1、本科毕业论文（20届）伺服油压切断机伺服控制系统设计所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要切断机，可以较简单直观的定义为切割、分离材料的一种工具。在工业不断发展的今天，为了更快更精确以及更有效率地加工材料，很多简单有使用的中小型机器应运而生，切断机就是其中一种。切断机的应用非常广泛，钢筋、压型钢板、石材等很多建材都需要用到。根据加工材料的不同，切割机又有很多类型，如槽钢切断机，纤维切断机，钢筋切断机，调直钢筋切断机，顶针切断机等。传统切割机大多数较为简单，很多还是采用手工操作，也没有什么控制系统，或只是较为简单的单片机控制，操作精度不高，操作环境单
2、一。故研究切断机的控制系统，设计出优化的控制系统，将有利于切断机的发展和应用。本文综合参考现有的上述一些切断机以及伺服油压切断机的相关资料，阐述了伺服油压切断机的研究历史、现状、应用特点和优势，进行了伺服控制系统的设计，在此基础上，优化伺服油压切断机的各项机械功能。关键词切断机；伺服控制系统；电气设计；PLC编程。IIABSTRACTCUTTINGMACHINE,CANBEDEFINEDASASIMPLEANDINTUITIVETOOLFORCUTTINGANDSEPARATIONOFMATERIALSGROWINGINTHEINDUSTRYTODAY,FORFASTER,MOREACCURA
3、TEANDMOREEFFICIENTPROCESSINGOFMATERIALS,MANYSIMPLEANDUSEFULBUTSMALLANDMEDIUMMACHINESCAMEINTOBEING,CUTTINGMACHINEISONEOFTHEMCUTTINGMACHINEISWIDELYUSED,STEEL,STEELPLATE,STONE,ANDMANYOTHERMATERIALSARENECESSARYFORPROCESSINGACCORDINGTOTHEPROCESSINGOFDIFFERENTMATERIALS,THEREAREMANYTYPESOFCUTTINGMACHINE,SU
4、CHASCHANNELCUTTINGMACHINE,FIBERCUTTINGMACHINE,STEELCUTTINGMACHINE,STRAIGHTSTEELCUTTINGMACHINE,THIMBLECUTTINGMACHINEANDSOONMOSTOFTHETRADITIONALCUTTINGMACHINEISRELATIVELYSIMPLE,MANYSTILLUSEMANUALOPERATION,THEREISNOCONTROLSYSTEM,ORJUSTRELATIVELYSIMPLEMCUCONTROL,OPERATIONACCURACYISNOTHIGH,THEOPERATINGEN
5、VIRONMENTISSINGLETHEREFORE,THECONTROLSYSTEMOFCUTTINGMACHINE,OPTIMALCONTROLSYSTEMDESIGNWILLBECONDUCIVETOTHEDEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFCUTTINGMACHINETHISCOMPREHENSIVEREFERENCEAVAILABLESOMEOFTHESEHYDRAULICCUTTINGMACHINEANDCUTTINGMACHINESERVORELATEDINFORMATIONSERVOHYDRAULICCUTTINGMACHINEDESCRIBEDINTHEST
6、UDYOFHISTORY,STATUS,APPLICATIONCHARACTERISTICSANDADVANTAGESOFTHESERVOCONTROLSYSTEMDESIGN,ONTHISBASIS,THEOPTIMIZATIONOFTHESERVOHYDRAULICCUTTINGMACHINEMECHANICALFUNCTIONKEYWORDSCUTTINGMACHINE；SERVOCONTROLSYSTEM；ELECTRICALDESIGN；PLCPROGRAMMINGIII目录摘要I目录III1绪论111切断机的应用112切断机的现状213本文所做的工作及论文安排32系统工作原理521
7、伺服控制系统原理522伺服控制系统电路原理63系统硬件设计831伺服电机的设计8311伺服电机工作原理8312与步进电机的性能比较9313电机的设计计算1032传感器设计1333控制器设计144系统软件设计1741PLC简介和选择17411PLC简介17412PLC的工作原理17413PLC选择1842程序设计195总结与展望2651总结2652展望26参考文献27致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。11绪论11切断机的应用切断机，可以较简单直观的定义为切割、分离材料的一种工具。在工业不断发展的今天，为了更快更精确以及更有效率地加工材料，很多简单有使用的中小型机器应运而生，切断机就是其中一
