【正文】 controller。目 錄第一章 緒論 1 引言 1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1 2 本課題的主要研究內(nèi)容 2第二章 數(shù)控胎架控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3 背景 3 支柱式胎架內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理 3 控制系統(tǒng)概述 4 控制系統(tǒng)的分類 4 控制系統(tǒng)的選擇 4 數(shù)控胎架控制系統(tǒng)的技術(shù)要求 5 控制系統(tǒng)的總體控制流程及方案 5 胎架控制系統(tǒng)的控制流程 8 本章小結(jié) 8第三章 數(shù)控胎架控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 9 步進(jìn)電動機(jī)及其分類 9 步進(jìn)電動機(jī)的選型及其基本參數(shù) 9 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的選型 10 絲杠上升高度與脈沖數(shù)之間的關(guān)系 10 可編程邏輯控制器（PLC）簡介 12 可編程邏輯控制器（PLC）及其工作原理 12 PLC的選型確定及其特點(diǎn) 14 PLC驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī) 14 PLC使用環(huán)境中需要注意的問題 14 壓力傳感器的選型確定及基本參數(shù) 15 FX2n4AD特殊模塊 15 本章小結(jié) 17第四章 數(shù)控胎架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 GX Developer軟件介紹 18 外部接線圖 19 I/O輸入輸出點(diǎn)地址分配 20 數(shù)字控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 21 21 胎架自動復(fù)位控制程序 22 手動點(diǎn)動控制程序 22 FX2n4AD特殊模塊的初始化和數(shù)據(jù)采集存儲程序 23 壓力比較自動控制程序 24 上位機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 25 GT Designer軟件介紹 25 用戶交互界面設(shè)計(jì) 25 本章小結(jié) 26第五章 總結(jié)與展望 27 總結(jié) 27 展望 27致謝 28參考文獻(xiàn) 29第一章 緒論 引言作為全球最大的發(fā)展中國家，中國的海洋運(yùn)輸業(yè)一直相當(dāng)繁榮，船舶也在民用和商業(yè)運(yùn)輸中起到至關(guān)重要的作用。而造船業(yè)是為水上交通、海洋開發(fā)和國防建設(shè)等行業(yè)提供技術(shù)裝備的現(xiàn)代綜合性產(chǎn)業(yè)，也是勞動、資金、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，對機(jī)電、鋼鐵、化工、航運(yùn)、海洋資源勘采等上、下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有較強(qiáng)帶動作用，對促進(jìn)勞動力就業(yè)、發(fā)展出口貿(mào)易和保障海防安全意義重大。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)己經(jīng)運(yùn)用到造船生產(chǎn)中[1]。在船舶制造方面，目前最常用的方法是分段制造。分段制造過程直接影響船舶產(chǎn)品的質(zhì)量、制造周期、制造成本和企業(yè)形象[2]。分段制造過程中最重要的工藝裝備就是胎架。胎架是根據(jù)船體分段有關(guān)部位的線型制造，用以承托建造船體分段并保證其外形正確性的專用工藝裝備[34]。胎架直接影響船體分段的質(zhì)量和精度。對后續(xù)船舶總體的焊接和裝配工藝起至關(guān)重要的作用。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀在建造大型船舶過程中，分段制造是船舶建造的基礎(chǔ)，將兩個或多個分段組合在一起，形成總段，再將總段合攏形成整個船體。在分段建造和合攏過程中，一般都需要胎架。胎架[5]是船體分段建造及焊接的一種專用工藝裝備，其作用是保證分段在裝配、焊接時具有良好的作業(yè)條件，保證船體曲面分段的準(zhǔn)確線型，并具有控制焊接變形的作用。因此，胎架必須要具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛性以及穩(wěn)定性。