數(shù)控節(jié)能400噸電動螺旋壓力機控制系統(tǒng)開發(fā)

摘 要摘 要模鍛鍛壓在國防、汽車、工程機械等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，是這些領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著這些領(lǐng)域的不斷發(fā)展對模鍛件的要求也越來越高，例如汽車工業(yè)之中的發(fā)動機連桿模鍛件質(zhì)量公差僅為5克，使用模鍛設(shè)備加工成型后只需要模削加工即可，然而傳統(tǒng)的模鍛成型設(shè)備，例如模鍛錘、熱模鍛壓力機卻很難制作出精密的模鍛器件，難以滿足工業(yè)的要求。電動螺旋壓力機因為滑塊沒有固定的下死點，同時采用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，所以實現(xiàn)了理想的精密高效節(jié)能的模鍛設(shè)備。本論文采用西門子可編程控制器PLC S-200，采用以觸摸屏為人機界面的電動螺旋壓力機專用數(shù)控系統(tǒng)，通過編碼器輸出脈沖的檢測從而實現(xiàn)了滑塊打擊能量和位置的精確控制，自動化程度較高，可靠性和穩(wěn)定性較強，符合當代發(fā)展的要求。電動螺旋壓力機需要頻繁的啟動和正反轉(zhuǎn)，為了避免過高的啟動電流對電機損耗同時實現(xiàn)較高的輸出轉(zhuǎn)矩，這需要先進的交流調(diào)速方法的運用。本設(shè)計運用直接轉(zhuǎn)矩交流調(diào)速技術(shù)，通過變頻器來控制電機，不僅實現(xiàn)了電機的較小啟動電流同時實現(xiàn)了較高的啟動轉(zhuǎn)矩。本文詳細的分析了電動螺旋壓力機的運動過程和能量轉(zhuǎn)化過程，最終根據(jù)設(shè)計要求和參數(shù)給定，通過PLC編程開發(fā)出了控制系統(tǒng)。實際的應用中電動螺旋壓力機憑借其鍛壓精確、構(gòu)簡單、效節(jié)能等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞，未來不久這種高效節(jié)能的鍛壓設(shè)備必然逐漸取代傳統(tǒng)的鍛壓設(shè)備成為國防和工業(yè)中的主流。關(guān)鍵詞：電動螺旋壓力機；直接轉(zhuǎn)矩控制；可編程控制器；編碼器；觸摸屏；- 33 -AbstractAbstract Forging plays a pivotal role in the field of defense. Automotive construction machinery, is the basis for the development of these areas. With the continuous development of these areas are increasingly high requirements of die forgings, such as the auto industry into the engine connecting rod die forgings quality tolerances of only 5g, only after forging equipment machining molding die cut processing may, however, traditional forging molding equipment, such as forging hammer hot forging press is difficult to produce precision forging devices, it is difficult to meet the requirements of the industry. Electric screw press because the slider there is no fixed lower dead point, the direct torque control, so to achieve the desired precision forging of energy efficient equipment.Siemens programmable logic controller PLC S-200 in this paper, the use of man-machine interface touch screen for electric screw press CNC system, through the detection of the encoder output pulse in order to achieve precise control of the slider against the energy and position, degree of automation high reliability and stability, in line with the requirements of the contemporary development. Electric screw press requires frequent starting and reversing, in order to avoid excessive