全自动裁断机—导开储布系统的设计

全自动裁断机导开储布系统的设计摘要本课题主要是设计全自动裁断机的导开与储布控制系统，导开与储布装置是全自动裁断机的龙头部分，它的控制质量的好坏直接影响到裁断的精度。裁断机的原料是帘布卷，它由帘布垫上布卷取而成，导开装置将帘布分开，垫布重新成卷，帘布送入储布装置以便供料装置使用。导开装置为双工位导开机，两工位可以交错使用，提高工作效率。导开电机是三相异步电机，受储布装置控制，使帘布平稳导开， 保持帘布张力基本恒定在正常状态下，导开电机始终运转保证裁断前的帘布保持一定张力。张力汽缸上的磁性开关组合调节变频器控制电机的速度, 使帘布张力导开与储布料位开关组合调节导开电机的转速, 帘布张力稳定地、无打滑地输送到主传送带上。储布装置供布速度自动适应主机送布速度, 通过检测浮动辊的上下位置, 控制帘布导开的速度及张力。帘布及垫布轴承座带有电磁阀控制的气动摩擦盘，用于保持帘布和垫布的张力。导开电机速度由张力辊位置控制，以保证垫布在卷取时的张力。关键词：导开装置，储布装置，PLC，裁断机，自动控制IIAbstractThe paper addresses the unwinding and storing control system on automatic cutting machine, the unwinding and storing control system is the completely automatic cutting machines main item part, it controls precision that influences the equipment and the quality immediately. Cutting machines material is the cord fabric, it fills up the cord fabric and fiber fabric, the unwinding device separates the cord fabric and coils the fiber fabric again, the fiber fabric sends to supply the material equipment by storing device. The unwinding device is the double position machine, two position can work by turns, raises the work efficiency. The unwinding motor is the three-phase asynchronous motor, it is thrall to storing device, then it makes the cord fabric to unwind steadily, keeps the cord fabric under the normal state, the unwinding motor revolves to make sure that the cord fabric maintain tension before cutting.The magnetic switch on the tension pneumatic cylinder adjusts the speed of the variable-frequency motor, then the combination adjusts the rotational speed of the storing motors, the cord fabric tension transmits to the main conveyer stably and no sleekly. The speed of offering cord fabric for storing device self-driven accommodates the transmission speed of mainframe, controls the speed and the tension of the cord fabric unwinding through the examination of the position about floating action rollers.Key words：the unwinding device， the storing device， PLC，cutter machine， automatic全自动裁断机导开与储布系统设计目录IV第一章前言11.1 概述11.2 课题研究内容2第二章本论42.1 裁断机PLC自动控制系统构成42.2 方案选择62.2.1 控制器选择62.2.2 电机选择92.3 结构设计部分132.3.1 系统设计的主要内容132.3.2 PLC控制系统设计的基本步骤132.3.3 PLC控制变频器162.3.4 张力检测传感器182.3.5 摩擦电磁阀装置192.4 主要元器件选取202.4.1 可编程控制器202.4.2 交流变频调速器202.4.3 电机202.4.4 传感器及接近开关202.4.5 电磁阀212.4.6 接触器及热继电器212.5 控制电路设计212.6 程序编写23第三章结论与展望253.1 结论253.2 展望25参考文献27致谢28声明32第一章前言1.1 概述近几年,市场对子午线轮胎的需求越来越大,我国已有许多大、中型轮胎企业上马了全钢及半钢子午线轮胎生产线。