傳動的模板胎架[6]是按照船體分段形狀設(shè)計(jì)制造的，各型船各個分段都有專門的胎架制造圖。在胎架上建造船體分段，可以保證分段的外板線型，繼而保證總段、整個船體的外板的線型，因此制造合格、適用度高的胎架是保證建造優(yōu)質(zhì)艦船的關(guān)鍵之一。柔性胎架[7]的概念基于“多點(diǎn)成形”，20世紀(jì)中后期，最早由日本人提出。國內(nèi)最早關(guān)于多點(diǎn)成形的研究是李明哲教授從日本歸國后在吉林大學(xué)展開的。1990年，李教授[8]籌建無模成形技術(shù)中心，主要從事多點(diǎn)成形技術(shù)與柔性胎架系統(tǒng)的研究。2008年，江蘇科技大學(xué)佘建國[1011]教授，基于生產(chǎn)中心制造船模式，提出選用柔性胎架來支撐船體反造時的分段，以保證其船體分段的形線。該系統(tǒng)不僅可以按固定的軌道進(jìn)行整體移動，而且還通過滑塊和絲杠對單個胎架進(jìn)行縱向或者橫向的調(diào)節(jié)，將船舶生產(chǎn)流水化。柔性胎架系統(tǒng)[12]適用于大中型船廠，為船舶建造提供了一種高效的工裝設(shè)備與生產(chǎn)方法。目前，柔性胎架[13]主要一下有三個特點(diǎn)：首先，胎架的高度可以根據(jù)需要，自由調(diào)節(jié)，以滿足不同船型的的外板型值；其次，胎架可以滑動，改變的位置，以適應(yīng)不同的船體型值；第三，當(dāng)需要移動場地時，只需要將胎架按照固定的軌道進(jìn)行移動，有利于分段船體的套造。設(shè)計(jì)自動支撐檢測平臺來解決大型船舶制造企業(yè)加工生產(chǎn)過程中的檢測問題。該支撐檢測平臺在克服惡劣的加工環(huán)境上有明顯的提升并能有效縮短檢測周期，提高檢測效率?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)不僅實(shí)現(xiàn)了鋼板的動態(tài)智能支撐，而且實(shí)現(xiàn)鋼板水火加工與鋼板曲面檢測的有機(jī)結(jié)合，從而將從總體上提高水火彎板的效率，為整個生產(chǎn)加工過程提供了便利。 本課題的主要研究內(nèi)容本文主要針對胎架的功能和使用情況，主要通過對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，來減少胎架支撐時的高度誤差，提高工作效率，從而完成對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。（1）分析胎架的功能與操作需求，完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：胎架的功能與操作需求：根據(jù)胎架的使用工況，服務(wù)對象，分析胎架的功能及操作需求，確定控制系統(tǒng)的基本功能要求；根據(jù)控制系統(tǒng)的基本功能要求，選擇控制系統(tǒng)的類型以及控制元件，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案；根據(jù)控制系統(tǒng)總體方案編寫控制程序；（2）完成胎架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，對方案進(jìn)行優(yōu)化。第二章 數(shù)控胎架控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 背景因?yàn)槭艿阶陨砑庸すに嚨挠绊懀w外板的制造的現(xiàn)場環(huán)境總是非常惡劣，無論是采用工人來進(jìn)行手動加工還是使用工業(yè)機(jī)器人自動化加工，船體外板加工面上總是水火交融的場景，所以目前還沒有對正處在水火加工過程中的船體外板的加工面進(jìn)行檢測的有效手段。目前造船行業(yè)主流的檢測方法是對船體外板單次加工后的板形進(jìn)行檢測[8]。這種手段雖然精確，但是缺少對板型二次加工的預(yù)測數(shù)據(jù)，大大降低了生產(chǎn)效率和成功率。 支柱式胎架內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理數(shù)字胎架是由蝸輪蝸桿換向組和絲杠組成。三維結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖21 支柱式胎架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，蝸桿的轉(zhuǎn)動經(jīng)由蝸輪蝸桿換向組換向，轉(zhuǎn)換成蝸輪的轉(zhuǎn)動，由于蝸輪內(nèi)圈有和螺紋絲杠配合的螺紋，運(yùn)動傳遞到絲杠，帶動絲杠轉(zhuǎn)動。因?yàn)榻z杠上鍵槽的存在，限制了絲杠的轉(zhuǎn)動自由度，所以絲杠只能做上下升降運(yùn)動，從而形成支柱作用。為了應(yīng)對突發(fā)狀況，胎架還設(shè)計(jì)有“手動”和“自動”兩種操作模式。