滑块厚度综合检测平台控制系统硬件部分论文

本科毕业设计说明书（论文） 第 - 1 - 页 共 -35- 页 目次 1 绪论 . 3 1.1概述 . 3 1.2 国内外的发展概况及趋势 . 3 1.3本课题研究的意义 . 5 1.4 本课题拟采用的方法 . 5 1.5本课题的主要内容 . 5 2 滑块厚度综合检测平台控制系统总体设计 . 7 2.1检测平台总体设计概要 . 7 2.1.1检测平台及分料机构设计简介 . 8 2.1.2检测平台及分料机构控制要求 . 9 2.2控制系统总体设计 . 10 2.2.1概述 . 10 2.2.2控制系统的总体方案设 计 . 11 3 控制系统的硬件选型及分析 . 13 3.1概述 . 13 3.1.1 步进电机与驱动部分 . 13 3.1.2 状态检测及报警设计 . 13 3.2步进电机选型及布置 . 14 3.2.1步进电机步距角的分析 . 14 3.2.2步进电机转速的分析估算 . 15 3.2.3负载转动惯量和转矩的估算 . 16 3.2.4选型 . 18 3.3接近开关 . 19 3.4电磁铁的选型 . 20 3.4.1弹簧预紧力的分析估算 . 20 3.4.2选型 . 21 3.5 PLC硬件系统设计及选型 . 21 3.5.1 PLC的选型 . 21 3.5.2 PLC的 I/O 点分配 . 22 3.5.3 PLC与工控机的通信协议 . 25 3.5.4驱动器的选择 . 27 3.6控制系统硬件总体连接图 . 28 4.控制系统软件简介 . 29 4.1 概述 . 29 4.2软件的功能 . 29 4.3软件的实现方法 . 30 4.4软件流程图 . 30 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 2 - 页 共 -35- 页 5 全文总结 . 32 致 谢 . 34 参考文献 . 35 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 3 - 页 共 -35- 页 1 绪论 1.1 概述 滑块是空气调节器中的一个关键性部件， 其加工要求的平行度、垂直度和尺寸精度都很高，滑块的加工质量、 几何尺寸、形位公差、表面粗糙度等 会严重影响空气调节器的性能指数， 图 1-1所示为滑块外形图。 图 1-1 随着空气调节器的发展，滑块的需求量越来越大，对 其精度要求越来越高，而目前，滑块厚度的检测仍然依靠手工操作。工作人员利用测量工具对滑块进行测量，然后对滑块是否合格进行估计分类。这种方法 存在检测速度慢（一个工人一个班次只能检测几百块），效率低，人为因素影响大的问题， 严重制约了滑块的生产效率，而且容易受主观因素影响，无法得到精确的数据。 科学技术的发展要求生产向着快速、灵活、高质量、大批量的自动化方向发展，与此同时，产品检测能否跟得上生产的速度就决定了工厂效益的高低，尤其是对大批量生产的重要元件的检测，靠人工检测费时、费力。因此，如果能有一条自动检测生产线来 取代原来的手工操作，就显得非常必要。因此， 由宁波市科技局提出、南京理工大学承担研制一套自动化程度高、检测效率高的滑块厚度综合检测平台。该系统可以达到自动检测滑块的尺寸，以减轻工人劳动强度，节省大量的人力、财力、物力，并提高检测的正确率，使产量与检测同步，以提高生产效率和经济效益。 1.2 国内外的发展概况及趋势 成件物品分拣是将众多的不同物品，迅速地按其要求分送到众多目的地的一 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 4 - 页 共 -35- 页 种物料搬运过程。过去，成件物品分拣一般用人力和借助简单机械来进行，其主要缺点是劳动量大，效力低，差错率高。 随着生产及商业连锁经营模 式的发展和商品品种的激烈增多，目前物品分拣系统已成为各种行业，如邮政、医药、烟草、图书等末端配送中心的重要设施，也是物料搬运自动化的一个重要分支。 双向滑块分拣系统主要由前处理设备、双向推块分拣主机、后处理设备、控制装置及电脑管理等四部分组成。 1.前处理设备包括双向滑块分拣机之前向双向滑块分拣机输送物品的进给台及其他辅助性输送机和作业台等。进给台的功能主要有两个：一是操作人员利用输入装置或条码识别装置将各个分拣物品的尺寸、目的地址送入资讯处理系统，然后经控制器转换为确定推块方向、位置、数量和驱动分岔机构等 一系列指令；另一个是控制分拣物品进入分拣主机的时间和速度，使进入分拣主机的物件与分配好的推块同步，确保和物件准确分拣。其他辅助性输送机则是向进给台输送分拣物品，可根据分拣系统现场的要求和条件来设置。 2.