材料成型設(shè)備及計算機(jī)控制技術(shù)<<材料成型設(shè)備控制基礎(chǔ)>>，劉立君主編,北京大學(xué)出版社,2008年2月<<材料成型設(shè)備及計算機(jī)控制技術(shù)>> 目錄

第1章緒論（焊接、鍛壓、鑄造、沖壓、塑壓）

第2章微計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

第3章電氣控制及PLC技術(shù)

第4章PID微機(jī)控制

第5章材料成型設(shè)備計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

第6章焊接設(shè)備與鑄造設(shè)備計算機(jī)控制技術(shù)

第7章鍛壓、沖壓與塑壓設(shè)備計算機(jī)控制技術(shù)

內(nèi)容簡介本課程主要介紹了PID控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、微計算機(jī)接口技術(shù)、通訊技術(shù)，作為材料成型設(shè)備計算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)知識；詳細(xì)闡述了材料成型設(shè)備微計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方法；材料成型設(shè)備主要介紹材料成型方面典型設(shè)備：焊接電源、焊接機(jī)器人、差壓鑄造設(shè)備、通用壓力機(jī)、沖壓機(jī)、塑料注射成型機(jī)，并通過典型應(yīng)用實例闡述材料成型設(shè)備計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計步驟及其原則，總體方案的分析和設(shè)計。緒論計算機(jī)是本世紀(jì)中最重要的技術(shù)發(fā)展項目之一，它具有進(jìn)行最普遍意義的信息自動化處理的能力，同時由于工業(yè)控制機(jī)和微機(jī)的性能價格比的和可靠性的提高，使得實現(xiàn)整個工業(yè)和工業(yè)體系生產(chǎn)過程的綜合自動化具有可能性和現(xiàn)實性。因此，計算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化方面起著其它技術(shù)不可代替的作用。1.1計算機(jī)控制技術(shù)在材料成型設(shè)備中應(yīng)用1.1計算機(jī)控制技術(shù)在材料成型設(shè)備中應(yīng)用焊接、鍛壓、沖壓、塑壓和鑄造中典型設(shè)備。1.計算機(jī)控制技術(shù)在弧焊電源中應(yīng)用微機(jī)在電弧焊機(jī)中的應(yīng)用已不在局限于使用其記憶功能；存儲熟練焊工的經(jīng)驗數(shù)據(jù)、焊接規(guī)范、焊接程序。現(xiàn)在已擴(kuò)展用于控制弧焊電源的大批動態(tài)、靜態(tài)特性和自動調(diào)節(jié)焊接規(guī)范或焊接參數(shù)，改善焊接性能，保證焊縫一致性，獲得高質(zhì)量焊縫。常用的微機(jī)有單板機(jī)、單片機(jī)、可編程序控制器、個人計算機(jī)等。國外早有商品出售，如：ESAB公司的LAK500型微機(jī)控制電源日本松下公司的PULSEMEMORZX系列電源，大阪變壓器公司的AUTO380超高頻逆變電源等。國內(nèi)已開發(fā)出多種產(chǎn)品，微機(jī)已由低檔的Z—80.6520等8位機(jī)到MCS—51系列單片機(jī)，進(jìn)而發(fā)展到MCS—96系列16位單片機(jī)，焊接電源的微機(jī)控制最基本的是實現(xiàn)其調(diào)節(jié)特性，即對焊接電源外特性的調(diào)節(jié)。焊接晶體管電源、逆變電源。電源類型很多，從理論上講每種電源均可實現(xiàn)微機(jī)控制。易于計算機(jī)控制、比較普及和比較先進(jìn)的電源主要有可控硅電源、晶體管電源、逆變電源。微機(jī)控制弧焊電源（a）含觸發(fā)電路（b）不含觸發(fā)電路可控硅電源觸發(fā)電路微機(jī)對α控制方法：1、含觸發(fā)電路。由CPU經(jīng)D/A輸出模擬量控制信號，控制觸發(fā)電路以得到不同的α；2、不含觸發(fā)電路。由CPU經(jīng)并行接口的某些位直接輸出觸發(fā)信號，經(jīng)過由數(shù)字電路組成的觸發(fā)信號分配電路，分時觸發(fā)三個可控硅，并用定時器進(jìn)行定時。

