5-设计说明书-镜片磨边扫描系统运动控制系统设计-陈裕杰

集美大学本科毕业设计（论文）PAGEPAGE30引言如今，视力障碍患者越来越多，为了矫正视力，恢复明亮，诸多人们的选择是佩戴眼镜。庞大的市场需求刺激眼镜行业的急剧扩张。早期，镜片的磨边是用手工的砂轮磨制，选用此种加工方法对眼镜从业人员的工作量与疲劳强度有很大的冲击，而且纯手工磨制的镜片不仅外形轮廓粗糙，而且根本无法保证瞳距、瞳高等必要的医学参数。因此，新的工艺，新的技术被引入其中，即自动磨边机。但是所谓的自动磨边机并不能真正实现全自动磨边，在镜片磨边之前需要根据镜架的形状来定制相应的模板，然后在磨边机上通过靠模的方式实现镜片毛坯加工成形。这就导致每一种镜框都事先准备好模板，然后根据用户的选择使用相应的模板来磨镜片。但是通过选择模板去磨镜片，是用户对于镜架的选择少了许多而且磨边效率和精度难以得到保证，因此需要开发数字控制磨边系统来代替现有的自动磨边机，真正实现全自动镜片磨边。其中，镜架的扫描是最为重要的，对于镜架的内槽的扫描，从而获取轮廓参数并传递给数控磨边机从而实现加工的全自动，这样就可以缺省掉了模板的定做。所以我们需要做的是扫描器的设计，得到一个机构小巧，测量精度高，控制简便的镜架扫描仪。本课题是设计镜框数据测量的运动控制系统，扫描仪的结构中包含镜架的加紧机构，动作则是加紧与松开；升降机构的上升与下降；由于镜架是对称的，因此还需要一个能够横向运动的机构进行另一边的镜架的检测与复位；另外，需要一个回转机构实现镜框的扫描以及扫描仪的探头的前进和后退的控制。众所周知，镜架的材料一般式采用塑料、板材、或者较为柔软的金属，所以，对于加紧的机构的控制对夹紧力的设置需要恰当，另外，升降台的上升高度需要十分精确，以致每次测量都处于镜框内槽的正中心。还有，尽量减少控制按钮，在保重动作精确的前提下使操作者更加方便操作，减少操作者的工作量并且提高整个配镜的效率。镜片磨边数控系统是光机电一体化的产物，它涉及了机械设计技术，嵌入式微控制器技术，光电检测技术，驱动与执行技术，信息技术等多方面的知识。光机电一体化的产品与传统的机械产品相比具备了许多优点，在功能和性能上都有相当大的超越，因而目前应用相当广泛。光机电一体化的应用研究与发展受到越来越多人的关注，是当今科技发展得热门之一。现在，自动化是一种发展趋势，是一个注重效率与利益的社会。将自动磨边机加以赶紧，从而实现真正意义上的自动化加工。本课题的大致设计是这样：了解扫描机的原理，清楚扫描机的所有机构，选择适合的可编程控制器；选择适合的电机驱动器与继电器；制定出扫描仪的功能流程图，同时绘制其的状态转移图（SFC图）与控制状态梯形图（STL图）、指令表；画出镜片磨边扫描仪的控制电路图1.镜片磨边扫描系统运动控制系统的总体设计1.1控制方案下图1-1为镜片磨边扫描系统机构机构图，包含四个机构，夹紧机构、测量机构、升降机构、横向运动机构。其中标注的7个位置为放置限位开关的地方。扫描头SQ5SQ3SQ6SQ4SQ7SQ1SQ2扫描头SQ5SQ3SQ6SQ4SQ7SQ1SQ2图1-1镜片磨边扫描系统机构机构图图1-1为镜片磨边扫描机构的二维图，所设计的方案为，按下夹紧按钮SB2，夹紧机构电机带动滑台前进，同时时间继电器T0开始计时，计时一段时间后对眼镜镜架的实现夹紧，整个工作台上行，上限位开关1变为ON，扫描头向左边镜框内槽靠近，同时时间继电器1开始计时，计时一段时间后探针接触镜框内槽并且有一定压缩量，齿轮1带动齿轮2旋转，即回转台旋转，同时时间继电器T2开始计时，探针沿着镜圈内槽进行数据点的采样,计时一段时间即实现旋转台旋转一圈之后停止旋转，扫描头后退，限位开关2变为ON，工作台下降，下限位开关3变为ON，整个工作台往右运动，右限位开关4变为ON，工作台上升，右上限位开关5变为ON，扫描头向右边镜框内槽靠近，同时时间继电器1开始计时，计时一段时间后探针接触镜框内槽并且有一定压缩量，齿轮1带动齿轮2旋转，同时时间继电器T2开始计时，探针沿着镜圈内槽进行数据点的采样,旋转台旋转一圈之后停止旋转，扫描头后退，限位开关2变为ON，工作台下降，右下限位开关3变为ON，整个工作台复位，限位开关6变为ON，工作台停止运动。