机械制造自动化技术（第4版）课件：自动化控制方法与技术

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。

自动化控制方法与技术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。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行程限位开关电子控制触点压力检测装置转速测量装置第一节自动化控制概念3.执行机构最终完成控制动作的装置4.传递及转换装置

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信号形式信号量值第一节自动化控制概念

二、自动化控制的基本要求

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第一节自动化控制概念

三、自动化控制的基本方式

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4.集中控制方式由一个中央指令存储和控制装置，按时间顺序发出各种指令集中控制（时间控制）系统第一节自动化控制概念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.计算机控制方式第一节自动化控制概念一、机械传动控制的特点

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

二、典型实例分析

C1318型单轴转塔自动车床控制原理C1318型单轴六角自动车床控制原理简图六角车床运动控制

机械制造过程中广泛采用液压、气动对其整个工作循环进行控制。采用高水平高质量的液压、气动控制系统，就成为自动化制造装置可靠运行的关键。为了提高工作可靠性，减少故障，必须重视系统的合理设计，选择最佳运动压力和高质量的元器件，甚至包括最基本的液压管接头。第三节液压与气动传动控制

一、液压传动控制

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）。

第三节液压与气动传动控制液压控制方式：机械-液压组合控制和电气-液压组合控制。从控制的角度来看,即使动作时负载发生变化,也可按一定的速度动作,并且在动作的行程内还可以调节速度。液压控制具有功率重量比大、响应速度快等优点。可以根据机械装备的要求,对位置、速度、力等任意被控制量按一定的精度进行控制,并且在有外扰的情况下,也能稳定而准确地工作。电气—液压组合控制系统第三节液压与气动传动控制机械-液压组合控制系统

1-凸轮2-活塞3-油管4-活塞5-弹簧6-执行机构

二、气动传动控制

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。第三节液压与气动传动控制1.气动控制的特点1)结构简单、轻便,易于安装和维护,可靠性高、使用寿命长。2)无污染,“绿色生产”3)适应性强,特别适合易燃、易爆、多尘埃、辐射和振动等恶劣场合。4)动作迅速，便于调节，成本低,可实现自动保护。5)输出力和力矩不太大,传动效率低；气缸的动作速度易受负载的变化影响。2.气动控制的形式与使用范围(1)全气控气阀系统

(2)电-气控制电磁阀系统

(3)气-电子综合控制系统

(4)气动逻辑控制系统气-电子综合控制系统的构成1-数控系统或PLC2-接口3-气阀4-气动执行元件第三节液压与气动传动控制气动控制形式选择控制形式全气控气阀控制气动逻辑控制气-电子综合控制电-气控制电磁阀使用压力/MPa0.2～0.80.01～0.80～0.8直动式0～0.8

先导式0.2～0.8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106～108次最长103～107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 电气传动控制(简称电气控制)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。第四节电气传动控制一、电气控制的特点和主要内容

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：①最大限度地满足生产设备和工艺对电气控制线路的要求；②保证控制线路的工作安全和可靠；③在满足生产工艺要求的前提下，控制线路力求经济、简单；④应具有必要的保护环节，以确保设备的安全运行。电控系统构成

主电路、控制电路、控制程序、相关配件第四节电气传动控制二、电气控制系统工作循环的表示方法

1.工作循环图工作循环图的表示方法→动作顺序和信号传递方向SQ1～8—行程开关等传感元件

SP1～2—压力继电器第四节电气传动控制2.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（1）自动循环（或称连续循环）（2）半自动循环（或称单次循环）（3）调整

（4）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！编写程序后的调试工作（C）用于手工上下料以及手工装夹操作东方红二号发射时的联锁信号有42种第四节电气传动控制五、常用的电气控制系统

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1～3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。第四节电气传动控制

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。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以联机、实时、分时的方式送到机床控制器。图2-8计算机群控系统图2-9间接式群控系统第五节计算机控制技术五、适应控制

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。图2-10加削加工的适应控制系统原理图第五节计算机控制技术第六节典型控制技术应用一、步进电动机的控制

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（及步进角）。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。1.步进电动机的特点（1）电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；第六节典型控制技术应用1.步进电动机的特点（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步进电动机必须由双环形脉冲信号、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。第六节典型控制技术应用2.步进电动机控制原理图2-11步进电动机控制框图

步进电动机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。

第六节典型控制技术应用2.步进电动机控制原理第六节典型控制技术应用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24～40V之间。

图2-12步进电动机驱动器接线示意图第六节典型控制技术应用4.FX3U128MT-PLC控制器简介

FX3U128MT-ES-A是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出、模拟量控制和通信及链接等功能。控制器的主要参数有64点输入、64点输出、AC220V电源和晶体管输出。第六节典型控制技术应用4.FX3U128MT-PLC控制器简介第六节典型控制技术应用5.

PLC控制器、步进电动机驱动器和步进电动机接线图图2-13步进电动机控制电路接线图

第六节典型控制技术应用6.步进电动机控制软件设计控制界面的作用主要是对步进电动机进行常规的操作。要求对步进电动机实现正转、反转、正转点动、反转点动、停止和正反间歇循环运动等功能；要求步进电动机转速可调,正反间歇循环运动的时间可调等。图2-14步进电动机正反间歇循环规律图第六节典型控制技术应用6.步进电动机控制软件设计三菱GT1275-VNBA触摸屏,采用GTSimulator3仿真软件,步进电动机运动控制界面。图2-15步进电动机运动控制界面第六节典型控制技术应用6.步进电动机控制软件设计图2-15所示的控制界面上软元件的地址与功能见表2-6第六节典型控制技术应用6.步进电动机控制软件设计步进电动机正转的梯形图第六节典型控制技术应用步进电动机反转的梯形图6.步进电动机控制软件设计步进电动机正转点动梯形图第六节典型控制技术应用步进电动机反转点动梯形图6.步进电动机控制软件设计步进电动机停止梯形图第六节典型控制技术应用步进电动机间歇循环运动梯形图程序清单二、交流伺服电动机的控制

伺服电动机的主要特点是,当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。伺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。

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、位置等等，交流伺服电动机的转子电阻一般很大，这样可以防止自转，当控制电压消失后，由于有励磁电压，此时的交流伺服电动机中会有脉振磁动势，这样可以防止自转。第六节典型控制技术应用1.交流有刷伺服电动机特点（1）精度：实现了位置、