双向推块分拣主机是系统的核心设备，由板式输送机、推块、道岔等关键部件组成，根据控制装置的指令、通过滑块将分拣物品分拣到相应的下线格口。 3.后处理设备一般指设置在双向滑块分拣主机两侧的下线格口，其功能是暂存经分拣的物件。下线格口有多种类型和表式，如：有动力和无动力、滑槽和排轮结构等，以适应不同需求，线格口一 般设有预满格及满格声光提示功能。格满后，由人工收集和装车发运，也有直接将伸缩式输送机或其他输送机连接下线格口组成后处理系统，以提高分拣效率。 4.控制装置及电脑管理是对物品分拣资讯和处理，给系统设备各执行机构发出动作指令，使物品迅速、准确地在预定的分拣口进入目的地，完成对物品的分拣搬运处理。电脑管理主要是对系统中各设备运行的资料进行记录、监测和统计，相关生产资料、技术资料、各类报表等的整理和列印，并能与上位机联网，实现网路管理。 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 5 - 页 共 -35- 页 1.3 本课题研究的意义 本课题意在研制出一套滑块厚度综合检测平台系统，利用系统 的自动检测功能，来取代原有的人工检测，以达到减轻工人劳动强度、提高生产效率的目的。滑块自动检测装置的应用，将有效地提高企业的自动化水平，在提高了测量精度的基础上，极大 地 提高工厂的生产检测效率，提高产品质量和竞争力，可以产生极大的经济效益。因此，此检测装置的设计和应用，具有极高的实用价值与推广价值，有着重要的意义 。 1.4 本课题拟采用的方法 随着科技的不断发展，检测自动化已成为一种提高效率、提高检测结果精确性的重要途径。 传统的滑块检测主要依靠工人手工打表的方式，对滑块是否合格进行检验。人工检测存在检测速度 慢、效率低下、人为因素影响大等问题。因此，滑块的自动化检测成为必然。本课题中 滑块的传送、分料、滑块厚度的检测等动作全部由系统进行自动化检测，这不仅能够大大提高测试效率，还能减少工作人员的主观因素对测试结果精确性的影响。要 达到滑块厚度尺寸的自动检测的目的，本系统主要采用的是流水线式导轨结构，在导轨中完成滑块的运行及其翻转和旋转，并在完成综合检测后自动分料，导轨用步进电机带动双面同步齿形带传动，分料机构部分用步进电机带动，电磁铁得失电来实现；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，实现对滑块检测、分料过程的实时监视和自动控制。 1.5 本课题的主要内容 本文的主要内容如下： 第一章绪论部分介绍了滑块厚度综合检测平台的研制原因、目的、作用以及国内外在该课题方面的发展概况及趋势，并阐述了本课题研究的方法、手段及意义。 第二章介绍了滑块厚度综合检测平台系统的总体设计，阐述了滑块厚度综合检测平台系统的要求、系统组成、各组成部分的功能以及控制系统的总体设计。 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 6 - 页 共 -35- 页 第三章介绍了控制系统硬件部分的选型及分析，其中详细介绍了对步进电机、感应开关、电磁铁、 PLC和驱动元件的选择，对 PLC的 输出输入口的分配及PLC与工控机的通信协议做了介绍，最后生成控制系统硬件接线图和电路图。 第四章控制系统的软件设计简介，对软件的要求、功能、实现方法及流程图做了简单的介绍。 第五章全文总结中介绍了本人通过在本课题中工作所得收获，以及在工作中发现的不足、有待解决的问题等。 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 7 - 页 共 35 页 2 滑块厚度综合检测平台控制系统总体设计 2.1 检测平台总体设计概要 根据 协议要求 ，该滑块厚度综合检测平台应满足以下几点要求： 1、 检测速度为每个平台 2万块 /天，流水式，带传动； 2、 分别以滑块的两个面为定位基准，测出两组数据； 3、 电机要正 反转且要旋转所需要的相应的正确的角度； 4、 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； 5、 系统具有一定的容错能力，通过调节驱动机构的电机转速和设计滑块堆积感应开关来实现对滑块队列的检测，充分保证滑块的队列有序可靠通过，并且即使出现滑块卡位、不能完成正确分类，也不会出现系统崩溃或误分类等现象。 据此，滑块厚度综合检测平台的总体设计思想为：采用传感器进行测量，测量的分辨率高，能保证所需要的测试精度；各个测试数据点独立测量，流水式进行，以保证测量的效率；利用数采卡采集数据，并计算各个指 标，以综合判断该滑块合格与否，并进行分组。 滑块厚度综合检测平台系统总体结构可分成三大功能单元，即传送系统、控制系统和自动分料系统。