按下松开按钮SB3，夹紧机构松开眼镜镜架,滑台后退，限位开关7变为ON，夹紧机构停止动作。1.2镜片磨边系统运动控制的设计思路分析选用三菱FX2N系列可编程控制器进行镜片磨边扫描系统运动控制系统的顺序动作控制，通过分析可采用步进指令对上述镜片磨边扫描仪运动控制系统的控制要求进行编程，这样可以有效地自动控制过程进行顺序控制。因为镜片磨边扫描仪主要由夹紧机构和工作台组成，其中工作台包括测量机构、旋转台。由于眼睛镜架两边是对称的，所以只需对一边的动作进行设计，另一部分是相同的,大致将测量仪的控制分为五部分进行设计。(1)夹紧机构的夹紧和松开：操作人员按下夹紧按钮SB2夹紧眼镜镜框，按下松开按钮SB3松开对眼镜镜框的夹紧；(2)工作台上行与下行：眼镜镜架的夹紧和工作台的动作是前后关系，所以采用时间继电器T0作为动作转移条件，夹紧机构电机带动滑台前进的同时通过时间继电器T0延迟一段时间，这段时间刚好是夹紧机构开始动作到夹紧完毕的时间，然后工作台上行；而对于工作台下行，则是采用限位开关2作为动作转移条件，当扫描头后退碰到限位开关2后，工作台下行；(3)扫描头的前进与复位：这一部分就是扫描头靠近与离开眼镜镜框的过程，扫描头的前进和回转台旋转是前后动作关系，选用时间继电器T1作为状态转移条件，即扫描头在前进的同时时间继电器T1开始延时，延时的时间正是探针接触到镜框内槽的时间，然后回转台旋转；数据收集即回转台旋转一圈，下一个动作为扫描头后退，选用时间继电器T2从开始旋转的时候开始延时，延迟时间为回转台旋转一圈的时间；(4)数据收集：也就是旋转台的旋转。这个动作是处于扫描头前进与复位之间的，扫描头前进接触到镜框内槽并且有一定的压缩量之后停止，接着就是回转台的旋转，回转台旋转一圈，正好探针在镜框内槽扫描一圈；镜框另一边的的内槽也是一样。(5)工作台的横向移动与复位：当一边的眼镜镜框内槽数据收集完毕之后，工作台横向移动，状态转移条件同样选用限位开关3，即工作台下行碰到限位开关3，工作台横移；当另一边的眼镜镜框内槽的数据收集与之前那一边的一样，只是工作台下行之后执行的动作是工作台横向复位。1.3功能流程图如图1-2图1-2功能流程图1.4PLC的选型表1-1三菱FX2N系列PLC完整型号功能介绍FX2N-16MR-001主机，交流电源，8点输入，8点继电器输出FX2N-32MR-001主机，交流电源，16点输入，16点继电器输出FX2N-48MR-001主机，交流电源，24点输入，24点继电器输出FX2N-64MR-001主机，交流电源，32点输入，32点继电器输出FX2N-80MR-001主机，交流电源，40点输入，40点继电器输出FX2N-128MR-001主机，交流电源，64点输入，64点继电器输出FX2N-32MR-D主机，交流电源，16点输入，16点继电器输出FX2N-32MT-D主机，交流电源，16点输入，16点继电器输出FX2N-48MR-D主机，交流电源，24点输入，24点继电器输出FX2N-48MT-D主机，交流电源，24点输入，24点继电器输出FX2N-64MR-D主机，交流电源，32点输入，32点继电器输出FX2N-64MT-D主机，交流电源，32点输入，32点继电器输出FX2N-80MR-D主机，交流电源，40点输入，40点继电器输出根据图1-1的扫描仪系统的工作流程图，PLC控制系统的输入信号有9个，均为开关量。