滑塊厚度綜合檢測平臺分料機構(gòu)設(shè)計,厚度,綜合,檢測,平臺,機構(gòu),設(shè)計 1 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 I 頁 共 I 頁 目次 1 引言 1 1.1 課題的背景 1 1.2 課題的研究目的與意義 1 1.3 研究方法和手段 1 2 滑塊厚度綜合檢測系統(tǒng)總體設(shè)計方案探討 4 2.1 檢測對象 4 2.2 總體設(shè)計難點及解決方案 4 3 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 6 3.1 自動分料系統(tǒng)方案初步探討 6 3.2 自動分料系統(tǒng)設(shè)計 9 3.3 復(fù)位彈簧的設(shè)計 11 3.4 電磁鐵的選型 14 3.5 步進電機的選型 16 4 滑塊厚度綜合檢測控制系統(tǒng)設(shè)計 25 4.1 控制系統(tǒng)的組成 25 4.2 控制系統(tǒng)的功能要求 26 4.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 26 4.4 PLC控制電機功能的實現(xiàn) 28 4.5 總控制流程圖 31 結(jié) 論 32 致 謝 34 參 考 文 獻 35 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第7 頁共34 頁 1 引言 尖端技術(shù)的發(fā)展要求機械制造工廠的生產(chǎn)向著快速、靈活、高質(zhì)量、大批量的自動化方向發(fā)展，與此同時，產(chǎn)品檢測能否跟得上生產(chǎn)的速度就決定了工廠生產(chǎn)率的高低。顯然，傳統(tǒng)的人工操作檢測已經(jīng)遠遠落后了,尤其是對大批量生產(chǎn)的重要元件的檢測，靠人工檢測顯然費力、費時。此時，如果能有一條自動檢測生產(chǎn)線來取代原來的手工操作，就顯得非常必要，本課題就屬于這樣的范疇。 1.1 課題的背景 本課題的設(shè)計檢測主體——滑塊是空氣調(diào)節(jié)器中的關(guān)鍵部件，其加工質(zhì)量嚴重影響了空氣調(diào)節(jié)器的性能指數(shù)，其加工的尺寸、平行度和垂直度等的精度要求非常高，因此滑塊檢測尤為重要。由于滑塊生產(chǎn)量較大，現(xiàn)同步相關(guān)工廠每天生產(chǎn)數(shù)萬只，對滑塊厚度的檢測采用人工手動的方式，大部分測量用千分表來進行，測量分辨率 1 μm ~2 μm，部分測試項目用萬分表來進行測量，測量分辨率0.1 μm ~0.2 μm，檢測效率是5000片/8人·天。這樣不僅要耗費較大的人力、物力、財力，若稍有不甚，檢測精度就較難保證，而且明顯與當(dāng)今機械制造、檢測自動化的方向不符。 少數(shù)國內(nèi)比較先進的工廠都采用流水線作業(yè)的自動檢測方式，從產(chǎn)品的尺寸測量、翻轉(zhuǎn)，到測點數(shù)據(jù)的傳輸、與上位機的通訊，再經(jīng)過計算機對數(shù)據(jù)作分類處理，到最后實現(xiàn)分組，都是由生產(chǎn)線自動完成的。 1.2 課題的研究目的與意義 本課題就是擬采用流水線的作業(yè)方式對滑塊進行檢測，核心工作就是要設(shè)計一套滑塊自動檢測系統(tǒng)來取代原有的人工檢測，測試過程要實現(xiàn)自動化，操作工人只負責(zé)將滑塊放入工作臺第一個工位和收取流水線上分組后的滑塊?；瑝K自動檢測裝置的應(yīng)用，將有效地提高企業(yè)的自動化水平，在提高了測量精度的基礎(chǔ)上，極大的提高工廠的生產(chǎn)檢測效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力，可以產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益。因此，此檢測裝置的設(shè)計和應(yīng)用，具有極高的實用價值與推廣價值，有著重要的意義 1.3 研究方法和手段 本課題為實現(xiàn)滑塊厚度尺寸精度的綜合自動檢測，主要采用的流水線為導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)軌中完成滑塊的運行、姿態(tài)的變換，并在完成綜合檢測后自動分料，導(dǎo)軌用步進電機帶動雙面同步齒形帶傳動，分料機構(gòu)用步進電機及電磁鐵實現(xiàn)；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(xiàn)對滑塊檢測、分料過程的實時監(jiān)視和自動控制。 1.3.1 可編程控制器技術(shù) 可編程控制器是一種典型的采樣控制系統(tǒng)，它通過循環(huán)方式進行閉環(huán)控制，包括數(shù)字量和模擬量控制。它既可進行順序控制，也可實現(xiàn)過程控制，隨著微處理器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器已不僅僅是傳統(tǒng)意義上的控制元件，其功能日益完善。它整合了CPU、存儲器、輸入輸出端口，使其成為一個小型微處理器，不僅能實現(xiàn)傳統(tǒng)繼電器吸合、延時等功能，還有邏輯運算、算術(shù)運算、指令運算、數(shù)制轉(zhuǎn)換等控制功能，它與其它外部設(shè)備如數(shù)采卡、CRT、打印機、計算機組成分布式測控系統(tǒng)就能實現(xiàn)顯示、監(jiān)控、打印及報表生成。 1.3.2 串行通訊技術(shù) 串行通訊是按位傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式，由于其傳輸距離遠、價格低而被廣泛使用。串行通訊分為同步通訊和異步通訊方式，采用同步方式時，除需傳送數(shù)據(jù)信號外，還需傳送用于位指示的時鐘信號；而采用異步方式時，收發(fā)雙方分別使用各自的時鐘信號，發(fā)送端可選擇任何時刻開始發(fā)送數(shù)據(jù)，異步通訊用一個起始位表示一個字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束，采用幀來傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送速度用波特率表示，其常用的波特率有：110、300、600、1200、2400、9600、14400、19200等。 1.3.3 擬采取的檢測方法 經(jīng)研究決定，擬采用流水線為導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，滑塊的運行、姿態(tài)的變換均在導(dǎo)軌中完成，且由設(shè)計結(jié)構(gòu)自動完成，以滿足自動化要求?；瑝K在檢測過程中每種工位完成不同的參數(shù)測試，最終滿足檢測的數(shù)據(jù)要求。 根據(jù)初步的探討，自動檢測系統(tǒng)采用接觸式測量，在待檢測滑塊運動到傳感器位置時，經(jīng)過一個傳感器探頭，獲得三個所需的厚度值，然后滑塊旋轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過另一個傳感器探頭，測得另三個所需的厚度值，滑塊繼續(xù)前進，再經(jīng)過翻面過程，經(jīng)過另一組即先后兩個傳感器探頭，又獲得另一個面的五個（或六個，中間一個重復(fù)）所需厚度值，完成所需待測參量的測量。 測試過程自動化，操作工人只負責(zé)將滑塊放入測試平臺和收取測試分組后的滑塊。 