高速插针机控制系统的设计和实现

论文摘要

插针机是连接器制造业中的常用机型,插针机速度的提升可以起到提高效率,减少人力,降低成本的效果,因此世界主要的几个连接器制造商在插针机速度提升方面都花费了大量的人力和物力。本人有幸参加了高速插针机这个设计项目,并在其中承担电气控制系统的设计和实现的工作。本课题的主要目的是设计开发一台标准的高速插针机,设计速度要求为800RPM。本设备中的凸轮主轴和两个滚珠丝杆承座分别由三个交流同步伺服马达传动实现,分别命名为主轴,从轴1和从轴2。设备运行时,由主轴完成端子送料、端子裁切、端子插针动作;从轴1和从轴2完成塑胶的交替送料。本文对高速插针机控制系统进行了设计与实现,主要工作如下:1.本文首先对插针机及插针机的传统控制方法进行了研究,并详细研究了插针机的一种传统控制方法---高速计数器中断法。对其硬件系统和软件平台的搭建和PLC及伺服驱动器的设置做了较详细的说明,对利用高速计数器方法在控制方面造成时间浪费做了具体分析,得出利用传统的控制方法不可能实现插针机800RPM的结论。2.本文根据控制要求进行了控制方案设计,据此确定了控制器、触摸屏、I/O模块及同步伺服马达模组。然后分别对系统及运动控制部分进行了可行性评估,评估确认选用这套系统可以实现插针机800RPM。3.利用贝加莱（B&R） PCC的软件工作平台Automation Studio完成了控制程序的设计。由于贝加莱PCC采用分时多任务操作系统,控制程序采用模块化设计,用不同的程序实现不同的功能,并依据其重要程度采用不同的扫描周期。根据高速插针机的主轴和从轴的关系进行了凸轮跟随配置设计。在此软件平台上用ANSI C编程并完成了人机界面设计,实现了对高速插针机的整体控制,经过实践检验,完全满足设计要求。4.插针机提速对伺服马达提出了较高的控制要求,因此对伺服控制系统进行了整体研究,分析了位置环、速度环、电流环三闭环控制结构。伺服系统的性能要求主要表现在稳态跟踪的精确性、动态响应的稳定性与快速性、对系统参数变化和不确定干扰的鲁棒性。高性能的获得主要是通过对执行机构、测量装置以及控制策略的选择来达到的。其中,控制策略的选择和应用,是提高系统性能至关重要的一个方面。本文分析了PID控制策略,通过仿真,研究了其控制性能,为实际系统的控制和参数调整提供理论指导。本文还探讨了智能控制理论在位置伺服系统中的应用,设计了模糊PID位置控制器,并进行了仿真实验。结果表明采用先进控制思想可以提高系统的稳态精度,改善动态响应性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外插针机发展现状
• 1.2 控制系统发展历程
• 1.3 运动控制发展状况
• 1.4 伺服驱动技术
• 1.5 论文的主要研究工作
• 第二章 插针机的传统控制方法
• 2.1 插针机介绍
• 2.2 插针机传统控制方法介绍
• 2.2.1 高速计数器控制方法优势
• 2.3 插针机的时序图
• 2.4 高速计数器控制的硬件系统
• 2.4.1 伺服驱动系统和控制系统
• 2.4.2 控制系统与伺服驱动系统连接图
• 2.5 高速计数器控制的软件设置
• 2.5.1 高速计数器的PLC 系统设置
• 2.5.2 三菱MR-J25-75A 伺服驱动器设置
• 2.6 使用传统控制方式在控制方面造成时间浪费分析
• 2.6.1 检测Sensor 的反应时间
• 2.6.2 塑胶进给轴的动作时间
• 2.7 本章小结
• 第三章 插针机控制方案设计及可行性评估
• 3.1 插针机贝加莱控制方案
• 3.2 控制方案可行性评估
• 3.2.1 B&R PCC control system 评估
• 3.2.2 运动控制部分评估
• 3.3 伺服驱动器ACOPOS
• 3.4 Ethernet Powerlink 总线技术
• 3.5 本章小结
• 第四章 插针机控制系统软件设计
• 4.1 B&R 软件平台
• 4.1.1 插针机Automation Studio 整体配置
• 4.1.2 插针机电子凸轮AUTOMAT 配置
• 4.2 控制程序架构
• 4.2.1 主控程序逻辑分析
• 4.2.2 主控程序架构
• 4.3 控制系统上位界面设计
• 4.3.1 初始界面设计
• 4.3.2 主界面设计
• 4.3.3 密码修改画面设计
• 4.3.4 I/O 状态画面设计
• 4.3.5 报警画面设计
• 4.3.6 参数画面设计
• 4.3.6 手动操作画面设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 伺服控制系统的数学建模及仿真
• 5.1 交流伺服系统的组成与控制
• 5.1.1 交流伺服系统的组成
• 5.1.2 交流伺服系统的控制
• 5.2 高速插针机伺服系统的参数设定
• 5.2.1 交流伺服系统参数设定原则
• 5.2.2 B&R 交流伺服系统参数设定原则
• 5.3 经典PID 交流伺服系统
• 5.3.1 经典PID 控制算法
• 5.3.2 PID 伺服控制系统
• 5.3.3 经典PID 交流伺服控制系统仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 伺服控制系统的模糊PID 控制及仿真
• 6.1 模糊控制系统的原理与设计
• 6.1.1 模糊控制系统的原理
• 6.1.2 模糊控制器的设计
• 6.1.3 模糊 PID 参数自整定设计
• 6.2 位置伺服系统模糊控制器设计
• 6.2.1 伺服系统模糊控制结构
• 6.2.2 交流伺服马达模糊自整定 PID 位置控制环的仿真
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文