自动插管机控制系统设计毕业设计论文

本科毕业设计（论文）题目自动插管机控制系统设计学院机械工程学院年级2010级专业机械电子工程班级0720101学号072010127学生姓名郁丹华指导教师王建平职称副教授论文提交日期常熟理工学院本科毕业设计论文诚信承诺书本人郑重声明所呈交的本科毕业设计论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名日期常熟理工学院本科毕业设计论文使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计论文的规定，即本科生在校期间进行毕业设计论文工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计论文被查阅和借阅；学校可以将毕业设计论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计论文在解密后遵守此规定。本人签名日期导师签名日期自动插管机控制系统设计摘要彩色笔是一种需求量很大的文具用品，在彩色笔生产过程中，为了高效完成加工制造过程，需要将空心塑料笔筒插入一块带有凸起固定端的塑料托盘上，以便批量加注彩色料到笔筒中。本课题设计的自动插管机，就是用来完成该任务的自动化专用设备。这项目需要绘出电气控制系统原理图，电气接线图等，完成电子元器件选型，列出电子元器件清单，进行PLC程序设计和触摸屏的制作，最后完成毕业设计论文。采用触摸屏完成控制参数的设定和交互功能。高效完成加工制造过程。该自动插管机的控制，需要完成的动作有（1）抖笔筒（2）控制气缸推笔筒（一般有12排）到托盘上（3）步进电机控制托盘上升（24MM）（4）再次推笔筒到托盘。（5）重复动作，一直到完成12排供144支笔筒插入到托盘上。（6）人工取走托盘，再次放入托盘后，开始下一个循环关键字可编程控制控制系统彩笔组态DESIGNOFCONTROLSYSTEMOFAUTOMATICALLYINSERTINGMACHINEFORPENABSTRACTNOWADAYS,PEOPLEHAVEAGREATDEMANDOFCOLORPEN,INORDERTOEFFICIENTLYCOMPLETETHEMANUFACTURINGPROCESS,THEHOLLOWPLASTICPENREQUIRESTHEINSERTIONOFAPLASTICTRAYWITHAPROJECTIONONTHEFIXEDENDSOTHATTHEBULKMATERIALFILLINGCOLORINTHEPENHOLDERAUTOMATICDESIGNOFTHISPROJECTMACHINEISUSEDTOCOMPLETETHETASKTHISPROJECTNEEDSTODRAWTHEELECTRICALCONTROLSYSTEMSCHEMATICS,ELECTRICALWIRINGDIAGRAMS,COMPLETETHESELECTIONOFELECTRONICCOMPONENTS,ELECTRONICINVENTORYLISTEDCOMPONENTS,PERFORMPLCPROGRAMDESIGNANDTOUCHSCREENPRODUCTION,FINALIZINGDESIGNGRADUATETHESISTHEACTIONOFAUTOMATICMACHINETOBEDONEARE1SHAKINGPENHOLDER2CONTROLCYLINDER3STEPPERMOTORCONTROLRISING4REPEATCONTROLLEDCYLINDER5REPEATUNTILTHECOMPLETIONOFTHE12ROWSFOR144PENHOLDERISINSERTEDINTOTHETRAY6TAKEAWAYTHETRAYARTIFICIALLYTOBEGINTHENEXTCYCLEKEYWORDSPLCCONTROLCONTROLSYSTEMCOLORPENCONFIGURATION目录1引言111插管机的应用与发展112研究自动化插管机的目的和意义22控制系统的设计要求及设计方案421控制方案的对比选择4211PLC与继电器控制系统的比较4212PLC与继电器控制的优缺点422控制系统的设计方案5221控制系统方案的确定5222控制系统设计方案示意图523控制系统设计5231控制系统设计对象与要求5232PLC原理图7233端口及软元件说明8234电气元件说明10235PLC气动原理图11236电气元件的布置图123控制系统的选型分析1431PLC控制系统设计的基本原则1432PLC的选型15321PLC的控制