starting current of the motor loss while achieving high output torque, which requires the use of advanced communication speed control method. In this paper a detailed analysis of the movement of the electric screw press process and energy conversion process, final design requirements and parameters given, has developed a control system by PLC programming.Practical application of electric screw press by virtue of its forging precise structure efficiency and energy saving advantages, more and more people of all ages, and soon this energy efficient forging equipment must gradually replace the traditional forging equipment in the defense and industrial main stream.Keywords: electric screw press; direct torque control; programmable controller; encoder; touch screen目 錄目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 緒論11.1螺旋壓力機11.2 螺旋壓力機的發(fā)展歷史21.3 高效節(jié)能400噸螺旋壓力機的分析41.4 本課題研究的主要內(nèi)容6第二章 電動螺旋壓力機打擊能量的分析82.1 電動螺旋壓力機的力能關(guān)系82.1.1 運動部分能量的組成82.1.2 能量的轉(zhuǎn)換82.2 螺旋壓力機打擊過程能量分析102.3 400噸電動螺旋壓力機相關(guān)參數(shù)的計算11第三章 電動螺旋壓力機器件選擇133.1 引言133.2 可編程控制器的選擇143.3 電機的選擇153.4 變頻驅(qū)動器的選擇163.5 編碼器的選擇193.6 滑塊位移的檢測193.7 觸摸屏的選擇203.8 制動電阻選擇21第四章 400噸螺旋壓力機控制電路及程序的設(shè)計224.1 主電路圖224.2 PLC接線圖234.3 程序結(jié)構(gòu)244.4 打擊流程254.5 I/O接口分布表274.6 觸摸屏編程28總 結(jié)30參考文獻31致 謝32附錄 接線圖33第一章 緒論第一章 緒論1.1螺旋壓力機螺旋壓力機是用螺桿、螺母作為傳動機構(gòu)傳遞飛輪能量的鍛壓機械的總稱。螺旋壓力機的基本組成部分為：螺桿、螺母、飛輪、滑塊和機身等，通過摩擦液壓電機直接驅(qū)動等方式來驅(qū)動飛輪加速旋轉(zhuǎn)從而積蓄能量，由螺桿將飛輪的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為滑塊的上下往復直線運動。當滑塊接觸到要成型的工件時，飛輪被迫至完全停止，儲存在飛輪上的螺旋能轉(zhuǎn)化為對工件的沖擊能，通過滑塊來打擊工件迫使其變形，所以通常所說的螺旋壓力機也被成為螺旋錘。表1-1 機械壓力機鍛錘螺旋壓力機的性能比較機械壓力鍛錘螺旋壓力機打擊力量不可控不可控可控滑塊速度慢快較快打擊時間長短較長打擊過程固定不固定不固定沖擊小大較小從上面三種鍛壓設(shè)備的性能比較可以明顯的看出，螺旋壓力機具有獨特的性能優(yōu)勢，螺旋壓力機既有機械壓力機和鍛錘的特長，它還克服了這兩種鍛壓設(shè)備的劣勢。具體性能優(yōu)勢可以從以下幾個方面具體來闡述：1. 螺旋壓力機的打擊力相比其他兩種鍛壓設(shè)備可以準確的控制。2. 螺旋壓力機的滑塊速度介于機械壓力機和鍛錘之間，速度比較適中。由于滑塊速度適中，有利于金屬在鍛壓過程中再結(jié)晶過程充分適當?shù)倪M行，適合于各種行業(yè)中結(jié)晶速度慢的金屬鍛壓。3. 通過時間的證明，在鍛壓過程中，滑塊與鍛件接觸時間越少，鍛壓出的鍛件的壽命越長。螺旋壓力機與鍛件的接觸時間較短，基本為其他兩種鍛壓設(shè)備的一般，鍛壓時傳遞到鍛件的熱量較少，溫升低鍛件的壽命較長，這對于大批量生產(chǎn)非常重要。4. 由于打擊過程的不固定，可以消除因為鍛壓設(shè)備的機械變形而造成對鍛壓器件精度的影響，可以通過多次的打擊來獲得工件的變形。5. 由于螺旋壓力機的承受過載能力較強，允許超過公稱壓力的載荷作用在設(shè)備上，對設(shè)備的鍛壓能力和壽命都是非常有益的。6. 螺旋壓力機在工作時，在封閉的空間內(nèi)完成鍛壓過程，設(shè)備與地面處理比較簡單，投資比較少。另外還可以改造工作環(huán)境更加人性化，噪音污染較低。 通過上面螺旋壓力機與機械壓力機和鍛錘的各項性能的比較，可以看出螺旋壓力機是隨著時代的發(fā)展生產(chǎn)力的提升，不斷優(yōu)化完善的一種設(shè)備，它在各項性能之中所擁有的優(yōu)勢必將取代機械壓力機和鍛錘，成為鍛壓設(shè)備的主流設(shè)備，其他兩種設(shè)備也必將被時代所淘汰。