滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件部分論文

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 1 - 頁 共 -35- 頁 目次 1 緒論 . 3 1.1概述 . 3 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況及趨勢 . 3 1.3本課題研究的意義 . 5 1.4 本課題擬采用的方法 . 5 1.5本課題的主要內(nèi)容 . 5 2 滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 7 2.1檢測平臺(tái)總體設(shè)計(jì)概要 . 7 2.1.1檢測平臺(tái)及分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介 . 8 2.1.2檢測平臺(tái)及分料機(jī)構(gòu)控制要求 . 9 2.2控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 10 2.2.1概述 . 10 2.2.2控制系統(tǒng)的總體方案設(shè) 計(jì) . 11 3 控制系統(tǒng)的硬件選型及分析 . 13 3.1概述 . 13 3.1.1 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)部分 . 13 3.1.2 狀態(tài)檢測及報(bào)警設(shè)計(jì) . 13 3.2步進(jìn)電機(jī)選型及布置 . 14 3.2.1步進(jìn)電機(jī)步距角的分析 . 14 3.2.2步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的分析估算 . 15 3.2.3負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩的估算 . 16 3.2.4選型 . 18 3.3接近開關(guān) . 19 3.4電磁鐵的選型 . 20 3.4.1彈簧預(yù)緊力的分析估算 . 20 3.4.2選型 . 21 3.5 PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型 . 21 3.5.1 PLC的選型 . 21 3.5.2 PLC的 I/O 點(diǎn)分配 . 22 3.5.3 PLC與工控機(jī)的通信協(xié)議 . 25 3.5.4驅(qū)動(dòng)器的選擇 . 27 3.6控制系統(tǒng)硬件總體連接圖 . 28 4.控制系統(tǒng)軟件簡介 . 29 4.1 概述 . 29 4.2軟件的功能 . 29 4.3軟件的實(shí)現(xiàn)方法 . 30 4.4軟件流程圖 . 30 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 2 - 頁 共 -35- 頁 5 全文總結(jié) . 32 致 謝 . 34 參考文獻(xiàn) . 35 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 3 - 頁 共 -35- 頁 1 緒論 1.1 概述 滑塊是空氣調(diào)節(jié)器中的一個(gè)關(guān)鍵性部件， 其加工要求的平行度、垂直度和尺寸精度都很高，滑塊的加工質(zhì)量、 幾何尺寸、形位公差、表面粗糙度等 會(huì)嚴(yán)重影響空氣調(diào)節(jié)器的性能指數(shù)， 圖 1-1所示為滑塊外形圖。 圖 1-1 隨著空氣調(diào)節(jié)器的發(fā)展，滑塊的需求量越來越大，對(duì) 其精度要求越來越高，而目前，滑塊厚度的檢測仍然依靠手工操作。工作人員利用測量工具對(duì)滑塊進(jìn)行測量，然后對(duì)滑塊是否合格進(jìn)行估計(jì)分類。這種方法 存在檢測速度慢（一個(gè)工人一個(gè)班次只能檢測幾百塊），效率低，人為因素影響大的問題， 嚴(yán)重制約了滑塊的生產(chǎn)效率，而且容易受主觀因素影響，無法得到精確的數(shù)據(jù)。 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求生產(chǎn)向著快速、靈活、高質(zhì)量、大批量的自動(dòng)化方向發(fā)展，與此同時(shí)，產(chǎn)品檢測能否跟得上生產(chǎn)的速度就決定了工廠效益的高低，尤其是對(duì)大批量生產(chǎn)的重要元件的檢測，靠人工檢測費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。因此，如果能有一條自動(dòng)檢測生產(chǎn)線來 取代原來的手工操作，就顯得非常必要。因此， 由寧波市科技局提出、南京理工大學(xué)承擔(dān)研制一套自動(dòng)化程度高、檢測效率高的滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)。該系統(tǒng)可以達(dá)到自動(dòng)檢測滑塊的尺寸，以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省大量的人力、財(cái)力、物力，并提高檢測的正確率，使產(chǎn)量與檢測同步，以提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況及趨勢 成件物品分揀是將眾多的不同物品，迅速地按其要求分送到眾多目的地的一 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 4 - 頁 共 -35- 頁 種物料搬運(yùn)過程。過去，成件物品分揀一般用人力和借助簡單機(jī)械來進(jìn)行，其主要缺點(diǎn)是勞動(dòng)量大，效力低，差錯(cuò)率高。 隨著生產(chǎn)及商業(yè)連鎖經(jīng)營模 式的發(fā)展和商品品種的激烈增多，目前物品分揀系統(tǒng)已成為各種行業(yè)，如郵政、醫(yī)藥、煙草、圖書等末端配送中心的重要設(shè)施，也是物料搬運(yùn)自動(dòng)化的一個(gè)重要分支。 雙向滑塊分揀系統(tǒng)主要由前處理設(shè)備、雙向推塊分揀主機(jī)、后處理設(shè)備、控制裝置及電腦管理等四部分組成。 1.前處理設(shè)備包括雙向滑塊分揀機(jī)之前向雙向滑塊分揀機(jī)輸送物品的進(jìn)給臺(tái)及其他輔助性輸送機(jī)和作業(yè)臺(tái)等。進(jìn)給臺(tái)的功能主要有兩個(gè)：一是操作人員利用輸入裝置或條碼識(shí)別裝置將各個(gè)分揀物品的尺寸、目的地址送入資訊處理系統(tǒng)，然后經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換為確定推塊方向、位置、數(shù)量和驅(qū)動(dòng)分岔機(jī)構(gòu)等 一系列指令；另一個(gè)是控制分揀物品進(jìn)入分揀主機(jī)的時(shí)間和速度，使進(jìn)入分揀主機(jī)的物件與分配好的推塊同步，確保和物件準(zhǔn)確分揀。其他輔助性輸送機(jī)則是向進(jìn)給臺(tái)輸送分揀物品，可根據(jù)分揀系統(tǒng)現(xiàn)場的要求和條件來設(shè)置。 2.雙向推塊分揀主機(jī)是系統(tǒng)的核心設(shè)備，由板式輸送機(jī)、推塊、道岔等關(guān)鍵部件組成，根據(jù)控制裝置的指令、通過滑塊將分揀物品分揀到相應(yīng)的下線格口。 3.后處理設(shè)備一般指設(shè)置在雙向滑塊分揀主機(jī)兩側(cè)的下線格口，其功能是暫存經(jīng)分揀的物件。下線格口有多種類型和表式，如：有動(dòng)力和無動(dòng)力、滑槽和排輪結(jié)構(gòu)等，以適應(yīng)不同需求，線格口一 般設(shè)有預(yù)滿格及滿格聲光提示功能。格滿后，由人工收集和裝車發(fā)運(yùn)，也有直接將伸縮式輸送機(jī)或其他輸送機(jī)連接下線格口組成后處理系統(tǒng)，以提高分揀效率。 4.控制裝置及電腦管理是對(duì)物品分揀資訊和處理，給系統(tǒng)設(shè)備各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作指令，使物品迅速、準(zhǔn)確地在預(yù)定的分揀口進(jìn)入目的地，完成對(duì)物品的分揀搬運(yùn)處理。