基于西门子plc的自动冲床控制系统的设计

摘 要本篇文章内容是基于西门子PLC的自动冲床控制系统的设计，针对冲床薄片自动控制系统在工艺系统中的应用，从工艺要求、控制方案拟定控制系统硬件设计和控制系统的软件设计进行了研究。首选通过对冲床系统的分析，确定了总体的设计方案；再根据冲床的特点和所需的功能，确定了系统的硬件构成采用了西门子S7-200可编程控制器作为冲床系统的核心控制器，使系统达到体积小、控制灵活、故障检测容易，并且提高了生产效率；采用西门子V80伺服驱动器作为执行元件，其位置控制精度远远地高于人工送料，使其整个系统的安全性大幅度提高；采用了西门子的人机界面，使系统更加人性化、便捷化。关键词：自动冲床 PLC 自动送料 冲压IAbstractThis article is based on Siemens PLC punching machine automatic control system design, according to punch sheet automatic control system in the process of application, from the technical requirements, control programming control system hardware design and software design of control system of.The preferred to punch through system analysis, determine the overall design plan; then according to punch characteristics and the desired function, the system hardware composition - adopts Siemens S7-200programmable controller as the core controller punch system, make the system achieves small volume, flexible control, fault detection, and improves the production efficiency; adopts Siemens V80 servo drive as the executive element, the position control precision is much higher than that of artificial feeding, the security of the whole system is greatly improved; the Siemens man-machine interface, making the system more user-friendly, convenient.Keywords： automatic punching machine; PLC; automatic feeding; stampingII南京工程学院毕业设计说明书（论文）目录第一章 绪论11.1 引言11.1.1 冲压在机械制造中的地位及特点11.1.2 现代冲压加工发展趋势21.2 可编程控制器在冲床系统中的应用概述21.3 我国冲床行业市场发展趋势31.4 我国冲床与国际水平的差距41.5 本文的主要研究内容5第二章 冲床自动控制系统方案设计62.1 冲床自动控制系统功能概述62.2 初步确定冲床自动控制系统的架构6第三章 冲床自动控制系统功能分析83.1 冲床自动控制系统各部分功能分析83.1.1 PLC功能分析83.1.2 伺服模块功能分析83.1.3人机界面功能分析83.2 系统总体功能分析9第四章 冲床自动控制系统功能硬件实现104.1 控制器PLC的选型104.1.1 PLC的选型原则104.1.2 本系统中可编程序控制器的选取及其特点114.2 伺服选型134.2.1 伺服电机的选型134.2.2 伺服驱动器的选型144.3 冲头切片气缸选型154.3.1 气液增压机的特点164.3.2 气液增压机的功能164.4 检测元器件选型174.5 人机界面选型19第五章 冲床自动控制系统功能软件实现215.1 冲床自动控制系统的流程215.1.1 伺服系统控制流程225.1.2 冲头切片控制流程235.2 PLC的I/O地址分配255.3 PLC控制系统程序265.3.1 初始化程序265.3.2 数据运算程序285.3.3伺服系统控制程序325.5 人机界面的编制33第六章 总结和展望366.1论文工作总结366.2发展与展望37参考文献38致谢39附录一 PLC程序40附录二 电气原理图50IV南京工程学院毕业设计说明书（论文）第一章 绪论1.1 引言冲压是金属塑性成形加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以也称为板料成形。冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件；既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件，又能够制造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。