半钢子午线轮胎生产线中纤维胎体帘布裁断是一个很重要的工艺环节,对其控制的自动化水平的要求越来越高。裁断机的英文名称为Cutter Machine，意思是切割机。是一种在工业生产中用来冲裁各种柔性物料的加工机器。裁断机是一些轻工行业不可缺少的设备，用途非常广泛。其功能主要是利用成型刀模，通过冲裁动作而获得人们所需的片材或半成品。适用于加工各类皮革、布料、纺织物、塑胶、橡胶、纸板、毛毡、石棉、玻璃纤维、软木、其它合成材料等柔性片状物料。广泛应用于皮革及制鞋、手袋及箱包、手套及帽子、工艺及丝花、绣花、拼图及制卡、吸塑与包装、印刷与纸品、文具、塑胶化工、汽车和电子等及其它轻工产业。传统观念，裁断机是借助于机器运动的作用力加压于刀模，对材料进行切割加工的机器。近代的裁断机发生了一些变化，开始将高压水束、超声波等先进技术是用于皮革冲切技术中，但人们仍然将这些设备归纳在裁断机类的设备中。机械传动裁断机： 一般机械传动的裁断机速度较快，运转稳定（调整好后， 冲程下限不会发生变化），冲切力较大；其最大的缺点是噪音较大。所以自 60 年代以来逐步为液压传动的裁断机所代替。机械传动的裁断机，虽然还有厂家在继续生产，一些小型、个体厂商仍在使用，但这种形式的裁断机势必将被淘汰。液压传动裁断机： 判断液压裁断机功能的主要依据是，冲切力大小和冲切速度。冲切力很大，但冲切速度很低，或者冲切速度很高，但冲切力很小的机器，都不能顺利地完成冲切任务。对于机械传动的裁断机一般冲切速度都较高，约为 250 次/分；其冲切速度是变值，平均冲切速度为：200 毫米/秒。液压裁断机的冲切速度一般为：大于 75 毫米/秒。机械传动的裁断机和液压传动的裁断机不同点，主要由两种传动的不同的特性所决定的：机械传动是刚性传动，而液压传动确有一定的柔性。27液压裁断机的特点是：当冲切头通过刀模作用于被加工物的瞬时，作用油缸内的压力并未达到额定压力，压力将随着接触（切入工作物）的时间增加而增加，直到电磁换向阀接收到信号，换向阀换向，冲切头开始复位；这时油缸内的压力由于受到进入油缸的压力油时间的限制，可能并未达到设定的额定压力值；也就是说， 系统压力未达到设计值，冲切就已经完成。液压传动的裁断机，现在仍然处于主流地位。在液压裁断机中，大量被采用的是吨位在 14-18 吨的摇臂式裁断机。平板式和龙门裁断机多数用于比较大型的生产厂家，更适合于对人造材料的冲切。全自动裁断机采用微电脑程式控制装置，稳定性高，自动送料之设定的控制， 均集中电脑控制， 操作最方便，适用于各种卷筒式或片状材料之一层或多层连续成型裁断，效率高，最适合大量生产的裁断作业厂家。全自动裁断机在我国已经开始使用，由于制造业工业现代化程度的提高，在不久的将来可能会有一定的市场。但在近期，它将不可能替代液压裁断机。裁断机的功能是将宽约1500mm的帘布按一定的角度、一定的定长裁断，然后以裁断定长为宽，沿帘布边线方向对接供成型工艺用。但是多年来，我国各厂家所使用的裁断机五花八门，制造该设备的各厂家也没有统一的标准，都是根据一、两个厂家的生产工艺设计的，不能满足其他厂的要求。1有实力的厂家都是自己进行裁断机改造。因为裁断机对最后帘布的一次定长和帘布接头起着重要作用，裁断的质量对于最终产品也有很大影响。特别是在一次定长方面起着重要作用。1.2 课题研究内容本课题主要是设计全自动裁断机的导开储布系统，导开与储布是全自动裁断机的龙头部分，它的控制质量的好坏直接影响到裁断的精度。全自动裁断机由前后两工位导开、储布、主机传送带、边缘检测、吸取、对接等装置构成。全套装置的控制系统采用日本三菱公司的FX系列可编程序控制器及其伺服系统。由导开装置将纤维帘布张力导开, 经储布架给主传送带供应帘布。两工位导开装置一工一备, 交替工作。导开装置由变频电机驱动。张力辊汽缸上的磁性开关组合调节变频电机的速度, 使帘布张力导开储布料位开关组合调节储布架送布电机的转速, 帘布张力稳定地、无打滑地输送到主传送带上。帘布经储布装置输送到主机送布辊, 送布辊电机采用三相异步电机驱动, 与主机传送带配合, 将帘布向前定长输送, 由伺服电机驱动的裁刀进行裁断。储布装置是协调导开与供料装置之间的速度差，以免帘布被拉伸变形。储布器为单循环储布系统，除了上中下位置装限位器输出浮动辊位置之外，还有控制电机速度的 PLC 控制器，可以调节导开电机的转速。储布量大时，导开速度降低，储布量小时，导开速度加大。在正常状态下，导开电机始终运转保证裁断前的帘布保持一定张力。帘布卷最初是由垫布及帘布共同卷取而成，导开装置通过导开电机和垫布卷取电机将帘布分开，前后工位的导开装置作用相同。帘布通过导开后经储布架送入裁断端，储布架的作用就是确定一定距离，控制帘布保持帘布张力和长度。在控制系统设计中，实际为PLC对于两个导开电机和储布架上的限位开关来对帘布导开速度进行控制，目的即为达到帘布的平稳导开，能同时保持帘布张力，控制长度的作用。PLC对于变频器的控制主要是由限位开关的位置输出信号，作为逻辑控制依据。变频器接继电器，连线时使继电器与变频器固定输出端连接，使变频器输出高、中、低三种不同的固定速度。当限位开关高位输出信号，即为浮动辊位于高位，需要加快导开速度，使帘布量加大，让浮动辊降低；同理即浮当浮动辊位于中位时，到开速度正常，变频器处于中速输出；当浮动辊位于下位时，导开减速，变频器低速输出。第二章本论2.1 裁断机PLC 自动控制系统构成裁断系统由前、后辅机和主机3部分组成。