1、摘 要I本科毕业论文（20 届）变截面汽车板簧轧机的控制系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要本 文 介 绍 了 变 截 面 汽 车 板 簧 轧 机 控 制 系 统 的 组 成 原 理 与 控 制 要 求 ， 采 用了 电 液 伺 服 控 制 技 术 ， 选 用 PLC作 为 控 制 器 ， 按 照 给 定 的 控 制 曲 线 ， 以 闭 环的 形 式 控 制 轧 辊 的 压 下 量 ， 从 而 生 产 出 满 足 工 艺 要 求 的 板 簧 。该 轧 机 具 有 自 动 和 手 动 两 种 工 作 方 式 。 在 自 动 方 式
2、 下 ， 由 安 装 在 拉 拔 一侧 的 旋 转 编 码 器 检 测 并 确 定 板 簧 位 置 ， 调 用 通 过 参 数 设 置 保 存 在 PLC存 储 器中 的 对 应 的 压 下 量 ， 轧 机 根 据 该 压 下 量 对 板 簧 进 行 轧 制 ， 通 过 1 3次 轧 制 ，轧 制 出 符 合 要 求 的 变 截 面 板 簧 。 轧 制 过 程 中 ， 使 用 PLC内 置 的 PID控 制 器 实现 对 轧 制 厚 度 的 闭 环 控 制 ， 使 轧 制 精 度 进 一 步 提 高 。 手 动 方 式 下 可 对 轧 机 进行 相 应 调 整 。根 据 板 簧 轧 机 控 制
3、 系 统 的 组 成 ， 选 择 电 液 伺 服 阀 、 液 压 缸 、 位 置 传 感 器和 PLC。 该 控 制 系 统 集 机 械 、 液 压 和 计 算 机 控 制 技 术 于 一 体 ， 响 应 速 度 快 ，轧 制 精 度 高 ， 信 号 处 理 灵 活 ， 自 动 化 程 度 较 高 ， 具 有 很 好 的 应 用 前 景 和 经 济效 益 。关键词：板 簧 轧 机 ,控 制 系 统 ,PLC,PIDAbstractIIIAbstractThis paper introduced variable cross-section mill control system vehicle
4、s banhuang I the composing principle and control requirements, the electric hydraulic servo control technology, choose PLC as controller, according to the given control curve to the form of the closed-loop control roll of reduction, which produce the banhuang I meet the technological requirements. T
5、his mill possesses automatic and manual two way to work. In automatic mode, by installing in drawing side of the rotary encoder and determine leaf-spring position detection in parameter Settings mediator, invoked the corresponding existing PLC memory of reduction, according to the press-down quantit
6、y of rolling mill of rolling, through on leaf-spring 1 3 times rolling, rolling out to meet the requirements of variable cross-section leaf-spring. Rolling process, USES PLC built-in PID controller to achieve the thickness of the closed-loop control, rolling rolling precision further improve to. Man
7、ual mode can adjust on the mill. According to the composition of the mill control system banhuang I choose hydraulic servo valves, electric and hydraulic cylinder, position sensor and PLC. The control system integrating machine, hydraulic and computer control technology in an organic whole, fast res
