機械制造自動化技術(shù)（第4版）課件：自動化控制方法與技術(shù)

任何機械制造設(shè)備的自動化其實質(zhì)是在其終端執(zhí)行元件上無需由人來直接或間接操作的自動控制。為了實現(xiàn)機械制造設(shè)備的自動化就需要對這些被控制對象進(jìn)行自動控制。

自動化控制方法與技術(shù)自動控制與機械控制技術(shù)、流體控制技術(shù)、自動調(diào)節(jié)技術(shù)、電子技術(shù)、電子計算機技術(shù)等密切相關(guān)，它是實現(xiàn)機械制造自動化的關(guān)鍵。它的完善程度是機械制造自動化水平的重要標(biāo)志。集中式分散式一、自動化控制的基本組成

自動控制系統(tǒng)包括實現(xiàn)自動控制功能的裝置及其控制對象，通常由指令存儲裝置、指令控制裝置、執(zhí)行機構(gòu)、傳遞及轉(zhuǎn)換裝置等部分構(gòu)成。1.指令存儲裝置用來存儲預(yù)先設(shè)置動作程序的裝置2.指令控制裝置將存儲在指令存儲裝置中的指令信息在需要時發(fā)出的裝置行程限位開關(guān)電子控制觸點壓力檢測裝置轉(zhuǎn)速測量裝置第一節(jié)自動化控制概念3.執(zhí)行機構(gòu)最終完成控制動作的裝置4.傳遞及轉(zhuǎn)換裝置

將控制裝置所發(fā)出的指令準(zhǔn)確而及時的傳送到執(zhí)行機構(gòu)的裝置。傳送過程中發(fā)生信號量和質(zhì)的變化傳遞介質(zhì)信號形式信號量值第一節(jié)自動化控制概念

二、自動化控制的基本要求

自動控制系統(tǒng)應(yīng)能保證各執(zhí)行機構(gòu)的使用性能、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率及工作可靠性。（1）能自動進(jìn)行。（2）系統(tǒng)模塊化，便于獨立調(diào)試，與系統(tǒng)匹配。（3）具有柔性的必須能適應(yīng)加工對象的變化。（4）簡單可靠，嚴(yán)格篩選元件。（5）適應(yīng)環(huán)境，抗干擾。（6）及時掌握系統(tǒng)工作狀態(tài)。（7）便于安裝調(diào)試維護(hù)修理。（8）布線安全合理，整齊美觀。（9）不過分追求完美，適應(yīng)實際條件。必須保證實現(xiàn)中國第一顆原子彈的測試工作哈勃望遠(yuǎn)鏡的修復(fù)工作具體情況具體對待第一節(jié)自動化控制概念

三、自動化控制的基本方式

主要是指機械制造設(shè)備中常用的控制方式。1.開環(huán)控制方式系統(tǒng)輸出不影響系統(tǒng)的控制，指令預(yù)先設(shè)定，校準(zhǔn)要求高2.閉環(huán)控制方式系統(tǒng)輸出直接影響系統(tǒng)的控制，利用反饋來減少系統(tǒng)誤差3.分散控制方式（行程或繼動）指令存儲和控制裝置按一定程序分散布置，控制對象按一定順序動作4.集中控制方式由一個中央指令存儲和控制裝置，按時間順序發(fā)出各種指令集中控制（時間控制）系統(tǒng)第一節(jié)自動化控制概念利用計算機來控制部件的各種運動，功能更強，可以實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的控制。5.程序控制方式固定程序控制

控制系統(tǒng)的程序固定不變，組成元件較少?？勺兂绦蚩刂?/p>

控制系統(tǒng)的程序可在一定范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)加工對象的變化，組成元件多時采用計算機，PLC；變化較小的情況下也可以采用凸輪。6.數(shù)字控制方式數(shù)控裝置控制工作部件的動作順序、速度、位移量等物理量。7.計算機控制方式第一節(jié)自動化控制概念一、機械傳動控制的特點

機械傳動控制方式一般傳遞的動力和信號都是機械連接的，所以在高速時，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的傳遞與信號處理，并且還可以重復(fù)兩個動作。在采用機械傳動控制方式的自動化裝備中，幾乎所有運動部件及機構(gòu)，通常都是由裝有許多凸輪的分配軸來進(jìn)行驅(qū)動和控制的。這種控制系統(tǒng)的另外一個特點是控制元件同時又是驅(qū)動元件。第二節(jié)機械傳動控制

