1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化伺服油压切断机伺服控制系统设计摘要切断机在现代材料加工中的应用非常广泛，像市场上的钢筋切断机、纤维切断机等，便宜实惠，简单实用。但在一些较为复杂的工作环境和较高的精读要求下，这些简单机械就难有用武之地。伺服控制系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。研究切断机的伺服控制系统，可以实现切断机的高效、精确、循环作业，在企业的生产中有莫大的作用。关键词切断机伺服控制系统光电编码器PLC控制1选题的背景与意义切断机，其较简单直观的定义为切割、分离材料的一种工具。因其所需切断的材料不同和应用特点的不同，又分为多种不同的切割机，如槽钢切断机，纤维切断机，钢
2、筋切断机，调直钢筋切断机，顶针切断机等。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。前段时间我随老师到北仑小港一家公司的车间，参观了他们公司关于卷装钢板的切割机装置，采用伺服电机和液压动力装置，PLC控制，可以精确、高效地循环操作。传统切割机一般采用人工操作，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L0MM左右、效率低1。故研究切断机的伺服控制系统，有助于提高生产效率、和精确度，而且可以实现循环操作，既节省能源，又节省劳力，确保稳定生产，对企业有极大作用。2研究的基本内容与拟解决的主要问题21研究的基本内
3、容1、阅读相关文献，掌握三菱PLC的工作原理和使用方法，掌握编程软件的使用；2、了解切断机的工作原理，控制过程；3、在掌握机械结构的基础上，设计控制系统，编写程序；4、撰写详尽的设计说明书，绘电路图等。222拟解决的主要问题1、伺服控制系统的组成元件、各部分的功能；2、找出影响控制系统精度及运行的不利因素。3、提高伺服控制系统的精度和简易程度的途径；3研究的方法与技术路线31研究方法通过查看文献资料，了解PLC在控制系统中的应用以及PLC的编程方法，认真研究控制系统的设计，如何做到精确测量、准确定位以及高效循环，使整个工作流程稳定、流畅。在PLC编程上下功夫。去工厂观察机器设备运行，找出各方面
4、影响系统运行的因素，综合确定控制系统的设计方案。32技术路线文献检索和阅读掌握伺服控制系统设计方法伺服控制系统整体方案设计误差分析软件编程绘图撰写说明书答辩4研究的总体安排与进度1、2011年1月前完成开题报告及文献综述；（56周）2、2011年3月完成课题的硬件设计；（56周）3、2011年4月完成课题的软件设计；（34周）4、2011年5月完善课题的硬件和软件，撰写设计说明书。（34周）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,1997,14（5）17182钟肇新,范建东，冯太和可编程控制器原理及应用J华南理工大学出版社，20083胡良军,张劲松,岑晓春西门子PLC在拱墅
5、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,2005,26（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,2005,17（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,2001，22（12）293036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起重运输机械,2006（12）23257王晓飞,付振贤方坯连铸机切割控制系统的设计J仪器仪表学报,2001（Z1）4554568李英波,邓莉辉,冯正进高速自动校直切断机控制系统设计J机电工程,2000,17（2）33359尼喜，尹光横向切断机自动控制系统的研制J电子
6、技术,200012272910IMELAMIN,ARALALIANDMASUHAILDIRECTLOADCONTROLUSINGAPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERJELECTRICPOWERSYSTEMSRESEARCH,1999，52（3）21121611KEVINJMCDERMOTTANDWENLONGALBERTYAODEVELOPINGAHYBRIDPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLATFORMFORAFLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEMJTHEINTERNATIONALJOURNALOFFLEXIBLEMANUFACTU
7、RINGSYSTEMS,199793673744毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化伺服油压切断机伺服控制系统设计1伺服油压切断机伺服控制系统设计的意义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。前段时间我随老师到北仑小港一家公司的车间，参观了他们公司关于卷装钢板的切割机装置，采用伺服电机和液压动力装置，PLC控制，可以精确、高效地循环操作。传统切割机一般采用人工操作，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。故研究切断机的伺服控制系统，有助于提高生产效率、和精确度，而且可以实现循环
8、操作，既节省能源，又节省劳力，确保稳定生产，对企业有极大作用。2伺服油压切断机伺服控制系统设计的研究现状21伺服油压切断机伺服控制系统的基本原理（1）系统的基本结构伺服油压切断机的伺服控制系统的基本构成是，以PLC为控制器，以光电编码器作为测量元件，以变频伺服电动机作为执行机构，共同组成一个自动循环定长切断系统。（2）结构分析PLC控制器即可编程控制器，目前，在中国市场上，欧洲的代表是西门子、日本的代表是三菱和欧姆龙、美国的代表是AB和GE。各大公司在中国均推出自己的从微型到大型的系列化产品2。在油压伺服切断机中用的正是三菱PLC，其优点是PLC稳定性好，广泛应用于工厂车间、城市供水、污水处理
9、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。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲5或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。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，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。以光电编码器作为测量元件，高效精确，完全没有传统方法的大误差。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确
10、。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，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，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达0001MM。（3）工作原理当卷装钢板在加工行进过程中，光电编码器讲计算钢板行进的长度，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
11、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。22国内外伺服油压切断机伺服控制系统设计的研究情况（1）国内的研究现状对于切断机的研究，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，
