数控胎架控制系统的设计.docx

**大学

本 科 毕 业 设 计（论文）

学 院 机械工程学院
专 业 机械设计制造及其自动化
学生姓名 ***
班级学号 ****
指导教师 **

二零*年五月

**本科毕业论文

数控胎架控制系统的设计

Design of the NC Mould Bed Control System

**大学

毕业设计（论文）任务书

学院名称：机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化
学生姓名： * 学 号： 1*
指导教师： * 职 称： *

毕业设计（论文）题目：
数控胎架控制系统的设计
一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）
1、提供条件：
数控胎架使用工况与控制系统的设计原则。
2、主要内容与要求:
(1) 查阅国内外相关文献，了解数控胎架控制系统的结构、工作原理，介绍数控胎架控制的研究现状与存在问题；
(2) 阅读并翻译一篇数控胎架控制系统相关的英文文献；
(3) 分析胎架的功能与操作需求，完成控制系统的设计：
1、胎架的功能与操作需求：根据胎架的使用工况，服务对象，分析 胎架的功能及操作需求，确定控制系统的基本功能要求；
2、控制系统的设计：根据控制系统的基本功能要求，选择控制系统的类型以及控制元件，设计控制系统总体方案；
3、控制系统的软件设计：根据控制系统总体方案编写控制程序；
(4) 完成胎架控制系统的设计；
(5)撰写毕业论文，详细阐胎架控制系统的技术参数和工作方式，并进行毕业设计答辩。

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）
1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；
2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）；
3. 胎架控制系统的总体方案以及控制程序一份；

三、完成日期及进度
2016年3月19日至2016年6月1日。
进度安排：
1. 2016年3月19日～3月31日：阅读相关文献、准备开题报告。提交开题报告、外文文献翻译。
2. 4月1日～4月20日：根据胎架的使用工况，服务对象，分析胎架的功能及操作需求，确定控制系统的基本功能要求。
3. 4月21日～5月10日：根据控制系统的基本功能要求，选择控制系统的类型以及控制元件，设计控制系统总体方案，并根据控制系统总体方案编写控制程序。
4. 5月11日～5月20日：完成胎架控制系统的设计。
5. 5月21日～5月31日：总结前期研究工作，撰写毕业设计论文，提交指导老师审阅，并准备答辩材料。
6. 6月1日：论文修改与毕业设计答辩。

四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:
1. A sokan P， Jerald J， A run ach a lam S， et. a l Application of adaptive genetic algorithm and particle swarm optimization in Scheduling of jobs and AS/RS in FMS[ J]. International Journal of Manufacturing Research， 2008， 3(4): 393-405
2. 吕明. 反造多分段胎架在气垫船工程中的应用造船技术[J]. 造船技术，1993，7（161）:20-23.
3. 梁 斌，尹瑞芳. 复杂型双向曲面胎架制作工艺方法改进[J]. 建造与修理，2014:64-65.
4. 佘建国，顾永凤，陈宁. 基于Pro/Mechanic的柔性胎架结构分析与优化设计研究[J]. 造船技术，2008，2（282）33-36.
5. 王鸿斌. 双斜切基面胎架型值改造与通用角度安装样板制作[N]. 武汉交通职业学院学报，2005，7（1）:65-66.
6. 陈典，程良伦. 支柱式数字胎架控制系统的设计与应用[J]. 组合机床与自动化加工技术，2013(11):80-84.
7. 张玉永，温玲. Petri 网在船体曲面分段建造中的应用[J]. 江苏船舶，2013，30(6):36-38.
8. 杨永坤. ＣＣＳ万吨级船舶船体建造中多种新型胎架应用及探讨[J]. 造 船技术，2014，4:39-44
*
*