電晶體管組工作在線性放大區(qū)，其焊接電流If可由模擬量Ug控制，該模擬量可直接有微機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換接口輸出。模擬式晶體管電源的組成（2）晶體管電源模擬式晶體管電源的微機(jī)控制

逆變電源的組成如圖所示，它具有許多優(yōu)點，如抗干擾性強、功率消耗小、體積小等，是目前科研人員普遍研究的電源，通過調(diào)節(jié)大功率開關(guān)元件開關(guān)的占空比，可達(dá)到調(diào)節(jié)焊接電流If的目的。逆變電源的組成

（3）逆變電源ACDCACDC微機(jī)控制的弧焊電源研究:1、加強焊機(jī)過程智能化控制的總體研究，使包括弧焊電源在內(nèi)的整個焊接系統(tǒng)協(xié)調(diào)，最優(yōu)地工作；2、優(yōu)化選擇目前已成熟的微機(jī)控制弧焊電源，使生產(chǎn)制造批量化，系列化，擴(kuò)大在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用；3、加強控制算法的研究，引入自校正、PID、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制策略將會進(jìn)一步提高控制效果。將自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于弧焊電源的控制中。將弧焊規(guī)范參數(shù)如熔深、熔寬等當(dāng)作直接焊接參數(shù)，電源的輸出電壓、電流當(dāng)作間接焊接參數(shù)，并考慮工作環(huán)境的因素。根據(jù)所需要的直接焊接參數(shù)通過專家系統(tǒng)、或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它的方式?jīng)Q定間接焊接參數(shù)，從而控制弧焊逆變器的工作，以獲得所需的焊接效果。

數(shù)字化焊機(jī)實現(xiàn)了柔性化控制和多功能集成,系統(tǒng)的控制策略通過軟件的方式加以實現(xiàn)(以軟代硬)，系統(tǒng)的控制是柔性的，利于進(jìn)行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與多功能集成，控制精度高。

數(shù)字信號處理器DSP（DigitSignalProcessing）系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小、可靠性高；產(chǎn)品的一致性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)；接口兼容性好，DSP系統(tǒng)與其他的現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的；焊機(jī)功能升級方便，DSP系統(tǒng)中的可編程芯片可使設(shè)計人員在開發(fā)過程中能方便地對軟件進(jìn)行修改和升級。1.1.3鍛壓設(shè)備計算機(jī)控制技術(shù)鍛壓設(shè)備有一般數(shù)控的共性，鍛壓生產(chǎn)的環(huán)境條件惡劣(振動、高溫、灰塵)，許多通用檢測及執(zhí)行元件不能適應(yīng)，可靠性差，壽命短；可靠性要求高,鍛壓是在高壓力、高速度、高溫下進(jìn)行的生產(chǎn)工藝，控制系統(tǒng)一旦失靈則可能造成重大人身、機(jī)床事故和經(jīng)濟(jì)損失，所以要求系統(tǒng)十分可靠，必須采用完善的保險措施(如冗余技術(shù))；檢測和控制的參數(shù)種類復(fù)雜，它們包括位移、速度、力、力矩、壓力、流量、溫度、形狀等，其中多為模擬量，給檢測、執(zhí)行及控制均帶來的困難；工藝復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)種種異常情況，且事先難以完全預(yù)料(如溫度對鍛件成形的影響，板材性質(zhì)對沖壓件質(zhì)量的影響，潤滑對脫模的影響等)，所以在控制硬件和軟件方面要有相應(yīng)的措施，例如應(yīng)設(shè)置多種過程參數(shù)的檢測，能及時、方便地實現(xiàn)自動—手動轉(zhuǎn)換，在自動生產(chǎn)過程中可隨時插入必要的人工干預(yù)；驅(qū)動功率大，響應(yīng)速度快。如鍛壓設(shè)備所用的液壓系統(tǒng)大多用高壓、大流量，并要求在極短的時間內(nèi)進(jìn)行動作變換，以保證工件精度和生產(chǎn)率，避免因溫度下降而造成廢品；控制精度相對冷加工控制系統(tǒng)的要求較低，如位置精度一般低于0.01mm，但系統(tǒng)必需堅固耐用。計算機(jī)在鍛壓設(shè)備控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有以下幾方面：1、鍛壓過程的計算機(jī)監(jiān)測。計算機(jī)通過傳感器和接口電路采集、顯示和記錄鍛壓過程參數(shù)，它只能為操作人員的決策、控制提供依據(jù)，而不能自動控制生產(chǎn)過程。2、通過接口電路和執(zhí)行器件控制鍛壓過程參數(shù)，使生產(chǎn)過程能按事先編制的程序和輸入的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行，從而得到符合要求的工件。3、按照預(yù)先選定的目標(biāo)函數(shù)(例如生產(chǎn)率最高、材料最省或功率消耗最少等)，對過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行。4、鍛壓生產(chǎn)的計算機(jī)控制一體化包括鍛壓生產(chǎn)的管理、工藝過程和模具的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)、模具的計算機(jī)輔助制造(CAM)，以及過程的直接控制等。1.1.4鑄造設(shè)備計算機(jī)控制技術(shù)1、近年來，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微處理器和微型計算機(jī)已在鑄造工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。2、計算機(jī)控制鑄造設(shè)備首先把生產(chǎn)過程的有關(guān)參數(shù)，如溫度、壓力，流量等進(jìn)行采樣并通過過程輸入通道把模擬量(也可直接輸入數(shù)字量信息)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。

