《口罩超声波焊接机控制系统设计》12000字【论文】

绪论课题背景及意义呼吸道作为人们健康防护的首要防线，如何选择一款符合防疫标准的口罩对于每个人都是一件很重要的事情。通过目前和之前疫情的相比较，口罩的需求量渐渐迈向平稳。中国作为一个制造业发达大国，它已经成为世界上产量最高且是每年出口外销最高的出口国，按有关部门统计可知每年产量占全球约50%。但由于目前我国新冠肺炎疫情被逐渐控制后，引起的国内口罩需求不再像2020年初的严重。这导致其中包括口罩原物料的熔喷布、口罩机等相关产品和口罩原料价格快速暴跌，甚至出现部分厂商为了减少损失将手中原料以不到五分之一的价格脱手，业界无奈自嘲“先来得住豪宅，后来得住天台”。[1]在2020年2月新冠疫情暴发最为严重的时期，中国口罩价格因此而突然狂飙，这就引发了大量供需问题。这类供需问题包括口罩中间过滤层主要原料的熔喷布，制造口罩的生产线，口罩机以及口罩其他的原料和防疫物资搭上的各类产业的需求紧张，最终导致需求都出现飙涨。只不过这波“口罩商机”来得快、去得也快，在如今的疫情已经被控制下，原先口罩厂家旋即陷入无单可接的窘况，甚至有些较晚进入的业者刚站稳脚步但是无单可接，此刻进退维谷。[2]由于那段时间中口罩制造业的突然火热，使得出现大量半路出家杀入的设备厂。这就导致由于尚未掌握精确制造合格口罩的生产工艺、和是出现在春节期间使得出现缺乏大量掌握熟练的技术工人的问题，以上问题就会造成一口罩质量不合乎防疫标准，二使得口罩制造机器和口罩制造技术成本提高，最终导致入不敷出，甚至厂家破厂倒闭的现象。现有的普通口罩焊接机的主要研究缺陷是：其一、普通口罩焊接机的各个装置通常可以包含超声机、马达或电机，但这些电气传动机构的对电源的要求，在各个不同企业存在差异较大区别，而现有的平面口罩机暂未针对不同的超声机、马达或电机技术进行专业地，针对地进行研发，这就使得无法细分到各种型号去如何选型；其二、普通口罩焊接机的各个装置往往由不同的控制器数据进行控。当需要我们启动某个功能时，需要一个手动按下该功能的启动按钮,当需要及时停止某个产品功能时,也需要自己手动按下该功能的停止按钮。这就造成对操作人员的有一定技术要求，且操作服务人员在操作活动过程中会出现无法及时按下按钮，而导致发生生产事故。[3]因此在现有的口罩生产模式中，拥有一台快捷操作，自动化程度高的口罩焊接机具有很大的生产效益。传统的人力加工以及其管理方式，已经无法满足目前生产的现状以及口罩出口的标准要求。[8]PLC作为一种具有典型自动化控制特征的生产控制工具，不仅可以利用自动化检测技术提高产品的优品率、而且可以利用编程语句和机械部分的结合提高产品的生产效率达到高效和减少人工的目的。因此，设计出一种快捷且便利口罩熔接机的PLC控制系统具有重要意义。口罩焊接机可以借助PLC控制系统，可以实现口罩耳带焊接生产的自动化控制，使其由传统人工操作模式向自动化焊接模式转变。其次是口罩焊接机的运行安全性直接关系到口罩的生产效率、生产质量以及工作人员的人身安全等。因此，在设计PLC控制系统时，不仅需要注意到系统是否拥有自检，而且需要注意到是否可以避免机械和程序会造成人身安全问题。中外研究现状随着2020年里的疫情逐渐严重，人们对口罩的需求愈加强烈，如何快速生产出一个口罩，成为困扰许多厂家的一个问题。中国作为生产大国，在疫情之前便是生产了全球约50%的口罩，中国出口的最高日产可达到2000多万只。据中国工信部披露的数据显示，2015-2019年期间，中国口罩行业产值总体呈逐年增长态势，中国口罩总产值由63.17亿元增加至102.33亿元。[2]在疫情的初期，由于春节期间的异地人员无法及时复工，使口罩的日产量减少。但随着经济逐渐复苏加上国内疫情得到控制，国内口罩的产量得到恢复，口罩生产线的价格恢复到正常价格。1895年，德国病理学专家莱德奇通过研究发现伤口的感染大概率是由于空气中的病菌传染导致，他根据自己的研究认为当人们在就医时带菌唾液导致伤口恶化。