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水晶宫赌场数控节能400吨电动螺旋压力机控制系

发布时间:2020-07-29 03:44

  模锻锻压在国防、汽车、工程机械等领域发挥着举足轻重的作用,是这些领域发展的基础。随着这些领域的不断发展对模锻件的要求也越来越高,例如 汽车工业之中的发动机连杆模锻件质量公差仅为5 克,使用模锻设备加工成型 后只需要模削加工即可,然而传统的模锻成型设备,例如模锻锤、热模锻压力 机却很难制作出精密的模锻器件,难以满足工业的要求。电动螺旋压力机因为 滑块没有固定的下死点,同时采用了直接转矩控制技术,所以实现了理想的精 密高效节能的模锻设备。 本论文采用西门子可编程控制器PLC S-200,采用以触摸屏为人机界面的电 动螺旋压力机专用数控系统,通过编码器输出脉冲的检测从而实现了滑块打击 能量和位置的精确控制,自动化程度较高,可靠性和稳定性较强,符合当代发 展的要求。电动螺旋压力机需要频繁的启动和正反转,为了避免过高的启动电 流对电机损耗同时实现较高的输出转矩,这需要先进的交流调速方法的运用。 本设计运用直接转矩交流调速技术,通过变频器来控制电机,不仅实现了电机 的较小启动电流同时实现了较高的启动转矩。本文详细的分析了电动螺旋压力 机的运动过程和能量转化过程,最终根据设计要求和参数给定,通过PLC 编程 开发出了控制系统。 实际的应用中电动螺旋压力机凭借其锻压精确、构简单、效节能等优 点,越来越受到人们的青睐,未来不久这种高效节能的锻压设备必然逐渐 取代传统的锻压设备成为国防和工业中的主流。 关键词:电动螺旋压力机;直接转矩控制;可编程控制器;编码器;触摸屏; Abstract II Abstract Forging plays pivotalrole defense.Automotive construction machinery, continuousdevelopment increasinglyhigh requirements dieforgings, autoindustry engineconnecting rod die forgings quality tolerances only5g, only after forging equipment machining molding die cut processing may, however, traditional forging molding equipment, forginghammer hot forging press produceprecision forging devices, industry.Electric screw press because fixedlower dead point, directtorque control, so desiredprecision forging energyefficient equipment. Siemens programmable logic controller PLC S-200 man-machineinterface touch screen electricscrew press CNC system, through encoderoutput pulse achieveprecise control slideragainst position,degree automationhigh reliability contemporarydevelopment. Electric screw press requires frequent starting avoidexcessive starting current motorloss while achieving high output torque, which requires advancedcommunication speed control method. detailedanalysis electricscrew press process energyconversion process, final design requirements parametersgiven, has developed controlsystem PLCprogramming. Practical application electricscrew press itsforging precise structure efficiency energysaving advantages, more morepeople allages, energyefficient forging equipment