滑塊厚度綜合檢測平臺系統(tǒng)總體設計論文

本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 1 頁 共 37 頁 摘要 空氣調節(jié)機的滑塊厚度精度要求很高，相比傳統(tǒng)的手工測量方法，采用自動檢測系統(tǒng)可極大地降低人的勞動強度，提高檢測效率，并能大大地減少檢測出錯率。根據滑塊厚度檢測的精度要求及特殊的翻面檢測工序，設計了一套全自動的檢測平臺。文中詳細介紹了檢測平臺的總體 設計 方案， 該綜合檢測平臺分成四大部分：控制平臺分料機構、傳感器、采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。針對上述四大部分探討了檢測平臺、分料機構及控制系統(tǒng)的功能要求、工作原理、設計方法、實現方法及可行性，并對各分系統(tǒng)的關鍵件進行了選型分析。按課題要求對全系統(tǒng)分別進行了設計、 加工、調試，經聯調檢測證明了系統(tǒng)的設計是符合要求的。 關鍵詞： 自動檢測平臺 滑塊 厚度 總體設計 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁 共 37 頁 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 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 3 頁 共 37 頁 目次 1 緒論 . 4 1 1 概述 . 4 1 2 國內外發(fā)展和研究狀況 . 4 1.3 研究方向和研究手段 . 5 1.4 本文的主要工作 . 6 2 系統(tǒng)總體方案論證 . 7 2 1 滑塊厚度檢測現有工序分析 . 7 2 2 滑塊厚度綜合檢測平臺總體設計 . 7 2 3 機械部分總體設計 . 10 2 4 控制部分總體設計 . 12 2 5 檢測部分及上位機功能設計 . 12 3 檢測平臺投料、分料機構設計 . 14 3 1 檢測平臺設計 . 14 3 2 入料機構設計 . 16 3.3 分料機構設計 . 17 4 控制系統(tǒng)設計 . 20 4 1 概述 . 20 4 2 控制系統(tǒng)設計 . 21 4 3 控制軟件設計 . 24 5 滑塊厚度檢測系統(tǒng)及上位機功能設計 . 27 5.1 概述 . 27 5.2 檢測系統(tǒng) . 27 5.3 上位機功能設計 . 28 6 檢測平臺的系統(tǒng)聯調 . 32 6 1.安裝調試 . 32 6 2.方案改進 . 32 6.3 檢測結果 . 34 結 論 . 35 致 謝 . 36 參考文獻 . 37 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁 共 37 頁 1 緒論 1 1 概述 滑塊是空氣調節(jié)機中的關鍵部件之一，其幾何尺寸、表面粗糙度、形位公差等精度的高低直接關系到空氣調節(jié)機性能的好壞，所以對它的精度要求相當地高。其中，滑塊的厚度 /平行度作為一個關鍵的技術參數，直接決定著滑塊應用的有效性，并影響著空調的性能和質量。隨著空氣調節(jié)機產量的日益增加，滑塊的需求量也急劇上升。傳統(tǒng)的手工檢測已遠遠不能跟 上生產的節(jié)奏，成為制約生產效率的一個瓶頸。雖然國外有相關的自動檢測設備可以進口，可以克服人工方式的種種缺陷，但同樣有存在價格高，設備維護與升級費用大等不良因素。針對市場對能夠自動地進行質量評價、快速而正確地進行品質分選的高性價比滑塊分選設備的迫切需求，南京理工大學與寧波市科技局合作研制一套滑塊厚度綜合檢測平臺。采用這套自動化測量設備不僅可以縮短時間，使得測量速度與生產節(jié)拍相吻合，提高生產率，而且可以提高測量精度，節(jié)省人力，消除人為誤差，避免重復單調的勞動操作，減少費用，還便于顯示及反饋等。 在傳統(tǒng)的受控機械 系統(tǒng)的設計過程中 ， 機械設計和控制設計往往分開進行 ,機械設計人員和控制人員分別使用不同的設計工具和方法處理同一個研究目標 ， 他們分別采用各自的思路和方法 ， 進行獨立的驗證和測試。直到在物理樣機試驗時 ， 兩種設計才被放在一起。