1.3.4 本文的主要內(nèi)容如下 在整個滑塊自動檢測系統(tǒng)中，本文將在簡述檢測平臺總體設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，重點完成分料口部分機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。 第一章引言介紹了滑塊厚度測量系統(tǒng)的相關(guān)概念以及國內(nèi)外在該課題方面的發(fā)展概況及趨勢，并闡述了本課題研究的方法、手段及意義。 第二章總體設(shè)計簡單介紹了本課題的總體設(shè)計思想，以及在測量、傳送、分類、數(shù)采等方面設(shè)計中遇到的難點及初步解決方案。 第三章介紹了系統(tǒng)主體部分的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中，詳細介紹了滑塊傳送系統(tǒng)的方案設(shè)計、方案認證及其具體的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對關(guān)鍵部件的設(shè)計和選型進行了詳細的分析、計算及認證。且介紹了傳動及分料機構(gòu)步進電機的選型及驗證。 第四章滑塊厚度綜合檢測控制系統(tǒng)設(shè)計部分詳細地介紹了控制系統(tǒng)（主要是分料機構(gòu)的控制系統(tǒng)）設(shè)計，包括控制系統(tǒng)組成、功能要求、PLC硬件選擇以及控制流程設(shè)計等。 結(jié)論部分中隊本課題做了簡單總結(jié)，并詳細介紹了本人在本課題中所做工作、所得收獲，以及在工作中發(fā)現(xiàn)的不足、有待解決的問題等。 2 滑塊厚度綜合檢測系統(tǒng)總體設(shè)計方案探討 滑塊自動檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計思想如下：采用數(shù)字幾何量傳感器來進行測量，測量分辨率高，能保證測試精度；各個測試數(shù)據(jù)點獨立測量，流水進行，以保證測量的效率；利用數(shù)采卡采集數(shù)據(jù)，通過工控機計算各個指標(biāo)，如厚度和平行度，以綜合判斷該滑塊合格或是不合格，并進行分組。 2.1 檢測對象 表 2.1 滑塊規(guī)格表： 滑塊是空調(diào)壓縮機的關(guān)鍵部件之一，其外形如圖 2.1所示，滑塊規(guī)格見表 2.1(單位：mm)。 面符號 尺 寸 最 大 最 小 S/T 厚度d 5.3 3.2 U/V 高度h 45 16 W 寬度w 30 23 圖 2.1 滑塊外形圖 本課題中，按產(chǎn)量最大的一個規(guī)格（5×35×27）進行設(shè)計，并保留足夠的空間以備在其后幾臺研制中通過更改夾具等方法兼容其它規(guī)格的測試要求。 厚度檢測系統(tǒng)測試滑塊中心厚度及四個角的厚度，五個數(shù)據(jù)的最大差值為厚度平行差。設(shè)七個分組出口，按平均厚度分組：合格、中心厚度超上限、中心厚度超下限、平均厚度超上限、平均厚度超下限、平行差超。分組方式可以通過控制計算機進行調(diào)整。 2.2 總體設(shè)計難點及解決方案 檢測對滑塊的平面度和垂直度有一定要求，測量精度較高，測量分辨率0.1μm,測量重復(fù)性±0.1μm，在此精度要求，接觸式傳感器完全可以滿足要求，且成本相對較低，所以我們采用接觸式傳感器，而不考慮用非接觸式傳感器。此外，用作測量的檢測平臺也要滿足很高的精度要求，才能作為基準。 需對滑塊兩個平面的厚度值進行測量，因而要用一定裝置實現(xiàn)滑塊的定時定位旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，而且對旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)的時間也要有很好的控制。此時，可考慮先用氣缸將滑塊頂起，再由步進電機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，用機械手實現(xiàn)滑塊的翻轉(zhuǎn)。但這樣一個工位非常耗時，想要在2s~3s內(nèi)完成不易實現(xiàn)，所以我們想辦法在滑塊傳送過程中，利用導(dǎo)軌來實現(xiàn)滑塊的旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，這就是本課題最終選用的設(shè)計方案。具體的介紹將由本團體中另一同學(xué)詳細討論。 測試速度要求較高，一般為每個測點2s~3s，流水測試，每天至少要測試一萬片以上，由于流水線采用多工位測量方式傳動，因而每個滑塊的檢測速度取決于滑塊通過最慢的工位所用的時間，因而生產(chǎn)線上每個工位的操作時間需要在2s~3s內(nèi)完成?？v觀整個流水線作業(yè)過程，無疑分料口滑塊分類這一工位耗時最久，因而如何能在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)這一過程就是能否提高檢測速度的關(guān)鍵所在。 由表2.1可知，檢測對象滑塊的外形相似，但尺寸大小不一，而且對滑塊的厚度、高度和寬度都有最大最小值界定，這給檢測之后的產(chǎn)品分組帶來一定難度，可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(xiàn)對滑塊檢測、分料過程的實時監(jiān)視和自動控制。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測點數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫，再由計算機進行處理分組，在計算機上修改合格要求和分組要求。 由于檢測工序的上述特點，本系統(tǒng)采用接觸式測量的光柵測長儀。整個測試過程實現(xiàn)自動化，操作工人只負責(zé)將滑塊放入測試平臺和收取測試分組后的滑塊。 3 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 我們研制的滑塊厚度綜合檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如 圖 3.1所示。其可以分成三大功能單元，即滑塊傳送系統(tǒng)、滑塊翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)和自動分料系統(tǒng)。本文主要對自動分料系統(tǒng)進行詳細分析。 為滿足安裝和使用的方便，在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計中作了以下幾點考慮： 1. 為避免因摩擦產(chǎn)生的影響，在設(shè)計傳送帶時，我們采用了組合式的滑塊夾具，即在外滑塊夾具內(nèi)配上圓形的與滑塊相配的內(nèi)夾具，盡量減少滑塊與導(dǎo)軌的摩擦，且要有滑塊保護罩； 2. 由于滑塊合格產(chǎn)品占多數(shù)，在設(shè)計時，把中間一個出口作為合格產(chǎn)品的出口，再考慮到盡可能減少步進電機的轉(zhuǎn)過角度，在出料口左右兩邊各設(shè)三個分料出口； 3. 為使傳送帶具有良好的穩(wěn)定性，需要設(shè)計壓帶輪部件以壓帶輪彈簧的彈性減弱外部環(huán)境引起的震動； 4. 在設(shè)計測頭夾具時，要考慮到如何保護傳感器探頭及有效夾緊。 3.1 自動分料系統(tǒng)方案初步探討 在滑塊厚度檢測結(jié)束后，根據(jù)不同結(jié)果把他們分成七類。如何實現(xiàn)在2s鐘內(nèi)完成自動分類成為本課題設(shè)計的瓶頸。本節(jié)將在比較之后確定最終方案。 下面分別介紹幾種可考慮的設(shè)計思想： 3.1.1 斜面導(dǎo)軌： 可以選擇勻速流水線型導(dǎo)軌，導(dǎo)軌成斜坡形，運行速度為0.5 m/s。