二、典型實例分析

C1318型單軸轉(zhuǎn)塔自動車床控制原理C1318型單軸六角自動車床控制原理簡圖六角車床運動控制

機械制造過程中廣泛采用液壓、氣動對其整個工作循環(huán)進(jìn)行控制。采用高水平高質(zhì)量的液壓、氣動控制系統(tǒng)，就成為自動化制造裝置可靠運行的關(guān)鍵。為了提高工作可靠性，減少故障，必須重視系統(tǒng)的合理設(shè)計，選擇最佳運動壓力和高質(zhì)量的元器件，甚至包括最基本的液壓管接頭。第三節(jié)液壓與氣動傳動控制

一、液壓傳動控制

液壓傳動是利用液體工作介質(zhì)的壓力勢能實現(xiàn)能量的傳遞及控制的。作為動力傳遞，因壓力較高，所以用小的執(zhí)行機構(gòu)可以輸出較大的力，并且使用壓力控制閥可以很容易地改變它的輸出（力）。

第三節(jié)液壓與氣動傳動控制液壓控制方式：機械-液壓組合控制和電氣-液壓組合控制。從控制的角度來看,即使動作時負(fù)載發(fā)生變化,也可按一定的速度動作,并且在動作的行程內(nèi)還可以調(diào)節(jié)速度。液壓控制具有功率重量比大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點?？梢愿鶕?jù)機械裝備的要求,對位置、速度、力等任意被控制量按一定的精度進(jìn)行控制,并且在有外擾的情況下,也能穩(wěn)定而準(zhǔn)確地工作。電氣—液壓組合控制系統(tǒng)第三節(jié)液壓與氣動傳動控制機械-液壓組合控制系統(tǒng)

1-凸輪2-活塞3-油管4-活塞5-彈簧6-執(zhí)行機構(gòu)

二、氣動傳動控制

氣動控制技術(shù)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量和信號傳遞的工程技術(shù)，是實現(xiàn)各種生產(chǎn)和自動控制的重要手段之一。氣動控制技術(shù)不僅具有經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、便于操作等優(yōu)點，而且對于改善勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，具有非常重要的作用。第三節(jié)液壓與氣動傳動控制1.氣動控制的特點1)結(jié)構(gòu)簡單、輕便,易于安裝和維護(hù),可靠性高、使用壽命長。2)無污染,“綠色生產(chǎn)”3)適應(yīng)性強,特別適合易燃、易爆、多塵埃、輻射和振動等惡劣場合。4)動作迅速，便于調(diào)節(jié)，成本低,可實現(xiàn)自動保護(hù)。5)輸出力和力矩不太大,傳動效率低；氣缸的動作速度易受負(fù)載的變化影響。2.氣動控制的形式與使用范圍(1)全氣控氣閥系統(tǒng)

(2)電-氣控制電磁閥系統(tǒng)

(3)氣-電子綜合控制系統(tǒng)

(4)氣動邏輯控制系統(tǒng)氣-電子綜合控制系統(tǒng)的構(gòu)成1-數(shù)控系統(tǒng)或PLC2-接口3-氣閥4-氣動執(zhí)行元件第三節(jié)液壓與氣動傳動控制氣動控制形式選擇控制形式全氣控氣閥控制氣動邏輯控制氣-電子綜合控制電-氣控制電磁閥使用壓力/MPa0.2～0.80.01～0.80～0.8直動式0～0.8

先導(dǎo)式0.2～0.8元件響應(yīng)速度較慢較快快較慢信號傳輸速度較慢較慢最快快輸出功率大較大較小大流體通道尺寸大較大較小大耐環(huán)境影響能力防爆，耐灰塵，較耐振和潮濕注意防爆注意防爆、漏電抗干擾能力不受輻射、磁場影響受磁、電場干擾受磁場、電場、輻射干擾配管或配線較麻煩容易容易壽命106～108次最長103～107次，電氣觸點易燒壞對過濾要求膜片、截止式要求一般，間隙密封的滑柱式閥對氣源過濾要求高要求一般要求一般，間隙密封滑柱閥要求高維修、調(diào)整直觀、易調(diào)整容易、需懂電子需懂電氣，注意電氣故障價格低高較高其他停電后可工作一段時間，滑柱式有永久記憶能力有記憶能力，宜與電控系統(tǒng)連接斷電時單控閥返回原位，電氣元件易得到適用場合動作較簡單及大流量動作較復(fù)雜及小流量，大流量時要放大動作復(fù)雜，運算速度快，特別能用于電子控制的設(shè)備電器控制有基礎(chǔ)或遠(yuǎn)距離控制的場合，易與電子控制系統(tǒng)連接 電氣傳動控制(簡稱電氣控制)是為整個生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程服務(wù)的，它決定了生產(chǎn)設(shè)備的實用性、先進(jìn)性和自動化程度的高低。它通過執(zhí)行預(yù)定的控制程序，使生產(chǎn)設(shè)備實現(xiàn)規(guī)定的動作和目標(biāo)，以達(dá)到正確和安全地自動工作的目的。