冲压具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、操作简单、便于实现机械化与自动化等一系列优点，因此在汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等生产和发展具有十分重要的意义。1.1.1 冲压在机械制造中的地位及特点冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件；既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件，又能够制造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。占全世界钢产60%70%以上的板材、管材及其他型材，其中大部分经过冲压制成成品。冲压在汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中，具有十分重要的地位。 冲压件重量轻、厚度薄、刚度好。它的尺寸公差是由模具保证的，所以质量稳定，一般不需再经机械切削即可使用。冷冲压件的金属组织与力学性能优于原始坯料，表面光滑美观。冷冲压件的公差等级和表面状态优于热冲压件。大批量的中、小型零件冲压生产一般是采用复合模或多工位的连续模。以现代高速多工位压力机为中心，配置带料开卷、矫正、成品收集、输送以及模具库和快速换模装置，并利用计算机程序控制，可组成生产率极高的全自动冲压生产线。采用新型模具材料和各种表面处理技术，改进模具结构，可得到高精度、高寿命的冲压模具，从而提高冲压件的质量和降低冲压件的制造成本。 冲压生产的工艺和设备正在不断发展，除传统的使用压力机和钢制模具制造冲压件外，液压成形以及旋压成形、超塑成形、爆炸成形、电水成形、电磁成形等各种特种冲压成形工艺亦迅速发展，把冲压的技术水平提高到了一个新的高度。特种冲压成形工艺尤其适合多品种的批量（甚至是数十件）零件的生产。对于普通冲压工艺，可采用简易模具、低熔点合金模具、成组模具和冲压柔性制造系统等，组织多品种的中小批量零件的冲压加工。 总之，冲压模具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、操作简单、便于实现机械化与自动化等一系列优点。采用冲压与焊接、胶接等复合工艺，使零件结构更趋合理，加工更为方便，可以用较简单的工艺制造出更复杂的结构件。1.1.2 现代冲压加工发展趋势制造冲压件用的传统金属材料，正逐步被各种复合材料或高分子材料替代。 在模具设计与制造中，开发并应用CAD/CAM系统，发展高、新制造技术和模具、装置等，以适应冲压产品的更新换代和各种生产批量的要求。推广应用数控冲压等设备，进行机械化与自动化的流水线冲压生产。 某些传统的冲压加工方法将被液压成形、旋压成形、爆炸成形等新颖的技术所取代，产品的冲压加工趋于更合理、更经济冲模的核心部分是工作零件，即凸模和凹模。其形状和尺寸是由冲压工序的性质决定的。冲裁冲孔落料模的凸、凹模之间间隙很校，并做成锋利的刃口，以便形成强大的剪切力进行剪切，使坯件与板料分离在现代化的机加工过程中，消耗于送料的时间损失是组成零件单件加工时间的一部分，它属于辅助时间。要想提高生产率，减少生产中的辅助时间将是非常重要的一个环节。而要想减少辅助时间，就必须提高生产的自动化程度。利用PLC可以直接对伺服电机进行位置和速度控制，无需增加定位模块，节约成本。PLC的处理速度高，输出脉冲的频率也很高，而且指令也很简单，在系统联机的情况下也可方便地进行所有指令的修改工作。 本系统通过触摸屏进行调节控制,使操作简单,也减少了在运行过程中的故障查找环节，大大提高了工作效率。1.2 可编程控制器在冲床系统中的应用概述近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在冲床的实际设计和生产过程中，为了提高冲床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。1.3 我国冲床行业市场发展趋势目前，整个冲床工具行业企业发展迅猛，对冲床附件的需求量激增，国内市场容量很大。尤其是近几年来，我国汽车工业发展迅速，使冲床厂各行业市场更加旺盛。目前，国内中低档数控冲床附件产品的市场，基本由国内产品占领，部分产品如数控分度头、刀杆还有一定的批量出口。但是，近几年来台湾地区的产品大量涌入，中档数控冲床附件产品的市场竞争刀越来越激烈。高端技术水平的产品主要依靠进口，从工业发达国家如日本、德国、意大利等进口较多。一般机械类、传统类冲床附件大量出口国际市场。2004年虽有部分冲床附件出口量有所增加，但是各类冲床附件的出口总量并不大，说明国内市场的需求再变大。国外及台湾商为了进入我国大陆市场，产品价格逐步调低，其市场份额也在逐步扩大。目前由于国内产品在售前技术业务交流及售后服务比国外厂商有明显优势，使国产冲床厂的数控冲附件产品能够不断发展。但随着外商采用大陆本地化生产方式后，我们就会失去这些优势。近几年部分发展中国家的冲床工具行业发展速度加快，也逐步向大陆市场进口冲床附件等，并有一定的价格竞争优势。例如：印度企业，正在快速发展各类冲床附件产品，各类卡盘、数控转台、数控刀架，在价格方面与其他进口商相比也有一定优势。就冲床附件的品种而言，大部分品种国内冲床附件企业都有，也基本属于专业化生产，能够满足主机的需要。