数控节能400吨电动螺旋压力机控制系统开发

摘 要摘 要模锻锻压在国防、汽车、工程机械等领域发挥着举足轻重的作用，是这些领域发展的基础。随着这些领域的不断发展对模锻件的要求也越来越高，例如汽车工业之中的发动机连杆模锻件质量公差仅为5克，使用模锻设备加工成型后只需要模削加工即可，然而传统的模锻成型设备，例如模锻锤、热模锻压力机却很难制作出精密的模锻器件，难以满足工业的要求。电动螺旋压力机因为滑块没有固定的下死点，同时采用了直接转矩控制技术，所以实现了理想的精密高效节能的模锻设备。本论文采用西门子可编程控制器PLC S-200，采用以触摸屏为人机界面的电动螺旋压力机专用数控系统，通过编码器输出脉冲的检测从而实现了滑块打击能量和位置的精确控制，自动化程度较高，可靠性和稳定性较强，符合当代发展的要求。电动螺旋压力机需要频繁的启动和正反转，为了避免过高的启动电流对电机损耗同时实现较高的输出转矩，这需要先进的交流调速方法的运用。本设计运用直接转矩交流调速技术，通过变频器来控制电机，不仅实现了电机的较小启动电流同时实现了较高的启动转矩。本文详细的分析了电动螺旋压力机的运动过程和能量转化过程，最终根据设计要求和参数给定，通过PLC编程开发出了控制系统。实际的应用中电动螺旋压力机凭借其锻压精确、构简单、效节能等优点，越来越受到人们的青睐，未来不久这种高效节能的锻压设备必然逐渐取代传统的锻压设备成为国防和工业中的主流。关键词：电动螺旋压力机；直接转矩控制；可编程控制器；编码器；触摸屏；- 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 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1螺旋压力机11.2 螺旋压力机的发展历史21.3 高效节能400吨螺旋压力机的分析41.4 本课题研究的主要内容6第二章 电动螺旋压力机打击能量的分析82.1 电动螺旋压力机的力能关系82.1.1 运动部分能量的组成82.1.2 能量的转换82.2 螺旋压力机打击过程能量分析102.3 400吨电动螺旋压力机相关参数的计算11第三章 电动螺旋压力机器件选择133.1 引言133.2 可编程控制器的选择143.3 电机的选择153.4 变频驱动器的选择163.5 编码器的选择193.6 滑块位移的检测193.7 触摸屏的选择203.8 制动电阻选择21第四章 400吨螺旋压力机控制电路及程序的设计224.1 主电路图224.2 PLC接线图234.3 程序结构244.4 打击流程254.5 I/O接口分布表274.6 触摸屏编程28总 结30参考文献31致 谢32附录 接线图33第一章 绪论第一章 绪论1.1螺旋压力机螺旋压力机是用螺杆、螺母作为传动机构传递飞轮能量的锻压机械的总称。螺旋压力机的基本组成部分为：螺杆、螺母、飞轮、滑块和机身等，通过摩擦液压电机直接驱动等方式来驱动飞轮加速旋转从而积蓄能量，由螺杆将飞轮的正反转转化为滑块的上下往复直线运动。当滑块接触到要成型的工件时，飞轮被迫至完全停止，储存在飞轮上的螺旋能转化为对工件的冲击能，通过滑块来打击工件迫使其变形，所以通常所说的螺旋压力机也被成为螺旋锤。表1-1 机械压力机锻锤螺旋压力机的性能比较机械压力锻锤螺旋压力机打击力量不可控不可控可控滑块速度慢快较快打击时间长短较长打击过程固定不固定不固定冲击小大较小从上面三种锻压设备的性能比较可以明显的看出，螺旋压力机具有独特的性能优势，螺旋压力机既有机械压力机和锻锤的特长，它还克服了这两种锻压设备的劣势。具体性能优势可以从以下几个方面具体来阐述：1. 螺旋压力机的打击力相比其他两种锻压设备可以准确的控制。