12、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，6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。（2）国外的研究现状国外由于机械化进程较早，所以在切断机的研究与制造上领先于中国。无论是在制造工艺上，还是在应用性能上，国外机器都很令人满意。国外切断机的优点（1）制造工艺精，切断机整体外观好，内部结构精确；（2）控制系统先进；（3）切断
13、精度高，工作效率高。23存在的问题通过以上文献对比，总结出伺服油压切断机伺服控制系统的设计中存在以下问题（1）国内目前关于伺服油压切断机的研究很少，切断机基本上还停留在较传统的基础上，测量元件、控制器以及执行元件都比较落后。（2）伺服控制系统中，最主要的是控制器，PLC的程序编写的好坏直接影响到切割精度与工作效率，但PLC控制器的扫描速度又受制于程序的大小。3伺服油压切断机伺服控制系统设计的发展趋势通过文献阅读和对国内外研究现状的分析和综合，我认为伺服油压切断机伺服控制系统的发展趋势如下1、随着材料的不断发展，以及机械化发展的进一步要求，切断机必然要面临工作环境更为复杂、精度要求更高等各方面的
14、情况，所以其控制系统既要能适应复杂环境下正常工作，又能在更精确的领域发挥作用，如速度很快且尺寸很小的材料切割等。2伺服油压切断机伺服控制系统设计中面临的主要问题是如何设计更好的控制系统。当遇到较为复杂的要求时，必须采用更为复杂的控制程序，但PLC控制系统扫描速度受制于程序大小4，故今后可能会采用更加优秀的控制器如可编程计算机控制器（PCC，以解决这一问题。参考文献71李兴旺,欧长劲PLC在定长控制中的应用J机电工程,1997,14（5）17182钟肇新,范建东，冯太和可编程控制器原理及应用J华南理工大学出版社，20083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
15、J制冷空调与电力机械,2005,26（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,2005,17（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,2001，22（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起重运输机械,2006（12）23257王晓飞,付振贤方坯连铸机切割控制系统的设计J仪器仪表学报,2001（Z1）4554568李英波,邓莉辉,冯正进高速自动校直切断机控制系统设计J机电工程,2000,17（2）33359尼喜，尹光横向切断机自动控制系统的研制J电子技术,200012272910IME
16、LAMIN,ARALALIANDMASUHAILDIRECTLOADCONTROLUSINGAPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERJELECTRICPOWERSYSTEMSRESEARCH,1999，52（3）21121611KEVINJMCDERMOTTANDWENLONGALBERTYAODEVELOPINGAHYBRIDPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLATFORMFORAFLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEMJTHEINTERNATIONALJOURNALOFFLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEMS,199793
17、673748本科毕业论文（20届）伺服油压切断机伺服控制系统设计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
18、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。ABSTRACTCUTTINGMACHINE,CANBEDEFINEDASASIMPLEANDINTUITIVETOOLFORCUTTINGANDSEPARATIONOFMATERIALSGROWINGINTHEINDUSTRYTODAY,FORFASTER,MOREACCURATEANDMOREEFFICIENTPROCESSINGOFMAT
19、ERIALS,MANYSIMPLEANDUSEFULBUTSMALLANDMEDIUMMACHINESCAMEINTOBEING,CUTTINGMACHINEISONEOFTHEMCUTTINGMACHINEISWIDELYUSED,STEEL,STEELPLATE,STONE,ANDMANYOTHERMATERIALSARENECESSARYFORPROCESSINGACCORDINGTOTHEPROCESSINGOFDIFFERENTMATERIALS,THEREAREMANYTYPESOFCUTTINGMACHINE,SUCHASCHANNELCUTTINGMACHINE,FIBERCU
20、TTINGMACHINE,STEELIICUTTINGMACHINE,STRAIGHTSTEELCUTTINGMACHINE,THIMBLECUTTINGMACHINEANDSOONMOSTOFTHETRADITIONALCUTTINGMACHINEISRELATIVELYSIMPLE,MANYSTILLUSEMANUALOPERATION,THEREISNOCONTROLSYSTEM,ORJUSTRELATIVELYSIMPLEMCUCONTROL,OPERATIONACCURACYISNOTHIGH,THEOPERATINGENVIRONMENTISSINGLETHEREFORE,THEC
21、ONTROLSYSTEMOFCUTTINGMACHINE,OPTIMALCONTROLSYSTEMDESIGNWILLBECONDUCIVETOTHEDEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFCUTTINGMACHINETHISCOMPREHENSIVEREFERENCEAVAILABLESOMEOFTHESEHYDRAULICCUTTINGMACHINEANDCUTTINGMACHINESERVORELATEDINFORMATIONSERVOHYDRAULICCUTTINGMACHINEDESCRIBEDINTHESTUDYOFHISTORY,STATUS,APPLICATION
22、CHARACTERISTICSANDADVANTAGESOFTHESERVOCONTROLSYSTEMDESIGN,ONTHISBASIS,THEOPTIMIZATIONOFTHESERVOHYDRAULICCUTTINGMACHINEMECHANICALFUNCTIONKEYWORDSCUTTINGMACHINE；SERVOCONTROLSYSTEM；ELECTRICALDESIGN；PLCPROGRAMMING目录摘要I目录II1绪论411切断机的应用412切断机的现状613本文所做的工作及论文安排62系统工作原理821伺服控制系统原理822伺服控制系统电路原理9III3系统硬件设计123
23、1伺服电机的设计12311伺服电机工作原理12312与步进电机的性能比较13313电机的设计计算1432传感器设计1733控制器设计194系统软件设计2341PLC简介和选择23411PLC简介23412PLC的工作原理23413PLC选择2442程序设计255总结与展望3251总结3252展望32参考文献34致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。41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