系统整体结构如图 2-1所示。 图 2-1 系统整体结构图 此外， 为满足安装和使用的方便，在总体结构的设计中作了如下几点考虑： 1、 为避免因摩擦产生的影响，在设计传送带时，我们采用组合式的滑块夹具，即在外滑块夹具内 配上圆形的与滑块相配的内夹具，尽量减少滑块与导轨的摩擦，PC/PPI 控制信号 分类控制信号 位控信息 传动控制 传感器信号 传动测量机构 工 控 机 RS-232 PLC RS485 分类控制系统 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 8 - 页 共 35 页 且要有滑块保护罩； 2、 由于滑块合格产品占多数，在设计时，把中间一个出口作为合格产品的出口，考虑到 要尽可能地减少步进电机的转动角度，在出料口左右两边各设三个分料出口； 3、 为使传送带具有良好的稳定性，需要设计压带轮部件，以压带轮弹簧的弹性减弱外部环境引起的震动； 4、 在设计 测 头夹具时，要考虑到如何保护传感器探头 及有效夹紧 。 2.1.1 检测平台及分料机构设计简介 自动检测平台由测量平台和传动机构组成。测量平台是滑块几何量测量的基准，其精度远高于滑块的精度。检测平台要实现滑块的平稳传送，避免震动引起附加的测量误差，另外 检测平台应该具备较高的精度、可靠性和稳定性，在工作中能给出精确数据的同时，不会出现系统崩 溃的情况。检测平台传动机构如图 2-2所示。 图 2-2检测平台传动机构 在滑块厚度检测结束后，要根据不同结果把它们分成七类。这七类分别为： 1）滑块厚度合格、平行差合格； 2）滑块厚度合格、平行差超差； 3）滑块厚度超上限、平行差合格； 4）滑块厚度超上限、平行差超差； 5）滑块厚度超下限、平行差合格；6）滑块厚度超下限、平行差超差； 7）备用出口。 这就涉及到了如何在规定的时间（ 2秒钟）内正确无误地 完成自动分类。 因此，我们用一个分料装置来实现所有类型滑块的分类是比较理想的。 该套装置 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 9 - 页 共 35 页 共设 7个分料口 ， 按厚度和平行差工艺 进行分组， 把中间一个出口作为合格产品的出口，再考虑到尽可能减少步进电机的转过角度，在出料口左右两边各设三个分料出口，当滑块滑到相对应的出料口时，由电磁铁 失电 将滑块推出，以实现分类。这样，就形成了本课题中的分料口设计。 自动分料系统主要包括：转盘、滑块吸收座、电磁铁、电动机、减速器、安装座、出料导轨等装置。在分类的过程中， PLC 通过对安装在系统中的感应开关来判断分类过程中的各种状态。如：滑块到达、定位信号、分类完成等等。如果发现非正常状态，则向工控机发出相应的报警信号告知工作人员，以方便排除故障。分料机构简图 如图2-3所示。 图 2-3 分料机构示意图 2.1.2 检测平台及分料机构控制要求 滑块由进料口进入自动化检测流水线，在测量过程中，相对于工作台以速度 V作滑动运动。为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。传动测量机构采用同步带传送，在测量传感器前加了压紧装置，从而大大减少了传动机构对测量过程的影响。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 ,滑块在运动过程中要旋转 90 度，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。传动平台示意图如图 2-4所示，系统安装有两个步进电机，电机 1控制同步带的传动，电机 2控制分料机构转盘的转动。 分类机构由 PLC 依据接收到的分类信息控制步进电机旋转相应的角度，将滑块分 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 10 - 页 共 35 页 类出去。 PLC对分类电机的控制是通过 PTO（高速脉冲串输出）的方式。 PTO方式中，可输出多个脉冲串，并允许脉冲串排队，以形成管线。依据管线的实现方式分为单段管线和多段管线。本系统中采用多段管线的方式，通过在变量存储区建立包络表的方式，控制输出脉冲的 周期和脉冲数，从而达到对步进电机的速度和转动角度精确控制的目的。然后由电磁铁失电将滑块推出到对应的出口。分类结束后步进电机复位回到起始状态，等待下一个滑块的到来。 图 2-4 传动平台示意图 如图 2-4所示，滑块随传送带运动到下面的测量平台时，刚好翻转了 180度。 在分类的过程中， PLC 通过对安装在系统中的感应开关来判断分类过程中的各种状态。