其中7个行程开关，2个单操作按钮开关。PLC控制系统的输出信号有11个，其中用于驱动夹紧机构电机正反转接触器KM1、KM10，2个用于驱动工作台升降机构电机正反转接触器KM2、KM6，2个用于驱动扫描机构电机正反转接触器KM3、KM5，1个用于驱动回转机构电机正转接触器KM4,2个用于驱动工作台横移机构电机正反转接触器KM7、KM8，1个用于驱动工作台横移机构电机停转接触器KM9，1个用于驱动夹紧机构电机停转接触器KM11。控制系统选用FX2N-32-001，I/O点数各为16点，可以满足控制要求。且留有一定裕量。1.5I/O端口分配表将8个输入信号、11个输出信号按各自各功能类型分好，并与PLC的I/O点一一对应，编排地址。表1-2是外部I/O信号与PLC的I/O端口分配表。表1-2I/O端口分配表输入信号输出信号名称功能I/0编号名称功能I/0编号SB2夹紧X000KM1夹紧机构电机正转接触器Y001SQ1工作态左上限位（上行）X001KM2工作台升降机构电机正转接触器Y002KM3扫描头电机正转接触器Y003SQ2扫描头后限位X002KM4回转机构电机正转接触器Y004KM5扫描头电机反转接触器Y005SQ3工作台左下限位（下行）X003KM6工作台升降机构店家反转接触器Y006SQ4工作台右限位X004KM7工作台横移机构电机正转接触器Y007SQ5工作台右上限位（上行）X005KM8工作台横移机构电机反转接触器Y010SQ6工作台左限位X006KM9工作台横移机构电机停转接触器Y011KM10夹紧机构电机反转接触器Y012SB3松开X007KM11夹紧机构电机停转接触器Y013SQ7夹紧机构滑台后限位X0101.6I/O接线图PLC的输入输出接线方便简洁，便于控制和维护。可以清晰的满足系统功能的要求。根据表1-2，可绘出I/O接线图如图1-3所示。图1-3I/O接线图1.7状态转移图（SFC图）如图1-4所示图1-4SFC图1.8状态梯形图如图1-5所示图1-5状态转移图1.9继电器选型1.9.1时间继电器的选型表1-3JS7与DH系列阻尼式时间继电器主要技术参数型号触头额定电压/V触头额定控制容量/V•A瞬时动作触头数量延时动作触头数量延时方式延时范围/s额定操作频率/(次/h)质量/kg外型及安装尺寸/mm常开常闭常开常闭JS7-1A380380110110111111通电延时0.4~60及0.4~180两种6000.440.460.440.4687*57*107JS7-2AJS7-3A38011011断电延时JS7-4A38011011110.01~99.99s1s~9min99s8000.52DH11S3801101122DH14S38011022本设计中采用了三个时间继电器，因为控制回路的电压为380V，所以这四种型号的时间继电器的触头额定电压都符合，而根据控制要求，因此需要1个延时动作触头，并且在控制回路中时间继电器不用频繁使用，额定操作次数满足，根据机构设计的要求，工作台需要小巧，并且重量要小，所以尽量选用质量小，尺寸小的时间继电器。对于T0的选型，夹紧机构驱动电机为36BF003，步距角为1.5°，设定电机每秒钟接收300个脉冲，那转速为每秒300*1.5°=450°，即转速为75r/min，固定夹手与活动夹手的距离为64mm，驱动齿轮中心线到活动夹手的距离为108mm，一般镜框内槽的横向尺寸为28mm，所以活动夹手需要前进144mm，驱动齿轮的分度圆为20mm，因此齿轮需要转7.2圈，5.76s，选用JS7-1A。