于是，他建议医护人员在治疗病人时，应该戴上一种纱布制作的罩具用来掩住口鼻。此举果然有效，在那段时间内手术后的病人伤口感染率大为减少。从此，大部分的医护人员采用莱德奇的建议。于是，这种口罩便在欧洲医学界逐渐流行和推广开来。但由莱德奇设计的这类口罩，存在很大的缺憾。因为其实现的方法就是将纱布包裹在医护人员的嘴巴、鼻子和胡子上，当医护人员在进行救治时，会因为它包裹的紧而无法呼吸充足等问题。[18]1897年，英国的一位外科医生，在观察一些现象后便动脑筋在纱布内装了一个细铁丝的支架，这就让纱布与口鼻之间留有一定间隙，这种设计从而克服了包裹过紧造成的呼吸不畅和纱布容易被唾液弄湿之弱点。1899年一位法国医生在此基础之上进行翻新，他设计做了一种六层纱布的口罩，将其缝在手术衣的衣领上，用时只需将衣领翻上就行了。但是他在使用后发现仍然有不足之处，经过不断实验后改成可以自由系结的办法，将一个环形带子挂在耳朵上。现代口罩的基本外形就这么确定了。[5]现如今，国外标准主要以美国劳保口罩标准，欧盟劳保口罩标准和日本防尘口罩规格为主，以一个简明公式来表示它们之间的联系:FFP3>FFP2=N95=KN95>KN90。但我们在现实使用来抵抗病毒和流感，主要都使用N95系列已经足够抵抗疾病。而目前国外主要生产口罩的商家以美国的3M公司，德国的UVEX公司以及日本重松。美国的3M集团是一家百年公司，我们可以从美国的CDC官网数据发现，3M口罩中，N95类型的口罩共有48种，经过FDA认证的外科手术口罩就有八种。而3M公司在中国进军是凭借2003年的非典疫情，大量防护物资的捐赠以及政府购买使用，让大众逐渐去知晓这个品牌。但在美国目前疫情环境和国内政治原因下，大量医院无法支付资金，使得口罩这些防疫产品无法给医护人员使用。而国内目前虽然有大量口罩生产厂家，但是由于厂家只是临时去生产无法做到达到出口标准，使之大量恶性循环最终使国外防护医疗物资一直处于紧缺的情况。

2控制系统的设计以及设计方案2.1控制方案的对比选择在本次设计中，由于涉及多个控制对象例如伺服电机，两个步进电机，以及气缸和多组电磁阀。其中步进电机主要负责的是带子原料的递送，伺服电机负责的是让超声波焊接机进入焊接，而气缸则是负责将带子推进紧贴在无纺布上以及退回。我思考得出以下两种方案的对比。表2.1两种控制系统概述PLC控制继电器控制控制方式由于采取顺序逻辑，可以通过触摸屏等协助控制，并且可以实时改变程序以及反馈去定位到步数通过线圈两端电压和电流产生的电磁效应去控制触点的吸合，并且通过计时器等辅助去完成速度控制由程序驱动和控制半导体电路触点的机械动作实现延时控制半导体集成定时器，且脉冲由晶体振荡器发出使用时间继电器去控制动作的延时和进行时间表SEQ表\*ARABIC1.2两种控制方式的优缺点对比PLC控制继电器控制优点在控制方式上分别采用顺序逻辑和程序的编写控制速度较快，微秒级，而且同步准确，没有抖动现象故障率低，可以通过程序查出信号错误和通过模拟程序运行，检查程序是否正确功能强大，可以实现复杂的控制功能可靠性高，抗干扰性强单个成本低，可以控制简单的项目和逻辑思路较低的项目尺寸相对较小，减少控制柜的体积缺点PLC成本较高，比较适合在逻辑思路较复杂和控制要求较多的项目需要学会PLC控制语言，要有一定逻辑思维需要搭配触摸屏一起控制控制速度较慢且工作频率低故障率相对高，由于机械触点的物理接触容易带来损坏，接线也易受到振动的影响在控制方式，无法现场及时更改程序2.2控制系统的设计方案2.2.1控制方案的确定综合上述的表格，且根据本次的设计要求中需要较为便利且快捷的控制方式，目的在于可以在现场及时调整以及根据生产需求去更改我们所设计的程序指令。在这次设计中，我们对系统相应时间以及速度上要求反应快且速度能够达到我们所预定的生产要求。而且考虑到人工成本以及外部对产品所需求，我们需要系统还能在一定时间内无人控制能够安全，稳点的完成生产目标。