如：滑块到达、定位信号、分类完成等等。如果发现非正常状态，则向工控机发出相应的报警信号告知工作人员，以方便排除故障。 2.2 控制系统总体设计 2.2.1 概述 控制系统的作用是保证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。 滑块厚度综合检测平台控制系统是基于工控机 -PLC 模式构成的一个集散控制系统。工控机作为监控管理层实现对整个系统的管理工作，并且对整个系统进行监视、控制和调度。 PLC 作为控制执行层，完成局部的控制工作。工控机把管理决策、控制任务、控制参数和调度命令通过通信电缆传送给控制层 PLC， PLC 也要通过 电缆把控制过程的参数、控制进程和控制数据传送给管理层。 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 11 - 页 共 35 页 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。 控制系统应完成的功能有： （ 1）确保完成滑块在流水线上的稳定传送，保证滑块按进入系统的先后形成的队列传送，并且要充分保证队列的有序 性和完整性； （ 2）确保完成滑块的正确分类。电机需要旋转相应的正确的角度以控制各部件按照预定的轨迹、动作把滑块从进入滑道到正确分类出去； （ 3）前级传动机构的速度不应快于后级分类机构，且至少应保证在分类机构没有完成分类时，没有滑块进入分类机构； （ 4）保证分类机构能够自动复位，当步进电机失步时，分类机构能够自动复位； （ 5）当多有于一个滑块进入分类机构时，要告知工作人员系统故障，同时，能判断分类电机的工作是否正常，输出角位移是否正确； （ 6）控制系统应具有一定的容错能力。当出现一般性错误时，系统能够自我修复 ，不影响系统的正常工作，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。 该控制系统是以 PLC为控制核心，通过与工控机的通信，执行工控机的命令。在工控机与 PLC接口时，由于 PLC采用的是 RS-485标准与工控机 RS-232标准不兼容，必须通过 PC/PPI 电缆进行转接。工控机是整个系统的管理者，控制测量传感器测量流水线上滑块的几何参量，并通过计算得出滑块分类信息。 PLC 是整个系统的控制执行核心，主要完成系统驱动控制、状态检测、命令执行等功能。 PLC 通过接收工控机的分类信息和控制信息控制分类机构和传动机构的运行。 2.2.2 控制系统的总体方案设计 本控制系统主要包括工业控制计算机、 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等，结构简图如图 2-5所示 。各部分在本监控系统中的功能介绍如下： 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 12 - 页 共 35 页 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 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。 PLC 与工控机通过通信口进行通信，工控机读取 PLC 的通信口以识别整个系统的状态信息，并在工控机的控制软件上显示，通过软件控制各部件的运行。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。 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 2-5 监控系统的组成框图 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 13 - 页 共 35 页 3 控制系统的硬件选型及分析 3.1 概述 控制系统硬件设计主要包括对传感器、步 进电机、电磁铁等元器件的选择，对输出驱动方式和驱动元件的选择以及对人机联系方式的选择，最后生成控制系统原理图和接线图。系统所选用的传感器要有较高的灵敏度和较大的信噪比，响应速度快，稳定性好，抗干扰能力强。 就硬件而言，系统所用元器件质量的优劣和结构工艺是影响可靠性的重要因素，故应合理地选择元、器件，在设计时对元、器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数应留有一定的安全量，并对元、器件进行老化和筛选。所选用的元、器件在满足技术要求的前提下应尽可能选择价格低的元、器件，且元、器件的工作温度环境应大于所使用环境 的温度变化范围，系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。 