24、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
25、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115图11纤维切断机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
26、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，完成一个循环6。6图13钢筋调直切断机12切断机的现状由
27、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
28、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共分为五个章节，第一章为概述部分，主要7介绍研究对象伺服
29、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。82系统工作原理21伺服控制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
30、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
31、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922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，光电编码器讲计算设定合金行进的长度，当达到一定长度时，PLC
32、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10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。电路图中，各电器元件选择如下（1）电源引入开关QSQS主要作为电源隔离开关，并不用它直接控制电机，
33、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备损坏。本文选择XJ5型相序保护器，XJ系列断相与相序
34、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
35、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11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。123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或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类。3
36、11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），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感
37、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13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。（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，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标
38、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，即具有起动快、灵敏度高的特点。2、运行范围较广3、无
39、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14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）控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为18、0
40、9，五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。（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般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输
41、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。交流伺服系统的加速性能比其要好，一般情况下只需
42、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15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）。2）惯量匹配问题及及计算负载惯量为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳
43、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为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩（MN）；A
44、CT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16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MMLCNOMJTP2，则带入公式可得WPNO
45、M397648009093001802,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，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，则电机的旋转速度MIN/2000MIN/17861000
46、MAXRNRPUVNNOMK，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。17421143242P32100010007851050020132100010000610DLJGLKGM，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MNTMNTTJJNTAACFML44118074602MAXMAX，由此可得，
47、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。32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，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲
48、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18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区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移
49、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如图34所示。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。19图33增量式光电编码器的
