（控制理论与控制工程专业论文）焊接变位器控制系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 焊接变位器是许多工厂企业在进行复杂工件焊接作业中所必须的设备，为此开发高 效、可靠、方便操作的焊接变位器具有实际应用意义。 本论文针对铁路工厂2 0 吨转向架焊接变位器由于其转向架质量不对称，造成两台 升降电机负载严重失衡所产生的升降速度不同步问题展开讨论。论文通过对前期开发的 转向架焊接变位器在现场应用中遇到的问题进行了分析，对多种改进方案进行了分析对 比，提出了采用变频器、可编程控制器和位移传感器构成速度闭环控制方案，并对电控 系统的硬件设计、实现及部分监控软件进行了详细设计与实现。 为满足转向架焊接变位机完全由人通过操作台实现控制、通过现场运行与调试两种 工作状态完成变位器的安装调试与工作运行任务，所设计转向架焊接变位器电控系统的 硬件电路主要包括： 1 急停与指示电路。实现变位器的故障急停、报警和运行状态指示； 2 运行控制电路。用来实现变位器运行状态时的工件同步提升与垂向旋转功能； 3 调整控制电路。用于变位器的调试阶段，可以完成单个电机的点动操作； 4 变频器外部控制电路与电机主电路。实现电机驱动； 5 可编程序控制器单元外部电路。实现系统所需的继电控制、速度反馈于调速。 软件部分主要由控制程序和上位机组态程序构成。完成转向架的闭环p i d 控制及状 态显示。 经实验室功能测试表明：本设计能够满足现场提出的各种功能要求。本课题完全来 自于生产实际，其设计本着满足现场需求、操作简便、运行可靠和成本低的原则进行， 这也是本论文的一个特点。该电控系统设计已通过企业审核，目前正在安装调试过程中。 关键词：焊接变位器；p i d 闭环控制；电机同步控制；可编程序控制器 大连交通大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew e l d i n gp o s i t i o n e ri sn e e d e dw h e nw ea l ed o i n g w e l d i n gw o r ka b o u tc o m p l e xw o r k i nm a n yf a c t o r i e sa n de n t e r p r i s e s ，t h u s ，i th a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c et or e s e a r c h l l i g hp o w e r , r e l i a b l ea n de a s yo p e r a t i o nw e l d i n gp o s i t i o n e r b e c a u s eo fb o g i e s q u a l i t yi sa s y m m e t r i c ，t h el o a do ft h et w or a i s eo rd e c l i n em o t o r s s e r i o u s l yl o s e sb a l a n c e ，t h u s ，i tw i l lp r o d u c eap r o b l e mt h a tr a i s eo rd e c l i n es p e e di sn o t s y n c h r o n i z e d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e mf o rr a i l w a yf a c t o r i e s2 0t o nb o g i e sw e l d i n g p o s i t i o n e r b ya n a l y z i n gt h ee n c o u n t e r e dp r o b l e mo fp r o p h a s ed e v e l o p m e n tb o g i e sw e l d i n g p o s i t i o n e rw h e na p p l i e di ns c e n e ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st om a n yk i n d so f i m p r o v e m e n tm e t h o d s ，a n dp u t sf o r w a r dak i n do fm e t h o dt h a ta d o p t st r a n s d u c e r ，p l ca n d d i s p l a c e m e n t ss e n s o rc o m p o s eo fs p e e dc l o s e dl o o pc o n t r o l ，a n dd e s i g n sa n di m p l e m e n t so f e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ed e s i g n ，i m p l e m e n ta n