must gradually replace traditionalforging equipment industrialmain stream. Keywords: electric screw press; direct torque control; programmable controller; encoder; touch screen .........................................................................................................................III第一章 绪论 1.1螺旋压力机 1.2螺旋压力机的发展历史 1.3高效节能400 吨螺旋压力机的分析 1.4本课题研究的主要内容 第二章电动螺旋压力机打击能量的分析 2.1电动螺旋压力机的力能关系 2.1.1运动部分能量的组成...............................................................................8 2.1.2 能量的转换...............................................................................................8 2.2 螺旋压力机打击过程能量分析 .....................................................................10 2.3 400 吨电动螺旋压力机相关参数的计算 11第三章 电动螺旋压力机器件选择 ...........................................................................13 3.1 引言 .................................................................................................................13 3.2 可编程控制器的选择 .......................................................................................14 3.3 电机的选择 .....................................................................................................15 3.4 变频驱动器的选择 .........................................................................................16 3.5 编码器的选择 .................................................................................................19 3.6 滑块位移的检测 .............................................................................................19 3.7 触摸屏的选择 .................................................................................................20 3.8 制动电阻选择 .................................................................................................21 第四章 400 吨螺旋压力机控制电路及程序的设计 ..............................................22 4.1 主电路图 .........................................................................................................22 4.2 PLC 接线图 ......................................................................................................23 4.3 程序结构 ...........................................................................................................24 IV4.4 打击流程 .........................................................................................................25 4.5 接口分布表..............................................................................................27 4.6 触摸屏编程 .....................................................................................................28 .........................................................................................................................30参考文献 .....................................................................................................................31 .........................................................................................................................32附录 接线图 ...............................................................................................................33 第一章 绪论 第一章绪论 1.1 螺旋压力机 螺旋压力机是用螺杆、螺母作为传动机构传递飞轮能量的锻压机械的总称。 螺旋压力机的基本组成部分为:螺杆、螺母、飞轮、滑块和机身等,通过摩擦液 压电机直接驱动等方式来驱动飞轮加速旋转从而积蓄能量,由螺杆将飞轮的 正反转转化为滑块的上下往复直线运动。当滑块接触到要成型的工件时,飞轮 被迫至完全停止,储存在飞轮上的螺旋能转化为对工件的冲击能,通过滑块来 打击工件迫使其变形,所以通常所说的螺旋压力机也被成为螺旋锤。 表1-1 机械压力机锻锤螺旋压力机的性能比较 机械压力 锻锤 螺旋压力机 打击力量 不可控 不可控 可控 滑块速度 较快打击时间 较长打击过程 固定 不固定 不固定 冲击 较小从上面三种锻压设备的性能比较可以明显的看出,螺旋压力机具有独特的 性能优势,螺旋压力机既有机械压力机和锻锤的特长,它还克服了这两种锻压 设备的劣势。具体性能优势可以从以下几个方面具体来阐述: 螺旋压力机的滑块速度介于机械压力机和锻锤之间,速度比较适中。由于滑块速度适中,有利于金属在锻压过程中再结晶过程充分适当的进行,适合于各 种行业中结晶速度慢的金属锻压。 通过时间的证明,在锻压过程中,滑块与锻件接触时间越少,锻压出的锻件的寿命越长。螺旋压力机与锻件的接触时间较短,基本为其他两种锻压设备的 一般,锻压时传递到锻件的热量较少,温升低锻件的寿命较长,这对于大批量 生产非常重要。 由于打击过程的不固定,可以消除因为锻压设备的机械变形而造成对锻压器件精度的影响,可以通过多次的打击来获得工件的变形。 第一章 绪论 由于螺旋压力机的承受过载能力较强,允许超过公称压力的载荷作用在设备上,对设备的锻压能力和寿命都是非常有益的。 螺旋压力机在工作时,在封闭的空间内完成锻压过程,设备与地面处理比较简单,投资比较少。另外还可以改造工作环境更加人性化,噪音污染较低。 通过上面螺旋压力机与机械压力机和锻锤的各项性能的比较,可以看出螺 旋压力机是随着时代的发展生产力的提升,不断优化完善的一种设备,它在各 项性能之中所拥有的优势必将取代机械压力机和锻锤,成为锻压设备的主流设 备,其他两种设备也必将被时代所淘汰。 1.2 螺旋压力机的发展历史 螺旋压力机是最古老的成型设备之一,具有悠久的历史,在其发展过程中 出现了摩擦螺旋压力机液压螺旋压力机离合器螺旋压力机和电动螺旋压力 机四种主要的传动形式。 摩擦螺旋压力机是最早用于现代化大生产的螺旋压力机,由于其结构简单, 价格低廉等优点,现在仍然在一些小型的落后的锻压厂里使用。螺旋压力机其 工作原理是通过摩擦力产生力矩,在锻压过程中向螺旋机构传递电动机的能量 和动能。在19 世纪初开始使用,德国公布了首个摩擦螺旋压力机的专利。