手動模式由手輪帶動蝸桿轉(zhuǎn)動。而自動模式則是由步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)帶傳動傳遞到蝸桿。此外還設(shè)計(jì)有一個可移動的皮帶輪來控制皮帶的張緊程度。在胎架頂部還安裝有壓力傳感器，當(dāng)船體外辦在支柱胎架上加工時，隨著加工的進(jìn)行，船體外板也在發(fā)生變形，壓力傳感器接受的信號也在變化。通過對信號的處理，判斷胎架升降的高度。 控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)是指按照所希望的方式改變或保持機(jī)器或其他設(shè)備中感興趣的量或狀態(tài)的一種系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的組成與三部分，分別是主體控制系統(tǒng)、客體控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)三部分。這三部分彼此之間相互協(xié)調(diào)，是被控對象達(dá)到所期望的某種穩(wěn)定狀態(tài)。控制系統(tǒng)是控制主體與被控對象之間的連接紐帶，是整個系統(tǒng)的一個重要組成部分。 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類有多種方法。（1）按控制系統(tǒng)原理的不同，可分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制閉環(huán)控制。見表21。表21 控制系統(tǒng)按系統(tǒng)原理分類類型定義特點(diǎn)開環(huán)控制，精度低，可靠穩(wěn)定閉環(huán)控制，自動減小偏差半閉環(huán)控制1. 控制精度介于開環(huán)和閉環(huán)之間（2）按輸入量的變化特征分類，見表22表22 控制系統(tǒng)按輸入量分類類型定義特點(diǎn)程序控制輸入量的變化規(guī)律事先知道系統(tǒng)的輸出按預(yù)定規(guī)律變化恒值控制輸入量是恒定值輸出量為恒定值伺服控制輸入量變化不能事先確定輸出量迅速平穩(wěn)地跟隨輸入變化 控制系統(tǒng)的選擇在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，絲杠的上升通過蝸輪蝸桿來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述控制系統(tǒng)按系統(tǒng)原理類型和輸入量的分類，胎架需要通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動控制，顯然液壓控制方案和氣動控制方案均不可行，選擇電氣控制作為胎架的控制方法。 數(shù)控胎架控制系統(tǒng)的技術(shù)要求將船體外板放置在支柱式胎架組上進(jìn)行加工時，隨著加工過程中鋼板發(fā)生的形變，每個支柱上的壓力傳感器接受的信號也在變化?？刂葡到y(tǒng)是要實(shí)現(xiàn)對壓力信號的處理，來改變每個支柱的型值調(diào)節(jié)，既每個支柱的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中絲杠的位移量。在實(shí)際生產(chǎn)中，數(shù)控胎架的數(shù)目眾多，可分為若干組，控制系統(tǒng)要調(diào)節(jié)的是每一組胎架的型值，使得其構(gòu)成的形狀滿足分段船體外板的型值。因此，胎架的控制系統(tǒng)需要按照以下設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）能控制每個胎架支柱的型值調(diào)節(jié)；（2）能控制絲杠進(jìn)行豎直方向上的升降運(yùn)動；（3）能精確控制絲杠的行程，不失步，每個脈沖都必須得到執(zhí)行；（4）對控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求不高，不需要快速響應(yīng)；（5）對絲杠的運(yùn)動速度要求不高，不需要反復(fù)加速或減速； 控制系統(tǒng)的總體控制流程及方案控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)有自動控制和手動控制兩種模式。自動控制和手動控制模式之間可以來回切換，由操作人員選擇。具體控制流程如圖22。圖22 控制系統(tǒng)總體流程示意圖對與自動控制部分來說，主要是應(yīng)用于胎架的自動復(fù)位和自動支撐環(huán)節(jié)。自動復(fù)位環(huán)節(jié)需要通過安裝在胎架上的下限位開關(guān)確保胎架的復(fù)位結(jié)束。復(fù)位過程控制流程如圖23所示。圖23 自動復(fù)位控制流程原理圖自動支撐