dp a r to ft h em o n i t o r i n gs o f t w a r e i no r d e rt or e a l i z ec o n t r o l l i n gt h eb o g i ew e l d i n gp o s i t i o n e rb yp e o p l ec o m p l e t e l ya n d a c c o m p l i s ht h ea s s i g n m e n to ff i x i n g ，d e b u g g i n ga n dr u n n i n gt h ev a r i a b l e b i tb yw o r k i n gi na w o r kf i e l d ，t h eh a r d w a r ec i r c u i to fd e s i g no ft h ee c o n o m i cc o n t r o l l i n gs y s t e mt ot h eb o g i e w e l d i n gp o s i t i o n e ri n c l u d e ： 1 s t o p p i n ga n di n d i c a t i o nc i r c u i t r e a l i z i n gs t o p p i n g ，a l a r ma n dr u ni n d i c a t i o no ft h e v a r i a b l e b i t 2 r u n n i n gc o n t r o lc i r c u i t r e a l i z er i s i n gi n - p h a s ea n dr o t a t ev e r t i c a l l yi nt h er u n n i n gt i m e 3 a d j u s t i n gc o n t r o lc i r c u i t u s i n gi nt h ed e b u g g i n gt i m e ，a n di tc a nf i n i s ht h ef i x e d p o i n t o p e r a t i o no fs i n g l ee l e c t r i cm a c h i n e 4 o u t s i d ec o n t r o lc i r c u i to ft r a n s d u c e ra n dt h em a i nc i r c u i to fe l e c t r i cm a c h i n e r e a l i z et o d r i v et h ee l e c t r i cm a c h i n e 5 e x t e r n a lc i r c u i to fp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r r e a l i z et h e r e l a yc o n t r o lo ft h e s y s t e ma n dt i m i n gf e e d b a c ks p e e d t h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g ni sc o m p o s e do fp r o g r a mo f c o n t r o l l i n ga n dp cc o n f i g u r a t i o n m o s t l y i tc o m p l e t e sc l o s e dl o o pp i dc o n t r o lo fb o g i ea n dd i s p l a y si t se s t a t e t h el a b o r a t o r yf u n c t i o n a lt e s tc o u l ds h o wt h a t ：t h i sd e s i g nc a ns a t i s f ym a n yk i n d so f f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s t om a k eo n s i t e t h i s s u b j e c tc o m p l e t e l yc o m e sf r o ma c t u a l p r o d u c t i o n ，a n di tw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs a t i s f yd e m a n df o ro n s i t e ，e a s y o p e r a t i o mr e l i a b l eo p e r a t i o na n dl o wc o s t , a n dt h i si sa l s oac h a r a c t e r i s t i co ft h i sp a p e r t h i s e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mh