2. 螺旋压力机的滑块速度介于机械压力机和锻锤之间，速度比较适中。由于滑块速度适中，有利于金属在锻压过程中再结晶过程充分适当的进行，适合于各种行业中结晶速度慢的金属锻压。3. 通过时间的证明，在锻压过程中，滑块与锻件接触时间越少，锻压出的锻件的寿命越长。螺旋压力机与锻件的接触时间较短，基本为其他两种锻压设备的一般，锻压时传递到锻件的热量较少，温升低锻件的寿命较长，这对于大批量生产非常重要。4. 由于打击过程的不固定，可以消除因为锻压设备的机械变形而造成对锻压器件精度的影响，可以通过多次的打击来获得工件的变形。5. 由于螺旋压力机的承受过载能力较强，允许超过公称压力的载荷作用在设备上，对设备的锻压能力和寿命都是非常有益的。6. 螺旋压力机在工作时，在封闭的空间内完成锻压过程，设备与地面处理比较简单，投资比较少。另外还可以改造工作环境更加人性化，噪音污染较低。 通过上面螺旋压力机与机械压力机和锻锤的各项性能的比较，可以看出螺旋压力机是随着时代的发展生产力的提升，不断优化完善的一种设备，它在各项性能之中所拥有的优势必将取代机械压力机和锻锤，成为锻压设备的主流设备，其他两种设备也必将被时代所淘汰。1.2 螺旋压力机的发展历史螺旋压力机是最古老的成型设备之一，具有悠久的历史，在其发展过程中出现了摩擦螺旋压力机液压螺旋压力机离合器螺旋压力机和电动螺旋压力机四种主要的传动形式。摩擦螺旋压力机是最早用于现代化大生产的螺旋压力机，由于其结构简单，价格低廉等优点，现在仍然在一些小型的落后的锻压厂里使用。螺旋压力机其工作原理是通过摩擦力产生力矩，在锻压过程中向螺旋机构传递电动机的能量和动能。在19世纪初开始使用，德国公布了首个摩擦螺旋压力机的专利。摩擦压力机有比较多的缺点，它是由电机带动摩擦盘不停的告诉旋转，而飞轮在一个循环过程中还需要改变方向,飞轮在换向过程中飞轮和摩擦盘之间发生严重的打滑现象，这不仅损耗了能量降低了工作效率，而且对锻压设备的损害比较严重。摩擦压力机还会造成制造成的工件不够精确，工作环境恶化等。 图1-2 摩擦螺旋压力机外形进入20世纪，随着生产力的发展，基于摩擦螺旋压力机的种种问题的凸显，人们开始研制液压螺旋压力机，40年代开始应用于工业生产之中。液压螺旋压力机主要是借助液压缸和液压马达的液压动力装置来驱动滑块，在滑块打击工件前积蓄能量，在接触工件时释放能力使工件成型。液压螺旋压力机优于摩擦螺旋压力机，能够使传动效率大为提高，而且液压螺旋压力机适合向中大吨位发展。但是液压螺旋压力机同样也存在着很多问题，液压螺旋压力机结构复杂，维修成本高，维护不方便，同时液压泄漏还会对环境造成污染，因此，这种压力机也将会被取代。 图1-3 液压螺旋压力机外形前苏联是最早研制电动螺旋压力机的，它的基本原理是直接用电动机转子来代替飞轮，或通过齿轮或皮带带动飞轮旋转，去除了低效率的摩擦传动，具有最短的传动链和较高的效率。但是这种最初研制的电动螺旋压力机并没有达到人们所期望的高效节能,这种最初的电动螺旋压力机需要电机频繁的进行正反转，电能损耗打到50之多；电动机频繁的正反转使得电机发热比较厉害，温度可以达到120；这种螺旋压力机起动电流过大，对电网的冲击比较厉害；鉴于当时电机和控制技术的限制，这些问题无法得到解决。20世纪70年代德国把变频器引用于电动螺旋压力机，新技术的引用使得启动电流减小，发热减小，电机的速度得到了控制。但是这种电动螺旋压力机不能实现闭环控制速度，不能精确控制打击能量，误差较大影响制件精确度。1.3 高效节能400吨螺旋压力机的分析电动螺旋压力机的原理图如1-4所示 1.电机 2.主动轮 3.飞轮 4.螺杆 5.螺母 6.滑块 7.