電腦管理主要是對(duì)系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)行的資料進(jìn)行記錄、監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)，相關(guān)生產(chǎn)資料、技術(shù)資料、各類報(bào)表等的整理和列印，并能與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路管理。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 5 - 頁 共 -35- 頁 1.3 本課題研究的意義 本課題意在研制出一套滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)系統(tǒng)，利用系統(tǒng) 的自動(dòng)檢測功能，來取代原有的人工檢測，以達(dá)到減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率的目的?；瑝K自動(dòng)檢測裝置的應(yīng)用，將有效地提高企業(yè)的自動(dòng)化水平，在提高了測量精度的基礎(chǔ)上，極大 地 提高工廠的生產(chǎn)檢測效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力，可以產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，此檢測裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，具有極高的實(shí)用價(jià)值與推廣價(jià)值，有著重要的意義 。 1.4 本課題擬采用的方法 隨著科技的不斷發(fā)展，檢測自動(dòng)化已成為一種提高效率、提高檢測結(jié)果精確性的重要途徑。 傳統(tǒng)的滑塊檢測主要依靠工人手工打表的方式，對(duì)滑塊是否合格進(jìn)行檢驗(yàn)。人工檢測存在檢測速度 慢、效率低下、人為因素影響大等問題。因此，滑塊的自動(dòng)化檢測成為必然。本課題中 滑塊的傳送、分料、滑塊厚度的檢測等動(dòng)作全部由系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化檢測，這不僅能夠大大提高測試效率，還能減少工作人員的主觀因素對(duì)測試結(jié)果精確性的影響。要 達(dá)到滑塊厚度尺寸的自動(dòng)檢測的目的，本系統(tǒng)主要采用的是流水線式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)軌中完成滑塊的運(yùn)行及其翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，并在完成綜合檢測后自動(dòng)分料，導(dǎo)軌用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)雙面同步齒形帶傳動(dòng)，分料機(jī)構(gòu)部分用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，電磁鐵得失電來實(shí)現(xiàn)；采用可編程序控制器（ PLC）作為系統(tǒng)的控制核心，通過串行通訊與工控機(jī)組 成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊檢測、分料過程的實(shí)時(shí)監(jiān)視和自動(dòng)控制。 1.5 本課題的主要內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容如下： 第一章緒論部分介紹了滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)的研制原因、目的、作用以及國內(nèi)外在該課題方面的發(fā)展概況及趨勢，并闡述了本課題研究的方法、手段及意義。 第二章介紹了滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，闡述了滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)系統(tǒng)的要求、系統(tǒng)組成、各組成部分的功能以及控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 6 - 頁 共 -35- 頁 第三章介紹了控制系統(tǒng)硬件部分的選型及分析，其中詳細(xì)介紹了對(duì)步進(jìn)電機(jī)、感應(yīng)開關(guān)、電磁鐵、 PLC和驅(qū)動(dòng)元件的選擇，對(duì) PLC的 輸出輸入口的分配及PLC與工控機(jī)的通信協(xié)議做了介紹，最后生成控制系統(tǒng)硬件接線圖和電路圖。 第四章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)簡介，對(duì)軟件的要求、功能、實(shí)現(xiàn)方法及流程圖做了簡單的介紹。 第五章全文總結(jié)中介紹了本人通過在本課題中工作所得收獲，以及在工作中發(fā)現(xiàn)的不足、有待解決的問題等。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 7 - 頁 共 35 頁 2 滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 檢測平臺(tái)總體設(shè)計(jì)概要 根據(jù) 協(xié)議要求 ，該滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求： 1、 檢測速度為每個(gè)平臺(tái) 2萬塊 /天，流水式，帶傳動(dòng)； 2、 分別以滑塊的兩個(gè)面為定位基準(zhǔn)，測出兩組數(shù)據(jù)； 3、 電機(jī)要正 反轉(zhuǎn)且要旋轉(zhuǎn)所需要的相應(yīng)的正確的角度； 4、 能夠自動(dòng)處理檢測數(shù)據(jù)，并按照要求把其分成七類，從七個(gè)不同的出口滑出； 5、 系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)能力，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和設(shè)計(jì)滑塊堆積感應(yīng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊隊(duì)列的檢測，充分保證滑塊的隊(duì)列有序可靠通過，并且即使出現(xiàn)滑塊卡位、不能完成正確分類，也不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或誤分類等現(xiàn)象。 據(jù)此，滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)思想為：采用傳感器進(jìn)行測量，測量的分辨率高，能保證所需要的測試精度；各個(gè)測試數(shù)據(jù)點(diǎn)獨(dú)立測量，流水式進(jìn)行，以保證測量的效率；利用數(shù)采卡采集數(shù)據(jù)，并計(jì)算各個(gè)指 標(biāo)，以綜合判斷該滑塊合格與否，并進(jìn)行分組。 滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分成三大功能單元，即傳送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和自動(dòng)分料系統(tǒng)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 2-1所示。 