材料成型设备第一章绪论.ppt

材料成型设备及计算机控制技术,，刘立君主编,北京大学出版社,2008年2月,目 录 第1章 绪论（焊接、锻压、铸造、冲压、塑压） 第2章 微计算机控制系统设计基础 第3章 电气控制及PLC技术 第4章 PID微机控制 第5章 材料成型设备计算机控制系统设计 第6章 焊接设备与铸造设备计算机控制技术 第7章 锻压、冲压与塑压设备计算机控制技术,内容简介,本课程主要介绍了PID控制技术、PLC控制技术、微计算机接口技术、通讯技术，作为材料成型设备计算机控制技术基础知识；详细阐述了材料成型设备微计算机控制系统设计方法；材料成型设备主要介绍材料成型方面典型设备：焊接电源、焊接机器人、差压铸造设备、通用压力机、冲压机、塑料注射成型机，并通过典型应用实例阐述材料成型设备计算机控制系统设计步骤及其原则，总体方案的分析和设计。,第一章 绪论,1.1计算机控制技术在材料成型设备中应用 1.2材料成型设备常用的控制器 1.3学习本课程的目的与要求,绪 论,计算机是本世纪中最重要的技术发展项目之一，它具有进行最普遍意义的信息自动化处理的能力，同时由于工业控制机和微机的性能价格比的和可靠性的提高，使得实现整个工业和工业体系生产过程的综合自动化具有可能性和现实性。因此，计算机在工业生产过程自动化方面起着其它技术不可代替的作用。,1.1 计算机控制技术在材料成型设备中应用,1.1 计算机控制技术在材料成型设备中应用 焊接、锻压、冲压、塑压和铸造中典型设备。 1.计算机控制技术在弧焊电源中应用 微机在电弧焊机中的应用已不在局限于使用其记忆功能；存储熟练焊工的经验数据、焊接规范、焊接程序。现在已扩展用于控制弧焊电源的大批动态、静态特性和自动调节焊接规范或焊接参数，改善焊接性能，保证焊缝一致性，获得高质量焊缝。 常用的微机有单板机、单片机、可编程序控制器、个人计算机等 。,国外早有商品出售，如：ESAB公司的LAK500型微机控制电源日本松下公司的PULSE MEMOR ZX系列电源，大阪变压器公司的AUTO 380超高频逆变电源等。 国内已开发出多种产品，微机已由低档的Z80.6520等8位机到MCS51系列单片机，进而发展到MCS96系列16位单片机，焊接电源的微机控制最基本的是实现其调节特性，即对焊接电源外特性的调节。焊接晶体管电源、逆变电源。电源类型很多，从理论上讲每种电源均可实现微机控制。 易于计算机控制、比较普及和比较先进的电源主要有可控硅电源、晶体管电源、逆变电源。,微机控制弧焊电源,（1）可控硅电源,以阻性负载的三相桥式电路的主电路。负载电压Uf，为可控硅触发的控制角。,可控硅电源主电路原理,（a）含触发电路,（b）不含触发电路,可控硅电源触发电路,微机对控制方法： 1、含触发电路。 由CPU经D/A输出模拟量控制信号，控制触发电路以得到不同的； 2、不含触发电路。 由CPU经并行接口的某些位直接输出触发信号，经过由数字电路组成的触发信号分配电路，分时触发三个可控硅，并用定时器进行定时。,电,晶体管组工作在线性放大区，其焊接电流If可由模拟量Ug控制，该模拟量可直接有微机通过D/A转换接口输出 。,模拟式晶体管电源的组成,（2）晶体管电源,模拟式晶体管电源的微机控制,逆变电源的组成如图所示，它具有许多优点，如抗干扰性强、功率消耗小、体积小等，是目前科研人员普遍研究的电源，通过调节大功率开关元件开关的占空比，可达到调节焊接电流If的目的。,逆变电源的组成,（3）逆变电源,AC,DC,AC,DC,通过调节大功率开关元件开关的占空比，可达到调节焊接电流If的目的。占空比的调节有定频率调脉宽和定脉宽调频率两种方法，以前者见多。微机实现定频率调脉宽的占空比调节，多采用脉宽调制器，由微机经D/A转换器输出模拟量，控制脉宽最终实现对If的控制。,逆变电源的微机控制,CPU,D/A,转换,量程极性,匹配电路,脉宽,调节器,驱动,电路,大功率,开关元件,微机控制的弧焊电源研究: 1、加强焊机过程智能化控制的总体研究，使包括弧焊电源在内的整个焊接系统协调，最优地工作； 2、优化选择目前已成熟的微机控制弧焊电源，使生产制造批量化，系列化，扩大在实际生产中的应用； 3、加强控制算法的研究，引入自校正、PID、模糊控制、神经网络控制等先进控制策略将会进一步提高控制效果。,将自适应控制、专家系统、模糊控制和人工神经网络用于弧焊电源的控制中。将弧焊规范参数如熔深、熔宽等当作直接焊接参数，电源的输出电压、电流当作间接焊接参数，并考虑工作环境的因素。 根据所需要的直接焊接参数通过专家系统、或神经网络或其它的方式决定间接焊接参数，从而控制弧焊逆变器的工作，以获得所需的焊接效果。,数字化焊机 实现了柔性化控制和多功能集成,系统的控制策略通过软件的方式加以实现(以软代硬)，系统的控制是柔性的，利于进行控制系统的优化设计与多功能集成，控制精度高。 