对于T1的选型，限位块驱动电机为42BYG009，步距角为1.8°，设定电机每秒钟接收20个脉冲，那转速为每秒20*1.8°=36°，即转速为6r/min，扫描头的起始位置在镜框内槽的中心，一般镜框内槽长距为55mm，探针尖到探针套筒中心的距离为4.5mm，所以探针要前进的距离为23mm，齿轮分度圆直径为17.5mm，周长为54.95mm，因此，齿轮转了23/54.95圈，用时4.19s，延时时间在0.4~60之间，所以同样选用JS7-1A；至于T2的选型，回转台驱动电机为57BYGH350C，步距角为1.2°，设定电机每秒钟接收50个脉冲，那转速为每秒50*1.2°=60°，即转速为10r/min，回转台齿轮的传动比是25/36，所以探针扫描镜框的转速为10*（25/36）=6.9444r/min，探针扫描镜框一圈的时间为8.64s，延时时间在0.4~60之间，所以同样选用JS7-1A。1.9.2限位开关的选型表1-4HL系列行程开关主要技术参数型号寿命（机械）容许操作速度容许操作频率额定频率冲击驱动杆种类质量耐久误动作HL-50001000万次以上5mm~0.5m/s120次/min50/60Hz1000m/s2以上300m/s2以上滚珠摆杆型约130~190gHL-50301000万次以上5mm~0.5m/s120次/min50/60Hz1000m/s2以上300m/s2以上可调式滚珠摆杆型HL-50501000万次以上5mm~0.5m/s120次/min50/60Hz1000m/s2以上300m/s2以上可调式摆杆型根据控制要求，采用了8个行程开关，用于限制扫描头与工作台。一般用于机台的行程开关重量介于7~22kg，用于镜框扫描机构太重，因此采用小型行程开关，重量在130~190g之间，上表三种行程开关区别在于驱动杆种类不同，滚珠类型的使用与高速运转的机构，机台横移速度低，所以，选用可调式摆杆型，即选用HL-5050。1.10执行动作说明(1)当按下夹紧按钮SB2，将眼睛镜框靠在固定的夹手上，夹紧机构的滑台带动活动夹手前进进行夹紧，与此同时时间继电器T0开始延时，延时时间为夹紧机构开始运动到活动夹手夹紧镜框的时间，即0.153s，如图1-6所示。图1-6夹紧机构夹紧状态梯形图(2)时间继电器T0延时5.76s后，延时闭合触头闭合，工作台上行，如图1-7所示。图1-7工作台上行状态梯形图(3)当工作台上行，碰到限位开关1，执行扫描头前进的动作，同时时间继电器T1得电开始延时，延时时间为扫描头开始动作到探针接触到镜框内槽并且有一定压缩量，即4.19s,如图1-8所示。图1-8扫描头前进状态梯形图(4)时间继电器T1延时完毕之后，延时闭合触头闭合，回转台旋转并且时间继电器2得电延时，延时时间为回转台旋转一圈，即8.64s，如图1-9所示。图1-9回转工作台旋转状态梯形图(5)时间继电器T2延时8.64s之后，扫描头后退，如图1-10所示。图1-10扫描头后退状态梯形图(6)当扫描头后退碰到限位开关2，执行工作台下行这个动作，如图1-11所示。图1-11工作台下行状态梯形图(7)作台下行碰到限位开关3，工作台横向移动，如图1-12所示。图1-12工作台横移状态梯形图(8)工作台横移碰到限位开关4，工作台上行，如图1-13所示。图1-13工作台上行状态梯形图(9)工作台上行，碰到限位开关5，扫描头前进，同时时间继电器T1延时5.76s，如图1-14所示。图1-14扫描头前进状态梯形图(10)时间继电器T1延时5.76s后，回转台旋转一圈，同时时间继电器T2延时8.64s，如图1-15所示。图1-15回转台旋转状态梯形图(11)时间继电器T2延时8.64s后，扫描头后退，如图1-16所示。图1-16扫描头后退状态梯形图(12)扫描头后退，碰到限位开关2，工作台下行，如图1-17所示。