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1、项目技术报告第 五 小 组班 级： 电气 0731课程名称：定长剪切系统 提交日期：2009 年 12 月 1 日1目录1 概述 22 自动剪切装置简介 33 自动剪切机机械机构设计 44 基于三菱工控产品的自动剪切装置的控制方案设计 85 软件设计 146. 控制系统技术性能和特点 217 设计总结 228 参考文献 239. 附录 2721 概述高精度、高动态响应的控制系统，一般会考虑用伺服控制驱动器。这种驱动器是智能控制系统的一部分，它能够实现机动、灵活和高效的驱动控制，其性能远远超过同类变频系统。它已经在全世界范围内被广泛应用，它能保证生产系统在运行中具有很高的动态响应。国内外的快速高
2、精度自动剪切设备大多采用这种智能化的控制系统。定位精度高、运行速度快的自动剪切机具有广泛的应用价值，以钢铁行业为例，无论是轧钢厂还是钢材配送单位都非常需要快速高精度自动剪切成套设备，不同厚度不同宽度的板材需要高效率地被切成统一的尺寸，直接送上家电或其它生产线，而无需再加工。衡量自动剪切设备性能的是自动化程度及定尺精度的高低，它们将直接影响企业生产效率及产品质量。板材剪切部分是3整套设备的关键，板材剪切一般有定尺停剪和飞剪两种。定尺停剪精度高，但生产效率较低，飞剪效率高，但精度相对低些，一般用于较长板材的剪切。提高定尺停剪的效率和保证飞剪的精度成为科研人员研究的课题。目前自动剪切进口设备运行速度
3、快、定位精度较高，生产线由一台工控机作为上位机，通过总线的方式控制多台 PLC，达到控制整条生产线的目的。但这种控制系统价格昂贵，不适合我们将它模型化后参赛。国内生产的同类生产线，采用单台 PLC 和伺服系统控制，自动化程度较高，价格相对较低，我们将生产线模型化后，采用三菱 FA 工控产品研发了基于三菱电机伺服控制系统的自动剪切生产线模型（以下简称为自动剪切装置）。自动剪切装置的研发目的：一方面是为了参加第三届“三菱电机自动化杯”大学生自动化科技创新及技能大赛，另一方面想将它用于学校工业自动化技术等相关专业的综合实训教学。自动剪切机主要由两个系统组成：一、电气控制系统，它主要由定位模块和伺服放
4、大器组成的定位控制单元、模拟量输出模块和变频器组成的剪切调速单元、CC-Link 和数字显示板组成的计数单元和人机界面组成。二、机械系统，它主要由夹送机构、出料机构和剪切机构组成。经实验验证，自动剪切装置的整套系统具有运行速度快（剪切速度高达 90 块/分钟）、定位精度高（每块误差在0.15 毫米以内）、性价比高等优点，具有极高的实用价值。2 自动剪切装置简介2.1 自动剪切生产线模型图 1 自动剪切生产线示意图4自动剪切装置主要由开卷机、校平辊、送料机构（伺服定位系统）、剪切机、输送装置、收料装置六部分组成，其中物料定尺剪切部分是整套装置的关键。开卷机后再经过校平辊，然后按照给定剪切长度要求
5、定位后，剪切机将物料切成成品，最后经皮带送至收料装置进行打包，自动剪切装置示意图如图 1 所示。该装置即可作为实训控制对象，它可用于剪切硬纸板、地板革、墙纸等质地较软的材料。又可用于工业生产中，通过改变切刀的材质和剪切电机功率的大小，可以达到剪切不同材质的物料的要求，满足生产需求。2.2 自动剪切机功能1.数码管上实时显示剪切物料的块数。2.系统可以累积记录本设备剪切物料的块数，直到用户清零。3.运行方式：（1） 自动运行： 用户预先设定所需剪切物料的长度和块数，确认数据，启动。系统自动开始工作，并在数码管上实时显示剪切物料的块数。（2） 手动运行：手动操作也就是单步运行操作，适用于系统检测，
6、对部件进行逐个调试。，可用触摸屏对其进行单步控制。4. 报警功能 （1） 物料过长报警（2） 物料过短报警（3） 无料报警（4） 物料斗已满报警（5） 切刀空切报警（6） 按下启动按钮以后切刀与刀台间长时间没有相对位移报警（7） 物料从传送带上掉落报警3 自动剪切机机械机构设计5图 2 自动剪切装置机构设计图在我们进行方案讨论时，我们利用 SolidWorks 3D 绘图软件设计本套装置，如图 2 所示。我们把我们的设计思想用 3D 视图形象生动的表现出来，然后利用 3D 视图进行方案的讨论。3.1、剪切机构方案设计方案一 连杆机构6在实际应用中，除了平面四杆机构的基本形式外，还有其他形式的平
7、面四杆机构。这些机构虽然与基本形式的铰链四杆机构在外型和构造上不相同，但他们之间往往具有相同的相对运动特性。可以认为其他形式的平面四杆机构是由基本形式的铰链四杆机构演化而成的。工程上常见的演化形式有：滑块机构，偏心轮机构，导杆机构，摇块机构，定块机构。当曲柄作连续转动时，滑块作往复移动，主动件可以是曲柄，也可以是滑块。曲柄滑块机构可以看成是由曲柄摇杆机构演化而成的。行程：在曲柄滑块中，当曲柄转到与连杆成一条直线时，滑块的两极限位置之间的距离 S 称为滑块的行程。行程与曲柄长度 R 有如下关系：S=2R7图 3 对心曲柄滑块机构（主动件为滑块）当取 AB 的杆作为机架时，即可得到导杆机构。曲柄转