摘 要

目前造船行业通用的制造工艺是对船体进行分段制造、焊接和装配。这些工艺都需要工艺装备来保证精度和效率。胎架的使用保证了船体每个分段外板线型的一致性，为后期焊接和装配提供了有力的保障。本文主要针对支柱式胎架的功能和作用，完成对数控胎架控制系统的设计，来实现胎架支撑的自动化，减少人力成本，保证造船精度，提高效率。
本文首先分析了目前造船行业对数控胎架的功能需求，参考了国内外相关研究和报道，对现有的各类数控胎架的结构及工作方式做了总结，提出了符合现代化造船装备要求的胎架。在上述研究的基础上，研发设计了一套基于PLC的胎架控制系统，对胎架目前自动化程度低的问题给出了一种解决方案。
本文对控制系统进行了设计。设计分为硬件平台搭建和控制程序编写。硬件平台包括步进电动机，PLC控制器，模数转换模块的选型确定。软件设计主要包括程序梯形图的编写。最后着重介绍了控制程序中几个比较典型的控制程序原理。

关键词：数控胎架；自动化；PLC可编程逻辑控制器；

Abstract

At present,the general manufacturing technology of shipbuilding to segment the ship hull is made,welding and assembly.These processes require process equipment to ensure the accuracy and efficiency.The mould bed ensures the consistency of each section of the hull,because it can provide a powerful guarantee for the later welding and assembly.This article mainly aims at the function of the mould bed,then completes the control system of the numerical control to realize the automation of the support,reduce the manpower cost,ensure the shipbuilding precision,improve the efficiency.
This paper first analyzes the currently shipbuilding industry demands on CNC mould bed,summarizes the various types of CNC mould bed of the existing structure and working mode with the domestic and related research reports,then proposed the requirements conforms to the Modern Shipbuilding Equipment.On the basis of the research above,the control system based on PLC is designed and developed, which provides a solution to the low level of automation.
The control system is designed in this paper. Design is divided into hardware platform and control programs. The hardware platform consists the selection of the stepping motor, PLC controller, and the analog to digital conversion module.The software design mainly includes the program ladder diagram.At last, the paper introduces the principle of several typical control programs in the control program.

Keywords: the Strutted NC Mould Bed;automation;the PLC programmable logic controller;
目 录

第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.3课题的目的 2
1.4 本课题的主要研究内容 2
第二章 数控胎架控制系统总体方案设计 3
2.1 背景 3
2.2 支柱式胎架内部结构原理 3
2.3 控制系统概述 4
2.3.1 控制系统的分类 4
2.3.2 控制系统的选择 4
2.4 数控胎架控制系统的技术要求 5
2.5 控制系统的总体控制流程及方案 5
2.6 胎架控制系统的控制流程 8
2.7 本章小结 8
第三章 数控胎架控制系统的硬件设计 9
3.1 步进电动机及其分类 9
3.1.1 步进电动机的选型及其基本参数 9
3.1.2 步进电动机驱动器的选型 10
3.1.3 丝杠上升高度与脉冲数之间的关系 10
3.2 可编程逻辑控制器（PLC）简介 12
3.2.1 可编程逻辑控制器（PLC）及其工作原理 12
3.2.2 PLC的选型确定及其特点 14
3.2.3 PLC驱动步进电动机 14
3.2.4 PLC使用环境中需要注意的问题 14
3.3 压力传感器的选型确定及基本参数 15
3.4 FX2n-4AD特殊模块 15
3.5 本章小结 17
第四章 数控胎架控制系统设计 18
4.1 GX Developer软件介绍 18
4.2 外部接线图 19
4.3 I/O输入输出点地址分配 20
4.4 数字控制系统程序设计 21
4.4.1自动/手动控制模式选择程序 21
4.4.2 胎架自动复位控制程序 22
4.4.3 手动点动控制程序 22
4.4.4 FX2n-4AD特殊模块的初始化和数据采集存储程序 23
4.4.5 压力比较自动控制程序 24
4.5 上位机交互界面设计 25
4.5.1 GT Designer软件介绍 25
4.5.2 用户交互界面设计 25
4.6 本章小结 26
第五章 总结与展望 27
5.1 总结 27
5.2 展望 27
致谢 28
参考文献 29

