航天电缆网自动布线机控制系统的研究
第 1 章 绪论
1.1.1 课题的研究背景
电缆是航天电子产品的重要组成部分，是连接系统内或系统之间各种仪器的桥梁，如果把每台仪器比作一个神经单元，那么各仪器之间的电缆就如同神经网络一样，星罗密布、纵横交错。物理上，它是由一定类型与规格的导线和电连接器经过相应工艺要求加工而成的成套电缆。电缆能否精确无误地将每个信号指令传递到各仪器中，关系着航天任务的成败。由于电缆产品高度定制的特点，多年来，电缆制造仍然以手工制作为主，电缆制造的主要流程有样板制作、下线、导线标识、线束绑扎、外护套制作。一直以来，电缆毛坯制作一直沿用在样板上布线的方式，在制作样板时，操作者按照电缆网外观图纸，在网格桌相应位置插入钢钉作为绕线的节点，使用电工胶带粘贴出电缆的分支走向。此种工艺方法操作频繁，需多人合作完成。并且样板对导线的绕制不具有指导性，需要依靠操作者阅读导线表完成布线。布线是电缆的制作工序中必不可少的环节，人工布线工作量比较庞大近年来，自动化控制技术在飞速发展，国内外的许多研究人员都在该领域进行了深入的研究，取得了惊人的成果。随着电子技术的不断发展与控制理论的不断进步，各种自动化控制产品应运而生，各种自动化控制技术都能够满足客户的各种高要求。这种发展趋势也为本课题提供了良好的研发环境，长期工作容易造成疲劳，工作效率下降，同时也容易出错。
1.1.2 课题的研究意义
自动化生产装置能够模仿人的手臂做出某些固定的动作，按预先设计的流程抓取、搬运物件或操作工具。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等行业。自动化生产装置发展较快，应用较多。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能够应付外界环境的变化[2]。如果自动化生产装置发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，自动化生产装置就可以根据反馈自行调整。应用自动化生产装置，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐[3]。
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1.3.1 论文的研究工作
本论文对自动布线机的控制系统做了研究和分析。根据一线生产车间人工布置导线的工作流程和实际需求，研究人员需要对自动布线机的控制系统做出统一的规划和合理的设计，以保证自动布线机能够按照客户需求完成自动布置导线的工作任务。主要工作有以下几方面：
（1）分析自动布线机的控制动作流程，考虑自动布线机的控制流程的合理性与自动布线工作的可靠性；
（2）在对自动布线机控制流程的合理性与对自动布线机布线工作的可靠性做出主要评估后，确定自动布线机设计的关键技术和薄弱环节，对自动布线机设计的主要技术问题做出方案论证，并加以实验验证；
（3）编写自动布线机上位机控制软件，确定自动布线机上位机软件的具体需求和需要实现的功能，能够达到自动布线机上位机软件的功能要求，完善上位机控制软件，并加以调试，测试，检查 BUG；
（4）调试各个控制模块，包括运动控制卡模块、IO 板卡模块、PLC 与气动装置模块等，使其能完成各自规定功能，并能达到指标要求；
（5）联合各个模块整体调试，使各个模块能够正常通信、能够相互配合完成自动布线工作，搭建起自动布线机控制系统。
1.3.2 论文的内容安排
本论文一共分六章，各章节的具体安排如下：
第 1 章 绪论。本章介绍了课题的研究背景及意义、自动化控制技术的国内外研究现状，并对论文所做的工作以及论文的组织结构做了简要的概况。
第 2 章 自动布线机控制系统总体设计方案。本章主要介绍了自动布线机控制系统的总体设计方案，包括自动布线机控制系统的设计要求，以及控制系统的总体设计构架。
第 3 章 自动布线机控制系统软件设计。本章详细介绍了自动布线机上位机控制软件的各个界面与其具体功能，并且说明了自动布线机上位机控制软件各个界面功能的实现目的与各个界面的实现方法。
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第 2 章 自动布线机控制系统总体设计方案
自动布线机控制系统的设计以布线机能够安全、可靠的完成布线工作为中心，在自动布线机实现精准的布线工作之前，控制系统需要完成自动布线机的复位工作，复位工作包括运动轴的复位和气动装置的复位。完成复位工作之后，用户可以在布线机上位机软件界面中实时设置布线机的运动参数，以达到调节机床参数的目地。自动布线机的布线机工作需要由布线机机床的运动轴和气动装置相互配合完成。自动布线机控制系统的设计包括运动轴的控制设计， IO 信号的控制设计以及气动装置的控制设计。