圖 2-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 此外， 為滿足安裝和使用的方便，在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中作了如下幾點(diǎn)考慮： 1、 為避免因摩擦產(chǎn)生的影響，在設(shè)計(jì)傳送帶時(shí)，我們采用組合式的滑塊夾具，即在外滑塊夾具內(nèi) 配上圓形的與滑塊相配的內(nèi)夾具，盡量減少滑塊與導(dǎo)軌的摩擦，PC/PPI 控制信號(hào) 分類控制信號(hào) 位控信息 傳動(dòng)控制 傳感器信號(hào) 傳動(dòng)測量機(jī)構(gòu) 工 控 機(jī) RS-232 PLC RS485 分類控制系統(tǒng) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 8 - 頁 共 35 頁 且要有滑塊保護(hù)罩； 2、 由于滑塊合格產(chǎn)品占多數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)，把中間一個(gè)出口作為合格產(chǎn)品的出口，考慮到 要盡可能地減少步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在出料口左右兩邊各設(shè)三個(gè)分料出口； 3、 為使傳送帶具有良好的穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)壓帶輪部件，以壓帶輪彈簧的彈性減弱外部環(huán)境引起的震動(dòng)； 4、 在設(shè)計(jì) 測 頭夾具時(shí)，要考慮到如何保護(hù)傳感器探頭 及有效夾緊 。 2.1.1 檢測平臺(tái)及分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介 自動(dòng)檢測平臺(tái)由測量平臺(tái)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。測量平臺(tái)是滑塊幾何量測量的基準(zhǔn)，其精度遠(yuǎn)高于滑塊的精度。檢測平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)滑塊的平穩(wěn)傳送，避免震動(dòng)引起附加的測量誤差，另外 檢測平臺(tái)應(yīng)該具備較高的精度、可靠性和穩(wěn)定性，在工作中能給出精確數(shù)據(jù)的同時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)崩 潰的情況。檢測平臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖 2-2所示。 圖 2-2檢測平臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在滑塊厚度檢測結(jié)束后，要根據(jù)不同結(jié)果把它們分成七類。這七類分別為： 1）滑塊厚度合格、平行差合格； 2）滑塊厚度合格、平行差超差； 3）滑塊厚度超上限、平行差合格； 4）滑塊厚度超上限、平行差超差； 5）滑塊厚度超下限、平行差合格；6）滑塊厚度超下限、平行差超差； 7）備用出口。 這就涉及到了如何在規(guī)定的時(shí)間（ 2秒鐘）內(nèi)正確無誤地 完成自動(dòng)分類。 因此，我們用一個(gè)分料裝置來實(shí)現(xiàn)所有類型滑塊的分類是比較理想的。 該套裝置 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 9 - 頁 共 35 頁 共設(shè) 7個(gè)分料口 ， 按厚度和平行差工藝 進(jìn)行分組， 把中間一個(gè)出口作為合格產(chǎn)品的出口，再考慮到盡可能減少步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)過角度，在出料口左右兩邊各設(shè)三個(gè)分料出口，當(dāng)滑塊滑到相對(duì)應(yīng)的出料口時(shí)，由電磁鐵 失電 將滑塊推出，以實(shí)現(xiàn)分類。這樣，就形成了本課題中的分料口設(shè)計(jì)。 自動(dòng)分料系統(tǒng)主要包括：轉(zhuǎn)盤、滑塊吸收座、電磁鐵、電動(dòng)機(jī)、減速器、安裝座、出料導(dǎo)軌等裝置。在分類的過程中， PLC 通過對(duì)安裝在系統(tǒng)中的感應(yīng)開關(guān)來判斷分類過程中的各種狀態(tài)。如：滑塊到達(dá)、定位信號(hào)、分類完成等等。如果發(fā)現(xiàn)非正常狀態(tài)，則向工控機(jī)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)告知工作人員，以方便排除故障。分料機(jī)構(gòu)簡圖 如圖2-3所示。 圖 2-3 分料機(jī)構(gòu)示意圖 2.1.2 檢測平臺(tái)及分料機(jī)構(gòu)控制要求 滑塊由進(jìn)料口進(jìn)入自動(dòng)化檢測流水線，在測量過程中，相對(duì)于工作臺(tái)以速度 V作滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為保證傳送過程中的平穩(wěn)性，避免傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的震動(dòng)引入附加的測量誤差，造成測量結(jié)果的失真。傳動(dòng)測量機(jī)構(gòu)采用同步帶傳送，在測量傳感器前加了壓緊裝置，從而大大減少了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)測量過程的影響?；瑝K的每一表面要測量兩條對(duì)角線上共五個(gè)點(diǎn)（中心交叉處可看作一個(gè)）。因此 ,滑塊在運(yùn)動(dòng)過程中要旋轉(zhuǎn) 90 度，翻轉(zhuǎn) 180度。通過在測量平臺(tái)上刻畫合適的曲線使滑塊能夠按照預(yù)先 設(shè)定的軌跡作適當(dāng)?shù)慕嵌刃D(zhuǎn)?；瑝K的 180 度翻轉(zhuǎn)，則通過設(shè)計(jì)流水線的空間結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。傳動(dòng)平臺(tái)示意圖如圖 2-4所示，系統(tǒng)安裝有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī) 1控制同步帶的傳動(dòng)，電機(jī) 2控制分料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。 分類機(jī)構(gòu)由 PLC 依據(jù)接收到的分類信息控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，將滑塊分 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 10 - 頁 共 35 頁 類出去。 PLC對(duì)分類電機(jī)的控制是通過 PTO（高速脈沖串輸出）的方式。 PTO方式中，可輸出多個(gè)脈沖串，并允許脈沖串排隊(duì)，以形成管線。依據(jù)管線的實(shí)現(xiàn)方式分為單段管線和多段管線。本系統(tǒng)中采用多段管線的方式，通過在變量存儲(chǔ)區(qū)建立包絡(luò)表的方式，控制輸出脈沖的 周期和脈沖數(shù)，從而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度精確控制的目的。然后由電磁鐵失電將滑塊推出到對(duì)應(yīng)的出口。分類結(jié)束后步進(jìn)電機(jī)復(fù)位回到起始狀態(tài)，等待下一個(gè)滑塊的到來。 圖 2-4 傳動(dòng)平臺(tái)示意圖 如圖 2-4所示，滑塊隨傳送帶運(yùn)動(dòng)到下面的測量平臺(tái)時(shí)，剛好翻轉(zhuǎn)了 180度。 在分類的過程中， PLC 通過對(duì)安裝在系統(tǒng)中的感應(yīng)開關(guān)來判斷分類過程中的各種狀態(tài)。如：滑塊到達(dá)、定位信號(hào)、分類完成等等。如果發(fā)現(xiàn)非正常狀態(tài)，則向工控機(jī)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)告知工作人員，以方便排除故障。 