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本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 39 页 南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书(论文) 作作 者者: 学学 号：号： 0101170103 学院学院(系系):机械工程学院 专专 业业:测控技术与仪器 题题 目目:滑块厚度综合检测平台 系统总体设计 指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2005 年 6 月 副教授 讲师 何云峰 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 39 页 摘要 空气调节机的滑块厚度精度要求很高，相比传统的手工测量方法，采用自动检 测系统可极大地降低人的劳动强度，提高检测效率，并能大大地减少检测出错率。 根据滑块厚度检测的精度要求及特殊的翻面检测工序，设计了一套全自动的检测平 台。文中详细介绍了检测平台的总体设计方案，该综合检测平台分成四大部分：控 制平台分料机构、传感器、采集系统及控制系统。针对上述四大部分探讨了检测平 台、分料机构及控制系统的功能要求、工作原理、设计方法、实现方法及可行性， 并对各分系统的关键件进行了选型分析。按课题要求对全系统分别进行了设计、加 工、调试，经联调检测证明了系统的设计是符合要求的。 关键词：关键词：自动检测平台 滑块 厚度 总体设计 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 39 页 Abstract The slipper , which is one of the significant accessory of an air condition , has a great strict requirement in dimensional precision. In order to improve the efficiency, decrease the error effectively and reduce the intensity of labor, it is important to develop an automatic measuring system to substitute for traditional hand work. According to some particular procedure and the demand for strict precision, this fully-automatic measuring platform was designed. This paper introduces the whole design program in detail. The synthetical measuring is composed of four parts: measuring system, sorting mechanism, sensor and selecting system, control system. In connection with the four parts , not only the measuring system, sorting mechanism and the function requirement but also working principle, the way of design and realization were touched . The model of important apparatus were selected by analysis and calculation. On the basis of requirement of the task, the work of design, process and shakedown test were done. It proved that the design of measuring platform was conformed