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输送 传动 滚筒 防滑 处理 设计

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带式输送机传动滚筒的防滑处理设计,输送,传动,滚筒,防滑,处理,设计

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第1章 绪论1.1 前 言随着我国工业生产自动化程度的不断提高，配料皮带秤已广泛地应用在冶金、建材、电力、化工、食品等行业中。我国现在广泛使用的配料皮带秤的控制部分还比较落后，直接影响了产品的质量。过去传统配料皮带秤多采用模拟电路控制滑差调速电机的方法进行速度控制，由于滑差电机调速方式在低速时特性差、效率低；使用现场外部工作环境又很恶劣，工业粉尘很多，这些粉尘很容易进入滑差电机内部而出现磨损、卡死等现象，维修、维护麻烦，造成工作故障多，影响正常生产；另外由于采用模拟电路控制方式，控制不稳定，精度低，调试烦琐，使用极不方便。我们可结合现代先进控制技术，采用可编程序控制器控制矢量型变频器拖动密封式鼠笼电机方案，以数字处理技术取代传统的模拟控制方式，以无级变速的矢量型变频器控制封闭式鼠笼电机，取代老式的滑差式调速方式。本章主要介绍了散状物料的配料混合自动化运输的发展状况,电子皮带秤运行过程的配料以及混合设计的方案。1.2 选题背景在复合肥的生产特别是对原料配比控制系统总存在一定的不足，有的成本高，不易推广；有的精度与可靠性差，无法在环境恶劣、现场干扰大的场合满足高精度的配料要求。并且大多数使用的是通用计算机系统，因而成本高、靠干扰能力差。在工业生产中，很多情况下是通过现场操作人员按照配比，人工调节给料机的给料量。其缺点是给料量的大小完全靠操作人员的经验或人工跑盘的结果来决定，配比精度较差，操作人员劳动强度大，自动化水平极低。配料系统普遍存在的问题是：配料精度低，机电控制部分的可靠性差，缺少数据库管理生产以及对生产过程的实时动态监视。配料精度低的主要原因是电子秤系统的动态性范围小，而可靠性差主要是中间继电器和微机控制系统的可靠性低所致。通过电子皮带秤生产厂家和用户的共同努力，近年来电子皮带秤的精度和使用情况有了一定的改善，但仍然存在运行维护量较大，精度校核工作繁重、程序多等问题，远未能达到如静态电子衡器所能达到的使用精度和使用效果。1.3 配料混合系统研究意义在化工以及冶金、建材、饲料、加工等行业，配料工段一般都是整条生产线非常重要的一环。配料工段直接关系到生产效率以及产品质量。如今，配料工段的自动化越来越普遍，作为实现配料工段自动化手段的可编程控制配料系统必将会得到更为广泛的应用。在生产过程或工艺流程中,对各种配料称重、定量称重及现场技术的要求愈来愈高，现代的称重计量仪器,不仅要给出重量或质量,也要作为过程检测系统中的一个单元而具有测量、计算、控制、检验及通讯等功能,它们已成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收发货业务及商业销售行业中必不可少的组成部分,推进了工业生产和贸易交往的自动化和合理化。配料工序是复合化肥生产过程中非常重要的环节，其配料精度直接影响着化肥产品的质量，落后的配料设备不仅效率低而且配料不准,手工操作又将人的因素引入配料环节，使工艺配方难以在生产中实现，严重影响产品质量的稳定及进一步提高，因此实现高精度自动配料对工业企业生产有着极为重要的意义。1.4 配料混合系统的发展前景1.配料系统皮带秤由最初的纯机械式（滚轮式）皮带秤开始，已经发展四代产品，第二代是传感器电子仪表皮带秤，第三代是传感器微机式皮带秤，第四代是微机智能化皮带秤。电子皮带秤是在皮带输送机输送物料过程中同时进行物料连续自动称重的一种计量设备，其特点是无需人员的干预就可以完成称重操作。国外从上世纪五十年代开始使用电子皮带秤，国内则从六十年代末期开始试生产电子皮带秤。时至今日，虽然核子皮带秤、固体质量流量计、冲量式流量计、失重式秤等多种固体物料连续计量设备也有一定规模的应用，但他们仍无法与电子皮带秤抗衡，也无法撼动电子皮带秤作为固体物料连续自动称重主流计量设备的地位。电子皮带秤主要由传感器、秤架、二次仪表三大部分组成，在实际应用过程中，要想使电子皮带秤在一个较长的时间周期内保证一定的精确度。其检定过程非常重要，所以首先将从以下几个方面介绍电子皮带秤的发展现状：传感器、秤架、二次仪表、检定。（1）传感器电子皮带秤的传感器包括测量秤架上物料瞬时重量的称重传感器及测量皮带速度的测速传感器（又称测量皮带行程的位移传感器），该系统涉及到了其中的测速传感器。测速传感器主要分模拟式和数字式两种。当前国内外普遍使用数字式测速传感器，用模拟式测速传感器来检测速发电机输出电压的方式已不再使用。非接触式测速传感器尽管从理论上讲是优越的，能消除“打滑”，直接检测输送带的线速度，但在实际使用任然存在许多实际问题，有待解决，故未得到广泛的工程应用。