a sp a s s e db u s i n e s sr e v i e w ，n o wi ti si nt h ep r o c e s so fi n s t a l l i n ga n d d e b u g g i n g k e yw o r d s ：w e l d i n gp o s i t i o n e r ；p i dc l o s e d - l o o pc o n t r o l ；s y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o l ； p l c i i 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 少弛 日期：汐哆善年 月彩日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：妙准 日期：埘3 年工y - 彩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：秘 日期：惑年，月，7 日 电话： 邮编： 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 在工业生产中，经常需要处理大、重型机械设备的焊接。如果采用人工或原始的机 械处理，对于整个焊接过程是非常麻烦的，并且很有可能造成重大的事故。在国家一些 重点发展行业，由于设备的落后造成工程质量不高、工程进度不快等问题，这些都对我 国的经济发展造成比较大的影响。 由于上面的各种原因，促使我国加强在自动、半自动焊接设备方面的发展力度，尤 其是比较高效的焊接变位器的产生使得焊接生产取得快速发展。近年来，通过焊接设各 行业的自行开发、设计、引进技术和合资生产，我国的自动、半自动焊接装备技术水平 有了很大的提高。 我国铁路工厂在转向架施焊过程中需要使工件能够实现升降和旋转变位操作以方 便作业，焊接变位器则是用于此类操作的工装设备。焊接变位器电控系统应根据施焊工 件质量选择不同功率的电机及其它器件，找们主要开发了1 0 吨和2 0 吨的转向架焊接变 位器，图1 i 为前期所开发的焊接变位器。但是由于转向架质量不平衡，对于2 0 吨焊 接变位器出现了两台升降电机不同步，从而造成转向架卡死的现象。本课题就是针对现 场中出现的这种情况而提出的。 囤i i 工业现场 f i 9 1 1l 耐u s t r i a ls i t e 大连交通大学工学硕十学位论文 1 2 本课题主要研究内容 为改进两台升降电机由于负载严重不平衡所引起升降速度不同步问题，在本课题中 变位器的电控系统硬件在前期开发的变位器电控系统基础上，增设了速度闭环控制，其 主要硬件部分由两台升降电机、一台旋转电机、两台变频器、位移传感器及控制配电柜 等组成。在设计中，针对具体的生产情况及实际操作工艺的要求，焊接变位器应具备的 功能和满足的要求如下： 1 ) 两台升降电机同步提升、下降； 2 ) 旋转电机左旋、右旋； 3 ) 两台升降电机的上、下限位； 4 ) 升降电机与旋转电机动作互锁； 5 ) 控制面板有必要的操作指示与报警； 6 ) 升降丝杠的磨损检测； 针对系统的上述要求，本课题设计内容主要包括以下几个方面。 1 ) 针对2 0 吨转向架焊接变位器所出现的问题，对拟采用的速度闭环系统进行初始 方案设计、对比、论证与确定。 2 ) 对所确定的电控系统方案，根据企业对焊接变位器提出的功能要求，进行系统 硬件设计、器件选型； 3 ) 在实验室完成电控系统配电接线； 4 ) 根据系统要求并结合系统硬件完成控制软件、监控程序的设计； 5 ) 在实验室完成转向架焊接变位器功能测试。 2 第二章焊接变位器控制系统方案选择 第二章焊接变位器控制系统方案选择 在工业生产设计中，每一个产品从研发设计到生产装备必须经过各方面的论证研 究，每一个控制系统从设计方案的选择到方案定型，也同样是经过了论证才能进行实施 的。本章首先简要介绍了前期所开发的焊接变位器结构与原理。在此基础上，针对本课 题要解决的具体问题，提出了几种焊接变位器速度闭环控制方案，并通过对比分析，确 定了最终方案。 2 1 焊接变位器的开环控制 在前期开发的转向架焊接变位器电控系统采用的是继电器电气控制。升降部分通过 继电器控制电机起停，经减速器带动丝杠实现工件的升降；工件的垂向旋转由另一台交 流电机驱动旋转卡盘带动工件旋转。该变位器除了可以实现工件的升降与旋转外，还具 备故障报警、升降电机的上、下限位等功能，实际上是一个典型的速度开环控制方式。 在现场运行过程中发现，对于2 0 吨的焊接变位器，由于转向架质量不对称造成两 台提升电机负载偏差大，仅依靠丝杠已无法保证工件的升降同步，并出现了工件倾斜卡 死的情况。这说明对于大吨位的焊接变位器，必须采用其它有效措施实现电机转速同步， 即，实现工件的同步升降。 2 2 焊接变位器的闭环控制 针对2 1 节描述的问题，本课题提出采用速度闭环控制的方法来加以解决，其速度 闭环结构如图2 1 所示。图中给定是位移传感器1 检测到的某一侧位移量，反馈量是位 移传感器2 检测到的另外一侧工件的位移。