冲床自动步进送料控制系统研究与开发

摘要

数控冲床自动步进送料系统主要与冲压设备相匹配用作冲压加工生产，实现冲压自动化的基本要求。其自动化程度高低决定着冲压生产效率以及冲压生产整体自动化水平。由于传统冲床控制采用手工送料的方式，存在着效率低、速度慢、精度不能保证、隐藏着安全隐患等诸多问题，这就需要有一套良好稳定的控制系统，因此嵌入式控制系统是最佳的选择。尤其是嵌入式近几年发展迅速，其在各个领域的应用日渐成熟，发挥着不可替代的作用。本文采用STM32微处理器作为系统的主控制器，其在工业控制中已被广泛应用，具有快速、高精度、控制稳定等特点。该系统能完成自动步进送料的功能，位置精度高，软硬件设计简单，操作方便并且具有良好的人机交互界面。本课题所研究的设备是与630T冲压机相互配合使用，完成冲床对工件的自动冲压成型任务。它可根据预先设定的任务，用编程的方式规定好机构的运行轨迹，自动完成其行为控制，最终完成整个生产过程的冲压任务。　　 本研究主要包括以下三方面：⑴根据生产实际要求和控制系统设计原则，确定送料系统的总体设计方案，明确送料系统的整体机构设计以及对其运动部件分析；⑵对执行机构的控制电路进行设计，划分为四部分:主程序的设计;上位机界面的设计及控制系统与上位机的链接;送料装置的执行机构与交流伺服电机的驱动的设计研究；⑶运用模糊控制算法和PID控制算法，在Matlab软件中对电机的控制算法进行仿真，和经典的PID控制算法作对比，确定了模糊PID复合控制器的最优控制策略，提升了系统的定位响应时间，使执行机构可快速接近目标，速度稳定而不会超调。最后对整体的设计方案给予了简要的总结和展望。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究目的和意义

1．2 冲床自动步进送料系统的发展概况及发展趋势

1．2．1 冲床自动步进送料系统的发展概况

1．2．2 冲床自动步进送料技术的发展趋势

1．3 课题研究的相关背景

1．4 课题主要研究内容及各章节安排

1．5 本章小结

2 自动步进送料系统总体方案设计

2．1 系统总体方案设计要求及其选择

2．2 自动步进机械系统总体设计

2．2．1 运动机构功能设计

2．2．2 系统主要机构设计

2．3 控制系统总体设计

2．3．1 控制系统总体构架

2．3．2 控制系统设计原则

2．3．3 控制系统硬件结构

2．3．4 控制系统软件结构

2．4 本章小结

3 基于模糊PID控制器设计与仿真研究

3．1 PID控制算法

3．1．1 PID控制理论及其原理

3．1．2 数字PID控制

3．1．3 PID控制器的参数整定方法

3．2 模糊控制算法

3．2．1 模糊控制理论的基本原理

3．2．2 模糊集与隶属函数

3．3 模糊控制器设计

3．3．1 模糊控制器的基本结构

3．3．2 模糊变量的非模糊化

3．3．3 模糊控制规则及其决策

3．3．4 建立自动步进送料系统的模糊控制规则表

3．3．5 模糊控制器在MATLAB工具箱中的搭建

3．4 控制系统的仿真研究

3．4．1 PID控制的仿真研究

3．4．2 模糊PID的控制仿真研究

3．5 模糊控制算法在伺服系统中的实现

3．6 本章小结

4 控制系统硬件设计

4．1 硬件系统总体设计

4．2 STM32核心电路设计

4．2．1 STM32芯片的设计

4．2．2 系统复位电路设计

4．2．3 系统电源电路设计

4．2．4 串口通讯电路设计

4．3 交流伺服电机运动控制系统的设计

4．4 伺服系统工作原理及其功能分析

4．4．1 交流伺服电机的工作原理

4．4．2 伺服系统功能应用设计

4．5 伺服电机与STM32的链接

4．6 运动系统抗干扰分析

4．7 本章小结

5 控制系统软件设计

5．1 软件系统的总体设计

5．2 μC／OS-Ⅱ模块

5．2．1 μC／OS-Ⅱ简介

5．2．2 μC／OS-Ⅱ的移植

5．3 μC／OS-Ⅱ任务设计

5．3．1 STM32内核头文件(OS_CPU．H)

5．3．2 与CPU相关的C函数及钩子函数的设计

5．3．3 模糊PID控制算法程序设计

5．4 μC／OS-Ⅱ的中断管理分析研究

5．5 上位机控制界面设计

5．5．1 总体流程设计

5．5．2 上位机界面设计

5．6 触摸屏交互界面设计

5．7 串口通讯

5．8 本章小结

6 整机试验与分析

6．1 硬件系统测试

6．2 软件系统测试

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的文章