to the initial requirement Keywords: automatic measuring platform, slipper, thickness, general design 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 39 页 目次目次 1 绪论绪论.4 11 概述.4 12 国内外发展和研究状况.4 1.3 研究方向和研究手段.5 1.4 本文的主要工作.6 2 系统总体方案论证系统总体方案论证.7 21 滑块厚度检测现有工序分析.7 22 滑块厚度综合检测平台总体设计.7 23 机械部分总体设计.10 24 控制部分总体设计.12 25 检测部分及上位机功能设计.12 3 检测平台投料、分料机构设计检测平台投料、分料机构设计.14 31 检测平台设计.14 32 入料机构设计.16 3.3 分料机构设计.17 4 控制系统设计控制系统设计.20 41 概述概述.20 42 控制系统设计控制系统设计.21 43 控制软件设计控制软件设计.24 5 滑块厚度检测系统及上位机功能设计滑块厚度检测系统及上位机功能设计.27 5.1 概述.27 5.2 检测系统.27 5.3 上位机功能设计.28 6 检测平台的系统联调检测平台的系统联调.32 61.安装调试.32 62.方案改进.32 6.3 检测结果.34 结结 论论.35 致致 谢谢.36 参考文献参考文献.37 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 39 页 1 绪论绪论 11 概述概述 滑块是空气调节机中的关键部件之一，其几何尺寸、表面粗糙度、形位公差等 精度的高低直接关系到空气调节机性能的好坏，所以对它的精度要求相当地高。其 中，滑块的厚度/平行度作为一个关键的技术参数，直接决定着滑块应用的有效性， 并影响着空调的性能和质量。随着空气调节机产量的日益增加，滑块的需求量也急 剧上升。传统的手工检测已远远不能跟上生产的节奏，成为制约生产效率的一个瓶 颈。虽然国外有相关的自动检测设备可以进口，可以克服人工方式的种种缺陷，但 同样有存在价格高，设备维护与升级费用大等不良因素。针对市场对能够自动地进 行质量评价、快速而正确地进行品质分选的高性价比滑块分选设备的迫切需求，南 京理工大学与宁波市科技局合作研制一套滑块厚度综合检测平台。采用这套自动化 测量设备不仅可以缩短时间，使得测量速度与生产节拍相吻合，提高生产率，而且 可以提高测量精度，节省人力，消除人为误差，避免重复单调的劳动操作，减少费 用，还便于显示及反馈等。 在传统的受控机械系统的设计过程中，机械设计和控制设计往往分开进行,机械 设计人员和控制人员分别使用不同的设计工具和方法处理同一个研究目标，他们分 别采用各自的思路和方法，进行独立的验证和测试。直到在物理样机试验时，两种 设计才被放在一起。在测试过程中，一旦控制和机械的交互作用不能取得令人满意 的效果，机械和控制则分别需要从新细化,然后再测试,如此反复,直到满意为止，这样 的设计方法显然缺乏竞争力和总体性。课题组成员组成了团队，针对设计任务，分 别负责机械部分设计、控制部分软件部分设计、控制部分硬件设计等等。本文主要 针对总体设计进行阐述。 12 国内外发展和研究状况国内外发展和研究状况 1.南京理工大学研制的机车转向综合测试平台用于对机车加载，并实时对四轮载 荷分布及轴位移进行检测。整个加载系统采用可编程控制器（PLC）和工控机作为控 制系统的主体，通过组成单回路反馈控制系统，在加载过程中准确控制对转向架施 加的压力。当对转向架加载和卸载力时，实时监测四轮受力和变形的关系。车轮的 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 39 页 形变体现纵向和横向发生变化，因此需要使用精密位移传感器测量其二维变化。具 体要求有：4 路水平位移检测：量程：050mm，相对不确定度优于 1%；6 路竖直 位移检测：量程 0100mm，相对不确定度优于 1%。整个系统能够自动控制，自动 报警，随时切换到安全状态，可节省大量人力，减少设计成本。采用可编程控制器 和计算机联合控制，使得整个控制过程可靠灵活。 2.浙江大学现代制造工程研究所研制的基于 ARM 核芯片的轴瓦壁厚/平行度自动 检测系统。