導(dǎo)軌由七個擋板組成，每個擋板對應(yīng)一種不同的分類。當(dāng)相應(yīng)的類型的滑塊滑到此擋板時，由電磁鐵或繼電器等其它執(zhí)行器帶動擋板下翻，使滑塊從該口跳出，以實現(xiàn)分類。但是，這樣的七個分料口需要七個將滑塊分類的裝置，既浪費資源又占用較大空間，不易實現(xiàn)。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第35 頁共34 頁 圖 3.1 滑塊厚度綜合檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 3.1.2 曲柄滑塊機構(gòu) 另一個可考慮的設(shè)計方案是曲柄滑塊機構(gòu)。如圖 3.2所示。 圖 3.2 曲柄滑塊機構(gòu) 對圖中字符的含義作如下說明： 、——滑塊的兩個極限位置 、——滑塊前進、后退對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)過的角度 、——曲柄端點的兩個極限位置 ——曲柄轉(zhuǎn)動角速度 ｅ ——偏距 θ ——極位夾角 曲柄滑塊機構(gòu)是由平面四桿機構(gòu)演化而來，它含有一個移動副。本次設(shè)計如采用的是偏置曲柄滑塊機構(gòu)，具有急回特性。雖然對心曲柄滑塊機構(gòu)無急回特性，但這樣一個機構(gòu)，各參數(shù)需自己設(shè)計，實現(xiàn)起來較復(fù)雜，成本較高。 3.1.3 圓盤電磁鐵： 綜合比較以上幾種方法，用一個電磁鐵帶動推出裝置來實現(xiàn)所有類型滑塊的推出是比較理想的。這樣，就形成了本課題中的分料系統(tǒng)設(shè)計，步進電機帶動滑塊和電磁鐵旋轉(zhuǎn)過一定角度，由電磁鐵裝置將滑塊推出。分類結(jié)束后步進電機回到起始狀態(tài)，等待下一個滑塊的到來。 該套裝置共設(shè)7個分組出口，按厚度和平行差工藝標(biāo)準進行分組，把中間一個出口作為合格產(chǎn)品的出口，再考慮到盡可能減少步進電機的轉(zhuǎn)過角度，在出料口左右兩邊各設(shè)三個分料出口，如圖 3.3所示： 圖 3.3 出料口示意圖 方案一旦確定后，剩下的重點就是步進電機的選擇、電磁鐵的選型和滑塊吸收座的設(shè)計，本文將在后面幾節(jié)給以討論。 3.2 自動分料系統(tǒng)設(shè)計 自動分料系統(tǒng)主要包括：轉(zhuǎn)盤、滑塊吸收座、電磁鐵、電動機、減速器、安裝座、出料導(dǎo)軌等裝置。 3.2.1 轉(zhuǎn)盤 根據(jù)滑塊的外形尺寸，初步取分料轉(zhuǎn)盤直徑約為30厘米。要在其上安裝電磁鐵等裝置?；瑝K從檢測平臺上滑到此圓盤上，應(yīng)避免使滑塊的棱角發(fā)生磕碰，也要考慮盡量減少摩擦。所以，我們把轉(zhuǎn)盤材料選為塑料，且安裝容易，能同時滿足穩(wěn)定性的要求。為了即方便安裝，又保持轉(zhuǎn)盤的穩(wěn)定，可以在塑料圓盤下面再裝一個密度較大的鋼質(zhì)圓盤，直徑稍小于塑料圓盤即可。 3.2.2 滑塊吸收座 設(shè)計滑塊吸收座時，主要考慮以下幾點： 1. 當(dāng)滑塊厚度檢測完畢，通過出樣導(dǎo)軌從檢測平臺滑到分料轉(zhuǎn)盤上，這時，需考慮一個滑塊吸收座來接收滑塊。并在滑塊被彈出前，滑塊一直位于吸收座中隨吸收座運動。 2. 本課題利用電磁鐵將滑塊彈出，電磁鐵線圈斷電后無復(fù)位裝置，所以，需安裝彈簧，在線圈斷電時，依靠彈簧的存儲能帶動銜鐵彈出，再通過合適的裝置將滑塊彈出。 3. 彈簧不可能裝在銜鐵與磁扼之間，所以，要考慮如何實現(xiàn)銜鐵的復(fù)位，即彈簧的安裝方式位置。 4. 在30 cm這樣一個轉(zhuǎn)盤上，既要安裝電磁鐵，又要安裝滑塊吸收座，還要考慮彈簧等。所以，盡量采用整體式設(shè)計，以節(jié)省占用空間。 1.外座 2.推桿 3.擋塊 4.出樣簧 綜合考慮這四點，可初步考慮如圖 3.4 所示這個裝置來實現(xiàn)： 圖 3.4 滑塊吸收座部件圖 電磁鐵吸合，帶動推桿壓縮彈簧， 電磁鐵失電，彈簧復(fù)位，推動推桿，彈出滑塊。 顯然，這樣一個滑塊吸收座能同時滿足以上四點要求。 其工作狀態(tài)如圖 3.5所示： 圖 3.5 滑塊吸收座工作狀態(tài)圖 各零件的具體尺寸需要在設(shè)計出復(fù)位彈簧及選定電磁鐵后計算得出。復(fù)位彈簧和電磁鐵的設(shè)計選型在后面將給予詳細介紹。 3.2.3 動平衡 在分料轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，如設(shè)計不當(dāng)，就會引起振動，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的動平衡，電磁鐵和滑塊吸收座的安裝位置也需特別考慮。 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，機構(gòu)運轉(zhuǎn)時構(gòu)件將產(chǎn)生慣性力和慣性力偶矩，它們在機構(gòu)各運動副中引起動壓力，并傳到機架上。由于慣性力和慣性力偶矩的大小和方向隨著機械運轉(zhuǎn)的循環(huán)而產(chǎn)生周期性變化，因此當(dāng)它們不平衡時，將使整個機器發(fā)生振動，引起工作精度和可靠性下降、零件的磨損和疲勞以及有害人的噪聲。如該振動頻率接近振動系統(tǒng)得固有頻率時，有可能引起共振而使機器損壞，甚至影響周圍建筑和人員的安全。因此，盡量消除附加動壓力，減輕有害的機械振動現(xiàn)象，以改善機器工作性能和延長使用壽命，就是研究機構(gòu)平衡的目的。 繞固定軸回轉(zhuǎn)構(gòu)件的慣性力平衡：這類機構(gòu)只有一個作回轉(zhuǎn)運動的活動構(gòu)件，動壓力的產(chǎn)生主要是由于回轉(zhuǎn)件上質(zhì)量分布不均勻所致，故可用重新調(diào)整其質(zhì)量大小和分布的方法是回轉(zhuǎn)件上所有質(zhì)量的慣性力形成一平衡力系，從而消除運動副中的動壓力及機架的振動。 本課題中，電磁鐵和滑塊吸收座等固定在轉(zhuǎn)盤上，且轉(zhuǎn)盤軸向?qū)挾群苄?，可以通過適當(dāng)?shù)牟贾秒姶盆F和滑塊吸收座的位置，把它的質(zhì)量近似地認為均勻的分布在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)。此時，轉(zhuǎn)盤離心力系的合力和合力偶矩都等于零，即該轉(zhuǎn)盤即滿足了靜平衡，另一方面，由于此機構(gòu)轉(zhuǎn)速較低，對動平衡要求不高，所以，滿足了靜平衡的同時可以認為它也實現(xiàn)了動平衡。 3.3 復(fù)位彈簧的設(shè)計 當(dāng)電磁鐵銜鐵吸合時，推桿收回，當(dāng)電磁鐵斷電時，銜鐵彈出，將滑塊推出，但電磁鐵斷電時，銜鐵不會自動復(fù)位。這時就考慮利用彈簧來實現(xiàn)銜鐵的復(fù)位。當(dāng)銜鐵吸合時，推桿向相應(yīng)方向移動壓縮復(fù)位彈簧，產(chǎn)生彈性變形。 彈簧在此處的作用主要是幫助電磁鐵復(fù)位，以實現(xiàn)彈出滑塊的功能。當(dāng)電磁鐵收到滑塊分類信號，電磁鐵斷電，喪失吸力，這時利用復(fù)位彈簧在彈性變形下產(chǎn)生的作用力，帶動銜鐵推動推桿向外將滑塊彈出。在此過程中，彈簧的彈性力只是用來在斷電的瞬間，克服各種摩擦的同時給滑塊一個沖擊力。 1、初步選定彈簧 根據(jù)彈簧的工作性質(zhì)，我們選用圓柱螺旋彈簧，材料為碳素彈簧鋼絲（GB4357-89）。 再根據(jù)滑塊吸收座的尺寸結(jié)構(gòu)及彈簧設(shè)計的相關(guān)標(biāo)準初步選定：彈簧預(yù)裝尺寸H1=20mm，工作行程H=5mm，外徑D2=16mm。 