動機效率低，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)的動態(tài)性能。
（3）交流伺服系統(tǒng)
針對直流電動機的缺陷，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)子軸上的編碼器測出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無刷電動機，同時隨著矢量控制方法的實用化，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、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好的技術(shù)性能，使其動、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時可實現(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)動的要求。
目前，在機床進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，位置控制通常由上位機實現(xiàn)。數(shù)字伺服可實現(xiàn)一機多用，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、功率的伺服電機的監(jiān)控程序以軟件實現(xiàn)。使用時可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動進入工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口，改變工作方式、更換電動機規(guī)格時，只需重設(shè)代碼即可，故也稱萬能伺服。
交流伺服已占據(jù)了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動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技術(shù)的成熟，將促進先進控制算法的應(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)動方式(Direct Drive)，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動方式相比，最大特點是取消了電動機到工作臺間的一切機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式，帶來了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式無法達到的性能指標，如加速度可達3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的10～20倍，進給速度是傳統(tǒng)的4～5倍。從電動機的工作原理來講，直線電動機有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和異步等多種方式；而從結(jié)構(gòu)來講，又有動圈式、動鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應(yīng)用到數(shù)控機床上的主要有高精度高頻響小行程直線電動機與大推力長行程高精度直線電動機兩類。
直線伺服是高速高精數(shù)控機床的理想驅(qū)動模式，受到機床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。在2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線電動機驅(qū)動的高速機床，快移速度達100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德國DMG公司與日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機型采用直線電動機驅(qū)動，年產(chǎn)1500多臺，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，都標志著以直線電動機驅(qū)動為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅(qū)動為代表的第一代高速機床，并在使用中逐步占據(jù)主導地位。
二、研究主要內(nèi)容
1、硬件的設(shè)計
利用步進電動機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，利用絲桿的轉(zhuǎn)動帶動工作臺的前進。對進給裝置電氣傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進行設(shè)計計算，同時也要對進給裝置傳動裝置的關(guān)鍵部件進行設(shè)計計算。
2、軟件的設(shè)計
利用PLC來實現(xiàn)對電機的控制。針對不同的工件調(diào)用相應(yīng)的程序來對電機的運行進行控制，實現(xiàn)多工步自動推料進給。
三、實現(xiàn)方法及預(yù)期目標
1、硬件的實現(xiàn)方法
由于是大尺寸多工步自動推料進給裝置，故在工作臺的左右端各置一個推進裝置，且兩推進裝置之間采用同步帶連接，保證了工件在推進過程中的平行運動。
目前面臨的問題：自動推料進給裝置系統(tǒng)的進給裝置傳動部分的設(shè)計，主要是如何實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)輪和的動力傳動
2、軟件的實現(xiàn)方法
利用高速脈沖輸出（PTO）發(fā)生器的多段管線功能來實現(xiàn)對步進電動機的脈沖輸出。數(shù)據(jù)的管理分為數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)用。數(shù)據(jù)的存儲分為工件大小即工件號的存儲和零件步進數(shù)的存儲。數(shù)據(jù)的調(diào)用分為工件號的調(diào)用和步進數(shù)的調(diào)用。