2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.2.1 概述 控制系統(tǒng)的作用是保證所有結(jié)構(gòu)能嚴(yán)格按照預(yù)定的順序，協(xié)調(diào)地、有節(jié)奏地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和停止運(yùn)動(dòng)，是工作循環(huán)得以周而復(fù)始地進(jìn)行。控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)率和工作可靠性影響很大，因此，要求控制準(zhǔn)確、靈敏、可靠、耐用和調(diào)整方便。 滑塊厚度綜合檢測平臺(tái)控制系統(tǒng)是基于工控機(jī) -PLC 模式構(gòu)成的一個(gè)集散控制系統(tǒng)。工控機(jī)作為監(jiān)控管理層實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理工作，并且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制和調(diào)度。 PLC 作為控制執(zhí)行層，完成局部的控制工作。工控機(jī)把管理決策、控制任務(wù)、控制參數(shù)和調(diào)度命令通過通信電纜傳送給控制層 PLC， PLC 也要通過 電纜把控制過程的參數(shù)、控制進(jìn)程和控制數(shù)據(jù)傳送給管理層。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 11 - 頁 共 35 頁 PLC 與工控機(jī)通過通信口進(jìn)行通信，工控機(jī)讀取 PLC 的通行口識(shí)別整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并在工控機(jī)上有所顯示。通過軟件控制各個(gè)控制部件的運(yùn)行。控制軟件主要完成初始參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)顯示、容錯(cuò)檢測和故障檢測報(bào)警等功能。當(dāng) PLC得到工控機(jī)的分類信號(hào)后，輸出相應(yīng)脈沖，從而達(dá)到設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)距離（旋轉(zhuǎn)角度）、速度、方向等參數(shù)的目的。 控制系統(tǒng)應(yīng)完成的功能有： （ 1）確保完成滑塊在流水線上的穩(wěn)定傳送，保證滑塊按進(jìn)入系統(tǒng)的先后形成的隊(duì)列傳送，并且要充分保證隊(duì)列的有序 性和完整性； （ 2）確保完成滑塊的正確分類。電機(jī)需要旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的正確的角度以控制各部件按照預(yù)定的軌跡、動(dòng)作把滑塊從進(jìn)入滑道到正確分類出去； （ 3）前級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度不應(yīng)快于后級(jí)分類機(jī)構(gòu)，且至少應(yīng)保證在分類機(jī)構(gòu)沒有完成分類時(shí)，沒有滑塊進(jìn)入分類機(jī)構(gòu)； （ 4）保證分類機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)復(fù)位，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)失步時(shí)，分類機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)復(fù)位； （ 5）當(dāng)多有于一個(gè)滑塊進(jìn)入分類機(jī)構(gòu)時(shí)，要告知工作人員系統(tǒng)故障，同時(shí)，能判斷分類電機(jī)的工作是否正常，輸出角位移是否正確； （ 6）控制系統(tǒng)應(yīng)具有一定的容錯(cuò)能力。當(dāng)出現(xiàn)一般性錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)能夠自我修復(fù) ，不影響系統(tǒng)的正常工作，即使是出現(xiàn)滑塊卡位、不能完成正確分類也不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或誤分類現(xiàn)象等。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)明確指出錯(cuò)誤來自哪個(gè)方位，即使不能指明錯(cuò)誤來源，也能檢測到流水線的某個(gè)大致位置，以方便維護(hù)，及時(shí)排除故障。 該控制系統(tǒng)是以 PLC為控制核心，通過與工控機(jī)的通信，執(zhí)行工控機(jī)的命令。在工控機(jī)與 PLC接口時(shí)，由于 PLC采用的是 RS-485標(biāo)準(zhǔn)與工控機(jī) RS-232標(biāo)準(zhǔn)不兼容，必須通過 PC/PPI 電纜進(jìn)行轉(zhuǎn)接。工控機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的管理者，控制測量傳感器測量流水線上滑塊的幾何參量，并通過計(jì)算得出滑塊分類信息。 PLC 是整個(gè)系統(tǒng)的控制執(zhí)行核心，主要完成系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制、狀態(tài)檢測、命令執(zhí)行等功能。 PLC 通過接收工控機(jī)的分類信息和控制信息控制分類機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。 2.2.2 控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)主要包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、 PLC、數(shù)采卡、傳感器探頭、位置檢測傳感器和各控制及執(zhí)行元件等，結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2-5所示 。各部分在本監(jiān)控系統(tǒng)中的功能介紹如下： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 12 - 頁 共 35 頁 1. 工控機(jī) 作為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控、調(diào)度中心，通過 PLC 間接地控制、監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)； 2. PLC 作為系統(tǒng)的控制核心，直接完成對(duì)各部件動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制以及各運(yùn)動(dòng)位置檢 測； 3. 檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)采卡和工控機(jī)等組成，通過對(duì)滑塊的幾何量的測量、計(jì)算，作為分類產(chǎn)品判斷的依據(jù)； 4. 位置檢測傳感器和各控制及執(zhí)行元件 主要完成對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的檢測以及各部件動(dòng)作的協(xié)調(diào)執(zhí)行。 PLC 與工控機(jī)通過通信口進(jìn)行通信，工控機(jī)讀取 PLC 的通信口以識(shí)別整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并在工控機(jī)的控制軟件上顯示，通過軟件控制各部件的運(yùn)行?？刂栖浖饕瓿沙跏紖?shù)設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)顯示、容錯(cuò)檢測和故障檢測報(bào)警等功能。 