8、种。而根据加工材料的不同，切割机又有很多类型，如槽钢切断机，纤维切断机，钢筋切断机，调直钢筋切断机，顶针切断机等。而根据控制类型来看，目前的切断机主要分为两种，一种是传统的控制方法，基本采用人工控制或简单的机电控制或单片机等控制等，尤其是在测量上更是如此，但人工操作误差很大，而且效率不高，如传统的软尺人工测量切断方法，误差大能作到的精度仅为L0M左右、效率低1；另一种则充分利用当今信息科学与机械设计的结合发展趋势，采用PC技术，即用电脑与机械部分相结合，可实现数字式精确循环控制。槽钢切断机采用板式结构，具有结构紧凑、使用方便、噪声低、效率高、使用寿命长等特点。适用于槽钢、角钢、工字钢、方钢等多
9、种型材的下料和对角钢等的冲孔和开口加工。是现代机械制造业如冶金、矿山、桥梁、电力、通讯、输送等机械制造业的理想设备之一。纤维切断机（FIBERCUTTER）又名玻璃纤维切断机、化纤纤维切断机等等，根据不同的用途给予不同称呼，是一种应用范围非常广泛的通用切断设备，它可以将多种不同类别的原料按照不同的要求进行切断处理，达到对物料的需求。它可以分为旋转滚刀式纤维切断机、铡刀式切断机、平行刀片式切断机等。其结构如下图11图11纤维切断机2钢筋切断机是切断钢筋所使用的一种工具，一般有全自动钢筋切断机和半自动钢筋切断机之分。它是钢筋加工必不可少的设备之一，它主要用于在房屋建筑、桥梁、隧道、等工程中对钢筋的
10、定长切断。钢筋切断机与其它切断设备相比，具有重量轻、耗能少、工作可靠、效率高等特点15。下图为一便携式钢筋切断机图12便携式钢筋切断机调直钢筋切断机是钢筋切断机之一，如图13所示。用于调直和切断直径14毫米以下的钢筋。设备由调直筒，牵行机构，切断机构，钢筋定长架、机架和驱动装置等组成。其工作原理如图所示，由电动机通过皮带传动带动调直筒高速旋转，使穿过调直筒的钢筋被调直；由电动机通过另一对减速皮带传动和齿轮减速箱，一方面驱动两个传送压辊，牵引钢筋向前运动，另一方面带动曲柄轮，使锤头上下运动。当钢筋调直到预定长度时，锤头锤击上刀架，将钢筋切断，切断的钢筋落入受料架时，由于弹簧作用，刀台又回到原位，
11、完成一个循环6。图13钢筋调直切断机12切断机的现状由于普通切断机技术含量低、易仿造、利润不高等原因，对于切断机的研究，国内一直停留在较低的层次，主要原因是国内机械化程度不高，很多工作环境都以人工操作3为主，自动化循环操作一般在比较精确高端的要求下才有。当然，切断机在国内的应用非常广泛，如钢筋切断机，纤维切断机，方坯连铸机等等，这些都有应用。但这些机器的整体机械性能并不是很高，无论是测量元件还是控制器以及动力装置，都停留在比较落后的层面。如就钢筋切断机来说，国内的机器就显得比较落后，如国内偏心距一般为17MM看似省料、齿轮结构偏小些，但给用户带来麻烦，不易管理因为在由切大料到切小料时，不是换刀
12、垫就是换刀片，有时还需要转换角度；国内切断机刀片设计不合理，单螺栓固定，刀片厚度够薄，40型和50型刀片厚度均为17MM；国内切断机每分钟切断次数少国内一般为2831次，国外要高出1520次，最高高出30次，工作效率较高14。13本文所做的工作及论文安排本文所做的工作主要包括，了解切断机的结构和工作原理，研究伺服油压切断机的结构和工作原理，伺服油压切断机的实用性和合理性，伺服油压切断机的伺服控制系统的组成，包括液压系统，电气电路设计，以及系统的软件构成。拟解决的主要问题包括，对伺服油压切断机伺服控制系统的整体规划，包括液压系统的设计，电气电路的设计，PLC软件编程等。据此，本论文作如下安排全文
13、共分为五个章节，第一章为概述部分，主要介绍研究对象伺服油压切断机的结构和工作原理以及其研究背景和现状；第二章研究伺服控制系统的控制原理，根据切断机的工作流程设计出电路图，并加以讲解；第三章为本文的重点，主要进行伺服油压切断机的伺服控制系统中硬件的设计，这包括液压系统中液压泵与液压缸的选择，电气系统中伺服电机、传感器、伺服放大器，以及相序保护器以及熔断器等电路元件的选择；第四章内容就是对伺服控制系统软件的设计，主要是讲述和解释所编的PLC程序和系统的工作流程；第五章为总结展望，总结此论文研究的情况和结果，并论述伺服油压切断机的发展趋势，尤其是伺服控制系统的发展趋势。452系统工作原理21伺服控制
