全自动板簧卷耳机控制系统设计VIP

SHANDONG 毕业设计说明书 全自动板簧卷耳机控制系统设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 王雷 学 号： 0812105122 指导教师： 王健 2012 年 6 月 摘要 I 摘 要 卷耳机是用于钢板弹簧端部切边（角）和耳部成形的专用设备。该设备为 模块化结构，将计算机、可编程控制器、电气、液压技术相结合，PLC 作为设 备的核心控制器，实现板簧卷耳工序的流水线作业。 论文首先分析了卷耳机的研究现状及工作原理，并从实际出发，根据卷耳 要求，分析并选择了卷耳控制方案。然后，根据卷耳的工作流程，选择上料机 械手、炉取出装置、切边机构、卷耳装置及成品堆积装置，并对相应的工艺流 程进行了详细的设计。此外，还选择了控制卷耳所需的变频电机和变频器，以 及控制液压装置的液压阀。最后，根据控制要求，完成了对位置传感器的位置 设置和型号选择，配置了 PLC 的输入输出端口，并绘制了 PLC 接线图。 全自动板簧卷耳机普及将实现板簧生产的现代化，有利于提高设备利用率 和生产效率，并降低工人的劳动强度。 关键字：关键字：板簧，卷耳机，PLC Abstract II Abstract Eye spring machine is the equipment for leaf spring end cutting edge (angle) and ear forming. The device is a modular structure, computer, programmable controllers, electric and hydraulic technology combines，take PLC as the core of the device controller, to realize the pipeline operations on the ear roiling process. At first the thesis analyzed the present situation of study on eye spring machine and how it works, and proceeding from the reality, analysis and select the ear roiling control scheme according to the ear roiling requirements. Then, devices to load and take out leaf spring from furnace, cutting edge devices, and eye roiling and stacked devices were selected according to the eye forming processes, and appropriate design process in detail. In addition, variable frequency electric motor and inverter, hydraulic and control device of hydraulic valves were selected to control the process of eye forming. Finally, the location and model of position sensor were selected and the PLC input/output ports were configured, and the PLC wiring diagram was draw according to the requirements. The popularization of automatic eye spring machine will realize of modern- ization of production of leaf spring and increase equipment utilization as well as productivity, and reduce the labor intensity of workers. Key words: Leaf spring, Eye spring machine, PLC 目录 III 目 录 摘 要I ABSTRACTII 目 录III 第一章 绪论.1 1.1 课题研究的目的和意义1 1.2 板簧卷耳机的研究现状.2 1.3 设计任务与设计指标.2 第二章 全自动板簧卷耳机的总体设计方案4 2.1 板簧卷耳机的组成原理.4 2.2 控制方案的选择.5 2.2.1 控制要求 .5 2.2.2 PLC 与继电器控制的比较 5 2.2.3 总体设计方案 .7 第三章 卷耳机控制系统的设计8 3.1 上料机械手的选择与设计.8 3.1.1 上料机械手的选择 与设计 .8 3.1.2 上料流程的设计 10 3.2 炉取出装置的选择与设计. 10 3.2.1 炉取出装 置的选择. 10 3.2.2 炉取出流程的 设计 11 3.3 切边角机构的选择与设计. 11 3.3.1 切边角机构的选 择 11 3.3.2 切边角流程的设 计 14 3.4 卷耳装置的选择与设计. 14 3.4.1 卷耳装置的选 择 14 3.4.2 卷耳流程的设计 16 目录 IV 3.5 产品堆积装置的选择与设计. 