在測試過程中 ， 一旦控制和機械的交互作用不能取得令人滿意的效果 ，機械和控制則分別需要從新細化 ,然后再測試 ,如此反復 ,直到滿意為止 ， 這樣的設計方法顯然缺乏競爭力和總體性 。課題組成員 組成了團隊，針對設計任務，分別負責機械部分設計、控制部分軟件部分設計、控制部分硬件設計等等。 本文主要針對總體設計進行闡述 。 1 2 國內外發(fā)展和研究狀況 1.南京理工大學研制的機車轉向綜合測試平臺用于對機車加載，并實時對四輪載荷分布及軸位移進行檢測。整個加載系統(tǒng)采用可編程控制器（ PLC）和工控機作為控制系統(tǒng)的主體，通過組成單回路反饋控制系統(tǒng)，在加載過程中準確控制對轉向架施加的壓力。當對轉向架加載和卸載力時，實時監(jiān)測四輪受力和變形的關系。車輪的形變體現縱向和橫向發(fā)生變化，因此需要使用精密位移傳感器測量其二維變化。具體要求 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁 共 37 頁 有： 4 路水平位移檢測：量程： 0 50mm，相對不確定度優(yōu)于 1%； 6 路豎直位移檢測：量程 0 100mm，相對 不確定度優(yōu)于 1%。整個系統(tǒng)能夠自動控制，自動報警，隨時切換到安全狀態(tài)，可節(jié)省大量人力，減少設計成本。采用可編程控制器和計算機聯合控制，使得整個控制過程可靠靈活。 2.浙江大學現代制造工程研究所研制的基于 ARM 核芯片的軸瓦壁厚 /平行度自動檢測系統(tǒng)。采用了功能強大的 16/32 位的嵌入式微處理器和占先式的實時操作系統(tǒng)構成中心測控系統(tǒng)，以 PLC 為現場控制模塊，應用光柵尺獲取基礎數據，實現了對軸瓦壁厚和平行度的實時、在線以及高精度測量（光柵分辨率為 0.1m） 3.德國生產的銦瓦線尺測距儀 DISTINVAR，應變儀 DISTERMETER ISETH，石英伸縮儀，各種光學應變計，位移與振動激光快速遙測儀等。采用多譜勒效應的雙頻激光干涉儀，能在數十米范圍內達到 0.01m 的計量精度，成為重要的長度檢校和精密測量設備；采用 CCD 線列傳感器測量微距離可達到百分之幾微米的精度，它們使距離測量精度從毫米、微米級進入到納米級世界。 4.德國 Grecon 公司生產的 TMNC 型激光測厚儀，采用模塊式設計的多處理機系統(tǒng)，使系統(tǒng)功能易于擴展，易于維修，可以方便地修改和增補各種功能軟件。處理機計算厚度的平均值，進行統(tǒng)計分析，超差時發(fā)出警報。在 CRT 上，可以清楚地看到三對測定頭測得的板厚分度情況。該裝置可以方便地貯存數據，需要時按要求打印報告，檢測精度為 0.1mm，檢測范圍為 0 100mm。 1.3 研究方向和研究手段 隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們要求檢測設備自動化進行以提高試驗效率，同時對檢測結果的可信賴性和精確性要求也越來越高，智能化是檢測技術的發(fā)展方向，同時也是滑塊厚度綜合檢測平臺的努力方向。 滑塊厚度綜合檢測平臺 廣泛采用自動化控制技術，滑塊的上下料、滑塊的傳送，滑塊厚度的檢測等動作全部自動化進行，不僅能夠使測試效率大大提高，還能減少測試 人員的主觀因素對測試結果可信賴性的影響。比較設計了檢測平臺分料機構，對傳動系統(tǒng)進行設計分析。執(zhí)行裝置采用了四通公司的步進電機；出口分料處的滑塊分類通過電磁鐵的通電放電及步進電機的轉角來實現 ； 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組成上位機監(jiān)控系統(tǒng)，實現對滑塊檢測、分料過程的實時監(jiān)視和自動控制。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 6 頁 共 37 頁 1.4 本文的主要工作 本文主要做了如下工作： 第一章緒論部分介紹了滑塊厚度綜合檢測平臺的相關概念以及國內外在該課題方面的研究現狀，說明我們課題研究的目標以及研究手段。 第二章對系統(tǒng)總 體方案從機械部分、控制部分、檢測部分等進行了論證與設計。 第三章介紹了檢測平臺投料、分料機構的設計，對關鍵件的設計和選取進行了理論分析。 