傳感器頭 各控制元件 （驅(qū)動(dòng)器） 數(shù)采卡 PLC 工控機(jī) 位置檢測傳感器 各執(zhí)行元件 （步進(jìn)電機(jī)、電磁 鐵等） PC/PPI RS-485 圖 2-5 監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 13 - 頁 共 35 頁 3 控制系統(tǒng)的硬件選型及分析 3.1 概述 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)傳感器、步 進(jìn)電機(jī)、電磁鐵等元器件的選擇，對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)元件的選擇以及對(duì)人機(jī)聯(lián)系方式的選擇，最后生成控制系統(tǒng)原理圖和接線圖。系統(tǒng)所選用的傳感器要有較高的靈敏度和較大的信噪比，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。 就硬件而言，系統(tǒng)所用元器件質(zhì)量的優(yōu)劣和結(jié)構(gòu)工藝是影響可靠性的重要因素，故應(yīng)合理地選擇元、器件，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)元、器件的負(fù)載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術(shù)參數(shù)應(yīng)留有一定的安全量，并對(duì)元、器件進(jìn)行老化和篩選。所選用的元、器件在滿足技術(shù)要求的前提下應(yīng)盡可能選擇價(jià)格低的元、器件，且元、器件的工作溫度環(huán)境應(yīng)大于所使用環(huán)境 的溫度變化范圍，系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配。 本控制系統(tǒng)主要是由以 PLC為中心的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、通信部分、狀態(tài)檢測部分和報(bào)警部分組成。 控制系統(tǒng)硬件采用微機(jī) -PLC 模式，工控機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成檢測、控制處理檢測過程中的各種問題和提供人機(jī)交互的界面； PLC 是地層的控制執(zhí)行核心，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種控制命令。它們之間的接口就是通信協(xié)議。 3.1.1 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)部分 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將 PLC 輸出的電脈沖轉(zhuǎn)換成與電脈沖成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。前級(jí)傳動(dòng)部分步進(jìn)電機(jī)主要完成流水線的速度控制， 后級(jí)分類機(jī)構(gòu)則要精確控制步進(jìn)電機(jī)的輸出角位移和方向。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，可在后級(jí)增加光電編碼器對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出相位做出控制，以確保與實(shí)際的輸出相位一致。后級(jí)分類電機(jī)采用正反轉(zhuǎn)定位的方式，以消除電機(jī)的累計(jì)誤差，保證電動(dòng)機(jī)每次都從零位置起輸出一定的角度。 3.1.2 狀態(tài)檢測及報(bào)警設(shè)計(jì) 通過安裝在系統(tǒng)各個(gè)位置的感應(yīng)開關(guān)判斷系統(tǒng)運(yùn)行過程中的狀態(tài)，是否與已設(shè)定的狀態(tài)一致。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出警報(bào)。報(bào)警方式設(shè)計(jì)為聲光報(bào)警的方式，依據(jù)錯(cuò)誤的嚴(yán)重性而不同。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 14 - 頁 共 35 頁 3.2 步進(jìn)電機(jī)選型及布置 檢測平臺(tái)前級(jí)傳送系統(tǒng) 需要電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)動(dòng)速度不能太快，以免造成滑塊的堆積?？紤]到電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及失步問題，因此我們選擇步進(jìn)電機(jī)，且直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TS（ 1.1 1.2） TL ，起動(dòng)電流 IS（ 2 2.5） IN，機(jī)械特性硬，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，而步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，控制方便， 加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn) ， 使得在速度、位置等控 制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單 ，因此我們選擇步進(jìn)電機(jī) 做系統(tǒng)的前級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的起動(dòng)電機(jī)。 后級(jí)分料機(jī)構(gòu)中要將滑塊正確的分類到對(duì)應(yīng)的出口，需要電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的正確的角度，直流電機(jī)不易調(diào)速，且若平滑調(diào)速，需采用大量的接觸器和繼電器，而系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求很高，步進(jìn)電機(jī)的步距角不受電氣、負(fù)載和環(huán)境條件的影響，具有啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)容易控制等優(yōu)點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)直接控制，因此我們選用步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī) 是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與輸入的脈沖總數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率成正比。 在本設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)的選型主要考慮以下幾 點(diǎn)： 1. 要有足夠小的步距角，滿足精度要求； 2. 提供足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩； 3. 提供足夠大保持轉(zhuǎn)矩和靜轉(zhuǎn)矩； 在本裝置中，步進(jìn)電機(jī)的主要作用是在給定頻率的數(shù)字脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng) V形帶、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊傳送和分類。而要可靠有效地完成上述功能，必須考慮步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的脈沖頻率與所帶負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系。 3.2.1 步進(jìn)電機(jī)步距角的分析 對(duì)于使用步距角定位的系統(tǒng)，步距角大小的選擇直接影響到負(fù)載的定位精度，步距角的精度通常用步距角的百分比來衡量， 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步 距 角的 3-5%， 且不累積 。 