本控制系统主要是由以 PLC为中心的电机驱动部分、通信部分、状态检测部分和报警部分组成。 控制系统硬件采用微机 -PLC 模式，工控机是整个控制系统的核心，完成检测、控制处理检测过程中的各种问题和提供人机交互的界面； PLC 是地层的控制执行核心，驱动执行机构完成各种控制命令。它们之间的接口就是通信协议。 3.1.1 步进电机与驱动部分 步进电动机是将 PLC 输出的电脉冲转换成与电脉冲成正比的角位移或直线位移的执行元件。前级传动部分步进电机主要完成流水线的速度控制， 后级分类机构则要精确控制步进电机的输出角位移和方向。步进电机在运行时可能会出现失步现象，可在后级增加光电编码器对电动机的输出相位做出控制，以确保与实际的输出相位一致。后级分类电机采用正反转定位的方式，以消除电机的累计误差，保证电动机每次都从零位置起输出一定的角度。 3.1.2 状态检测及报警设计 通过安装在系统各个位置的感应开关判断系统运行过程中的状态，是否与已设定的状态一致。当出现异常时，系统应发出警报。报警方式设计为声光报警的方式，依据错误的严重性而不同。 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 14 - 页 共 35 页 3.2 步进电机选型及布置 检测平台前级传送系统 需要电机带动运转，且转动速度不能太快，以免造成滑块的堆积。考虑到电机的正反转控制及失步问题，因此我们选择步进电机，且直流电机启动时，起动转矩 TS（ 1.1 1.2） TL ，起动电流 IS（ 2 2.5） IN，机械特性硬，起动转矩大，而步进电机结构简单，运行可靠，控制方便， 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点 ， 使得在速度、位置等控 制领域用步进电机来控制变的非常的简单 ，因此我们选择步进电机 做系统的前级传动机构的起动电机。 后级分料机构中要将滑块正确的分类到对应的出口，需要电机旋转相应的正确的角度，直流电机不易调速，且若平滑调速，需采用大量的接触器和继电器，而系统对电机的转速要求很高，步进电机的步距角不受电气、负载和环境条件的影响，具有启动、停止、正转、反转容易控制等优点，而且可以实现数字信号直接控制，因此我们选用步进电机。 步进电机 是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 电机转过的角度与输入的脉冲总数成正比，转速与输入脉冲的频率成正比。 在本设计中，步进电机的选型主要考虑以下几 点： 1. 要有足够小的步距角，满足精度要求； 2. 提供足够大的输出转矩； 3. 提供足够大保持转矩和静转矩； 在本装置中，步进电机的主要作用是在给定频率的数字脉冲信号驱动下，驱动 V形带、转盘转动，实现滑块传送和分类。而要可靠有效地完成上述功能，必须考虑步进电机驱动电源的脉冲频率与所带负载的转矩和转动惯量之间的关系。 3.2.1 步进电机步距角的分析 对于使用步距角定位的系统，步距角大小的选择直接影响到负载的定位精度，步距角的精度通常用步距角的百分比来衡量， 一般步进电机的精度为步 距 角的 3-5%， 且不累积 。 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 15 - 页 共 35 页 目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度 /0.72度（五相电机）、 0.9度 /1.8度（ 二、四 相电机） 1.5度 /3度（ 三 相电机） 等。 步进电机的步距角是由转子齿数、定子相数和通电方式所决定的，即： b=kmCZ360其中 m 为相数， C 为状态系数，采用单、双拍通电方式时 C=2，采用单拍或双拍通电方式时 C=1。步进电机的步距角越小，定位精度越高，故应选择尽可能小的步距角。 3.2.2 步进电机转速的分析估算 电机转速有如下两个换算公式： 1 = （ 180/ ）； 1 r/m =60 /s = /30 /s 本课题中，需在 2s 3s 间完成滑块的分类，最大的分类角度约为 maxi=90。假设：当分类角度约为 30 时， 电机通过直线加速后刚好达到稳定频率就减速，恰好停止在准确位置。则 设转盘转过 30所需时间为 t1，则其转过 90所需时间为 t2： 则： t2=1s 1.5s t1= t2/2=0.5s 0.75s。 即：电动机起步时，分料转盘在 0.25s 内转过 15。 