制动器 8.顶出器 图1-4 电动螺旋压力机原理图高效节能数控电动螺旋压力机去掉繁琐耗能的摩擦传动，直接用电机转子来代替飞轮，采用电机直接连到皮带上从而驱动小齿轮。这种螺旋压力机在工作时，电机由静止状态启动逐渐加速，通过皮带小齿轮大齿轮传动电机的动能带动滑块向下加速运动不断的积蓄能量。当电机加速到提前设定的速度时，电机将不再加速，滑块就会以设定的打击能量下行进行工件打击，当滑块运行到下止点时，滑块打击工件，随后滑块反弹，电机发出反转信号，滑块将向回运动。这时候电机反转，当滑块达到预设的高度时，电机制动器制动，电机停止，自动进入下一个打击回程，PLC将记录一次打击次数。这是利用传动系统储存的能量对工件进行做工，使工件成型，当滑块向下运动打击滑块时是一次能量的释放。当设定为连续工艺时，工序未全部完成电动机带动滑块自动进入下一个打击行程。当工序完成时，电机带动滑块回到起止点，取出打击成型的工件，一个工序全部完成。这种数控电动螺旋压力机的自动化程度比较高，节省了人力。 图1-5 数控节能电动螺旋压力机的机械部分把摩擦压螺旋压力机改造为400吨数控节能电动螺旋压力机，每吨产品的耗电量由原来的10.87kw/h降低到3.49kw/h，比改造前节能67.79。改造之后由于控制系统更加先进，打击更加精确，产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。由于耗电量的节省和产品合格率的提高带来的节省，两项合计，每台设备每小时可为公司节省90元的成本费。如图1-6是节能比较： 0.03吨煤 0.3元 = 90元数控节能电动螺旋压力机相比于以往的螺旋压力机更多的益处在于：1. 最大限度的节省了自然资源，采用PLC可编程控制节省了很多的机械控制元件，为国家节省了资源，符合当今的发展方向。2. 在当今人力资源日益缺乏的今天，数控节能电动螺旋压力机由原先的三人以上操作较少到一人就可以操作，还使操作者摆脱了繁重的的体力劳动，操作更加简单，使企业摆脱了人力的技能要求。3. 电机刹车，红外线刹车等先进技术的应用彻底保证了生产过程的安全，更加尊重了人权，更加人性化。4. 改善了工作的环境，采用先进的数控技术不仅大大减少了生产过程中的噪音污染，也降低了液压的环境污染。5. 大大减少了机器的维修运行费用，采用新的技术消除了以前机器当中的易损易坏的地方和元件，从而又为企业节省了维修人员的费用。 1.摩擦压力机 2.节能数控螺旋压力机 图1-6 应用与节能效果 1.4 本课题研究的主要内容本文研究400吨高效节能螺旋压力机控制系统的开发，对研究过程中遇到的问题进行了研究解决，主要内容：1. 详细描述了400吨螺旋压力机的构成，并对其锻造的工作过程进行了详尽的描述。2. 分析了螺旋压力机的锻压能量设定方法，并提出了一种设定打击能量的方法。3. 分析了螺旋压力机锻压的整个过程，通过力学的观点提出了螺旋压力机锻造过程中打击力的确定。4. 通过分析电动螺旋压力机，选择电动螺旋压力机的各种硬件器件，例如电机编码器触摸屏等。5. 画出400吨电动螺旋压力机的控制电路接线图6. 分析PLC控制的各种动作，编写触摸屏程序，是锻造更加人性化自动化。7. 总结展望在研究课题过程中遇到的难点，提出自己的解决方案。 第二章 电动螺旋压力机打击能量的分析第二章 电动螺旋压力机打击能量的分析螺旋压力机属于设定能量的锻压设备，其主要能量是依靠滑块运动部分来做工，螺旋压力机的打击能量是其一项重要的性能参数。在以往摩擦压力机的规定标准中规定压力机的有效能量不能低于运动能量的60，在电动螺旋压力机中国家尚未公布标准，但从其最后的打压转化做工的过程来看，其有效能量同样也不能低于运动能量的60。