注：PTO功能按照給定的脈沖個數(shù)和周期輸出一串方波，占空比為50％。PTO可以產(chǎn)生單段脈沖或通過使用脈沖包絡(luò)產(chǎn)生多段脈沖。必須為其設(shè)定脈沖個數(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Q0.1和Q0.0，在使用PTO操作之前需要將兩者的過程映像寄存器清零，在高速脈沖輸出過程中，輸出負載至少為10%的額定負載，才能提供陡直的上升沿和下降沿。因此在每個輸出波形包括三段：步進電機的加速（第一段）；步進電機的勻速（第二段）；步進電機的減速（第三段）。在這三個階段會產(chǎn)生周期增量，用以下公式來計算每個脈沖周期所使用的周期增量值，以便PTO發(fā)生器來調(diào)整：
De給定段的周期增量=｜ECT－ICT｜／Q
其中：ECT=該段結(jié)束周期時間
ICT=該段開始周期時間
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，需要為下一個脈沖串更新特殊寄存器。一旦啟動了起始PTO段，就必須按照第二個波形的要求改變特殊寄存器，并再次執(zhí)行PLS指令。第二個脈沖串的屬性在管線中一直保持到第一個脈沖串發(fā)送完成。在管線中一次只能存儲一段脈沖串的屬性。當?shù)谝粋€脈沖串發(fā)送完成時，接著輸出第二個波形，此時管線可以用于下一個新的脈沖串。重復(fù)這個過程可以再次設(shè)定下一個脈沖串的特性。
PTO脈沖串的多段管線
在多段管線模式，CPU自動從V存儲器區(qū)的包絡(luò)表中讀出每個脈沖串的特性。在該模式下，僅使用特殊存儲器區(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存儲器中的起始地址偏移量（SMW168或SMW178）。時間基準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時間基準，而且在包絡(luò)正在運行時不能改變。執(zhí)行PLS指令來啟動多段操作。每段記錄的長度為8個字節(jié)，由16位周期值、16位周期增量值和32位脈沖個數(shù)值組成。圖1中給出了包絡(luò)表的格式。您可以通過編程的方式使脈沖的周期自動增減。在周期增量處輸入一個正值將增加周期；輸入一個負值將減少周期；輸入0將不改變周期。
當PTO包絡(luò)執(zhí)行時，當前啟動的段的編號保存在SMB166（或SMB176）
圖表 1
用指針對S7--200存儲區(qū)間接尋址
間接尋址是指用指針來訪問存儲區(qū)數(shù)據(jù)。指針以雙字的形式存儲其它存儲區(qū)的地址。只能用V存儲器、L存儲器或者累加器寄存器（AC1、AC2、AC3）作為指針。要建立一個指針，必須以雙字的形式，將需要間接尋址的存儲器地址移動到指針中。指針也可以作為參數(shù)傳遞到子程序中。S7--200允許指針訪問以下存儲區(qū)： I、Q、V、M、S、AI、AQ、SMT（僅限于當前值）和C（僅限于當前值）。您無法用間接尋址的方式訪問單獨的位，也不能訪問HC或者L存儲區(qū)。要使用間接尋址，您應(yīng)該用“&”符號加上要訪問的存儲區(qū)地址來建立一個指針。指令的輸入操作數(shù)應(yīng)該以“&”符號開頭來表明是存儲區(qū)的地址，而不是其內(nèi)容將移動到指令的輸出操作數(shù)（指針）中。當指令中的操作數(shù)是指針時，應(yīng)該在操作數(shù)前面加上“＊”號。如圖2所示，輸入*AC1指定AC1是一個指針，MOVW指令決定了指針指向的是一個字長的數(shù)據(jù)。在本例中，存儲在VB200和VB201中的數(shù)值被移動到累加器AC0中。
圖表 2
目前面臨的問題：
（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？是否應(yīng)該按工件號對數(shù)據(jù)進行存儲？
（3）數(shù)據(jù)該如何調(diào)用？可否采用間接尋址？
3、目前需要解決的問題
（1）如何實現(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)實際情況和購買情況決定。
（2）教學設(shè)備相關(guān)定義（限位圓點定義）
解決方案：用萬用表測每個管腳電壓，逐步定義每個管腳號（根據(jù)左右極限時是否有電壓即可判斷左右極限位）注：每個軸的左右限位有可能反，實驗時應(yīng)檢查。
4、重點難點
（1）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計，如何找零件；
（2）自動推料進給裝置的整體設(shè)計；
（3）控制界面的設(shè)計，如何在屏上顯示；
四、對進度的具體安排
1～3周，按照調(diào)研提綱完成調(diào)研，寫出調(diào)研報告；
4周，擬出設(shè)計方案，完成開題報告；
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；
８～10周，完成控制功能和界面詳細工程設(shè)計，準備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
11～12周，完成電氣和結(jié)構(gòu)圖紙的草圖設(shè)計；
13～14周，完成裝配圖的設(shè)計；
15～16周，撰寫設(shè)計說明書，準備答辯。
五、參考文獻
1、PLC編程及應(yīng)用；
2、S7-200用戶手冊；
3、BUILD 500用戶手冊；
4、PMAC手冊及網(wǎng)站；
5、siemens 網(wǎng)站；
6．E-VIEW網(wǎng)站。
指導教師： 年 月 日
督導教師： 年 月 日
領(lǐng)導小組審查意見：
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