功能概述15322PLC输出类型选择1533气缸的选用19331主气缸的选用19332插笔盘升降气缸的选用21333抖笔气缸的选用2234HG系列线性滑轨的选择22341HG系列线性滑轨说明22342HG系列线性滑轨特点22343HG系列滑轨的分类说明2335滚珠丝杠的选用24351滚珠丝杠的说明24352滚珠丝杠与滑动丝杠对比特点2436步进电机及驱动器25361步进电机25362确定电动机的型号25363步进电机驱动器的选择2837传感器的选用29371磁性传感器的选用29372机械式传感器的选用304控制系统的程序设计3241控制系统PLC程序软件介绍3242PLC程序的编写32421控制系统PLC程序的流程图3343主要动作PLC程序说明34431手动上升S11034432手动下降S12036433自动上升S1303744程序调试过程38441急停程序添加38442手动抖笔39443WDT功能395三维实体造型4151软件简介4152系统三维造型426触摸屏编程4461软件简介4462触摸屏选型4463TOUCHWIN具体应用介绍4464触摸屏问题与说明4865触摸屏操作说明50小结53参考文献54致谢55附录56附录一程序梯形图56附录二触摸屏界面671引言11插管机的应用与发展彩色笔是一种需求量很大的文具用品，在彩色笔生产过程中，为了高效完成加工制造过程，需要将空心塑料笔筒插入一块带有凸起固定端的塑料托盘上，以便批量加注彩色料到笔筒中。本课题设计的自动插管机，就是用来完成该任务的自动化专用设备。在中国，已经形成了基础设施基本完善的插管机行业，整体的社会环境也较为良好，市场的潜力巨大，已建立健全相关的体系，插管机行业发展一直受到国家的重点关注，中国还陆陆续续发布了一些利好的法律政策，大大促进了我国插管机行业的发展。参考中国插管机行业市场综合报告，想要在插管机行业中立足，并想要有机会独占鳌头必须具备以下几点（1）行业地位是独占鳌头的关键，品牌效应不可忽视（2）科学技术实力要突出，要求争取引领行业发展我国的插管机公司很多是有这多年行业发展经验的老企业，科学技术的发展加之自身实力的明显提升，有些公司已经颇具规模，做的有声有色，其中，有的公司可以与一些国际大公司相抗衡，跻身世界领先行业之列，当然这样一来，企业和公司的理念被大家所熟知，形象被大家接受，还有一点更主要的是现在的一些中国新兴企业知道超前意识的重要性，把这个意识作为公司的创新源泉。另外，行业的先进科技的累积也是重中之重，就比如步进电机、传感器、原材料和材料这一系列产品都为新型的产品和技术提供强有力的支持（3）销售网络是法宝，产品质量是关键我国插管机公司的产品要有质的改变，不能总是单一的拷贝，没有科学技术的创新，这样迟早会被淘汰。要做足市场的调查，生产出来的产品还是销量飘红的可能。当然，不同层次的产品共同拥有且永远不变的只有一项，这就是产品的质量，公司要指定符合法律条例甚至远高于法律要求的相关检测，从而来保证售给消费者的产品的质量。（4）提前先做足市场调查，做好灵活改变策略的准备我国插管机行业的公司必须深入市场，做足市场的调查和研究，并以次为基础致力于打造完善的市场信息互享的网络平台，就好比如今的电商网购，可以让消费者及潜在客户在家里就可以了解公司及产品的情况，与此同时加强平台的自我建设，吸取其他平台的经验，更可以收集广大消费者的建议和意见来加以改进，毕竟产品的生产是为了满足他们的需求。如此一来，既给公司的发展方向指出明路，也能更好的与消费者沟通交流，最终实现双赢。（5）完善的销售服务模式第一客户是公司能够得以生存的必须且唯一出路，公司一定要把客户的要求放在第一位。第二灵活的公司政策，更好的把握市场动态以提高利润，更好的经营公司。第三网络平台的打造是我国插管机行业公司的新时期新目标。（6）拥有极高的用户忠诚度（7）拥有强大的研发团队（8）拥有良好的供销管理机制12研究自动化插管机的目的和意义课题要求使用可编程控制器（简称PLC）来完成一系列自动化过程并采用采用触摸屏来控制参数的设定以及人机交互功能，从而大大提高了效率来完成加工制造过程。彩色笔是一种需求量很大的文具用品，在彩色笔生产过程中，为了高效完成加工制造过程，需要将空心塑料笔筒插入一块带有凸起固定端的塑料托盘上，以便批量加注彩色料到笔筒中。本课题设计的自动插管机，就是用来完成该任务的自动化专用设备。要完成整个自动插管机控制系统设计，主要内容包括（1）本课题国内外的现状的分析；（2）本课题需求分析，和方案论证；（3）自动插管机控制系统设计。绘出主电路即电气原理图，程序流程图，电子器件布置图等。（4）电子元器件的选型，列出电子元器件清单（5）进行程序设计和利用软件来完成触摸屏的制作；（6）最后完成毕业设计论文的撰写。