采用了功能强大的 16/32 位的嵌入式微处理器和占先式的实时操作系统构 成中心测控系统，以 PLC 为现场控制模块，应用光栅尺获取基础数据，实现了对轴 瓦壁厚和平行度的实时、在线以及高精度测量（光栅分辨率为 0.1m） 3.德国生产的铟瓦线尺测距仪 DISTINVAR，应变仪 DISTERMETER ISETH，石 英伸缩仪，各种光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。采用多谱勒效应的双 频激光干涉仪，能在数十米范围内达到 0.01m 的计量精度，成为重要的长度检校和 精密测量设备；采用 CCD 线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们 使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。 4.德国 Grecon 公司生产的 TMNC 型激光测厚仪，采用模块式设计的多处理机系 统，使系统功能易于扩展，易于维修，可以方便地修改和增补各种功能软件。处理 机计算厚度的平均值，进行统计分析，超差时发出警报。在 CRT 上，可以清楚地看 到三对测定头测得的板厚分度情况。该装置可以方便地贮存数据，需要时按要求打 印报告，检测精度为0.1mm，检测范围为 0100mm。 1.3 研究方向和研究手段研究方向和研究手段 随着科学技术的不断发展，人们要求检测设备自动化进行以提高试验效率，同 时对检测结果的可信赖性和精确性要求也越来越高，智能化是检测技术的发展方向， 同时也是滑块厚度综合检测平台的努力方向。 滑块厚度综合检测平台广泛采用自动化控制技术，滑块的上下料、滑块的传送， 滑块厚度的检测等动作全部自动化进行，不仅能够使测试效率大大提高，还能减少 测试人员的主观因素对测试结果可信赖性的影响。比较设计了检测平台分料机构， 对传动系统进行设计分析。执行装置采用了四通公司的步进电机；出口分料处的滑 块分类通过电磁铁的通电放电及步进电机的转角来实现；采用可编程序控制器 （PLC）作为系统的控制核心，通过串行通讯与工控机组成上位机监控系统，实现对 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 39 页 滑块检测、分料过程的实时监视和自动控制。 1.4 本文的主要工作本文的主要工作 本文主要做了如下工作： 第一章绪论部分介绍了滑块厚度综合检测平台的相关概念以及国内外在该课题 方面的研究现状，说明我们课题研究的目标以及研究手段。 第二章对系统总体方案从机械部分、控制部分、检测部分等进行了论证与设计。 第三章介绍了检测平台投料、分料机构的设计，对关键件的设计和选取进行了 理论分析。 第四章详细地介绍了控制系统，包括测控方案及其功能设计，以及 PLC 控制软 件的设计。 第五章介绍了滑块厚度检测系统及上位机的功能。 第六章介绍了部分联调情况，并对系统进行可行性分析。 最后对全文进行了总结。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 39 页 2 系统总体方案论证系统总体方案论证 滑块厚度综合检测平台由自动分料机构、自动检测系统、自动控制系统、检测 平台等组成，可以达到实现自动检测滑块尺寸的目的。按照要求，该系统应该能够 快速地检测出滑块的厚度和平行度，并且根据所得数据进行自动分类。宁波市科技 局提出的具体要求有： 1）检测误差允许范围为 0.1m； 2）垂直公差1 丝； 3）平行公差1%mm； 4）精度要求10-7m； 5）每台机器一个工作日检测应至少达到 20000 个滑块。 21 滑块厚度检测现有工序分析滑块厚度检测现有工序分析 目前，滑块厚度的检测仍然依靠手工操作。工厂女工利用千分尺等测量工具对 厚度进行检测，然后人工做出判断，对滑块是否合格进行分类。这种检测方法严重 制约了滑块的生产效率，而且劳动强度大，易受主观因素影响，无法得到精确的数 据，可靠性也不高。因此，设计一台自动化程度高的滑块厚度检测平台显得尤为重 要。 22 滑块厚度综合检测平台总体设计滑块厚度综合检测平台总体设计 1.