14、系统原理伺服控制系统，也称为随动系统，是自动控制系统中的一种，它可控制被控制对象能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。伺服控制系统是一种反馈控制系统，它不断检测在各种扰动作用下被控对象输出量的变化，与指令值进行比较，并用两者的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被控对象始终跟踪输入的指令值。伺服控制系统的控制方式有三种开环控制，闭环控制以及开环与闭环的组合控制方式，简称复合控制。开环伺服系统没有速度及位置检测元件，伺服系统发出的指令脉冲，经驱动电路放大后，送给步进电机或电液脉冲马达，再经传动机构，最终转换成为控制对象的移动。在闭环伺服系统中，速度、位移测量元件不断地控制对象的运动
15、状态。闭环伺服控制系统的输出量不仅受输入量的控制，还受反馈信号的控制。输出量与输入量之间既有前向作用，又有反向联系，故称其为闭环控制或反馈控制。对本文的伺服油压切断机来说，伺服控制系统所控制的对象为切割工作台。它需要控制切割工作台在导轨上直线运动，并在规定的材料长度上，控制刀具对材料进行截面切割。故最终采用闭环控制形式7,9。其结构方框图21如下图21伺服控制系统原理方框图622伺服控制系统电路原理伺服油压切断机的工作原理并不复杂，它的工作对象是经过一系列滚压成型的合金材料，目的是加工成一段一段长度相等的材料，也就是在合适的位置对材料进行切割。它的的工作流程如下当卷装合金在加工行进过程中，光电
16、编码器讲计算设定合金行进的长度，当达到一定长度时，PLC控制电动机运行，使得切割装置开始运作，先是使装置加速达到材料行进速度，当装置正好与材料行进速度相同时，切口也正好到达要求的定长处，伺服电机执行命令，利用液压装置开始切割，随后装置减速到达的定点停止并开始返回到初始位置，这是一个循环过程。图22是整个系统的主电路图图22伺服控制系统电路图如上图，输入电流为380V交流电，用55KW油泵电机控制切割装置在收到切割信号时进行定点截面切割，用变频伺服电机控制整个切割装置的在生产线上的直线运动，而整个过程则由可编程控制器（PLC）发出各种信号指令来控制。7电路图中，各电器元件选择如下（1）电源引入开
17、关QSQS主要作为电源隔离开关，并不用它直接控制电机，由电机额定电流选择。本电路中选用的型号为ABS33B30/3，额定电流为30A，三级组合开关。（2）热继电器FR1热继电器的作用是主要用来对异步电动机进行过载保护，它是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。本电路中FR1是为了保护油泵电机MI,选择型号为GTH22/1218A,其额定电压为380V，整定电流为1222A，额定电流为18A。3相序保护器相序保护器是一种自动相序判别的保护继电器，保证一些特殊机电设备因为电源相序接反后倒转而导致事故或设
18、备损坏。本文选择XJ5型相序保护器，XJ系列断相与相序保护继电器，在三相交流电动机控制电路中作断相保护及不可逆转传动设备中作相序保护，性能可靠，适用范围广、使用方便。其技术特征为额定工作电源电压AC380V；电寿命10104次；机械寿命100104次；触点容量AC380V3A；三相不平衡率10；功耗3W。4接触器KM1、KM2接触器KM1是根据油泵电机M1来确定的，根据油泵电机额定电流IN18A,控制回路电压380V，需主接触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对，选用GMC18型接触器，电磁线圈电压380V。由于主伺服电机功率较低，额定电流较小，故接触器KM2选用GMC9型继电器。5熔断
19、器熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和短路电流的损害，主要用于高压输电线路、电压变压器、电压互感器等电器设备的过载和短路保护。本电路中FU1、FU2是对变压器的保护。（6）控制变压器本电路中控制电压为AC220V，故选用BK300VA的控制变压器，输入为AC380V,输出为AC220V。83系统硬件设计伺服控制系统设计的主体分为伺服硬件设计和软件设计，对于伺服硬件设计，本文需要设计的有执行元件交流伺服电机，传感器即测量元件光电编码器，还有控制器即伺服放大器10。31伺服电机的设计伺服电动机又称执行电动机，在伺服控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移