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 15 - 頁 共 35 頁 目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36 度 /0.72度（五相電機(jī)）、 0.9度 /1.8度（ 二、四 相電機(jī)） 1.5度 /3度（ 三 相電機(jī)） 等。 步進(jìn)電機(jī)的步距角是由轉(zhuǎn)子齒數(shù)、定子相數(shù)和通電方式所決定的，即： b=kmCZ360其中 m 為相數(shù)， C 為狀態(tài)系數(shù)，采用單、雙拍通電方式時(shí) C=2，采用單拍或雙拍通電方式時(shí) C=1。步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，定位精度越高，故應(yīng)選擇盡可能小的步距角。 3.2.2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的分析估算 電機(jī)轉(zhuǎn)速有如下兩個(gè)換算公式： 1 = （ 180/ ）； 1 r/m =60 /s = /30 /s 本課題中，需在 2s 3s 間完成滑塊的分類，最大的分類角度約為 maxi=90。假設(shè)：當(dāng)分類角度約為 30 時(shí)， 電機(jī)通過直線加速后剛好達(dá)到穩(wěn)定頻率就減速，恰好停止在準(zhǔn)確位置。則 設(shè)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過 30所需時(shí)間為 t1，則其轉(zhuǎn)過 90所需時(shí)間為 t2： 則： t2=1s 1.5s t1= t2/2=0.5s 0.75s。 即：電動(dòng)機(jī)起步時(shí)，分料轉(zhuǎn)盤在 0.25s 內(nèi)轉(zhuǎn)過 15。 所以，在加速啟動(dòng)階段內(nèi)，轉(zhuǎn)盤平均角速度 （ /s）和平均轉(zhuǎn)速 n （ r/m）分別約為： = 1/ t1 =30/（ 0.5 0.75） =40 60 /s =2/9 /s /3 /s n =30 / =7 r/m 10 r/m 加速時(shí)間 t(s)約為： t=0.25s 0.375s 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 16 - 頁 共 35 頁 角加速度 ( /s2)約為： =2 /t =（ 2/9 /3 ） 2 /（ 0.25 0.375） =16 /9 /s2 在電動(dòng)機(jī)正常勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)速 n 為： n=2n =14 r/m 20 r/m 顯然，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速太低， 可通過減速裝置 提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其 工作 在較合適期間 ，初步設(shè)減速器傳動(dòng)比 i =1:5 則電機(jī)轉(zhuǎn)速 n（ r/m）約為： n =n /i =(14 20)5 =70 r/m 100 r/m 電機(jī)轉(zhuǎn)速 n（ r/m）與脈沖頻率 f（ KHZ）的關(guān)系： n =1000 f /6 f =6n/ (1000) =(420 600)/360 =1.17KHZ 1.67 KHZ， 綜合考慮電機(jī)的啟動(dòng)與停止加、減速的存在，取 f=1.5 KHZ。 3.2.3 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩的估算 在分析負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，我們可以簡化認(rèn)為電磁鐵和滑塊吸收座是均勻分布在轉(zhuǎn)盤上的。轉(zhuǎn)盤是塑料的，跟其下面的鋼質(zhì)的圓盤比起來可忽略不計(jì)。我們可以近似認(rèn)為該負(fù)載質(zhì)量為 m=0.9 kg，半徑為 r=4 cm。 所以，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J (kgm 2)約為： J =1/2mr2 =1/20.90.0016 =7.210 -4 kgm 2 旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩 TL（ Nm ）約為： TL =J 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 17 - 頁 共 35 頁 =7.210 -4 16 /9 =4.0210 -2 Nm 1. 力矩 驅(qū)動(dòng)慣性體時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程式（ 1-2）所述： (1-2) 式中 JM 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， kgm 2； JL 換算到電動(dòng)機(jī)軸上的符合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， kgm 2； 角速度， rad/s； TL 負(fù)荷轉(zhuǎn)矩， Nm ； T 所需轉(zhuǎn)矩， T=加速度轉(zhuǎn)矩 Ta+負(fù)荷轉(zhuǎn)矩 TL， Nm ； g 重力加速度， 9.8 m/s2 加速度轉(zhuǎn)矩在變速區(qū)內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，根據(jù)加速、減速的方式而定。本課題中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速運(yùn)動(dòng)圖形為直線， 如圖 3-1所示 。 圖 3-1 步進(jìn)電機(jī)直線加速和減速運(yùn)動(dòng)圖形 直線加速場合下，加速轉(zhuǎn)矩按式（ 1-1）計(jì)算： （ 1-1） 式中 f1 自 啟動(dòng)區(qū)內(nèi)的脈沖速度，個(gè)脈沖 /s； f2 變速區(qū)內(nèi)的脈沖速度，個(gè)脈沖 /s； t1 加速時(shí)間， s； 步距角，度 /步。 把負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，考慮到減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減速器效率取 =80%，安全系數(shù)取 1.3左右，得： T Ltg J LJ MT 步進(jìn)頻率（速度） 時(shí)間（步數(shù)） t1 t0-2t1 f2 f1 tffgJ LJ MT a 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 18 - 頁 共 35 頁 JL =1.3J =7.210 -41.3 =9.3610 -4 kgm2 加速時(shí)間： t1 = ta=0.25s 初選電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JM 為： JM 460 gcm2 則，由式（ 1-1）得： Ta =（ JM +J L） =(0.4610-4 +810-4)20/3 =1.7310-2 Nm 取 安全系數(shù) 為 1.3左右， 選用 電機(jī)的保持轉(zhuǎn)為： T 1.731.310-2 Nm =2.2510-2 Nm 3.2.4 選型 步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式有： 1.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：亦稱磁阻式（ VR）步進(jìn)電機(jī)。其定轉(zhuǎn)子磁路均由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其特點(diǎn)如下： 1）步距角小。