前辅机有固定式双工位导开、储布装置；主机有裁断装置、真空吸盘、帘布对接传递装置；后辅机有双工位帘布贴胶、卷取装置。裁断机控制可分为两类，一类是导开，储布，卷取，调偏得控制，一般由光电检测元件，形成开关，继电路，闭环拖动系统等组成自动控制系统。另一类是供料， 裁断，接头，出料得顺序控制，控制系统以三菱FX系列可编程控制器为核心。裁断机的原料是帘布卷，它由帘布垫上布卷取而成，导开装置将帘布分开，垫布重新成卷，帘布送入储布装置以便供料装置使用。导开装置为平面回转双工位导开机，两工位可以交错使用，提高工作效率。导开电机是三相异步电机，受储布装置控制，使帘布平稳导开，保持帘布张力基本恒定。1储布得作用是协调导开与供料装置之间的速度差，以免帘布被拉伸变形。储布器为单循环储布系统，除了上下极限位置装限位器控制电机停开之外，还装有电机速度控制器，调节导开电机的转速。储布量大时，导开速度降低，储布量小时，导开速度加大。在正常状态下，导开电机始终运转保证裁断前的帘布保持一定张力。由导开装置将纤维帘布张力导开, 经储布架给主传送带供应帘布。双工位导开装置一工一备, 交替工作。导开和储布装置均由变频电机驱动。张力辊汽缸上的磁性开关组合调节变频电机的速度, 使帘布张力导开储布料位开关组合调节储布架送布电机的转速, 帘布张力稳定地、无打滑地输送到主传送带上。帘布经储布装置输送到主机送布辊, 送布辊电机采用伺服电机驱动, 与主机传送带配合, 将帘布向前定长输送, 由伺服电机驱动的裁刀进行裁断。为适应近年来压延机压延帘布大卷化的要求,采用固定式前后双工位导开设计, 导开帘布卷径最大可达到 1500mm 垫布卷与帘布卷等高放置,方便人员装卷、卸卷、引布操作。垫布收卷采用了变频电机牵引, 以气推缸的方式建立张力, 通过调节气推缸的压力, 控制垫布收卷张力而开卷采用了储布电机牵引帘布, 帘布卷以气控刹车的方式保持张力, 使垫布恒张力收卷,帘布恒张力开卷。当帘布卷径发生变化时, 调整压力, 控制制动扭矩, 维持开卷张力。图 2.1 导开与储布系统示意图导开装置的每个工位都装有一台直联式变频调速交流电机,气动离合器分别完成对垫布、帘布卷的动力传递。独特设计的方杠锁紧装置, 确保方杠在旋转过程中不会自行脱落。导开前、后两工位的换卷、接头由人工进行,但有料尾自动检测, 停机待料控制。储布装置供布速度自适应主机送布速度, 通过检测浮动辊的上下位置, 控制帘布导开的速度及张力。储布装置装有1个导布辊，1个浮动辊和4个接近开关。通过接近开关检测浮动辊的上下位置控制储布牵引电机速度、并跟踪主机、保证平稳供布，同时也控制垫补导开电机的跟踪速度。导开装置分前、后2工位，换工位时帘布由人工接头，导开时帘布由储布牵引电机牵引，垫布由垫布导开电机卷取。帘布及垫布轴承座带有电磁阀控制的气动摩擦盘，用于保持帘布和垫布的张力。导开电机速度由张力辊位置控制，以保证垫布在卷取时的张力。2导开装置导开布卷采用交流变频调速电机驱动变频器，选用日本三菱电机公司的FR-A500。该控制器的特点有：多段速度可选，加减速时间可选，频率分辨率高直流制动的动作时间和动作频率可调自我保护功能完善等。储布器上装配数个无触点开关，靠浮动辊的升降来控制导开的速度使帘布导开的速度在一定范围内变化。即储布量大时，导开速度减低，储布量少时，导开速度加快。在正常情况下，导开电机始终运转帘布平稳导开。避免帘布因突然起动或突然停止而时紧时松，从而使裁断帘布的张力保持恒定，以确保裁断精度。若裁断前张力波动，则当帘布与输送带间的摩擦力小于贮布装置导出的帘布波动的张力时，就会在帘布与皮带之间产生不规则的滑动使裁断精度下降。全自动裁断机由导开装置将纤维帘布张力导开, 经储布架给主传送带供应帘布。两工位导开装置一工一备, 交替工作。导开和储布装置均由变频电机驱动。张力辊汽缸上的磁性开关组合调节变频电机的速度, 使帘布张力导开储布料位开关组合调节储布架送布电机的转速, 帘布张力稳定地、无打滑地输送到主传送带上。前、后导布及储布的操作箱上的按钮及旋钮开关和张力、料位检测进入PLC的扩展输入模块A1SX42；运行状态指示、1个变频器、4个电磁阀由输出扩展模块A1SY41控制。PLC输出均经过继电器控制板。输出单元外接变频调速器和三相异步电动机用来控制导开电机和储布装置的三相异步电动机电机的高速和低速，启动及停止。32.2 方案选择2.2.1 控制器选择本设计中需要对于裁断机系统进行逻辑控制，所以选取单片机和PLC做以方案比较。从构成上来说，单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。PLC则是建立在单片机之上的产品， 是一个完整的电路系统。PLC主要用于逻辑控制，与不太复杂的数据处理；单片机则主要用于信息的处理和复杂快速的计算。从工程的角度，单项工程采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，且PLC就是由单片机或者其他智能芯片构建的专门用于工业控制的智能控制系统；而单片机主要是用于开发、设计和学习系统时所使用。所以选取相对本设计比较方便的PLC作为控制器。可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。PLC 作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于 PLC 可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。