两个位移进行差值比较，送入控制器运算得 到控制输出，调整工件另一侧的升降速度，以实现工件两侧位移同步。 案。 图2 1 系统闭环控制 f i 9 2 1c l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m 焊接变位器的速度闭环控制基本思路确定后，接下来需要讨论具体硬件结构组成方 大连交通大学下学硕+ 学何论文 2 3 硬件结构组成方案选择 根据2 2 节提出的转向架速度闭环控制基本思想，从硬件结构组成上可以有多种方 案。本节对所提出的四种方案给予分析比较，作为方案确定的依据。四种方案给出如下： 1 ) 采用通用变频器、p l c 与霍尔传感器检测转速的同步控制； 2 ) 采用通用变频器、p l c 与编码器检测转速的同步控制； 3 ) 采用通用变频器、p l c 与位移传感器检测位移的同步控制川； 4 ) 采用矢量变频器、p g 卡与编码器检测转速的同步控制； 四种结构方案具体分析如下。 结构方案1 ) ：系统主要部件：变频器、p l c 、霍尔速度传感器，由于霍尔速度传 感器相对于编码器或位移传感器来说很便宜，使得系统硬件成本比较低【2 j ；变频器采用 具有转矩控制功能的高性能型u 厂控制的英威滕c h f l 0 0 0 1 5 g 0 1 8 p 4 变频器；p l c 采 用西门子s 7 2 0 0 c p u 2 2 4 作为变位器的核心控制单元，s 7 2 0 0 c p u 2 2 4 具有1 4 入1 0 出 的数字端口，并可以通过扩展增加模拟量输入输出模块，以满足系统的控制需求；通过 p l c 的高速数字量输入端口采集霍尔传感器所检测到的电机转速，在p l c 内部进行比 较和控制运算使两台电机转速达到同步。该方案的不足是由于霍尔传感器是电机每转一 圈发出一个脉冲，故在低速情况下，如果干扰造成部分脉冲丢失，则检测精度将大大下 降，无法保证电机的转速同步控制1 3 j 。 结构方案2 ) ：该方案采用的主要部件与方案1 ) 不同的是测速传感器采用编码器， 与方案1 ) 相比，在设计成本方面仅仅是编码器比霍尔速度传感器稍微高一些，但测量 精度确大大提高。对于实际变为器应用要求，其编码器可采用增量式编码器。与方案1 ) 比较，该方案的不足在于相应的测速软件算法略显复杂，安装也相对复杂。 结构方案3 ) ：该方案采用的主要部件与方案1 ) 和方案2 ) 不同之处仍然是传感器 部分，该方案采用位移传感器直接对工件两端位移进行检测，位移信号为4 2 0 m a 的标 准模拟信号，送入p l c 的a d 模块，经比较和控制运算实现工件两端位移的同步控制。 该控制方案能够较好地满足系统的设计要求，实现比较高的控制精度。 结构方案4 ) ：该方案与前三种方案不同的是其核心控制单元没有采用p l c ，而是 由矢量变频器和p g 卡构成，速度由编码器检测。矢量变频器本身具有可编程模拟量和 数字量输入等外围接口，可采用有p g 矢量控制方式。所谓有p g 矢量控制方式是指配 备p g 卡，用以接收由编码器测速反馈的高速脉冲，实现高精度闭环矢量控制【4 5 j ，下图 为p g 卡的接线图端子图。但该方案成本比较高。 4 第二章焊接变位器控制系统方案选择 , i j j i l l 鹪蚋 ：氍j 输八 蓐o 6 0 h z 图2 2p g 卡接线 f i 9 2 2p gc a r dc o n n e c t i o n 从成本、控制精度、软件复杂性等方面综合考虑，该转向架焊接变位器电控系统的 硬件结构选择方案3 ) 。 2 4 焊接变位器硬件选型 本课题针对现场生产进行实际要求，对构成焊接变位器闭环控制系统的主要部件进 行选型。 2 4 1 电机选型 电机在选型应充分考虑现场很多要求，这些要求都包括：系统所将承受的最大的负 载、工件的最大体积、几何结构、同时还有系统所要求的电机启动时间等等，在综合考 虑这些因素之后，可以计算出本课题所需要的电机。 下面为本课题在选择电机时所采用计算方法。铁路工厂提供参数如下：转向架为2 0 吨的重工件，转化一下就是重量为2 0 0 0 0 k g ；且转向架中心点到周边的平均距离2 2 。 1 转动惯量：当回转轴是圆柱体轴线时； 2， j ：肌厂么 ( 2 1 ) 二 其中聊是转向架的质量，是转向架的旋转半径。 大连交通大学- 丁学硕+ 学位论文 d = 2 0 0 0 0 + i j 2 = 1 0 0 0 0 k g m y 厶7 2 转动惯量定理：m = 邛 ( 2 2 ) 其中m 是扭转力矩，是转动惯量，p 是角加速度； 3 p 的计算：根据转动的精度和启动时间，例如装置从0 状态在0 1s ( 时间可以根据现 场情况定义) 内加速到o 3 r p m ； 角速度a = 2 3 1 4 + 刀6 0 = 2 枣3 1 4 木3 宰6 0 = 0 3 1 4 r a d s 则角加速度d = 0 3 1 4 1 = 0 3 1 4 r a d q ； 4 m = 邛= 1 0 0 0 0 宰0 3 1 4 = 3 1 4 0 k g m ； 5 转速比7 5 ：l 则电机的转速为2 2 5 r p m ； 由m = 9 5 5 p n 得到：p = 删9 5 5 = 3 1 4 0 事2 2 5 9 5 5 = 7 4 3 6 8 4 2 1 w = 7 4 3 6 k 形。 