自动化制造系统ch自动化控制方法与技术

1、第二章 自动化控制方法与技术 教学要求1.考核知识点 1）自动化控制的基本组成基本概念、要求与方式。 2）机械传动控制的特点，液压与气压传动控制，电气传动控制、计算机控制的基本概念。2.考核要求 1）识记 有关自动化的基本概念；自动化的功能、模式、特点与分类。 2）领会 各种自动化控制方式的优缺点及比较，自动化与生产率的关系；步进电机与交流电机控制的特点、原理及方法。 任何机械制造设备的自动化其实质是在其终端执行元件上无需由人来直接或间接操作的自动控制。为了实现机械制造设备的自动化就需要对这些被控制对象进行自动控制。 自动控制与机械控制技术、流体控制技术、自动调节技术、电子技术、电子计算机技术

2、等密切相关，它是实现机械制造自动化的关键。它的完善程度是机械制造自动化水平的重要标志。集中式分散式一、自动化控制的基本组成 自动控制系统包括实现自动控制功能的装置及其控制对象，通常由指令存储装置、指令控制装置、执行机构、传递及转换装置等部分构成。第一节 自动化控制概念 （1）指令存储装置用来存储预先设置动作程序的装置（2）指令控制装置 将存储在指令存储装置中的指令信息在需要时发出的装置。比如：行程限位开关电子控制触点压力检测装置转速测量装置。（3）执行机构完成最终动作的装置（4）传递及转换装置 作用：将控制装置所发出的指令准确而及时的传送到执行机构的装置。传送过程中发生信号量和质的变化传递介质

3、信号形式信号量值自动控制系统应能保证各执行机构的使用性能、加工质量、生产效率及工作可靠性。（1）能自动进行。（2）系统模块化，便于独立调试，与系统匹配。（3）具有柔性的必须能适应加工对象的变化。（4）简单可靠，严格筛选元件。（5）适应环境，抗干扰。（6）及时掌握系统工作状态。（7）便于安装调试维护修理。（8）布线安全合理，整齐美观。（9）不过分追求完美，适应实际条件。必须保证实现中国第一颗原子弹的测试工作哈勃望远镜的修复工作具体情况具体对待二、自动化控制的基本要求主要是指机械制造设备中常用的控制方式。（1）开环控制方式系统输出不影响系统的控制，指令预先设定，校准要求高（2）闭环控制方式系统输出

4、直接影响系统的控制，利用反馈来减少系统误差（3）分散控制方式（行程或继动） 指令存储和控制装置按一定程序分散布置，控制对象按一定顺序动作。原理：当前以机构完成预定的动作后，发出完成信号，并利用这一信号引发下一个机构的动作，如此继续下去，直到完 三、自动化控制的基本方式成预定的全部动作。优缺点优点：实现自动循环的方法简单，电气元件的通用性强，成本低，系统本身具有一定的互锁性。缺点：顺序动作较多时，循环时间增加，对提高生产率不利；指令控制不集中，电气控制线路复杂，电气元件增多，易引起故障。（4）集中控制方式原理：具有一个中央指令存储和控制装置，按时间顺序连续或间隔地各种控制指令的控制系统。优缺点：

5、优点：控制链短且简单，控制系统比较简单，调整比较方便。每个执行部件的起动指令是由集中控制装置发出的，工作精度和可靠性比较高。图2-1 集中控制（时间控制）系统利用计算机来控制部件的各种运动，功能更强，可以实现更大范围内的控制。（5）程序控制方式固定程序控制 控制系统的程序固定不变，组成元件较少。可变程序控制 控制系统的程序可在一定范围内变化，以适应加工对象的变化，组成元件多时采用计算机，PLC；变化较小的情况下也可以采用凸轮。（6）数字控制方式数控装置控制工作部件的动作顺序、速度、位移量等物理量。（7）计算机控制方式 机械传动控制方式一般传递的动力和信号都是机械连接的，所以在高速时，可以实现准

6、确的传递与信号处理，并且还可以重复两个动作。在采用机械传动控制方式的自动化装备中，几乎所有运动部件及机构，通常都是由装有许多凸轮的分配轴来进行驱动和控制的。这种控制系统的另外一个特点是控制元件同时又是驱动元件。第二节 机械传动控制一、机械传动控制的特点二、典型事例分析图2-2 C1318型单轴六角自动车床控制原理简图 C1318型单轴转塔自动车床控制原理 机械制造过程中广泛采用液压、气动与电气对其整个工作循环进行控制。 采用高水平高质量的液压、气动和电气的控制系统，就成为自动化制造装置可靠运行的关键。 如在电气控制系统中采用可编程序控制器（PLC）进行加工设备的自动化控制就比采用继电器接触器系