2、彈簧的最大作用力： 滑塊接收彈簧給的沖量（Ftt），轉(zhuǎn)化為動量（mv0），滑塊擁有動能，在滑出轉(zhuǎn)盤時，一部分用來克服摩擦，轉(zhuǎn)化為熱能（J），剩余的能量為滑塊出轉(zhuǎn)盤時擁有的動能（?mv12），顯然，此動能必須大于零，即（v1>0）。 設(shè)計此彈簧，需求出滑塊能自由滑出滑塊吸收座所需最小能量，即彈簧給它的最小力（Ftm）。 Ftm t=m v0m ?m υ0m2=J（v1=0） 因為J和t很難精確計算，所以用實驗的方法求得Ftm。 經(jīng)實驗測得: Ftm≈4.5N 所以，我們?nèi)椈傻淖畲笞饔昧≈5N。 3、根據(jù)負載類型定[τ]、G： 本系統(tǒng)實際工作情況：每臺的工作量約為每天檢測一萬片，壽命約為一年。這樣，彈簧工作次數(shù)約為： 104×2×300=6×106次 所以，此彈簧所受載荷為第Ⅰ類載荷（受變載荷作用次數(shù)在106次以上的彈簧）。再初選此彈簧的材料為碳素彈簧鋼絲（GB4357-89）。 查彈簧材料的綜合性能得： σb=1400 MPa （強化鋼絲強度下限值）； 許用切應(yīng)力[τ]=（0.30~0.38）σb=（0.30~0.38）×1400=420 MPa~532 MPa； 切變模量G=78.8×103MPa； 4、根據(jù)質(zhì)量最輕原則設(shè)計彈簧 如圖 3.6所示，為本課題設(shè)計彈簧： 彈簧材料：碳素彈簧鋼絲 彈簧材料直徑 d=0.8mm 彈簧中徑 D=16-0.8=15.2mm 節(jié)距 p=6mm 圖 3.6 復(fù)位彈簧設(shè)計簡圖 圈數(shù)： 有效圈數(shù) n=15， 支承圈 nz取1.5， 總?cè)?shù) n1=n+nz=16.5， 預(yù)壓長度 H1=22mm 工作長度 H2=H1+5=27mm 5、簡單分析、校核： 螺旋升角 α=arctg（p/πD） =arctg（6/15.2π） =7.16° 螺旋角推薦用值為5°~9°，本彈簧滿足此要求，則計算變形時不需考慮螺旋角的影響。 彈簧螺旋線長度： 當(dāng)圓柱螺旋彈簧受到軸向載荷F和扭矩T作用時，彈簧產(chǎn)生軸向變形，仍保持螺旋形，但基本參數(shù)：彈簧中徑D、升角α、螺旋線的長度l均發(fā)生變化，彈簧材料截面尺寸也要發(fā)生變化。 當(dāng)彈簧兩端固定，從自由高度壓倒并緊時，中徑增大值為 ?D=0.05（p2-d2）/ D 當(dāng)兩端面與支承座可以自由回轉(zhuǎn)而摩擦力比較小時，中徑增大值為 ?D=0.10（p2-0.8p?d-0.2-d2）/ D 本次設(shè)計可根據(jù)第二個公式計算，得 ?D =0.10（p2-0.8pd-0.2d2）/D =0.10（62-0.8×6×0.8-0.2×0.8）/15.2 =0.21mm 所以，滑塊吸收座中，推桿內(nèi)徑 D′ =16.5mm >D+?D =16.21mm 能滿足要求。 3.4 電磁鐵的選型 1、電磁鐵類型 本課題的目的是將檢測結(jié)束后的滑塊實現(xiàn)分類，我們之所以選用推拉式電磁鐵是基于它的結(jié)構(gòu)特點：線圈用高導(dǎo)磁率外殼覆蓋住，由于輔助磁路的作用會產(chǎn)生很大的吸引力。在線圈上施加電壓，銜鐵就被吸引到線圈的那邊，如果使用安裝螺栓側(cè)的軸，就發(fā)生推動作；如果使用銜鐵側(cè)的軸，就發(fā)生拉動作，兩者都能使用。 在本課題中，我們使用銜鐵側(cè)的軸，在使用時將磁扼安裝在固定支架上，而將銜鐵活動地連接于牽引桿上，當(dāng)吸引線圈通電時銜鐵被吸合，經(jīng)過連桿帶動滑塊吸收座中的推桿復(fù)位，在線圈斷電時，復(fù)位彈簧依靠變形能將銜鐵拉出，同時帶動推桿將滑塊彈出。 2、使用中需注意電磁鐵性能 關(guān)于直流電磁鐵，電阻、電流、電壓、功率、漆包線線徑、漆包線匝數(shù)、行程等等與力量的關(guān)系如下： 行程越小力量越大，當(dāng)問及力量的時候，一定要加上行程，因為二者直接相關(guān)。 一般情況下，功率越大力量越大，近似正比關(guān)系。當(dāng)功率大到一定程度時，電磁鐵接近磁飽和，力量增加很小。 工作時間的長短決定功率的大小，長時間通電時，功率不能太大，否則易發(fā)熱燒壞。當(dāng)不能滿足發(fā)熱要求時，要選更大體積的電磁鐵，才不致于發(fā)熱那么嚴重。 3、根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，如彈簧，導(dǎo)軌的角度等，考慮電磁鐵的行程、吸力 彈簧行程為f′ =5mm，所以選電磁鐵行程 f>f′ =5mm 彈簧預(yù)緊力： F1 ＝k1·f1 ＝k1（H0-H1） = k1（91.2-22） ＝5.4 N k1=0.0780 N/mm F2＝k2·f2 ＝k2（H0-H2） = k2（91.2－27） = 4.8 N k2＝0.0748 N/mm 因為k1 > k2，所以，取彈簧剛度系數(shù)k = k1 = 0.0780 N/mm。 彈簧最大工作力取F1 = 0.0780*64.2=5.4 N 考慮到溫度變化地、電壓變動等因素，取安全系數(shù)ζ >1.5=2， 所以，選用電磁鐵吸力 F > ζ·F2= 10 N 4、選定電磁鐵 根據(jù)上面所計算吸力、行程等參數(shù)，可知，該系統(tǒng)需要電磁鐵對吸力和行程的要求較低。 綜合比較各參數(shù)，查閱電工手冊，我們選定電磁鐵型號為MQ1-1.5N（-5101）。 其技術(shù)數(shù)據(jù)如表 3.1所示下： 表 3.1 MQ1-1.5N電磁鐵技術(shù)數(shù)據(jù) 使用 方式 額定吸力（N） 額定電壓 （V） 額定行程（mm） 通電率（%） 操作次數(shù)（次/小時） 消耗功率 起動 吸合 拉動式 15 220 20 60 600 450 67 5、校核 此電磁鐵通過一角形鐵，固定在塑料轉(zhuǎn)盤上?？紤]到動平衡因素，與滑塊吸收座沿轉(zhuǎn)軸成慣性力矩對稱分布。 經(jīng)實驗證明，此電磁鐵滿足各方面性能要求。 3.5 步進電機的選型 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。根據(jù)本課題機械系統(tǒng)設(shè)計要求，我們選擇步進電機作為控制執(zhí)行元件。步進電機與通常直流、交流電機一樣是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電磁元件，但其運行原理，驅(qū)動單元和控制方式等方面存在特殊性。其有如下特點： 1. 采用脈沖通電方式，將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移； 2. 電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率保持嚴格的同步關(guān)系。 在本設(shè)計中，步進電機的選型主要考慮以下幾點： 1. 要有足夠小的步距角，滿足精度要求； 2. 提供足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩； 3. 提供足夠大保持轉(zhuǎn)矩即靜轉(zhuǎn)矩。 3.5.1 步進電機的基本結(jié)構(gòu)型式 1. 反應(yīng)式步進電機：亦稱磁阻式（VR）步進電機。其定轉(zhuǎn)子磁路均由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其特點如下： 1） 步距角小。最小可做到10′左右； 2） 要求驅(qū)動電源功率較大，系統(tǒng)效率較低； 3） 電機的內(nèi)阻尼較小，但不運行振動時間長； 4） 斷電時沒有定位轉(zhuǎn)矩。 2. 