第一章 绪论
1.1 引言
作为全球最大的发展中国家，中国的海洋运输业一直相当繁荣，船舶也在民用和商业运输中起到至关重要的作用。而造船业是为水上交通、海洋开发和国防建设等行业提供技术装备的现代综合性产业，也是劳动、资金、技术密集型产业，对机电、钢铁、化工、航运、海洋资源勘采等上、下游产业发展具有较强带动作用，对促进劳动力就业、发展出口贸易和保障海防安全意义重大。
随着数字化技术的发展，数控技术己经运用到造船生产中[1]。在船舶制造方面，目前最常用的方法是分段制造。分段制造过程直接影响船舶产品的质量、制造周期、制造成本和企业形象[2]。分段制造过程中最重要的工艺装备就是胎架。胎架是根据船体分段有关部位的线型制造，用以承托建造船体分段并保证其外形正确性的专用工艺装备[3-4]。胎架直接影响船体分段的质量和精度。对后续船舶总体的焊接和装配工艺起至关重要的作用。
1.2 国内外的研究现状
在建造大型船舶过程中，分段制造是船舶建造的基础，将两个或多个分段组合在一起，形成总段，再将总段合拢形成整个船体。在分段建造和合拢过程中，一般都需要胎架。胎架[5]是船体分段建造及焊接的一种专用工艺装备，其作用是保证分段在装配、焊接时具有良好的作业条件，保证船体曲面分段的准确线型，并具有控制焊接变形的作用。因此，胎架必须要具有足够的结构强度、刚性以及稳定性。
传动的模板胎架[6]是按照船体分段形状设计制造的，各型船各个分段都有专门的胎架制造图。在胎架上建造船体分段，可以保证分段的外板线型，继而保证总段、整个船体的外板的线型，因此制造合格、适用度高的胎架是保证建造优质舰船的关键之一。
柔性胎架[7]的概念基于“多点成形”，20世纪中后期，最早由日本人提出。国内最早关于多点成形的研究是李明哲教授从日本归国后在吉林大学展开的。1990年，李教授[8]筹建无模成形技术中心，主要从事多点成形技术与柔性胎架系统的研究。
2008年，江苏科技大学佘建国[10-11]教授，基于生产中心制造船模式，提出选用柔性胎架来支撑船体反造时的分段，以保证其船体分段的形线。该系统不仅可以按固定的轨道进行整体移动，而且还通过滑块和丝杠对单个胎架进行纵向或者横向的调节，将船舶生产流水化。柔性胎架系统[12]适用于大中型船厂，为船舶建造提供了一种高效的工装设备与生产方法。
目前，柔性胎架[13]主要一下有三个特点：首先，胎架的高度可以根据需要，自由调节，以满足不同船型的的外板型值；其次，胎架可以滑动，改变的位置，以适应不同的船体型值；第三，当需要移动场地时，只需要将胎架按照固定的轨道进行移动，有利于分段船体的套造。
1.3课题的目的
设计自动支撑检测平台来解决大型船舶制造企业加工生产过程中的检测问题。该支撑检测平台在克服恶劣的加工环境上有明显的提升并能有效缩短检测周期，提高检测效率。
控制系统的设计开发不仅实现了钢板的动态智能支撑，而且实现钢板水火加工与钢板曲面检测的有机结合，从而将从总体上提高水火弯板的效率，为整个生产加工过程提供了便利。
1.4 本课题的主要研究内容
本文主要针对胎架的功能和使用情况，主要通过对控制系统的设计，来减少胎架支撑时的高度误差，提高工作效率，从而完成对控制系统的设计和优化。
（1）分析胎架的功能与操作需求，完成控制系统的设计：胎架的功能与操作需求：根据胎架的使用工况，服务对象，分析胎架的功能及操作需求，确定控制系统的基本功能要求；根据控制系统的基本功能要求，选择控制系统的类型以及控制元件，设计控制系统总体方案；根据控制系统总体方案编写控制程序；
（2）完成胎架控制系统的设计，并进行实际调试，对方案进行优化。
第二章 数控胎架控制系统总体方案设计
2.1 背景
因为受到自身加工工艺的影响，船体外板的制造的现场环境总是非常恶劣，无论是采用工人来进行手动加工还是使用工业机器人自动化加工，船体外板加工面上总是水火交融的场景，所以目前还没有对正处在水火加工过程中的船体外板的加工面进行检测的有效手段。目前造船行业主流的检测方法是对船体外板单次加工后的板形进行检测[8]。这种手段虽然精确，但是缺少对板型二次加工的预测数据，大大降低了生产效率和成功率。
2.2 支柱式胎架内部结构原理
数字胎架是由蜗轮蜗杆换向组和丝杠组成。三维结构如图2-1所示。

