【文章內(nèi)容簡介】 沖壓動作。沖床的自動送料及定位 控制 由 PLC 和伺服 模塊實現(xiàn)， 根據(jù)伺服驅動器和伺服電動機的參數(shù)進行計算，算出接受多少的脈沖伺服電動機走多遠的距離，然后根據(jù)人機界面上輸入的移動數(shù)據(jù)進行計算分析，再 利用 PLC 內(nèi)部自帶的脈沖發(fā)生器 ，將指定的脈沖數(shù)目發(fā)送給伺服驅動器，完成系統(tǒng)所要求的移動位置，實現(xiàn)自動送料和定位控制。 人 機 界 面電 磁 閥 （ 沖 頭 ）伺 服 驅 動 器P L C電 磁 閥 （ 切 片 ）伺 服 電 機 氣 液 增 壓 缸氣 液 增 壓 缸 圖 系統(tǒng)總體控制框圖南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 10 第 四 章 沖床自動控制 系統(tǒng) 功能硬件實現(xiàn) 控制器 PLC 的 選 型 因為伺服電機的位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，伺服電機的轉速與脈沖頻率成正比，所以我們需要對電機的 脈沖個數(shù)和脈沖頻率進行精確控制。且由于伺服電機具有無累計誤差、跟蹤性能好的優(yōu)點，伺服電機的控制主要采用開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，通常在使用時要搭配伺服驅動器進行控制，而伺服電機驅動器采用了大規(guī)模集成電路，具有高抗干擾性及快速的響應性。在使用伺服驅動器時，往往需要較高頻率的脈沖，所以就要求所使用的 PLC 能產(chǎn)生高頻率脈沖。 選擇合適的機型是 PLC 控制系統(tǒng)的硬件配置的關鍵問題，目前，國內(nèi)外生產(chǎn) PLC 的廠家很多，如西門子、三菱、松下、歐姆龍、 LG、 ABB 公司等，不同的廠家的 PLC 產(chǎn)品雖然基本功能相似，但有些特殊功能、價格、 服務及使用的編程指令和編程軟件都不相同。而同一個廠家生產(chǎn)的 PLC 產(chǎn)品又有不同的系列，同一系列又有不同的 CPU 型號，不同系列、不同型號的產(chǎn)品在功能上有較大的差別。因此如何學用合適的機型至關重要。 PLC 的選型原則 在滿足控制要求的前提下選型時應選最佳的性價比，一般可以從以下幾個方面考慮： I/O 點數(shù)是 PLC 的一項重要指標。合理選擇 I/O 點數(shù)既可使系統(tǒng)滿足控制要求有可使系統(tǒng)總投資最低。 PLC的輸入輸出點總數(shù)和種類應根據(jù)被控對象的模擬量、開關量、輸入 /輸出設備狀況（包括模擬量、開關 量、輸出類型）來確定，一般一個輸入輸出元件要占用一個輸入輸出點?？紤]到今后的擴充，一般應估計的總點數(shù)再加上 15%～ 20%的備用量。 本設計所占用的 I/O點數(shù)計算： 輸入信號：停止按鈕，需要一個輸入點；定位傳感器信號，需一個輸入點；氣缸上下限位信號，需要四個輸入點。以上共需要 6 個輸入信號點，考慮以后對系統(tǒng)的調(diào)整與擴充留有 20%的備用點，即用 6 20%=2，取 2 個點，這樣共用8 個輸入點。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 11 輸出信號：一共要用三個指示燈 ，需要三個輸出點 ； 伺服驅動器需要三個輸出點 ； 電磁閥的控制需要兩個輸出點 ；以上共需要 8 個輸出點考慮 以后對系統(tǒng)的調(diào)整與擴充留有 20%的備用點，即 8 20%=，取 2 個點，這樣共用 10個輸出點。 用戶存儲容量估算 用戶應用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關，如 I/O 點數(shù)、控制要求、運算處理量、量程結構等。因此在程序設計之前只能粗略的估算。根據(jù)經(jīng)驗，每個 I/O 點及有關功能器占用內(nèi)存大致如下： 開關量輸入元件： 10～ 20B/點； 開關量輸出元件： 5～ 10B/點； 定時器 /計數(shù)器： 2B/個； 模擬量： 100～ 150B/點； 通信接口：一個接口一般需要 300B 以上； 根據(jù)上面算出總字數(shù)再加上 25%左右的備用量， 就可以估算出程序所需要的內(nèi)存量，從而選擇合適的 PLC 內(nèi)存。 本設計所需 CPU 內(nèi)存的計算： 開關量輸入元件 8 點 10～ 20B/點≈ 80～ 160B； 開關量輸出元件： 10 點 5～ 10B/點≈ 50～ 100B； 總需內(nèi)存量： 130～ 260B； 本系統(tǒng)中可編程序控制器的選取及其特點 目前 PLC 使用性能較好的 SIEMENS 公司、日本的三菱、歐姆龍、美國的AB 公司，根據(jù)性價比的選擇，根據(jù)被控對象的 I/0 點數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，本設計采用 SIEMENS 公司的 S7200 系列 PLC。 