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1總體設計方案

設計主要是實驗焊機的電器控制元件及控制系統。本文縫合摩擦焊設備采用PLC控制系統。整個電控系統我們以PLC為主控制元件，采用人機界面為控制面板，操作簡單直觀。反饋的信號可以清晰的反應到界面上，控制信息通過人機界面傳遞給PLC，經由PLC處理分析后，再把信號下傳至執行單元。

2PLC及外圍器件選型設計

2.1PLC選型

綜合考慮經濟等各方面，縫合摩擦焊電控系統的控制器設計選擇西門子品牌的PLC。

2.1.1PLC控制規模確定

西門子PLC按照控制規模有如下分類，微型PLC（如S7-200），小規模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等.根據具體實驗情況，本設計選擇S7-200微型PLC.

2.1.2PLC的CPU模塊選擇

設計中用到的PLC僅需要控制一個伺服電機和一個簡單液壓系統，要有模擬量的輸入輸出，并且可以連接擴展模塊。所以綜合考慮，選擇CPU22（4晶體管輸出），在滿足基本要求的基礎上又留有余量，可供后期實驗設備進行改進。

2.2外圍器件的選型

因為液壓伺服閥的控制信號是模擬量的輸入信號，所以PLC不能直接輸入信縫合摩擦焊實驗裝置的電控系統設計張旭博鄧秋實劉建康程旭明孫未中國石油大學（華東）山東青島266580號，因此PLC需要一個DA擴展模塊來實現對伺服閥的閉環控制。伺服電機驅動器的控制信號是通過PROFIBUS-DP通信，所以PLC還需要一個帶有PROFIBUS-DP接口的擴展模塊。

2.2.1模擬量擴展模塊的選擇

設計選用模擬量擴展模塊選擇同時具有輸入輸出點的EM235。EM235模擬量擴展模塊可以提供了模擬量輸入/輸出的功能，可以直接與執行器和傳感器相連，12位的分辨率和多種輸入/輸出范圍能夠在不需要外加放大器的情況下與傳感器和執行器直接相連；可以根據實際需要靈活擴展，并可以非常容易的調整用戶程序等。

3縫合摩擦焊焊接過程控制

3.1縫合摩擦焊焊接動作過程描述

設計采用伺服電機來控制焊接主軸的進給運動，通過液壓系統來控制主軸的高速旋轉。具體控制過程如下：啟動伺服電機，控制焊接主軸頭向下運動到被焊工件處；開啟液壓系統，液壓馬達開始旋轉，帶動主軸旋轉；開始焊接，同時有主軸進給和主軸旋轉；焊接完畢，主軸停止旋轉，同時向上運動；主軸復位，關閉設備。

3.2液壓系統部分設計

3.2.1液壓控制原理

這個液壓系統比較簡單，用溢流閥控制系統的最高壓力，用液壓伺服閥控制馬達的啟停和主軸轉速的調節。

3.2.2液壓動力元件選型

設計要求主軸最高轉速為6000r/min，因此選用柱塞液壓馬達。設計焊接具體要求如下：主軸旋轉速度500r/min～6000r/min；焊接壓力最大值20kN；主軸頭液壓馬達最大扭矩50N•m。本設計選擇具體型號為A2FM12的柱塞液壓馬達。

3.2.3主軸旋轉具體控制過程

控制過程：首先通過PLC控制一個繼電器來控制液壓泵的啟動和停止。轉速控制信號由人機界面輸入，經過PLC處理經過模擬量擴展模塊EM235控制液壓伺服閥工作，使液壓馬達獲得相應的轉速，同時，主軸上的轉速傳感器又將轉速實時反饋到PLC,形成閉環控制系統，完成對主軸轉速的穩定控制。

3.3縫合摩擦焊軸向運動控制

3.3.1伺服電機

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。其主要特點是：當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。設計實驗裝置需要慣量大、進給速度低，做低速平穩運動，采用交流伺服電機。

3.3.2伺服驅動器

（1）轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小。應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中。

（2）位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數來確定轉動的角度。一般應用于定位裝置。

（3）速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位回饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，增加了整個系統的定位精度。設計選用速度模式，通過模擬量的輸入對伺服電機進行控制。

3.3.3主軸進給具體控制過程

具體控制方案是觸摸屏是人機對話接口，控制信息需要通過觸摸屏輸入，然后信息通過通信端口出入PLC，經過PLC的運算過后，以模擬量的形式傳送到伺服控制器的模擬量輸入端口，伺服控制器經過對模擬量的運算，然后驅動伺服電機輸出連接絲杠的主軸所需要的轉速。同時在主軸上安裝一個速度傳感器，將主軸的實時進給速度反饋給伺服控制器，形成一個閉環控制系統，達到輸入速度的穩定輸出。

作者:張旭博鄧秋實劉建康程旭明孫未單位:中國石油大學