本课题要求完成自动化插管机系统控制设计。此系统将主要用到可编程控制器、工控组态软件、传感器等多种技术。整个制作过程，不仅可以更加深入的了解，把理论知识融入实践中，在大学学习的机电一体化专业学习中比如电气与应用控制、气动传动、电机驱动、传感器与检测技术、组态等多种知识，更能考验动手能力，以实际项目来打开探索世界之门。2控制系统的设计要求及设计方案21控制方案的对比选择在本次设计中，需要控制的对象主要有步进电机和气缸，步进电机负责插笔盘的上下升降运动，而气缸负责轴向以及抖笔的运动，以下两种方案的对比。211PLC与继电器控制系统的比较表21两种控制系统概述212PLC与继电器控制的优缺点表22PLC与继电器控制的优缺点PLC控制继电器控制优点1在控制方式上采用由程序来改变控制逻辑的方式2控制速度快，微秒级，而且同步准确，没有抖动现象3故障率低，减少维修工作量4功能强大，能实现非常复杂的控制功能5可靠性高，抗干扰能力强1单个成本低，简单的项目比较合算2尺寸相对较小，减少控制柜体积缺点1PLC成本相对较高，对于简单的项目，有点功能过剩2要学会PLC编程语言，对控制有一定要求3更多的控制要求用户会相应的软件如触摸屏等1在控制方式上只能实现设置好的逻辑控制2控制速度相对慢。毫秒级且伴有抖动现象3故障率相对高，由于设计复杂，维修工作量大4可靠性低，受环境影响较大22控制系统的设计方案221控制系统方案的确定综合上述表格，本次的设计要求控制方式较为灵活，可以根据不同的要求而改变控制逻辑，本次设计在响应时间和速度上还要求反应快，速度相对迅速，因为要投入大量的生产当中，运行时间较长所以要求控制系统要稳定，故障率相对低且要考虑维修费用和难度都要低，最后本次的自动插管机运行的作用复杂且要配合触摸屏的设计，综合考PLC控制继电器控制控制方式由于采用存储逻辑，和继电器对应的软接线，即通过改变程序实现控制逻辑的改变通过既定的硬件接线，由触点的串联或并联加上延时来完成既定的逻辑控制速度控制由程序驱动，控制半导体电路实现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由时间继电器滞后动作实现虑后决定用PLC系统控制222控制系统设计方案示意图使用可编程控制器PLC软件进行编程实现自动插管机的功能，利用笔记本上软件和实验室PC已安装PLC软件和无锡信捷官网下载的组态软件来进行控制。图21控制方案示意图23控制系统设计231控制系统设计对象与要求彩色笔是一种需求量很大的文具用品，在彩色笔生产过程中，为了高效完成加工制造过程，需要将空心塑料笔筒插入一块带有凸起固定端的塑料托盘上，以便批量加注彩色料到笔筒中。本课题设计的自动插管机，就是用来完成该任务的自动化专用设备。本次设计的控制对象1步进电机（86BYG450A）由相应的步进电机驱动器（DP508）来驱动，并有PLC程序进行控制，由步进电机实现的动作是插笔盘的上升和下降，这样就实现了12排的插笔。图22步进电机与笔盘2气缸主气缸即负责主气缸通过磁性传感器（CS1FSC80H）感应来发出信号，然后电磁阀4V23008控制换向来实现送笔和退笔。图23主气缸3还有分别是抖笔气缸SDA100X30S和辅助气缸SDA40X20S，抖笔气缸负责抖动放入的笔，防止有卡笔等现象。自动插管机的整个运行过程包括以下几个步骤第一步骤初始等待状态S0；第二步骤按下启动X0并进入自动或手动模式由X10来控制；第三步骤1选择自动模式（当选择手动模式时单独控制）2进入自动抖笔状态S10；3判断是否笔盘在零位，若在零位则进去送笔前进状态S50；若不在则分以下两种情况，计数器数值大于0小于12则也进入送笔前进状态S50；计数器数值等于12，人工换取笔盘后进入自动下降状态S30，下降到笔盘零位后进入送笔前进状态；第四步骤进入送笔前进状态S50，气缸电磁阀YV2作用后前进；第五步骤当送笔到位X6信号发出，停止前进，进入后退状态S60；第六步骤进入后退状态S60，当退笔到位X7信号发出，进入判断；第七步骤判断计数器C110是否等于12，等于12时，计数器C110重置并进入自动下降状态S20小于12时，进入自动上升状态S30，当M8170信号发出则进入送笔前进状态S50；第八步骤当按下停止X5时，结束所有运行的状态和运动。232PLC原理图定义电气原理图是用来说明设备电气工作原理还有各电器元件的作用，相互之间的关系的一种阐述方式。学会合理恰当的使用电气原理图能快速并正确的爬出电路故障而且熟悉电气线路的话，对于解决例如机床电路故障等都十分有用。