沖天爐微機(jī)控制系統(tǒng)其信息因子——鐵水溫度，出鐵量，有焦高度，爐頂氣中Co／Co2％等；控制因子——風(fēng)量，金屬，爐料配比，鐵焦比等；特性值——鐵水化學(xué)成份；控制方法為配料自動控制，自動記錄及調(diào)整、信息因子與控制因子的聯(lián)合，監(jiān)測與調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳目標(biāo)，實現(xiàn)了從各種原材料的加入與計量到各工藝參數(shù)的檢測與控制的全自動化操作，有效地提高了鐵水質(zhì)量。如砂處理微機(jī)控制系統(tǒng)有以下幾方面的應(yīng)用：①把微機(jī)作為順序控制器使用，使砂處理系統(tǒng)中各種工藝設(shè)備和運輸設(shè)備按一定動作順序聯(lián)動，并具備聯(lián)鎖要求。②單臺工藝設(shè)備，如混砂機(jī)，按時間表完成預(yù)定作業(yè)循環(huán)。使某調(diào)節(jié)對象自動保持在預(yù)定參數(shù)范圍內(nèi)，如型砂水份自動調(diào)節(jié)，舊砂冷卻控制等。電子計算機(jī)已在鑄造設(shè)備中廣泛應(yīng)用，其中包括熔煉與澆注設(shè)備、造型與制芯設(shè)備、金屬型設(shè)備(其中尤以壓鑄機(jī)應(yīng)用最多)、砂處理設(shè)備、清理設(shè)備、低壓及差壓鑄造設(shè)備答。在機(jī)電一體化大力推廣與發(fā)展的今天，工程技術(shù)人員應(yīng)該掌握微機(jī)技術(shù)，并能根據(jù)生產(chǎn)工藝過程要求提出系統(tǒng)控制方案、編制軟件程序、組成硬件系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析和模擬化設(shè)計。1.2材料成型設(shè)備常用的控制器1.2.1單片機(jī)單片機(jī)(微計算機(jī))就是利用半導(dǎo)體集成技術(shù)，將中央處理單元(CPU)和一定的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)、定時/計數(shù)器(T/C)、并行輸入/輸出(I/O)接口和串行通信接口(URAT)等多個功能部件集中在一塊芯片上，是一臺具有完整計算功能的大規(guī)模集成電路，又稱為微控制器。在工業(yè)生產(chǎn)過程中的實時控制和自動化管理中，單片機(jī)得到很好的應(yīng)用。利用單片機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)控，能迅速獲得生產(chǎn)過程的隨機(jī)變化情況，根據(jù)工藝要求，自動實施控制，以便使生產(chǎn)過程達(dá)到最佳狀態(tài)。這樣就可排除人工干預(yù)，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。3.采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4.編程簡單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，用戶不需要具備計算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員所接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能，為不熟悉電子電路、不懂計算機(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。5.安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。6.體積小，質(zhì)量小，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，質(zhì)量小于150g，功耗僅為數(shù)瓦。由于體積小，很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。1.3學(xué)習(xí)本課程的目的與要求1.3.1學(xué)習(xí)本課程目的通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生較好掌握材料成型設(shè)備計算機(jī)控制相關(guān)知識，提高學(xué)生多學(xué)科融合思維能力，增強學(xué)生的社會適應(yīng)能力，為其將來進(jìn)