最小可做到 10左 右； 2）要求驅(qū)動(dòng)電源功率較大，系統(tǒng)效率較低； 3）電機(jī)的內(nèi)阻尼較小，但不運(yùn)行振動(dòng)時(shí)間長； 4）斷電時(shí)沒有定位轉(zhuǎn)矩。 2.永磁式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子 或定子的某一方面具有永磁鋼的步進(jìn)電機(jī)，另一方面由軟磁材料制成，繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其特點(diǎn)： 1）步距角大； 2）相數(shù)為偶數(shù)為多； 3）啟動(dòng)頻率低。負(fù)載啟動(dòng)頻率一般在 300Hz 以下； 4）控制功率小； 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 19 - 頁 共 35 頁 5）內(nèi)部電磁阻尼較大，單步鎮(zhèn)當(dāng)時(shí)減小； 6）斷電時(shí)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩，可用作定位使用。 3.混合式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子上有磁鋼，但從定子或轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，又和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相似，是反應(yīng)式和永磁式電機(jī)的結(jié)合，又稱作感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)。具有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距小，響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn) ,還具有永磁式步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁功率小、效率高和有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。 由于混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了前兩種的優(yōu)點(diǎn)，不僅步距角小、具有定位轉(zhuǎn)矩，而且能輸出較大的轉(zhuǎn)矩，故本系統(tǒng)選用之 。 根據(jù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步距角、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、步進(jìn)電機(jī)力矩、步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩的分析計(jì)算， 并且 綜合考慮系統(tǒng)各項(xiàng)因素，我們初步確定選用北京四通公司的混合式步進(jìn)電機(jī)， 型號(hào)為 56BYG250D，其主要技術(shù)參數(shù)為：步距角 為 0.9/1.8，保持轉(zhuǎn)矩mM不小于 1.72 N m，定位轉(zhuǎn)矩dM為 0.07 N m，空載啟動(dòng)頻率kf為 3.0 KHZ。 其矩頻特性如圖 3-2 所示： 圖 3-2 電機(jī)矩頻特性 3.3 接近開關(guān) 接近開關(guān)的功能是當(dāng)某種物體與之接近到一定距離時(shí)就發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，告知系統(tǒng)，不像機(jī)械行程開關(guān)那樣需要施加機(jī)械力。接近開關(guān)是通過其感應(yīng)頭與被測物體間 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 20 - 頁 共 35 頁 介質(zhì)能量的變化來取得信號(hào)的，接近開關(guān)的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般行程控制和限位保護(hù)的范疇，可用于高速計(jì)數(shù)、測速、液面控制、檢測金屬物體是否存在 及其尺寸大小、作為無觸點(diǎn)按扭等。即使用作一般行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命及對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力也比普通機(jī)械行程開關(guān)高。 接近開關(guān)是本系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的傳感器，在本系統(tǒng)中主要用作狀態(tài)檢測。 3.4 電磁鐵的選型 電磁鐵通電時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁通作用于銜鐵，產(chǎn)生電磁吸力，并使銜鐵產(chǎn)生機(jī)械位移，把銜鐵吸下來，工作電路閉合，銜鐵吸附住滑塊。電磁鐵斷電時(shí)失去磁性，銜鐵復(fù)位時(shí)復(fù)位彈簧把銜鐵拉回原位，切斷工作電路，電磁鐵失電將滑塊彈出到相應(yīng)的出口。 本課題中，滑塊厚度檢測結(jié)束傳送到分料機(jī)構(gòu)后要實(shí)現(xiàn)滑塊的正確分類， 而分類是靠電磁鐵的得電失電來完成。 本課題的目的是將檢測結(jié)束后的滑塊實(shí)現(xiàn)分類，我們選用推拉式電磁鐵，原因是基于它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 線圈用高導(dǎo)磁率外殼覆蓋住，由于輔助磁路的作用會(huì)產(chǎn)生很大的吸引力。在線圈上施加電壓，銜鐵就被吸引到線圈的那邊，如果使用安裝螺栓側(cè)的軸，就發(fā)生推動(dòng)作；如果使用銜鐵側(cè)的軸，就發(fā)生拉動(dòng)作，兩者都能使用。 在本課題中，我們使用銜鐵側(cè)的軸，在使用時(shí)將磁扼安裝在固定支架上，而將銜鐵活動(dòng)地連接于牽引桿上，當(dāng)吸引線圈通電時(shí)銜鐵被吸合，經(jīng)過連桿帶動(dòng)滑塊吸收座中的推桿復(fù)位，在線圈斷電時(shí)，復(fù)位彈簧依靠變形能將 銜鐵拉出，同時(shí)帶動(dòng)推桿將滑塊彈出。 3.4.1 彈簧預(yù)緊力的分析估算 彈簧行程為 f =5mm ，所以選電磁鐵行程 ff =5mm 彈簧預(yù)緊力： F1 k1 f1 k1（ H0-H1） = k1（ 91.2-22） 5.4 N 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 21 - 頁 共 35 頁 k1=0.0780 N/mm F2 k2 f2 k2（ H0-H2） = k2（ 91.2 27） = 4.8 N k2 0.0748 N/mm 因?yàn)?k1 k2，所以，取彈簧剛度系數(shù) k = k1 = 0.0780 N/mm。 彈簧最大工作力取 F1 = 0.0780*64.2=5.4 N 考慮到溫度變化地、電壓變動(dòng)等因素，取安全系數(shù) 1.5=2 ， 所以，選用電磁鐵吸力 F F2= 10 N 3.4.2 選型 根據(jù)上面所計(jì)算的吸力、行程等參數(shù)可知，該系統(tǒng)需要電磁鐵對(duì)吸力和行程的要求較低。 綜合比較各參數(shù)，通過查閱電工手冊(cè)，我們最終選定型號(hào)為 MQ1-1.5N（ -5101）的電磁鐵。 其技術(shù)數(shù)據(jù) 如表 1 所示 ： 表 1 使用 方式 額定吸力（ N） 額定電壓 （ V） 額定行程（ mm） 通電率（ %） 操作次數(shù)（次 /小時(shí)） 消耗功率 起動(dòng) 吸合 拉動(dòng)式 15 220 20 60 600 450 67 此電磁鐵通過一角形鐵，固定在塑料轉(zhuǎn)盤上。考慮到動(dòng)平衡因素，與滑塊吸收座沿轉(zhuǎn)軸成慣性力矩對(duì)稱分布。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此電磁鐵滿足各方面性能要求。 