2.1 电动螺旋压力机的力能关系2.1.1 运动部分能量的组成电动螺旋压力机中通过电机转子的转动所释放的动能，通过传动机构到飞轮、滑块、螺杆上积蓄的总能量AL为： （2-1）其中 为螺旋压力机打击工件时的的总能量； J为飞轮部分的转动惯量； 为飞轮转动时的角速度； M为滑块直线运动时的质量； V为滑块向下运动时的速度； H为主螺杆的导程。因此，从上面分析可以得出，在螺杆导程h下行滑块质量m飞轮转动惯量J等参数设定好以后，可以通过检测滑块的稳定速度v，来计算得出电动螺旋压力机运动部分的能量。2.1.2 能量的转换 在电动螺旋压力机在工作打击工件时，运动部分的能量全部消耗完毕，运动能量主要转化为其他三种能量：锻压工件的变形能Ed机器的弹性变形能Et机器摩擦损耗的能量Em，根据能量守恒： = Ed + Et + Em （2-2） 进行分别计算：1. 锻压工件的变形能Ed： （2-3）其中， 为锻件的变形量。工件的变形能与工件的打击力工件的材料等有关系，通过不断的理论分析和实践所掌握的经验教训，可以形成工件的锻造工艺。2.的弹性变形能Et （2-4） 为机器的弹性变形量 为打击力，随打击能量的变化而不同 C为机械的总刚度 通过上述分析可得: (2-5)3.机器摩擦损耗的能量Em (2-6) 为能量的折减系数，与机器的润滑程度，螺旋杆的结构参数有关。一般认为，摩擦损耗的能量为总能量的 15-20 从上式的分析可以知道，机器的摩擦损耗的能量与打击力无关，只与能量的折减系数和运动部分的总能量有关，所以当螺旋压力机没有设置摩擦打滑保险装置时，机器的摩擦损耗的能量是一个定值。2.2 螺旋压力机打击过程能量分析 根据上面（2-5）和（2-6）可以做出螺旋压力机的力能关系曲线，如图2-1 图2-1 螺旋压力机力能曲线示意图从上面螺旋压力机力能曲线示意图来分析，螺旋压力机在锻压工件时的能量转化过程和行程过程为: 当滑块加速到最大设定速度向下运动未接触工件时为d点，此时打击力最大Pmax，运动能量还未转化为工件的变形能；当滑块接触工件，能量慢慢转化为工件的变形能量，当到达c点时，达到设备长期运行许用压力Po,此值一般为公称力Pg的1.6倍；随着继续能量的转化，到达b点为公称压力，纵坐标为公称压力下的工件变形能，一般要求应大于总能量Al的60；当到达a点时，工件向下的一个行程结束，滑块之中的能量除了固定的摩擦能量外全部转化为工件的变形能量。从上图中还可以看出电动螺旋压力机的摩擦能没有设置摩擦打滑保险装置时是固定不变的，不随能量的转化而改变。只要锻件的变形能和打击力等工艺参数在上面力能关系曲线内，那么就可以用这种电动螺旋压力机锻压成功，所以力能曲线对电动螺旋压力机非常重要，是其性能的重要依据。从以上分析中可以知道，最大打击力Pmax远大于公称打击力Pg,而在最大打击力下锻件的变形为零，所以最大打击力对于锻造工艺来说是毫无意义的。在打击工件时，如果工艺要求锻压能量要大于工艺要求，而且最大打击力要保证机器的安全，那么这样就不得不加厚机器的机械强度，这样做的后果会使电动螺旋压力机变得笨重，而且这样做还会导致对机器的投资成本增大，不利于生产效益的提高在大中型锻压设备中，为了保证安全同时降低设备成本，在机器的飞轮部分设置摩擦打滑保险装置，当打击力超过设计的打滑力时，通过摩擦力来消耗能量，达到减小最大打击力的目的。具有摩擦打滑保险装置的力能关系如图2-4所示： 图2-4 飞轮设置摩擦打滑保险装置的力能曲线P1为设定的打滑打击力，一般在设计螺旋压力机时打滑打击力为公称压力的2倍左右较为合适。