18 3.5.1 产品堆积装置的选择. 18 3.5.2 产品堆积流程的设计. 19 3.6 液压阀的选择. 19 3.6.1 液压阀的 应用. 19 3.6.2 液压阀的比较 与选择 20 3.7 位置传感器的选择. 21 3.7.1 位置传感器的作用. 21 3.7.2 常用位置传感 器. 22 3.7.3 位置传感器 的选择. 26 3.8 可编程控制器的选择与设计. 29 3.8.1 输入与输出端口. 29 3.8.2 PLC 型号的选择. 32 3.8.3 PLC 接线原理图 32 结 论35 参考文献36 致 谢 . 37 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 板簧是汽车工业的重要产品之一，其结构组成简单（如图 1-1 所示） ，制造、 维修较为方便；其作为弹性元件主要起传递力和力矩及衰减振动的作用，因而 得到了广泛应用。板簧作为汽车的主要部件之一，把车架与车轴弹性的连接起 来，用以传递车轮与车架间的力和力矩，并减少由不平路面传递给车架的冲击 负荷，以衰减由冲击负荷引起的承载系统的震动，达到保证汽车平稳行驶的目 的。因此，汽车板簧的质量直接影响到汽车的使用质量和行驶安全，关系到汽 车行驶的平顺性、舒适性和操作稳定性。 车辆工业的飞速发展，汽车行业的正规化和民用化，促使板簧市场逐渐扩 大，不仅对其需求日益增加，而且对其质量的要求也逐步提高。现有的生产能 力和生产水平已难以满足要求，板簧生产设备的改革十分迫切。精密加工将将 使板簧的优越性能得以充分发挥和保证，大生产和自动化是其发展的必然趋势。 由于企业对生产效益的追求，数控自动化加工必将占板簧生产的主流。数 控加工综合应用了计算机、自动控制、伺服驱动等方面的技术成果，具有高度 精确和高度自动 化的特点，因此 采用数控技术， 可以提高板簧的 制造水平，为社 会提供高质量、 高可靠性的产品。 卷耳机是用于钢板弹簧端部切边（角）和耳部成形的专用设备，目前国内 的板簧卷耳机设备大都是半自动的，既浪费了人力物力，又不能确保产品的精 度，而且生产的安全性也难以保证。本设计提供了全自动板簧卷耳机控制系统 图 1-1 板簧结构图 第一章 绪论 - 2 - 的硬件设计部分，全自动板簧卷耳机采用模块化结构，由 PC 机与 PLC 两级计 算机控制，整套设备连线可以实现板簧卷耳工序的流水线作业，自动化程度高， 大幅提高了产品的质量和生产率，又减轻了操作者的劳动强度，安全性也得到 提高，具有较大的应用价值和广阔的市场前景。 1.2 板簧卷耳机的研究现状 数控加工设备的自动化程度高，尺寸精度能有效保证，在国内外广泛应用 于大批量生产中，但对工作条件的要求较为严格。然而板簧的加工条件十分恶 劣，不仅对设备的可靠性要求高，而且对设备的磨损非常严重，因此国内板簧 生产的自动化程度不是很高。 在国内，随着社会经济，特别是汽车行业的复苏，与车辆相关的产业得以 迅速发展。家用汽车的普及，农业机械的推广，使得板簧的品种越来越多，应 用越来越广泛，质量要求也越来越高。而板簧设备的加工水平还比较落后，不 能满足飞速发展的汽车行业对板簧的日益需求，并且其利润之大，促使了各种 规模的生产厂家的出现，形成了目前板簧加工的混乱局面。目前国内多数厂家 采用半自动板簧卷耳机，加工设备的陈旧难以适应现代化生产的需要，介于企 业规模和眼前利益，设备改造速度缓慢。 在国外，板簧卷耳全自动加工技术已经成熟，生产效率和生产质量高，能 源环境，人力资源得到充分发挥。然而进口相关设备，其代价是相当大的，比 如日本卷耳设备的进口价格不少于一千万人民币。 总之，国内的板簧生产随着现代化技术的发展和车辆工程的要求，将逐步 转向现代化大生产领域，这也是我国目前的主流，高质量的部件才能有高质量 的产品。自动化和适应性调节、多功能和高质量是自动化的加工方向，是国内 经济发展的必然趋势。因此全自动板簧卷耳机将取代现有设备，以实现现代化， 提高设备利用率和生产效率，降低工人的劳动强度。 1.3 设计任务与设计指标 1.3.1 卷耳机主要设计内容 第一章 绪论 - 3 - （1）阐述板簧卷耳机的工艺流程、工艺特点及其组成原理。 （2）进行方案论证，确定卷耳机的控制系统总体方案。 （3）合理选择 PLC 的各种配置以及各种位置传感器。 （4）合理选择上料机械手、炉取出装置、切边机构、卷耳装置及成品堆 积装置等。 （5）设计系统各种保护环节。 （6）绘制控制系统原理图和 PLC 接线原理图。 1.3.2 技术参数 表 1-1 主要设计指标及参数 板料厚度626mm板料宽度50120mm 板料长度10002500mm最大切边长度350mm 切边宽度精度0.5mm切边（角）生产率6 头/分 卷（包）耳孔径20 95mm两孔中心距9402000mm 卷制耳孔精度0.3mm装机功率30Kw 耳孔平行度1耳孔垂直度1 卷耳种类切线圆耳、1/4 卷耳、 3/4 包耳、弯头 卷耳生产率6 头/分 第二章 全自动板簧卷耳机的总体设计方案 - 4 - 第二章 全自动板簧卷耳机的总体设计方案 2.1 板簧卷耳机的组成原理 板簧是汽车悬架系统中最为传统的弹性元件，一般是由若干片不等长的合 金弹簧钢组合而成一组近似于等强度弹簧梁。除了起缓冲作用而外，还可担负 起传递所有各向的力和力矩，以及决定车轮运动的轨迹，即起导向的作用。在 制造过程中，板簧的两个端部需经过压延、切边角、切头、卷耳等多道工序， 形成耳部，以便与车架联接。对于厚度大于 10mm 的板簧，一般先进行加热处 理，从而减少成型阻抗。其工艺流程见图 2-1。 在板簧的生产流程中，压延、切边角、切头等工序一般由一组垂直方向的 液压缸来完成，由行程开关控制其进程。