1.2 螺旋壓力機的發(fā)展歷史螺旋壓力機是最古老的成型設(shè)備之一，具有悠久的歷史，在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了摩擦螺旋壓力機液壓螺旋壓力機離合器螺旋壓力機和電動螺旋壓力機四種主要的傳動形式。摩擦螺旋壓力機是最早用于現(xiàn)代化大生產(chǎn)的螺旋壓力機，由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉等優(yōu)點，現(xiàn)在仍然在一些小型的落后的鍛壓廠里使用。螺旋壓力機其工作原理是通過摩擦力產(chǎn)生力矩，在鍛壓過程中向螺旋機構(gòu)傳遞電動機的能量和動能。在19世紀初開始使用，德國公布了首個摩擦螺旋壓力機的專利。摩擦壓力機有比較多的缺點，它是由電機帶動摩擦盤不停的告訴旋轉(zhuǎn)，而飛輪在一個循環(huán)過程中還需要改變方向,飛輪在換向過程中飛輪和摩擦盤之間發(fā)生嚴重的打滑現(xiàn)象，這不僅損耗了能量降低了工作效率，而且對鍛壓設(shè)備的損害比較嚴重。摩擦壓力機還會造成制造成的工件不夠精確，工作環(huán)境惡化等。 圖1-2 摩擦螺旋壓力機外形進入20世紀，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，基于摩擦螺旋壓力機的種種問題的凸顯，人們開始研制液壓螺旋壓力機，40年代開始應用于工業(yè)生產(chǎn)之中。液壓螺旋壓力機主要是借助液壓缸和液壓馬達的液壓動力裝置來驅(qū)動滑塊，在滑塊打擊工件前積蓄能量，在接觸工件時釋放能力使工件成型。液壓螺旋壓力機優(yōu)于摩擦螺旋壓力機，能夠使傳動效率大為提高，而且液壓螺旋壓力機適合向中大噸位發(fā)展。但是液壓螺旋壓力機同樣也存在著很多問題，液壓螺旋壓力機結(jié)構(gòu)復雜，維修成本高，維護不方便，同時液壓泄漏還會對環(huán)境造成污染，因此，這種壓力機也將會被取代。 圖1-3 液壓螺旋壓力機外形前蘇聯(lián)是最早研制電動螺旋壓力機的，它的基本原理是直接用電動機轉(zhuǎn)子來代替飛輪，或通過齒輪或皮帶帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，去除了低效率的摩擦傳動，具有最短的傳動鏈和較高的效率。但是這種最初研制的電動螺旋壓力機并沒有達到人們所期望的高效節(jié)能,這種最初的電動螺旋壓力機需要電機頻繁的進行正反轉(zhuǎn)，電能損耗打到50之多；電動機頻繁的正反轉(zhuǎn)使得電機發(fā)熱比較厲害，溫度可以達到120；這種螺旋壓力機起動電流過大，對電網(wǎng)的沖擊比較厲害；鑒于當時電機和控制技術(shù)的限制，這些問題無法得到解決。20世紀70年代德國把變頻器引用于電動螺旋壓力機，新技術(shù)的引用使得啟動電流減小，發(fā)熱減小，電機的速度得到了控制。但是這種電動螺旋壓力機不能實現(xiàn)閉環(huán)控制速度，不能精確控制打擊能量，誤差較大影響制件精確度。1.3 高效節(jié)能400噸螺旋壓力機的分析電動螺旋壓力機的原理圖如1-4所示 1.電機 2.主動輪 3.飛輪 4.螺桿 5.螺母 6.滑塊 7.制動器 8.頂出器 圖1-4 電動螺旋壓力機原理圖高效節(jié)能數(shù)控電動螺旋壓力機去掉繁瑣耗能的摩擦傳動，直接用電機轉(zhuǎn)子來代替飛輪，采用電機直接連到皮帶上從而驅(qū)動小齒輪。這種螺旋壓力機在工作時，電機由靜止狀態(tài)啟動逐漸加速，通過皮帶小齒輪大齒輪傳動電機的動能帶動滑塊向下加速運動不斷的積蓄能量。當電機加速到提前設(shè)定的速度時，電機將不再加速，滑塊就會以設(shè)定的打擊能量下行進行工件打擊，當滑塊運行到下止點時，滑塊打擊工件，隨后滑塊反彈，電機發(fā)出反轉(zhuǎn)信號，滑塊將向回運動。這時候電機反轉(zhuǎn)，當滑塊達到預設(shè)的高度時，電機制動器制動，電機停止，自動進入下一個打擊回程，PLC將記錄一次打擊次數(shù)。這是利用傳動系統(tǒng)儲存的能量對工件進行做工，使工件成型，當滑塊向下運動打擊滑塊時是一次能量的釋放。當設(shè)定為連續(xù)工藝時，工序未全部完成電動機帶動滑塊自動進入下一個打擊行程。當工序完成時，電機帶動滑塊回到起止點，取出打擊成型的工件，一個工序全部完成。這種數(shù)控電動螺旋壓力機的自動化程度比較高，節(jié)省了人力。 圖1-5 數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機的機械部分把摩擦壓螺旋壓力機改造為400噸數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機，每噸產(chǎn)品的耗電量由原來的10.87kw/h降低到3.49kw/h，比改造前節(jié)能67.79。改造之后由于控制系統(tǒng)更加先進，打擊更加精確，產(chǎn)品的合格率由原先的70提高到96，合格率比以前提高了57.14。由于耗電量的節(jié)省和產(chǎn)品合格率的提高帶來的節(jié)省，兩項合計，每臺設(shè)備每小時可為公司節(jié)省90元的成本費。