这就需要系统一定的稳点性，且故障率相对较低和控制难度较低。最后，本次口罩超声波焊接机由于其复杂的控制，需要搭配触摸屏的一起控制。综合上述所有的要求以及考虑，最终选定使用PLC进行系统控制。2.2.2控制系统设计方案示意图本次设计中主要依靠可编程控制器及其相关编程软件进行来实现所设定的功能，由于使用的日本三菱公司的FX3U系列的PLC，因此这次利用三菱编程Gworks2来进行程序的编写。触摸屏通过台达官网下载的DOPSOft4.00.40软件进行编写。图2.1控制方案示意图2.3控制系统设计2.3.1控制系统设计对象与要求口罩在目前环境需求量较多的防疫用品，因此在口罩焊接的过程中，需要通过传送带将口罩一个一个送入到焊接工位，等到传感器接收到信号，再传递给各个电机以及控制中心。本课题所设计的控制系统就是用来解决以及完善该目标本次设计的控制对象：步进电机(42HS02)：由相对应的步进驱动器(DM542A)进行驱动，并且通过PLC进行控制，我们通过步进电机进行耳带料子运送，以及配合气缸进行折叠使其形状、长度符合设计目标。伺服电机(HF-KP43):由相对应的伺服控制器(MR-J3)来进行驱动，并且通过PLC进行控制，我们需要一台伺服电机驱使传送带前进，让一边加工完成的口罩向前运动到下一个工位。气缸：在本次设计需要一对推料气缸和一对剪线气缸分别作为压住口罩进行焊接和剪切焊接口罩袋子的长度。根据上述所要求以及实际使用，推料气缸选用来自亚克西的TN10*40的双轴气缸，而剪线气缸则选用亚克西的PB4*20的笔形气缸。超声波口罩焊接机的整个运行过程如以下:首先进入初始等待状态S0，系统开始进入待机状态；通过触摸屏按下启动按钮X14，伺服电机和步进电机使能，两个不同工位直流电机开始转动，直流电机带动向下放耳带原料直到两个预拉接近开关被触发同时停止给直流电机供电，此时程序完成初始化且等待人员通过触摸屏选择手动调试或者自动运行；当在触摸屏上选择运行自动程序(手动调试运行逻辑与自动相同)，这时程序进入自动运行，首先进入状态S22；在状态S22内，首先给D5010赋值进而驱动两个步进电机，使两个步进电机进行转动半圈，目的让耳带弯曲一定弧度，以便焊接机进行焊接；同时时间继电器开始计时0.3S；当S22内的时间继电器到达0.3S后且两个步进电机转动到位后启动状态S20。进入S20状态后，启动两个推动气缸目的让耳带紧紧贴在无纺布上等待焊接，这时S20内的时间继电器T20开始进行计时；当T20时间到时，启动状态S21。在状态S21中再设置一个时间继电器。此目的让推动气缸将耳带牢牢贴在无纺布上当T21时间到达时，启动状态S30。在S30中，启动切断气缸电磁阀,让推动气缸复位；当推动气缸不再处于前进时，气缸不再前进信号得电且进入状态S32；当推动气缸后退到位后，气缸后退到位信号得电且进入状态S40，这时推动超声波焊接机的大气缸得到信号，推动大气缸向前推动；当推动大气缸到达指定位置后，会触发一个到位信号。这时启动状态S41。因为焊接机已经到位，所以需要我们进行剪料方便焊接。这时就驱动剪料小气缸目的给耳带剪到合理长度；当剪料气缸到位且剪料动作完成后，这时触发状态S42。在状态S42中T42开始计时；当计数器T42到时后，触发状态S50。这时焊接机开始得电且开始进行焊接动作。为了防止长时间焊接使过度焊接最终导致出现表面产生伤痕或者裂痕，设计了一个焊接时间继电器T50。我们可以通过触摸屏对D4050进行实时更改，一般我们默认值为0.5S。等到计时器到时后，会自动停止焊接工作。在T50到时后，触发状态S80。在S80中，将剪料和推动气缸进行后退复位。提前进行准备工作，触发推料气缸。为了防止推动过多的耳带原料，加入一个计时器T80，当T80到时后，将推料气缸停止；当推料气缸到位且推料小气缸返回原位后，触发状态S90。在S90中，有一个计时器T90，进行伺服电机前进的计时。