所以，在加速启动阶段内，转盘平均角速度 （ /s）和平均转速 n （ r/m）分别约为： = 1/ t1 =30/（ 0.5 0.75） =40 60 /s =2/9 /s /3 /s n =30 / =7 r/m 10 r/m 加速时间 t(s)约为： t=0.25s 0.375s 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 16 - 页 共 35 页 角加速度 ( /s2)约为： =2 /t =（ 2/9 /3 ） 2 /（ 0.25 0.375） =16 /9 /s2 在电动机正常匀速转动时，其转速 n 为： n=2n =14 r/m 20 r/m 显然，转盘的转速太低， 可通过减速装置 提高电机转速，使其 工作 在较合适期间 ，初步设减速器传动比 i =1:5 则电机转速 n（ r/m）约为： n =n /i =(14 20)5 =70 r/m 100 r/m 电机转速 n（ r/m）与脉冲频率 f（ KHZ）的关系： n =1000 f /6 f =6n/ (1000) =(420 600)/360 =1.17KHZ 1.67 KHZ， 综合考虑电机的启动与停止加、减速的存在，取 f=1.5 KHZ。 3.2.3 负载转动惯量和转矩的估算 在分析负载转动惯量时，我们可以简化认为电磁铁和滑块吸收座是均匀分布在转盘上的。转盘是塑料的，跟其下面的钢质的圆盘比起来可忽略不计。我们可以近似认为该负载质量为 m=0.9 kg，半径为 r=4 cm。 所以，负载的转动惯量 J (kgm 2)约为： J =1/2mr2 =1/20.90.0016 =7.210 -4 kgm 2 旋转盘转矩 TL（ Nm ）约为： TL =J 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 17 - 页 共 35 页 =7.210 -4 16 /9 =4.0210 -2 Nm 1. 力矩 驱动惯性体时的运动方程式（ 1-2）所述： (1-2) 式中 JM 电动机转子的转动惯量， kgm 2； JL 换算到电动机轴上的符合转动惯量， kgm 2； 角速度， rad/s； TL 负荷转矩， Nm ； T 所需转矩， T=加速度转矩 Ta+负荷转矩 TL， Nm ； g 重力加速度， 9.8 m/s2 加速度转矩在变速区内进行驱动时，根据加速、减速的方式而定。本课题中，步进电动机的加减速运动图形为直线， 如图 3-1所示 。 图 3-1 步进电机直线加速和减速运动图形 直线加速场合下，加速转矩按式（ 1-1）计算： （ 1-1） 式中 f1 自 启动区内的脉冲速度，个脉冲 /s； f2 变速区内的脉冲速度，个脉冲 /s； t1 加速时间， s； 步距角，度 /步。 把负载转动惯量换算到电动机转轴上，考虑到减速器的转动惯量，减速器效率取 =80%，安全系数取 1.3左右，得： T Ltg J LJ MT 步进频率（速度） 时间（步数） t1 t0-2t1 f2 f1 tffgJ LJ MT a 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 18 - 页 共 35 页 JL =1.3J =7.210 -41.3 =9.3610 -4 kgm2 加速时间： t1 = ta=0.25s 初选电动机转动惯量 JM 为： JM 460 gcm2 则，由式（ 1-1）得： Ta =（ JM +J L） =(0.4610-4 +810-4)20/3 =1.7310-2 Nm 取 安全系数 为 1.3左右， 选用 电机的保持转为： T 1.731.310-2 Nm =2.2510-2 Nm 3.2.4 选型 步进电机的基本结构型式有： 1.反应式步进电机：亦称磁阻式（ VR）步进电机。其定转子磁路均由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。其特点如下： 1）步距角小。最小可做到 10左 右； 2）要求驱动电源功率较大，系统效率较低； 3）电机的内阻尼较小，但不运行振动时间长； 4）断电时没有定位转矩。 2.永磁式步进电机：转子 或定子的某一方面具有永磁钢的步进电机，另一方面由软磁材料制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。其特点： 1）步距角大； 2）相数为偶数为多； 3）启动频率低。负载启动频率一般在 300Hz 以下； 4）控制功率小； 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 19 - 页 共 35 页 5）内部电磁阻尼较大，单步镇当时减小； 6）断电时具有一定的保持转矩，可用作定位使用。 