S7200 系列 PLC 特性 一、 Siemens S7200 主要功能模塊介紹 （ 1） CPU 模塊 S7200 的 CPU 模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字 I/O 點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。 CPU 負責執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場設備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅動外部負載。從 CPU 模塊的功能南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 12 來看， CPU 模塊為 CPU22*，它具有如下五種不同的結構配置的 CPU 單元。 ① CPU224 它有 14 輸入 /10 輸出， I/0 共計 24 點。和前兩者相比，存儲容量擴大了一倍，它可以有 7 個擴展模 塊，有內(nèi)置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是使用得最多 S7200 產(chǎn)品。 ② CPU226 它有 24 輸入 /16 輸出， I/0 共計 40 點，和 CPU224 相比，增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 （ 2）開關量 I/O 擴展模塊 當 CPU 的 I/0 點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行 I/O擴展， I/O 擴展包括 I/O 點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。 通常開關量 I/O模塊產(chǎn)品分 3 種類型 :輸入模塊、輸出模塊以及輸入 /輸出模塊。 典型的數(shù)字量 I/O擴展模塊有 :輸入擴展 模塊 EM221 有兩種 :8 點 DC、 8 點 AC 輸入 。輸出擴展模塊EM222 有三種 :8點 DC 晶體管輸出， 8 點 AC 輸出、 8 點繼電器輸出。輸入 /輸出混合擴展模塊 EM223 有六種 :分別為 4 點 (8 點、 16 點 )DC 輸入 /4 點 (8 點、 16點 )DC 輸出、 4 點 (8點、 16 點 )DC輸入 /4點 (8 點、 16點 )繼電器輸出。 PLC 的配置 本設計選用 S7200系列 PLC的 CPU的型號為 CPU224。 本機集成 14 輸入 /10輸出共 24 個數(shù)字量 I/O 點。可連接 7 個擴展模塊，最大擴展至 168 路數(shù)字量I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 6 個獨立的 30kHz高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個 RS485通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。 圖 S7224 型 PLC 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 13 伺服 選型 伺服 電機的選型 伺服電機選型應考慮的問題 （ 1）電機的最高轉速 電機選擇首先依據(jù)沖 床快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C轉速應嚴格控制在電機的額定轉速之內(nèi)。 nom3hm a x n10P uVn ???? 式中， nom 為電機的額定轉速（ rpm）； n 為快速行程時電機的轉速（ rpm）；ma xV 為直線運行速度（ m/min）； u 為系統(tǒng)傳動比， u=n 電機 /n絲杠； hP 絲杠導程（ mm）。 在本系統(tǒng)中 maxV 大約為 10 m/min，huP 為 1/，則 n 大約為 ，所以取電機的額定轉速為 3000rpm。 （ 2）慣量匹配問題及計算負載慣量 為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求 , 負載慣量 JL 應限制在 倍電機慣量 JM 之內(nèi)，即 ML ? 。 2N1jjj2M1jjjL )V(m)(JJ ???? ?? ??? 式中， jJ 為各轉動件的轉動慣量， ； j? 為各轉動件角速度， rad/min；jm 為各移動件的質(zhì)量， kg； jV 為各移動件的速度， m/min； ? 為伺服電機的角速度， rad/min。 3）空載加速轉矩 空載加速轉矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時。一般應限定在變頻驅動系統(tǒng)最大輸出轉矩的 80% 以內(nèi)。 %8060 )(2 m a xm a x ???? AFac ML TTt JJnT ? 式中， maxAT 為與電機匹配的變頻驅動系統(tǒng)的最大輸出轉矩（ ）； ma xT 為空載時加速轉矩（ ）； FT 為快速行程時轉換到電機軸上的載荷轉矩（ ）；act 為快速行程時加減速時間常數(shù)（ ms）。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 14 （ 4）切削負載轉矩 在正常工作狀態(tài)下，切削負載轉矩 msT 不超過電機額定轉矩 MST 的 80%。 %8021 ??? MScms TDTT 式中， cT 為最大切削轉矩（ ）； D 為最大負載比。 （ 5）連續(xù)過載時間 連續(xù)過載時間 lont 應限制在電機規(guī)定過載時間 Mont 之內(nèi)。 根據(jù)以上要求系統(tǒng)選用 SINAMIC V80 專用伺服電機做為系統(tǒng)驅動部分。如下是 伺服 電機的 一些典型 技術數(shù)據(jù)： 表 伺服電機技術參數(shù) 型號 1F40330AF210AA0 參數(shù) 單位 數(shù)據(jù) 額定功率 nP KW 額定扭矩 nM .Nm 額定電流 nI A 額定速度 n rpm 3000 扭矩常數(shù) ./NmA 轉子慣量 42*10 kgm? 額定角加速度 2/rad s 21100 伺服驅動器的選型 西門子的經(jīng)濟型伺服包括 V80 系列 ， V80 的功率范圍為 kW~ kW,并與 S7200 一起構成簡易 、 經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng) 。 圖 SINAMICS V80 伺服系統(tǒng) 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 15 SINAMICS V80 伺服驅動系統(tǒng)包括伺服驅動器和伺服電機兩部分，伺服驅動器總是與其對應的同等功率的伺服電機一起配套使用。 SINAMICS V80 伺服驅動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信號來完成驅動器運行的 控制和實時狀態(tài)的輸出。 SINAMICS V80 的 技術特點與優(yōu)勢 硬件系統(tǒng) 最小化的尺寸，節(jié)省安裝空間 ； 優(yōu)化的散熱和通風設計，無需散熱風扇 ； 標準化的接口與端子，簡化安裝與維護 ； 速度設定直接為脈沖輸入，方便系統(tǒng)設計 ； 伺服驅動器與伺服電機配套設計，配合完美 。 技術功能 無需參數(shù)調(diào)試，簡單易用 ； 高精度的控制脈沖，更好的滿足控制的要求 ； 集成的編碼器接口，可直接實現(xiàn)閉環(huán)控制 。 通訊連接 標準的連接電纜，與 PLC 實現(xiàn)順暢、可靠的連接 ； 全面的實現(xiàn)全集成的自動化（ TIA） 。 沖頭 切片 氣缸選型 圖 氣液增壓機 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 16 由于本系統(tǒng)的沖壓力矩要求很大，所以 使用 氣液增壓機結構。 如圖 所示為氣液增加缸工作原理， 采用氣缸與液壓缸以及氣控電控閥組作為動力執(zhí)行元件。 最大 6bar 或 10bar 壓縮空氣驅動，無需液壓系統(tǒng)，即可產(chǎn)生 2kN 2020kN的沖壓力，沖壓力可在額定最大值以下無級調(diào)節(jié)。三行程全新沖壓設備 針對實際沖壓加 工的不同階段科學定點地施加不同的動力，實現(xiàn)了最經(jīng)濟的高質(zhì)量沖壓加工，能耗極低 。 氣液增壓機有 四種工作方式 。 ——主閥（ a）動作，工作活塞桿（ 1）純氣動驅動外伸，推動上模具快速小力接觸工件。 ——上模具遇到外阻（工件），力行程轉換閥（ b）自動動作，增力活塞桿（ 2）封閉高壓油，開始氣液增壓的力行程。 ——主閥換向，內(nèi)置式力行程轉換閥自動排氣，工作活塞桿返回，完成一個工作循環(huán)。 氣液增壓機的特點 先進的 “軟到位 ”沖壓技術 在空行程，沖壓模 具由壓縮空氣驅動，快還小力接觸工件，無沖擊、無噪聲，極大地提高了沖壓加工質(zhì)量及模具壽命，改善了沖壓加工環(huán)境。 獨特的 “增力自適應 ”沖壓技術 在總行程范圍內(nèi)，無論在任何位置，只要模具一碰到工件，氣液增壓機即自動地由快進行程轉換為力行程，進行全力沖壓加工，無需任何附件的調(diào)節(jié)控制。更換不同模具，不同工作，無需進行設備形成調(diào)節(jié)。 氣液增壓機的 功能 氣缸與液壓缸專利密封結構設計，集氣缸與液壓系統(tǒng)的優(yōu)勢于一體，完善的結構是高效率、高質(zhì)量、長壽命和運行成本低的可靠保證。我們還設立了感應開關 ， 在預壓氣驅 動的行程中 ， 它只要在任何位置點感應到工件 ， 就會立即轉換成液壓 ， 無需走完全部行程 ， 同時在