導(dǎo)語(yǔ)：縫合摩擦焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

1總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)主要是實(shí)驗(yàn)焊機(jī)的電器控制元件及控制系統(tǒng)。本文縫合摩擦焊設(shè)備采用PLC控制系統(tǒng)。整個(gè)電控系統(tǒng)我們以PLC為主控制元件，采用人機(jī)界面為控制面板，操作簡(jiǎn)單直觀。反饋的信號(hào)可以清晰的反應(yīng)到界面上，控制信息通過(guò)人機(jī)界面?zhèn)鬟f給PLC，經(jīng)由PLC處理分析后，再把信號(hào)下傳至執(zhí)行單元。

2PLC及外圍器件選型設(shè)計(jì)

2.1PLC選型

綜合考慮經(jīng)濟(jì)等各方面，縫合摩擦焊電控系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)選擇西門(mén)子品牌的PLC。

2.1.1PLC控制規(guī)模確定

西門(mén)子PLC按照控制規(guī)模有如下分類(lèi)，微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等.根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)情況，本設(shè)計(jì)選擇S7-200微型PLC.

2.1.2PLC的CPU模塊選擇

設(shè)計(jì)中用到的PLC僅需要控制一個(gè)伺服電機(jī)和一個(gè)簡(jiǎn)單液壓系統(tǒng)，要有模擬量的輸入輸出，并且可以連接擴(kuò)展模塊。所以綜合考慮，選擇CPU22（4晶體管輸出），在滿(mǎn)足基本要求的基礎(chǔ)上又留有余量，可供后期實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

2.2外圍器件的選型

因?yàn)橐簤核欧y的控制信號(hào)是模擬量的輸入信號(hào)，所以PLC不能直接輸入信縫合摩擦焊實(shí)驗(yàn)裝置的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)張旭博鄧秋實(shí)劉建康程旭明孫未中國(guó)石油大學(xué)（華東）山東青島266580號(hào)，因此PLC需要一個(gè)DA擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服閥的閉環(huán)控制。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)是通過(guò)PROFIBUS-DP通信，所以PLC還需要一個(gè)帶有PROFIBUS-DP接口的擴(kuò)展模塊。

2.2.1模擬量擴(kuò)展模塊的選擇

設(shè)計(jì)選用模擬量擴(kuò)展模塊選擇同時(shí)具有輸入輸出點(diǎn)的EM235。EM235模擬量擴(kuò)展模塊可以提供了模擬量輸入/輸出的功能，可以直接與執(zhí)行器和傳感器相連，12位的分辨率和多種輸入/輸出范圍能夠在不需要外加放大器的情況下與傳感器和執(zhí)行器直接相連；可以根據(jù)實(shí)際需要靈活擴(kuò)展，并可以非常容易的調(diào)整用戶(hù)程序等。

3縫合摩擦焊焊接過(guò)程控制

3.1縫合摩擦焊焊接動(dòng)作過(guò)程描述

設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)來(lái)控制焊接主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)控制主軸的高速旋轉(zhuǎn)。具體控制過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)伺服電機(jī)，控制焊接主軸頭向下運(yùn)動(dòng)到被焊工件處；開(kāi)啟液壓系統(tǒng)，液壓馬達(dá)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；開(kāi)始焊接，同時(shí)有主軸進(jìn)給和主軸旋轉(zhuǎn)；焊接完畢，主軸停止旋轉(zhuǎn)，同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)；主軸復(fù)位，關(guān)閉設(shè)備。

3.2液壓系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)

3.2.1液壓控制原理

這個(gè)液壓系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，用溢流閥控制系統(tǒng)的最高壓力，用液壓伺服閥控制馬達(dá)的啟停和主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

3.2.2液壓動(dòng)力元件選型

設(shè)計(jì)要求主軸最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，因此選用柱塞液壓馬達(dá)。設(shè)計(jì)焊接具體要求如下：主軸旋轉(zhuǎn)速度500r/min～6000r/min；焊接壓力最大值20kN；主軸頭液壓馬達(dá)最大扭矩50N•m。本設(shè)計(jì)選擇具體型號(hào)為A2FM12的柱塞液壓馬達(dá)。

3.2.3主軸旋轉(zhuǎn)具體控制過(guò)程

控制過(guò)程：首先通過(guò)PLC控制一個(gè)繼電器來(lái)控制液壓泵的啟動(dòng)和停止。轉(zhuǎn)速控制信號(hào)由人機(jī)界面輸入，經(jīng)過(guò)PLC處理經(jīng)過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊EM235控制液壓伺服閥工作，使液壓馬達(dá)獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)，主軸上的轉(zhuǎn)速傳感器又將轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)反饋到PLC,形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。

3.3縫合摩擦焊軸向運(yùn)動(dòng)控制

3.3.1伺服電機(jī)

伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。其主要特點(diǎn)是：當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置需要慣量大、進(jìn)給速度低，做低速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，采用交流伺服電機(jī)。

3.3.2伺服驅(qū)動(dòng)器

（1）轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中。

（2）位置控制：位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。一般應(yīng)用于定位裝置。

（3）速度模式：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位回饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。設(shè)計(jì)選用速度模式，通過(guò)模擬量的輸入對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

3.3.3主軸進(jìn)給具體控制過(guò)程

具體控制方案是觸摸屏是人機(jī)對(duì)話(huà)接口，控制信息需要通過(guò)觸摸屏輸入，然后信息通過(guò)通信端口出入PLC，經(jīng)過(guò)PLC的運(yùn)算過(guò)后，以模擬量的形式傳送到伺服控制器的模擬量輸入端口，伺服控制器經(jīng)過(guò)對(duì)模擬量的運(yùn)算，然后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)輸出連接絲杠的主軸所需要的轉(zhuǎn)速。同時(shí)在主軸上安裝一個(gè)速度傳感器，將主軸的實(shí)時(shí)進(jìn)給速度反饋給伺服控制器，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到輸入速度的穩(wěn)定輸出。

作者:張旭博鄧秋實(shí)劉建康程旭明孫未單位:中國(guó)石油大學(xué)