可编程控制器技术最主要是应用于自动化控制工程中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统， 组成可编程控制器控制系统。PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。PLC系统一般由以下基本功能构成：多种控制功能、数据采集、存储与处理功能、通信联网功能、输入/输出接口调理功能、人机界面功能、编程、调试功能。4控制功能逻辑控制：PLC 具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：接通延时、关断延时和定 时脉冲等方式。计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台 PLC 可作为多部步进控制器使用。数据采集、存储与处理功能数学运算功能：基本算术：加、减、乘、除。扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算。比较： 大于、小于和等于。数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出。模拟数据处理：PID、积分和滤波。输入/输出接口调理功能具有 A/D、D/A 转换功能，通过 I/O 模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。通信、联网功能现代 PLC 大多数都采用了通信、网络技术，有 RS232 或 RS485 接口，可进行远程 I/O 控制，多台 PLC 可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。在系统构成时，可由一台计算机与多台 PLC 构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的 SCADA 系统，现场端和远程端也可以采用 PLC 作现场机。人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和 PC 系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。可靠性高：PLC 的可靠性指标一般在 4000050000 小时以上，西门子、ABB、松下等微小型 PLC 可达 10 万小时以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。模块化组合灵活：可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。I/O 从 88192 点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。功能强：PLC 应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。基本 型式再加上模拟 I/O、基本算术运算、通信能力等。复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID 调节、过程监视、网络通信能力、远程 I/O、多处理器和高速数据处理能力。编程方便：PLC 适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)编程，不需要太多 的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。图 2.2 控制原理图适应工业环境：PLC 的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境 下可靠工作。这是 PLC 产品的市场生存价值。安装、维修简单：与计算机系统相比，PLC 安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。一些 PLC 外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温 下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率(RF 高频)电磁干扰、防火等。运行速度快：随着微处理器的应用，使 PLC 的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。总价格低：PLC 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用 PLC 还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。在控制系统设计中，实际为PLC对于两个导开电机和储布架上的限位开关来对帘布导开速度进行逻辑控制。目的即为达到帘布的平稳导开，能同时保持帘布张力， 控制长度的作用。PLC对于变频器的控制主要是由限位开关的位置输出信号，作为逻辑控制依据。2.2.2 电机选择本系统中电机选择相当重要，对于变频器控制，伺服电机控制及步进电机控制做以比较。（1）伺服电机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变速装置。伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电动机有直流和交流之分；最早的伺服电动机是一般的直流电动机， 在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲,就是小功率的直流电动机,其励磁多采用电枢控制和磁场控制, 但通常采用电枢控制。