图2-1 支柱式胎架的内部结构
如图所示，蜗杆的转动经由蜗轮蜗杆换向组换向，转换成蜗轮的转动，由于蜗轮内圈有和螺纹丝杠配合的螺纹，运动传递到丝杠，带动丝杠转动。因为丝杠上键槽的存在，限制了丝杠的转动自由度，所以丝杠只能做上下升降运动，从而形成支柱作用。
为了应对突发状况，胎架还设计有“手动”和“自动”两种操作模式。手动模式由手轮带动蜗杆转动。而自动模式则是由步进电动机经带传动传递到蜗杆。此外还设计有一个可移动的皮带轮来控制皮带的张紧程度。
在胎架顶部还安装有压力传感器，当船体外办在支柱胎架上加工时，随着加工的进行，船体外板也在发生变形，压力传感器接受的信号也在变化。通过对信号的处理，判断胎架升降的高度。
2.3 控制系统概述
控制系统是指按照所希望的方式改变或保持机器或其他设备中感兴趣的量或状态的一种系统。控制系统的组成与三部分，分别是主体控制系统、客体控制系统和执行系统三部分。这三部分彼此之间相互协调，是被控对象达到所期望的某种稳定状态。控制系统是控制主体与被控对象之间的连接纽带，是整个系统的一个重要组成部分。
2.3.1 控制系统的分类
控制系统的分类有多种方法。
（1）按控制系统原理的不同，可分为开环控制、半闭环控制闭环控制。见表2-1。
表2-1 控制系统按系统原理分类
类型
定义
特点
开环控制
1.系统只根据输入量和干扰量控制
2.输出量对系统不产生影响
1.单向控制
2.没有自动纠偏能力，精度低
3.系统简单，可靠稳定
闭环控制
1.输入端和输出端之间存在回路
2.输出量对控制产生直接影响
1.控制精度高，自动减小偏差
2.存在误差
半闭环控制
1.反馈信号取自中间的测量元件
1. 控制精度介于开环和闭环之间
2.易于实现稳定
（2）按输入量的变化特征分类，见表2-2
表2-2 控制系统按输入量分类
类型
定义
特点
程序控制
输入量的变化规律事先知道
系统的输出按预定规律变化
恒值控制
输入量是恒定值
输出量为恒定值
伺服控制
输入量变化不能事先确定
输出量迅速平稳地跟随输入变化
2.3.2 控制系统的选择
在本设计当中，丝杠的上升通过蜗轮蜗杆来实现。根据上述控制系统按系统原理类型和输入量的分类，胎架需要通过控制系统实现数字化自动控制，显然液压控制方案和气动控制方案均不可行，选择电气控制作为胎架的控制方法。
2.4 数控胎架控制系统的技术要求
将船体外板放置在支柱式胎架组上进行加工时，随着加工过程中钢板发生的形变，每个支柱上的压力传感器接受的信号也在变化。控制系统是要实现对压力信号的处理，来改变每个支柱的型值调节，既每个支柱的执行机构中丝杠的位移量。在实际生产中，数控胎架的数目众多，可分为若干组，控制系统要调节的是每一组胎架的型值，使得其构成的形状满足分段船体外板的型值。因此，胎架的控制系统需要按照以下设计原则进行设计：
（1）能控制每个胎架支柱的型值调节；
（2）能控制丝杠进行竖直方向上的升降运动；
（3）能精确控制丝杠的行程，不失步，每个脉冲都必须得到执行；
（4）对控制系统的响应时间要求不高，不需要快速响应；
（5）对丝杠的运动速度要求不高，不需要反复加速或减速；
2.5 控制系统的总体控制流程及方案
控制系统应设计有自动控制和手动控制两种模式。自动控制和手动控制模式之间可以来回切换，由操作人员选择。具体控制流程如图2-2。