3.5 PLC 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型 3.5.1 PLC 的選型 可編程控制器是一種典型的采樣控制系統(tǒng)，是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 22 - 頁 共 35 頁 技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而開發(fā)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它通過循環(huán)方式進(jìn)行閉環(huán)控制，包括數(shù)字量和模擬量控制。它既可進(jìn)行順序控制，也可實(shí)現(xiàn)過程控制，隨著微處理器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器已不僅僅是傳 統(tǒng)意義上的控制元件，其功能日益完善， 具有功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于編程以及適應(yīng)測試環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)。 其廣泛應(yīng)用在機(jī)械系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線及過程工業(yè)的自動(dòng)控制領(lǐng)域，具有性能穩(wěn)定、高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、功能強(qiáng)大及硬、軟件開發(fā)方便等特點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)選擇 PLC 作為系統(tǒng)控制的核心，完成對(duì)各部件動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制。 世界上約有 200 多個(gè) PLC生產(chǎn)廠家 , 如美國的 AB公司、莫迪康公司、 GE 公司、德國的西門子公司、日本的歐姆龍公司、三菱電機(jī)公司以及國內(nèi)的浙大中控等。它們一般滿足用戶各方面的需求 , 但在外形、結(jié)構(gòu)、 功能、網(wǎng)絡(luò)通信和編程方法等方面各有不同 ,對(duì)于不同的工業(yè)控制需求 , 應(yīng)當(dāng)選擇合適的 PLC。 PLC 選型的關(guān)鍵主要是能滿足基本控制功能和容量 , 并考慮維護(hù)的方便性、備件的通用性、系統(tǒng)可擴(kuò)展性以及能滿足特殊功能要求等，即應(yīng)最大限度地滿足系統(tǒng)的控制要求；力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)，且保證控制系統(tǒng)安全可靠；。由于本課題中的檢測平臺(tái)有連續(xù)性 , 應(yīng)盡可能地考慮將來新增功能要求，考慮選擇比較新型 PLC , 由于西門子公司的產(chǎn)品質(zhì)量比較有保障 , 且技術(shù)支持、售后服務(wù)較完善 , 有利于產(chǎn)品擴(kuò)展與軟件升級(jí)，所以我們確定選用西門子公司 生產(chǎn)的 PLC。 PLC一般是根據(jù)其輸入輸出點(diǎn)數(shù)及存儲(chǔ)器容量的大小來分類 , 在 PLC 選型之前首先確定系統(tǒng) I/ O 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量。 3.5.2 PLC 的 I/O 點(diǎn)分配 控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表 2 所示。其中，當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)為 1，無信號(hào)輸入時(shí)為 0。 表 2 名稱 代碼 地址編號(hào) 輸入 急停（中斷輸入 1） I1 I0.0 中斷輸入 2 I2 I0.1 :分類一完成信號(hào) IC1 I0.2 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 23 - 頁 共 35 頁 分類二完成信號(hào) IC2 I0.3 分類三完成信號(hào) IC3 I0.4 分類四完成信號(hào) IC4 I0.5 分類五完成信號(hào) IC5 I0.6 分類六完成信號(hào) IC6 I0.7 分類七完成信號(hào) IC7 I1.0 滑塊到達(dá)信號(hào) IA1 I1.1 啟動(dòng)信號(hào) IS1 I1.2 傳感器 1 啟動(dòng)監(jiān)測信號(hào) 1 IT1 I1.3 傳感器 2 啟動(dòng)監(jiān)測信號(hào) 2 IT2 I1.4 傳感器 3 啟動(dòng)監(jiān)測信號(hào) 3 IT3 I1.5 傳感器 4 啟動(dòng)監(jiān)測信號(hào) 4 IT4 I1.6 滑塊重疊信號(hào) IR1 I1.7 定位信號(hào) IP1 I2.0 停止信號(hào) IS1 I2.1 手動(dòng)輸入 I3 I2.2 備用 I2.3 I2.7 輸出 電機(jī) 1 脈沖輸出 OP1 Q0.0 電機(jī) 2 脈沖控制 OP2 Q0. 1 電機(jī) 2 正反轉(zhuǎn)控制 OD1 Q0.2 電磁鐵吸放 OD2 Q0.3 狀態(tài)正常指示 ODS1 Q0.4 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 - 24 - 頁 共 35 頁 報(bào)警指示 OAD1 Q0.5 分類錯(cuò)誤報(bào)警 OAD2 Q0.6 滑塊堆積報(bào)警 OAD3 Q0.7 傳感器 1 感應(yīng)到滑塊到達(dá)指示 OA1 Q1.0 傳感器 2 感應(yīng)到滑塊到達(dá)指示 OA2 Q1.1 傳感器 3 感應(yīng)到滑塊到達(dá)指示 OA3 Q1.2 傳感器 4 感應(yīng)到滑塊到達(dá)指示 OA4 Q1.3 報(bào)警鈴 ALA Q1.4 備用 Q1.5Q1.7 由表 2 可以得出，該系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入 18 個(gè)、高速脈沖輸出 2 個(gè)、其他輸出11 個(gè)。如果選用 CPU224，則必須擴(kuò)展輸入模塊?？紤]到控制系統(tǒng)的程序較復(fù)雜、需要存儲(chǔ)空間較大。而且，市場價(jià)格 CPU224（選用 CPU224和擴(kuò)展模塊的價(jià)格）與 CPU226相差不大，況且考慮到本系統(tǒng)只是厚度檢測，還要高度、平行度等檢測系統(tǒng)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)展趨勢。因此選用有兩個(gè)通信口的 CPU226 更加合理。 根據(jù)滑塊厚度綜合檢測系統(tǒng)的控制功能要求可知，系統(tǒng)控制主要是通過工控機(jī)控制 PLC 來實(shí)現(xiàn)，因 此，所選 PLC 需提供兩個(gè)通訊口來實(shí)現(xiàn)各自的通訊功能；系統(tǒng)所監(jiān)控的對(duì)象皆為開關(guān)量，且所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)不是很多，故小型 PLC 即可滿足要求。同時(shí)，考慮德國西門子公司推出的 S7-200 微型 PLC 系統(tǒng)組合擴(kuò)展方便，結(jié)合了一體化 PLC 和模塊式 PLC 的優(yōu)點(diǎn)，功能齊全，具有靈活便捷的通訊、系統(tǒng)診斷及中斷處理、高速計(jì)數(shù)等功能，且具有極高的性能價(jià)格比。 本系統(tǒng)中，主控模塊選擇 SIEMENS CPU 226 DC/DC/DC，安裝在線路板的標(biāo)準(zhǔn)DIN 導(dǎo)軌上；由于此模塊已能滿足系統(tǒng)監(jiān)控要求，故沒有選用擴(kuò)展模塊，如以后系統(tǒng)功能擴(kuò)展 需要可進(jìn)行自由選擇。主控模塊 SIEMENS CPU 226 DC/DC/DC 包括 中央處理單元 CPU、電源、 數(shù)字 輸入輸出點(diǎn)