当伺服电机到达指定位置后，一个光感接触器得到信号，将伺服电机停止，在计数器C220中记一次数表明做完一次工作且返回初始状态S0，反复运作。2.3.2PLC原理图电气原理图主要是用来进行阐明设备的基本工作原理以及各个电器元件之间相互配合的方式，以及电子电路与电气结构之间的逻辑关系。学会合理使用以及绘制一份电器原理图十分有用，可以方便后期的电路故障以及电路定期维修。[6]图2.1PLC接线线图2.2电气原理图2.3.3端口及软元件说明对应电气图，下面就是对端口的说明：表SEQ表\*ARABIC2.3输入输出IO分配表序号输出元件输出/输入地址1启动按钮X142停止按钮X153步进电机1号位置感应X04步进电机2号位置感应X15预拉接近开关1X26预拉接近开关2X37伺服光电开关X48磁性气缸前进复位到位信号X59磁性气缸后退复位到位信号X610推进大气缸后退到位信号X711推进大气缸前进到位信号X1012推进小气缸前进到位信号X1113推进小气缸后退到位信号X1214伺服电机报警信号X1315步进电机脉冲信号输出Y016伺服电机脉冲信号输出Y117伺服电机方向Y218切断气缸电磁阀Y419推进大气缸电磁阀前进Y520推进大气缸电磁阀后退Y621推进小气缸电磁阀前进Y722推进小气缸电磁阀后退Y1023焊接机焊接动作Y1124步进电机1使能Y1225步进电机2使能Y1326伺服电机使能Y1427减速电机1转动输出Y1528压线气缸Y1629减速电机2转动输出Y1730断开压线气缸Y20表2.3软元件IO分配表序号软元件名称软元件符号1手动压线按钮M22手动剪线按钮M43手动大气缸推进M64手动小气缸推进M85手动步进电机转半圈M106手动减速电机转动3秒M127手动伺服电机转一圈M148启动保持M1009初始状态S010手动压线进退S211手动剪限进退S412手动推进大气缸进退S613手动推进小气缸进退S814手动步进电机转动半圈S1015手动减速电机转动3秒S1216手动伺服电机转一圈S1417压线S2018压线后退S2119步进电机拉线S2220减速电机1拉线S2421减速电机1拉线完成等待S2522减速电机2拉线S2623减速电机2拉线完成等待S2724剪断前进S3025切断后退S3226大气缸推进前进S4027气缸到位延时S4228焊接S5029压线结束S6030推进气缸后退S7031伺服电机转动S9032压线延时D402033推进气缸时间间隔D404034焊接时间D405035步进电机频率D500036伺服电机频率D5100

3控制系统的选型分析PLC控制系统设计的基本原理控制系统主要目的是为了实现能将被控对象有效地去控制，这样不仅可以提高工作效率和产品的质量，而且有利于将来的二次更新。因此在设计一个控制系统前需要考虑以下几点：能够无限接近满足被控对象当初设计的要求对于一个控制系统而言，它能否实现设计当初提出的目标，这是评判一个控制系统是否达成功的重要标准。所以在设计一个控制系统，我们需要收集各个数据指标，通过计算各个零部件是否符合我们的预期设想。其次便是需要完成我们的电气原理图，将我们预想控制部分与机械部分进行联系，去分析我们如何更好实现机与电的配合。最后便是我们程序的编写，在经过前两道工序后，程序就是将设想变为现实产物。我们需要将逻辑思路通过编程语言谱写出来，再结合现场的机械配合，不断完善。最后就可以满足设计要求拥有优秀的可靠性和安全性一个控制系统拥有长期的可靠性以及安全性对于设计人员而言尤为重要。因此对于设计人员来说，需要通过计算以及通过模拟实验去检验自己使用的电器元件和机械元件是否可以合理地配合，自己的程序是否可以安全地驱动以及长期的使用。检修和修理方便，元件的价格合理在目前的经济环境下，一种经济适用的控制系统是广大厂家所需求的。为此设计人员，不能只关注于搭配使用的电器元件是不是可以完美搭配，而忽略到其检修和修理时的难易程度，以及零件的价格。PLC的选型PLC的控制功能概述1．