我们平常所见的电气原理图中，主和控制电路以及配点电路是电气图中极为重要也是组成的基础。图24控制系统原理图233端口及软元件说明对应电气图，以下是对端口的说明，PLC是32位的（表25电气元器件列表），共有18输入端口和14输出端口，实际用到的输出端小于18，还有余量。表23输入输出对照表序号输入/输出元件输入输出地址1启动SB1X02停止SB2X53手动/自动SB3X104手动上升SB4X115手动下降SB5X126手动送笔SB6X137手动退笔SB8X158手动抖笔SB7X149笔盘在位SQ1X110笔盘零位SQ2X211送笔到位SQ3X612退笔到位SQ4X713气缸前进传感器B1X314气缸后退传感器B2X4气缸前进电磁阀YV2Y215气缸后退电磁阀YV3Y316驱动器PULY017驱动器DIRY1表24软元件说明列表软元件名称软元件符号1初始流程S02抖笔流程S103自动下降S204自动上升S305送笔前进S506送笔后退S607重置S708手动/上升流程S1109手动/下降流程S12010手动/送笔流程S13011手动/抖笔流程S14012延时T40,T50等13插笔计数CC11014数据寄存器DD4000D4001等234电气元件说明在原理图中不仅包括PLC还有很多元器件，包括气缸电磁阀，断路器，熔断器，小型继电器，开关电源，步进电机驱动器等等，下面表示对元器件的说明表25主要电气元件列表序号设备名称规格型号数量品牌1PLC控制系统XC332RTE1信捷1气缸SDA100X30S1亚德客2气缸SCD80X230S1亚德客2气动执行元件3气缸SDA40X20S1亚德客3气管PT1/8PT3/810M亚德客双极DZ267LE3210A1PN1正泰4断路器单级DZ476010A1P1正泰5熔断器RT14201正泰6小型继电器JZX22FD/2Z3正泰S8JCZ05024C1欧姆龙7开关电源S8JCZ05048C1欧姆龙步进电机86BYG450A1常州康达8步进电机及驱动器驱动器DP5081无锡信捷机械式传感器SS5GL22OMRON9传感器磁性传感器CS1FSC80H2亚德客料斗模块气缸3）直线轴承SC20UU4SAMICK开口型直线轴承座SME16UU4台湾HSK导轨164002HIWIN丝杠SFU0250841舒辉插笔盘升降模块气缸1直线轴承LMF12UU2SAMICK滑轨HGH25长4002HIWIN10传动模块主气缸（气缸2）HGH25CA滑块2件HIWIN4V21008（两位五通）2亚德客11电磁阀4V23008（三位五通）1亚德客235PLC气动原理图因为本次设计涉及气缸，以下是气动原理图图25气动原理图主气缸选择三位五通的电磁换向阀来控制前进后退，由可调单向节流阀来控制速度，抖笔和辅助气缸为两位五通的电磁换向阀，一边由弹簧来控制，同样也是由节流阀来控制流速。YV4YV2YV3弹簧YV5气泵油水分离器过滤减压阀三位五通电磁换向阀4V23008可调单向节流阀三通手动阀主气缸SCD80X230S抖笔气缸SDA40X20S辅助气缸SDA100X30S储气罐冷却器弹簧两位五通电磁阀4V21008两位五通电磁阀4V21008236电气元件的布置图图26电气柜布置图考虑到元器件的相互影响干扰，还有连接线是比较方便，采取以上的元器件布置方式，为了美观考虑也要做到分布均匀，线槽在元器件的中部和两端，既美观又方便。同时也考虑留有一定的余量，总的尺寸按照标准的600800尺寸打造。断路器DZ267LE3210A继电器1继电器2开关电源S8JCZ05024CXC332RTEPLCRT1420熔断器JZX22FQ/2Z输入220V输出DC24V二相步进驱动器DP508行线槽断路器DZ476010A开关电源S8JCZ05048C输入220V输出DC48V继电器336741013921598981885381102754646788570707070总长600，总宽800接线端子接线端子图27电气柜面板图信捷TH765NT触摸屏600MM1000MM170MM电源正常系统运行系统故障操作面板绿灯1绿灯2绿灯3绿灯4绿灯530MM手动上升手动下降手动送笔手动退笔手动抖笔开始急停手动/自动AC220V断电2分钟后方可进行维修200MM220MM3控制系统的选型分析31PLC控制系统设计的基本原则所有的控制系统都是为了实现被控对象的控制，这样就可以提高效率和质量。因此，对于设计控制系统的人员来说要有下面的几个基本要求1被控对象的控制要求要无限接近的满足最重要的一点莫过于最大限度地发挥功能，众所周知，控制系统的最基本前提是满足用户的需求，同时这是物物交流时间的本质，有了需求，能满足需求才有了购买。