電控系統(tǒng)除正確、可靠地控制機床動作外，應(yīng)保證電控系統(tǒng)本身處于正確的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)錯誤，電控系統(tǒng)應(yīng)具有自診斷和保護(hù)功能，自動或提示操作者作相應(yīng)的操作處理。第四節(jié)電氣傳動控制一、電氣控制的特點和主要內(nèi)容

按照規(guī)定的循環(huán)程序進(jìn)行順序動作是生產(chǎn)設(shè)備自動化的工作特點，電氣控制系統(tǒng)的任務(wù)就是按照生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)工藝要求安排工作循環(huán)程序，控制執(zhí)行元件，驅(qū)動各動力部件進(jìn)行自動化加工。

基本要求：①最大限度地滿足生產(chǎn)設(shè)備和工藝對電氣控制線路的要求；②保證控制線路的工作安全和可靠；③在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，控制線路力求經(jīng)濟(jì)、簡單；④應(yīng)具有必要的保護(hù)環(huán)節(jié)，以確保設(shè)備的安全運行。電控系統(tǒng)構(gòu)成

主電路、控制電路、控制程序、相關(guān)配件第四節(jié)電氣傳動控制二、電氣控制系統(tǒng)工作循環(huán)的表示方法

1.工作循環(huán)圖工作循環(huán)圖的表示方法→動作順序和信號傳遞方向SQ1～8—行程開關(guān)等傳感元件

SP1～2—壓力繼電器第四節(jié)電氣傳動控制2.工作循環(huán)周期表圖1-7功能流程圖的表示方法a)工作臺示意圖b)功能流程圖3.功能流程圖三、電氣控制的操作方式（1）自動循環(huán)（或稱連續(xù)循環(huán)）（2）半自動循環(huán)（或稱單次循環(huán)）（3）調(diào)整

（4）開工循環(huán)和收工循環(huán)四、電氣控制的聯(lián)鎖要求

生產(chǎn)設(shè)備在運行中，各動力部件的動作有著嚴(yán)格的相互關(guān)系。這種關(guān)系主要通過電氣控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖功能來加以保證。按聯(lián)鎖信號在電路中所起的作用分為：

聯(lián)鎖、自鎖、互鎖、短時聯(lián)鎖、長時聯(lián)鎖注意：電氣控制程序的設(shè)計必須在充分了解機床工藝要求的基礎(chǔ)上，按實際需要考慮聯(lián)鎖關(guān)系，不是越多越好！編寫程序后的調(diào)試工作（C）用于手工上下料以及手工裝夾操作東方紅二號發(fā)射時的聯(lián)鎖信號有42種第四節(jié)電氣傳動控制五、常用的電氣控制系統(tǒng)

1.固定接線控制系統(tǒng)-采用早期的分立元件和印制電路板的形式繼電器-接觸器控制系統(tǒng)固體電子電路系統(tǒng)

2.可編程序控制系統(tǒng)采用PLC來完成指令存儲，數(shù)學(xué)與邏輯計算，通信，比較等功能。

3.帶有數(shù)控功能的PLC

利用數(shù)控模塊對PLC進(jìn)行功能擴(kuò)展，可以實現(xiàn)1～3軸的控制，甚至于具有插補功能。

4.分布式數(shù)控系統(tǒng)（DNC）將多個單軸數(shù)控系統(tǒng)作為控制基層設(shè)備，與主控和中央控制系統(tǒng)連接，利用網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行控制。第四節(jié)電氣傳動控制

計算機在機械制造中的應(yīng)用已成為機械制造自動化發(fā)展中的一個主要方向。而且在生產(chǎn)設(shè)備的控制自動化方面起著越來越重要的作用。

一、普通數(shù)控機床的控制

采用數(shù)控裝置，以數(shù)碼的形式編制加工程序，控制機床各運動部件的動作順序、速度、位移量及各種輔助功能，以實現(xiàn)機床加工過程的自動化。

二、加工中心的控制

采用小型計算機進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對同族零件的自動加工。第五節(jié)計算機控制技術(shù)三、計算機數(shù)控

在數(shù)控裝置部分引入了一臺小型通用計算機。四、計算機群控

1.間接式群控系統(tǒng)用數(shù)字通信傳輸線路將數(shù)控系統(tǒng)和群控計算機直接連接起來。

2.直接式群控系統(tǒng)群控計算機直接把指令以聯(lián)機、實時、分時的方式送到機床控制器。圖2-8計算機群控系統(tǒng)圖2-9間接式群控系統(tǒng)第五節(jié)計算機控制技術(shù)五、適應(yīng)控制