而卷耳动作需由变频电机进行驱动， 并由传感器进行反馈控制。具体动作为：板簧到卷耳位置后，触动变频电机带 动卷臂动作，由角位移传感器检测卷臂行程，当达到预设角度时，传感器输出 信号，使电机停止。 根据设计要求，卷耳部分提供了四种选择，通过操作可选择所要卷耳的类 型，包括：圆耳、1/4 卷耳、3/4 包耳、弯头。切边角、切头、卷耳效果如表 2- 1 所示。 图 2-1 板簧卷耳机工艺流程 机械手上料加热炉加热炉取出装置压延切边(角） 成品堆积检测卷耳动作翻片切头 废料输出 角度反馈 第二章 全自动板簧卷耳机的总体设计方案 - 5 - 表 2-1 成型类型和种类 种类形状备注 切边 切头 1#圆卷耳 2#3/4 卷头偏心 3/4 卷头 2#1/4 卷头卷耳角度 200o以下 2#弯头头部弯曲 2.2 控制方案的选择 2.2.1 控制要求 （1）要求实现板簧的上料加热，炉取出，切边（角） ，切头卷耳以及成品 的堆积等一系列工序的自动完成。 （2）接收机械系统电路及油路的安全监测信号，完成对系统运行状态的 实时监测，一旦系统处于不良运行状态，系统应发出报警信号并进行紧急停车， 从而最大限度的降低系统损坏和工件的不合格率，同时降低经济损失。 2.2.2 PLC 与继电器控制的比较 在工业控制领域，可编程控制器（PLC）能够为自动化控制应用提供安全 可靠和比较完善的解决方案，已成为大多数自动化系统的设备基础。可编程控 制器件及其有关外围设备都以易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能 的原则设计的，并且现已成为工厂自动化的有力工具，广受用户欢迎。已广泛 应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、 环保及文化娱乐等各个行业。 PLC 最常使用的编程语言是梯形图，由于大致上沿用了继电器控制的电路 符号和术语，其电路符号和表达方式与继电器原理图较为相似。并且，它们有 基本相同的输入输出形式和基本功能，但这两种控制又有根本上的不同，表现 第二章 全自动板簧卷耳机的总体设计方案 - 6 - 为以下方面： （1）在控制逻辑上 继电器控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串并联等组合成控 制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，一旦系统构成，若要改变或增加 功能都很困难。此外，继电器的触点数量相当有限，每只只有 48 对触点，因 此其灵活性和可扩展性较差。而 PLC 采用存储器控制，其控制逻辑是以程序 的方式存储在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序即可，因而很容易改变 或增加系统功能。PLC 控制系统连线比较少、体积小、功耗小，而且 PLC 中 每只软继电器的触点数理论是无限制的，因此其灵活性和可扩展性很好。 （2）在工作方式上 当电源接通时，继电器控制电路中的所有继电器都处于受控状态即该吸合 的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工 作方式称为并行工作方式。而 PLC 的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循 环扫描过程中，各逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算得 出的，即同它们在梯形图中的位置有关，这种工作方式称为串行工作方式。 （3）在控制速度上 继电器控制系统依靠机械触点的动作实现，工作频率较低，触点的开关动 作一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题。而 PLC 通过程序指 令控制半导体电路来实现控制，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级， 因此速度较快，PLC 内部还有严格的同步控制，不会出现触点抖动问题。 （4）在可靠性和可维护性上 继电器控控制系统使用了大量机械触点，连线较多，触点开闭时存在机械 磨损、电弧烧伤等现象，触点寿命短，所以可靠性和可维护性较差。而 PLC 采 用半导体技术，大量的开闭动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可 靠性强。此外，PLC 具有自检及监督功能，能查出自身出现的故障显示出来， 还能实时监视控制程序的执行情况，有利于现场调试和维护。 （5）在价格上 第二章 全自动板簧卷耳机的总体设计方案 - 7 - 继电器控制逻辑一般使用机械开关、接触器和继电器，价格比较低。而 PLC 则使用中大规模集成电路，价格比较高。 由以上分析可知，PLC 控制在性能上比继电气控制更为优越，特别是其本 身具有许多鲜明的特点：可靠性高，抗干扰能力强；功能完善，适用性强；.体 积小，重量轻，能耗低；编程、维护方便。随着 PLC 功能的不断提高和完善， 其几乎可以完成工业控制领域的所有任务。因此，针对环境恶劣，安全性、可 靠性要求高的板簧加工领域，可以采用高性价比的 PLC 进行控制。 2.2.3 总体设计方案 板簧卷耳的设计方案如图 2-2 所示，系统采用模块化结构，由 PC 机与 PLC 两级计算机控制，主要由上料机械手、炉取出装置、切边机构、卷耳装置 及成品堆积装置等组成。