第四章詳細地介紹了控制系統(tǒng)，包括測控方案及其功能設計，以及 PLC 控制軟件的設計。 第五章介紹了滑塊厚度檢測系統(tǒng)及上位機的功能。 第六章介紹了部分聯調情況，并對系統(tǒng)進行可行性分析。 最后對全文進行了總 結。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 7 頁 共 37 頁 2 系統(tǒng)總體方案論證 滑塊厚度綜合檢測平臺由自動分料機構、自動檢測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、檢測平臺等組成，可以達到實現自動檢測滑塊尺寸的目的。按照要求，該系統(tǒng)應該能夠快速地 檢測出滑塊的厚度和平行度，并且根據所得數據進行自動分類。 寧波市科技局提出的具體要求有： 1）檢測誤差允許范圍為 0.1m； 2） 垂直公差 1絲 ； 3） 平行公差 1%mm； 4） 精度要求 10-7m； 5）每臺機器一個工作日檢測 應至少達到 20000 個滑塊 。 2 1 滑塊厚度檢測現有工序分析 目前，滑塊厚度的檢測仍然依靠手工操作。工廠女工利用千分尺等測量工具對厚度進行檢測，然后人工做出判斷，對滑塊是否合格進行分類。這種檢測方法嚴重制約了滑塊的生產效率，而且勞動強度大，易受主觀因素影響，無法得到精確的數據， 可靠性也不高。因此，設計一臺自動化程度高的滑塊厚度檢測平臺顯得尤為重要。 2 2 滑塊厚度綜合檢測平臺總體設計 1.首先，為了明確設計對象的功能和約束條件，我們運用了 “黑箱法 ”將設計任務 檢測結果 滑塊 驅動能 檢測要求 圖 2.1 滑塊厚度綜合檢測平臺“黑箱”示意圖 滑塊分類 振動 噪聲 有功熱 灰塵度 溫度 振動 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 8 頁 共 37 頁 抽象化。我們有意識地按照設計活動自身的內在規(guī)律進行，應用發(fā)散式的、以功能設計為主的設計思維，并在此基礎上強調抽象的設計構思，極好地防止了過早地進入實體結果分析，從而使結果既在系統(tǒng)的工作原理和結構有關的本質上有所創(chuàng)新，又能結合實際，達到預期的設計目標。 對于我們所要設計的滑塊厚度綜合檢測平臺，在求解 之前，猶如一個不知其內部結構的 “黑箱 ”。給 “黑箱 ”輸入物料、能量、信息以及外界的影響，則經 “黑箱 ”后產生輸出量以及 “黑箱 ”對外界的影響。圖 2.1 為滑塊厚度綜合檢測平臺的 “黑箱 ”示意圖。左邊的輸入量由被測工件滑塊、驅動能和檢測要求，右邊的輸出量為檢測結果和滑塊分類，上邊為該檢測平臺對外界環(huán)境的影響，下邊為環(huán)境對檢測平臺的影響因素。滑塊厚度綜合檢測平臺的總功能是檢測出滑塊的厚度并對滑塊進行分類。 2.確定了總功能后，就可尋求功能解，即實現功能的技術物理效應和功能載體。據此，我們將總功能分解成復雜程度較低的分功能 ，并相應找出各分功能的解?；瑝K厚度綜合檢測平臺本身由許多子系統(tǒng)組成，所以在此，我們可按照各子系統(tǒng)進行分解（各子系統(tǒng)的分解功能圖本文從略），如圖 2.2 所示。 3.經過分析討論，確定設計要求 ： 1）分別以滑塊的兩個面為定位基準，測出兩組數據； 2）每個面需要測多個點，并且這些點能夠決定一個平面； 3）能夠自動處理檢測數據，并按照要求把其分成七類，從七個不同的出口滑出； 4)能夠實時顯示檢測到的滑塊數據，及滑塊檢測數量及每個分類口分出的滑塊數； 5）系 統(tǒng)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據 。 6） 具有一定的容錯能力，即使出現滑塊卡位、不能完成正確分類，也不會出現系統(tǒng)崩潰或誤分類等現象； 7）設計方案應力求簡單。 滑塊厚度綜合檢測平臺 機械系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 檢測平臺 圖 2.2 滑塊厚度綜合檢測平臺功能結構圖 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 9 頁 共 37 頁 滑塊從入料口進入內夾具中 4.