7 4 3 6 k w 基本上可以近似为7 5 k w 。通过上面的计算可以得出工程所需要的电机为 7 5 k w 。本课题在这里需要两台7 5 k w 的升降电机来带动工件上升下降。 需要说明的是m 为起动时所用的转矩，起动后会变小，所以计算出来的电机功率 是比较大的。另外要加上摩擦等其他的损耗，同时考虑电机的转动惯量的选择要和电机 输出端转动惯量相匹配，电机的转动惯量如果比外界的转动惯量小很多则会出问题。 由于本课题所研究的是现场生产中所需要的设备，在现在生产中可能会出现很多重 情况，例如电机的工作制及定额、电机的运行条件、电机的温升、电机的介电性能、电 机的外壳防护等级、电机的冷却方法、电机的结构及安装型式、电机的噪声限值、电机 的振动限值电机的功率等级，物件的重量比较小，但是体积比较大；物件的重量比较大， 但是体积中等；还有体积和重量都比较大的情况。经过综合考虑，本课题在功率为7 5 k w 的基础上，选择型号为j 0 3 8 0 2 2 的三相异步电动机两台。而旋转电机则由铁路工厂提供 型号为y e j 9 0 l - 4 的无励磁制动功率为2 2 k w 的三相电机。 按照上述的各项指标要求，本课题实验室采用的是三项异步电机，其功率在1 5 k w ， 转速2 8 4 5 转分，频率为5 0 h z 。为了实现工厂所要求的设计要求，系统在设计过程中 实验室模拟现场，下图为实验室阶段所选电机。 6 第一章焊接变乱器控制系统方案选择 幽2 3 实验室皑机 f i 窖23l a b o r a t o 叮e l e c t r i c a l 242 变频器选型 通常变频器的选择包括变频器的型号选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先 保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。 根据控制功能可将通用变频器分为3 种类型； ( 1 ) 普通功能型u ，控制变频器； ( 2 ) 具有转矩控制功能的高性能型u f 控制变频器( 无跳闸变频嚣) ： ( 3 ) 矢量控制高性能型变频器。 变频器类型的选择要根据负载的要求进行，对于风机，泵类等平方转矩，低速时负 载转矩较小t 通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精 度要求的机械，采用具有转矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。为了实现大 调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、 响应快的生产机械，应采用矢量控制高功能型通用变频器。 大多数变频器容量可从额定电流、可用电动机功率和额定容量三个角度表述，其中 后两项报难确切表达变频器的能力。选择变频器时，变频器的额定电流才是一个反映半 导体变频装置负载能力的关键量，负载电流不超过变频器额定电流是选择变额器容量的 基本原则。另外，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数应保证 在无故障状态下负载总电流不允许超过变频器的额定电流。 大连交通大学1 ：学硕士学位论文 在对变频器选型时应对变频器的技术性能和经济指标进行综合考虑，以选择合适 的变频器规格容量，如果选型不当，变频器容量偏小，会对变频器的效率和正常运行影 响很大。连续运行时所需变频器容量必须满足以下几点： ( 1 ) 变频器容量必须大于负载所要求输出的容量； ( 2 ) 变频器容量不能低于电动机容量； ( 3 ) 变频器电流应大于电动机电流。 综合考虑以上各方面的要求，本课题根据实际工况和铁路工厂变频器对两台75 k w 电机的驱动方式，选择具有转矩控制功能的高性能型e l f 控制变频器型号为 c h f l 0 0 - 0 1 5 g 0 1 8 p - 4 。该变频器选择功率为1 5 k w 。这样在系统运行过程中能够保证变 频器对电机的控制要求能够满足。下图为本系统所选变频器。 图2 4 控制系统变频器 f i 9 2 4 c o n t r o ls y s t e m i n v e r t e r 2 43 西门子p l c s 7 2 0 0 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 可编程逻辑控制器，是一种专门为在工业环 境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用柬在其 内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数 字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设 备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 本课题所设计的转向架焊接变位器电控系统，根据功能要求，需要8 个输入口，用 于左右侧升降电机的上、下限位检测和调试状态下的两台电机的单机点动升降按钮；8 第二章焊接变位器控制系统方案选择 个输出口用于升降电机上、下限位到控制和调试状态下的电机点动控制。