如圖1-6是節(jié)能比較： 0.03噸煤 0.3元 = 90元數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機相比于以往的螺旋壓力機更多的益處在于：1. 最大限度的節(jié)省了自然資源，采用PLC可編程控制節(jié)省了很多的機械控制元件，為國家節(jié)省了資源，符合當今的發(fā)展方向。2. 在當今人力資源日益缺乏的今天，數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機由原先的三人以上操作較少到一人就可以操作，還使操作者擺脫了繁重的的體力勞動，操作更加簡單，使企業(yè)擺脫了人力的技能要求。3. 電機剎車，紅外線剎車等先進技術(shù)的應用徹底保證了生產(chǎn)過程的安全，更加尊重了人權(quán)，更加人性化。4. 改善了工作的環(huán)境，采用先進的數(shù)控技術(shù)不僅大大減少了生產(chǎn)過程中的噪音污染，也降低了液壓的環(huán)境污染。5. 大大減少了機器的維修運行費用，采用新的技術(shù)消除了以前機器當中的易損易壞的地方和元件，從而又為企業(yè)節(jié)省了維修人員的費用。 1.摩擦壓力機 2.節(jié)能數(shù)控螺旋壓力機 圖1-6 應用與節(jié)能效果 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容本文研究400噸高效節(jié)能螺旋壓力機控制系統(tǒng)的開發(fā)，對研究過程中遇到的問題進行了研究解決，主要內(nèi)容：1. 詳細描述了400噸螺旋壓力機的構(gòu)成，并對其鍛造的工作過程進行了詳盡的描述。2. 分析了螺旋壓力機的鍛壓能量設(shè)定方法，并提出了一種設(shè)定打擊能量的方法。3. 分析了螺旋壓力機鍛壓的整個過程，通過力學的觀點提出了螺旋壓力機鍛造過程中打擊力的確定。4. 通過分析電動螺旋壓力機，選擇電動螺旋壓力機的各種硬件器件，例如電機編碼器觸摸屏等。5. 畫出400噸電動螺旋壓力機的控制電路接線圖6. 分析PLC控制的各種動作，編寫觸摸屏程序，是鍛造更加人性化自動化。7. 總結(jié)展望在研究課題過程中遇到的難點，提出自己的解決方案。 第二章 電動螺旋壓力機打擊能量的分析第二章 電動螺旋壓力機打擊能量的分析螺旋壓力機屬于設(shè)定能量的鍛壓設(shè)備，其主要能量是依靠滑塊運動部分來做工，螺旋壓力機的打擊能量是其一項重要的性能參數(shù)。在以往摩擦壓力機的規(guī)定標準中規(guī)定壓力機的有效能量不能低于運動能量的60，在電動螺旋壓力機中國家尚未公布標準，但從其最后的打壓轉(zhuǎn)化做工的過程來看，其有效能量同樣也不能低于運動能量的60。2.1 電動螺旋壓力機的力能關(guān)系2.1.1 運動部分能量的組成電動螺旋壓力機中通過電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動所釋放的動能，通過傳動機構(gòu)到飛輪、滑塊、螺桿上積蓄的總能量AL為： （2-1）其中 為螺旋壓力機打擊工件時的的總能量； J為飛輪部分的轉(zhuǎn)動慣量； 為飛輪轉(zhuǎn)動時的角速度； M為滑塊直線運動時的質(zhì)量； V為滑塊向下運動時的速度； H為主螺桿的導程。因此，從上面分析可以得出，在螺桿導程h下行滑塊質(zhì)量m飛輪轉(zhuǎn)動慣量J等參數(shù)設(shè)定好以后，可以通過檢測滑塊的穩(wěn)定速度v，來計算得出電動螺旋壓力機運動部分的能量。2.1.2 能量的轉(zhuǎn)換 在電動螺旋壓力機在工作打擊工件時，運動部分的能量全部消耗完畢，運動能量主要轉(zhuǎn)化為其他三種能量：鍛壓工件的變形能Ed機器的彈性變形能Et機器摩擦損耗的能量Em，根據(jù)能量守恒： = Ed + Et + Em （2-2） 進行分別計算：1. 鍛壓工件的變形能Ed： （2-3）其中， 為鍛件的變形量。工件的變形能與工件的打擊力工件的材料等有關(guān)系，通過不斷的理論分析和實踐所掌握的經(jīng)驗教訓，可以形成工件的鍛造工藝。2.的彈性變形能Et （2-4） 為機器的彈性變形量 為打擊力，隨打擊能量的變化而不同 C為機械的總剛度 通過上述分析可得: (2-5)3.機器摩擦損耗的能量Em (2-6) 為能量的折減系數(shù)，與機器的潤滑程度，螺旋桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。一般認為，摩擦損耗的能量為總能量的 15-20 從上式的分析可以知道，機器的摩擦損耗的能量與打擊力無關(guān)，只與能量的折減系數(shù)和運動部分的總能量有關(guān)，所以當螺旋壓力機沒有設(shè)置摩擦打滑保險裝置時，機器的摩擦損耗的能量是一個定值。2.2 螺旋壓力機打擊過程能量分析 根據(jù)上面（2-5）和（2-6）可以做出螺旋壓力機的力能關(guān)系曲線，如圖2-1 圖2-1 螺旋壓力機力能曲線示意圖從上面螺旋壓力機力能曲線示意圖來分析，螺旋壓力機在鍛壓工件時的能量轉(zhuǎn)化過程和行程過程為: 當滑塊加速到最大設(shè)定速度向下運動未接觸工件時為d點，此時打擊力最大Pmax，運動能量還未轉(zhuǎn)化為工件的變形能；當滑塊接觸工件，能量慢慢轉(zhuǎn)化為工件的變形能量，當?shù)竭_c點時，達到設(shè)備長期運行許用壓力Po,此值一般為公稱力Pg的1.6倍；隨著繼續(xù)能量的轉(zhuǎn)化，到達b點為公稱壓力，縱坐標為公稱壓力下的工件變形能，一般要求應大于總能量Al的60；當?shù)竭_a點時，工件向下的一個行程結(jié)束，滑塊之中的能量除了固定的摩擦能量外全部轉(zhuǎn)化為工件的變形能量。