为了达到这个目的，首先做的类似我们写论文，说明文一样，必须收集尽可能多的资料，包括国内和国外，不管过去的技术还是现在的先进的产物都要搜罗在内，当然深入市场调查也是必不可少的一部门，充分的准备对之后的设计有百利而无一害，当然有条件的话，能够实地考察是最好的。在现场考察的时候，最好在场的工程师，技术员，操作人员等一起出门谋划策是最理想的结果，从不同的角度出发，提出一些意见和建议对之后的设计也是非常有帮助的。2安全可靠是一大特点也是现如今大家选择它的一大原因之一长期的可靠性和稳定性是设计人员做设计控制系统的重要原则之一。所以对于设计者来说，在下面几个方面要多花很多功夫，比如程序，电器元器件的选型，整体系统框架设计，还有元器件布置等等。3在维修方面，注重经济实用，尽量减少维修，尽可能降低成本在设计新型产品的时候，我们还要保障一个原则就是设计出来的产品是优化或简化，换而言之就是要比原来的来的更经济，效率更高等，不能说所谓的新产品比原来的方法还要复杂，费时费力费钱，这就是失败的设计了。所以开发设计人员还要注意的是性价比，即在提高工程或机器效率的同时也要注意开发成本的投入，当然所有的一切都要在满足用户需求的前提下来完成，不提倡也不应该盲目追求一味的自动化和高指标。4要足以满足时代的发展为了满足以后可能有的需求，对于设计者来说，的的选择，内存容量，输入输出模块以及/点数的选择也要考虑在内。32PLC的选型321PLC的控制功能概述1逻辑控制功能PLC最基本的功能之一就是标题所示逻辑控制功能，这也是其应用较为广泛的功能之一，它既可以实现传统的继电器的一般控制又可以实现继电器无法企及的逻辑和顺序控制。在工业生产例如单个大型机器或者车间多个机器的控制中有着不可代替的作用。2定时控制功能可编程控制器的基本功能还有定时因为它内置定时器。并且还提供不同型号不同功能的定时器。同时为了准确的实时控制，很多内部内置了高精度时钟。3计数控制功能PLC基础功能还包括计数控制。4I/O模块及点数（1）提供的/接口也称输入输出接口，起着桥梁的作用，联系内部和外部。（2）输入接口专门来接受用户输入的信号，如限位开关，用这些数据作为对被控制对象进行控制的依据，通过输入接口电路，把这些信号转换为中央处理单元接收和处理的信号。（3）输出接口实现弱点信号和强电信号之间的转换来满足工业控制要求5I/O接口的作用电平转换功能作为一个中间的处理站作用，输入和输出有各种各样的电平信号，而内部都转化为标准电平信号。322PLC输出类型选择晶体管和继电器是有两种输出类型，以下内容介绍晶体管与继电器有什么不同，该如何选择表31不同方面的晶体管和继电器输出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的，只能接的是24V的电压。而且在极限电流方便也不一样，晶体管型的0203A。没有极性要求的继电器型可以接受220V或者24V的电压响应时间晶体管型约03MS左右继电器型15MS左右使用寿命晶体管型的只有老化现象使得机械元件不得不更换继电器型的除了老化，更重要的是它有使用寿命的限制并且与负载的容量息息相关无锡信捷电气有限公司是国内近年来发展势头较为迅猛的自主自动化产品开发与应用的致力于科技创新的新兴企业，运用先进的嵌入式系统技术，汇聚了一批敢于开拓创新的年轻科技团队，为了满足客户的不同需要公司近年来陆续开发了系列、还有应用广泛的工业触摸屏TG/TP/TH系列、全数字步进驱动器系列等产品。本次设计的自动插管机,因为有驱动器，为了使用脉冲输出，所以要选择T型即带有晶体管输出的PLC，再者，本次设计输入端口要有16个，为了考虑要有端口余量，选择输入端口为18的PLC较为合适，为了支持国产自助品牌，选择国内的比较可靠且经验丰富的品牌较为合适，当然在价格方面往往考虑性价比高的，不需要功能过剩的PLC型号当然也要达到控制要求，最后综合考虑选择混合型输出的无锡信捷PLC。选用了无锡信捷电气自动化有限公司的系列型号为的XC332RTE的PLC图31XC332RTE（PLC）图32PLC尺寸图产品说明118点输入,14点继电器（RT）继电器晶体管混合AC220V输入DC24V输出2可外接扩展BD板3人性化的设计，具有内部的时间和掉电保护功能4其最基本的功能之一是进行数据处理和逻辑运算5支持高速计数、脉冲输出、外部中断、语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通讯、通讯等功能表32PLC相关规格项目规格绝缘电压DC500V2M以上抗噪声1000V1US脉冲1分钟环境温度060环境湿度595通讯口1RS232，连接上位机、人机界面编程或调试通讯口2RS232