2.1.1 自动布线机的复位工作
自动布线机的复位工作包括两部分，一部分为机床各轴回原点，另一部分为气动装置完成复位动作。自动布线机控制系统要求机床各轴的控制误差小于等于 0.1mm,因此，在控制机床动作之前，需要实现各轴回原点动作，实现机床各轴精确定位。在进行精确的运动控制之前，需要设定运动坐标系的原点。运动平台上都设有原点传感器（也称为原点开关）。寻找原点开关的位置并将该位置设为平台的坐标原点的过程即为回原点运动DMC5000 系列运动控制卡实现机床各轴回原点具有多种方式。回原点运动主要步骤如下：
(1)使用 dmc_set_home_pin_logic 函数设置原点开关的有效电平；
(2)使用 dmc_set_homemode 函数设置回原点方式；
(3)设置回原点运动的速度曲线；
(4)使用 dmc_home_move 函数执行回原点运动；
(5)回到原点后，指令脉冲计数器清零。
DMC5000 系列卡提供了以下几种回原点运动的方式：
设置原点信号的有效电平函数根据布线机原点开关硬件接线关系设置布线机原点开关的有效电平为低电平或高电平，回原点模式函数可设置布线机回原点模式为低速回原点或高速回原点。回原点动作完成后，可调用 dmc_set_position 函数令指令脉冲计数器清零。本自动布线机回原点的原点开关选择 FC-SPX 302 光电开关，FC-SPX 302 光电开关的检出方式为 NPN.NO.NC。FC-SPX 302 光电开关具有高宽度的电压源的范围，其电压源范围为 12-24VDC，其中的黑色与白色为信号输出线端，FC-SPX 302 光电开关的电路接线图如图 2.4 所示[32]。
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自动布线机的控制系统实时检测两种安全防护信号，一种为 Z1 轴 Z2 轴防碰撞信号，一种为气动压力开关信号。防碰撞信号防止自动布线机的 Z1 与 Z2 轴在人为条件下，或在自动布线机出现故障的情况下发生相撞事故，在自动布线机即将发生碰撞时，即 Z1 轴Z2 轴的距离小于 5cm 时，Z1 轴 Z2 轴防碰撞信号有效，上位机通过 IO 板，检测到防碰撞信号有效后，立即停止两轴的运动控制，同时停止 Z1 轴与 Z2 轴的气动装置的动作，增加自动布线机的安全防护性能，防止人员受伤，以及自动布线机出现损伤[36]。
自动布线机的控制系统中的启动压力开关信号为实时检测气动装置的气压压力，当启动装置的气压压力满足自动布线机的气动装置动作时，自动布线机的控制系统可以正常工作 ，当自动布线机的控制系统检测到气动装置的气动压力开关无效时，即气动装置中的气压无法满足自动布线机的气动装置工作时，自动布线机的控制系统无法工作，即 Z1 轴与 Z2 轴无法运动，放置自动布线机的气动装置无气压时，自动布线机的 Z1 轴与 Z2 轴发生运动，造成人员受伤，或设备损伤[40]。自动布线机的启动压力开关信号的一路可通过IO 板传递给自动布线机的上位机，上位机检测到启动压力开关信号无效时，做出相应的判断，并且禁止 Z1 轴与 Z2 轴发生运动，自动布线机的气动压力开关信号的另一路可进入 PLC 的输入端口，PLC 根据气动压力开关信号做出相应判断，当启动压力开关信号有效时，PLC 控制模块正常工作，当气动压力开关信号无效时，PLC 控制模块停止工作，放置气动装置动作造成设备以及人员损伤。如图 2.10 所示为自动布线机气动压力开关。
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3.1 面向对象程序语言 Visual C++简介........................15
3.2 控制系统软件界面的设计......................................16
第 4 章 自动布线机控制系统硬件设计..........................27
4.1 运动控制模块的设计..........................................27
4.1.1 基于 PC 运动控制卡的简介..............................27
第 5 章 自动布线机控制系统联调...................................43
5.1 自动布线机控制系统的硬件构架..............................43