永磁式步進電機：轉(zhuǎn)子或定子的某一方面具有永磁鋼的步進電機，另一方面由軟磁材料制成，繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其特點： 1） 步距角大； 2） 相數(shù)為偶數(shù)為多； 3） 啟動頻率低。負載啟動頻率一般在300Hz以下； 4） 控制功率??； 5） 內(nèi)部電磁阻尼較大，單步鎮(zhèn)當(dāng)時減?。? 6） 斷電時具有一定的保持轉(zhuǎn)矩，可用作定位使用。 3. 混合式步進電機：轉(zhuǎn)子上有磁鋼，但從定子或轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，又和反應(yīng)式步進電機相似，是反應(yīng)式和永磁式電機的結(jié)合，又稱作感應(yīng)子式步進電機。具有反應(yīng)式步進電機步距小，響應(yīng)頻率高等優(yōu)點,還具有永磁式步進電機勵磁功率小、效率高和有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。 3.5.2 步進電機的性能簡述 在本裝置中，步進電機主要作用是在給定頻率的數(shù)字脈沖信號驅(qū)動下，驅(qū)動V形帶、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)滑塊傳送和分類。而要可靠有效地完成上述功能，必須考慮步進電機驅(qū)動電源的脈沖頻率與所帶負載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，衡量這些關(guān)系有如下性能指標(biāo)： 1. 步距角（β°）及精度 對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用β表示。 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。 對于使用步距角定位的系統(tǒng)，步距角大小的選擇直接影響到負載的定位精度，步距角的精度通常用步距角的百分比來衡量，一般步進電機的精度為步距角的3%~5%，且不累積。本課題中步距角的誤差允許在1°左右。 2. 轉(zhuǎn)矩 步進電機轉(zhuǎn)子靜止時，控制繞組統(tǒng)一直流電，如果在轉(zhuǎn)子上施加一個外加轉(zhuǎn)矩，因其定轉(zhuǎn)子齒錯開，則電機將產(chǎn)生一電磁轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩就是靜轉(zhuǎn)矩。它的存在勢必使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置。當(dāng)外加力矩加大到一定程度，超過使轉(zhuǎn)子回到原來的平衡位置時的電磁轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)到一個角度，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這個能使轉(zhuǎn)子回復(fù)到原來平穩(wěn)狀態(tài)平穩(wěn)位置的極限電磁轉(zhuǎn)距角最大靜轉(zhuǎn)矩。 保持轉(zhuǎn)距（HOLDING TORQUE）是指電機各相繞組通額定電流，且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N?m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N?m的步進電機。 定位轉(zhuǎn)距（DETENT TORQUE）是指電機各相繞組不通電且處于開路狀態(tài)時，由于混合式電機轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距。一般定位轉(zhuǎn)距遠小于保持轉(zhuǎn)距。是否存在定位轉(zhuǎn)距是混合式步進電機區(qū)別于反應(yīng)式步進電機的重要標(biāo)志。 3. 起動頻率 步進電機能無失步起動和停轉(zhuǎn)的最高頻率，稱為起動頻率。分為空載起動頻率和負載起動頻率?？蛰d啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 在該裝置中，步進電機的負載啟動頻率與電機和負載的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)。 4. 連續(xù)運行頻率 步進電機在負載條件下，頻率連續(xù)上升能無失步運行的最高頻率稱為連續(xù)運行頻率。 5. 起動矩頻特征 步進電機在負載轉(zhuǎn)動慣量及其他條件不變的情況下，起動頻率和最大輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為起動矩頻特征。 6. 運行矩頻特性 步進電機在負載轉(zhuǎn)動慣量及其他條件不變的情況下，運行頻率和最大輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為運行矩頻特性。當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 7. 慣頻特性 步進電機在負載轉(zhuǎn)矩及其他條件不變的情況下，啟動頻率和負載轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系稱為起動慣頻特性。它是反應(yīng)步進電機能帶慣性負載能力的一項重要性能指標(biāo)。如果對動態(tài)響應(yīng)要求比較高，建議選擇電機的轉(zhuǎn)動慣量最好為負載轉(zhuǎn)動慣量的2倍，否則只要負載的轉(zhuǎn)動慣量小于電機的轉(zhuǎn)動慣量即可。 8. 步進電機的外表溫度 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在130℃以上，有的甚至高達200℃以上，所以步進電機外表溫度在80℃~90℃完全正常。 9. 電機的共振點 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在（180~250）PPS之間（步距角為1.8°）或在400 PPS左右（步距角為0.9°），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 3.5.3 步進電動機的計算 感應(yīng)子式（混合式）步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式步進電機的優(yōu)點，不僅步距角小、響應(yīng)頻率高還有定位轉(zhuǎn)矩，故為本系統(tǒng)選用。 滑塊的分類依靠分類電機輸出不同的相位來區(qū)分，其分類號由上位機給出。因此，要精確控制電機的輸出脈沖數(shù)目以及頻率。脈沖數(shù)目關(guān)系到輸出的角度；頻率的大小關(guān)系到分類的速度。選用合適的頻率使電機能夠在不失步的情況下，頻率最大。 1. 步距角β° 本課題的分料機構(gòu)中，由步進電機帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過一定角度，以實現(xiàn)滑塊分類，也就是說步進電機要有高的分辨率和定位精度。由分料機構(gòu)示意圖得，每種分類最小當(dāng)量約為30°。該角度定位直接利用控制步進電機的驅(qū)動步數(shù)來實現(xiàn)，故對步距角應(yīng)盡量的取小。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36°/0.72°（五相）、0.9°/1.8°（二、四相）、1.5°/3°（三相）等。 