7、统可提高电气控制可靠性若干倍。第三节 液压与气动传动控制 液压传动是利用液体工作介质的压力势能实现能量的传递及控制的。作为动力传递，因压力较高，所以用小的执行机构可以输出较大的力，并且使用压力控制阀可以很容易地改变它的输出（力）。 从控制角度来看，可按一定的速度动作，并且在动作的行程内可以调节速度，因此，液压控制具有功率重量大、响应速度快等优点。 液压控制有机械-液压组合控制和电气-液压组合控制两种方式。一、液压传动控制图2-4 电气液压控制系统图2-3 液压传动与控制原理1-凸轮 2-活塞 3-油管 4-活塞 5-弹簧 6-执行机构 气动控制技术是以压缩空气为工作介质进行能量和信号传递的工程

8、技术，是实现各种生产和自动控制的重要手段之一。气动控制技术不仅具有经济、安全、可靠、便于操作等优点，而且对于改善劳动条件、提高劳动生产率和产品质量，具有非常重要的作用。 气动控制系统组成气压发生装置、气动执行元件、气动控制元件和辅助元件等部分组成。 应用特点易于实现高速、轻切削工艺，短节拍、频繁工作，设备配置灵活、调整方便，好的技术经济性等。二、气动传动控制图2-5 气-电子综合控制系统的构成1-数控系统或PLC 2-接口 3-气阀 4-气动执行元件 控制形式 全气控气阀系统；电-气控制电磁阀系统； 气-电子综合控制系统；气动逻辑控制系统表2-1 气动控制形式选择控制形式全气控气阀控制气动逻辑

9、控制气-电子综合控制电-气控制电磁阀使用压力/MPa0.20.80.010.800.8直动式00.8先导式0.20.8元件响应速度较慢较快快较慢信号传输速度较慢较慢最快快输出功率大较大较小大流体通道尺寸大较大较小大耐环境影响能力防爆，耐灰尘，较耐振和潮湿注意防爆注意防爆、漏电抗干扰能力不受辐射、磁场影响受磁、电场干扰受磁场、电场、辐射干扰配管或配线较麻烦容易容易寿命106108次最长103107次，电气触点易烧坏对过滤要求膜片、截止式要求一般，间隙密封的滑柱式阀对气源过滤要求高要求一般要求一般，间隙密封滑柱阀要求高维修、调整直观、易调整容易、需懂电子需懂电气，注意电气故障价格低高较高其他停电后

10、可工作一段时间，滑柱式有永久记忆能力有记忆能力，宜与电控系统连接断电时单控阀返回原位，电气元件易得到适用场合动作较简单及大流量动作较复杂及小流量，大流量时要放大动作复杂，运算速度快，特别能用于电子控制的设备电器控制有基础或远距离控制的场合，易与电子控制系统连接 电气控制是为整个生产设备和工艺过程服务的，它决定了生产设备的实用性、先进性和自动化程度的高低。它通过执行预定的控制程序，使生产设备实现规定的动作和目标，以达到正确和安全地自动工作的目的。 电控系统除正确、可靠地控制机床动作外，应保证电控系统本身处于正确的状态，一旦出现错误，电控系统应具有自诊断和保护功能，自动或提示操作者作相应的操作处理

11、。第四节 电气传动控制 按照规定的循环程序进行顺序动作是生产设备自动化的工作特点，电气控制系统的任务就是按照生产设备的生产工艺要求安排工作循环程序，控制执行元件，驱动各动力部件进行自动化加工。 基本要求： 最大限度地满足生产设备和工艺对电气控制线路的要求； 保证控制线路的工作安全和可靠； 在满足生产工艺要求的前提下，控制线路力求经济、简单； 应具有必要的保护环节，以确保设备的安全运行。 一、电气控制的特点和主要内容 电控系统构成 主电路、控制电路、控制程序、配件二、电气控制系统工作循环的表示方法1. 工作循环图表示的工作循环 工作循环图主要用于表示单台生产设备的工作循环。 图2-6 工作循环图

12、的表示方法 动作顺序和信号传递方向 SQ18行程开关等传感元件SP12控制停留时间的死挡铁 SB2起动按钮2. 工作循环周期表表示的工作循环 对于动作复杂的自动线，很难用工作循环图将其表示清楚，此时一般采用工作循环周期表来表示工作过程。表表2-2 气缸盖加工自动线工作循环周期表气缸盖加工自动线工作循环周期表图1-7 功能流程图的表示方法a)工作台示意图 b)功能流程图3. 功能流程图三、电气控制的操作方式 自动循环（或称连续循环） 半自动循环（或称单次循环） 调整 开工循环和收工循环四、电气控制的联锁要求 生产设备在运行中，各动力部件的动作有着严格的相互关系。这种关系主要通过电气控制系统的联锁