2.3 400吨电动螺旋压力机相关参数的计算400吨螺旋压力机的公称压力 =mg=400100010=4000(kN) (2-7) 最大打击力 2=8000（KN） (2-8)一般400吨电动螺旋压力机的机械强度C为8，所以根据2-5式得到: Et=40(KJ)所以总的能量为： =Ed + Et + Em =40000+20 求得=50（KJ）根据2-1式 式中，设置滑块的质量为10KG，螺杆的行程h为420毫米，转轮的转动惯量取1.24，将400吨电动螺旋压力机的这些参数带入上式，可得： V500 (mm/s) 第三章 电动螺旋压力机器件选择第三章 电动螺旋压力机器件选择3.1 引言由于电动螺旋压力机在锻压工件时，工作环境比较恶劣特殊，决定了数控电动螺旋压力机对控制系统要求比较严格，而可编程控制器具有可靠性高，抗干扰能力和适应性强，控制系统设计、安装、调试方便等优点，因而选取可编程控制器作为控制核心。以可编程性控制器作为控制的核心，以工业触摸屏作为人机界面的控制系统，组成了数控电动螺旋压力机的数控系统。400吨螺旋压力机的控制系统总体设计方案如图4-1所示。控制系统的的核心为西门子可编程系统PLC，可编程PLC发出指令控制变频驱动器各种动作，变频器再控制电机的运转，通过传动系统传递到打击滑块做上下直线运动，在通过能量的转化来实现打击滑块的目的。滑块位移检测来检测滑块的位移，从而来控制滑块的打击能量，PLC在通过高速计数口来得到位移的信息来实现控制。PLC通过数字量输入口来接收按钮信号，根据按钮输入的信号来实现控制。在工作时，通过触摸屏来实现工作数据的显示和人机界面沟通实现。、 图3-1 控制系统的总体设计方案3.2 可编程控制器的选择要实现400吨螺旋压力机的打击控制，选择核心的可编程控制软件是比较重要的，西门子S7-200型号的小型可编程控制器由于CPU226 集成了24 输入/16 输出共40 个数字量I/O 点，最多可扩展7 个扩展模块单元。CPU226 还有6 个独立的30kHz 的高速计数器，可用来检测滑块位移。2 个RS485 通讯口，可用来编程下载或与人机界面等外设通讯等功能。所以此种小型的可编程控制器PLC，完全可以实现400吨螺旋压力机的各项功能，对其进行准确高效的控制。我们选用的西门子S7-200型号的PLC编程环境如下图所示： 图3-2 S7-200 编程环境3.3 电机的选择已知设备的全行程（ S ）、飞轮对电机小齿轮的减速比（i ）、以及主螺杆导程（ h ），则有： （3-1）式中为电机部分所做的功， 为电机的额定转矩 为飞轮加速全过程对应的弧度位移又根据滑块质量（m ）和下行效率可得滑块重力所做的功为： （3-2）为重力部分做的功为电机的效率由上面两式可以推导出电机的额定转矩为： （3-3）代入数据得：=700 （3-4） 根据带入数据的，取=970r/min电动机的型号可以根据下式：=50(KW) (3-5)所以本设计选用55KW,的电动机。3.4 变频驱动器的选择直接转矩控制技术有以下几个主要特点： 直接转矩控制是建立在定子坐标系下直接分析交流电机的数学模型并控，分别控制交流电机的转矩和磁链。它的优点是不用把交流电机和直流电机进行比较；这样就省掉了交流电机与直流电机的对比建立模型的复杂过程。它还省掉了在矢量控制中因为矢量变换带来的复杂的转换和计算过程。所以，直接转矩控制具有控制信号非常简单，它所用到的控制信号能够使观察器对交流电机的物理过程作出直接明了的判断。 直接转矩控制运用定子磁链进行磁场定向的方法，仅仅知道定子电阻就可以将它观测出来。所以，直接转矩控制极大的减少了在矢量控制中实际控制效果受到电机参数的影响，比较稳定。 直接转矩控制运用空间电压矢量的方法来分析交流电机的数学模型，综合控制逆变器中六个开关元件的导通和关断，使控制变得简单明了。 