8、ponse time, high precision of rolling, signal processing flexible, automation degree is higher, has the very good application prospect and economic benefits. Keywords: leaf-spring mill, control system, PLC, PID 目 录IV目 录摘 要 . IABSTRACT. II目 录 . III第一章 引 言 . 11.1 课题的背景和意义 . 11.2 调研情况 . 11.3 设计任务 . 2第二
9、章 变截面板簧轧机控制系统总体方案的设计 . 42.1 汽车板簧的概述 . 42.2 控制方案的确定 . 42.2.1 电 机 伺 服 控 制 与 液 压 伺 服 控 制 的 比 较 . 52.2.2 PLC 控 制 与 继 电 器 -接 触 器 控 制 的 比 较 . 72.3 板簧轧机控制系统的组成及原理 . 82.3.1 板 簧 轧 机 的 主 要 组 成 部 分 . 82.3.2 板 簧 轧 机 的 工 艺 流 程 及 原 理 . 9第三章 控制系统的硬件设计 . 113.1 液压缸的选型 . 113.1.1 液 压 缸 的 结 构 . 113.1.2 液 压 缸 的 基 本 参 数
10、和 选 用 . 113.2 电液伺服阀的选型 . 133.3 位置传感器的选型 . 153.4 轧辊的选择 . 163.5 可编程控制器的选型 . 163.5.1 PLC 的 选 型 . 163.5.2 PLC 的 输 入 输 出 地 址 分 配 表 . 173.6 PLC 接线原理图 . 19目 录V第四章 板簧轧机 PLC 控制程序设计 . 214.1 主程序设计 . 214.2 参数设定子程序 . 234.3 轧机曲线的求取子程序 . 254.3.1 轧 制 量 的 计 算 . 254.3.2 斜 线 的 求 取 . 254.3.3 抛 物 线 的 求 取 . 284.4 高速计数器编程
11、 . 294.4.1 拉 拔 方 向 的 高 速 计 数 器 编 程 . 304.4.2 厚 度 检 测 的 高 速 计 数 器 编 程 . 314.5 PID 运算 . 314.6 手动子程序设计 . 324.7 自动子程序设计 . 32结 论 . 34参考文献 . 35致 谢 . 36第一章 引言- 1 -第一章 引言1.1 课题的背景和意义我 国 钢 板 弹 簧 的 生 产 技 术 相 对 落 后 ， 在 过 去 的 一 段 时 间 内 板 簧 的 需 求 较少 ， 且 制 造 规 格 单 一 ， 钢 板 弹 簧 在 国 内 的 生 产 标 准 一 直 是 恒 定 的 部 分 ， 制造
12、工 艺 简 单 。 上 世 纪 70年 代 末 ， 国 外 一 些 关 键 的 工 序 设 备 被 引 入 到 国 内 的一 些 工 厂 。 这 些 设 备 具 有 很 高 的 精 度 和 生 产 效 率 ， 但 由 于 施 工 的 复 杂 性 和 高昂 的 价 格 使 得 难 以 维 持 。 并 且 适 用 这 些 设 备 也 有 一 些 特 殊 的 条 件 ， 使 得 国内 许 多 企 业 难 以 接 受 。 我 们 自 主 研 发 的 电 液 伺 服 变 截 面 板 簧 轧 机 具 有 价 格 低 ，生 产 率 高 ， 结 构 简 单 ， 维 护 费 用 低 ， 运 行 更 加 稳 定
13、等 优 点 。 该 轧 机 具 有 广泛 的 应 用 范 围 和 广 阔 的 市 场 前 景 。钢 板 弹 簧 是 汽 车 悬 架 系 统 的 不 可 或 缺 的 组 成 部 分 ， 起 着 传 递 、 缓 冲 车 架和 车 轮 间 一 切 力 和 力 矩 的 作 用 。 钢 板 弹 簧 性 能 优 劣 ， 直 接 影 响 到 汽 车 行 驶 的平 稳 性 ， 操 纵 的 稳 定 性 以 及 承 载 能 力 。 变 截 面 的 钢 板 弹 簧 具 有 截 面 等 应 力 结构 特 征 和 节 省 材 料 、 增 长 寿 命 、 改 善 汽 车 行 驶 平 稳 性 的 特 点 。 所 以 ， 研