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大， 调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。直流伺服电动机在机械特性上能够很好的满足控制系统的要求，但是由于换向器的存在，存在许多的不足：换向器与电刷之间易产生火花，干扰驱动器工作，不能应用在有可燃气体的场合；电刷和换向器存在摩擦，会产生较大的死区；结构复杂，维护比较困难。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。 交流伺服电动机本质上是一种两相异步电动机，其控制方法主要有三种：幅值控制、相位控制和幅相控制。一般地，伺服电动机要求电动机的转速要受所加电压信号的控制；转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化；电动机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电动机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。（2）步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）和单相式步进电动机等。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电动机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。由于步进电动机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点，所以步进电动机广泛应用在生产实践的各个领域。尤其是在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移， 所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。此外，步进电动机也存在许多缺陷，由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声。并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。（3）变频器控制异步电机变频器控制异步电机一般均采用控制三相异步电动机，三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。异步电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小， 成本较低等优点。并且，异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数机械的传动要求。变频电动机的特点：电磁设计对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近 1 时直接启动。5因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。（4）变频器控制、电机步进电机和交流伺服电机性能比较控制精度不同：两相混合式步进电机步距角一般为 3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为 0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360/10000=0.036。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89 秒。是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。低频特性不同：步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器， 或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。转矩频率特性不同：步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。过载能力不同：步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。运行性能不同：步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度， 应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。速度响应性能不同：步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转） 需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。而异步电动机的动子有三种形式：磁性动子是由导磁材料制成，既起磁路作用， 又作为笼型动子起导电作用。 非磁性动子 ，动子是由非磁性材料制成，主要起导电作用，这种形式电动机的气隙较大，励磁电流及损耗大。动子导磁材料表面覆盖一层导电材料，导磁材料只作为磁路导磁作用；覆盖导电材料作笼型绕组。 