我們初步選取兩相電動機，取步距角為0.9°/1.8°。能滿足一般要求。 2. 電機轉(zhuǎn)速估計 電機轉(zhuǎn)速有如下兩個換算公式： 1? = （180/π）°； 1 r/m = 60°/s =π/30 ?/s； 本課題中，需在2s~3s間完成滑塊的分類，最大的分類角度約為θimax=90°。假設(shè)：當(dāng)分類角度約為30°時，電機通過直線加速后剛好達到穩(wěn)定頻率就減速，恰好停止在準確位置。則設(shè)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過30°所需時間為t1，則其轉(zhuǎn)過90°所需時間為t2： 則： t2=1s~1.5s t1= t2/2=0.5s~0.75s。 即：電動機起步時，分料轉(zhuǎn)盤在0.25s內(nèi)轉(zhuǎn)過15°。 所以，在加速啟動階段內(nèi)，轉(zhuǎn)盤平均角速度（?/s）和平均轉(zhuǎn)速（r/m）分別約為： =θ1/ t1 =30/（0.5~0.75） =40°~60°/s =2π/9?/s ~π/3?/s =30 /π =7 r/m ~10 r/m 加速時間tα (s)約為： tα =0.25s~0.375s 角加速度α(?/s2)約為： α =2/tα =（2π/9~π/3）2π/（0.25~0.375） =16π/9 ?/s2 在電動機正常勻速轉(zhuǎn)動時，其轉(zhuǎn)速n為： n=2=14 r/m~20 r/m 顯然，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速太低，可通過減速裝置提高電機轉(zhuǎn)速，使其工作在較合適期間，初步設(shè)減速器傳動比 i =1:5 則，電機轉(zhuǎn)速n（r/m）約為： n =/i =(14~20)×5 =70 r/m~100 r/m 電機轉(zhuǎn)速n（r/m）與脈沖頻率f（KHZ）的關(guān)系： n =1000 f β/6 f =6n/ (1000β) =(420~600)/360 =1.17KHZ~1.67 KHZ， 綜合考慮電機的啟動與停止加、減速的存在，取f=1.5 KHZ。 3. 負載轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩的估算： 由前面的動平衡分析可知：在分析負載轉(zhuǎn)動慣量時，我們可以簡化認為電磁鐵和滑塊吸收座是均勻分布在轉(zhuǎn)盤上的。轉(zhuǎn)盤是塑料的，跟其下面的鋼質(zhì)的圓盤比起來可忽略不計。我們可以近似認為該負載質(zhì)量為m=0.9 kg，半徑為r=4 cm。 所以，負載的轉(zhuǎn)動慣量J (kg·m2)約為： J =1/2mr2 =1/2×0.9×0.0016 =7.2×10-4 kg·m2 旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩TL（N·m）約為： TL =J?α =7.2×10-4 ×16π/9 =4.02×10-2 N·m 4. 力矩 驅(qū)動慣性體時的運動方程式（1-2）所述： (1-2) 式中 JM——電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2； JL——換算到電動機軸上的符合轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2； ω——角速度， rad/s； TL——負荷轉(zhuǎn)矩，N·m ； T ——所需轉(zhuǎn)矩，T=加速度轉(zhuǎn)矩Ta+負荷轉(zhuǎn)矩TL，N·m； g ——重力加速度，9.8 m/s2 步進頻率（速度） 時間（步數(shù)） t1 t0-2t1 f2 f1 加速度轉(zhuǎn)矩在變速區(qū)內(nèi)進行驅(qū)動時，根據(jù)加速、減速的方式而定。本課題中，步進電動機的加減速運動圖形為直線，如圖 3.7所示。 圖 3.7 步進電機直線加速和減速運動圖形 直線加速場合下，加速轉(zhuǎn)矩按式（1-1）計算： （1-1） 式中 f1——自啟動區(qū)內(nèi)的脈沖速度，個脈沖/s； f2——變速區(qū)內(nèi)的脈沖速度，個脈沖/s； t1——加速時間，s； β ——步距角，度/步。 把負載轉(zhuǎn)動慣量換算到電動機轉(zhuǎn)軸上，考慮到減速器的轉(zhuǎn)動慣量，減速器效率取η=80%，安全系數(shù)取1.3左右，得： JL =1.3J =7.2×10-4×1.3 =9.36×10-4 kgm2 加速時間 t1 = ta=0.25s 初選電動機轉(zhuǎn)動慣量 JM為： JM ≈460 g?cm2 則，由式（1-1）得： Ta =（JM +J L）?α =(0.46×10-4 +8×10-4)×20π/3 =1.73×10-2 N?m 取安全系數(shù)為1.3左右，選用電機的保持轉(zhuǎn)為： T > 1.73×1.3×10-2 N?m =2.25×10-2 N?m 5. 電動機定型 根據(jù)以上的分析和計算，我們考慮選用四通公司的混合式步進電機。綜合考慮各項因素，我們選四通公司的兩相混合式步進電機56BYG250D。各項技術(shù)數(shù)據(jù)如 表 3.2所示： 表 3.2 電動機（56BYG250D）技術(shù)數(shù)據(jù) 步距角 （°） 靜態(tài)相電流（A） 保持轉(zhuǎn)矩（Nm） 定位轉(zhuǎn)矩（Nm） 空載啟動頻率 （半步）（KHZ） 轉(zhuǎn)動慣量 （g cm2） 0.9/1.8 2.4 ≥1.72 0.07 3.0 460 其矩頻特性如圖 3.8所示： 圖 3.8 電機（56BYG250D）矩頻特性 3.5.4 步進電機的驅(qū)動器選型 步進電機必須使用專用的驅(qū)動電源才能夠正常工作。步進電機的驅(qū)動電源一般由環(huán)行分配器、功率放大器等部分組成。步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。 步進驅(qū)動器是步進系統(tǒng)中的核心組件之一。如圖 3.9所示，它按照控制器發(fā)來的脈沖/方向指令（弱電信號）對電機線圈電流（強電）進行控制，從而控制電機轉(zhuǎn)軸的位置和速度。 圖 3.9 步進電機控制圖 在本系統(tǒng)設(shè)計中，為了提高工作可靠性，步進電機的驅(qū)動器采用商品化的整體結(jié)構(gòu)，選用北京四通電機公司的SH-20806，其采用數(shù)字式升頻升壓驅(qū)動方式，并結(jié)合了恒電流控制技術(shù)，采用36V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。 步進驅(qū)動器工作模式有三種基本的步進電機驅(qū)動模式：整步、半步、細分。其主要區(qū)別在于電機線圈電流的控制精度（即激磁方式）。 本課題中，我們選用半步驅(qū)動方式：在單相激磁時，電機轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)動器收到下一脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼處在激磁狀態(tài)，則電機轉(zhuǎn)軸將移動半個步距角，停在相鄰兩個整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線圈進行單相然后雙相激磁步進電機將以每個脈沖0.9°的半步方式轉(zhuǎn)動。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運行時振動較小的優(yōu)點，所以實際使用整/半步驅(qū)動器時一般選用半步模式。 