14、 制 变截 面 板 簧 轧 机 具 有 很 好 的 经 济 和 社 会 效 益 。中 国 工 程 院 胡 正 寰 院 士 曾 说 过 ： 零 件 轧 制 是 冶 金 轧 制 的 创 新 领 域 ， 21世 纪 将 会 得 到 大 力 发 展 。1.2 调研情况变 截 面 轧 机 是 生 产 汽 车 变 截 面 板 簧 的 关 键 设 备 。 它 将 加 热 到 950 的 等截 面 弹 簧 钢 板 ， 通 过 拉 拔 机 构 拉 拔 及 转 动 的 轧 辊 压 缩 ， 从 而 使 其 横 断 面 按 设计 曲 线 而 改 变 。 国 内 生 产 的 汽 车 钢 板 弹 簧 有 多 片 簧 也
15、有 少 片 簧 ， 多 片 簧 应用 比 较 广 泛 。 钢 板 弹 簧 的 成 型 方 法 各 不 相 同 。变 截 面 板 簧 的 结 构 一 般 是 等 宽 ， 厚 度 随 宽 度 变 化 的 。 而 使 用 过 程 中 一 般要 求 变 截 面 板 簧 在 任 意 截 面 上 受 到 的 正 应 力 大 小 相 等 ， 所 以 变 截 面 板 簧 一 般第一章 引言- 2 -采 用 抛 物 线 形 状 作 为 其 变 截 面 的 形 状 ， 也 有 一 部 分 板 簧 采 用 锥 形 和 梯 形 变 截面 形 状 。目 前 国 内 钢 板 弹 簧 生 产 企 业 大 都 进 口 国 外
16、 生 产 的 板 簧 轧 机 ， 或 者 是 使 用一 些 仿 制 品 ， 或 者 是 采 用 一 些 比 较 简 易 的 轧 机 ， 如 英 国 西 尔 、 德 国 波 克 等公 司 的 部 分 产 品 。 相 比 国 内 轧 机 技 术 ， 国 外 轧 机 具 有 技 术 先 进 、 自 动 化 程 度和 轧 制 精 度 高 等 优 点 ， 但 是 其 结 构 复 杂 、 购 买 及 维 护 费 用 昂 贵 ， 不 能 有 效地 适 合 国 内 市 场 的 生 产 要 求 。 而 国 内 自 主 研 发 能 力 有 限 ， 目 前 生 产 的 板 簧 生产 设 备 能 够 满 足 轧 制
17、精 度 要 求 的 又 不 多 。 所 以 设 计 出 具 有 造 价 低 、 生 产 效 率高 、 结 构 紧 凑 、 运 行 可 靠 、 维 修 简 单 、 调 整 方 便 等 特 点 的 液 压 全 自 动 变 截 面板 簧 轧 机 显 得 尤 为 重 要 。1.3 设计任务1、 简 要 阐 述 板 簧 轧 机 的 工 艺 流 程 、 工 艺 特 点 及 其 组 成 原 理 。2、 进 行 控 制 方 案 的 比 较 ， 阐 述 所 选 控 制 方 案 的 理 由 。3、 合 理 选 择 PLC的 各 种 配 置 以 及 位 置 传 感 器 、 厚 度 传 感 器 、 比 例 伺 服 阀
18、 、液 压 缸 、 轧 辊 等 部 件 的 型 号 与 规 格 。4、 用 PLC实 现 ： 按 照 汽 车 板 簧 截 面 的 要 求 曲 线 ， 根 据 板 簧 的 位 置 自 动 确定 轧 制 厚 度 ， 并 能 实 现 1 3次 轧 制 ； 实 现 自 动 与 手 动 的 切 换 ； 当 发 生 紧 急 情况 时 ， 使 整 个 系 统 停 止 工 作 。5、 编 制 下 列 程 序 ：（ 1） 拉 料 系 统 高 速 计 数 部 分 ；（ 2） 轧 辊 辊 缝 间 隙 测 量 高 速 计 数 部 分 ；（ 3） D/A输 出 部 分 及 量 程 设 置 ；（ 4） 曲 线 参 数 的
19、 计 算 和 斜 线 的 求 取 ；（ 5） PID运 算 ；（ 6） 各 种 逻 辑 关 系 的 处 理 （ 主 程 序 ） 。第一章 引言- 3 -6、 绘 制 主 程 序 流 程 图 和 各 子 程 序 流 程 图 。7、 绘 制 控 制 系 统 原 理 图 和 PLC接 线 原 理 图 。第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计- 4 -第二章 变截面板簧轧机控制系统总体方案的设计2.1 汽车板簧的概述汽 车 板 簧 是 汽 车 悬 架 系 统 的 一 个 重 要 工 作 部 件 ， 它 的 功 能 是 传 递 和 缓 冲车 轮 对 车 架 的 力 和 力 矩 。 其 性 能 的 好 坏
20、 直 接 影 响 运 行 稳 定 性 和 操 纵 稳 定 性 及承 载 能 力 。 钢 板 弹 簧 簧 片 有 等 截 面 和 变 截 面 结 构 之 分 ， 等 截 面 作 为 一 种 传 统的 结 构 形 式 ， 板 簧 间 接 触 紧 、 压 力 大 、 易 疲 劳 、 易 造 成 材 料 的 浪 费 。 变 截 面又 称 少 片 簧 ， 随 着 现 代 汽 车 业 的 迅 猛 发 展 ， 变 截 面 钢 板 弹 簧 由 于 具 有 等 应力 ， 自 重 轻 ， 节 省 材 料 ， 抗 疲 劳 等 优 点 ， 成 为 悬 架 系 统 优 先 选 择 之 一 。 目前 国 内 变 截 面