在系统的特定位置安装位置传感器，以接收板簧的位 置信号，完成板簧卷耳的自动加工。 传感器信号 PLC 系 统 保 护 上 料 炉 取 出 压 延 切 边 角 切 头 卷 耳 产 品 堆 积 控制信号保护信号 图 2-2 全自动板簧卷耳机设计方案 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 8 - 第三章 卷耳机控制系统的设计 全自动板簧卷耳机主要由上料机械手、炉取出装置、切边机构、卷耳装置 及成品堆积装置等组成。控制系统采用模块化结构对各工序进行控制，其优点 有：模块间相对独立互不影响、 提高设备的可靠性、易于维护和功能扩充。 卷耳机由计算机与 PLC 两级控制，由计算机对 PLC 进行编程并监视 PLC 的运行状态，检测和排除故障，还可给 PLC 发布相应的指令；同时，PLC 各输 入输出状态和实时数据可以及时的上传给计算机，与计算机中的控制程序协同 工作。 由于液压装置具有结构简单、工作可靠、应用广泛、节约能源等特点，此 次设计多处机构采用液压装置提供动力，如切头机与夹紧、定位装置。另外有 些工序对控制精度要求较高，需采用电动机提供动力，如卷耳时由变频电机带 动卷耳臂旋转动作。 定位机构是板簧卷耳生产的重要组成部分，既与板簧的生产效率紧密相关， 又对板簧的质量有着重大影响。定位机构在板簧生产中的主要作用是按照加工 要求固定板簧的位置，并在加工过程中不产生偏斜。此次设计用到的定位装置 有长宽度定位装置和定位销。宽度定位装置兼具夹紧和定位的功能，由液压缸 驱动；定位销提供进一步检测，以确保定位准确。 板簧的搬运由上料机械手、炉取出装置及成品堆积装置完成。取料和成品 堆积时需利用机械手（此次设计均用电磁吸盘装置）完成，其他工序可利用输 送链完成运输。 3.1 上料机械手的选择与设计 3.1.1 上料机械手的选择 上料机械手是在钢板弹簧加工前，用于将簧片送到加热炉中进行加热的输 送装置。主要由电磁自动吸料架、上料输送机、推料机构和小车总成四部分。 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 9 - 具体放置如图 3-1 所示。 电磁吸盘装置由盘形钢壳和壳内的激磁线圈 组成，内部激励线圈通直流电时产生磁力线，该 磁力线经底座传导到面板上的磁极产生吸力，从 而吸住簧片，其结构如图 3-2 所示。将电磁吸盘 安装在电磁自动吸料架上，通过 PLC 控制其运 动，首先从小车上吸取簧片，然后移动到上料输 送机上方，在设定位置停止后失电，使簧片落到 输送机上。该电磁吸盘仅用于吸取簧片，负载较 小，可选择 MW5-50L/1 电磁吸盘，其具体参数如表 3-1 所示。 小车总成 电磁自动吸 料架 推料机构 上料输送机 图 3-1 上料机械手构成 图 3-2 电磁吸盘 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 10 - 表 3-1 MW5-50L/1 电磁吸盘参数 电压220V电流7.8A 功率2.25Kw吸力130Kg 上料输送机通过转动的链条调整簧片的位置，使簧片处于推料机构的正前 方，推料机构检测到信号后动作，将簧片推到加热炉输送链。 3.1.2 上料流程的设计 启动电源开关 小车得电沿导轨前行 触动行程开关后小车停止 （延时）电磁吸盘装置得电吸料 （延时）电磁吸盘装置动作进行移料 到达预定位置后电磁吸盘装置失电放料，触动上料机械手限位开关 （延时）推料机械手动作将簧片送到加热炉传送带，同时电磁装置和小 车复位。 3.2 炉取出装置的选择与设计 3.2.1 炉取出装置的选择 炉取出装置用于将加热后的簧片从炉前输送链上取出,送至下一工序，可根 据需要对簧片进行翻转或不翻转。由机架、导轨、滚轮、翻片机械手、接片机 械手、链条托起架和链条传动机构等组成。当不需要材料在传送链上翻转时， 要松开翻转臂螺栓。其结构如图 3-3 所示。 3.2.2 炉取出流程的设计 簧片碰到限位开关后 触动翻片机械手动作（根据需要设置） 延时后接片机械手动作进行接片 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 11 - 3.3 切边角机构的选择与设计 3.3.1 切边角机构的选择 这部分主要用于对加热后的簧片端部切边（角） ，以达到所需要求，主要 由移料架、压力机、长度定位机构、 （夹紧）宽度定位机构、切边（角）模具、 废料输送装置组成。 （1）压力机 压力机的作用是提供动力，带动切头上下移动，以实现对簧片端部的切边 （角）加工。 翻片机械手 接片机械手 链条传动机构 滚轮 导轨 机架 链条托起架 图 3-3 炉取出装置 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 12 - （2）移料架 其作用是将簧片移到压力机位置切边（角） ，同时将切完边（角）的簧片 移到切头压力机的输送定位装置。 （3）长度定位机构 定位的主要作用是，根据要求对切边（角）的簧片进行长度方向的精确定 位。使簧片端部能准确处于切头位置，确保板簧加工的合格率。其安位置如图 3-4 所示。 （4）夹紧、宽度定位机构 在夹紧的同时，对簧片进行宽度方向的定位。其结构如图 3-5 所示。 （5）废料输送装置 将切边（角）料头及时送走，避免堆积，影响切边（角）的正常进行。其 图 3-4 长度定位装置 宽度定位 装置 长度定 位装置 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 13 - 结构如图 3-6 所示。 