但是，随着数控技术的发展，新技术、新工艺的不断应用，国外新品种、新结构数控冲床附件不断出现，例如伺服电机直接驱动的数控回转工作台(单轴高速数控转台或两轴联动高速可倾转台)已经有几家海外厂商在cimt2005中国国际机床展会上登场，完全改变了传统的的结构原理，回转速度远高于传统的机械结构。加工中心用角度转换镗铣头、数控龙门铣床用a-c轴双摆动数控铣头(包括机械式和伺服电机直接驱动式)、为车铣中心配套的b轴或b、y两轴运动的铣镗滚齿用数控铣头，目前，国内只有个别研究机构或厂家处于研究阶段，没有形成生产能力，主机基本依赖进口配套。另外，高效数控冲床用动力卡盘、刀杆的高速特性及夹持精度均比国外有较大差距。数控冲床附件产品的水平比起前几年有一定提高。分度类数控附件、数控刀架、动力卡盘等产品，规格及品种不断完善，结构不断改进，主要性能和可靠性方面均有很大提高。目前，国产数控冲床附件应该说能够满足中档数控冲床的配套需要，但为某些高端水平数控冲床配套的冲床附件与国外相比仍有差距，主要差距的原因在于整体装备制造能力、协作配套能力、企业自身技术改造能力不足。这也是目前我国产品水平较国外产品水平低的主要原因。近几年来，因市场订单猛增，新产品开发力度受到影响。从机床附件分会秘书处掌握的情况来看，行业企业新产品开发主要集中在骨干企业。大多数行业企业在保证大量的市场订单时，还应更加注意技术储备产品的研发工作，解决好订单产品与新产品开发的矛盾。既要保当前的市场，又要注意发展将来的市场竞争能力。1.4 我国冲床与国际水平的差距近几年，国产冲床总量增加很快，但市场占有率仍然不高(尤其是数控冲床)，目前高档产品绝大部分依靠进口，中档产品市场中进口产品也占有很大份额。从行业总体来看，产业核心竞争力不强。我国虽然是冲床制造大国，但还不是冲床制造强国。主要差距是：第一技术创新能力不足1、企业基础研究、技术攻关和新产品开发投入不足，直接影响了创新能力的提高。2、自主开发产品的能力差，关键零部件依赖进口，对引进国外先进技术的消化吸收、创新和提高工作不力。3、科技人才不能满足产业发展需求，特别是缺乏技术带头人。存在科研与生产、设计与制造、新产品开发与用户个性化需求三脱节现象，直接影响新产品的开发和企业技术创新能力的提高。第二产业化水平不高1、产业结构不尽合理。主要是专业化水平不高；高档产品开发缓慢，市场占有率低；中档产品有一定产量，但竞争力不强；数控冲床功能部件发展滞后，严重制约国产数控冲床的发展。2、经济规模、生产效率与发达国家相比尚有较大差距。生产厂点过多，生产效率低，赢利能力差。3、工艺装备陈旧，基础制造技术落后。行业装备数控化率平均仅为23。原来生产普通冲床的设备用来批量生产数控冲床，在精度、效率和可靠件方面都难以满足使用要求，阻碍了产业化水平的提高。第三综合服务能力不强1、服务体系不健全，全方位服务能力不强，在市场开拓、成套服务等方面尚有较大差距。国内企业虽然已经重视了服务问题，但普遍缺乏对用户加工工艺的研究，往往是在被动应付局面。企业国际市场的售后服务更为薄弱，绝大部分企业还不具备国际市场的开拓和服务能力。2、旧的管理模式和管理机制不适应现代服务体系要求，快速反映能力差，运用信息化手段提高企业基础管理能力尚有较大差距。1.5 本文的主要研究内容利用PLC可以直接对伺服电机进行位置和速度控制，无需增加定位模块，节约成本。PLC的处理速度高，输出脉冲的频率也很高，而且指令也很简单，在系统联机的情况下也可方便地进行所有指令的修改工作。 本系统通过触摸屏进行调节控制,使操作简单,也减少了在运行过程中的故障查找环节，大大提高了工作效率。第二章 冲床自动控制系统方案设计2.1 冲床自动控制系统功能概述本系统由PLC控制伺服驱动器，实现伺服电机转角的精确控制，利用皮带传动，从而实现水平方向的精确位移。通过人机界面上控制开关的选则，配备两种工作方式，以供选择。如自动加工、点动加工两种工作方式，工作过程分别为：自动加工方式：工作准备工作进给冲压剪切直到加工完毕停机。点动加工方式：工作准备按一下动作开关工作进给冲压等待下一次动作按钮的按下。2.2 初步确定冲床自动控制系统的架构如图2.2.1，由人机界面将要求加工的数据传给PLC，并将PLC传送回来的信息显示出来；PLC作为核心控制器，进行数据的运算并发送指令脉冲给伺服驱动器，伺服驱动器通过编码线使伺服电机运转实现定位。传动结构由齿轮传动和皮带传动来实现，齿轮的传动比是3.5/1，皮带的传动比是1/1，所以系统的传动结构的总传动比是3.5/1。图2.2.1 系统结构框图如图2.2.2，图中的传感器的作用是确定工件初始位置，系统初始化时，向伺服发送脉冲，当传送带带动板材运动到传感器位置时，令PLC重新向伺服发送脉冲，脉冲距离为L1。脉冲送完后，板材位置初始化完成。其中L1=200mm，L2=400mm。图2.2.2 板材的初始定位第三章 冲床自动控制系统功能分析3.1 冲床自动控制系统各部分功能分析本系统的控制部分主要由PLC、伺服模块和人机界面组成。每个模块的功能个不相同，下面对各个模块的功能进行了简要的分析。3.1.1 PLC功能分析可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令并通过数字或模拟式输入/输出控制各类型的机械或生产过程。本系统以PLC作为系统的核心控制器，完成系统所需的输入输出控制及内部的逻辑运算和信息传递。用PLC控制系统的启动、停止、复位、功能键的选择、主要的伺服定位控制和冲头与切片的动作；经过PLC内部的数字处理与逻辑运算，完成系统的顺序动作及其控制要求。3.1.2 伺服模块功能分析伺服控制是指对物体运动的有效控制，即对物体运动的速度、位置、加速度进行控制。