因磁性动子的异步电动机结构简单，动子不仅作为导磁、导电体，甚至可以作为结构部件。异步电动机的工作原理和旋转式异步电动机一样，定子绕组与交流电源相连接，通以多相交流电流后，则在气隙中产生一个平稳的行波磁场（当旋转磁场半径很大时，就成了直线运动的行波磁场）。该磁场沿气隙作直线运动，同时，在动子导体中感应出电动势，并产生电流，这个电流与行波磁场相互作用产生异步推动力， 使动子沿行波方向作直线运动。若把直线异步电动机定子绕组中电源相序改变一下，则行波磁场移动方向也会反过来，根据这一原理，可使异步电动机作往复直线运动。异步电动机主要用于功率较大场合的直线运动机构，由于牵引力或推动力可直接产生，不需要中间连动部分，没有摩擦，无噪声，无转子发热，不受离心力影响等问题。 且本设计中选用了三菱变频器对电机进行变速控制，三相恒转矩电机适合变频器的运行，使变频器可以直接常数输出。所以本设计选取三相异步电动机为驱动电机，从而使变频器对三相异步电动机进行控制。2.3 结构设计部分2.3.1 系统设计的主要内容（ 1 ）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定， 它是整个设计的依据；（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；（3）选定 PLC 的型号；（4）编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图；（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；2.3.2 PLC 控制系统设计的基本步骤可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图 2.3 所示。（ 1 ）深入了解和分析裁断机导开与储布系统的工艺条件和控制要求图 2.3 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤被控对象就是裁断机导开与储布过程。 控制要求主要指裁断机导开系统经由帘布卷导开成为帘布过程，其中需要 PLC 对导开时速度进行控制，即对于变频器的控制。（ 2 ）确定裁断机使用 I/O 设备根据裁断机导开与储布系统装置对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备，常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等， 常用的输出设备有继电器、接触器、电磁阀等。（ 3 ）选择合适的 PLC 类型根据已确定的 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数共 24 点， 选用三菱 FX2N-24MR PLC，输出点 12 个，X000X011；输出点 12 个 Y000Y011； 辅助继电器 M0M499，500 点；状态点 S0S499,500 点，初始化用 S0S9；原点回归用 S10S19；定时器 T0T199；数据寄存器 D0D199，200 点一般用。（ 4 ）分配 I/O 点分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表，画出输入 / 输出端子的接线图。（ 5 ）设计应用系统梯形图程序根据工作功能图表和状态流程图设计梯形图进行编程。这一步是整个应用系统设计的核心工作，设计好梯形图，需要熟悉控制要求，做好前步准备工作。（ 6 ）将程序输入 PLC当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符， 以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到 PLC 中去。（ 7 ）进行软件测试程序输入 PLC 后，先进行测试工作。因为在程序设计过程中，会有疏漏的地方。因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，需进行软件测试，以排除程序中的错误，为整体调试打好基础。（ 8 ）应用系统整体调试在 PLC 软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试； 如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。62.3.3 PLC 控制变频器当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用 PLC 和变频器相配合使用。PLC 可提供控制信号和指令的通断信号。一个 PLC 系统由三部分组成， 即中央处理单元、输入输出模块和编程单元。变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与 PLC 相连，得到运行状态指令。在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。图 2.4 运行信号的连接方式当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（DC24V）之间的串扰。正确的连接是利用 PLC 电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到 PLC。