直接转矩控制是通过对电机转矩的直接控制。这其中包含两层意思，其一是直接对转矩的控制：与矢量控制方法有所不同，它不是间接控制转矩，而是把转矩直接作为控制对象，直接进行控制。所以直接转矩控制的目的不是为了到最后获得理想的正弦波波形，同时也不特别的强调圆形的磁链轨迹。相反，基于直接控制转矩的出发点，它只对控制效果关注，因而可以采用离散的电压状态和六边形的磁链轨迹的概念。其二是直接控制的转矩。它通过转矩两点式调节器将实际的转矩检测值和给定的转矩指令值作滞环比较，把转矩波动限制在一定容差范围；而容差大小则由频率调节器控制。因而直接转矩控制的控制效果仅仅取决于电机转矩的实际运行情况，其控制既简单又明了。 图3-3 直接转矩控制原理图驱动系统是电动螺旋压力机控制技术的关键技术，对于螺旋压力机功能的实现非常重要，可以得出，直接转矩控制技术可以满足电动螺旋压力机的快速启动和制动，起动电流较小起动转矩较大的要求，是电动螺旋压力机现行理想的电机驱动技术。 本设计对400吨电动螺旋压力机的控制的不同要求进行综合的考虑，可以选组ACS800系列的驱动变频器，专门用于电机的转矩控制，其接线图如图3-4所示。图中的各项指令如正转或者反转停止或者启动等控制指令，均来自可编程控制器PLC控制系统，PLC根据电动螺旋压力机的运行状态给出指令进行控制。在PLC中设置一个合适的定时周期中断，一般为10ms，从而可以通过检测出来的史诗位移，对位移进行求导来求出滑块的运行速度。 图3-4 变频器的接线图根据以上能量分析，可以选用55kw的三相交流异步电动机一台，额定电压为380VAC，额定电流为42.5A，额定频率为50HZ，额定转矩为970r/min，额定转矩为700N，传动部分选用55KW的ACS800的直接转矩变频驱动器。停止/启动，正转/反转控制指令均来自于压力机的控制系统，PLC根据滑块的位移检测发出不同的控制指令来进行控制。通过滑块的位移检测装置可以实时的对滑块位移进行检测，再在PLC中设置一个足够小的定时周期中断，设置为10ms,进而可以计算出滑块的运行速度，从而对滑块进行准确的控制。变频器通电之后通过控制盘，将电机的额定参数输入到驱动单元中去，如下表3-1所示：表3-1 变频器参数设定参数号参数定义电机参数99.05额定电压380V99.06额定电流42.5A99.07额定频率50HZ99.08额定转速970r/min99.09额定功率55KW3.5 编码器的选择编码器的线数P越大，用来检测滑块位移的精度应该越高，但是因为输出的最大频率不能超过20kHZ,所以编码器的现实应： （3-6）式中，D为同步齿轮直径 为滑块的最终速度为400mm/s求得，2571所以，选择编码器的线数应该为2000.3.6 滑块位移的检测电动螺旋压力机在控制过程中，要不断的检测滑块的实时位移，在不同的位移段里面滑块要完成不同的动作，这样通过对滑块位移检测可以实现对滑块的准确控制，可以实现对工件的精确锻压，可以实现对能量的精确检测，达到控制的目的。所以在电动螺旋压力机在工作过程中实现对滑块位移的精确检测至关重要。本课题研究的400吨螺旋压力机的位移检测是通过滑块做直线运动时，滑块带动皮带的运动，皮带又带动与其轮相啮合的旋转编码器的旋转，再将编码器的脉冲信号输出至可编程控制器的告诉计数器读通过脉冲数乘以单位位移来实现检测的。滑块检测系统的原理图如图3-5所示： 图3-5 滑块位移检测原理图单位脉冲对应的滑块位移量为 （3-7）D为同步齿轮的直径，大小为28.65mm，p为编码器的线数，本设计采用线数为2000的编码器，所以带入以上数据可以得出，滑块的单位位移量：=3.1428.6520000.45 （mm）3.7 触摸屏的选择为了实现对打击过程进行实时的控制，实现对锻压工件的的精确锻压，提高电动螺旋压力机的自动化程度，人性化的人机界面是必不可少的。