8、动时，DE 杆对滑块的运动起导向作用，故 DE 杆称为导杆。此图（图 3）所示机构为转动导杆机构。图 4 摆动导杆机构（主动件为曲柄）当取 BC 杆作为机架时，即可得到导杆机构。曲柄转动时，DE 杆对滑块（或轴承）的运动起导向作用，因此称 BC 杆称为导杆。此图（图 4）所示的机构为摆动导杆机构。利用摆动导杆机构我们把切刀机构设计成如下形式：图 5 基于连杆机构的剪切机构8在我们的设计中我们取 AB 段为主动件（图 5），利用电机的转动带动 AB 段杆子的转动，把AB 段杆子的曲线运动转化为 BC 杆子的直线运动。因为电机的转子轴向是固定的，所以刀架也会在一条竖直的直线上做往复的运动。我们利用
9、两条竖直导杆作为刀架的导向机构，保证刀架能够在竖直的直线上作上下往复运动。行程：切刀的行程 S 为两倍的 AB 长度。方案二 凸轮机构凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它通过与从动件的高副接触，在运动时可以获得连续或不连续的任意预期运动。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。 由于凸轮机构具有多用性和灵活性, 因此广泛应用于机械、 仪器、 操纵控制装置和自动生产线中, 是自动化生产中主要的驱动和控制机构。但由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。图 6 尖顶从动件凸轮机构盘形凸轮： 它是一种有向径变化的绕固定轴转动的盘形零件。最初我们的设计思路是
10、依据盘形凸轮设计一个剪切机构。利用盘形凸轮的有向径的变化把凸轮的曲线运动转化成切刀的上下直线运动。9图 7 基于凸轮机构的剪切机构由轴连接减速电机转子带动凸轮转动。连杆作为牵引切刀上下往复运动的链接机构，利用凸轮的有向径变化的原理，我们把凸轮的曲线运动，转换为切刀的竖直运动。4 基于三菱工控产品的自动剪切装置的控制方案设计4.1 自动剪切装置整体方案设计在本套自动剪切装置的方案中，测长辊由三菱伺服定位控制系统控制的伺服电机控制，夹紧机构由气动系统代替了工业生产线上的液压系统。剪切机的运行速度是由变频器控制，三菱可编程控制器控制伺服电机与剪切电机高效地配合。校平机构的压力由人工手动调节，因为此处
11、的压力要求稍低于侧长辊处，所以我们选择手动调节。操作人员可通过三菱触摸屏输入所需剪切物料的长度与剪切的数量，设定完成后，启动系统。由于变频器输出的干扰信号比较强，所以切刀侧边的接近开关选择的是埋入式接近开关，使用埋入式接近开关可以有效地降低变频电机的干扰，提高系统工作的稳定性。装置上有一个由 CC-LINK 系统组成的计数单元，该计数单元不仅可以用于剪切物料的块数计算还可用于报警，当实际剪切块数与设定值不相等时我们可以及时的进行参数的修正。4.2 定位剪切方案设计定位剪切部分是自动剪切装置的关键，定尺剪切是在材料停顿时刻进行的。也就是说，切刀刀口分离时，定长控制系统启动，送料长度由 PLC、伺
12、服定位系统联合进行控制，触发开始后，整套系统直接以预设的加减速率、最高速度以及目标长度为基本参数，计算出运转速度曲线，直接驱动三菱伺服电机送料，当输送的长度到达规定长度时,伺服电机停下，物料停止运动，切刀刀口下行，将物料切断，然后物料由传输装置输送到收料装置。依次循环，自动地将物料切割成规定长度的成品。自动剪切装置的机械部分由夹送机构和剪切机构两部分组成，夹送机构由交流10伺服电机驱动旋转，上下夹送辊的加紧力调至刚好压紧物料，使物料在两辊中按设定的速度无滑动滚动，完成送料和测长。剪切机构由变频减速电机带动做连续上下运动，剪切的速度由 PLC 跟据每刀剪切的长度等条件算出。在控制方面,根据具体控
13、制要求的不同，可分为两种控制方式：位置半闭环控制在这种控制方式下，伺服电机上的反馈元件既是速度反馈元件又是位置反馈元件。根据设定的加速度、运行速度、减速度和长度，定位功能模块自动的完成速度和位置的控制。这种控制方式虽然不能消除牵引辊打滑和机械传动间隙产生的长度误差。但是我们可以通过定位功能模块用软件修正这些系统性误差，位置全闭环控制在位置全闭环控制方式中，在测量轮上安装了增量式光电编码器，伺服电机上的编码器作为速度反馈元件，测量轮上的编码器作为位置反馈元件。这样，伺服控制器可消除牵引辊打滑和机械传动间隙产生的长度误差。但安装增量式光电编码器机械结构相对复杂些。为保证控制精度，我们采用的是位置全
14、闭环控制方式。4.21 有关伺服速度值的计算当剪切长度 L（伺服行程）小于某一长度时定位智能模块给定“三角形”速度各进行控制，大于某一长度则采用梯形值控制、三角形速度值 条件：L 1K )1(22max且vN.(1LttSs)2.21atS30 tvt )1(211aLatVsmtas211)( : )1(2L )1(2 )()( )1(2 2 2maxmaxmax1 11210 212111 可 解设 定 后、当 定 位 模 块 即则 伺s nnns ssmsss tVLVttatt aLattLt nt11根据定位模块设定的值，可得加速时间 =10（ms） 1st根据定位模块设定的值，可得减速时间为 =10（ms）2s根据程序里设定的送料速度，可得最大速度 Vm=235mm/min将 =10（ms） =10（ms） Vm=235mm/s 代入式子（1） （2） （3）中 1st2st经计算得： L=2.35（mm）、梯形速度图 1） 条件： L )1(