变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。7数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过 010V/5V的电压信号或 0/4 20mA的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。当变频器和 PLC 的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为 010V，而PLC 的输出电压信号范围为 05V 时；或 PLC 的一侧的输出信号电压范围为 010V 而变频器的输入电压信号范围为 05V 时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不超过 PLC 和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。电信号的范围通常为 010V/5V 及 0/420电流信号。无论哪种情况，都应注意：PLC 一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。在使用 PLC 进行顺序控制时，由于 CPU 进行数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑。因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证 PLC 不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，将变频器与 PLC 相连接时应该注意以下几点：（1） 对 PLC 本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。（2） 当电源条件不太好时，应在 PLC 的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等，另外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的措施。（3） 当把变频器和 PLC 安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与 PLC 有关的电线分开。（4）通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。两者之间通过网线连接（网线的 RJ45 插头和变频器的 PU 插座接），使用两对导线连接，即将变频器的 SDA 与 PLC 通讯板（FX2N-485-BD）的 RDA 接，变频器的SDB 与 PLC 通讯板（FX2N-485-BD）的 RDB 接，变频器的 RDA 与 PLC 通讯板（FX2N-485-BD）的 SDA 接，变频器的 RDB 与 PLC 通讯板（FX2N-485-BD）的 SDB 接， 变频器的 SG 与 PLC 通讯板（FX2N-485-BD）的 SG 接。变频器在与PLC连接中使用继电器作为实现控制的方式连接，采用共源极接法， 公共端SD。速度采用多段速度，RH为高速、RM 为中速、RL为低速，3个速度进一步组合可得7个不同速度。但由于本设计中只采用3个限位开关，所以输出浮动辊位置信号只有3个，并不需要多速度控制。即RH高速(继电器A闭合，B、C分开)、RM中速 (继电器B闭合，A、C分开)、RL低速(继电器C闭合，A、B分开)。STF为正转控制端， Y000、Y001、Y002是输出模块的输出端，分别控制电机的低、中、高速的输出。2.3.4 张力检测传感器为了保证产品的高质量, 必须保证帘布的张力恒定, 采用张力传感器控制是一项重要的技术保证措施。安装于裁断机帘布张力浮动辊下的ABB 枕式张力传感器示意图见图1。由于ABB 枕式张力传感器的整体设计比较独特, 压头测量控制结构也十分可靠, 又不受任何环境因素的干扰。所以, 使用效果和工作性能都十分理想。ABB 枕式张力传感器的结构坚固, 带低阻抗信号输出, 适应性强, 而且又具有抗振动、抗干扰、耐高温的特性, 由于是压磁式的, 所以不会有因疲劳现象所产生的物理漂移, 在测量中始终保证高精度。枕式张力传感器的测量原理, 如图2.5所示。图 2.5枕式张力传感器的测量原理枕式张力传感器的压头测量的是平行于压头表面的水平分力FR , 其设计原理使得垂直于压头表面的垂直分力FV对压头不产生影响, FT是导向辊和轴承的自重, 对压头也没影响, 水平分力是通过测量辊测量的。FR的计算公式为：FR = T( cos B- cos A)式中: T为纸幅面的张力; A, B为包角。用水平分力测量幅面的张力效果最佳, 可以按纸幅面的张力值大小选择合适的压头尺寸, 在设计安装中, 注意要自然去除导棍的自重量, 因为导辊的重量要比纸幅面张力值大很多, 这样才能做到张力测量的准确, 使得对纸幅张力值测量获得最优化, 高精度。枕式传感器的控制原理如图2.6所示。图 2.6 枕式传感器控制原理图图2.6中的控制信号由1个或2个压头提供稳定的励磁电流, 励磁单元由一个带有功率放大器的330Hz振荡器组成, 由它给压头提供励磁电流, 交流励磁的主要优点在于系统测量速度快, 抗干扰。压头信号由信号处理单元进行放大、整流和滤波后输入2个等同通道。每个通道有2 路输出,即滤波后的仪表输出和具有极佳动态特性的过程输出。