功能實現途徑： 滑塊厚度綜合檢測平臺是一個分布式的測控系統(tǒng)，由三大部分組成：以C+Builder 為基礎的中心測控單元，基于 PLC 的現場模塊和采用光柵傳感器的厚度 /平行度原始數據檢測裝置。中心測控單元和現場控制模塊之間的協調通過 I/O 予以完成。 1）機械傳動流程圖（如圖 2.3 所示） 2）控制系統(tǒng)組成（如圖 2.4 所示） 3）出口分料設計（如圖 2.5 所示） 經過某一傳感器時，滑塊某一對角線上厚度被測 槽道位置尺寸變化，滑塊轉動相應角度，測出另一對角線上各點的厚度 滑塊在帶的拐角處翻轉 在下側軌道上測出另外一個面的兩條對角線上各點的厚度 滑塊從出料口漏出，夾具隨帶進入上軌道 進入下一循環(huán) 圖 2.3 滑塊厚度綜合檢測平臺流程圖 傳感器頭 各控制元件 （驅動器） 數采卡 PLC 工控機 位置檢測傳感器 各 執(zhí)行元件 （步進電機、電磁鐵等 ） PC/PPI RS-485 圖 2.4 滑塊厚度綜合檢測平臺控制系統(tǒng)組成示意圖 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 10 頁 共 37 頁 其中， 3 為傳動裝置的出料槽口，其余七個口為分料口，滑塊利用加速度由傳動裝置的出料槽口滑入轉盤的槽道內，轉盤根據信號，轉動向相應的角度即可從對應的分料口分類出去。 2 3 機械部分總體設計 機械部分的設計是整個檢測平臺的基礎，其設計好壞直接影響到整個系統(tǒng)的檢測精度、檢測速度等等。 1.傳送裝置的選擇 傳送裝置是自動線結構中的運動件及工件的承載體。它把工件按照一定的節(jié)拍或 速度從一個工位送到下一個工位，從結構上把機械 裝置與其他設備聯結成一個整體。傳送裝置的種類比較多，有滾軸式、滾軸鏈式、鏈板式、懸掛鏈條式、帶式傳送裝置、傳送螺旋、滾輪式、推桿滑道式、搓板推動式等等。 鑒于 滑塊的尺寸較小，驅動力矩小等原因，結構簡單的帶式傳送裝置即可滿足設計的要求。 2.滑塊轉彎、轉向傳送裝置 目前，轉彎、轉向傳送裝置一般分為錐輥傳送裝置， 90環(huán)帶、隨行夾具式、升降轉盤、升降托盤等等?；瑝K厚度綜合檢測平臺的機械裝置 具有 一定的定向要求， 同時為了 盡可能地把裝置簡單化 。 因選擇了用隨行夾具式傳送裝置。 3.滑塊厚度綜合檢測平臺機械結構 由于滑塊需 要平穩(wěn)地向前移動，所以我們對帶式傳送裝置進行了改良，如圖 2.6所示。 圖 2.5 出口分料結構示意圖 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 11 頁 共 37 頁 采用同步齒形帶 9，一面與相應類型的帶輪 2 配合、另一面的齒槽中套接滑塊外夾具 4 的長柄，外夾具隨同步帶一起移動?；瑝K內夾具 5 與外夾具間隙配合，其中間開孔放置被測滑塊 6，內夾具的兩個銷耳 7 在導軌槽道 8 中滑動以限制內夾具的方向，這樣內夾具、滑塊一面隨外夾具移動，一面隨兩條導軌槽的距離變化發(fā)生轉動。 槽道的形狀與尺寸將決定滑塊對角線與其移動方向的夾角。為了使傳送裝置具有良好的穩(wěn)定性，設計壓帶輪部件，以壓帶輪的彈性來減弱外部環(huán)境的振動。夾具布滿整 個工作導軌，并隨傳動帶循環(huán)運動，當滑塊從入料口進入時，在某一時刻必定有一內夾具與之配合，滑塊即進入測量循環(huán)軌道，并在出料口滑出。通過改變導軌的形狀來使滑塊旋轉一個固定的角度（如圖 2.7 所示），從而實現檢測滑塊同一個面兩條對角線上點的目的。 2.6 滑塊厚 度綜合檢測平臺機械結構示意圖 圖 2.7 滑塊厚度綜合檢測平臺導軌形狀示意圖 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 12 頁 共 37 頁 2 4 控制部分總體設計 1.控制部分的組成 滑塊厚度綜合檢測平臺的控制系統(tǒng)主要包括工控機、 PLC、數采卡、傳感器探頭、位置檢測傳感器和各控制及執(zhí)行元件。 2.各部分功能 1）工控機：作為整個系統(tǒng)的監(jiān)控、調度中心，通過 PLC 間接地控制、監(jiān)測系統(tǒng)運行的狀態(tài)； 2） PLC 作為系統(tǒng)的控制核心，直接完成對各部件動作的協調控制以及各運動位置檢測； 3）檢測系統(tǒng)由傳感器、數采卡和工控機等組成，通過對滑塊的幾何量的測量、計算，作為分類產品判斷的依據； 4）位置檢測傳感器和各控制及執(zhí)行元件：主要完成對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測以及各部件動作的協調執(zhí)行，給系統(tǒng)施于動力源。 