/RS485，联网或连接智能仪表、变频器等通讯口3BD板扩展通讯口RS232/RS485安装可用M3的螺丝固定或直接安装在DIN46277（宽35MM）的导轨上接地第三种接地（不可与强电系统公共接地）表33PLC性能规格项目规格程序执行方式循环扫描方式、定时扫描方式编程方式指令、梯形图并用处理速度05US停电保持使用FLASHROM及锂电池用户程序容量128KI/O点数输入18点，输出14点输出形式R继电器；T晶体管；RT继电器晶体管混合供电电源EAC220V；CDC24V内部线圈点数M8512点点数640点定时器（T）规格100MS定时器设置时间0132767秒10MS定时器设置时间00132767秒1MS定时器设置时间000132767秒点数635点计数（C）规格16位计数器设置值K03276732位计数器设置值21474836482147483647数据寄存器（D）2512字高速处理功能高速计数、脉冲输出、外部中断定时扫描间隔设置099MS口令保护6位长度ASCII自诊断功能上电自检、监控定时器、语法检查33气缸的选用本课题根据实际的需求后衡量选择气压传动以下来谈谈为何本次的设计运用气压传动还不是液压传动（1）相对于液压控制来说，气压传动一般是通过空气来实现气缸的前进与后退的，而空气相对于油来说，一取之方便，而用之也方便。（2）由于空气黏度小的特性，更适合集中的供中远距离传送。（3）相对液压传动，气压传动反应快，效果好，而且用过之后的清理也比较迅速，不像每次做完液压实验都要花很多时间在处理实验当中用过的液压油。（4）工作环境适应性好。空气相对油来说，在安全性方面肯定更胜一筹，油易燃易爆，所以说气压传动相对更加可靠且安全。（5）气动元件本身的结构简单，操作易上手并且使用时间长，在可靠性和稳定性方面也表现优异。331主气缸的选用图33主气缸型号SCD80230S1产品特性（1）采用独特的异性双向密封结构来保证密封性能并具有一定的储油功能（2）由于是拉杆式气缸，在可靠性方面得到绝对的保证，专门用支柱来链接前后的端盖与刚体。（3）系列气缸与标准的气缸相比，在长度方面略小（4）气缸缓动调节平稳（5）为了保证气缸能在极端恶劣的条件下正常工作，如高温，必须选择特殊材料比如耐高温材料。2主气缸的计算本次的自动插管机的推动系统，并没有太多的负载，而相对来说，需要注意的就是笔杆插入插笔盘的力以及压强，因为此时插笔盘的圆筒受到气缸作用在笔杆上的推力，发生形变，约为003MM，从而使笔杆插入薄壁圆筒中。计算最重要的是算出需要多大的气缸缸径，以下是计算步骤。（1）根据气缸的负载，计算出气缸所受的轴向的力为F，在本次设计中，加上气缸自身以及插笔所需的力还有算上要考虑的安全力，总共约为1500N。（2）基于气缸的全程平均速度来定气缸负载率，在本次设计中根据机械设计手册第五版第五卷的说明选定04（3）在实际生产实践中气缸的工作压强可能达到06MPA,所以在计算中选04MPA来保证一定的余量具体计算如下（31）PD24F1（32）其中F1为理论输出力（N），D为缸径MM，P为气缸的工作压强（MPA），04由上可得,则D6911MM。故选取标准缸径为80MM的气缸PF142经过查询，SCD80230的气缸符合要求其具体参数如下表34主气缸参数规格气缸型号SCD80230气缸内径DMM80最大行程SMM1500使用压力范围MPA00510耐压力MPA15使用速度范围MM/SEC50100使用温度范围2580在不冻结的条件缓冲行程MM25332插笔盘升降气缸的选用图34插笔盘升降气缸所选型号SDAS100X30，型号说明如下表35升降气缸参数规格333抖笔气缸的选用抖笔气缸型号SDAS4020图35抖笔气缸表36抖笔气缸参数规格空气压力（MPA）行程气缸内径活塞杆外径运动方式受压面积（MM2）10032拉侧704970110最大行程130MM容许形成160MM34HG系列线性滑轨的选择341HG系列线性滑轨说明HG系列线性滑轨，为四列式单圆弧牙型接触线性滑轨，同时整合最佳化结构设计之超重负荷精密线性滑轨，相较于其他线性滑轨提升了负荷和刚性能力；342HG系列线性滑轨特点1自动调心能力设计的圆弧槽的独特DF组合，因为在安装过程中，由于弹性形变和接触点的转移，即使有些偏差安装面，线性滑轨滑块也能把这些偏差吸收，因为这样的独特组合的自我调心功能，整个结构的稳定性和精确性可以被保证最后实现平滑运动。2具有互换性对于不同客户的需求，考虑到客户会选择多重不同的尺寸，在滑块上的设计别具匠心，具有互换的功能，既可以帮助客户降低成本也可以节省自身的存储空间。3所有方向皆具有高刚性运用更独特的四列式圆弧沟槽加上等45度的接触角度式设计，大大提高了刚性足以承受源自上下左右的负载。