20、或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类。311伺服电机工作原理（1）伺服电机主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲所对应的角度，从而实现位移。因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出相应数量的脉冲。这样，和伺服电机所接受的脉冲形成了呼应，也叫闭环，这样系统检测发出多少脉冲给伺服电机，同时又收多少脉冲回来，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，其精度可以达到0001MM。下图为一伺服电机图片图31伺服电机直流伺服电机分为有刷和无刷两种类型。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，维护方便（主要换碳刷），产生
21、电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。其控制比较复杂，且容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机无需维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，工作寿命很长，可用于各种环境。9（2）交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，惯量大，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低转速。因而适合用于低速平稳运行。（3）伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的
22、编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度。在本文设计的控制系统中，由于控制要求比较复杂，电机控制的工作台运动线多，且精度要求很高，所以电机采用的是交流伺服电机。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，其转子电阻很大且转动惯量小。由于交流伺服电动机转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单相异步电动机相比，有三个显著特点1、起动转矩大由于转子电阻大，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有
23、起动快、灵敏度高的特点。2、运行范围较广3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以一般适用于05100W的小功率控制系统7,10。312与步进电机的性能比较步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。（1）控制精度
24、不同两相混合式步进电机步距角一般为18、09，五相混合式步进电机步距角一般为072、036。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。10（2低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。3矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一
25、般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4）过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。（5）运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。（6）速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。
26、交流伺服系统的加速性能比其要好，一般情况下只需几百毫秒7。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。所以本控制系统选用交流伺服电机。313电机的设计计算对伺服电机计算时，现根据系统要求选出电机型号，然后还要对电机参数进行校核，看其是否符合系统的要求，以下为校核内容1）电机的最高转速当工作台快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。3MAXN10NOMHVUNP式中，NOMN为电机的额定转速（RPM）；N为快速行程时电机的转速（RPM）；MAXV为工作台直线运行速度（M/MIN）；U为系统传动比，UN电机/N丝杠；HP为丝杠导程（MM）。112）惯量匹配问题及及计算负载惯量为了