3.混合式步进电机：转子上有磁钢，但从定子或转子的导磁体来看，又和反应式步进电机相似，是反应式和永磁式电机的结合，又称作感应子式步进电机。具有反应式步进电机步距小，响应频率高等优点 ,还具有永磁式步进电机励磁功率小、效率高和有定位转矩等优点。 由于混合式步进电机综合了前两种的优点，不仅步距角小、具有定位转矩，而且能输出较大的转矩，故本系统选用之 。 根据对步进电机的步距角、步进电机转速、步进电机力矩、步进电机保持转矩的分析计算， 并且 综合考虑系统各项因素，我们初步确定选用北京四通公司的混合式步进电机， 型号为 56BYG250D，其主要技术参数为：步距角 为 0.9/1.8，保持转矩mM不小于 1.72 N m，定位转矩dM为 0.07 N m，空载启动频率kf为 3.0 KHZ。 其矩频特性如图 3-2 所示： 图 3-2 电机矩频特性 3.3 接近开关 接近开关的功能是当某种物体与之接近到一定距离时就发出动作信号，告知系统，不像机械行程开关那样需要施加机械力。接近开关是通过其感应头与被测物体间 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 20 - 页 共 35 页 介质能量的变化来取得信号的，接近开关的应用已远远超过一般行程控制和限位保护的范畴，可用于高速计数、测速、液面控制、检测金属物体是否存在 及其尺寸大小、作为无触点按扭等。即使用作一般行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命及对恶劣环境的适应能力也比普通机械行程开关高。 接近开关是本系统中应用最为广泛的传感器，在本系统中主要用作状态检测。 3.4 电磁铁的选型 电磁铁通电时，线圈产生的磁通作用于衔铁，产生电磁吸力，并使衔铁产生机械位移，把衔铁吸下来，工作电路闭合，衔铁吸附住滑块。电磁铁断电时失去磁性，衔铁复位时复位弹簧把衔铁拉回原位，切断工作电路，电磁铁失电将滑块弹出到相应的出口。 本课题中，滑块厚度检测结束传送到分料机构后要实现滑块的正确分类， 而分类是靠电磁铁的得电失电来完成。 本课题的目的是将检测结束后的滑块实现分类，我们选用推拉式电磁铁，原因是基于它的结构特点： 线圈用高导磁率外壳覆盖住，由于辅助磁路的作用会产生很大的吸引力。在线圈上施加电压，衔铁就被吸引到线圈的那边，如果使用安装螺栓侧的轴，就发生推动作；如果使用衔铁侧的轴，就发生拉动作，两者都能使用。 在本课题中，我们使用衔铁侧的轴，在使用时将磁扼安装在固定支架上，而将衔铁活动地连接于牵引杆上，当吸引线圈通电时衔铁被吸合，经过连杆带动滑块吸收座中的推杆复位，在线圈断电时，复位弹簧依靠变形能将 衔铁拉出，同时带动推杆将滑块弹出。 3.4.1 弹簧预紧力的分析估算 弹簧行程为 f =5mm ，所以选电磁铁行程 ff =5mm 弹簧预紧力： F1 k1 f1 k1（ H0-H1） = k1（ 91.2-22） 5.4 N 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 21 - 页 共 35 页 k1=0.0780 N/mm F2 k2 f2 k2（ H0-H2） = k2（ 91.2 27） = 4.8 N k2 0.0748 N/mm 因为 k1 k2，所以，取弹簧刚度系数 k = k1 = 0.0780 N/mm。 弹簧最大工作力取 F1 = 0.0780*64.2=5.4 N 考虑到温度变化地、电压变动等因素，取安全系数 1.5=2 ， 所以，选用电磁铁吸力 F F2= 10 N 3.4.2 选型 根据上面所计算的吸力、行程等参数可知，该系统需要电磁铁对吸力和行程的要求较低。 综合比较各参数，通过查阅电工手册，我们最终选定型号为 MQ1-1.5N（ -5101）的电磁铁。 其技术数据 如表 1 所示 ： 表 1 使用 方式 额定吸力（ N） 额定电压 （ V） 额定行程（ mm） 通电率（ %） 操作次数（次 /小时） 消耗功率 起动 吸合 拉动式 15 220 20 60 600 450 67 此电磁铁通过一角形铁，固定在塑料转盘上。考虑到动平衡因素，与滑块吸收座沿转轴成惯性力矩对称分布。 经实验证明，此电磁铁满足各方面性能要求。 3.5 PLC 硬件系统设计及选型 3.5.1 PLC 的选型 可编程控制器是一种典型的采样控制系统，是以微处理机为基础，综合了计算机 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 22 - 页 共 35 页 技术、自动控制技术和通信技术而开发的一种新型工业自动控制装置。