3.控制部分所能實現功能 1）控制系統(tǒng)完成滑塊在流水線上平穩(wěn)傳送； 2）控制兩個步進電機的轉動； 3)完成滑塊厚度檢測全過程，根據所得數據對滑塊進行正確分類； 4）具有一定的容錯能力。即使是出現滑塊卡位、不能完成正確分類也不會 出現系統(tǒng)崩潰或誤分類現象等。如果出現錯誤，系統(tǒng)明確指出錯誤來自哪個方位，即使不能指明錯誤來源，也能檢測到流水線的某個大致位置，以方便維護，及時排除故障。 2 5 檢測部分及上位機功能設計 在本課題中，檢測平臺的垂直公差要求為 1 絲，平行公差要求為 1%mm，精度要求為 0.1m。選用 JGX 系列的密封式光柵位移傳感器，它的測量分辨率為 0.025m（ 400線 /mm） ，可以滿足精度要求 。檢測平臺的檢測速度為 2 萬 /天 ， 針對這一效率要求，應該全面考慮其自動化程度，如微機控制，自動上下料，自動傳送工作，自動檢測等。另外 還要考慮可行性等等。 檢測平臺的上位機運用 C+Builder 編程，能夠對傳感器所得到的數據進行分析處理，并能夠將分類信號實時傳給 PLC，從而控制滑塊的正確分類。系統(tǒng)第一次運行或 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 13 頁 共 37 頁 者運行時間過長都應該重新標定。一旦發(fā)生滑塊堆積、分類錯誤、系統(tǒng)運行錯誤，上位機都能夠發(fā)出警報，給予工作人員提醒。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 14 頁 共 37 頁 3 檢測平臺投料、分料機構設計 3 1 檢測平臺設計 1.檢測時序圖 傳感器 1 2 3 4 滑塊 1 2s t/ s 傳感器 1 2 3 4 滑塊 2 滑塊 1 4s 傳感器 1 2 3 4 滑塊 3 滑塊 2 滑塊 1 傳感器 1 2 3 4 滑塊 4 滑塊 3 滑塊 2 滑塊 1 8s 傳感器 1 2 3 4 滑塊 5 滑塊 4 滑塊 3 滑塊 2 滑塊 1 10s 圖 3.1 檢測時序圖 t/s t/s t/s t/s 6s 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 15 頁 共 37 頁 由上圖可以看出 :滑塊在檢測平臺上處于并發(fā)流水線式檢測。通過安裝在傳感器旁的感應開關， 可 告知傳感器滑塊已經到達可以檢測 ， 當工作人員沒有定時添加滑塊時，系統(tǒng)等待。 2.傳動機構 為了保證傳送過程中的平穩(wěn)性，避免傳動機構的震動引入附加的測量誤差，造成測量結果的失真，傳動機構采用了分體結構的設計，將檢測工作臺與傳動機構 分離，從而大大減少了傳動機構對檢測過程的影響?；瑝K的每一表面要測量兩條對角線上共五個點（中心交叉處可看作一個），因此 ,滑塊在流水線上不但要做 90 度旋轉，還要翻轉 180 度。通過在測量平臺上刻畫合適的曲線使滑塊能夠按照預先設定的軌跡作適當的角度旋轉。滑塊的 180 度翻轉，則通過設計流水線的空間結構來實現。 3.驅動機構 1）電機選擇思路 本平臺共需兩臺電動機，一臺用來帶動傳送帶，一臺帶動圓盤轉動。電機的選擇一般包括選擇電動機的類型、電動機的功率及額定轉矩等。其具體思路如下：首先，選擇電動機的類型，然后比較電動機的 機械特性與負載特性，看它們是否吻合，并在此基礎上檢查是否滿足調速范圍與精度，順便考慮一下經濟性的問題，如果以上各個方面均滿足，接下來，我們便可以開始計算電動機功率，進行起動轉矩過載倍數及加速轉矩校驗、發(fā)熱校驗等。如過發(fā)熱校驗不通過，可以減小功率數或改用 FSN 小的電機?；蛘撸跐M足加速度要求下，看能否通過減小加速轉矩來滿足上述要求。最后，再作出具體決定。 2）電機類型的選擇 （ 以分料口的電機為例 ） 在自動控制系統(tǒng)中，經常會使用一些小功率電機用于信號的檢測、變換和傳遞，作執(zhí)行元件或信號元件，這類電機稱為控制電機。 常用的控制電動機乳汁流伺服電動機、交流伺服電動機和步進電機等等。