從上圖中還可以看出電動螺旋壓力機的摩擦能沒有設(shè)置摩擦打滑保險裝置時是固定不變的，不隨能量的轉(zhuǎn)化而改變。只要鍛件的變形能和打擊力等工藝參數(shù)在上面力能關(guān)系曲線內(nèi)，那么就可以用這種電動螺旋壓力機鍛壓成功，所以力能曲線對電動螺旋壓力機非常重要，是其性能的重要依據(jù)。從以上分析中可以知道，最大打擊力Pmax遠大于公稱打擊力Pg,而在最大打擊力下鍛件的變形為零，所以最大打擊力對于鍛造工藝來說是毫無意義的。在打擊工件時，如果工藝要求鍛壓能量要大于工藝要求，而且最大打擊力要保證機器的安全，那么這樣就不得不加厚機器的機械強度，這樣做的后果會使電動螺旋壓力機變得笨重，而且這樣做還會導致對機器的投資成本增大，不利于生產(chǎn)效益的提高在大中型鍛壓設(shè)備中，為了保證安全同時降低設(shè)備成本，在機器的飛輪部分設(shè)置摩擦打滑保險裝置，當打擊力超過設(shè)計的打滑力時，通過摩擦力來消耗能量，達到減小最大打擊力的目的。具有摩擦打滑保險裝置的力能關(guān)系如圖2-4所示： 圖2-4 飛輪設(shè)置摩擦打滑保險裝置的力能曲線P1為設(shè)定的打滑打擊力，一般在設(shè)計螺旋壓力機時打滑打擊力為公稱壓力的2倍左右較為合適。2.3 400噸電動螺旋壓力機相關(guān)參數(shù)的計算400噸螺旋壓力機的公稱壓力 =mg=400100010=4000(kN) (2-7) 最大打擊力 2=8000（KN） (2-8)一般400噸電動螺旋壓力機的機械強度C為8，所以根據(jù)2-5式得到: Et=40(KJ)所以總的能量為： =Ed + Et + Em =40000+20 求得=50（KJ）根據(jù)2-1式 式中，設(shè)置滑塊的質(zhì)量為10KG，螺桿的行程h為420毫米，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動慣量取1.24，將400噸電動螺旋壓力機的這些參數(shù)帶入上式，可得： V500 (mm/s) 第三章 電動螺旋壓力機器件選擇第三章 電動螺旋壓力機器件選擇3.1 引言由于電動螺旋壓力機在鍛壓工件時，工作環(huán)境比較惡劣特殊，決定了數(shù)控電動螺旋壓力機對控制系統(tǒng)要求比較嚴格，而可編程控制器具有可靠性高，抗干擾能力和適應性強，控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便等優(yōu)點，因而選取可編程控制器作為控制核心。以可編程性控制器作為控制的核心，以工業(yè)觸摸屏作為人機界面的控制系統(tǒng)，組成了數(shù)控電動螺旋壓力機的數(shù)控系統(tǒng)。400噸螺旋壓力機的控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖4-1所示?？刂葡到y(tǒng)的的核心為西門子可編程系統(tǒng)PLC，可編程PLC發(fā)出指令控制變頻驅(qū)動器各種動作，變頻器再控制電機的運轉(zhuǎn)，通過傳動系統(tǒng)傳遞到打擊滑塊做上下直線運動，在通過能量的轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)打擊滑塊的目的?；瑝K位移檢測來檢測滑塊的位移，從而來控制滑塊的打擊能量，PLC在通過高速計數(shù)口來得到位移的信息來實現(xiàn)控制。PLC通過數(shù)字量輸入口來接收按鈕信號，根據(jù)按鈕輸入的信號來實現(xiàn)控制。在工作時，通過觸摸屏來實現(xiàn)工作數(shù)據(jù)的顯示和人機界面溝通實現(xiàn)。、 圖3-1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案3.2 可編程控制器的選擇要實現(xiàn)400噸螺旋壓力機的打擊控制，選擇核心的可編程控制軟件是比較重要的，西門子S7-200型號的小型可編程控制器由于CPU226 集成了24 輸入/16 輸出共40 個數(shù)字量I/O 點，最多可擴展7 個擴展模塊單元。CPU226 還有6 個獨立的30kHz 的高速計數(shù)器，可用來檢測滑塊位移。2 個RS485 通訊口，可用來編程下載或與人機界面等外設(shè)通訊等功能。所以此種小型的可編程控制器PLC，完全可以實現(xiàn)400噸螺旋壓力機的各項功能，對其進行準確高效的控制。我們選用的西門子S7-200型號的PLC編程環(huán)境如下圖所示： 圖3-2 S7-200 編程環(huán)境3.3 電機的選擇已知設(shè)備的全行程（ S ）、飛輪對電機小齒輪的減速比（i ）、以及主螺桿導程（ h ），則有： （3-1）式中為電機部分所做的功， 為電機的額定轉(zhuǎn)矩 為飛輪加速全過程對應的弧度位移又根據(jù)滑塊質(zhì)量（m ）和下行效率可得滑塊重力所做的功為： （3-2）為重力部分做的功為電機的效率由上面兩式可以推導出電機的額定轉(zhuǎn)矩為： （3-3）代入數(shù)據(jù)得：=700 （3-4） 根據(jù)帶入數(shù)據(jù)的，取=970r/min電動機的型號可以根據(jù)下式：=50(KW) (3-5)所以本設(shè)計選用55KW,的電動機。