本系统的伺服模块由伺服驱动器、伺服电动机和传感器组成。伺服模块是整个系统的运动核心，主要完成系统中工件的精确定位，使系统的运动可靠性加强。伺服驱动器通过PLC外部输出的脉冲频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，使速度控制和位置控制都能达到系统所需的控制要求。3.1.3人机界面功能分析人机界面（Human Machine Interaction，简称HMI），是系统和用户进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。人机界面在本系统中主要的功能是使系统的操作变得简单明了，数据的编程变得容易，整体实现美观化和人性化的设计。与PLC一起构成系统的控制部分，节省了PLC的输入接口，完成与PLC的数据交换，将系统所需要显示的内显示在界面上，让用户第一时间了解所需信息，并根据信息做出正确的操作。 3.2 系统总体功能分析如图3.2.1所示，本系统主要由PLC、人机界面、伺服系统、气缸组成，主要完成的内容是冲床加工的自动控制，冲头和切片采用气缸冲压方式，利用PLC控制其电磁阀的吸合，完成冲头、切片气缸的伸缩，即完成冲压动作。冲床的自动送料及定位控制由PLC和伺服模块实现，根据伺服驱动器和伺服电动机的参数进行计算，算出接受多少的脉冲伺服电动机走多远的距离，然后根据人机界面上输入的移动数据进行计算分析，再利用PLC内部自带的脉冲发生器，将指定的脉冲数目发送给伺服驱动器，完成系统所要求的移动位置，实现自动送料和定位控制。图3.2.1 系统总体控制框图第四章 冲床自动控制系统功能硬件实现4.1 控制器PLC的选型因为伺服电机的位移量与输入脉冲个数成正比，伺服电机的转速与脉冲频率成正比，所以我们需要对电机的脉冲个数和脉冲频率进行精确控制。且由于伺服电机具有无累计误差、跟踪性能好的优点，伺服电机的控制主要采用开环数字控制系统，通常在使用时要搭配伺服驱动器进行控制，而伺服电机驱动器采用了大规模集成电路，具有高抗干扰性及快速的响应性。在使用伺服驱动器时，往往需要较高频率的脉冲，所以就要求所使用的PLC能产生高频率脉冲。选择合适的机型是PLC控制系统的硬件配置的关键问题，目前，国内外生产PLC的厂家很多，如西门子、三菱、松下、欧姆龙、LG、ABB公司等，不同的厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不相同。而同一个厂家生产的PLC产品又有不同的系列，同一系列又有不同的CPU型号，不同系列、不同型号的产品在功能上有较大的差别。因此如何学用合适的机型至关重要。4.1.1 PLC的选型原则在满足控制要求的前提下选型时应选最佳的性价比，一般可以从以下几个方面考虑：1.I/O点数估算I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求有可使系统总投资最低。PLC的输入输出点总数和种类应根据被控对象的模拟量、开关量、输入/输出设备状况（包括模拟量、开关量、输出类型）来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的扩充，一般应估计的总点数再加上15%20%的备用量。本设计所占用的I/O点数计算：输入信号：停止按钮，需要一个输入点；定位传感器信号，需一个输入点；气缸上下限位信号，需要四个输入点。以上共需要6个输入信号点，考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即用620%=2，取2个点，这样共用8个输入点。输出信号：一共要用三个指示灯，需要三个输出点；伺服驱动器需要三个输出点；电磁阀的控制需要两个输出点；以上共需要8个输出点考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即820%=2.6，取2个点，这样共用10个输出点。2、用户存储容量估算用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、量程结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器占用内存大致如下：开关量输入元件：1020B/点；开关量输出元件：510B/点；定时器/计数器：2B/个；模拟量：100150B/点；通信接口：一个接口一般需要300B以上；根据上面算出总字数再加上25%左右的备用量，就可以估算出程序所需要的内存量，从而选择合适的PLC内存。本设计所需CPU内存的计算：开关量输入元件8点1020B/点80160B；开关量输出元件：10点510B/点50100B；总需内存量：130260B；4.1.2 本系统中可编程序控制器的选取及其特点目前PLC使用性能较好的SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司，根据性价比的选择，根据被控对象的I/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，本设计采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。1.Siemens S7-200系列PLC特性一、Siemens S7-200主要功能模块介绍（1）CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。