数字信号处理器DSP（Digit Signal Processing）系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小、可靠性高；产品的一致性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；接口兼容性好，DSP系统与其他的现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的；焊机功能升级方便，DSP系统中的可编程芯片可使设计人员在开发过程中能方便地对软件进行修改和升级。,1.1.2计算机控制技术在弧焊机器人中应用,PC机与焊接机器人的结合应用，不但能够解决了专用控制器计算负担重、实时性差等问题，同时能够将其他领域如焊缝跟踪、图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等先进的研究成果应用到该系统的实时操作中。 将分布式人工智能和多智能体系统理论充分应用于工业生产系统和多机器人系统，便产生了一门新兴的机器人技术领域多智能体机器人系统。具体内容为：机器人焊接技术任务规划软件系统设计；机器人焊接传感技术；焊接机器人系统用电源配套设备技术；机器人运动轨道控制实现技术；焊接动态过程的实时智能控制器设计；焊接机器人焊接智能化复杂技术的控制与优化管理技术；遥控焊接技术。,1.1.3 锻压设备计算机控制技术,锻压设备 有一般数控的共性，锻压生产的环境条件恶劣(振动、高温、灰尘)，许多通用检测及执行元件不能适应，可靠性差，寿命短； 可靠性要求高,锻压是在高压力、高速度、高温下进行的生产工艺，控制系统一旦失灵则可能造成重大人身、机床事故和经济损失，所以要求系统十分可靠，必须采用完善的保险措施(如冗余技术)； 检测和控制的参数种类复杂，它们包括位移、速度、力、力矩、压力、流量、温度、形状等，其中多为模拟量，给检测、执行及控制均带来的困难； 工艺复杂， 在生产过程中可能出现种种异常情况，且事先难以完全预料(如温度对锻件成形的影响，板材性质对冲压件质量的影响，润滑对脱模的影响等)，所以在控制硬件和软件方面要有相应的措施，例如应设置多种过程参数的检测，能及时、方便地实现自动手动转换，在自动生产过程中可随时插入必要的人工干预； 驱动功率大，响应速度快。如锻压设备所用的液压系统大多用高压、大流量，并要求在极短的时间内进行动作变换，以保证工件精度和生产率，避免因温度下降而造成废品； 控制精度相对冷加工控制系统的要求较低，如位置精度一般低于0.01mm，但系统必需坚固耐用。,计算机在锻压设备控制系统中的应用主要有以下几方面： 1、锻压过程的计算机监测。计算机通过传感器和接口电路采集、显示和记录锻压过程参数，它只能为操作人员的决策、控制提供依据，而不能自动控制生产过程。 2、通过接口电路和执行器件控制锻压过程参数，使生产过程能按事先编制的程序和输入的数据自动进行，从而得到符合要求的工件。 3、按照预先选定的目标函数(例如生产率最高、材料最省或功率消耗最少等)，对过程参数进行优化，使系统在最佳状态下运行。 4、锻压生产的计算机控制一体化包括锻压生产的管理、工艺过程和模具的计算机辅助设计(CAD)、模具的计算机辅助制造(CAM)，以及过程的直接控制等。,1.1.4 铸造设备计算机控制技术,1、 近年来，由于大规模集成电路的发展，微处理器和微型计算机已在铸造工业获得广泛应用。 2、计算机控制铸造设备首先把生产过程的有关参数，如温度、压力，流量等进行采样并通过过程输入通道把模拟量(也可直接输入数字量信息)转换成相应的数字量。,3、计算机数据检测处理是计算机在铸造工业中最基本的也是非常重要的一种应用。它收集铸造生产过程的参数，如混砂时的水分，湿度，紧实度，成型性等，经模数转换器换算成相应的工程单位和数值。国内外在计算机质量检测与测量手段上的发展趋势是：主要围绕严重影响铸件质量的环节进行研究，如配料成分控制，型砂混制，型砂性能检测，铸件成品的外表与内在质量无损检测;快速检测,如熔化工位铁水成分的测量，为熔化控制，提高铁水质量创造了条件。 4、计算机控制系统是利用计算机的处理能力，对各控制回路由检测元件、变送器所送来的温度、压力、流量、物位、机械量、成分等被控量的信号进行数字化处理，与给定值比较，根据必要控制算式对执行器送去应有的控制量(数模转换器)，从而能对多个回路完成PID控制，前馈控制，自适应控制，多参数协调控制等任何一种计算机控制方式。,冲天炉微机控制系统 其信息因子铁水温度，出铁量，有焦高度，炉顶气中CoCo2等；控制因子风量，金属，炉料配比，铁焦比等；特性值铁水化学成份；控制方法为配料自动控制，自动记录及调整、信息因子与控制因子的联合，监测与调节，以达到最佳目标，实现了从各种原材料的加入与计量到各工艺参数的检测与控制的全自动化操作，有效地提高了铁水质量。 