4 滑塊厚度綜合檢測控制系統(tǒng)設(shè)計 本課題控制系統(tǒng)是基于微機PLC模式構(gòu)成的一個集散控制系統(tǒng)。在本課題中，工控機作為監(jiān)控管理層；PLC作為控制執(zhí)行層。工控機把管理決策、控制任務(wù)、控制參數(shù)和調(diào)度命令通過通信電纜傳送給控制層——PLC，PLC也要通過電纜把控制過程的參數(shù)、控制進程和控制數(shù)據(jù)傳送給管理層——工控機，工控機（上位機）和PLC之間通過PC/PPI進行串行通信。 4.1 控制系統(tǒng)的組成 各控制元件 （驅(qū)動器） 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） 傳感器頭 數(shù)采卡 PC/PPI RS-485 本課題控制系統(tǒng)的組成如圖 4.1所示，其主要包括工業(yè)控制計算機、PLC、數(shù)采卡、傳感器探頭、位置檢測傳感器和各控制及執(zhí)行元件等。 圖 4.1監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖 各部分在本控制系統(tǒng)中的功能介紹如下： 工控機——作為整個系統(tǒng)的監(jiān)控、調(diào)度中心，通過PLC間接地控制、監(jiān)測系統(tǒng)運行的狀態(tài)； PLC——系統(tǒng)的控制核心，主要完成系統(tǒng)驅(qū)動控制、狀態(tài)檢測、命令執(zhí)行等功能； 檢測系統(tǒng)——檢測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)采卡和工控機等組成，通過對滑塊厚度的測量、計算，作為產(chǎn)品分類判斷的依據(jù)； 位置檢測傳感器——主要完成對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測； 各控制及執(zhí)行元件——主要完成各部件動作的協(xié)調(diào)執(zhí)行； PC/PPI電纜——在工控機與PLC接口時，由于PLC采用的RS-485標(biāo)準與工控機RS-232標(biāo)準不兼容，必須通過PC/PPI電纜進行轉(zhuǎn)接。 本文主要對自動分料系統(tǒng)的控制方案作詳細論述。 4.2 控制系統(tǒng)的功能要求 工控機與PLC通過通信口進行通信，工控機讀取PLC的通信口識別整個系統(tǒng)的狀態(tài)信息。通過PLC控制各部件按照預(yù)定的軌跡、動作把滑塊從進入到分類出去。 在分類的過程中，PLC通過對安裝在系統(tǒng)中的感應(yīng)開關(guān)來判斷分類過程中的各種狀態(tài)。如：滑塊到達、定位信號、分類完成等等。如果發(fā)現(xiàn)非正常狀態(tài)，則向工控機發(fā)出相應(yīng)的報警信號告知工作人員，以方便排除故障。 應(yīng)保證在分類機構(gòu)沒有完成分類時，沒有滑塊進入分類機構(gòu)；當(dāng)出現(xiàn)有多于一個滑塊進入分類機構(gòu)時，要告知工作人員系統(tǒng)故障。 能判斷分類電機的工作是否正常，輸出角位移是否正確；并且分類機構(gòu)能夠自動復(fù)位，當(dāng)步進電機失步時，分類機構(gòu)能夠自動復(fù)位。 控制系統(tǒng)應(yīng)具有一定的容錯能力。即使是出現(xiàn)滑塊卡位、不能完成正確分類也不會出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或誤分類現(xiàn)象等。如果出現(xiàn)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。 4.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 可編程序控制器（簡稱PLC）是一種專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng)，它是以微處理機為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而開發(fā)的一種新型工業(yè)自動控制裝置。其廣泛應(yīng)用在機械系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線及過程工業(yè)的自動控制領(lǐng)域，具有性能穩(wěn)定、高可靠性、強抗干擾能力、功能強大及硬、軟件開發(fā)方便等特點。因此，本系統(tǒng)選擇PLC作為系統(tǒng)控制的核心，完成對各部件動作的協(xié)調(diào)控制。 4.3.1 PLC的選擇 PLC選擇的關(guān)鍵主要是要能滿足系統(tǒng)的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)的可擴展性以及能夠滿足特殊功能要求等，即應(yīng)最大限度地滿足系統(tǒng)的控制要求；力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，且保證控制系統(tǒng)安全可靠；考慮到系統(tǒng)的改進，在選擇PLC容量時，應(yīng)適當(dāng)留有余地。 根據(jù)滑塊厚度綜合檢測系統(tǒng)的控制功能要求可知，系統(tǒng)控制主要是通過工控機控制PLC來實現(xiàn)。因此，所選PLC需提供兩個通訊口來實現(xiàn)各自的通訊功能；系統(tǒng)所監(jiān)控的對象皆為開關(guān)量，且所需的輸入輸出點數(shù)不是很多，故小型PLC即可滿足要求。同時，考慮德國西門子公司推出的S7-200微型PLC系統(tǒng)組合擴展方便，結(jié)合了一體化PLC和模塊式PLC的優(yōu)點，功能齊全，不僅有靈活便捷的通訊、系統(tǒng)診斷及中斷處理、高速計數(shù)等功能，而且具有極高的性能價格比。因此，我們選用SIMATIC? S7-200 系列小型PLC。這是一個模塊化PLC，主要由主控模塊（CPU模塊）和擴展模塊組成。 本系統(tǒng)中，主控模塊選擇SIMATIC? CPU 226 DC/DC/DC，安裝在線路板的標(biāo)準DIN導(dǎo)軌上；由于此模塊已能滿足系統(tǒng)監(jiān)控要求，故沒有選用擴展模塊，如以后系統(tǒng)功能擴展需要可進行自由選擇。主控模塊SIMATIC? CPU 226 DC/DC/DC包括中央處理單元CPU、電源、數(shù)字輸入輸出點，具有體積小、重量輕等特點，其主要技術(shù)指標(biāo)如下： 24V直流電源供電，提供24V電壓輸出；集成的24V負載電源可直接連接到傳感器和變送器 集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點； 具有13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，用戶存儲器類型EEPROM，數(shù)據(jù)后備190小時； 提供內(nèi)部繼電器256個，定時器和計數(shù)器各256個，順序控制繼電器256個，內(nèi)置6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。 提供模擬量調(diào)節(jié)電位器2個，口令保護； 提供通訊中斷（2 發(fā)送器/4 接收器），定時中斷2個（），硬件輸入中斷4個，允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應(yīng)。 