从CPU模块的功能来看，CPU模块为CPU22*，它具有如下五种不同的结构配置的CPU单元。CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点。和前两者相比，存储容量扩大了一倍，它可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用得最多S7-200产品。CPU226它有24输入/16输出，I/0共计40点，和CPU224相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强。它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。（2）开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展，I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量I/O模块产品分3种类型:输入模块、输出模块以及输入/输出模块。典型的数字量I/O扩展模块有:输入扩展模块EM221有两种:8点DC、8点AC输入;输出扩展模块EM222有三种:8点DC晶体管输出，8点AC输出、8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM223有六种:分别为4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)DC输出、4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)继电器输出。2.本设计PLC的配置本设计选用S7-200系列PLC的CPU的型号为CPU224。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。图4.1 S7-224型PLC4.2 伺服选型4.2.1 伺服电机的选型伺服电机选型应考虑的问题（1）电机的最高转速电机选择首先依据冲床快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。式中，为电机的额定转速（rpm）；n为快速行程时电机的转速（rpm）；为直线运行速度（m/min）；u为系统传动比，u=n电机/n丝杠；丝杠导程（mm）。在本系统中大约为10 m/min，为1/3.5，则n大约为2.86，所以取电机的额定转速为3000rpm。（2）惯量匹配问题及计算负载惯量为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求, 负载惯量JL应限制在2.5倍电机惯量JM之内，即。式中，为各转动件的转动惯量，kg.m2；为各转动件角速度，rad/min；为各移动件的质量，kg；为各移动件的速度，m/min；为伺服电机的角速度，rad/min。3）空载加速转矩空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80% 以内。式中，为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩（N.m）；为空载时加速转矩（N.m）；为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩（N.m）；为快速行程时加减速时间常数（ms）。（4）切削负载转矩在正常工作状态下，切削负载转矩不超过电机额定转矩的80%。式中，为最大切削转矩（N.m）；D为最大负载比。（5）连续过载时间连续过载时间应限制在电机规定过载时间之内。根据以上要求系统选用SINAMIC V80专用伺服电机做为系统驱动部分。如下是伺服电机的一些典型技术数据：表4.2.1 伺服电机技术参数型号1F4033-0AF21-0AA0参数单位数据额定功率0.4额定扭矩1.27额定电流2.0额定速度3000扭矩常数0.682转子惯量0.603额定角加速度211004.2.2 伺服驱动器的选型西门子的经济型伺服包括V80系列，V80 的功率范围为0.1 kW0.75 kW,并与S7-200一起构成简易、经济型伺服控制系统。图4.2.2 SINAMICS V80伺服系统SINAMICS V80伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机两部分，伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。SINAMICS V80伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。SINAMICS V80的技术特点与优势1、硬件系统最小化的尺寸，节省安装空间； 优化的散热和通风设计，无需散热风扇； 标准化的接口与端子，简化安装与维护；速度设定直接为脉冲输入，方便系统设计； 伺服驱动器与伺服电机配套设计，配合完美。 2、技术功能无需参数调试，简单易用；高精度的控制脉冲，更好的满足控制的要求； 集成的编码器接口，可直接实现闭环控制。3、通讯连接标准的连接电缆，与 PLC 实现顺畅、可靠的连接； 全面的实现全集成的自动化（TIA）。4.3 冲头切片气缸选型图4.3 气液增压机由于本系统的冲压力矩要求很大，所以使用气液增压机结构。