图 3-5 宽度定位装置 图 3-6 废料输送装置 导轨 支架 夹紧装置 液压缸 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 14 - 3.3.2 切边（角）流程的设计 簧片移动到切边（角）位值传感器处，压下行程开关，粗定位气缸推出， 使簧片停止运动，延时后返回 切边角输送链抬起，把簧片取走 簧片前行到切边（角）位置并触碰切边（角）限位开关 切头输送链落下，簧片落到切边（角）工作台上 切边角夹紧片动作，同时宽度定位 长度定位装置动作将簧片被推到切头刀下 定位销伸出，发出切边（角）信号 切头刀开始下降进行切边（角） 切头刀下降到“切头降位置”的行程开关时，停止下切 切头刀开始上升 上升到“切头升位置”的行程开关时，切头刀动作结束 同时，切边角定位销，切边角夹紧片复位将簧片松开 切头输送链抬起，继续将簧片向前输送 3.4 卷耳装置的选择与设计 3.4.1 卷耳装置的选择 卷耳装置是全自动卷耳机的核心部件，用于对加热后的簧片端部进行变形， 以达到所需要求，它由液压切头机、卷耳机、输送定位机构组成，见图 3-7。 （1）液压切头机 切头机完成对簧片头部的弯曲、切断。在卷圆耳时，以接近耳孔半径的曲 率半径对钢板进行弯曲，并把头部切断；在卷包耳(卷头)时，先进行 3/4 弯曲的 前加工。另外本工位可实现簧片头部弯曲的加工。切头机由液压装置提供动力， 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 15 - 通过一组行程开关控制其升降位置。 （2）卷耳机 由芯轴进出机构，把簧片推压到芯轴上的夹紧机构及围绕芯轴转动的翻转 机构等构成。把液压切头机进行预成形的簧片加工成所需形状。 翻转机构即卷臂，由变频电机提供动力，根据加工要求，变频电机功率应 为 30Kw，因此可选择上海弘祥 YVF200L-4-30KW 变频电动机,其参数如表 3-2 所示。 表 3-2 YVF200L-4-30KW 变频电动机参数 极数4额定功率30Kw额定电压380V 额定电流57.6A额定转速1440rpm额定转矩193.68NM 外形尺寸56*56*56cm3防护等级IP54重量245kg 由于对卷耳控制要求较高，此次设计选用性能较为优越的三菱 FR-A740- 30K-CHT 变频器对电动机进行控制。FR-A740 系列变频器具有高水准的驱动性 能，具有独特的无传感器矢量控制模式，带转矩控制模式，并且在速度控制模 输送定位机构 液压切头机 卷耳机 图 3-7 卷耳装置 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 16 - 式下可以使用转矩限制功能，在不需要采用编码器的情况下可以使各式各样的 机械设备在超低速区域高精度的运转。其技术规格如表 3-3 所示。 表 3-3 FR-A740-30K-CHT 变频器参数 过载能力 SLD 110% 60s，120% 3s 环境温度 40 LD 120% 60s，150% 3s 环境温度 50 ND 150% 60s，200% 3s 环境温度 50 HD 200% 60s，250% 3s 环境温度 50 额定电流 SLD 77 LD 70 ND 57 HD 44 输入电压3 相 380-480V 50/60Hz输出频率范围0.5-400Hz 控制方式高载波 PWM 控制允许频率波动范围5% 电源容量52 kVA冷却方式强制风冷 由于存在四种卷耳类型，卷臂的旋转角度应依据卷耳要求确定。此次设计 采用角位移传感器进行角度反馈，由 PLC 计数，当卷臂转到预设角度后， PLC 发送停止信号。 （3）输送定位装置 由将簧片送到液压切头机，在切头机和卷耳机之间进行移动翻转，并送出 成品的传送机构和进行切头、卷耳的长度、宽度方面定位的机构组成。 3.4.2 卷耳流程的设计 （1）切头： 簧片移动到切头位值传感器处，触动限位开关，引起粗定位气缸动作， 使簧片停止，延时后返回 切头输送链抬起，把簧片取走 簧片前行到切头位置触动切头限位开关 切头输送链落下，簧片落到切头工作台上 切头夹紧片动作，固定簧片，并进行宽度定位 长度定位装置动作将簧片推到切头刀下 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 17 - 定位销伸出，并发出切头信号 切头刀开始下降进行切头 切头刀下降到“切头降位置”的行程开关时，停止下切 切头刀开始上升 上升到“切头升位置”的行程开关时，切头刀动作结束 同时，切头定位销，切头夹紧片复位将簧片松开 切头输送链抬起，继续将簧片向前输送 簧片进入翻片机械手内，并触碰翻片限位开关 翻片机械手动作、进行旋转，将簧片翻转后放到卷耳工位上 （2）卷耳（以卷圆耳为例）： 当簧片碰到卷耳限位开关时 卷耳夹紧片动作夹紧簧片，芯轴缸动作，使芯轴伸出，同时工作台后退 并上升，簧片碰到长度定位台上的位置传感器后停止 卷耳前夹紧片动作进行宽度定位 长度定位台退回 位销伸出并发出卷耳信号 卷耳臂夹紧簧片 延时后变频电机得电带动卷臂旋转，同时夹紧气缸复位，定位销复位 由角位移传感器检测旋转角度，第一次卷到 170o 停止，变频电机反转 带动电机卷臂返回，复位后停止 再进行第二次卷耳 卷到设定值后停止，卷耳臂返回过程如上步 夹紧片动作，芯轴回到原位停止 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 18 - 工作台后退至弹片处（行程开关 1）触动开关 夹紧片复位，弹片动作将簧片排出卷耳工位 工作台复位，长度定位装置复位，整个动作过程结束 3.5 产品堆积装置的选择与设计 3.5.1 产品堆积装置的选择 为了使加工成型的簧片输易于送到下一工序，需用电磁送料装置把成品堆 积起来，并送到运出位置，产品堆积装置的组成如图 3-8 所示。