图2-2 控制系统总体流程示意图
对与自动控制部分来说，主要是应用于胎架的自动复位和自动支撑环节。自动复位环节需要通过安装在胎架上的下限位开关确保胎架的复位结束。复位过程控制流程如图2-3所示。

图2-3 自动复位控制流程原理图
自动支撑环节主要通过检测安装在胎架顶部的压力传感器的数据来判断每根胎架是否支撑到位。若压力测量值小于设定值，说明胎架支撑不到位，丝杠应继续上升。当压力测量值大于（或等于）设定值时，说明胎架支撑到位，丝杠应立即停止运动。自动支撑过程的核心就是判断压力传感器的检测值与设定值的关系。控制流程图如图2-4。

图2-4 自动支撑控制流程原理图
对数控胎架的设计主要从两方面进行，一方面是支柱胎架组的结构和驱动换向机构的设计，另一方面是对控制系统的设计。设计方法如图2-5所示。

图2-5 数控胎架支柱组设计系统图
对数控胎架的控制系统设计，结合上面所提到的对控制系统的基本要求，设计出一种基于PLC可编程逻辑控制器的控制系统。具体方案如图2-6所示。

图2-6 控制系统总体方案示意图
如上图所示，基于PLC可编程逻辑控制器的数控胎架控制系统主要由三部分组成：计算机+人机交互界面部分，基于PLC的逻辑控制支柱升降部分和压力信号采集部分。三者以PLC为中心相互连接在一起。
2.6 胎架控制系统的控制流程
为了使步进电机正常工作，一般将步进电机硬件系统分为四个模块，见图2-7。

图2-7 硬件模块
在本设计当中，使用控制器作为控制中心，通过步进电机驱动器作为脉冲转换装置，驱动器将接受到的脉冲信号转换为电流信号，使得电机运转；使用步进电机控制器作为脉冲发生装置，它能够发出均匀的脉冲信号。根据步进电机工作原理，设计步进电机控制系统见图2-8。

图2-8 步进电机控制系统
2.7 本章小结
本章主要简单介绍了目前造船行业数控胎架的研究背景，随后展示了本课题用到的支柱式通用胎架的三维模型以及内部结构，对控制系统做了简要概述，然后根据控制系统的技术要求，提出了基于PLC可编程逻辑控制器的控制系统总体方案。最后分析了控制系统的控制原理。
第三章 数控胎架控制系统的硬件设计
3.1 步进电动机及其分类
步进电动机是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行件[9]。通过控制脉冲的频率、数目以及电机绕组的通电顺序控制电机的转角、转速及转向。用计算机很容易实现步进电动机的开环数字控制。
步进电动机安工作原理可分为永磁式步进电动机、反应式步进电动机、混合式步进电动机。
（1）永磁式步进电动机的转矩和体积较小，一般为两相，步进角一般为7.5度或15度。 
（2）反应式步进电动机可实现大转矩输出，一般为三相，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。 
（3）混合式步进电动机是指混合了永磁式和反应式的优点，这种步进电动机的应用最为广泛。
3.1.1 步进电动机的选型及其基本参数
本课题所使用的是由南京华兴电机制造有限公司生产的型号为110BYG3501的混合式步进电动机。其基本参数见表3-1。