提供RS-485通訊/編程口2個，支持PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由口通訊協(xié)議；可以利用PC/PPI電纜和自由口通訊功能把S7-200連接到許多和RS-232標(biāo)準兼容的設(shè)備。 4.3.2 I/O點的分配 根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控要求，同時考慮系統(tǒng)特殊功能要求，本系統(tǒng)PLC數(shù)字輸入輸出點的分配如下： 1. 24點輸入分配： I0.0 急停（中斷輸入1） I0.1 中斷輸入2 I0.2~ I1.0 :分類一至分類七完成信號 I1.1 滑塊到達信號 I1.2 啟動信號 I1.3~ I1.6 傳感器1~4啟動監(jiān)測信號1~4 I1.7 滑塊重疊信號 I2.0 定位信號 I2.1 停止信號 I2.2 手動輸入 I2.3~I2.7 備用 2. 16點輸出分配: Q0.0 電機1脈沖輸出 Q0.1 電機2脈沖控制 Q0.2 電機2正反轉(zhuǎn)控制 Q0.3 電磁鐵吸放 Q0.4 狀態(tài)正常指示 Q0.5 報警指示 Q0.6 分類錯誤報警 Q0.7 滑塊堆積報警 Q1.0~ Q1.3 傳感器1~4感應(yīng)到滑塊到達指示 Q1.4 報警鈴 Q1.5~Q1.7 備用 4.4 PLC控制電機功能的實現(xiàn) 在分料口控制系統(tǒng)中，通過工控機的分類信號設(shè)定步進電機的移動距離（旋轉(zhuǎn)角度）、速度、方向等參數(shù)。通過PLC的脈沖輸出來控制電機的運轉(zhuǎn)達到對移動距離（旋轉(zhuǎn)角度）、速度、方向的目的。本系統(tǒng)中采用多段管線的方式，通過在變量存儲區(qū)建立包絡(luò)表的方式，控制輸出脈沖的周期和脈沖數(shù)，從而達到對步進電機的速度和轉(zhuǎn)動角度精確控制的目的。 4.4.1 分料口步進電機控制流程設(shè)計 經(jīng)過上一章的計算論證，我們選擇的步進電機為四通公司的兩相混合式步進電機。根據(jù)滑塊分料系統(tǒng)的功能設(shè)計要求，步進電機要驅(qū)動分料轉(zhuǎn)盤運動的方式為定角度旋轉(zhuǎn)運動。 根據(jù)滑塊厚度檢測系統(tǒng)可以知道當(dāng)前的圓盤轉(zhuǎn)過角度θi，將其換算成步進數(shù)后通過串行接口傳送給現(xiàn)場工控機，工控機根據(jù)此步進數(shù)輸出相應(yīng)得脈沖數(shù)。由于步進電機不可避免的會產(chǎn)生失步等異?，F(xiàn)象，所以我們的出料口分類電機采用正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)定位的方式，以消除電機的累計誤差，保證電動機每次都從零位置起輸出一定的角度。因此當(dāng)一個θi的角度運動結(jié)束后，電機要向相反的方向再做一個θi角度的運動。工控機將再次檢測、判斷轉(zhuǎn)盤當(dāng)前的位置是否歸零。步進電機每次步進θi的速度設(shè)計如圖 4.2所示， 步進頻率（速度） ζ θi-2ζ θi 步數(shù) 1.5KHz 常加速18Hz/步 常減速-18Hz/步 圖 4.2 步進電機定距離運動的速度控制 分料轉(zhuǎn)盤0.25s內(nèi)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過15°，電動機運動ζ步。 ζ=15×5/0.9=83.33≈80步 常加速度 1.5 KHZ/80步=18 Hz/步 4.4.2 工作流程 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(yīng)工控機等，如果正常,向工控機發(fā)出準備好信號，工控機收到后，啟動系統(tǒng)工作。 2. 自檢成功后，復(fù)位電機。讀通信口，依據(jù)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(zhuǎn)。正常分類狀態(tài)下，起動傳送電機。 3. 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(chǎn)品分類狀態(tài)，判斷產(chǎn)品分類，并控制分料電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度。如無，則等待。 4. 分料電機帶動轉(zhuǎn)盤按照產(chǎn)品的分類要求轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度θi。 5. 到位后，電磁鐵失電，彈出滑塊。 6. 判斷感應(yīng)傳感器1~7，檢測出滑塊分類到位信號，與所對應(yīng)分類是否一致，如不一致，則報警；一致則驅(qū)動電機2帶動轉(zhuǎn)盤復(fù)位。 7. 判斷定位信號，是否復(fù)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(zhuǎn)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I1.1有效,則立即強制停機.直至重新啟動. 4.5 總控制流程圖 Y Y 初始化分類電機 I1.1&I2.0=1，并根據(jù)分類號判斷電機的方向。 依據(jù)分類號裝載包絡(luò)表，啟動分類電機。 分類完成？ 電磁鐵失電，彈出滑塊 分類是否一致？ 分類錯誤報警 向上位機發(fā)送分類正確完成 電機反轉(zhuǎn)θi，復(fù)位 N N 圖 4.3總控制流程圖 結(jié) 論 滑塊是空調(diào)壓縮機的關(guān)鍵零件，必須進行嚴格的質(zhì)量檢測。它要求檢測系統(tǒng)除上下料以外，全部實現(xiàn)自動化，測量分辨率0.1μm，測量重復(fù)性達到±0.1μm。 目前，滑塊的檢測主要靠人工完成，這樣的工作方式，不僅效率低下，而且檢測不準確，嚴重影響了企業(yè)的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益，滑塊自動檢測裝置的應(yīng)用，將有效地提高企業(yè)的自動化水平，提高了工人的工作效率，提高了測量精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力，可以產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益。因此，此檢測裝置的設(shè)計和應(yīng)用，具有極高的實用價值與推廣價值，有著重要的意義。 本次設(shè)計中，我對測量系統(tǒng)的其中一個分系統(tǒng)——滑塊分料口系統(tǒng)進行了機械設(shè)計和計算。在設(shè)計過程中，首先，應(yīng)該使要求實現(xiàn)的功能得以實現(xiàn)，并且達到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)盡量降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，以提高可靠性，同時也可以降低成本。考慮到費用的問題，我們也應(yīng)當(dāng)在保證功能的同時，盡可能選用造價低廉的部件。 綜合以上因素，我對滑塊分料口系統(tǒng)主要部件的選擇作了如下設(shè)計： 1、工件的分類由一轉(zhuǎn)盤來完成。這主要考慮到分類這個過程相對比較復(fù)雜，若設(shè)計七個推出機構(gòu)來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能也不一定更好。所以，用滑塊的運動換來推出裝置的固定更加符合實際。 2、工件推出用電磁鐵來實現(xiàn)，電磁鐵選型比較容易，市場上可選型號較多，完全可以實現(xiàn)預(yù)定的功能。 3、滑塊由檢測導(dǎo)