首先，为了明确设计对象的功能和约束条件，我们运用了“黑箱法”将设计任务 检测结果 滑块 驱动能 检测要求 图 2.1 滑块厚度综合检测平台“黑箱”示意图 滑块分类 振动噪声有功热 灰尘度温度振动 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 39 页 抽象化。我们有意识地按照设计活动自身的内在规律进行，应用发散式的、以功能 设计为主的设计思维，并在此基础上强调抽象的设计构思，极好地防止了过早地进 入实体结果分析，从而使结果既在系统的工作原理和结构有关的本质上有所创新， 又能结合实际，达到预期的设计目标。 对于我们所要设计的滑块厚度综合检测平台，在求解之前，犹如一个不知其内 部结构的“黑箱”。给“黑箱”输入物料、能量、信息以及外界的影响，则经“黑箱”后产 生输出量以及“黑箱”对外界的影响。图 2.1 为滑块厚度综合检测平台的“黑箱”示意图。 左边的输入量由被测工件滑块、驱动能和检测要求，右边的输出量为检测结果和滑 块分类，上边为该检测平台对外界环境的影响，下边为环境对检测平台的影响因素。 滑块厚度综合检测平台的总功能是检测出滑块的厚度并对滑块进行分类。 2.确定了总功能后，就可寻求功能解，即实现功能的技术物理效应和功能载体。 据此，我们将总功能分解成复杂程度较低的分功能，并相应找出各分功能的解。滑 块厚度综合检测平台本身由许多子系统组成，所以在此，我们可按照各子系统进行 分解（各子系统的分解功能图本文从略） ，如图 2.2 所示。 滑块厚度综合检测平台 机械系统控制系统检测平台 3.经过分析讨论，确定设计要求： 1）分别以滑块的两个面为定位基准，测出两组数据； 2）每个面需要测多个点，并且这些点能够决定一个平面； 3）能够自动处理检测数据，并按照要求把其分成七类，从七个不同的出口滑出； 4)能够实时显示检测到的滑块数据，及滑块检测数量及每个分类口分出的滑块数； 5）系统具备较高的精度、可靠性和稳定性，在工作中能给出精确数据。 图 2.2 滑块厚度综合检测平台功能结构图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 39 页 滑块从入料 口进入内夹 具中 6）具有一定的容错能力，即使出现滑块卡位、不能完成正确分类，也不会出现 系统崩溃或误分类等现象； 7）设计方案应力求简单。 4.功能实现途径： 滑块厚度综合检测平台是一个分布式的测控系统，由三大部分组成：以 C+Builder 为基础的中心测控单元，基于 PLC 的现场模块和采用光栅传感器的厚度/ 平行度原始数据检测装置。中心测控单元和现场控制模块之间的协调通过 I/O 予以完 成。 1）机械传动流程图（如图 2.3 所示） 2）控制系统组成（如图 2.4 所示） 3）出口分料设计（如图 2.5 所示） 经过某一传 感器时，滑 块某一对角 线上厚度被 测 槽道位置尺寸变化， 滑块转动相应角度， 测出另一对角线上 各点的厚度 滑块在带的 拐角处翻转 在下侧轨道上 测出另外一个 面的两条对角 线上各点的厚 度 滑块从出料 口漏出，夹 具随带进入 上轨道 进入下 一循环 图 2.3 滑块厚度综合检测平台流程图 传感器头 各控制元件 （驱动器） 数采卡 PLC 工控机 位置检测传感器 各执行元件 （步进电机、电磁铁等） PC/PPI RS-485 图 2.4 滑块厚度综合检测平台控制系统组成示意图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 39 页 其中，3 为传动装置的出料槽口，其余七个口为分料口，滑块利用加速度由传动 装置的出料槽口滑入转盘的槽道内，转盘根据信号，转动向相应的角度即可从对应 的分料口分类出去。 23 机械部分总体设计机械部分总体设计 机械部分的设计是整个检测平台的基础，其设计好坏直接影响到整个系统的检 测精度、检测速度等等。 1.传送装置的选择 传送装置是自动线结构中的运动件及工件的承载体。它把工件按照一定的节拍 或 速度从一个工位送到下一个工位，从结构上把机械装置与其他设备联结成一个整体。 传送装置的种类比较多，有滚轴式、滚轴链式、链板式、悬挂链条式、带式传送装 置、传送螺旋、滚轮式、推杆滑道式、搓板推动式等等。鉴于滑块的尺寸较小，驱 动力矩小等原因，结构简单的带式传送装置即可满足设计的要求。 2.滑块转弯、转向传送装置 目前，转弯、转向传送装置一般分为锥輥传送装置，90环带、随行夹具式、升 降转盘、升降托盘等等。