逻辑控制功能逻辑控制功能是作为PLC最基本的功能之一，这也是其应用较为广泛的功能之一。这是因为其既可以使用像过去传统的继电器的触点吸合控制又可以实现过去继电器无法达到的自动化控制例如使用设计当初设定的控制指令以及利用一些模拟继电器来实现计数，时间定时等功能。因此PLC在机械制造业中常常被广泛利用在生产线或者升级过去的生产线。2．定时控制功能可编程控制器凭借内部的不同功能的定时器模块，如一些可以实现简单地时间控制功能，一些可以实现停电自保持功能的特殊计时器。这些计时器不仅减少了成本的需求而且有利于简便地控制。3．计数控制功能PLC基础功能还包括计数控制。其中计数器也和定时器相类似，拥有各种普通的计数器和具有特殊功能的计数器4．I/O模块及点数（1）本体会提供基本符合使用的输入/输出端口，这些端口起着桥梁的作用，主要用于进行程序编入，程序拷贝以及程序实时监控。（2）输入接口这些接口一般用作我们信号的接受功能，例如当我们需要一个限位开关时，一般将其接入输入端口去进行程序内的控制。（3）输出接口实现端口弱电信号与强电信号之间的转换，进而用来满足工业控制要求5.I/O接口的作用：电平转换功能：将我们的输入与输出的信号转换成我们所需要的强电或者弱电信号，最终用于系统的控制。PLC输出类型选择晶体管和继电器是目前PLC主要的两种输出类型，以下内容介绍晶体管与继电器之间的主要区别：晶体管输出继电器输出驱动负载晶体管型的是有极性要求，只能接的是24V的电压。而且在极限电流方面，晶体管型的是0.2-0.3A没有极性要求的，继电器可以接受220V或者24V电压响应时间晶体管型约0.3ms继电器型15ms使用寿命晶体管型的只有老化现象继电器型的除了老化，更重要的是它使用寿命的限制并且与负载的容量息息相关表SEQ表\*ARABIC3.1晶体管型与继电器型的区别本次设计的超声波口罩焊接机由于需要搭配多个步进电机和伺服电机，因此需要考虑PLC中提供脉冲输出口是否达到我们需求的数量，所以在查询资料后，我发现需要选择T型即带有晶体管输出的PLC可以满足此类需求。再者本次设计中需要较多的输入端口用来控制焊接机的动作，以及搭配脉冲输出使用的高速传送数据指令，最终选用了输入端口为24的PLC较为合适。在参考三菱官网的PLC选型中以及本次设计多个步进电机以及伺服电机，最终选定了三菱型号为FX3U-48MT的PLC。图3.1PLC基本尺寸图产品优势：一、PLC的脉冲输出从原先的两个增加到现在的三个。像之前三菱可编程控制器FX系列（FX3U之前产品：FX1S/FX1N/FX2N）主体脉冲输出功能为却只有Y0、Y1两个（其中FX1S/FX1N为100KHz，FX2N为20KHz），产品FX3U在功能方面增加到三个，分别为Y0、Y1、Y2，频率为100KHz。[6]二、定位指令增加。FX3U除之前的FX系列的定位指令ABS/ZRN/PLSV/DRVI/DRVA等指令外，增加了DSZR（带DOG搜索的原点回归），DVIT（中断定位），TBL（表格定位）。[8]三、可扩展高速脉冲输出模块。模块FX3U-2HSY-ADP可用在其主体左侧扩展作为200KHz的脉冲输出，连接差动输入型的伺服电机，可扩展2个模块，4个独立轴。项目规格概要电源规格AC100V-240V输入规格DC24V,5-7mA(无电压触点、或者漏型输入时：NPN开集电极晶体管输入，源型输入时：PNP开集电极输入)输出规格0.5A/1点、0.8A/4点、1.6A/8点COMDC5V-DC30V指令基本指令27个、步进梯形图指令2个、应用指令209种运算处理速度基本指令：0.065μS/指令，应用指令：0.0642-数100μS/指令计数器16位计数器：200点，32位计数器：35点表3.2PLC基本规格概要3.3步进电机的选型3.3.1步进电机步进电机是一种将电脉冲讯号转换为角位移或者线位移的控制电机，即给定子绕组输入一个电脉冲信号，转子就会转过一个角度前进一步，若连续输入脉冲信号，它就像人走路一样，一步接着一步地转过一个角度又一个角度，故称步进电机。