通过控制电磁 吸盘装置得电与失电完成取料和放料，从而实现成型簧片在输送链到成品架上 的移动。 3.5.2 产品堆积流程的设计 簧片触动限位开关，引起液压缸对齐动作，完成后 成品架 输料台 推出装置 电磁吸盘装置 图 3-8 成品堆积装置 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 19 - 电磁吸盘装置下降 当位置传感器发出信号后停止，电磁吸盘得电吸料 （延时）电磁吸盘装置抬起，到达上升限位开关 1 后停止 电磁吸盘装置前移，达限位开关 2 后停止 电磁吸盘装置下降 当位置传感器发出信号后停止，电磁吸盘装置失电放料 电磁吸盘装置复位 3.6 液压阀的选择 3.6.1 液压阀的应用 液压技术自从 20 世纪 30 年代就普遍的应用于起重机、机床及工程机械， 经过几十年的发展，如今已广泛应用于各种民族工业，成为现代工业生产与自 动控制相结合的重要方式。 液压技术之所以能得到如此广泛的应用，是因为它具有如下优点： （1）液压传动功率重量比大、结构紧凑、惯性小。例如，相同功率液压 马达的体积不足电动机的五分之一。 （2）可在大范围内实现无级调速，传动速度较稳定，受负载影响较小。 （3）液压传动借助各种控制阀，尤其是采用电气控制与液压控制相结合 时，能很容易的实现自动化，使复杂的流程 自动循环运行。 因此本设计大量应用了液压装置，并且 采用液压阀对其进行控制。 液压阀既是电液转换元件，又是功率放 大元件，将系统的电气部分与液压部分连接 起来，实现电、液信号的转换与放大以及对液压执行元件的控制，其外形如图 3-9 所示。 图 3-9 液压阀 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 20 - 3.6.2 液压阀的比较与选择 常用的液压阀有电液伺服阀和电液比例阀，其区别表现在： （1）在反馈方式上，比例阀多为电气反馈，当有信号输入时，主阀芯带 动与之相连的位移传感器运动，当反馈的位移信号与给定信号相等时，主阀芯 停止运动，比例阀达到一个新的平衡位置伺服阀，阀保持一定的输出。伺服阀 有机械反馈和电气反馈两种，一般电气反馈的伺服阀的频响高，机械反馈的伺 服阀频响稍低，动作过程与比例阀基本相同。 （2）在结构上，比例阀的阀芯是靠电磁力和液压力及弹簧力来实现平衡 的，而伺服阀是靠液压力来平衡的，所以比例阀在控制大流量高压力上没有优 势。 另一种常有的液压阀是开关阀，只能控制阀口的开闭，无反馈功能，不能 控制流速，常用于对精度要求不高的场合。 电液伺服、比例与开关阀在控制能力上有一定的性能差距，其主要性能比 较如表 3-4 所示。 表 3-4 电液伺服、比例、开关元件的性能对比 性能电液伺服阀电液比例阀开关阀 介质过滤精度/m32525 阀内压力降/MPa70.520.250.5 稳态滞环（%）1313 重复精度（%）0.510.51 频宽（Hz/-3dB）2020025 价格因子310.5 总之，电液伺服阀体积小、响应速度快、功率放大率高、运动平稳可靠, 但是它对油液介质条件要求高，价格昂贵。电液比例阀对液压油的要求较低， 抗污染能力较强，加工精度没有电液伺服阀要求高，因此其价格较低；由于存 在不灵敏区和滞环，其不带电时安全稳定性好。 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 21 - 综合各项指标，在板簧生产中长度定位台的控制上，对精度要求较高，对 灵敏度无特殊要求，因此选用电液比例阀进行控制。具体型号为创灵 EBG-03 比例阀，参数如表 3-5 所示。 表 3-5 EBG-03 比例阀参数 压力调整范围140210 kg/cm2额定压力16MPa 最大通过流量 120 L/min定额电流 750 mA 在对压力机、工作台及夹紧缸、定位销的动作，由于对精度没有比较高的 要求，因此可以选用开关阀。具体型号为汉商液压 DWG15 系列开关阀。其参 数如表 3-6 所示。 表 3-6 DWG15 系列开关阀参数 供油压力范围1.525MPa额定压力25MPa 额定无载流量80、100、125L/min控制电流10、30、80mA 3.7 位置传感器的选择 3.7.1 位置传感器的作用 顾名思义，位置传感器测量的是位置反馈信号。通过判断目标对象是否存 在或者检测目标的运动、方向或距离，并将物理参数转换为反映对象位置的电 气输出信号。 位置传感器按运动方式可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。其 中直线位移传感器常用的有直线位移定位器等，其特点为工作原理简单、测量 精度高、可靠性强；角位移传感器则可选旋转式电位器，其特点为可靠性高、 成本低。角位移器还可使用光电编码器，有增量式与绝对式两种形式。其中增 量式码盘在机器人控制系统中得到了广泛的应用。 可以采用多种方式来测量目标的对象的位置。其中用些方式必须与被测对 象进行接触，如限位开关和电位计，被称为接触式位置传感器。当允许与目标 对象进行接触式，接触式位置传感器往往是最简单同时也是成本最低的解决方 案。与目标对象之间不存在物理接触的称为非接触式位置传感器，如光电传感 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 22 - 器，它不会因为反复接触而磨损。 