人机界面是存在于用户和机器之间双向沟通的桥梁，用户可以进行自由的组合图形数字等来对螺旋压力机进行方便的控制。触摸屏作为一种方便先进的人机界面系统，功能比较强大而且可以适应比较复杂的工业生产环境，所以比较适合用于电动螺旋压力机的控制系统中去，越来越受到人们的欢迎。MT500 触摸屏与西门子PLC 之间的通讯非常简单。S7-200的CPU 拥有两个RS485 通讯口，都可以用来与触摸屏通讯。在各自的编程软件中将串口通讯波特率设为一致，则两者会自行进行通讯。触摸屏与PLC的链接如图3-6所示： 图3-6 触摸屏与PLC的链接示意图3.8 制动电阻选择在外接制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分，折合成制动转矩，大约为电机额定转矩的20%。用下面公式计算制动电阻： （3-8）其中：为直流回路电压为制动转矩电动机额定转矩减速开始时的电机速度由制动晶体管和制动电阻构成的放电回路中，其最大电流受制动晶体管的最大允许电流Ic 的限制。一般变频器手册都给出了制动电阻的最小值，在本设计中因为涉及到了电动机的频繁起制动，所以要求制动电阻要稍微高一点，所以可以根据提供的参考值选则比参考值稍微大一点的制动电阻。第四章 螺旋压力机程序的设计第四章 400吨螺旋压力机控制电路及程序的设计4.1 主电路图电动螺旋压力机通过ACS800直接转矩控制变频器来驱动三相交流电机的主电路图如下图4-5所示：其中，空气开关相当于刀开关，熔断器，热继电器，过流继电器和欠压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又有自动保护功能的电器。其具体作用是：在正常情况下，利用手动进行正常的电路接通和断开，同时在过载，欠电压和短路的情况下能自动切断电路，实现保护功能，既是一种控制电器又是一种保护电器。交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流电抗器安装在变频器输入端和输出端，可以抑制变频器产生的谐波向电网传递，减少变频器产生的谐波对其他电器设备的干扰，并限制电网电压的异常波动和电网上的冲击电流，减少其对变频器的影响。根据PLC发出的控制信号，控制变频器，从而实现对电机的启动和停止，正转和反转，加速与减速等功能，满足于锻压设备对各种具体动作的要求。制动电阻，是波纹电阻的一种，主要用于变频器控制电机快速停车的机械系统中，帮助电机将其因快速停车所产生的再生电能转化为热能。 交流电抗器安装在变频器输入端，可以抑制变频器产生的谐波向电网传递，减少变频器产生的谐波对其他电器设备的干扰，并限制电网电压的异常波动和电网上的冲击电流，减少其对变频器的影响。 图4-1 三相交流电机的主电路4.2 PLC接线图 SB1为启动按钮，SB2为停止按钮用于常闭状态，SB3为过压过热等保护按钮用于常闭状态，SB4为相序保护按钮用于敞开状态，SB5为过载保护按钮用于常闭状态。PLC的输出端连接到电机的变频器上，来实现电机的启动停止，加速和减速，匀速运动，制动减速等功能。 图4-2 PLC接线图4.3 程序结构400吨电动螺旋压力机数控系统软件采用开放式体系结构，结构比较简单，层次分明，可扩展性较强，能够实现各种功能；实行模块化分步设计，目的性强，条理清析明确，可进行重复调用。其软件体系结构如下图所示。