图1-17工作台上行状态梯形图(13)工作台下行，碰到限位开关3，工作台横向复位，如图1-18所示。图1-18工作台复位状态梯形图(14)工作台横向复位，碰到限位开关7，工作台横移机构停止动作，如图1-19所示。图1-19横移机构停止运动状态梯形图(15)当两边镜框内槽的数据收集完毕之后，操作人员按下松开按钮SB3，夹紧机构的滑台带动活动夹手后退，并且松开镜框，如图1-20所示。图1-20夹紧机构松开状态梯形图(16)夹紧机构滑台后退碰到限位开关8，夹紧机构停止动作，如图1-21所示。图1-21夹紧机构停止运动状态梯形图2.控制电路与电机驱动器接线2.1步进电机驱动器选型表1-5步进电机驱动器DM与CTM系列主要技术参数型号工作电压(DC)输出电流(A)型号说明适配电机外型尺寸(mm)DM320C18-300.2-2.0超小体积，超低成本36，39，4286*55*20.5DM422C18-400.2-2.2超小体积，低速性能优异42，5786*55*20.5DM432C18-400.3-3.2低速性能优异42，57116*69.2*26.5DM44218-400.3-4.2高中低速性能优异42，57，86116*69.2*26.5DM55618-500.3-5.6高中低速性能优异42，57，86118*75.5*34DM85618-800.3-5.6高中低速性能优异42，57，8618*75.5*34DM118270-1500.7-8.2高中低速性能优异86，110200*145*833DM68318-603.2-8.3高中低速性能优异57，86118*75.5*33CTM3H660M20-600.3-6.0高中低速性能优异57,85,86118*75.5*34CTM3H860M20-800.3-6.0高中低速性能优85,86118*75.5*34夹紧机构采用电机型号为36BF003，相数为3，步距角1.5°/3°，电压27V，电流1.5A，因此选用DM320C；镜片磨边扫描机构的升降机构采用的电机型号是36BF003，相数为3，步距角1.5°/6°，电压27V,电流1.5A。根据上述主要参数，选用DM320C；工作台的横移机构采用36BF002II，相数3，步距角3°/6°，电压27V，电流0.6A。根据上述主要参数，同样选用DM320C；驱动回转机构回转的电机选用57BYGH350C，相数为3，步距角0.9°/1.8°0.36°/0.72°，电压40V，电流5.8A。根据上述主要参数，选用CTM3H660M；控制限位块的步进电机采用42BYG009，相数为3，步距角1.8°，电压22V，电流0.6。根据上述主要参数，选用DM320C。2.2驱动器接线图此镜片磨边机构总共采用5台三相步进电机，对于驱动器的选型采用2种驱动器，DM320C和CTM3H660M。2.2.1DM320C驱动器接线图采用DM320C步进电机驱动器对36BF003、36BF002II、42BYG009这4台（其中有两台36BF003）步进电机进行驱动，如图1-22所示。图1-22DM320C驱动器接线图2.2.2CTM3H660M驱动器接线采用CTM3H660M步进电机驱动器对57BYGH350C步进电机进行驱动，如图1-4所示。图1-23CTM3H660M驱动器接线图2.3控制电路如图1-24所示1-24控制电路图3.调试过程及结果3.1调试运行(1)调试采用的仪器和设备：FX2N-60MR可编程控制器一台，手持编程器一个，继电接触器面板。(2)调试要求：将设计方案编写的程序通过电脑或者手持编程器输入到FX2N-60MR可编程控制器，并且运行，分析运行的结果是否满足设计要求；对原程序进行修改、补充，使程序完全符合控制要求。