21、板 簧 的 生 产 大 部 分 采 用 折 现 形 状 ， 代 替 了 抛 物 线 形 状 ， 且 采 用二 次 成 型 的 工 艺 加 工 而 成 。钢 板 弹 簧 的 结 构 形 式 是 等 宽 变 厚 结 构 ， 如 图 2-1 所 示 。 横 坐 标 数 值 是 钢板 弹 簧 的 长 度 ， 纵 坐 标 是 它 的 厚 度 。 一 方 面 钢 板 弹 簧 沿 X 方 向 运 动 ， 另 一方 面 轧 辊 沿 Y 方 向 运 动 。2.2 控制方案的确定变 截 面 汽 车 板 簧 轧 机 控 制 系 统 通 常 采 用 电 机 伺 服 控 制 和 液 压 伺 服 控 制 ，因 控 制 方
22、 式 的 不 同 ， 各 有 其 利 弊 。图 2-1 钢板弹簧的结构形式第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计- 5 -2.2.1 电机伺服控制与液压伺服控制的比较随 着 当 代 电 子 技 术 迅 猛 发 展 ， 电 气 传 动 控 制 系 统 得 到 广 泛 应 用 。 电 气 传动 具 有 其 自 身 的 优 点 ， 能 量 传 递 方 便 、 信 号 传 递 迅 速 、 标 准 化 程 度 高 。 然 而电 机 容 易 受 到 外 在 环 境 的 影 响 ， 如 温 度 、 湿 度 、 震 动 、 腐 蚀 环 境 等 。 而 且 电气 元 件 容 易 受 到 磁 通 密 度 饱 和
23、现 象 的 限 制 ， 在 运 用 电 气 传 动 时 往 往 会 感 到 容量 不 足 ， 因 而 在 实 现 低 速 运 行 和 无 级 调 速 时 会 产 生 一 定 的 困 难 。伺 服 电 动 机 又 名 执 行 电 动 机 ， 分 为 直 流 伺 服 电 动 机 和 交 流 伺 服 电 动 机 。在 电 机 伺 服 控 制 系 统 中 ， 可 作 为 执 行 元 件 ， 将 接 收 到 的 电 信 号 转 换 为 电 动 机轴 上 的 角 位 移 或 是 角 速 度 输 出 。液 压 系 统 根 据 控 制 方 式 和 工 作 特 性 的 区 别 ， 可 分 为 液 压 伺 服 系
24、 统 和 液 压传 动 系 统 。 液 压 伺 服 系 统 多 为 闭 环 控 制 ， 采 用 伺 服 阀 等 控 制 阀 ， 以 传 递 信 息为 主 ， 传 递 动 力 为 辅 ， 追 求 控 制 特 性 ； 液 压 传 动 系 统 多 为 开 环 控 制 ， 以 传 递动 力 为 主 ， 传 递 信 息 为 辅 ， 追 求 传 动 特 性 。 液 压 伺 服 系 统 中 加 入 了 检 测 反 馈元 件 ， 采 用 闭 环 反 馈 控 制 ， 可 以 形 成 比 较 精 确 的 控 制 系 统 ， 因 而 其 控 制 质 量受 工 作 条 件 变 化 的 影 响 比 较 小 。 然 而
25、， 液 压 传 动 系 统 的 工 作 特 性 由 各 组 成 液压 元 件 的 特 性 和 它 们 的 相 互 作 用 来 确 定 ， 其 控 制 质 量 受 工 作 条 件 变 化 的 影 响比 较 大 。液 压 伺 服 控 制 是 一 种 借 助 液 体 传 动 动 力 及 信 息 的 自 动 控 制 系 统 ， 是 建 立在 液 压 传 动 和 自 动 控 制 原 理 基 础 上 的 。 随 着 当 代 各 部 门 、 各 领 域 对 液 压 伺 服控 制 系 统 的 需 求 不 断 扩 大 ， 特 别 是 对 高 响 应 、 高 精 度 、 高 功 率 质 量 比 和大 功 率 的
26、要 求 ， 促 使 液 压 伺 服 控 制 技 术 迅 速 发 展 ， 尤 其 是 反 馈 控 制 技 术 在 液压 装 置 中 的 应 用 ， 电 子 技 术 和 液 压 技 术 的 结 合 ， 使 液 压 伺 服 控 制 得 到 日 趋 完善 和 成 熟 。液 压 伺 服 控 制 系 统 的 组 成 如 图 2-2 所 示 。输 入 元 件 ： 又 称 指 令 元 件 ， 发 出 控 制 信 号 ， 且 与 反 馈 信 号 具 有 相 同 的 形式 和 量 纲 。 比 较 元 件 ： 比 较 控 制 信 号 与 反 馈 信 号 。 比 较 元 件 与 输 入 元 件 ， 放大 、 转 换 控 制 元 件 及 检 测 元 件 在 一 起 ， 由 一 个 结 构 元 件 表 示 。 放 大 、 转 换 、