为保证系统控制的实时性，在兼顾可编程控制器CPU 的运算能力前提下，设置一个尽量短的合适的定时中断周期（一般情况为510 ms），由设定的定时周期作为中断子程序采集系统输入信号和传感器检测信号，进行实时参数方面的计算，并根据所输入控制指令和机器的实时参数来判断系统的运行状况，并根据运行状况来控制执行机构实现相应的打击动作；另外，同时进行信号处理、事件信息处理和报警信息处理等循环扫描执行，使得系统能够及时的收发指令，判断并执行相应信息处理，设备可以稳定可靠的运行并进行及时的保护。 图4-3 软件结构图可编程控制器程序运行是进行循环扫描执行的，所有模块都要根据主程序根据运行状况和命令进行调节和调用，只有中断服务子程序是在满足中断条件情况下可以自动触发执行的。在可编程控制器刚上电运行时初始化子程序模块执行一次，一般主要是进行初始化系统参数、复位系统状态等。4.4 打击流程可编程控制器PLC根据编码器所传送的脉冲数量，可以实时的对滑块的位移进行检测并进行控制。当设备开始向下打击锻件时，一开始抱闸装置释放，通过变频器电机开始正转加速，当加速一定时间后，PLC根据脉冲输入的数量判断滑块是否到达惯性匀速下滑的距离，当判断所输入的脉冲到达匀速下滑的距离时，PLC发出指令通过变频器控制滑块匀速下滑来打击锻件。根据能量控制原理及算法，打击下行的控制流程图如图4-4 所示。 图4-4 向下运动过程打击回程的控制流程图如图 4-5 所示。在回程过程中PLC同样根据编码器输入的脉冲，在经过计算，当达到滑块速度为零时，PLC发出指令电机开始反转加速，这时滑块开始向上加速运动，当滑块加速一段时间后，通过脉冲数量判断滑块是否到达减速点，当滑块到达减速点时，电机开始减速制动，当最后到达初始位置速度减小至零，如若打击结束气动装置开始抱闸，如果进行再次打击将会重复上面向下运动的过程。 图4-5 回程控制过程4.5 I/O接口分布表用PLC控制电动螺旋压力机I/O分布表如下表所示表4-1 I/O接口分布表符号定义地址注释启动按钮I0.3闭合后允许启动（用常开点）停止按钮I0.4断开停车（用于常闭点）急停按钮I0.5断开停车（用于常闭点）变频器故障输入I0.2断开停车（用于常闭点正反转控制Q0.0Q0.0=0 为正转 ； Q0.0=1为反转起停控制Q0.1Q0.1=1时为启动；Q0.0=0时为停止制动控制Q0.2Q0.2=1 为 松闸 ； Q0.2=0为制动匀速控制Q0.3KM接触器Q0.5故障指示灯Q0.6报警Q0.7加减速Q0.4启动按钮M10.1停止按钮M10.2手动上升M10.3手动下降M10.4手动快升M10.5手动快降M10.6正转条件1M11.1反转条件1M11.2上升指示M11.3下降指示M11.4快升标志位M11.5快降标志位M11.6M11.7M12.0启动标志位M12.1M12.2M12.3M12.4制动条件M12.5匀速条件M12.6 4.6 触摸屏编程400吨数控电动螺旋压力机的主界面如图所示，可以通过主界面进入其它的各种子界面，实现对螺旋压力机的自动控制，手动控制，故障检测等，使机构更加的人性化。 图4-6 电动螺旋压力机的手动运行如下图所示。通过触摸屏的手动运行画面可以实现对螺旋压力机的启动、停止、手动上升、手动下降等功能。通过这个手动运行画面，可以对锻压过程，滑块运行的动作进行分开控制，这样可以在设备出现故障，滑块运行不畅时，对螺旋压力机的动作进行分开运行，可以很快的找到设备的故障所在，及时的对设备进行修复调试。图 4-7 电动螺旋压力机手动运行画面总 结总结400吨数控电动螺旋压力机的驱动系统，运动系统，能量控制以及整个PLC控制系统进行了全面的研究。先将本研究成果如下：（1） 研究了直流电动机的控制系统以及它的运动特性和优缺点，研究了基于