滑块厚度综合检测平台的机械装置具有一定的定向要求， 同时为了尽可能地把装置简单化。因选择了用随行夹具式传送装置。 3.滑块厚度综合检测平台机械结构 由于滑块需要平稳地向前移动，所以我们对带式传送装置进行了改良，如图 2.6 所示。 图 2.5 出口分料结构示意图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 39 页 采用同步齿形带 9，一面与相应类型的带轮 2 配合、另一面的齿槽中套接滑块外 夹具 4 的长柄，外夹具随同步带一起移动。滑块内夹具 5 与外夹具间隙配合，其中 间开孔放置被测滑块 6，内夹具的两个销耳 7 在导轨槽道 8 中滑动以限制内夹具的方 向，这样内夹具、滑块一面随外夹具移动，一面随两条导轨槽的距离变化发生转动。 槽道的形状与尺寸将决定滑块对角线与其移动方向的夹角。为了使传送装置具有良 好的稳定性，设计压带轮部件，以压带轮的弹性来减弱外部环境的振动。夹具布满 整个工作导轨，并随传动带循环运动，当滑块从入料口进入时，在某一时刻必定有 一内夹具与之配合，滑块即进入测量循环轨道，并在出料口滑出。通过改变导轨的 形状来使滑块旋转一个固定的角度（如图 2.7 所示） ，从而实现检测滑块同一个面两 条对角线上点的目的。 2.6 滑块厚度综合检测平台机械结构示意图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 39 页 24 控制部分总体设计控制部分总体设计 1.控制部分的组成 滑块厚度综合检测平台的控制系统主要包括工控机、PLC、数采卡、传感器探头、 位置检测传感器和各控制及执行元件。 2.各部分功能 1）工控机：作为整个系统的监控、调度中心，通过 PLC 间接地控制、监测系统 运行的状态； 2）PLC 作为系统的控制核心，直接完成对各部件动作的协调控制以及各运动位 置检测； 3）检测系统由传感器、数采卡和工控机等组成，通过对滑块的几何量的测量、 计算，作为分类产品判断的依据； 4）位置检测传感器和各控制及执行元件：主要完成对系统状态的检测以及各部 件动作的协调执行，给系统施于动力源。 3.控制部分所能实现功能 1）控制系统完成滑块在流水线上平稳传送； 2）控制两个步进电机的转动； 3)完成滑块厚度检测全过程，根据所得数据对滑块进行正确分类； 4）具有一定的容错能力。即使是出现滑块卡位、不能完成正确分类也不会出现 系统崩溃或误分类现象等。如果出现错误，系统明确指出错误来自哪个方位，即使 图 2.7 滑块厚度综合检测平台导轨形状示意图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 39 页 不能指明错误来源，也能检测到流水线的某个大致位置，以方便维护，及时排除故 障。 25 检测部分及上位机功能设计检测部分及上位机功能设计 在本课题中，检测平台的垂直公差要求为 1 丝，平行公差要求为 1%mm，精度 要求为 0.1m。选用 JGX 系列的密封式光栅位移传感器，它的测量分辨率为 0.025m（400 线/mm） ，可以满足精度要求。检测平台的检测速度为 2 万/天，针对 这一效率要求，应该全面考虑其自动化程度，如微机控制，自动上下料，自动传送 工作，自动检测等。另外还要考虑可行性等等。 检测平台的上位机运用 C+Builder 编程，能够对传感器所得到的数据进行分析 处理，并能够将分类信号实时传给 PLC，从而控制滑块的正确分类。系统第一次运 行或者运行时间过长都应该重新标定。一旦发生滑块堆积、分类错误、系统运行错 误，上位机都能够发出警报，给予工作人员提醒。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 39 页 3 检测平台投料、分料机构设计检测平台投料、分料机构设计 31 检测平台设计检测平台设计 1.检测时序图 传感器 1 2 3 4 滑块 1 2s t/ s 传感器 1 2 3 4 滑块 2 滑块 1 4s 传感器 1 2 3 4 滑块 3 滑块 2 滑块 1 传感器 1 2 3 4 滑块 4 滑块 3 滑块 2 滑块 1 8s 传感器 1 2 3 4 滑块 5 滑块 4 滑块 3 滑块 2 滑块 1 10s 图 3.1 检测时序图 t/s t/st/s t/s t/s 6s 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 39 页 由上图可以看出:滑块在检测平台上处于并发流水线式检测。