表3-1 110BYG3501步进电动机的基本参数
项目
参数
型号
110BYG3501
步距角
0.6°
驱动电压（V）
220
相电流（A）
3
保持扭矩（N·M）
11
空载起动频率（步/秒）
1600
空载运行频率（千步/秒）
≥30
转动惯量（kg·cm2）
11.3
相电感（mH）
10.0
相电阻（Ω）
1.9
重量（kg）
8.0
3.1.2 步进电动机驱动器的选型
选用的驱动器为M415B驱动器。该型号驱动器适合驱动中小型的任何1.5A相电流以下的两相或四相混合式步进电动机。PUL为脉冲信号，通过控制脉冲的频率来控制步进电动机的运行速度，DIR为方向控制。通过细分设定来确定步进电动机旋转一圈的脉冲数。
3.1.3 丝杠上升高度与脉冲数之间的关系
由胎架的内部结构可以知道，丝杠是调节胎架型值的核心结构，也是胎架直接与分段船体接触的支撑结构。通过丝杠在竖直方向上的直线运动，可以改变胎架支柱的型值，使其到达所需的工作曲面。而胎架的上下运动由蜗轮蜗杆实现，首先由蜗杆提供动力，带动蜗轮，再通过蜗轮内的螺纹推动丝杠，实现直线运动。蜗轮与丝杠的传动方式是螺纹传动。通过各个零件运动件间的配合关系以及零件的运动参数，可以计算出蜗杆的转速和丝杠上升高度之间的关系。各运动件具体参数如下：
1.蜗轮蜗杆换向组的基本参数见表3-2。

表3-2 蜗轮蜗杆换向组的基本参数
项目
参数
项目
参数
模数m
4mm
传动比i
20
螺旋方向
右旋
蜗杆直径系数q
10
中心距a
100mm
蜗杆分度圆直径
40mm
蜗杆头数
2
导程角r
11.3deg
蜗轮齿数
40
蜗杆压力角α
19.6deg
2.丝杠梯形螺纹的基本参数见表3-3。
表3-3 丝杠梯形螺纹的各项参数
公称直径d
螺距
外螺纹小径
外、内螺纹中径
内螺纹
大径
小径
70mm
10 mm
59 mm
65 mm
71 mm
60 mm
由表3-2可知，胎架所使用的蜗杆为双头蜗杆，所以蜗杆的齿数z1=2，与蜗杆配合的蜗轮的齿数z2=40，根据传动比计算公式：
（3-1）
可知传动比i=20。即蜗杆每转动一周，蜗轮转过两个齿。式中z1表示蜗杆头数，z2表示蜗轮齿数。
由表3-3可知，丝杠梯形螺纹的螺距P=10mm。即蜗轮转动一周，丝杠纵向移动10mm。当蜗杆转过一周，由于蜗轮只转过了两个齿，即转过一周的1/20，所以丝杠纵向移动了0.5mm。由于步进电动机和蜗杆的传动比为1，所以步进电动机转子转过一周，丝杠纵向移动0.5mm。从表3-1中步进电动机的基本参数可知步进电动机的步距角为0.6°，转过一周需要接受600个高速脉冲。所以PLC控制器每发送一个脉冲，丝杠的纵向位移为0.5/600mm。至此得出控制器脉冲数与丝杠位移量之间的线性关系：
（3-2）
式中S（mm）为丝杠纵向位移量，n为控制器发射脉冲数。丝杠的纵向位移方向由脉冲方向决定。由此可见，PLC控制步进电动机，只需要在控制程序中改变发射的脉冲数就可以达到控制步进电动机的转子的角位移量，从而达到线性控制丝杠纵向位移量的目的。
3.2 可编程逻辑控制器（PLC）简介
3.2.1 可编程逻辑控制器（PLC）及其工作原理
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。是一种基于数字技术、继电器控制技术和计算机技术的自动控制设备。PLC的核心是一种专业应用于工业控制的计算机，在硬件结构上基本与微型计算机相同，主要由中央处理单元CPU、存储器、输入输出单元I/O、电源和编程器等几部分组成。其硬件结构如图3-1所示。