如砂处理微机控制系统有以下几方面的应用：把微机作为顺序控制器使用，使砂处理系统中各种工艺设备和运输设备按一定动作顺序联动，并具备联锁要求。单台工艺设备，如混砂机，按时间表完成预定作业循环。使某调节对象自动保持在预定参数范围内，如型砂水份自动调节，旧砂冷却控制等。,电子计算机已在铸造设备中广泛应用，其中包括熔炼与浇注设备、造型与制芯设备、金属型设备(其中尤以压铸机应用最多)、砂处理设备、清理设备、低压及差压铸造设备答。在机电一体化大力推广与发展的今天，工程技术人员应该掌握微机技术，并能根据生产工艺过程要求提出系统控制方案、编制软件程序、组成硬件系统，并对系统进行稳定性分析和模拟化设计。,1.2材料成型设备常用的控制器,1.2.1 单片机 单片机(微计算机)就是利用半导体集成技术，将中央处理单元(CPU)和一定的数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、定时/计数器(T/C)、并行输入/输出(I/O)接口和串行通信接口(URAT)等多个功能部件集中在一块芯片上，是一台具有完整计算功能的大规模集成电路，又称为微控制器。 在工业生产过程中的实时控制和自动化管理中，单片机得到很好的应用。利用单片机对生产过程进行实时监控，能迅速获得生产过程的随机变化情况，根据工艺要求，自动实施控制，以便使生产过程达到最佳状态。这样就可排除人工干预，降低成本，提高产品质量和生产效率。,1.2.2 可编程控制器 与单片机相比，PLC由于具有以下优点: 1. 高可靠性 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用了现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，所以具有很高的可靠性。 2. 丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号(如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等)，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备(如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等)直接与之连接。,3. 采用模块化结构 为了适应各种工业控制的需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4. 编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，用户不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员所接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 5. 安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。 6. 体积小，质量小，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，质量小于150g，功耗仅为数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。,1.3 学习本课程的目的与要求,1.3.1 学习本课程目的 通过本课程学习，使学生较好掌握材料成型设备计算机控制相关知识，提高学生多学科融合思维能力，增强学生的社会适应能力，为其将来进入社会创造良好条件。 1.3.2 课程要求 1.掌握弧焊电源、焊接机器人、差压铸造设备、通用压力机、冲压机和塑料注射成型机基本工作原理及实际应用的特点。 2.掌握单片机、电器元件、PLC控制的设计。 3.掌握PID基本原理及一些典型PID设计。 4.掌握材料成型设备计算机控制系统设计步骤及其原则，熟悉控制系统软、硬件设计具体要求，基本掌握材料成型设备计算机控制系统集成技巧，并初步能进行总体方案的分析和设计。,1.3.3 本课程与其它课程的联系和分工,1.本课程的先修课程为电工学、电子学、电力电子技术、机械原理、单片机原理与应用和计算机基础等与本课程相关基础理论知识。 2.本课程为专业基础课，侧重于将学生以前所学计算机等方面基础知识融入材料成型设备控制中，使学生掌握如何设计材料成型设备计算机控制系统，为后续其它专业课提供材料成型设备及计算机控制设计方法等方面知识。 3.因为材料成型设备非常多，所以本课程只讲授材料成型设备中典型设备，其它设备可到相关课程中学习,