5.1.1 控制机箱的设计..............................................43
第 5 章 自动布线机控制系统联调
自动布线机控制系统的硬件控制模块主要分为三大模块，两个控制箱，一个主控制柜，两个控制箱的位置分别在自动布线机龙门工作台的 Z1 轴与 Z2 轴的下部。两个控制箱分为主控制箱和副控制箱，主控制箱里的控制模块包括三个伺服单元，二十个电磁阀，S-7200 型号 PLC 以及 PLC 的扩展模块，PLC 的扩展模块包括一个数字量输入扩展模块，以及四个数字量输出扩展模块。副控制箱里的控制单元包括三个伺服单元。主控制柜的内容包括四个运动控制卡接线盒模块，一个 IO 板输入接线盒模块，一个 IO 板输出接线盒模块，220V 转 24V 电源模块，二十三个欧姆龙继电器，保险空开电路保护单元，一个工控机机箱，显示屏加键盘等等。
5.1.1 控制机箱的设计
自动布线机的控制机箱有两个，分为主控制箱和副控制箱，主控制箱里的控制模块包括三个伺服单元，二十个电磁阀，PLC 加扩展模块。主控制箱上的接口包括电源接口、伺服单元信号线接口，PLC 信号线接口，气管孔、电机线缆以及编码器线缆孔等，为了确保伺服单元的最大散热条件，三个伺服单元的安装方位为三个并排竖直安装，确保伺服单元中的热空气行程对流，为了节约订购控制箱的成本，主控制箱的大小规格需要符合标准控制箱的规格，即大小为 420mm 的规格，主控制箱的规格为长 600mm（可用空间）、宽 420mm（可用空间）、高 200mm（可用空间），为了确保控制箱的散热，控制箱上下两面开若干小孔。主控制箱的布局图如下 5.1 所示。
自动布线机的主控制机箱的位置在自动布线机龙门工作台的 Z1 轴原点位置下方，副控制箱的位置在自动布线机的龙门工作台的 Z2 轴原点位置下方，为了订购方便、节约成本，副控制箱的大小尺寸也符合控制箱的标准要求，其大小尺寸为长 420mm（可用空间）、宽 300mm（可用空间）、高 200mm（可用空间），副控制箱的接口要求有三个，为电源接口、伺服单元信号线接口，电机与编码器线缆接口（开孔）[43]。为确保副控制机箱内伺服单元的散热要求，副控制箱的上下两个面板可开若干小孔，副控制箱内的伺服单元的安装要求为竖直安装，确保伺服单元内的热空气形成对流状态。如下图 5.2 所示为自动布线机副控制机箱的结构布局示意图。
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第 6 章 结论
本课题的主要工作为：对自动布线机的控制系统做整体研究，包括对自动布线机的上位机软件的编写，对自动布线机控制系统的硬件控制模块的功能实现。本课题分别从以下几个方面进行了研究：自动布线机控制系统的上位机软件的实现功能，编写方法，自动布线机控制系统中控制单元模块的功能实现以及调试工作。总结如下：
（1）首先介绍了课题的研究背景及意义、自动化控制技术的国内外研究现状，并对论文所做的工作以及论文的组织结构做了简要的概况。
（2）其次详细介绍了自动布线机上位机控制软件的各个界面与其具体功能，并且说明了自动布线机上位机控制软件各个界面功能的实现目的与各个界面的实现方法。自动布线机的各个控制模块。论文中主要介绍了三大控制模块，分别为运动控制卡模块、IO 板控制模块、PLC 与气动装置。分别介绍了这三大控制模块的工作内容与实现方法。编写自动布线机上位机控制软件，确定自动布线机上位机软件的具体需求和需要实现的功能，能够达到自动布线机上位机软件的功能要求，完善上位机控制软件，并加以调试，测试，检查 BUG；
（3）调试各个控制模块，包括运动控制卡模块、IO 板卡模块、PLC 与气动装置模块等，使其能完成各自规定功能，，并能达到指标要求；联合各个模块整体调试，使各个模块能够正常通信、能够相互配合完成自动布线任务功能，搭建起自动布线机控制系统。
（4）自动布线机的硬件构架。本论文从总体上介绍了自动布线机的硬件构架，包括自动布线机的控制机柜的组成与构架，自动布线机的工作平台的总体构架，自动布线机各个控制模块的放置与线缆连接等等。本论文首先分析了自动布线机的控制流程的合理性，之后详细介绍了自动布线机的工作流程。并实验验证了该控制流程的合理性。
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参考文献（略）
本文编号：369875
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/369875.html