如图4.3所示为气液增加缸工作原理，采用气缸与液压缸以及气控电控阀组作为动力执行元件。 最大6bar或10bar压缩空气驱动，无需液压系统，即可产生2kN - 2000kN的冲压力，冲压力可在额定最大值以下无级调节。三行程全新冲压设备 针对实际冲压加工的不同阶段科学定点地施加不同的动力，实现了最经济的高质量冲压加工，能耗极低 。气液增压机有四种工作方式1.静止状态。2.快进行程主阀（a）动作，工作活塞杆（1）纯气动驱动外伸，推动上模具快速小力接触工件。 3.力行程上模具遇到外阻（工件），力行程转换阀（b）自动动作，增力活塞杆（2）封闭高压油，开始气液增压的力行程。 4.返回行程主阀换向，内置式力行程转换阀自动排气，工作活塞杆返回，完成一个工作循环。 4.3.1 气液增压机的特点1、先进的“软到位”冲压技术 在空行程，冲压模具由压缩空气驱动，快还小力接触工件，无冲击、无噪声，极大地提高了冲压加工质量及模具寿命，改善了冲压加工环境。 2、独特的“增力自适应”冲压技术 在总行程范围内，无论在任何位置，只要模具一碰到工件，气液增压机即自动地由快进行程转换为力行程，进行全力冲压加工，无需任何附件的调节控制。更换不同模具，不同工作，无需进行设备形成调节。4.3.2 气液增压机的功能气缸与液压缸专利密封结构设计，集气缸与液压系统的优势于一体，完善的结构是高效率、高质量、长寿命和运行成本低的可靠保证。我们还设立了感应开关，在预压气驱动的行程中，它只要在任何位置点感应到工件，就会立即转换成液压，无需走完全部行程，同时在增压的液压行程中压力稳定，误差极小。同时我们采用多种控制方式，加入压力控制表,如果您需要压力为3.2T那么可以设定此压力，那么它输出的压力仅为3.2T，超过此值即自动回程.。采用气驱动液压油来完成作为动力执行元件，与气压或液压式冲压设备相比最高节能可达90%。 工作过程无冲击、无噪声，可极大地提高工件加工质量及模具寿命。更换不同的模具即可实现一机多用，可最佳的进行板件连接及完成板件成形、弯曲、冲压、冲裁、矫正、剪切、铆接、冲压印字等工作。气液增压机产品因为其独特的五大特点-功耗小仅为220V 3W，输出力大-液压输出力最大可达200T，效率高-是普通液压机速度的三四倍，可调节方式多，便于调节，压力，速度，时间，位移等，体积小-很容易组装成生产线，很小的体积完成大设备的功能。动作过程自动分成两段，第一段快进行程，软到位保护模具，第二步为液压，稳定地输出液压压力。所以气液增压机广泛应用于汽车零部件制造业，轴承装配业，压铆螺柱螺母行业，无铆钉铆接的钣金行业等等。4.4 检测元器件选型光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。图4.4 光电传感器光电传感器的特点：1、检测距离长 如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等） 无法离检测。 2、对检测物体的限制少 由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。 3、响应时间短 光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。 4、分辨率高 能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 5、可实现非接触的检测 可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。 6、可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。 7、便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。4.5 人机界面选型冲床一般来说工作环境恶劣，常常要在露天和强光照射下工作，灰尘、油污很多，因此要求此类机械设备具有很强的抗冲击、抗振动的能力。 K-TP178micro是西门子专门针对中国中小型自动化产品用户需求而设计的全新5.7in S7-200专用触摸屏。它集中了同类产品的众多优点，功能强大、性能优越、高可靠性、外表美观、同时价格低廉，适合使用在众多的自动化设备上。K-TP178micro倾注了全球领先的设计理念、采用最先进的HMI技术，选用最可靠的电子元器件，以及本地化的生产策略。 图4.5 K-TP178micro人机界面采用K-TP178micro的理由： (1) 冲床设备一般都在野外作业，工作地点环境恶劣，首先要求的是所有的部件都要具有较强的抗冲击和抗振动的能力，KTP-178 micro拥有先进的硬件设计，所以具有很强的抗振能力，能胜任工程机械设备在野外恶劣环境下作业的要求。(2) 冲床设备一般在野外作业的时候，往往有很多的灰尘和油污，这就要求所有的部件都要具有较强的防尘、防水和防油污能力，KTP-178 micro的前面板采用一体式无缝设计，能很好的防尘、防水和防油污。 (3) 冲床设备在野外作业，白天强光照射下，普通触摸屏会看不清，KTP-178 micro选用了高亮度液晶显示屏，即使在强光线照射下，也能很轻松地看清屏幕，进行准确的操作。 (4) 冲床行业有一些设备需要有很高的可靠性，如起重机等，这就要求控制系统要有很高的可靠性，而西门子的产品以可靠性能著称，不管是S7-200PLC还是KTP-178 micro触摸屏都具有无与伦比的可靠性，可以解决用户在安全性能上的后顾之忧。