3.7.2 常用位置传感器 每种常用的位置检测技术都有其自身的优势和局限性。显然，在不同的应 用中，有些技术比其他技术有更好的适应性。根据此次设计的具体需求，可能 涉及的位置传感器概念有行程开关、电阻式位置传感器、磁性位置传感器、超 声波传感器、接近传感器和光电传感器。 （1）行程开关 行程开关是机电接触式器件，外形如图 3- 10 所示。利用生产机械运动部件的碰撞使其触 头动作来实现接通或分断控制电路，以达到所 需的控制目的。一般情况下，行程开关用来限 制机械运动的行程或位置，使运动机械在某一 位置或设定行程进行变速运动、自动停止、反 向运动或往返运动等。 在工业生产中，将行程开关安装在某一设定位置，当生产机械运动部件的 部分模块触碰行程开关时，行程开关的触点动作，从而实现电路的切换。行程 开关广泛应用于起重机、机床及工程机械，用以控制机械行程、实现终端保护。 在电梯的控制电路中，行程开关被用来来控制开关门的速度、限位以及轿厢的 上、下限位保护。 行程开关具有较高的坚固性和可靠性，而且具备多种尺寸和不同的密封、 外壳、制动器、电路和电器等级。即使在最恶劣的环境下，行程开关也能可靠 的运行好几年。 （2）电位计 电位计即电阻式位置传感器，是一种常用机电元件， 它可以将机械位移变为电阻值的变化，并很容易转换成 电压的变化，适用于精度要求不高的中小位移测量。外 形如 3-11 所示。 图 3-10 行程开关 图 3-11 电位计 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 23 - 电位计是无源元件，即不需要电源或额外的电路就能够执行他们基本的线 性位置或旋转位置测量功能。他们的基本工作模式通常有两种，即可变电阻和 分压器（电位工作原理） 。由于电阻随运动而变化，因此在使用可变电阻器时， 都是利用固定端点与滑动触点之间变化的电阻。在分压器中，参考电压信号作 用在电阻回路上。因此，动触点移动引起的“拾取”电压可以确定触电的位置。 电位计的优点包括成本低，操作和应用原理简单，固有绝对测量及抗电磁 干扰能力强等。其缺点则包括精度低、滑动动触点最终会引起电位计的磨损、 测量角度被限制在小于 360o等。 （3）磁性位置传感器 磁性位置传感器通过检测地球磁场、磁体 磁场甚至电流等产生的磁场的存在、强度或方 向来非接触式的确定物体的位置。外形如图 3- 12 所示。 磁场是一个具有幅值和方向的矢量。磁性 传感器可以通过多种方式对该矢量进行测量。 有些磁性传感器不检测其方向，只测量磁场的总幅值（即标量传感器） 。有些 磁性传感器只测量磁性元件在敏感轴方向上的幅值（即单向传感器） ，有些磁 性传感器不仅检测元件在敏感轴方向上的幅值，还检测其方向（即双向传感器） 。 采用磁性传感器的独特之处在于检测磁场通常不是它的主要目的。磁性传 感器检测的主要是另一个参数，如车轮转速或零件位置。磁性传感器并不是直 接测量这些参数，而是从磁场变化中对他们进行提取。 磁性传感器的给定输入必须能够产生或改变磁场。一旦传感器检测到磁场 或磁场发生变化，其输出信号需要经过处理转换成期望的参数值。因此，磁性 传感器在大多数场合中都难以应用，但是，它可以完成对其他方式难以测量的 参数的可靠和精准的测量。 （4）超声波传感器 图 3-12 磁性传感器 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 24 - 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，可以对物体的存在 性和距离进行精密的非接触式测量或跟踪。其外形如 3-13 所示。 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，在电 压的激励下，由换能晶片发生振动产生的，它的特点 有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、 能够成为射线而定向传播。超声波对固体、液体的穿 透能力很大，尤其是在无光照的固体中，它可穿透深 度可达几十米。超声波传感器通常应用于需要较大传感器和较长检测距离的场 所。 在工业生产中，超声波在对金属的无损探伤和超声波测厚中发挥着着无可 替代的作用。在过去，因为无法探测物体的内部组织，许多技术的发展受到了 阻碍，超声波传感技术的发展改变了这种状况。当然实际上超声波传感器大多 是固定地安装在各种装置上探测人们所需要的信号。 由于超声波传感器的工作频率大于环境噪声频率，因此工厂噪声不会影响 超声波传感器的正常工作。另外由于超声传感器基于声波信号工作，因此气压、 温度、烟雾、尘土、蒸汽、以及其他依靠空气传播的污染物对他的精度的影响 都非常小。在这些应用中，目标特性或环境因素会妨碍光电传感器或接近传感 器的性能，此时也可以用超声波传感器进行代替。 （5）接近传感器 接近传感器是低成本的固态器件，它代替 限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测 对象进行检测。将对象的移动信息和存在信息 转换为电气信号。根据其依据的技术有不同的 结构和测量范围。接近传感器的特征是运行速 度快、可选择交流或直流供电、内在的高使用 寿命以及与工业控制器相兼容。其外形如图 3- 14 所示。 图 3-13 超声波传感 器 图 3-14 接近传感器 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 25 - 电感式接近传感器能够检测所有的金属（仅指黑色金属或有色金属） 。 