[7]步进电机的优势在于它的步距角只与转速和频率相关，它不受电压波动和负载变化影响。虽然步进电机每走一步所转过的角度和理论步距存在一定的误差，但是步距的累积误差不会长期的积累。[7]因此，步进电机被广泛应用于数控机床3.3.2确定步进电机的型号电动机的选择是否正确对我们之后的控制以及机械配合就有很大影响。当选取的功率小于我们所需要的功率时，电动机无法支持我们的负载，处在超载运行。这不仅会造成无法达到生产预定的目标，而且使电机长期处于一个超载的状态下，会造成电机损坏的不良后果。当我们所选取的电机功率过大时，虽然大功率可以满足我们的生产要求，但是这会造成电机势能过剩以及电机在工作时过热。[10]力矩计算T=9550P式中P———为步进电机所需功率N———为步进电机的转速功率计算P=P总式中P———为步进电机所需功率η——为总传动效率经过计算，将带子传递到工作台时，约用0.5s时间，而在这0.5s时间内，加速时间约为0.1s，中间匀速运动为0.3s，而减速也是约为0.1s，从带子总盘到工作台的直线下降距离约为20cm。由于带子质量很轻，无法估量其质量，我们便使用模拟实验得到它最为合理地力。[12]由机械手册可查出P=F∗V(3-5)P为步进电机的功率(kw),F为力(N),V为速度(m/s)v=a∗t(3-6)a为加速度，t为时间，根据上述公式以及已知本次电机进行一个半圆形的转动，所以通过计算得到大概路径为27.33cm，同时带入公式可以计算出加速度a为2.186/s，再带入公式以及模拟实验分析计算出，所需要的F约为1.5N。[10]根据公式T*W=F*V，其中T为扭矩(N*M),W=πn30单位为rad/min，n为转速(r/min)根据预设步进电机转速设定为n=400r/min,型号步距角额定电流相电阻相电感额定转矩转子惯量42HS021.8°1.68A1.65Ω3.20mH0.36N.M57g.cm2表3.3步进电机性能参数图3.2步进电机外观图3.3.3步进电机驱动器的选择步进电机由于它的特性无法直接单独使用，因此我们必须按照需求配有相应的驱动器才能正常工作。当我们在进行选择驱动器的时候，首先需要注意的是驱动器的输出电流是否在我们步进电机的额定电流的范围内。因此根据以上要求以及通过网上资料，本次设计选用的是与步进电机配套的驱动器是来自于其公司生产的DM542A，首先该驱动器工作电压处于24v-36v，输出范围有1A-4.2A，而在电流方面我们所使用的步进电机的额定电流为1.68A，电流在其输出范围内，因此在这两个方面完全符合要求我们电机的设计要求，而且大小尺寸适合。考虑到步进电机使用环境，结合步进电机驱动器的安全使用温度以及湿度考虑，本次工作地点是一个小型厂房且在梅雨季节之外，无需考虑到空气湿度造成的可能性的接触不良。且在厂房的温度也不会高于人体正常温度以外，所以这也在可接受范围之内。同时我查询了相关的使用说明书后，得知该驱动器也时常使用在各种小型制造设备以及部分机床改造配合其42步进电机使用。图3.3步进驱动器外观示意图3.4伺服电机选型3.4.1伺服电机在自动控制系统中，伺服电机是执行元件，它将所接收到的电信号转变为转轴的角位移或角速度输出，并带动控制对象运动，且因为它具有服从信号的特性，故称作伺服电动机或执行电动机。根据使用电流的分类，我们可以将伺服电机分为直流伺服电机以及交流伺服电机。3.4.2伺服电机选型在本次设计中，考虑到输送带主要依靠光电传感器进行位置控制，便考虑到使用伺服电机。因为伺服电机的机械特性和调节特性好，伺服电机的转速会随着控制电压的变化呈线性关系，可以提高自身控制系统的动态精度。根据步进电机计算公式，我们已知两个口罩夹具之间的距离大概为6cm，而伺服电机转动一圈，会使一个完成结束的口罩送走，将一个只完成一半的口罩送到下一个工位，最后再将一个还未加工的口罩运送到开始工位。