所以本设计 选用了具有1 4 入1 0 出的c p u 2 2 4 c n 中央处理器其实物和模型外观如图2 4 和图25 所示 图2 4 $ 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4 实物 f 9 2 4s 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4 删2 5 s 7 2 0 0 c p u 楔挚韵外规 f i g , 25 t h e a p a c a r a n c e o f s 7 - 2 0 0 c p u m o d e l 另外，由于两个位移传感器检测到的位移信号输出是4 - 2 0 m a 的模拟量：同时， 速度调整信号是由p l c 控制单元经p i d 运算，通过d 模块输出到变频器的外部模拟控 制信号端的。因此我们选择两输入一输出的e m s 2 3 5 a d d a 模块，以完成速度反馈控 制所需的要求。 2 44 位移传感器 在焊接变位器控制系统中，位移传感器是非常关键的部件。在测量工件上升距离上， 必须保证数据的准确及精确。因为物件在t 升过程中传感器测得的数据是控制系统进行 数据处理、进行变频器调速的关键。所以需要量程比较长、分辨率比较高的位移传感器。 下面简单介绍一种在质量、分辨率、量程上都能满足现场生产的位移传感器。 大连交通大学t 学硕十学何论文 位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或传送的电信号。传感器由 可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一 起，感应器可以是增量编码器，绝对( 独立) 编码器，混合或导电塑料旋转电位计，同 步器或解析器。 操作上，位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移 动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度 不变。带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信 号。测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率。 w n a k 2 3 0 0 k 2 0 0 2 型静磁栅位移传感器： 1 ) 使用寿命长：无接触检测位置及角度，避免了机械损伤，理论上无寿命极限： 2 ) 抗恶劣环境：- - 4 0 至+ 1 0 0 工作温度范围，连续高粉尘、泥浆、水下及高撞 击、强振动工作环境： 3 ) 直接绝对型测量：直接指示位移毫米数或旋转角度数，无需换算，不怕掉电，任 意定位控制： 4 ) 量程极长，分辨率适中：2 6 0 毫米一2 0 0 0 米长度量程，分辨率0 2 m m 1 m m ： 极丰富的数据接口：4 2 0 m a 、1 - 5 v 等模拟量输出，各类串并行数据接口以及 p r o f i b u s 等各种现场总线： 5 ) 安装维护方便：在保持适度间隙的条件下，无约束安装运行。 在使用上本文将采用在立柱的一端挂上线装的标志物，当物件上升时，该标志物下 降，反之标志物上升。然后在通过静磁栅位移传感器测量标志物上升和下降，从而得到 工件上升和下降速度的情况，将数据输入触摸屏电脑进行数据处理，对工件的上升和下 降进行比较精确的处理。 本章小结 本章主要研究了焊接变位器控制系统从设计思想，根据设计思想、现场要求、系统 成本、电路的构成、系统的软件编程等几个方面对几种设计方案进行了论证，确定了课 题所选方案为通用变频器、p l c 与位移传感器检测位移的同步方案。并对构成方案的各 种电气设备选型进行了研究。 1 0 第二章焊接变位器系统硬件设计 第三章焊接变位器系统硬件设计 本章根据转向架焊接变位器速度闭环及其它功能要求，对其电控系统各部分硬件进 行具体设计。该电控系统硬件主要由急停与显示电路、运行控制电路、调整用单机点动 控制电路、互锁电路、变频器与p l c 外围电路及电机主电路等组成。 3 1 焊接变位器速度闭环结构 本课题对焊接变位器控制系统采用闭环控制，系统闭环过程是基于继电器控制回路 和p l c 控制实现的。因此在闭环系统中主要有如下四部分：系统给定，变频装置，继电 器控制和执行部分，其中系统给定是把立柱升降的一个位移作为目标参数，而另一个则 通过系统闭环调节后达到或非常接近目标值，工件的升降是通过两台升降电机实现的， 这里把这两台电机分别设定为主动电机和从动电机。图3 1 为系统闭环的总体框架。 图3 1 闭环系统框架 f i 驴1c l o s e d - l o o ps y s t e mf r a m e w o r k 3 2 急停与指示电路 继电器控制在系统中作为控制回路的一部分，通过触点的接通与闭合控制系统回路 运行。继电器控制部分在设计中可以分为：急停与指示电路和运行控制电路。其中急停 与指示电路是通过继电器触电闭合断开使系统的一部分具有功能，同时限制另外一部分 线路工作。下图为控制系统的急停与指示电路。 