27、保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求，负载惯量LJ应限制在25倍电机惯量MJ之内，即LJ25MJ。22J11MNJJLJJJVJJM式中，JJ为各转动件的转动惯量，2KGM；J为各转动件角速度，RAD/MIN；JM为各移动件的质量，KG；JV为各移动件的速度，M/MIN；为伺服电机的角速度，RAD/MIN。3）空载加速转矩空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80以内。MAXMAX28060LMFAACNJJTTTT式中，MAXAT为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩（MN）；MAXT为空载时加速转矩（MN）；FT为
28、快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩（MN）；ACT为快速行程时加减速时间常数（MS）。4）连续过载时间连续过载时间TOM应限制在电机规定过载时间MOMT之内。11控制系统中，要求伺服电机控制切割装置在水平导轨上运动，实现快进、快退、暂停等功能，采用的是多轴传动形式。选择伺服电机时，需要知道减速装置的形式、传动比I、传动效率和传动装置的等效转动惯量JP。对控制系统，我们估算工作台摩擦力矩1T180MN，转动惯量LJ93002MKG,最大跟踪角速度SM/480，最大跟踪角加速度2/090SM，系统最大跟踪误差10ME，最大调转加加速度2LIM/12S，由此可计算根据要求，伺服电机的额定输出功率MM
29、LCNOMJTP2，则带入公式可得WPNOM397648009093001802,由此，选择三菱公司的伺服电机HFSE102，AIVURNWPNOMNOMNOMNOM35,220MIN,/2000,1000,MNTNOM774，再进一步估算电机的其他参数电机自身转动惯量051089559NTTJBLMR3107512MKG，12而由MIN/2000RNNOM可得传动装置的传动比436MNOMNI，传动装置采用滚珠丝杠传动，其传动效率02011HD083。减速装置折算到电机轴上的等效转矩RPJJ10。下面进行校核1）最大移动速度（V）传动比为U，工作台快速行进时MIN/15MAXMV，则电机的旋
30、转速度MIN/2000MIN/17861000MAXRNRPUVNNOMK，故符合要求；2）对电机轴换算的负载惯性矩（LJ）假定丝杠（1J）、20长度为500MM。421143242P32100010007851050020132100010000610DLJGLKGM，假定可动部分（2J）输送重量100KG。22222421210001101001/1210002510BPJWGLKGM，故LJ423110KGM，结果可得，LJRJ3，故此部分也能满足设计要求。3）对电机换算的负载转矩（LT）输送重量100KG、摩擦系数（U）01、机械效率（）083，则MNTMNTTJJNTAACFML44
31、118074602MAXMAX，由此可得，电机满足设计要求。总结可得，伺服电机HFSE102满足控制系统设计的要求，故最终选用HFSE102型电机。1332传感器设计在伺服控制系统中，需要对伺服电机的绕组电流及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、速度环和位置环，因此需要相应的传感器及其信号变换电路。对本控制系统，传感器要将材料行进的长度和速度检测发出脉冲信号反馈给伺服电机，以控制电机驱动工作台前进后退，以及切割装置对材料进行冲切进或冲切退。由于精度要求高，传感器需不断检测控制对象的运动状态，要采取位移检测和校正误差措施。对此，我选择了增量光电编码器。光电编码器，又称光电角位置传感器，是一种通
32、过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由轴系、光栅副、光源及光电接收元件组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图32光电编码器原理示意图根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其代码形成方式不同，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。增量式光电编码器的特点是每一个分辨率区间就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲
33、区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图33所示。码盘上刻有等距的透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源与光电检测器件之间的光线。当码盘随着被测转轴转动时，光线透过码盘和检测光栅上的缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形
34、如图34所示。14增量式光电编码器的优点是原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息，掉电后容易造成数据损失，且有误差累计现像10。图33增量式光电编码器的组成图34增量式光电编码器的输出波形图33控制器设计伺服放大器也叫伺服驱动器，是用来控制伺服电机的一种控制器。主要应用于高精度的定位系统。在交流电机伺服控制系统中，控制器的设计直接影响着伺服电机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个系统的功能。三菱通用AC伺服MRE系列是三菱公司在MR12SUPER系列的基础上开发的，爆出了高性
35、能但是限定了功能的AC伺服系列。其控制模式有位置控制和速度控制两种，而且能够切换位置控制和速度控制进行运行。因此它适用于加工机床和一般加工设备的高密度定位和平稳的速度控制为主的范围宽广的各种领域。另外，因为它具有RS232C串行通信功能，可使用安装了伺服设置软件的个人电脑进行参数设置，测试运行，状态显示和增益调整等，本文就是与PLC相结合进行综合控制。15它装载有实时自动调谐功能，能机械的按伺服增益进行自动调整。MRE系列的伺服电机的编码器采用10000脉冲/转分辨率的增量位置编码器，可进行高密度定位。根据本文设计的伺服控制系统，与伺服电机所对应的伺服驱动器选择三菱MRE100A型号。其保护功
36、能有过电流断路，再生过电压断路，过负载断路（电子热敏），编码器出错保护，再生制动器出错保护，欠电压、瞬时失电保护，过速保护。以下为伺服驱动器的伺服接线图34伺服驱动器外部接线16图35伺服放大器接线174系统软件设计41PLC简介和选择411PLC简介本文所设计的伺服控制系统，采用的控制软件是PLC也就是可编程控制器，选择了日本三菱公司的FX1N型的PLC。主要是因为PLC稳定性好，广泛应用于工厂车间、城市供水、污水处理等环境恶劣地方；PLC的软件全部需要重新开发编程，灵活性高，对于某些特殊功能或控制工艺很复杂的系统，可轻松实现3,13。可编程控制器（PLC）一种用于工业环境的数字式电子系统。
37、这种系统用可编程控制器的存储器作面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如逻辑、顺序、定时、记数、运算等，通过数字或模拟的输入、输出，控制各种类型的机械或过程，可编程控制器及其外围设备的设计，使它能够非常方便地集成到工业控制系统中，并能很容易地达到人们所期望的目标，可简称为PLC或可编2。412PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/
38、O映象区中的相应得单元内。如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序梯形图。排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到其线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。3输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路
39、，再经输出电路驱动相应的外设12。18413PLC选择通过对比，本文的控制系统最终选择三菱PLC中的FX1N40MT型号的PLC，之所以选择三菱PLC，是因为三菱PLC具有以下特点结构灵活；传输质量高、速度快、带宽稳定；范围广；低成本；适用面广。而FX1N型PLC是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。所以最终选择FX1N40MT型PLC。伺服油压切断机的切割流程如图41所示，位置检测器和速度检测器均采用增量式光电编码器，首先光电编码器设定材料长度和速度脉冲数，以确定伺服电机的启动时间及转速，当材料