3.4 變頻驅(qū)動器的選擇直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有以下幾個主要特點： 直接轉(zhuǎn)矩控制是建立在定子坐標系下直接分析交流電機的數(shù)學模型并控，分別控制交流電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈。它的優(yōu)點是不用把交流電機和直流電機進行比較；這樣就省掉了交流電機與直流電機的對比建立模型的復雜過程。它還省掉了在矢量控制中因為矢量變換帶來的復雜的轉(zhuǎn)換和計算過程。所以，直接轉(zhuǎn)矩控制具有控制信號非常簡單，它所用到的控制信號能夠使觀察器對交流電機的物理過程作出直接明了的判斷。 直接轉(zhuǎn)矩控制運用定子磁鏈進行磁場定向的方法，僅僅知道定子電阻就可以將它觀測出來。所以，直接轉(zhuǎn)矩控制極大的減少了在矢量控制中實際控制效果受到電機參數(shù)的影響，比較穩(wěn)定。 直接轉(zhuǎn)矩控制運用空間電壓矢量的方法來分析交流電機的數(shù)學模型，綜合控制逆變器中六個開關(guān)元件的導通和關(guān)斷，使控制變得簡單明了。 直接轉(zhuǎn)矩控制是通過對電機轉(zhuǎn)矩的直接控制。這其中包含兩層意思，其一是直接對轉(zhuǎn)矩的控制：與矢量控制方法有所不同，它不是間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為控制對象，直接進行控制。所以直接轉(zhuǎn)矩控制的目的不是為了到最后獲得理想的正弦波波形，同時也不特別的強調(diào)圓形的磁鏈軌跡。相反，基于直接控制轉(zhuǎn)矩的出發(fā)點，它只對控制效果關(guān)注，因而可以采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形的磁鏈軌跡的概念。其二是直接控制的轉(zhuǎn)矩。它通過轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)器將實際的轉(zhuǎn)矩檢測值和給定的轉(zhuǎn)矩指令值作滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定容差范圍；而容差大小則由頻率調(diào)節(jié)器控制。因而直接轉(zhuǎn)矩控制的控制效果僅僅取決于電機轉(zhuǎn)矩的實際運行情況，其控制既簡單又明了。 圖3-3 直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖驅(qū)動系統(tǒng)是電動螺旋壓力機控制技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，對于螺旋壓力機功能的實現(xiàn)非常重要，可以得出，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以滿足電動螺旋壓力機的快速啟動和制動，起動電流較小起動轉(zhuǎn)矩較大的要求，是電動螺旋壓力機現(xiàn)行理想的電機驅(qū)動技術(shù)。 本設(shè)計對400噸電動螺旋壓力機的控制的不同要求進行綜合的考慮，可以選組ACS800系列的驅(qū)動變頻器，專門用于電機的轉(zhuǎn)矩控制，其接線圖如圖3-4所示。圖中的各項指令如正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)停止或者啟動等控制指令，均來自可編程控制器PLC控制系統(tǒng)，PLC根據(jù)電動螺旋壓力機的運行狀態(tài)給出指令進行控制。在PLC中設(shè)置一個合適的定時周期中斷，一般為10ms，從而可以通過檢測出來的史詩位移，對位移進行求導來求出滑塊的運行速度。 圖3-4 變頻器的接線圖根據(jù)以上能量分析，可以選用55kw的三相交流異步電動機一臺，額定電壓為380VAC，額定電流為42.5A，額定頻率為50HZ，額定轉(zhuǎn)矩為970r/min，額定轉(zhuǎn)矩為700N，傳動部分選用55KW的ACS800的直接轉(zhuǎn)矩變頻驅(qū)動器。停止/啟動，正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)控制指令均來自于壓力機的控制系統(tǒng)，PLC根據(jù)滑塊的位移檢測發(fā)出不同的控制指令來進行控制。通過滑塊的位移檢測裝置可以實時的對滑塊位移進行檢測，再在PLC中設(shè)置一個足夠小的定時周期中斷，設(shè)置為10ms,進而可以計算出滑塊的運行速度，從而對滑塊進行準確的控制。變頻器通電之后通過控制盤，將電機的額定參數(shù)輸入到驅(qū)動單元中去，如下表3-1所示：表3-1 變頻器參數(shù)設(shè)定參數(shù)號參數(shù)定義電機參數(shù)99.05額定電壓380V99.06額定電流42.5A99.07額定頻率50HZ99.08額定轉(zhuǎn)速970r/min99.09額定功率55KW3.5 編碼器的選擇編碼器的線數(shù)P越大，用來檢測滑塊位移的精度應該越高，但是因為輸出的最大頻率不能超過20kHZ,所以編碼器的現(xiàn)實應： （3-6）式中，D為同步齒輪直徑 為滑塊的最終速度為400mm/s求得，2571所以，選擇編碼器的線數(shù)應該為2000.3.6 滑塊位移的檢測電動螺旋壓力機在控制過程中，要不斷的檢測滑塊的實時位移，在不同的位移段里面滑塊要完成不同的動作，這樣通過對滑塊位移檢測可以實現(xiàn)對滑塊的準確控制，可以實現(xiàn)對工件的精確鍛壓，可以實現(xiàn)對能量的精確檢測，達到控制的目的。