343HG系列滑轨的分类说明HG系列可分为非互换性和互换性两种线性滑轨，互换性的滑轨，顾名思义，在互换方面做的比非互换的好，互换性滑轨之间可以交互使用，所以显得飞航便捷，但有利就有弊，互换性的线性滑轨的精确度比不上非互换性的线性滑轨，但是本次设计选择的HIWIN的产品，在尺寸和质量方面有着严格的把关，即使使用互换性的滑轨组合，其精确度也能得到保障。本次设计用的是滑轨HGH25长400配套的滑块HGH25CA空气压力（MPA）行程气缸内径活塞杆外径运动方式受压面积（MM2）4016拉侧10550110最大行程130MM容许形成160MM图36HG系列结构图产品说明1滚动循环系统包括钢珠保护器，滑块，导轨，端盖还有钢珠2润滑系统包括油嘴，油嘴接头等3防尘系统包括金属刮板，刮油片，轨道螺栓盖还有底片尘封防尘片表37技术参数容许静力矩质量型号基本动额定负荷KN基本静额定负荷KNMRKNMMPKNMMYKNM滑块KG导轨KG/MHGH25CA2648364904203303305132135滚珠丝杠的选用351滚珠丝杠的说明滚珠螺杆也被称为滚珠丝杠，是将回转运动转换成直线运动，相反，也可将将直线运动转化为旋转运动的工业设计。352滚珠丝杠与滑动丝杠对比特点（1）传动效率高，耗能低可以说在节能方面，滚珠丝杠更胜一筹，因为顾名思义，滚珠丝杠的运动是靠滚珠在丝杠轴和螺母之间作者桥架的，因此滚出丝杆具有高传动效率（9095）但是传统的滑动丝杠在传动效率方面就差了很多了，大概只能是滚珠丝杆的三分之一。（2）运动平稳滚动摩擦系数几乎是恒定的，接近于一个常数，开始时与工作时的摩擦力矩也相差无几。（3）工作寿命长由于中间有滚动体，摩擦系数小，磨损小，具有较长的工作寿命和精度保持度。（4）高精度的定位由于滚珠丝杠摩擦小，温升小，无爬行，无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此高精度的定位是可以达到的本次设计中插笔盘的上下运动是由驱动器驱动步进电机，由同步带链接电机和滚珠丝杠带动从而实现的，步进电机的正转和反转实现滚珠丝杠带动插笔盘上升或者下降，由计算加上考虑安全系数，选择螺距为8MM的滚珠丝杠比较合适，所以最后选的舒辉机械上海有限公司的SFU025084滚珠丝杠。如图图37滚珠丝杠（图片源自舒辉官网）表38滚珠丝杠的参数规格型号公称外径导程刚性KGF/M动负荷KGF静负荷KGFSFU025084258351903369536步进电机及驱动器361步进电机步进电机是将电脉冲信号转变成开环控制元步进电机件的角位移或者线性位移。步进电机的步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等。误差不长期积累。步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的累积误差，但是，每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去。控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。所以，步进电机被广泛应用于数控机床上。根据以上描述选择混合式步进电机。362确定电动机的型号电动机功率的选择是否合适对其工作性能和经济性都有很大的影响。当功率小于工作机构需要的功率时，电动机就不能够保证工作机构的正常运行，就可能使电动机长期过载运行导致电机烧坏；当功率过大又造成能源的浪费，增加制造的成本。所以在选择电动机功率的时候只要保证电动机的额定功率等于或略大于工作所需的功率即可，这样电动机在工作时就不会过热，而不必校验发热和启动力矩。具体步骤计算如下（1）力矩计算（33）950NITP式中为步进电机所需功率I为步进电机的转速N（2）功率计算（34）总PI式中为工作机构所需功率P为总的传送比总（3）传输效率（35）21总同步带的传动效率滚珠丝杠的传动效率2经过计算，插笔盘上升一次，约用1S时间，而在这1S时间内，加速时间约为02S，中间匀速运动约06S，而减速也是约为02S，插笔盘上升距离为两排插笔孔间的距离为24MM。插笔盘采用ABS材料，笔杆重约15G/支，加上其他的考虑因素，总重约为20KG。