控制電機一般具有的特點： 1）快速性好，即加速轉矩大頻響特性好； 2）位置控制精度高、調速范圍寬，低速運行平穩(wěn)無爬行現象，分辨率高，振動噪聲??； 3）適應起、停頻繁的工作要求； 4）可靠性高，壽命長。 對起停頻率高（如數百次 /分），但不要求低速平穩(wěn)性的產品，選用電機主要性能指標為高比功率。在額定輸出功率相同的情況下，交流伺服電機的比功率最高，直流伺服電機次之，步進電機最低。本課題要求的電機起停頻率低，但要求低速平穩(wěn)，扭 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 16 頁 共 37 頁 矩脈動小，在整個測速范圍內均可穩(wěn)定 運動的機械，功率密度為主要的性能指標。這時，步進電機為最佳的選擇。其中，功率密度為 P/G，電動機的比功率為 T2N/Jm (TN為電機的額定轉矩， Jm為電機轉子的轉動慣量 ) 。 步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的機電執(zhí)行元件，每外加一個控制脈沖，電機就運行一步。與其他驅動元件相比，步進電機及其控制系統(tǒng)有幾個明顯的優(yōu)點 1）通常不需要反饋就能對位移或速度進行精確控制； 2）輸出的轉角或位移精度高，誤差不會累積； 3）控制系統(tǒng)結構簡單，與數字設備兼容，價格便宜。 選擇步進電機的計算： 1）計算齒輪的 減速比； 2）計算電機軸上的慣量； 3）計算電機輸出的總力矩 M； 4）負載起動頻率估算。 經過計算，選用四通公司的 56BGY 系列 250C 電機。其保持轉矩為 1.04NM，定位轉矩為 0.04 NM，空載起動頻率為 2.8KHz。 為了提高工作可靠性，步進電機的驅動器采用商品化的整體結 構，選用北京四通電機公司的 SH-20806B，其采用數字式升頻升壓驅動方式，并結合了恒電流控制技術，采用 80V 交流電源供電，輸入控制信號為 TTL 電平信號，且提供過流保護、過壓保護、步距角切換、雙 /單脈沖控制模式切換和試機等功能。減速 器原則上希望是 1/2,但市場上一般的減速器為 1/5，考慮也能滿足要求，故選用 1/5 的減速器。 3 2 入料機構設計 使工人只需在一個位置投料，無需測量、校準。投料的速度不會對系統(tǒng)的檢測效率帶來任何影響，見圖 3.2a。為使滑塊順利進入內夾具孔中，不出現未入孔就隨夾具滑出投料裝置的情況，安裝時有如下技術要求： h0hh0+h1。 其中： h1-內夾具厚度； h0-滑塊厚度； 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 17 頁 共 37 頁 h-入料口與導軌之間距離（如圖 3.2b）。 a 1- 平臺導軌， 2-外夾具， 3-內夾具， 4-滑塊， 5-投料裝置 b 圖 3.2 入料口 3.3 分料機構設計 圖 3.3 分料口 1分料口的工作流程 1）當滑塊從傳動循環(huán)系統(tǒng)滑出，經過一段斜坡的加速后便進入圓盤的槽道內，感應器將滑塊到達信號送至控制 CPU。 2)CPU 給出命令，控制電機帶動圓盤轉動相應角度（由數據處理后的分類信號決定），電機停，電磁鐵失電。 3)滑塊被電磁鐵從某個出口 k 彈出。 4)接近開關 IO K 接受到滑塊彈出信息，并給 CPU 發(fā)信號，驅動電機反轉至初 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 18 頁 共 37 頁 始位置。 2.接近開關 接近開關是傳感器家族中眾多種類中的一個。它是利用電磁工作原理，用先進的工藝制成的，是一 種位置傳感器，它能通過傳感器與物體之間的位置關系變化，將非電量或電磁量轉化為所希望的電信號，從而達到控制或測量的目的。 在分料口，共 需使 用十個接近開關。一個產生定位信號，一個產生滑塊堆積信號，一個產生滑塊到位信號，剩下七個為分類信號。由于需要對滑塊實現定位、數目檢測、料位控制等功能，故均選用電感式接近開關。 電感式接近開關（ GDKG）屬于一種有開關量輸出的位置傳感器，它由 LC 高頻振蕩器、信號觸發(fā)器和開關放大器組成。振蕩電路的線圈產生高頻交流磁場，該磁場經由傳感器的感應面釋放出來。