系統(tǒng)本身具有適應(yīng)能力的控制系統(tǒng)。所謂適應(yīng)能力就是系統(tǒng)本身能夠隨著環(huán)境條件或結(jié)構(gòu)的不可預(yù)見的變化，自行調(diào)整或修改系統(tǒng)的參量。圖2-10加削加工的適應(yīng)控制系統(tǒng)原理圖第五節(jié)計算機控制技術(shù)第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用一、步進(jìn)電動機的控制

步進(jìn)電動機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電動機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電動機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。1.步進(jìn)電動機的特點（1）電動機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；（2）電動機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時）；（3）由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步，因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；（4）快速的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；（5）由于沒有電刷，可靠性較高，因此電動機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；（6）電動機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電動機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且容易控制成本；第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用1.步進(jìn)電動機的特點（7）僅僅將負(fù)載直接連接到電動機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)；（8）由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍；（9）步進(jìn)電動機外表允許的最高溫度步進(jìn)電動機必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此它的轉(zhuǎn)動需要由驅(qū)動器驅(qū)動，驅(qū)動器由控制器控制，控制器由控制指令控制。第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用2.步進(jìn)電動機控制原理圖2-11步進(jìn)電動機控制框圖

步進(jìn)電動機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。

第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用2.步進(jìn)電動機控制原理第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用3.步進(jìn)驅(qū)動器簡介

CW+、CW-為步進(jìn)電動機方向的控制端，若規(guī)定CW+為高電平時，步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)動為正轉(zhuǎn)，則CW+為低電平時，步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)動為反轉(zhuǎn)；CP+、CP-為脈沖信號端，接收來自控制器的脈沖信號；A+、A-為A相端口，與步進(jìn)電動機的A相繞組連接；B+、B-為B相端口，與步進(jìn)電動機的B相繞組連接；VCC、GND為直流電源端口，一般在24～40V之間。

圖2-12步進(jìn)電動機驅(qū)動器接線示意圖第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用4.FX3U128MT-PLC控制器簡介

FX3U128MT-ES-A是三菱電機推出的功能強大的普及型PLC。具有擴(kuò)展輸入輸出、模擬量控制和通信及鏈接等功能?？刂破鞯闹饕獏?shù)有64點輸入、64點輸出、AC220V電源和晶體管輸出。第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用4.FX3U128MT-PLC控制器簡介第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用5.

PLC控制器、步進(jìn)電動機驅(qū)動器和步進(jìn)電動機接線圖圖2-13步進(jìn)電動機控制電路接線圖

第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用6.步進(jìn)電動機控制軟件設(shè)計控制界面的作用主要是對步進(jìn)電動機進(jìn)行常規(guī)的操作。要求對步進(jìn)電動機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)點動、反轉(zhuǎn)點動、停止和正反間歇循環(huán)運動等功能；要求步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)速可調(diào),正反間歇循環(huán)運動的時間可調(diào)等。圖2-14步進(jìn)電動機正反間歇循環(huán)規(guī)律圖第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用6.步進(jìn)電動機控制軟件設(shè)計三菱GT1275-VNBA觸摸屏,采用GTSimulator3仿真軟件,步進(jìn)電動機運動控制界面。圖2-15步進(jìn)電動機運動控制界面第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用6.步進(jìn)電動機控制軟件設(shè)計圖2-15所示的控制界面上軟元件的地址與功能見表2-6第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用6.步進(jìn)電動機控制軟件設(shè)計步進(jìn)電動機正轉(zhuǎn)的梯形圖第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用步進(jìn)電動機反轉(zhuǎn)的梯形圖6.步進(jìn)電動機控制軟件設(shè)計步進(jìn)電動機正轉(zhuǎn)點動梯形圖第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用步進(jìn)電動機反轉(zhuǎn)點動梯形圖6.步進(jìn)電動機控制軟件設(shè)計步進(jìn)電動機停止梯形圖第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用步進(jìn)電動機間歇循環(huán)運動梯形圖程序清單二、交流伺服電動機的控制

伺服電動機的主要特點是,當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

交流伺服電動機是交流電動機的一種，通過伺服驅(qū)動器的矢量控制理論控制電動機的扭矩、速度、位置等等，交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻一般很大，這樣可以防止自轉(zhuǎn)，當(dāng)控制電壓消失后，由于有勵磁電壓，此時的交流伺服電動機中會有脈振磁動勢，這樣可以防止自轉(zhuǎn)。第六節(jié)典型控制技術(shù)應(yīng)用1.交流有刷伺服電動機特點（1）精度：實現(xiàn)了位置、