由机械手册可查的PFV（36）P为步进电机功率（KW），F为力（N），V为速度M/SVAT（37）A是加速度，T是时间，要计算加速度须知道总的行程S，本次设计的行程S2412264MM根据公式SAT得（38）21AX02AX02X16132得AM/S3012根据公式得VM/S1502带入公式FFMA，（39）得FN362根据公式TWFV，其中T为扭矩（NM）,单位为RAD/MIN，N为转速30NW（R/MIN）步进电机转速设定为N300R/MIN将F带入上述公式可得T05NM本课题选用的是KDE常州康达通用电气有限公司的86BYG450A04A图39步进电机表39步进电机相关参数环境温度AMIBIENTTEMPERATURE2540温升TEMPERATIRERISE85K绝缘强度DIELECTRICSTRENGTH500VAC50HZ1MINUTE绝缘等级INSULATIONCLASSB绝缘电阻INSULATIONRESISTANCE500VDC100MMIN表310步进电机的性能参数型号步距角（度）电压（V电流（A最大静转矩（NM）定位转矩NM转动惯量KGCM2重量（KG）86BYG450A18291711800806416363步进电机驱动器的选择步进电机不能直接使用，所以按照需求配有相应的驱动器才能工作。而一般的讲，在选择驱动器的时候，电压和电流往往是我们最先关注的，本次设计选用的是与步进电机配套的驱动器信捷，因为该驱动器最大输入电压可达80VDC，输出为50A，在电流方面我们所以的86系列的电流要求为45A，完全符合要求，而且大小尺寸适合，重量仅有16KG，在温度条件方面，该设计所用的工厂还是有工人在场间工作，所以一般不会超过35度最大不会有40度，而该驱动器允许最高在60摄氏度的条件下工作，所以这也在可接受范围之内，在说明书中可得知该驱动器使用与各种中小型和自动化的设备上面，重点是推荐驱动任何50A以下的86系列两相步进电机也恰恰符合本次设计使用要求。如图为驱动器DP508图310步进驱动器表311步进驱动器参数项目最小值典型值最大值输入电源电压（VDC）354880输出电流有效值（A）05逻辑输入电流（MA）4716步进脉冲频率KHZ0200绝缘电阻500环境温度0C50C最高工作温度60C湿度4090RH（不能结露或有水珠）振动MAX59M/S保存温度20C65C外形尺寸138MM85MM38MM37传感器的选用371磁性传感器的选用磁传感器的特点大概有以下几种1、高灵敏度。磁性传感器的灵敏度与信号的强弱成正比，如果信号越强，则灵敏度可以相对较低，但相反，如果本身信号较弱，这就要求磁性传感器的灵敏度要非常高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。2、温度稳定性，包括汽车电子行业在内的应用领域，现代的工业对传感器的耐高温能力越发看重，要求即使在极其恶劣的条件下也要稳定的运行，这就要求传感器具有相对稳定性。3、抗干扰性，尤其在罗盘指南针等工业产品上，更加要强调抗干扰性的能力。4、小型化、集成化、智能。要想做到以上需求，这就需要芯片级的集成，模块化集成，产品化集成。5、高频特性。随着科学技术的发展，在传感器频率方面的要求也越来越高，包括汽车电子和信息技术等高科技行业。6、低功耗。为了使传感器有更长的使用寿命，必须要求传感器本身的续航能力要出众。应用在植入身体内磁性生物芯片，指南针等等。本设备所选用的气缸为亚德客公司的气缸，所以磁性传感器选用的是与气缸配套的磁性传感器CS1FSC80H（2套）。这2个磁性传感器主要用来限定主气缸送笔和退笔的位置，当磁性传感器感应到时发出信号触发下一个动作指令图311磁性传感器所选用的磁性传感器技术参数如表312所示表312磁性传感器技术参数型式适用电压V适用电流MA接触形式使用温度CCS1FSC80HDC/AC5240V100MAX常开型1070372机械式传感器的选用微动开关在本次的设计中具有相当主要的作用，实际上大多数行业上会官方的成为机械式传感器，是一种由压力来控制的开关。其工作原理是外部的力作用在传动原件表面，然后力就传到了微动开关的弹簧片上，弹簧片是有一个极限的，当达到并突破极限时会产生一个瞬间的力作用来时弹簧片的动静接触点断开或者接触，而当这个力移去或者变小小于突破极限时，弹簧片又会产生一个反作用力，运动方向就相反。为了满足不同的条件需求，微动开关除了普通型，日常使用的，还有防水型，在特殊的条件下还可以使用。所以微动开关的使用及其广泛，日常生活中有鼠标，遥控器，摩托车等，许多工业机械钟也平凡只用微动开关，微动开关虽小但是却发回着不可代替的作用。在设备中选用的是欧姆龙公司的微型微动开关SS5GL2，在笔盘在位（X1）和笔盘零位（X2）起着重要作用，笔盘在位还可以进行送笔的动作，不然可能送错笔出现笔断了的情况，笔盘零位说明升降盘下降到底发出M8170信号，继续下一个动作。同时这个微动开关是由2片弹簧组成的，使用的寿命达到了30