通过安装在传感器 旁的感应开关，可告知传感器滑块已经到达可以检测，当工作人员没有定时添加滑 块时，系统等待。 2.传动机构 为了保证传送过程中的平稳性，避免传动机构的震动引入附加的测量误差，造 成测量结果的失真，传动机构采用了分体结构的设计，将检测工作台与传动机构分 离，从而大大减少了传动机构对检测过程的影响。滑块的每一表面要测量两条对角 线上共五个点（中心交叉处可看作一个） ，因此,滑块在流水线上不但要做 90 度旋转， 还要翻转 180 度。通过在测量平台上刻画合适的曲线使滑块能够按照预先设定的轨 迹作适当的角度旋转。滑块的 180 度翻转，则通过设计流水线的空间结构来实现。 3.驱动机构 1）电机选择思路 本平台共需两台电动机，一台用来带动传送带，一台带动圆盘转动。电机的选 择一般包括选择电动机的类型、电动机的功率及额定转矩等。其具体思路如下：首 先，选择电动机的类型，然后比较电动机的机械特性与负载特性，看它们是否吻合， 并在此基础上检查是否满足调速范围与精度，顺便考虑一下经济性的问题，如果以 上各个方面均满足，接下来，我们便可以开始计算电动机功率，进行起动转矩过载 倍数及加速转矩校验、发热校验等。如过发热校验不通过，可以减小功率数或改用 FSN 小的电机。或者，在满足加速度要求下，看能否通过减小加速转矩来满足上述 要求。最后，再作出具体决定。 2）电机类型的选择（以分料口的电机为例） 在自动控制系统中，经常会使用一些小功率电机用于信号的检测、变换和传递， 作执行元件或信号元件，这类电机称为控制电机。常用的控制电动机乳汁流伺服电 动机、交流伺服电动机和步进电机等等。控制电机一般具有的特点：1）快速性好， 即加速转矩大频响特性好；2）位置控制精度高、调速范围宽，低速运行平稳无爬行 现象，分辨率高，振动噪声小；3）适应起、停频繁的工作要求；4）可靠性高，寿 命长。 对起停频率高（如数百次/分） ，但不要求低速平稳性的产品，选用电机主要性能 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 39 页 指标为高比功率。在额定输出功率相同的情况下，交流伺服电机的比功率最高，直 流伺服电机次之，步进电机最低。本课题要求的电机起停频率低，但要求低速平稳， 扭矩脉动小，在整个测速范围内均可稳定运动的机械，功率密度为主要的性能指标。 这时，步进电机为最佳的选择。其中，功率密度为 P/G，电动机的比功率为 T2N/Jm (TN为电机的额定转矩，Jm为电机转子的转动惯量) 。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件， 每外加一个控制脉冲，电机就运行一步。与其他驱动元件相比，步进电机及其控制 系统有几个明显的优点 1）通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；2）输 出的转角或位移精度高，误差不会累积；3）控制系统结构简单，与数字设备兼容， 价格便宜。 选择步进电机的计算： 1）计算齿轮的减速比； 2）计算电机轴上的惯量； 3）计算电机输出的总力矩 M； 4）负载起动频率估算。 经过计算，选用四通公司的 56BGY 系列 250C 电机。其保持转矩为 1.04NM， 定位转矩为 0.04 NM，空载起动频率为 2.8KHz。为了提高工作可靠性，步进电机的 驱动器采用商品化的整体结构，选用北京四通电机公司的 SH-20806B，其采用数字 式升频升压驱动方式，并结合了恒电流控制技术，采用 80V 交流电源供电，输入控 制信号为 TTL 电平信号，且提供过流保护、过压保护、步距角切换、双/单脉冲控制 模式切换和试机等功能。减速器原则上希望是 1/2,但市场上一般的减速器为 1/5，考 虑也能满足要求，故选用 1/5 的减速器。 32 入料机构设计入料机构设计 使工人只需在一个位置投料，无需测量、校准。投料的速度不会对系统的检测 效率带来任何影响，见图 3.2a。为使滑块顺利进入内夹具孔中，不出现未入孔就随 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 39 页 夹具滑出投料装置的情况，安装时有如下技术要求：h0hh0+h1。 