图3-1 PLC硬件结构
PLC的工作方式是循环扫描，其扫描过程如图3-2所示。
这个过程包括内部处理、通信操作、输入扫描处理、执行用户程序、输出处理等五个阶段。当PLC的方式开关置于运行（RUN）时，执行所有阶段；当PLC的方式开关置于停止（STOP）时，则直接跳过后三个阶段，此时可进行与上位机的通信操作，对PLC内部控制程序进行编程等。不同的PLC，各步执行的顺序在扫描过程中也各不相同，这取决于PLC内部的系统程序。PLC扫描一次全过程所需的时间称为扫描周期。
1.内部处理
CPU检查主机硬件，检查所有的输入输出模块等，在运行模式下，还要检查用户程序存储器。如果发现异常，则停止并显示错误。
2.通信操作
在CPU扫描周期的通信阶段，CPU对各通信端口接收到的信息进行检查和处理，然后完成通信任务。
3.输入扫描处理
在这个阶段，PLC按顺序读取输入端子的所有通断状态，并将这些读入的信息存入输入映像存储器。
4.执行用户程序
PLC中的用户程序是按顺序存放的。在这个阶段，CPU从PLC用户程序第一条指令开始顺序读取并执行，直到最后一条指令结束。在执行指令时，首先将各个输入端子的状态从输入映像寄存器中进行读取，执行对各数据进行算术运算或者逻辑运算的命令，然后在输出映像寄存器中保存运算后的结果。
5.输出处理
执行完用户程序后，输出映像寄存器中的状态被存储至输出锁存器中，然后对输出点进行集中刷新，通过驱动功率放大器，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

图3-2 PLC的扫描过程
3.2.2 PLC的选型确定及其特点
结合第二章对控制系统的要求，本课题选用型号为FX3U-64MT的PLC控制器。该PLC是三菱电机公司生产的第三代微型可编程控制器。相比较前几代的产品，该产品在性能方面有了很大的提升：
（1）FX3U系列PLC的高速脉冲输出端口由两个增加到了三个FX1S/FX1N/FX2N系列的高速脉冲输出端口只有两个，分别是Y0和Y1，在FX3U系列上，高速脉冲输出端口分别为Y0，Y1和Y2，频率为100Hz。
（2）FX3U系列还增加了定位指令。FX3U除了之前的FX系列的定位指令ABS/ZRN/PLSV/DRVI/DRVA外，还增加了TBL（表格定位），DVIT（中断定位），DSZR（带DOG搜索的原点回归）等指令。
3.2.3 PLC驱动步进电动机
PLC控制步进电动机的控制方式如图3-3。

图3-3 PLC直接驱动步进电动机
控制程序对步进电动机各相绕组的通电顺序进行高速脉冲分配，从而控制接到步进电动机三相绕组电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电动机转动。当步进电动机各相绕组的通电顺序按：A—AB—B—BC—C—CA—A导通、断开时，步进电动机正转。按A—AC—C—CB—B—BA—A依次导通、断开时，步进电动机反转。
3.2.4 PLC使用环境中需要注意的问题
（1）温度不宜过高：PLC使用环境要求温度一般设定在0℃～55℃，使用时不应安装在发热量很大的元件周围，并且四周通风散热的空间要足够大。
（2）湿度合适：一般空气的相对湿度应小于85%才能保证PLC的绝缘性能。
（3）避免震动：PLC作为电子设备，应尽量避免频繁或连续振动（频率为10Hz～55Hz）。如果使用环境存在不可避免的震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。
（4）空气：PLC在使用中应避免有腐蚀性和易燃性的气体，如HCl、H2S等。当环境中有不可避免的腐蚀性气体时，可将PLC安装在密封性较好的控制室或控制柜中。 
（5）电源：电源线也会对PLC的使用造成一定的干扰。若要在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中使用PLC，可以安装一台隔离变压器，屏蔽电源对PLC的点信号干扰，以减少设备与地之间的干扰。
3.3 压力传感器的选型确定及基本参数
在数控胎架的控制系统中，对每个支柱所受的压力的采集是PLC控制系统的核心。PLC控制系统的精度取决于压力传感器的精度和测量速度，而支柱高度是后续判断钢板成型的重要指标，因此安装在支柱顶端的压力传感器不宜过大，故选用小型工业压缩称重传感器，该压力传感器具有优越的抗扭、抗测、抗偏载能力。其具体参数见表3-4。
表3-4 选用压力传感器的规格参数表
规格类别
参数
称重范围
0～500kg
输出电流
4～20mA
防护等级
IP54
3.4 FX2n-4AD特殊模块
FX2n-4AD是一款适用于FX2n/FX3u系列PLC的模拟量输入模块，共有四个模拟量采集通道（Ch1～Ch4），每个通道都可以进行模数转换（12位分辩率）。参数如表3-5所示。
表3-5 FX2n-4AD特殊模块额定参数
项目
电流输入
模拟输入范围
-20mA～20mA
数字输出
12位转换结果以16位二进制保存
最大值：+2047，最小值：-2048
分辨率
20μA
（1）压力传感器输入输出关系计算
由表3-4可知，所选用的称重传感器的测量量程为0～500kg，输出电流为4～20mA，所以压力值与传感器输出电流的关系为：
（3-3）
式中：I为压力传感器的输出电流值；
m为压力传感器测量值。
线性关系如图3-4所示。