(3)在调试过程，积极思考，从不同的角度进行课题的方法求解。其中还有用基本指令编程的一组程序。经过调试，在功能方面也能满足系统工作的需求。其控制梯形图如图1-25所示。图1-25基本指令的程序梯形图运行后得出的基本指令程序如图1-26所示。图1-26基本指令程序3.2工作时序图当PLC得电后，操作人员将眼镜镜框一边靠在固定的夹手上，按下夹紧按钮SB2（X000），夹紧机构夹紧（Y001），同时时间继电器T0得电，0.153s后工作台上行（Y002），限位开关1（X001）变为ON,扫描头前进（Y003），同时时间继电器T1得电，1.67s后即探针接触左镜框内槽并有微小压缩量，回转台旋转（Y004），同时时间继电器T2得电，8.67s后即探针扫描左镜框一圈，扫描头后退（Y005）直至限位开关2(X002)变为ON,工作台下行（Y006），限位开关3(X003)变为ON，工作台横移（Y007），限位开关4(X004)变为ON,工作台上行（Y002）,限位开关5（X005）变为ON，扫描头前进（Y003）,同时时间继电器T1得电，1.67s后即探针接触右镜框内槽并有微小压缩量，回转台旋转（Y004），同时时间继电器T2得电，8.67s后扫描头后退（Y005）直至限位开关2(X002)变为ON,工作台下行（Y006），限位开关3（X003）变为ON,工作台横向复位（Y010），限位开关7（X007）变为ON，工作台停止动作（Y011），操作人员按下松开按钮SB3(X010),夹紧机构松开（Y012），取走眼镜，限位开关11（X011）变为ON,夹紧机构停止动作（Y013）。由此过程可以得到以下时序图如图1-27所示。图1-273.3控制指令表经过调试，程序能实现正确的运动过程，因此得到正确的指令程序如图1-27所示。0LDM80021SETS03STLS04LDX0005SETS206STLS207LDIY0028OUTY0019OUTT0K5810LDT011SETS2112STLS2113LDIY00314OUTY00215LDX00116SETS2217STLS2218LDIY00419OUTY00320OUTT1K4221LDT122SETS2323STLS2324LDIY00525OUTY00426OUTT2K8627LDT228SETS2429STLS2430LDIY00631OUTY00532LDX00233SETS2534STLS2535LDIY00736LDIY01037OUTY00638LDX00339SETS2640STLS2641LDIY00242OUTY00743LDX00444SETS2745STLS2746LDIY00347OUTY00248LDX00549SETS2850STLS2851LDIY00452OUTY00353OUTT1K4254LDT155SETS2956STLS2957LDIY00558OUTY00459OUTT2K8660LDT261SETS3062STLS3063LDIY00664OUTY00565LDX00266SETS3167STLS3168LDIY00769LDIY01070OUTY00671LDX00372SETS3273STLS3274LDIY01175OUTY01076LDX00677SETS3378STLS3379OUTY01180LDX00781SETS3482STLS3483LDIY01384OUTY01285LDX01086SETS3587STLS3588OUTY01389OUTS090RET91END图1-28结论此设计是针对现今镜片磨边系统的实现真正意义上的自动化，省略了模