其中：h1-内夹具厚度； h0-滑块厚度； h-入料口与导轨之间距离（如图 3.2b） 。 a 1-平台导轨，2-外夹具，3-内夹具，4-滑块，5-投料装置 b 图 3.2 入料口 3.3 分料机构设计分料机构设计 图 3.3 分料口 1分料口的工作流程 1）当滑块从传动循环系统滑出，经过一段斜坡的加速后便进入圆盘的槽道内， 感应器将滑块到达信号送至控制 CPU。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 19 页 共 39 页 2)CPU 给出命令，控制电机带动圆盘转动相应角度（由数据处理后的分类信号 决定） ，电机停，电磁铁失电。 3)滑块被电磁铁从某个出口 k 弹出。 4)接近开关 IOK 接受到滑块弹出信息，并给 CPU 发信号，驱动电机反转至初 始位置。 2.接近开关 接近开关是传感器家族中众多种类中的一个。它是利用电磁工作原理，用先进 的工艺制成的，是一种位置传感器，它能通过传感器与物体之间的位置关系变化， 将非电量或电磁量转化为所希望的电信号，从而达到控制或测量的目的。 在分料口，共需使用十个接近开关。一个产生定位信号，一个产生滑块堆积信 号，一个产生滑块到位信号，剩下七个为分类信号。由于需要对滑块实现定位、数 目检测、料位控制等功能，故均选用电感式接近开关。 电感式接近开关（GDKG）属于一种有开关量输出的位置传感器，它由 LC 高频 振荡器、信号触发器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁 场经由传感器的感应面释放出来。当有金属物体接近这个能产生电磁场的振荡感应 头，就会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振 荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，当信号触发器探测到这一衰减现象，便把 它转换成开关信号，由此识别出有无金属物体接近开关，进而控制开关的通或断。 本课题中，电感式传感器的检测方式为埋入式，在安装上为齐平安装型。 3.分料机构 若使用斜面导轨形式，在导轨侧面开七个口，当滑块滑到相对应的出料口时，由 电磁铁将滑块推出，以实现分类，这样做将增大设备体积，且无法保证滑块到了分 类口时不继续下滑，从而造成滑块不能准确地从分料口分类出去的后果；若采用曲 柄滑块机构，则滑块推出动作较慢，很难满足快速的任务要求。本课题采用圆盘分 料，既节约了空间，又保证了时间。步进电机带动圆盘旋转过一定角度后，由电磁 铁将滑块推出。分类结束后步进电机回到起始状态，等待下一个滑块的到来。 4.分料盘的设计 由于电感式接近开关所能检测的物体只可以是金属体，所以，分料盘的材料就 不能使用金属体，故选用安装方便的塑料盘。由于塑料盘质量较小，为了保证系统 的稳定性，在塑料盘下面再安装一个密度较大的钢质圆盘，直径约为塑料盘的 1/2。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 20 页 共 39 页 一个滑块的尺寸为 52735（mm） ，塑料圆盘的槽道宽度应留有足够的余量， 故需大于 35mm,槽道的圆周弧度取为 62mm。圆盘上每两两出料槽间应相隔 30， 故两槽道间隔圆周距离取 22mm，所以整个塑料圆盘的圆周长度为 100.8cm，为便于 制作圆盘，圆盘的半径取为 160mm。 由于合格的滑块占多数，所以在设计时，为尽可能减少步进电机的转动角度， 中间一个出口作为合格产品的出口，左右各设三个出口，电机停止转动时中间出口 和传动装置的出料槽口正好相对应衔接。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 21 页 共 39 页 4 控制系统设计控制系统设计 41 概述概述 1. 控制系统的作用 控制系统的作用是保证工作机的所有结构，能严格按照预定的顺序，协调地、 有节奏地实现运动和停止运动，是工作循环得以周而复始地进行。控制系统对生产 率和工作可靠性影响很大，因此，要求控制准确、灵敏、可靠、耐用和调整方便。 2.