摩擦 压力机有比较多的缺点,它是由电机带动摩擦盘不停的告诉旋转,而飞轮在一 个循环过程中还需要改变方向,飞轮在换向过程中飞轮和摩擦盘之间发生严重 的打滑现象,这不仅损耗了能量降低了工作效率,而且对锻压设备的损害比较 严重。摩擦压力机还会造成制造成的工件不够精确,工作环境恶化等。 第一章 绪论 图1-2摩擦螺旋压力机外形 进入20 世纪,随着生产力的发展,基于摩擦螺旋压力机的种种问题的凸显, 人们开始研制液压螺旋压力机,40 年代开始应用于工业生产之中。液压螺旋压 力机主要是借助液压缸和液压马达的液压动力装置来驱动滑块,在滑块打击工 件前积蓄能量,在接触工件时释放能力使工件成型。液压螺旋压力机优于摩擦 螺旋压力机,能够使传动效率大为提高,而且液压螺旋压力机适合向中大吨位 发展。但是液压螺旋压力机同样也存在着很多问题,液压螺旋压力机结构复杂, 维修成本高,维护不方便,同时液压泄漏还会对环境造成污染,因此,这种压 力机也将会被取代。 图1-3 液压螺旋压力机外形 第一章 绪论 前苏联是最早研制电动螺旋压力机的,它的基本原理是直接用电动机转子来代替飞轮,或通过齿轮或皮带带动飞轮旋转,去除了低效率的摩擦传动,具 有最短的传动链和较高的效率。但是这种最初研制的电动螺旋压力机并没有达 到人们所期望的高效节能,这种最初的电动螺旋压力机需要电机频繁的进行正 反转,电能损耗打到 50%之多;电动机频繁的正反转使得电机发热比较厉害, 温度可以达到120;这种螺旋压力机起动电流过大,对电网的冲击比较厉害; 鉴于当时电机和控制技术的限制,这些问题无法得到解决。20 世纪70 年代德国 把变频器引用于电动螺旋压力机,新技术的引用使得启动电流减小,发热减小, 电机的速度得到了控制。但是这种电动螺旋压力机不能实现闭环控制速度,不 能精确控制打击能量,误差较大影响制件精确度。 1.3 高效节能400 吨螺旋压力机的分析 电动螺旋压力机的原理图如1-4 所示 1.电机 2.主动轮 3.飞轮 4.螺杆 5.螺母 6.滑块 7.制动器 图1-4电动螺旋压力机原理图 高效节能数控电动螺旋压力机去掉繁琐耗能的摩擦传动,直接用电机转子 来代替飞轮,采用电机直接连到皮带上从而驱动小齿轮。这种螺旋压力机在工 作时,电机由静止状态启动逐渐加速,通过皮带小齿轮大齿轮传动电机的动能 带动滑块向下加速运动不断的积蓄能量。当电机加速到提前设定的速度时,电 第一章 绪论 机将不再加速,滑块就会以设定的打击能量下行进行工件打击,当滑块运行到下止点时,滑块打击工件,随后滑块反弹,电机发出反转信号,滑块将向回运 动。这时候电机反转,当滑块达到预设的高度时,电机制动器制动,电机停止, 自动进入下一个打击回程,PLC 将记录一次打击次数。这是利用传动系统储存的 能量对工件进行做工,使工件成型,当滑块向下运动打击滑块时是一次能量的 释放。当设定为连续工艺时,工序未全部完成电动机带动滑块自动进入下一个 打击行程。当工序完成时,电机带动滑块回到起止点,取出打击成型的工件, 一个工序全部完成。这种数控电动螺旋压力机的自动化程度比较高,节省了人 图1-5数控节能电动螺旋压力机的机械部分 把摩擦压螺旋压力机改造为 400 吨数控节能电动螺旋压力机,每吨产品的 耗电量由原来的 10.87kw/h 降低到 3.49kw/h,比改造前节能 67.79%。改造之 后由于控制系统更加先进,打击更加精确,产品的合格率由原先的 70%提高到 96%,合格率比以前提高了57.14%。由于耗电量的节省和产品合格率的提高带 来的节省,两项合计,每台设备每小时可为公司节省90 元的成本费。如图 1-6 是节能比较: 0.03 最大限度的节省了自然资源,采用PLC 可编程控制节省了很多的机械控制元 件,为国家节省了资源,符合当今的发展方向。 第一章 绪论 在当今人力资源日益缺乏的今天,数控节能电动螺旋压力机由原先的三人以上操作较少到一人就可以操作,还使操作者摆脱了繁重的的体力劳动,操作更 加简单,使企业摆脱了人力的技能要求。 电机刹车,红外线刹车等先进技术的应用彻底保证了生产过程的安全,更加尊重了人权,更加人性化。 改善了工作的环境,采用先进的数控技术不仅大大减少了生产过程中的噪音污染,也降低了液压的环境污染。 大大减少了机器的维修运行费用,采用新的技术消除了以前机器当中的易损易坏的地方和元件,从而又为企业节省了维修人员的费用。 1.摩擦压力机 2.节能数控螺旋压力机 图1-6 应用与节能效果 1.4 本课题研究的主要内容 本文研究400吨高效节能螺旋压力机控制系统的开发,对研究过程中遇到的 问题进行了研究解决,主要内容: 1.详细描述了400吨螺旋压力机的构成,并对其锻造的工作过程进行了详尽的 描述。 第一章 绪论 3.分析了螺旋压力机锻压的整个过程,通过力学的观点提出了螺旋压力机锻造过程中打击力的确定。 