大多数电感式接近开关都由一个振荡器、一个解调器、一个物位开关和开 关放大器组成。如果一个金属进入到振荡器线圈的电磁场中，那么在该线圈中 将感生出一个涡电流，从而改变振动的幅值。解调器将该幅值的变化转换成一 个直流信号，从而启动触发级并对半导体的输出进行转换。 制动器可以是机床车架、金属工件、气压缸或钻头。事实上，几乎所有的 金属（无论其形状或材料如何）都可以作为电感式接近传感器的制动器。电感 式接近传感器具有各种类型的机架、测量范围、基本功能、电源电压、安装和 配线方案，从而可以针对任意特定应用进行最优选型。 电容式传感器能检测所有材料。 电容式接近传感器具有一个振荡电场，它对所有材料都敏感，包括绝缘材 料（如玻璃、橡胶和油污）和导电材料（如金属、含盐流体和潮湿木材） 。其 电容（C）是电极尺寸（A） 、电极间距（d）以及电极之间材料的介质常数 （D）的函数。其关系为： = 当一个金属目标（或者其他导电材料）进入电场时，传感器检测到其增加 的电容值，并将其转换成一个输出信号。 （6）光电传感器 光电传感器是采用光电元件作为检测元件 的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信 号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号 转换成电信号。光电传感器对所有类型的物体 都能响应，不管该物体是大是小、透明还是不 透明、静止还是运动。其外形如图 3-15 所示。 光电传感器一般由光源、光学通路和光电 元件三部分组成。其发射器一直处于工作状态，直到其接收器检测到它产生的 光束。当光束被隔断时，就检测到了物体的存在。 图 3-15 光电传感器 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 26 - 发射器的光源是经过调制的抗震发光二极管（LED） 。其光束可以是红外光、 可见红光或绿光，它在短时间内以很高的电流进行转换，从而产生一个高能脉 冲，实现较长的扫描距离或在恶劣环境下的穿透力。脉冲调制也意味着具有较 低的功耗。 接收器包括一个光敏二极管，它有较好的 LED 光谱配色，而且具有快速响 应和温度稳定性好等优点。通过调整接收器电路，可以使其对 LED 脉冲调制频 率周围的某个窄带进行响应，从而获得非常高的一直环境光和噪声的能力。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传 感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常 广泛。 3.7.3 位置传感器的选择 由于传感器在控制过程中起着十分重要的作用，因此选择合适的位置传感 器显得至关重要。一般而言，选择传感器主要考虑下列因素： （1）测量对象与测量环境 （2）灵敏度 （3）频率响应特性 （4）稳定性 （5）检测精度 （6）经济因素 对上料小车、压延液压缸、切边（角）液压缸、切头液压缸以及工作台的 动作，需要被控对象在两点之间往复运动，并且要求停止位置足够准确，同时 考虑到工作环境较为恶劣，所以选择稳定性强，灵敏度高，可采用价格低廉， 可靠耐用的行程开关进行控制。另外，对电磁吸盘装置水平方向位置检测以及 长度定位亦可采用行程开关进行控制。具体型号为欧姆龙 D4D-2121N，共需 11 个。其参数见表 3-7。 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 27 - 表 3-7 欧姆龙 D4D-2121N 参数 额定电压220/380V额定电流10A 额定频率50/60Hz动作方式长柄带轮可调 容许操作速度5mm0.5m/s容许操作频率机械：120 次/min 电气：30 次/min 对卷耳角度的检测，要求传感器灵敏度高、响应快、误差小，因此选用光 电编码器进行控制，由 PLC 内置计数器实现对不同角度的控制。 光电编码器由光源、光栅码盘、和光敏元件三部分组成，直接输出数字式 电脉冲信号，是现代数字随动系统主要采用的位置 传感器，其结构如图 3-16 所示。 编码盘一般为圆形，与电动机相连，当电动机 转动时，带动码盘旋转，便发出转速或转角信号。 根据其输出脉冲与对应位置关系的不同，光电编码 器可分为增量式和绝对式两种。 （1）增量式编码器。输出的脉冲数与位移增 量成正比，常用的圆形增量式码盘每转发出 N=5005000 个脉冲。然后经信号 处理电路和可逆计数器输出控制增量信号，再进算法转换，得出转速或转角信 号。 （2）绝对值式编码器。其码盘分为二进制码盘和循环码盘两种，如图 3- 17 所示。绝对值式码盘一周的总计数 为 N=2n，其中 n 为码盘的位数，一般 n=412。 增量式编码器结构简单，抗干扰 能力强，可靠性高，平均寿命长。绝 对值式编码器可以直接读取角度坐标 图 3-16 光电编码器原理 a)二进制码盘 b)循环码盘 图 3-17 绝对值式编码器 第三章 卷耳机控制系统的设计 - 28 - 绝对值，无累积误差，但分辨率由二进制位数决定，目前只有 10 位、14 位。 由于增量式编码器可达到控制要求，并且比绝对式编码器更适合卷耳工作环境。 因此本设计选用增量式编码器。具体型号为欧姆龙 E6A2-CS3C，需要 1 个。其 型号见表 3-8。 表 3-8 欧姆龙 E6A2-CS3C 光电编码器参数 允许最高转速5000r/min最高响应频率30kHz 脉冲数可选范围101000P/R消耗电流20mA