控制器选择 控制系统若采用单片机、单片板的话，单片机、单片板本身的可靠性差，易受 干扰，再加上输出线是两级的继电器输出，火花大，容易对控制系统产生干扰，常 会造成控制系统工作不稳定甚至死机。而 PLC 是专为工业环境应用而设计的，可靠 性高，I/O 接口模块丰富，软件编程简单，故选用可编程控制器 PLC。 3.控制系统框图（图 4.1） 4.控制要求 PLC 是整个控制系统的核心，直接完成对各部件动作的协调控制以及各运动位 置的检测。PLC 与工控机通过通信口进行通信，工控机读取 PLC 的通行口识别整个 系统的状态信息，并在工控机上有所显示。通过软件控制各个控制部件的运行。控 制软件主要完成初始参数设定、运行状态显示、容错检测和故障检测报警等功能。 当 PLC 得到工控机的分类信号后，输出相应脉冲，从而达到设定步进电机的移动距 离（旋转角度） 、速度、方向等参数的目的。 机械设备传感器 输 入 接 口 工业控制机 （工业 PC，PLC 等） 输 出 接 口 显示记录设备 控制单元 物 理 量 电 压 参 数 电压、电流 图 4.1 机械系统的控制组成框图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 22 页 共 39 页 5.控制流程 1）初始化，系统自检，各部件是否正常。主要判断 I0.2I1.0 有无信号,初始化 各寄存器,响应工控机等，如果正常,通过 RS485 向工控机发出准备好信号. 2）自检成功后，复位电机 2。读通信口，依据通信口的命令选择工作方式。测 试方式状态下，由工控机控制 PLC 的运行，进而控制电机的起动、运转。正常分类 状态下，起动传送电机 1。 3）扫描 I1.3I1.6，如有信号则分别启动相应探头。 4）判断位置传感器 8 检测有无滑块，如有，检查工业控制机传来的产品分类状 态，判断产品分类，并控制电机 2 旋转相应角度。如无，则等待。 5）电机 2 带动转盘按照产品的分类转动相应角度 i。 6）到位后，电磁铁 Q0.3 失电，弹出滑块。 7）判断感应传感器 1-7 检测出滑块分类到位信号，与所对应分类是否一致，如 不一致，则报警，一致则驱动电机 2 带动转盘复位，并告知上位机分类完成。判断 定位信号，是否复位成功，如否，则启动定位程序。 8）判断 I2.1 是否停机，如是，则切断电源。如否，转至 4） 。 注：急停信号用于特殊情况强制停机，不管分类是否完成,只要 I11 有效，则立 即强制停机.直至重新启动。 42 控制系统设计控制系统设计 1.控制系统的硬件组成 控制系统采用了基于 PLC 的现场控制模块。PLC 现场控制模块主要完成相关设 备控制以及一些开关量信息的检测等工作。首先启动上料机构，将滑块传输到待检 工位后，由 PLC 向中心控制单元发送请求信号，中心控制单元接受该信号后，完成 滑块厚度/平行度的原始信号的采集、分析及处理，并把处理结果反馈给本控制模块， 有本模块控制分类，并将已检测的滑块从相应的分料口分类出去，完成一次检测。 1）试验电路连接 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 23 页 共 39 页 2）硬件电路 2.PLC 的选型 1）PLC 概述 可编程控制器是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，随着高性能的 微处理器及位片式 CPU 的应用，使得 PLC 不仅具有计算机的逻辑控制功能，数据处 理功能，联网通信功能，而且能够代替传统的控制仪表，组成集散式控制系统。在 恶劣的工作环境下工作，PLC 具有抗干扰能力强，可靠性高的特点。PLC 梯形图语 言清晰直观，可读性强，易于掌握。此外，PLC 体积小，维护操作方便。正是由于 PLC 具有的种种优点，所以，在工业控制中，PLC 作为面向控制对象的下位机，已 广泛应用于工业控制的各个领域。 2）选型原则 世界上约有 200 多个 PLC 生产厂家，如美国的 AB 公司、莫迪康公司、GE 公 司、德国的西门子公司、日本的欧姆龙公司、三菱电机公司以及国内的浙大中控等。 它们一般满足用户各方面的需求，但在外形、结构、功能、网络通信和编程方法等 方面各有不同，对于不同的工业控制需求，应当选择合适的 PLC。 PLC 选型的关键主要是能满足基本控制功能和容量，并考虑维护的方便性、备 件的通用