(5) 同时，KTP-178 micro还具有高性能的32位ARM7CPU处理芯片，8M的超大内存，使冲床设备拥有快速的操作响应时间。第五章 冲床自动控制系统功能软件实现5.1 冲床自动控制系统的流程首先，在编写软件之前需要根据系统所需要求制定软件流程图，当软件流程图绘制成功了，那么对自己所要编写的程序就有了一个大致的编写内容和编写方向。如图5.1.1所示，是系统的总体软件流程图。系统总共有两种操作方式，根据人机界面的操作选择加工方式，其加工方式的编程可逐一编制。手动加工方式需按下“下一步”按钮，冲床才会根据所编写的程序，进行加工一次的步骤。自动加工方式需按下“启动”按钮，冲床才会根据所编写的程序，进行整板的全部加工，指导系统出现故障或操作停止。由于总体软件流程图，不能够使软件准确的实现系统功能，所以又将伺服系统和冲头切片的控制流程进行的分析。图5.1 冲床系统软件流程图5.1.1 伺服系统控制流程伺服是冲床自动控制系统的主要部分，它完成工件冲孔位置的确定。如图5.1.1是伺服系统的控制流程图。图5.1.1 伺服系统控制流程图其中将移位数据传送给伺服驱动器是关键，所以要解决移位数据的计算。因为电机的额定转速是3000转每分，即50转每秒，电机每转一圈需要1000个脉冲。且伺服电机运转一圈，皮带位移100mm，即PLC送给伺服1000个脉冲，皮带带动工件移动了100mm。脉冲的传送可以用PLS指令来完成。脉冲输出指令（PLS）用于在高速输出（Q0.0和Q0.1）上控制脉冲输出（PTO）和脉宽调制（PWM）功能。S7-200有两个PTO/PWM发生器，它们可以产生一个高速脉冲串或者一个脉宽调制波形，分别是Q0.0、Q0.1。一个指定的特殊寄存器（SM）位置为每个发生器存储下列数据：一个控制字节（8位），一个计数值（32无符号数）和一个周期或脉宽值（16位无符号数）。PLS指令会从特殊存储器SM中读取数据，使程序按照其存储值控制PTO/PWM发生器，SMB67控制PTO0或者PWM0，SMB77控制PTO1或者PWM1。表5.1.2为PTO/PWM控制寄存器SM标志数据，通过改变其数据就可以改变其控制方式。编程软件时，我们使用Q0.0高速脉冲输出口，采用脉宽调制（PWM）控制方式，所以SM67的存储内容为“16#DB”。将输出脉冲周期数（距离）送给SMW68，将PWM脉冲宽度值（速度）送给SMW70。表5.1.2 PTO/PWM控制寄存器的SM标志Q0.0Q0.1控制字节SM67.0SM77.0PTO/PWM更新周期值0=不更新； 1=更新周期值SM67.1SM77.1PWM更新脉冲宽度值0=不更新； 1=脉冲宽度值SM67.2SM77.2PTO更新脉冲数0=不更新； 1=更新脉冲数SM67.3SM77.3PTO/PWM时间基准选择0=1/格； 1=1ms/格SM67.4SM77.4PWM更新方法0=异步更新； 1=同步更新SM67.5SM77.5PTO操作0=单端操作； 1=多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式选择0=选择PTO； 1=选择PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允许0=禁止； 1=允许SMW68SMW78PTO/PWM周期值（2到65535）SMW70SMW80PWM脉冲宽度值（0到65535）SMD72SMD82PTO脉冲计数值（1到4，294，967，295）SMB166SMB176进行中的段数（仅在多段PTO操作中）SMW168SMB178包络表的起始位置，用从V0开始的字节偏移表示SMB170SMB176线性包络状态字节SMB171SMB181线性包络结果寄存器SMD172SMD182手动模式频率寄存器5.1.2 冲头切片控制流程冲床的冲头和切片动作是冲床对板材的加工过程。如图5.1.2所示是冲头和切片动作的流程图。图5.1.2 冲头切片控制流程图如图5.1.3所示是零件的样品图。伺服定位完成后，使其POS_OK置数，然后执行冲头的动作。在冲孔动作中，要判断板材是否已经冲孔完毕，即Dn没有设置距离，若没冲完且切片不需要动作时，则冲头气缸继续进行冲孔加工工艺；若板材已经冲孔完毕且切片不需要动作时，那么冲头就不需要动作，继续让伺服运动到此次加工零件长度距离的结束，然后重新进行下一个零件的加工，此距离的计算是，就是伺服需要移动的距离。图5.1.3 零件样品图在切片动作中，若首次运行时，要考虑冲头与切片之间的距离L2（见图2.2.2），要将伺服所移动的脉冲数减去L2距离的脉冲数等于板长时，切片气缸才动作；若不是首次运行，那么就不要考虑L2。图5.1.4 切片加工时冲头位置图根据图5.1.4，伺服所需移动距离计算为：若是首次运行时，若不是首次运行，那么时（是切片动作后伺服所移动的距离，是切片动作后伺服下一步将要移动的距离和伺服先前移动的距离之和），将的距离脉冲送给伺服驱动器，实现切片动作的定位，切片加工完成后再将距离送给伺服，完成本次冲孔的动作，并将加入寄存器中以待下次板材长度的计算。和的值由寄存器进行累加得来。5.2 PLC的I/O地址分配根据冲床系统要求，PLC输入需要HMI和硬件急停、开始、初始化；又因为系统具有两种工作方式，所以需要“手动”、“自动”按键的选择，还有一个定位传感器和两个气缸限位开关，以及伺服系统的定位完成信号。所以需要11个输入口。伺服系统需要三个PLC输出口脉冲输出、清除脉冲、伺服使能；示灯需要三个PLC输出口红、黄、绿；以及冲头、切片气缸电磁阀的控制，分别需要一个PLC输出口。