4.通过分析电动螺旋压力机,选择电动螺旋压力机的各种硬件器件,例如电机 编码器触摸屏等。 5.画出400吨电动螺旋压力机的控制电路接线.分析PLC控制的各种动作,编写触摸屏程序,是锻造更加人性化自动化。 7.总结展望在研究课题过程中遇到的难点,提出自己的解决方案。 第二章 电动螺旋压力机打击能量的分析 第二章电动螺旋压力机打击能量的分析 螺旋压力机属于设定能量的锻压设备,其主要能量是依靠滑块运动部分来 做工,螺旋压力机的打击能量是其一项重要的性能参数。在以往摩擦压力机的 规定标准中规定压力机的有效能量不能低于运动能量的 60%,在电动螺旋压力 机中国家尚未公布标准,但从其最后的打压转化做工的过程来看,其有效能量 同样也不能低于运动能量的60%。 2.1 电动螺旋压力机的力能关系 2.1.1 运动部分能量的组成 电动螺旋压力机中通过电机转子的转动所释放的动能,通过传动机构到飞 轮、滑块、螺杆上积蓄的总能量AL (2-1)其中 为主螺杆的导程。因此,从上面分析可以得出,在螺杆导程h下行滑块质量m飞轮转动惯 等参数设定好以后,可以通过检测滑块的稳定速度v,来计算得出电动螺旋压力机运动部分的能量。 2.1.2 能量的转换 在电动螺旋压力机在工作打击工件时,运动部分的能量 全部消耗完毕,运第二章 电动螺旋压力机打击能量的分析 动能量主要转化为其他三种能量:锻压工件的变形能Ed机器的弹性变形能 Et机器摩擦损耗的能量Em,根据能量守恒: Em(2-2) 进行分别计算: (2-3)其中, 为锻件的变形量。工件的变形能与工件的打击力工件的材料等有关系,通过不断的理论分 析和实践所掌握的经验教训,可以形成工件的锻造工艺。 2.的弹性变形能Et (2-4) 为机器的弹性变形量为打击力,随打击能量的变化而不同 为机械的总刚度通过上述分析可得: (2-5) 3.机器摩擦损耗的能量Em 为能量的折减系数,与机器的润滑程度,螺旋杆的结构参数有关。一般认为,摩擦损耗的能量为总能量的 15%-20% 第二章 电动螺旋压力机打击能量的分析 从上式的分析可以知道,机器的摩擦损耗的能量与打击力无关,只与能量的折减系数和运动部分的总能量有关,所以当螺旋压力机没有设置摩擦打滑保险 装置时,机器的摩擦损耗的能量是一个定值。 2.2 螺旋压力机打击过程能量分析 根据上面(2-5)和(2-6)可以做出螺旋压力机的力能关系曲线 螺旋压力机力能曲线示意图 从上面螺旋压力机力能曲线示意图来分析,螺旋压力机在锻压工件时的能 量转化过程和行程过程为: 当滑块加速到最大设定速度向下运动未接触工件时 点,此时打击力最大Pmax,运动能量还未转化为工件的变形能;当滑块接 触工件,能量慢慢转化为工件的变形能量,当到达 点时,达到设备长期运行许用压力 Po,此值一般为公称力 Pg 1.6倍;随着继续能量的转化,到达b 点时,工件向下的一个行程结束,滑块之中的能量除了固定的摩擦能量外全部转化为工件的变形能量。从上图中还可以看出电动螺旋压力机 的摩擦能没有设置摩擦打滑保险装置时是固定不变的,不随能量的转化而改变。 只要锻件的变形能和打击力等工艺参数在上面力能关系曲线内,那么就可以用 这种电动螺旋压力机锻压成功,所以力能曲线对电动螺旋压力机非常重要,是 其性能的重要依据。 从以上分析中可以知道,最大打击力 Pmax 远大于公称打击力 Pg,而在最大 打击力下锻件的变形为零,所以最大打击力对于锻造工艺来说是毫无意义的。 在打击工件时,如果工艺要求锻压能量要大于工艺要求,而且最大打击力要保 第二章 电动螺旋压力机打击能量的分析 证机器的安全,那么这样就不得不加厚机器的机械强度,这样做的后果会使电动螺旋压力机变得笨重,而且这样做还会导致对机器的投资成本增大,不利于 生产效益的提高在大中型锻压设备中,为了保证安全同时降低设备成本,在机 器的飞轮部分设置摩擦打滑保险装置,当打击力超过设计的打滑力时,通过摩 擦力来消耗能量,达到减小最大打击力的目的。具有摩擦打滑保险装置的力能 关系如图2-4 所示: 图2-4 飞轮设置摩擦打滑保险装置的力能曲线 为设定的打滑打击力,一般在设计螺旋压力机时打滑打击力为公称压力 倍左右较为合适。2.3 400 吨电动螺旋压力机相关参数的计算 400 吨螺旋压力机的公称压力 =mg=400100010=4000(kN)(2-7) 最大打击力 max =8000(KN)(2-8) 一般400 吨电动螺旋压力机的机械强度C 10,所以根据2-5 第二章电动螺旋压力机打击能量的分析 得到:Et=40(KJ) 所以总的能量 Em=40000+20% =50(KJ)根据2-1 式中,设置滑块的质量为10KG,螺杆的行程 420毫米,转轮的转动惯 量取1.24 10,将400 吨电动螺旋压力机的这些参数带入上式,可得: V500 (mm/s) 第三章 电动螺旋压力机器件选择 第三章电动螺旋压力机器件选择 3.1 引言 由于电动螺旋压力机在锻压工件时,工作环境比较恶劣特殊,决定了数控 电动螺旋压力机对控制系统要求比较严格,而可编程控制器具有可靠性高,抗 干扰能力和适应性强,控制系统设计、安装、调试方便等优点,因而选取可编 程控制器作为控制核心。 