當有金屬物體 接近這個能產生電磁場的振蕩感應頭，就會使該金屬物體內部產生渦流，這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發(fā)生變化，當信號觸發(fā)器探測到這一衰減現象，便把它轉換成開關信號，由此識別出有無金屬物體接近開關，進而控制開關的通或斷。 本課題中，電感式傳感器的檢測方式為埋入式，在安裝上為齊平安裝型。 3.分料機構 若使用斜面導軌形式，在導軌側面開七個口，當滑塊滑到相對應的出料口時，由電磁鐵將滑塊推出，以實現分類，這樣做將增大設備體積，且無法保證滑塊到了分類口時不繼續(xù)下滑，從而造成滑塊 不能準確地從分料口分類出去的后果；若采用曲柄滑塊機構，則滑塊推出動作較慢，很難滿足快速的任務要求。本課題采用圓盤分料，既節(jié)約了空間，又保證了時間。步進電機帶動圓盤旋轉過一定角度后，由電磁鐵將滑塊推出。分類結束后步進電機回到起始狀態(tài)，等待下一個滑塊的到來。 4.分料盤的設計 由于電感式接近開關所能檢測的物體只可以是金屬體，所以，分料盤的材料就不能使用金屬體，故選用 安裝方便的 塑料盤。由于塑料盤質量較小，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在塑料盤下面再安裝一個密度較大的鋼質圓盤，直徑約為塑料盤的 1/2。 一個滑塊的尺 寸為 52735（ mm），塑料圓盤的槽道寬度應留有足夠的余量， 故需大于 35mm,槽道的圓周弧度取為 62mm。圓盤上每兩兩出料槽間應相隔 30，故 兩槽道間隔圓周距離取 22mm，所以整個塑料圓盤的圓周長度為 100.8cm，為便于制作圓盤，圓盤的半徑取為 160mm。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 19 頁 共 37 頁 由于合格的滑塊占多數，所以在設計時，為盡可能減少步進電機的轉動角度，中間一個出口作為合格產品的出口，左右各設三個出口，電機停止轉動時中間出口和傳動裝置的出料槽口正好相對應銜接。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 20 頁 共 37 頁 4 控制系統(tǒng)設計 4 1 概述 1. 控制系統(tǒng)的作用 控制系統(tǒng)的 作用是保證工作機的所有結構，能嚴格按照預定的順序，協調地、有節(jié)奏地實現運動和停止運動，是工作循環(huán)得以周而復始地進行。控制系統(tǒng)對生產率和工作可靠性影響很大，因此，要求控制準確、靈敏、可靠、耐用和調整方便。 2.控制器選擇 控制系統(tǒng)若采用單片機、單片板的話，單片機、單片板本身的可靠性差，易受干擾，再加上輸出線是兩級的繼電器輸出，火花大，容易對控制系統(tǒng)產生干擾，常會造成控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至死機。而 PLC 是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的，可靠性高，I/O 接口模塊豐富，軟件編程簡單， 故選用 可編程控制器 PLC。 3.控制系統(tǒng)框圖（圖 4.1） 4.控制要求 PLC 是整個控制系統(tǒng)的核心，直接完成對各部件動作的協調控制以及各運動位置的檢測。 PLC 與工控機通過通信口進行通信，工控機讀取 PLC 的通行口識別整個系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并在工控機上有所顯示。通過軟件控制各個控制部件的運行?？刂栖浖饕瓿沙跏紖翟O定、運行狀態(tài)顯示、容錯檢測和故障檢測報警等功能。當 PLC得到工控機的分類信號后，輸出相應脈沖，從而達到設定步進電機的移動距離（旋轉角度）、速度、方向等參數的目的。 5.控制流程 機械設備 傳感器 輸入接口 工業(yè)控制機 （工業(yè) PC， PLC等） 輸出接口 顯示記錄設備 控制單元 物理量 電壓參數 電壓、電流 圖 4.1 機械系統(tǒng)的控制組成框圖 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 21 頁 共 37 頁 1）初始化，系統(tǒng)自檢，各部件 是否正常。