大连交通人学丁学硕十学位论文 爿：鞋：。 - 2 4 v 2 正常工作 ，扎h 1 - 9 “1 l 一5 + 2 v 3 搿 l 。 o 卜13 i 。：11。柱一。鲁停 。：牛 球 1 1 2刁m ， ( 口 ， 2 4 v 1 4 图3 2 急停与指示电路 f i 驴2i n s t r u c t i o n sa n ds t o pc i r c u i t 上图左边，可以通过三位选钮开关选择电路是运行在正常工作状态还是运行在单机 点动状态。如果系统运行在正常工作状态时，q 1 、q 2 、q 3 是三个主电路中的电机启动 器d z 4 7 6 0 c 3 2 的辅助常开触点，当启动器得电时，常开触点闭合。同时急停与与指示 电路中的线圈c k l 带电，如果主电路出现过压、过流等故障，则电机启动器跳闸，相 应的q l 、q 2 或q 3 断开，则线圈c k l 失电，而c k l 的常开触点断开，常闭触点闭合。 系统故障时故障灯h 2 、蜂鸣器h 3 将指示报警；行程开关x 5 、x 6 是用来检测焊接变位 器两端立柱内的丝杠的磨损程度，当有任一丝杠磨损比较严重时，通过机械机构实现行 程开关动作，使得线圈c k 2 得电，这时故障检测部分的常开触点c k 2 闭合，系统发出 报警信息，通知工程人员更换磨损的丝杠。 上图右侧，如果线圈c k l 正常带电，常开触点c k l 闭合这样可以使得后面的运行 电路正常工作。 本系统在设计中，急停与指示电路主要是实现系统出现故障时能及时报警。当系统 出现故障时，操作人员可以通过控制台上的急停按钮盯控制系统运行。这种设计在工 业系统设计中是必须具备的，可以保证系统能够安全运行。 3 3 继电器控制一运行控制电路 在继电器控制一运行控制中，主要是通过继电器触发、高电平有效实现焊接变位器 对工件同步提升、同步下降、左旋和右旋的控制，图3 3 为焊接变位器运行控制电路。 1 2 第三章焊接变侮器系统硬件设计 图3 3 运行控制电路 f i 9 3 3o p e r a t i o nc o n t r o lc i r c u i t 在上面运行电路中，s l 、s 2 、s 3 、s 4 为四个回弹是按钮，在系统运行过程中如果 s 1 等按钮关闭时，c h 3 等线圈带电；当放开时则后续电路都不能正常工作。这里c k 3 、 c k 4 、c k 5 、c k 6 用到的都是常闭触点。当s 1 闭合，同时c k 2 线圈不带电，使得c k 3 线圈带电，系统处于同步提升状态。当c k 3 线圈带电时，继电器c k 3 的常闭触点断开， 使得同步下降回路断开，这样做可以确保两台电机只能处于一种运行状态，同时可以防 止工作人员误操作引起的误动作【8 9 】；当c k 4 线圈带电时，工作过程和上述一致。 当系统处于上升或者下降时，c h 3 与c h 4 中必有一个带电，这样旋转回路是断开 的。也就是说，焊接变位器控制系统必须确保三台电机不能同时工作的。当s 3 、s 4 中 的一个闭合时，如果线圈c k 5 带电，使得继电器c k 5 的常闭触点断开，系统处于左旋 状态。同时可以保证系统右旋状态处于断开状态。 在整个继电器控制设计中，为了保证系统的正常运行，就必须保证系统的可靠性。 也就是说在电路设计中必须要有互锁电路的设计，本课题在这里有如下几个互锁电路： 1 ) 系统上升状态与系统下降状态； 2 ) 系统左旋与系统右旋状态； 3 ) 系统升降与系统旋转状态。 此部分完成的主要功能有：工件的同步提升、同步下降、左旋带电、右旋带电。继 电器互锁电路在这个部分尤为重要，必须确保系统的可靠运行。 大连交通大学t 学硕十学位论文 3 4 左、右旋运行控制电路 在实际生产中，工件的焊接过程是全方位的，这部分介绍系统的左、右旋控制。当 系统处于左旋或右旋状态时，通过接触器使得主电路的电机处于正转或反转状态，从而 带动工件左旋或右旋。下图为运行控制左、右旋电路。 c 2 2 0 左麓c 【5 m 2 - 2 1 7m 2 m 2 - 2 2 蛆世一一臣 m 1 - a 2 n 左震转石麓糟 图3 4 运行控制左、右旋电路 f i 9 3 4o p e r a t i o nc o n t r o lt h el e f ta n dr i g h tc i r c u i t 图3 4 中，触点m 1 与m 2 都是常闭触点，当图3 3 中继电器c k 5 线圈处于带电状态时， 常开触点c k 5 闭合。这时系统处于左旋状态，m 1 带电。在主电路部分，常开触点m 1 闭合使的电机带电带动物件左旋。这里m 1 与m 2 也同样是必须互锁。m 1 与m 2 之间 的关系在系统主电路有说明，这里不在累赘。 继电器控制作为控制回路的一部分，在设计过程中应考虑的问题： ( 1 ) 系统功能的实现； ( 2 ) 为了系统的正常运转，通过常开常闭触点实现系统电路的互锁： ( 3 ) 防止操作人员误操作引起系统的不正常运行时的电路保护。 继电器运行控制左、右旋电路完成系统的左、右旋，通过控制主电路部分旋转电 机，实现工件的左、右旋转。 3 5 焊接变位器主电路 焊接变位器控制系统主电路是由升降两台电机、旋转电机、变频器及c h n t d z 4 7 6 0 c 3 2 开关和接触器构成，下图为系统主电路。 