图3-4 压力传感器输入输出线性关系曲线
（2）FX2n-4AD特殊模块输入输出关系计算
由FX2n-4AD编程手册可知，输入输出线性关系如图3-5所示。

图3-5 FX2n-4AD模块输入输出线性关系曲线
由图3-5经计算得到线性关系式：
（3-4）
式中：X表示特殊模块转换后的十进制数字量；
I表示压力传感器的电流输出模拟量。
3-3，3-4两式联立，求得压力检测值与转换模块转换后的十进制数字量的关系：
（3-5）
根据公式3-5可以计算出压力值和数字项之间的关系。方便在后续通讯编写时的压力换算。
3.5 本章小结
本章针对控制系统的基本要求，对控制系统硬件平台进行选型和搭建。首先确定步进电动机的型号，介绍步进电动机的分类和工作原理。然后介绍PLC逻辑控制器的工作原理以及在使用过程中需要注意的问题。对PLC控制过程中信号干扰来源进行分析。随后对步进电动机驱动器、压力传感器和PLC模数转换模块做了具体参数说明。最后计算出压力检测数值与FX2n-4AD特殊模块转换出的十进制数字量的线性关系式，方便后续压力值的设定。
第四章 数控胎架控制系统设计
数字支撑平台系统软件是整个支柱式胎架组和压力检测的控制大脑。船体外板在支柱式胎架组上的加工精确度和效率直接取决于系统软件的性能。系统软件需要保证系统实时性和可靠性的基础上极大程度上发挥出数字支撑平台的硬件性能。
在智能支撑检测平台的软件设计中，涉及到数控支柱组PLC可编程逻辑控制器的软件设计，控制器与上位机通讯设计，本章将在结合平台软件功能需求的基础上，对以上两方面具体实现过程进行详细介绍。
4.1 GX Developer软件介绍
PLC的控制程序通过GX Developer软件进行开发设计。如图4-1。

图4-1 GX Developer编程软件开发环境

GX Developer软件是由三菱公司开发的PLC编程软件。软件适用于三菱全系列可编程控制器。编程支持多种语言（梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言）。支持程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序的功能。
GX Developer编程软件具有以下特点：
1. 软件的通用化
GX Developer能够对三菱Q系列，QnA系列，A系列,FX系列的程序进行编程,还能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。
2. 能够简单设定和其他站点的链接
3. 与计算机通讯方式多样化
(1) 由串行通讯口连接
(2) 由USB接口连接
(3) 由MELSECNET计算机插板连接
(4) 由CC-Link计算机插板连接
(5) 由Ethernet计算机插板连接
(6) 由CPU计算机插板连接
(7) 由AF计算机插板连接
4. 强大的调试功能
4.2 外部接线图
FX3u-64MT的外部接线图如图4-2。

图 4-2 FX3u-64MT的外部接线图
（注）图中仅展示了连接一个步进电动机驱动器和压力传感器的接线图。
4.3 I/O输入输出点地址分配
输入点地址分配如表4-1所示。
表4-1 输入点地址分配表
对应输入设备
输入地址
对应输入设备
输入地址
电源按钮
X000
2号胎架反转按钮
X011