所以需要8个PLC输出口。表5.2 PLC 的I/O地址表输入输出I0.0HMI急停Q0.0脉冲输出I0.1下一步Q0.1清除脉冲I0.2急停复位Q0.2使能I0.3手动Q0.3绿灯I0.4自动Q0.4黄灯I0.5启动Q0.5红灯I0.6定位传感器Q0.6冲头气缸电磁阀I0.7冲头气缸下限位Q0.7切片气缸电磁阀I1.0切片气缸下限位I1.1POS_OKI1.2初始化5.3 PLC控制系统程序5.3.1 初始化程序设置PWM/PTO控制寄存器的SM标志位的控制字节。SMB67设置为16#DB，采用PWM脉冲输出方式。SMW68为脉冲周期设置，即输出距离的设置。SWM70为脉冲宽度值，即输出速度的设置，设置成1000，即为转速为1r/s，速度为100mm/s。PLS设置脉冲输5出为Q0.0输出口。将VB100的地址存入AC1，将-4000存入VW204，4000为冲头与切片之间的距离，以备后面数据运算的应用。将VW208清零，存放的内容为伺服已经移动的脉冲总和，是循环冲板的关键。将VW100的值移入VW206，VW206存放的内容为伺服移动下一步将要运动的脉冲总数，是为了数据运算中切片是否动作的关键。网络3：当伺服运转带动板材运动到定位传感器时，将2000移入SMW70，意思是定位传感器到冲头的距离是200mm。5.3.2 数据运算程序当脉冲传送完毕，即整板冲孔完毕，重新将VB100的地址送给AC1。将VW202将去VW208内的值送给AC0，即最后一个孔冲完后，将整板距离移动完成。将AC0送给VW200，完成整板冲孔。再将AC0的值移送给VW206，同样将移动的总脉冲送给VW206。置数整板冲完寄存器。因为移动脉冲数与距离数的比例是10/1，所以讲冲孔的距离乘以10移给VW200，完成脉冲的计算。同样，将板长得脉冲移给VW202。将当前要移动的脉冲数加上VW208移给VW208，VW208存放的为当前伺服移动的总脉冲数。将AC1加2，意思是将指针指向下一个要冲孔的距离。将下一步要移动的脉冲和总共移动的脉冲数累加起来存入VW206。网络3：当VW206小于VW202时，运行“伺服移动”子程序。即当下一步伺服移动的脉冲数加上总共移动的脉冲数小于板长脉冲时，也就是切片气缸不需要动作时。当下一步伺服移动的脉冲数加上总共移动的脉冲数大板长脉冲时，也就是切片气缸需要动作时，将切片气缸电磁阀置数，将VW202减去VW208得到切片气缸动作，切掉板材，完成一个板材的冲孔。当VW206刚好等于VW202时，冲头气缸电磁阀也置数。当整个板材切片后，确定下一步需要冲孔的脉冲。重新将VW200赋值给VW206，即重新装载板长比较的初始值。5.3.3伺服系统控制程序网络1：需要移动的脉冲数VW200移给SMW68，确定伺服移动脉冲数。5.5 人机界面的编制按下“编程”键进入程序编辑界面；按下“加工”键进入加工选择方界面。D0D17是工件冲孔的距离，可以直接进行编辑，最多可以编程18个孔。编辑完成后按下“加工”键进入加工选择界面。在进行加工时必须按下“动作前准备”键，才能进行“手动”和“自动”界面，进行加工。手动加工界面，按下“下一步”键，冲床做一次加工运动。自动加工界面，按下“启动”键，冲床完成程序的全部动作。第六章 总结和展望6.1论文工作总结2012年2月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。 3月初，我的毕业论文题目定了下来，是：基于西门子PLC的冲床自动控制系统的设计。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中。在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。我在学校图书馆，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类，以便对论文的编写。在此过程中老师还主动询问了搜集资料的进度和资料的正确性。 为了画出自己满意的电路图，流程图等，且由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。方案中伺服定位和系统的判断比较的设计是个比较头疼的问题，在反复推敲，对比的过程中，终于将程序编制完成。当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。 我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了很多PLC、伺服驱动器、人积极面的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今PLC的最新发展技术有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。 脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。 在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。 在此更要感谢我的导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。6.2发展与展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（D