所以在電動螺旋壓力機在工作過程中實現(xiàn)對滑塊位移的精確檢測至關(guān)重要。本課題研究的400噸螺旋壓力機的位移檢測是通過滑塊做直線運動時，滑塊帶動皮帶的運動，皮帶又帶動與其輪相嚙合的旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)，再將編碼器的脈沖信號輸出至可編程控制器的告訴計數(shù)器讀通過脈沖數(shù)乘以單位位移來實現(xiàn)檢測的?；瑝K檢測系統(tǒng)的原理圖如圖3-5所示： 圖3-5 滑塊位移檢測原理圖單位脈沖對應的滑塊位移量為 （3-7）D為同步齒輪的直徑，大小為28.65mm，p為編碼器的線數(shù)，本設(shè)計采用線數(shù)為2000的編碼器，所以帶入以上數(shù)據(jù)可以得出，滑塊的單位位移量：=3.1428.6520000.45 （mm）3.7 觸摸屏的選擇為了實現(xiàn)對打擊過程進行實時的控制，實現(xiàn)對鍛壓工件的的精確鍛壓，提高電動螺旋壓力機的自動化程度，人性化的人機界面是必不可少的。人機界面是存在于用戶和機器之間雙向溝通的橋梁，用戶可以進行自由的組合圖形數(shù)字等來對螺旋壓力機進行方便的控制。觸摸屏作為一種方便先進的人機界面系統(tǒng)，功能比較強大而且可以適應比較復雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，所以比較適合用于電動螺旋壓力機的控制系統(tǒng)中去，越來越受到人們的歡迎。MT500 觸摸屏與西門子PLC 之間的通訊非常簡單。S7-200的CPU 擁有兩個RS485 通訊口，都可以用來與觸摸屏通訊。在各自的編程軟件中將串口通訊波特率設(shè)為一致，則兩者會自行進行通訊。觸摸屏與PLC的鏈接如圖3-6所示： 圖3-6 觸摸屏與PLC的鏈接示意圖3.8 制動電阻選擇在外接制動電阻進行制動的情況下，電動機內(nèi)部的有功損耗部分，折合成制動轉(zhuǎn)矩，大約為電機額定轉(zhuǎn)矩的20%。用下面公式計算制動電阻： （3-8）其中：為直流回路電壓為制動轉(zhuǎn)矩電動機額定轉(zhuǎn)矩減速開始時的電機速度由制動晶體管和制動電阻構(gòu)成的放電回路中，其最大電流受制動晶體管的最大允許電流Ic 的限制。一般變頻器手冊都給出了制動電阻的最小值，在本設(shè)計中因為涉及到了電動機的頻繁起制動，所以要求制動電阻要稍微高一點，所以可以根據(jù)提供的參考值選則比參考值稍微大一點的制動電阻。第四章 螺旋壓力機程序的設(shè)計第四章 400噸螺旋壓力機控制電路及程序的設(shè)計4.1 主電路圖電動螺旋壓力機通過ACS800直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器來驅(qū)動三相交流電機的主電路圖如下圖4-5所示：其中，空氣開關(guān)相當于刀開關(guān)，熔斷器，熱繼電器，過流繼電器和欠壓繼電器的組合，是一種既有手動開關(guān)作用又有自動保護功能的電器。其具體作用是：在正常情況下，利用手動進行正常的電路接通和斷開，同時在過載，欠電壓和短路的情況下能自動切斷電路，實現(xiàn)保護功能，既是一種控制電器又是一種保護電器。交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點來開閉電路，用輔助接點來執(zhí)行控制指令。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。交流電抗器安裝在變頻器輸入端和輸出端，可以抑制變頻器產(chǎn)生的諧波向電網(wǎng)傳遞，減少變頻器產(chǎn)生的諧波對其他電器設(shè)備的干擾，并限制電網(wǎng)電壓的異常波動和電網(wǎng)上的沖擊電流，減少其對變頻器的影響。根據(jù)PLC發(fā)出的控制信號，控制變頻器，從而實現(xiàn)對電機的啟動和停止，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，加速與減速等功能，滿足于鍛壓設(shè)備對各種具體動作的要求。制動電阻，是波紋電阻的一種，主要用于變頻器控制電機快速停車的機械系統(tǒng)中，幫助電機將其因快速停車所產(chǎn)生的再生電能轉(zhuǎn)化為熱能。 交流電抗器安裝在變頻器輸入端，可以抑制變頻器產(chǎn)生的諧波向電網(wǎng)傳遞，減少變頻器產(chǎn)生的諧波對其他電器設(shè)備的干擾，并限制電網(wǎng)電壓的異常波動和電網(wǎng)上的沖擊電流，減少其對變頻器的影響。 圖4-1 三相交流電機的主電路4.2 PLC接線圖 SB1為啟動按鈕，SB2為停止按鈕用于常閉狀態(tài)，SB3為過壓過熱等保護按鈕用于常閉狀態(tài)，SB4為相序保護按鈕用于敞開狀態(tài)，SB5為過載保護按鈕用于常閉狀態(tài)。