40、行进达到电机启动长度时，电机启动，伺服控制工作台前进，并逐渐加速使其速度与材料行进速度相等；当材料行进到其切割长度时，工作台开始切割；切割完毕，刀具退回，工作台继续前进；当工作台行进将到极限位置时，电机减速停止正好到达极限位置，随后电机反转，工作台退回到初始位置，如此循环5,7。19图41伺服控制系统流程图42程序设计根据伺服控制系统设定的工作台操作流程，编写以下程序以实现系统的控制功能。以下分段对程序进行讲解20PLC开始运行，开始监控，按下手动/自动按钮，一切就绪，光电编码器计数脉冲C236恢复零，并开始发出脉冲信号，进行材料长度累计，而伺服电机也开始恢复到前进置位。本段程序是脉冲计算，首
41、先进行脉冲传送，SPD为速度检测指令，即每1000MS传送一次脉冲信号，然后电机检测脉冲数，并设定电机速度D8D166，当实际测得的脉冲数与产品所需要的脉冲数相等时，即材料行进时，其长度达到须切割的长度时，电机开始前进置位。进行产品所需脉冲数计算，如上图程序，D150为产品所设置的长度，将它经过简单计算转化为光电编码器需要发出的脉冲数D200。同样，产品的实时脉冲数也对应着产品在行进中的实际长度。21这段程序设计的是工作台手动动作前进或后退时电机的速度。手动动作前进时，电机速度D70D23010001000/314,其中，D230为手动时台进速度；同理，工作台后退时，电机速度D100D1851
42、0001000/314,其中D185为手动时台退速度。而且台退时设置了工作台退缓冲速度。在确定了电机转速，脉冲输出数之后，我们开始了，首先一切要回原位置，M10全原位开启，电机伺服驱动发出信号，急停和伺服异常准备好以备不测，电机开始转动。22本段程序执行从MC到MCR之间的指令，控制切割工作台在接收到光电编码器发出的脉冲信号数已达到产品需要的脉冲数之后，开始进行加速并达到材料行进速度，此时，正好是材料需要切割点，在下一个程序段（其控制是与此程序段同步进行的），会控制刀具对材料进行切割。切割完毕后，刀具退回，同时工作台在前进到极限位置后开始后退，并回归原点，进行下一个切割循环。23本端程序是切割
43、控制，当系统控制工作台行进到材料设置长度出，刀具开始冲切进，采用截面切割方式，从上而下的将滚压材料切断，随后，刀具返回，并且在退回过程中由一个延时，之后工作台回退。24这段程序规定了控制系统对工作台各个工作的驱动，如上，当工作台前进开关关闭瞬间，下降沿微分指令PLF控制继电器M200运行，在其启动发出脉冲后，工作台开始前进，同理，工作台后退、刀具冲切进、刀具冲切退也是这样被驱动的。并在最后规定了回原位信号指令，包括刀具冲切回原位信号和工作台回原位信号。25最后一段程序则是规定了继电器输出与PLC输入和输出指令之间的对应关系，如上M208对应油泵电机启动（Y010），M205、M207分别表示冲
44、切进和冲切退，对应着PLC输出中的Y006和Y007其他的就不一一列举了，在下面附出继电器输出、PLC输入和输出图纸。265总结与展望51总结本文设计了伺服油压切断机的伺服控制系统，主要涉及电气设计和软件设计。其中，电气设计主要是根据油压切断机的控制系统对切割工作台的控制要求设计。伺服控制系统主要有伺服电机、传感器和控制器，因为输入电压直接是交流电压，所以，功率转换器这块没有进行设计。本伺服系统设计的重点和难点伺服硬件的选择和设计上，尤其是根据工作台行进速度以及定位要求，选择合理的伺服电机最为关键。而软件设计PLC编程则是根据系统的工作流程，用三菱可编程控制器的汇编语言编写而成，较为简单。52
45、展望随着工业的不断发展，切断机的的应用也必将越来越广泛，其操作要求必将越来越复杂，工作环境也许是非常恶劣，其控制系统的设计与研究肯定越来越高端化。首先其电路控制将越来越复杂化，硬件设计中，伺服电机的设计会随着伺服电机的发展而多样化，以实现更多的功能，如参数记忆化等，其他如传感器或功率转化器的设计也将使系统高性能化发展。而软件设计方面，随着切断机的发展，其伺服系统将来可能不光单方面的控制切断机实现单任务操作，未来可能会在实时性要求较高的场合也有应用，这时简单的PLC可编程控制器就显得不够用了，而且PLC的扫描速度也受到程序大小的限制，以后可能会用到具有多任务处理能力的PCC模型4,8。总之，切断
46、机将随着机械行业的不断发展而不断进步，其应用前景将非常可观。27参考文献1李兴旺，欧长劲PLC在定长控制中的应用J机电工程，1997（5）17182钟肇新，范建东，冯太和可编程控制器原理及应用M广州华南理工大学出版社，200812363胡良军，张劲松，岑晓春西门子PLC在拱墅区政府大楼中央空调控制系统中的应用J制冷空调与电力机械，2005（1）4344，514徐宝林一种大型注塑机控制系统的设计J现代塑料加工应用，2005（6）42455王洪斌，刘福才，牟德君PLC在钢筋定长切断控制系统中的应用J自动化仪表，2001（12）29306肖洪博，陈炜调直切断机定长自动控制系统的设计与应用J起重运输机
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