1 4 第二章焊接变位器系统硬件设计 7 5 k w1 5 立柱升降1 7 5 k w1 5 立柱升降2 r e j 9 0 1 - 4 无励磁制动 2 2 k w5 t 旋转 图3 5 系统主电路 f i 9 3 5m a i nc i r c u i ts y s t e m 上图右侧是三相3 8 0 v 电源，通过c h n td z 4 7 6 0 c 3 2 开关q 0 的闭合控制系统主电 路是否带电。当q 0 闭合时，系统处于准备接通状态，此时只要控制电机的q 1 、q 2 、 q 3 都闭合，则整个系统处于带电，因为在图3 3 中q 1 、q 2 、q 3 的触点控制着急停与 指示电路是否带电。所以正常情况下，系统要处于运行状态必须保证q 0 、q 1 、q 2 、 q 3 都要闭合。 当系统处于运行状态时，型号为c h f l 0 0 0 1 5 g 0 1 8 p 4 的两台变频器都处于带点状 态，此时只要控制回路有输出，电机就处于运转状态。按照一般的设计思想，带有电机 的电路在设计时必须考虑电机的保护，应该加热保护装置。而本课题在这里没有加，这 是因为电机的运转是通过变频器带动，只要对变频器电压、输出等参数进行设置就可以 起到保护作用。对于工件升降时电机的正反转方面的设计，同样也是在变频器的参数设 置时通过变频器进行控制的，而旋转电机的正反转则是通过接触器控制的。这里当m 1 闭合带电，电机处于左旋状态；而m 2 闭合带电，电机则处于右旋状态。所以在，m 1 与m 2 现场接线时必须考虑到这一点。同时m 1 与m 2 必须互锁，这一点在继电器控制 回路中已经进行了设计。 系统在设计时考虑到工件在上升或者下降过程中，升降电机的负载为工件的全部重 量；工件处于旋转状态时，负载并非为工件的重量，所以在电机选择方面升降电机为 7 5 k w 、1 5 a ，而旋转电机则为y e j 9 0 l - 4 无励磁制动2 2 k w 、5 a 。关于电机选型方面 的内容在系统硬件选型中有叙述，这里不累赘。 大连交通大学工学硕十学f _ ) = 论文 3 6 变频器1 外部接线 焊接变位器控制系统的同步控制问题是通过两台变频器对两台电机调速实现的。变 频器作为系统中重要的一部分，其参数设置是非常重要的，这部分内容将在最后章节里 详细介绍。整个控制系统采用双变频器控制系统，在系统运行过程中可以对控制电机1 的变频器1 进行版面参数设置，这里只对变频器的外部接线进行介绍。下图为变频器1 的外部接线图。 i 一一一一一一一一一一一一一一1 医生由 变频器1同步同步点动点动 控带u , - y 柱1 提升下降提升下降 电机 11 图3 6 变频器1 外部接线 f i 9 3 6c 0 n v e r t e rc a b l e1e x t e r n a l 变频器在运行时，需通过外部触发电路给出高电平从而调节电机转速。变频器1 作 为系统主动部分，通过变频器界面输入从而实现对系统的给定，该部分的系统接线与从 动部分的接线有着本质的区别。这里给出变频器1 与系统电路的接线设计原理。 3 6 1 变频器输入端口 图3 6 下侧为变频器输入接线。其中s 1 s 4 为变频器输入端子，通过与p l c 输出口 相接控制电机。这里s l 口如果有高电平输入则控制电机正转运行，带动工件上升；s 2 有高电平有高电平输入则控制电机反转运行，带动工件下降；s 3 有高电平输入则控制 立柱l 端电机正转，带动工件点动提升；s 4 高电平控制工件点动下降。在运行过程中 1 6 第三章焊接变何器系统硬件设计 如果控制工件上升下降的限位开关不触发p l c ，也就是说q 0 0 与q 0 1 不输出高电平 时，当继电器线圈c k 3 带电时，常开触点c k 3 闭合给s l 以2 4 v 高电平，带动系统升 降电机提升工件；c k 4 输2 4 v 高电平给s 2 控制工件的下降。p l c 输出口的1 l 是由变 频器c o m 口提供2 4 v 高电平。这里c k 3 与c k 4 都需要高电平，所以必须与c o m 端 相连接。需要说明一下，c o m 口为变频器+ 2 4 v 的公共端。 q 0 4 、q o 5 作为控制物件立柱1 端上升、下降的高电平信号，由p l c 输出。当工 件需要微调整时，通过$ 5 $ 6 给出q 0 4 q 0 5 高电平，并输入变频器控制立柱1 端工件 上升下降的微调整。p l c 的2 l 口是由变频器的c o m 口提供2 4 v 电源。 3 6 2 变频器输出端口 r o b 、r o a 为变频器的继电器输出口，其中r o b 为常闭，r o a 为公共端。如果 系统在运行过程中，出现输出异常，则与r o a r o b 相接的电路断开，从而控制系统的 运行，所以这个部分是系统故障时的一个输出端子。 r 、s 、t 为变频器的三相电源输入端子，这里输入电源等级可以根据实际情况对变 频器参数设置，为了使变频器保护动作时能切除电源和防止故障扩大，在电源电路中连 接接触器来保证安全；u 、v 、w 为三相交流输出端子按正确相序连接至三相电动机， 变频器输出侧不能连接电容器和电涌吸收器；主回路接地端子p e 的正确接地是提高变 频器抑制噪声能力和减小变频