它通过循环方式进行闭环控制，包括数字量和模拟量控制。它既可进行顺序控制，也可实现过程控制，随着微处理器技术和通信技术的发展，可编程序控制器已不仅仅是传 统意义上的控制元件，其功能日益完善， 具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适应测试环境等一系列优点。 其广泛应用在机械系统、生产流水线及过程工业的自动控制领域，具有性能稳定、高可靠性、强抗干扰能力、功能强大及硬、软件开发方便等特点。因此，本系统选择 PLC 作为系统控制的核心，完成对各部件动作的协调控制。 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、备件的通用性、系统可扩展性以及能满足特殊功能要求等，即应最大限度地满足系统的控制要求；力求使控制系统简单、经济，且保证控制系统安全可靠；。由于本课题中的检测平台有连续性 , 应尽可能地考虑将来新增功能要求，考虑选择比较新型 PLC , 由于西门子公司的产品质量比较有保障 , 且技术支持、售后服务较完善 , 有利于产品扩展与软件升级，所以我们确定选用西门子公司 生产的 PLC。 PLC一般是根据其输入输出点数及存储器容量的大小来分类 , 在 PLC 选型之前首先确定系统 I/ O 点数和存储器容量。 3.5.2 PLC 的 I/O 点分配 控制系统的输入和输出信号的名称、代码及地址编号如表 2 所示。其中，当有输入信号时为 1，无信号输入时为 0。 表 2 名称 代码 地址编号 输入 急停（中断输入 1） I1 I0.0 中断输入 2 I2 I0.1 :分类一完成信号 IC1 I0.2 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 23 - 页 共 35 页 分类二完成信号 IC2 I0.3 分类三完成信号 IC3 I0.4 分类四完成信号 IC4 I0.5 分类五完成信号 IC5 I0.6 分类六完成信号 IC6 I0.7 分类七完成信号 IC7 I1.0 滑块到达信号 IA1 I1.1 启动信号 IS1 I1.2 传感器 1 启动监测信号 1 IT1 I1.3 传感器 2 启动监测信号 2 IT2 I1.4 传感器 3 启动监测信号 3 IT3 I1.5 传感器 4 启动监测信号 4 IT4 I1.6 滑块重叠信号 IR1 I1.7 定位信号 IP1 I2.0 停止信号 IS1 I2.1 手动输入 I3 I2.2 备用 I2.3 I2.7 输出 电机 1 脉冲输出 OP1 Q0.0 电机 2 脉冲控制 OP2 Q0. 1 电机 2 正反转控制 OD1 Q0.2 电磁铁吸放 OD2 Q0.3 状态正常指示 ODS1 Q0.4 本科毕业设计说明书（论文） 第 - 24 - 页 共 35 页 报警指示 OAD1 Q0.5 分类错误报警 OAD2 Q0.6 滑块堆积报警 OAD3 Q0.7 传感器 1 感应到滑块到达指示 OA1 Q1.0 传感器 2 感应到滑块到达指示 OA2 Q1.1 传感器 3 感应到滑块到达指示 OA3 Q1.2 传感器 4 感应到滑块到达指示 OA4 Q1.3 报警铃 ALA Q1.4 备用 Q1.5Q1.7 由表 2 可以得出，该系统共有开关量输入 18 个、高速脉冲输出 2 个、其他输出11 个。如果选用 CPU224，则必须扩展输入模块。考虑到控制系统的程序较复杂、需要存储空间较大。而且，市场价格 CPU224（选用 CPU224和扩展模块的价格）与 CPU226相差不大，况且考虑到本系统只是厚度检测，还要高度、平行度等检测系统，构成网络化检测系统是一个发展趋势。因此选用有两个通信口的 CPU226 更加合理。 根据滑块厚度综合检测系统的控制功能要求可知，系统控制主要是通过工控机控制 PLC 来实现，因 此，所选 PLC 需提供两个通讯口来实现各自的通讯功能；系统所监控的对象皆为开关量，且所需的输入输出点数不是很多，故小型 PLC 即可满足要求。同时，考虑德国西门子公司推出的 S7-200 微型 PLC 系统组合扩展方便，结合了一体化 PLC 和模块式 PLC 的优点，功能齐全，具有灵活便捷的通讯、系统诊断及中断处理、高速计数等功能，且具有极高的性能价格比。 本系统中，主控模块选择 SIEMENS CPU 226 DC/DC/DC，安装在线路板的标准DIN 导轨上；由于此模块已能满足系统监控要求，故没有选用扩展模块，如以后系统功能扩展 需要可进行自由选择。主控模块 SIEMENS CPU 226 DC/DC/DC 包括 中央处理单元 CPU、电源、 数字 输入输出点