PLC的輸出端連接到電機的變頻器上，來實現(xiàn)電機的啟動停止，加速和減速，勻速運動，制動減速等功能。 圖4-2 PLC接線圖4.3 程序結(jié)構(gòu)400噸電動螺旋壓力機數(shù)控系統(tǒng)軟件采用開放式體系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡單，層次分明，可擴展性較強，能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能；實行模塊化分步設(shè)計，目的性強，條理清析明確，可進行重復調(diào)用。其軟件體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。為保證系統(tǒng)控制的實時性，在兼顧可編程控制器CPU 的運算能力前提下，設(shè)置一個盡量短的合適的定時中斷周期（一般情況為510 ms），由設(shè)定的定時周期作為中斷子程序采集系統(tǒng)輸入信號和傳感器檢測信號，進行實時參數(shù)方面的計算，并根據(jù)所輸入控制指令和機器的實時參數(shù)來判斷系統(tǒng)的運行狀況，并根據(jù)運行狀況來控制執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)相應的打擊動作；另外，同時進行信號處理、事件信息處理和報警信息處理等循環(huán)掃描執(zhí)行，使得系統(tǒng)能夠及時的收發(fā)指令，判斷并執(zhí)行相應信息處理，設(shè)備可以穩(wěn)定可靠的運行并進行及時的保護。 圖4-3 軟件結(jié)構(gòu)圖可編程控制器程序運行是進行循環(huán)掃描執(zhí)行的，所有模塊都要根據(jù)主程序根據(jù)運行狀況和命令進行調(diào)節(jié)和調(diào)用，只有中斷服務(wù)子程序是在滿足中斷條件情況下可以自動觸發(fā)執(zhí)行的。在可編程控制器剛上電運行時初始化子程序模塊執(zhí)行一次，一般主要是進行初始化系統(tǒng)參數(shù)、復位系統(tǒng)狀態(tài)等。4.4 打擊流程可編程控制器PLC根據(jù)編碼器所傳送的脈沖數(shù)量，可以實時的對滑塊的位移進行檢測并進行控制。當設(shè)備開始向下打擊鍛件時，一開始抱閘裝置釋放，通過變頻器電機開始正轉(zhuǎn)加速，當加速一定時間后，PLC根據(jù)脈沖輸入的數(shù)量判斷滑塊是否到達慣性勻速下滑的距離，當判斷所輸入的脈沖到達勻速下滑的距離時，PLC發(fā)出指令通過變頻器控制滑塊勻速下滑來打擊鍛件。根據(jù)能量控制原理及算法，打擊下行的控制流程圖如圖4-4 所示。 圖4-4 向下運動過程打擊回程的控制流程圖如圖 4-5 所示。在回程過程中PLC同樣根據(jù)編碼器輸入的脈沖，在經(jīng)過計算，當達到滑塊速度為零時，PLC發(fā)出指令電機開始反轉(zhuǎn)加速，這時滑塊開始向上加速運動，當滑塊加速一段時間后，通過脈沖數(shù)量判斷滑塊是否到達減速點，當滑塊到達減速點時，電機開始減速制動，當最后到達初始位置速度減小至零，如若打擊結(jié)束氣動裝置開始抱閘，如果進行再次打擊將會重復上面向下運動的過程。 圖4-5 回程控制過程4.5 I/O接口分布表用PLC控制電動螺旋壓力機I/O分布表如下表所示表4-1 I/O接口分布表符號定義地址注釋啟動按鈕I0.3閉合后允許啟動（用常開點）停止按鈕I0.4斷開停車（用于常閉點）急停按鈕I0.5斷開停車（用于常閉點）變頻器故障輸入I0.2斷開停車（用于常閉點正反轉(zhuǎn)控制Q0.0Q0.0=0 為正轉(zhuǎn) ； Q0.0=1為反轉(zhuǎn)起?？刂芉0.1Q0.1=1時為啟動；Q0.0=0時為停止制動控制Q0.2Q0.2=1 為 松閘 ； Q0.2=0為制動勻速控制Q0.3KM接觸器Q0.5故障指示燈Q0.6報警Q0.7加減速Q(mào)0.4啟動按鈕M10.1停止按鈕M10.2手動上升M10.3手動下降M10.4手動快升M10.5手動快降M10.6正轉(zhuǎn)條件1M11.1反轉(zhuǎn)條件1M11.2上升指示M11.3下降指示M11.4快升標志位M11.5快降標志位M11.6M11.7M12.0啟動標志位M12.1M12.2M12.3M12.4制動條件M12.5勻速條件M12.6 4.6 觸摸屏編程400噸數(shù)控電動螺旋壓力機的主界面如圖所示，可以通過主界面進入其它的各種子界面，實現(xiàn)對螺旋壓力機的自動控制，手動控制，故障檢測等，使機構(gòu)更加的人性化。 圖4-6 電動螺旋壓力機的手動運行如下圖所示。通過觸摸屏的手動運行畫面可以實現(xiàn)對螺旋壓力機的啟動、停止、手動上升、手動下降等功能。通過這個手動運行畫面，可以對鍛壓過程，滑塊運行的動作進行分開控制，這樣可以在設(shè)備出現(xiàn)故障，滑塊運行不暢時，對螺旋壓力機的動作進行分開運行，可以很快的找到設(shè)備的故障所在，及時的對設(shè)備進行修復調(diào)試。圖 4-7 電動螺旋壓力機手動運行畫面總 結(jié)總結(jié)400噸數(shù)控電動螺旋壓力機的驅(qū)動系統(tǒng)，運動系統(tǒng)，能量控制以及整個PLC控制系統(tǒng)進行了全面的研究。先將本研究成果如下：（1） 研究了直流電動機的控制系統(tǒng)以及它的運動特性和優(yōu)缺點，研究了基于