以可编程性控制器作为控制的核心,以工业触摸屏作为人机界面的控制系 统,组成了数控电动螺旋压力机的数控系统。 400吨螺旋压力机的控制系统总体设计方案如图4-1所示。控制系统的的核 心为西门子可编程系统PLC,可编程PLC发出指令控制变频驱动器各种动作,变 频器再控制电机的运转,通过传动系统传递到打击滑块做上下直线运动,在通 过能量的转化来实现打击滑块的目的。滑块位移检测来检测滑块的位移,从而 来控制滑块的打击能量,PLC在通过高速计数口来得到位移的信息来实现控制。 PLC通过数字量输入口来接收按钮信号,根据按钮输入的信号来实现控制。在工 作时,通过触摸屏来实现工作数据的显示和人机界面沟通实现。 第三章电动螺旋压力机器件选择 图3-1控制系统的总体设计方案 3.2 可编程控制器的选择 要实现400吨螺旋压力机的打击控制,选择核心的可编程控制软件是比较重 要的,西门子S7-200型号的小型可编程控制器由于CPU226 集成了24 输入/16 输出共40 个数字量I/O 点,最多可扩展7 个扩展模块单元。CPU226 还有6 独立的30kHz的高速计数器,可用来检测滑块位移。2 个RS485 通讯口,可用 来编程下载或与人机界面等外设通讯等功能。所以此种小型的可编程控制器 PLC,完全可以实现400吨螺旋压力机的各项功能,对其进行准确高效的控制。 我们选用的西门子S7-200型号的PLC编程环境如下图所示: 第三章 电动螺旋压力机器件选择 图3-2S7-200 编程环境 3.3 电机的选择 已知设备的全行程( )、飞轮对电机小齿轮的减速比(i)、以及主螺杆导程 为飞轮加速全过程对应的弧度位移又根据滑块质量(m )和下行效率可得滑块重力所做的功为: 为电机的效率第三章 电动螺旋压力机器件选择 (3-3)代入数据得: 420520 52010 50000 =700(3-4) 根据 60 =970r/min电动机的型号可以根据下式: 1005 =50(KW)(3-5) 所以本设计选用55KW,的电动机。 3.4 变频驱动器的选择 直接转矩控制技术有以下几个主要特点: 直接转矩控制是建立在定子坐标系下直接分析交流电机的数学模型并控,分别控制交流电机的转矩和磁链。它的优点是不用把交流电机和直流电机 进行比较;这样就省掉了交流电机与直流电机的对比建立模型的复杂过程。它 还省掉了在矢量控制中因为矢量变换带来的复杂的转换和计算过程。所以,直 接转矩控制具有控制信号非常简单,它所用到的控制信号能够使观察器对交流 电机的物理过程作出直接明了的判断。 直接转矩控制运用定子磁链进行磁场定向的方法,仅仅知道定子电阻就可以将它观测出来。所以,直接转矩控制极大的减少了在矢量控制中实际控制 效果受到电机参数的影响,比较稳定。 直接转矩控制运用空间电压矢量的方法来分析交流电机的数学模型,综合控制逆变器中六个开关元件的导通和关断,使控制变得简单明了。 第三章 电动螺旋压力机器件选择 直接转矩控制是通过对电机转矩的直接控制。这其中包含两层意思,其一是直接对转矩的控制:与矢量控制方法有所不同,它不是间接控制转矩,而 是把转矩直接作为控制对象,直接进行控制。所以直接转矩控制的目的不是为 了到最后获得理想的正弦波波形,同时也不特别的强调圆形的磁链轨迹。相反, 基于直接控制转矩的出发点,它只对控制效果关注,因而可以采用离散的电压 状态和六边形的磁链轨迹的概念。其二是直接控制的转矩。它通过转矩两点式 调节器将实际的转矩检测值和给定的转矩指令值作滞环比较,把转矩波动限制 在一定容差范围;而容差大小则由频率调节器控制。因而直接转矩控制的控制 效果仅仅取决于电机转矩的实际运行情况,其控制既简单又明了。 图3-3 直接转矩控制原理图 驱动系统是电动螺旋压力机控制技术的关键技术,对于螺旋压力机功能的 实现非常重要,可以得出,直接转矩控制技术可以满足电动螺旋压力机的快速 启动和制动,起动电流较小起动转矩较大的要求,是电动螺旋压力机现行理想 的电机驱动技术。 本设计对400吨电动螺旋压力机的控制的不同要求进行综合的考虑,可以选 组ACS800系列的驱动变频器,专门用于电机的转矩控制,其接线所示。 图中的各项指令如正转或者反转停止或者启动等控制指令,均来自可编程控 制器PLC控制系统,PLC根据电动螺旋压力机的运行状态给出指令进行控制。在 PLC中设置一个合适的定时周期中断,一般为10ms,从而可以通过检测出来的史 第三章 电动螺旋压力机器件选择 诗位移,对位移进行求导来求出滑块的运行速度。图3-4 变频器的接线图