仪表输出中的低频滤波器用于滤除信号中由于机械振动而产生的低频振荡信号, 当用2个压头, 则可获得4个输出信号, 即每个通道的输出信号(A和B), 以及它的和信号与差信号。8压力信号把测量到的信号送到张力控制器上, 控制器的输出信号分别接于仪表显示(供生产操作工实际观察) 和ABB传动控制, 从而使帘布生产得到有效控制。2.3.5 摩擦电磁阀装置帘布及垫布轴承座带有电磁阀控制的气动摩擦盘，用于保持帘布和垫布的张力。导开电机速度由张力辊位置控制，以保证垫布在卷取时的张力。同时，导开后的帘布经储布架送出时需要一个停顿时间，这是电磁阀增加阻尼，使轴承减速直至停止，达到一定的张力供裁断端用，到达一裁一送的运动状态。摩擦电磁阀共四个，分别位于前后导开位置的电机及帘布卷的底座上，电磁阀连接的气动摩擦盘分别可以喷出高压和低压两种压力气体。由张力传感器输入信号进入PLC当，张力过大时则电磁阀开启喷出低压；反之，则电磁阀关闭喷出高压， 使导开减速至停止。2.4 主要元器件选取2.4.1 可编程控制器选择可编程控制器应考虑PLC的类型、输入输出开关量、CPU处理速度及输出接口电路的输出形式。该系统PLC输入量包括手动/自动开关，手动导开开关，手动调速开关，接近开关，储布电机开关，共 9 个。输出量包括导开电机调速输出，手动导开双工位输出，共 5 个。考虑到PLC输出需接电磁阀和接触器线圈，要求大电流输出，宜选择继电器输出型。4且三菱公司PLC中的FX2N系列功能俱全，全集成自动化系统中控制核心体现相当重要，其功能强，速度快，通用性高，及全部集成模块化。这里选择三菱FX2-24MR编程控制器。输入继电器 x：x000x013，分别为 x000x007，x010x013；输出继电器 y：y000y013，分别为 y000y007，y010y013，共 24 点。2.4.2 交流变频调速器变频调速器的选择考虑它的控制方式、输入输出信号接线方式及变频器的输入输出电压。本设计中选择三菱 A500 变频器。2.4.3 电机该系统中共有3台三相异步电机。 1.5KW2台，4KWl台(速比10:1)。1.5KW电机分别用于前后工位的导开电机，4KW电机用于储布电机。2.4.4 传感器及接近开关ABB 枕式张力传感器 2 个，分别位于前后导开工位的张力浮动辊上。接近开关3 个，分别排列在储布架上的上中下三个位置，来输出浮动辊的位置信号。2.4.5 电磁阀本控制系统有 4 个电磁阀，电磁阀的作用是帘布长度达到预设值且切刀运输带停下后，使压胎面装置下落压住胎面以便切刀切割。选用 DF1-1AC220V。2.4.6 接触器及热继电器该系统中断路器选用西门子 3VU1640、380V 系列；KM1KM5 接触器和继电器分别选择西门子 3TF3110，线圈电压为 220V 系列；该设计中的 FR1FR3共3 个热继电器采用西门子 3UA5200 系列。2.5 控制电路设计本设计主要是由 PLC 对导开电机的变频控制，其中对变频器的控制环节是主要部分。图 2.7 主电路图上图为主电路及控制电路，包括两个导开电机及一个储布电机，其中两个导开电机需要变频控制。图 2.8 PLC 控制变频器图 2.9 控制电路图PLC 信号经由输出模块输出信号，进入继电器，对变频器进行控制。其中 PLC和继电器控制板需要电压 24V，变频器及电机需要 380V 三相交流电压。2.6 程序编写首先进行 I/O 配置说明，输入点共 11 个，分别为 X000X007，X010X011；输出点共 5 个分别为 Y000Y004。表 2.1I/O 配置说明名称 配置代码地址手动自动开关SAX000前导电机开SB1X001前导电机关SB2X002后导电机开SB3X003后导电机关SB4X004总开关（开）SB5X005总开关（关）SB6X006接近开关（高位）ST1X007接近开关（中位）ST2X010接近开关（低位）ST3X011低速输出KM4Y000中速输出KM5Y001高速输出KM6Y002前导电机输出KM1Y003后导电机输出KM2Y004通过 I/O 配置后，可对照 I/O 配置进行 PLC 的连接。其中，由于本设计中裁断机需要靠浮动辊的升降来控制导开的速度使帘布导开的速度在一定范围内变化。即储布量大时，导开速度减低，储布量少时，导开速度加快。在正常情况下，导开电机始终运转帘布平稳导开。通过接近开关的输出信号进行逻辑控制。下图为 I/O 配置图：图 2.10I/O 配置图表 2.2 变频器开关与输出速度关系电机转速变频器RL（KM4）RM(KM5)RH(KM6)低速100中速010高速001即浮动辊于高位时，导开速度加快，变频器处于高速输出；当浮动辊位于中位时，到开速度正常，变频器处于中速输出；当浮动辊位于下位时，导开减速，变频器低速输出。（程序见附录 1）第三章结论与展望3.1 结论本文对全自动裁断机的导开与储布系统部分的控制结构原理和特点进行了设计，针对设计要求，设计了裁断机的导开与储布装置的控制系统，通过控制系统的分析和研究得出结论及创新如下:(l) 采用多种功能为一体的控制器PLC 作为控制核心，很大的提高了裁断机自动化程度，使设备维护更方便，可靠性更高。(2) 采用 PLC 与变频调速器的方式对三相异步电机进行调速。通过对变频器和 PLC 的控制设置，提高了系统安全性和抗干扰能力。在较恶劣的切割环境中，系统能够安全可靠运行。(3) 切割机控制系统具备手动和自动两种工作方式，不仅提高了产品的自动化程度，而且为用户提供了更大的自由发挥空间。(4) 选用了比较有发展的控制器。近年来随着微电子技术