主要判斷 I0.2 I1.0 有無信號 ,初始化各寄存器 ,響應工控機等，如果正常 ,通過 RS485 向工控機發(fā)出準備好信號 . 2）自檢成功后，復位電機 2。讀通信口，依據通信口的命令選擇工作方式。測試方式狀態(tài)下，由工控機控制 PLC 的運行，進而控制電機的起動、運轉。正常分類狀態(tài)下，起動傳送電機 1。 3）掃描 I1.3 I1.6，如有信號則分別啟動相應探頭。 4）判斷位置傳感器 8 檢測有無滑塊，如有，檢查工業(yè)控制機傳來的產品分類狀態(tài)，判斷產品分類，并控制電機 2 旋轉相應角度。如無，則等待。 5）電機 2 帶動轉盤按照產品的 分類轉動相應角度 i。 6）到位后，電磁鐵 Q0.3 失電，彈出滑塊。 7）判斷感應傳感器 1-7 檢測出滑塊分類到位信號，與所對應分類是否一致，如不一致，則報警，一致則驅動電機 2 帶動轉盤復位，并告知上位機分類完成。判斷定位信號，是否復位成功，如否，則啟動定位程序。 8）判斷 I2.1 是否停機，如是，則切斷電源。如否，轉至 4）。 注：急停信號用于特殊情況強制停機 ， 不管分類是否完成 ,只要 I11 有效 ， 則立即強制停機 .直至重新啟動 。 4 2 控制系統(tǒng)設計 1.控制系統(tǒng)的硬件組成 控制系統(tǒng)采用了基于 PLC 的現場控制模塊。 PLC 現場控制模塊主要完成相關設備控制以及一些開關量信息的檢測等工作。首先啟動上料機構，將滑塊傳輸到待檢工位后，由 PLC 向中心控制單元發(fā)送請求信號，中心控制單元接受該信號后，完成滑塊厚度 /平行度的原始信號的采集、分析及處理，并把處理結果反饋給本控制模塊，有本模塊控制分類，并將已檢測的滑塊從相應的分料口分類出去，完成一次檢測。 1） 試驗電路連接 圖 4.2 試驗臺 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 22 頁 共 37 頁 2）硬件電路 2.PLC 的選型 1） PLC 概述 可編程控制器是基于計算機技術和自動控制理論而發(fā)展起來的，隨著高性能的微處理器及位片 式 CPU 的應用，使得 PLC 不僅具有計算機的邏輯控制功能，數據處理功能，聯網通信功能，而且能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制儀表，組成集散式控制系統(tǒng)。在惡劣的工作環(huán)境下工作， PLC 具有抗干擾能力強，可靠性高的特點。 PLC 梯形圖語言清晰直觀，可讀性強，易于掌握。此外， PLC 體積小，維護操作方便。正是由于 PLC 具有的種種優(yōu)點，所以，在工業(yè)控制中， PLC 作為面向控制對象的下位機，已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。 2）選型原則 世界上約有 200 多個 PLC 生產廠家 ， 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、三菱電機公司以及國內的浙大中控等。它們一般滿足用戶各方面的需求 ， 但在外形、結構、功能、網絡通信和編程方法等方面各有不同 ， 對于不同的工業(yè)控制需求 ， 應當選擇合適的 PLC。 PLC 選型的關鍵主要是能滿足基本控制功能和容量 ， 并考慮維護的方便性、備件的通用性、系統(tǒng)可擴展性以及能滿足特殊功能要求等。由于本課題中的檢測平臺有連續(xù)性 ， 應盡可能地考慮將來新增功能要求，考慮選擇比較新型的 PLC， 由于西門子公司的產品質量比較有保障 ， 且技術支持、售后服務較完善 ， 有利于產品擴展與軟件升圖 4.3 控 制系統(tǒng)硬件電路圖 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 23 頁 共 37 頁 級，所以確定選用西門子公司生產的 PLC。 由于所需要的輸入輸出點數不是很多，選擇小型 PLC 即可滿足要求。西門子公司的 S7-200 微型 PLC 系統(tǒng)組合擴展方便，結合了一體化 PLC 和模塊化 PLC 的優(yōu)點，具有極高的性價比。 3）確定 PLC 的規(guī)模 PLC一般是根據其輸入輸出點數及存儲器容量的大小來分類 , 在 PLC選型之前