根据上述可知转动一圈，电机驱使传送带前进48cm。伺服电机转动一圈为0.3s，其中匀速时间为0.1s,加速度时间为0.1s，减速度时间为0.1s。而一条输送带以及输送带上的口罩夹具总质量大概在20kg。由机械手册可查出P=F∗V(3-5)P为伺服电机的功率(kw),F为力(N),V为速度(m/s)v=a∗t(3-6)根据公式S=12*at2由此可得a=96m/s2，V=9.6m/s代入公式F-F1=ma得到F=188N根据公式T*W=F*V，其中T为扭矩（N*M）,单位为rad/min，n为转速（r/min）步进电机转速设定为n=500r/min将F带入上述公式可得T=15N*m。因此我们选择来自三菱公司的HF-SP352(B)可以适合使用。3.4.3伺服编码器选型伺服电机需要搭配其编码器使用，根据电机选型推荐中，我选用了其三菱公司生产的MR-J3-350A编码器。因为其输出电流为16A，符合电机的额定电流选择。此变频器具有过电流断路，过负载断路，伺服电机过热保护，编码器异常保护等功能，这样不仅有效保护电路以及电机，而且可以及时保护编码器和发现错误现象。我通过查阅其用户手册可以发现其对温度和湿度的要求不高，可以放在工厂中使用。

4控制系统的程序设计4.1PLC程序的编写超声波焊接机主要动作为：1、将口罩往前运送，2、当接触器得到信号，触发停止运动，使压线气缸得电，让步进电机运转3、通过剪线气缸将额定带子长度剪出，使推料气缸固定住口罩4、让焊接机开始预热准备使用，通过伺服电机转动让焊接机向前焊接5、当焊接时间到时，让焊接机后退，返回初始状态，继续下一个口罩焊接4.1.1控制系统PLC程序的流程图图4.1PLC流程图4.2主要动作PLC程序说明4.2.1脉冲输入指令在设计当初，考虑到PLC和触摸屏搭配一起使用，可以通过触摸屏去控制脉冲输出频率。在查询编程手册后，结合FX3U的一些新的功能，查找到D5000,D5010,D5020和D5100,D5110是一种适用于停电保持专用且适合32位数据的数据寄存器。在这之后，寻找一些PLC编程示范程序，我使用DPLSR指令作为步进电机和伺服电机的脉冲输入指令。我并且在程序中手动和自动中，分别加了数据更改，让程序可以在预设中进行。图4.2脉冲输入指令4.2.2寄件数程序编写为了达到每次做完一次数据，我在程序中加入每次伺服电机转动后驱使一个32位计数器，用来寄存且是否达到我们每日目标。使用下降沿触发指令，当S90状态完成后，就可以自动触发程序，让程序简单明了。图4.3寄件数指令4.2.3急停指令在考虑到现场可能出现多种复杂情况，需要使用急停指令进行保护焊接机以及人员的安全。在主程序开始中加入一个长闭指令，可以安全地停止系统的运行。并且为了使再次启动时能够重新计数，分别在程序中加入复位清零指令和在触摸屏中加入一个清零按钮。图4.4急停按钮

5触摸屏的绘制软件介绍本次设计使用的软件是台达的DOPSoft4.00.10软件，该软件主要有以下功能和特点：1.良好的工业过程可视化，方便人们通过触摸屏就能控制工序；2.数据可以随时通过可编程控制器采集和将其管理，每一次运作时都会储存其中的报警数据以及监控数据。这就有利于我们实时监控以及修正；3.可以通过已知数据生成相关表格，这就有利于我们的管理。由于其可以配套搭配上使用来自台达的DOP107WV触摸屏，方便通信以及实时更改触摸屏的画面。触摸屏的选型本次设计选用的是信捷电气有限公司的DOP100系列触摸屏。在信捷TP,TH等众多型号中，它具有一些基础功能，如字体的设置，动画功能，加密功能，独立双扣通讯功能等，但除了这些还有一些相对于TP加强的功能，比如立体图库功能，触摸区的校准功能，USB数据的下载和备份功能等等这些都是选择它的原因。本次的触摸屏具体型号为：DOP107WV。触摸屏操作说明操作使用说明：当触摸屏开机会出现主页面，包括操作设备名图5.1触摸屏主页点击进入系统后，会转移到监控画面，在监控画面中我们可以选择