13、功能来加以保证。 按联锁信号在电路中所起的作用分为： 联锁、自锁、互锁、短时联锁、长时联锁 注意：电气控制程序的设计必须在充分了解机床工艺要求的基础上，按实际需要考虑联锁关系，不是越多越好！1. 固定接线控制系统-采用早期的分立元件和印制电路板的形式：继电器-接触器控制系统、固体电子电路系统2. 可编程序控制系统 采用PLC来完成指令存储，数学与逻辑计算，通信，比较等功能。3.带有数控功能的PLC 利用数控模块对PLC进行功能扩展，可以实现13轴的控制，甚至于具有插补功能。4. 分布式数控系统（DNC） 将多个单轴数控系统作为控制基层设备，与主控和中央控制系统连接，利用网络通信方式进行控制。五

14、、常用的电气控制系统 计算机在机械制造中的应用已成为机械制造自动化发展中的一个主要方向。而且在生产设备的控制自动化方面起着越来越重要的作用。一、普通数控机床的控制 采用数控装置，以数码的形式编制加工程序，控制机床各运动部件的动作顺序、速度、位移量及各种辅助功能，以实现机床加工过程的自动化。二、加工中心的控制 采用小型计算机进行控制，能够实现对同族零件的自动加工。 第五节 计算机控制技术三、计算机数控 在数控装置部分引入了一台小型通用计算机。图2-8 计算机群控系统四、计算机群控1. 间接式群控系统 用数字通信传输线路将数控系统和群控计算机直接连接起来。2. 直接式群控系统 群控计算机直接把指令

15、以联机、实时、分时的方式送到机床控制器。图2-9 间接式群控系统 系统本身具有适应能力的控制系统。 所谓适应能力就是系统本身能够随着环境条件或结构的不可预见的变化，自行调整或修改系统的参量。五、适应控制图2-10 加削加工的适应控制系统原理图第六节 典型控制技术应用 步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角）。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。一、步进电动机的控制1. 步进电动机的特点 （1）电

16、动机旋转的角度正比于脉冲数；（2）电动机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；（3）由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步，因而有较好的位置精度和运动的重复性；（4）快速的起停和反转响应；（5）由于没有电刷，可靠性较高，因此电动机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；（6）电动机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电动机的结构可以比较简单而且容易控制成本；（7）仅仅将负载直接连接到电动机的转轴上也可以极低速的同步旋转；（8）由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围；（9）步进电动机外表允许的最高温度。 2.步进电动机控制原理 步进电动机必须由双

17、环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此它的转动需要由驱动器驱动，驱动器由控制器控制，控制器由控制指令控制。 步进电动机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。 图2-11 步进电动机控制框图 3. 步进驱动器简介 CW+、CW-为步进电动机方向的控制端，若规定CW+为高电平时，步进电动机转动为正转，则CW+为低电平时，步进电动机转动为反转；CP+、CP-为脉冲信号端，接收来自控制器的脉冲信号；A+、A-为A相端口，与步进电动机的A相绕组连接；B+、B-为B相端口，与步进电动机的B相绕组连接；VCC、GND为直流电源端口，一般在2440V之间。 图2-12 步进电

18、动机驱动器接线示意图 4. 步进电动机驱动接线图 2脚、12脚接外部12V直流电源；28脚与21脚之间接右限位开关SQ1；10脚与21脚之间接左限位开关SQ1；步进电动机绿色接线与B-相连；步进电动机黑色接线与B+相连；步进电动机蓝色接线与A-相连；步进电动机红色接线与A+相连。 图2-13 步进电动机控制电路接线图 5. 步进电动机驱动软件控制界面的作用主要是对步进电动机进行常规的操作。 利用PCL-839控制卡对步进电动机进行控制，可调用其自带相应函数来实现控制程序的编写。再通过控制界面上的控制按钮，执行程序可以实现电动机点动、停止、正转、反转控制。 图2-14 步进电动机运动控制界面 伺

19、服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。主要特点是信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 交流伺服电动机是交流电动机的一种，通过伺服驱动器的矢量控制理论控制电动机的扭矩、速度、位置等，交流伺服电动机转子电阻一般很大，可以防止自转，当控制电压消失后，由于有励磁电压，此时交流伺服电动机中会有脉振磁动势，交流伺服就是一种带编码器的同步电动机，效果比直流伺服稍微差一点，但维护方便。缺点是价格高、精度没直流的好。 二、交流伺服电动机的控制1. 交流有刷伺服电动机特点 （1）精度：实现了位置、速度和力矩的闭环控制；克服

20、了步进电动机失步的问题；（2）转速：高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；（3）适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；（4）稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电动机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；（5）及时性：电动机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；（6）舒适性：发热和噪声明显降低。2. 交流伺服电动机控制原理 交流伺服电动机的转动需要由交流伺服驱动器驱动，交流伺服驱动器通过控制器与工控机相连，通过软件控制相应的接口，实现对交流伺服电动机的控制。 图2-15 交流伺服电动机控制框图 3. 交流伺服驱动器 图2-17 驱动器引脚 表2-7 驱动器引脚含义驱动器引脚引脚含义L1,L3主回路电源端子