实际广泛使用的是接触式测速传感器，其结构简单，安装维修方便，有些厂家的产品将测速元件直接装到尾轮或托辊上，以尾轮或托辊代替摩擦轮。接触式测速传感器正常条件下能比较好地测得输送带运行速度，缺点是摩擦轮粘上泥灰，使直径变大或者“打滑”，产生测速误差，不能准确地反映输送带线速度。（2）秤架秤架是电子皮带秤的负荷承受部分，即称重装置。为了减轻“皮带效应”对称重结构的影响，研究、设计出各种各样的秤架，典型的秤架结构形式有单托辊式、多托辊双杠杆式、多托辊悬浮式、平行板簧式、悬臂式、整体式等几种。其中杠杆系统的支点结构，早期采用刀口和一般轴承，这类支点结构因传递力的效果不佳基本上被淘汰。现在大多数采用弹簧片作弹性支撑，秤架上目前采用的支撑簧片有X型、十字型和单吊片型三种。此外少数厂用特殊橡胶轴承或无摩擦耳轴作秤架的支撑点。（3）二次仪表二次仪表分模拟式、数字式、电脑式和集散式。从上世纪八十年代起，微机数字式皮带秤就开始取代常规模拟皮带秤二次仪表了。其特点除了计算精确度远远高于常规模拟皮带秤二次仪表外，功能丰富也是其主要特点。以往常规模拟皮带秤二次仪表只有重量信号与皮带速度信号的乘法运算、累计值运算及简单的调零、调满值功能，而采用微机数字式皮带秤后，多达数十种功能可以储存在二次仪表内供用户随时调用，这些功能包括：自动调零、自动调满值、秤架特性非线性补偿、温度补偿、数字滤波、模拟检定精确度自动计算及结果判定、有关参数输入（如量程、托辊间距、皮带倾角、模拟标定值、累计值的分辨率等等）、公制英制单位（如 t/h、lb/s）选择、输入参数及中间计算参数显示、总运行时间显示、各种调整（调零、调满值）次数显示、多个称重传感器平衡调整、称重传感器及测速传感器数值调整、多组内部及外部累计器、PID 控制、定值控制、各种参数报警等等。这些功能的增加都是通过软件实现的，所以二次仪表的成本并不增加。2.混合系统螺旋输送机是化工企业中用途较广的一种连续混料输送设备，与其它输送设备相比较，它在输送过程中同时完成搅拌、混合等工序，即实现连续性混合。特别地，具有结构简单、紧凑，制造成本低，维修方便。对封闭的料槽可减少对环境的污染。螺杆计量配重方式则具有较多的技术优势。采用螺杆计量装置，其计量精度较高，在输送过程中不会出现堵塞物料的现象，是食品、精细化工行业运用比较普遍的一种计量输送方式。1.5 本文的结构本文在现有的配料混合系统进行分析的基础上，根据配料混合系统的总体结构，从机械和电气控制两方面对系统各个部分的设计分章节展开了详细的介绍。第2章 配料混合机械执行系统设计2.1 设计方案在化工生产中，采用带式输送机连续输送，而皮带秤是一种能解决带式运输机散装物料连续自动称量和自动配料的衡器。本系统设计的:三台带式输送机作为配料系统运载复合肥的设备,其基本参数为：每台输送机的额定输送能力为Q=30t/h，带宽B=650mm，复合肥的粒度25mm，松散密度，安息角，机长L=5m，配料过程中输送机的额定线速度为0.8m/s。完成配料后的复合肥通过混合系统对其进行混合，混合系统选择过程中关键是要能够进行混合的同时完成输送的连续性设备。其中，选型的时候，要注意其输送能力要与配料系统相匹配。，再将混合后的物料通过输送带运送到下一个生产线上。2.2 配料系统设计2.2.1 结构选择电子皮带秤在输送状态下利用测速传感器将输送带运送复合肥式的速度转换成电信号。再通过S200-7中的模拟量扩展模块进行A/D转换成数字信号，通过PLC对变频器来实现配料输送带的速度的调节。从而实现自动配料控制。其工作原理图见图2-1。输送机输送物料式，PLC连续测量输送带在某时刻的速度（m/s），由于下料的阀门口始终保持不变，即输送带上每单位长度的物料质量q（kg/m）为恒值，二者相乘所得结果为物料的瞬时质量流量（kg/s）。因带速随时间变化，所以在T时间间隔的累积质量可用以下积分式表示：式中 时间间隔内的物料累计质量，kg；物料通过秤的时间，s； 输送带单位长度上的物料质量，kg/s； 物料的运行速度（取输送带速），m/s。 图2-1 皮带秤工作原理输送机组成部件由下面几部分构成。1.输送带输送带是输送机中的曳引构件。本系列带式输送机采用普通型输送带。抗拉体（芯层）有棉帆布、聚酯帆布和钢丝绳芯。（1）覆盖胶层厚度根据所输送物料的松散密度、粒度、落料高度及物料的磨琢性确定。（2）输送带的安全系数应根据安全、可靠、寿命及制造质量、经济成本、接头效率、起动系数、现场条件、使用经验等综合考虑确定。2.驱动装置带式输送机的动力部分，由安装在驱动架上的Y系列鼠笼型电机、凸缘联轴器、减速器等组成。（1）按带宽、带速、电机功率确定所需驱动单元。（2）减速器。优先采用圆柱齿轮减速器。一般采用渐开线齿轮传动。其优点是：效率高、结构紧凑、传动比稳定。根据齿轮的密封情况可分为开式、半开式及闭式。在运输机械方面多采用闭式齿轮传动（齿轮箱）。它与开式或半开式相比，润滑及防护等条件最好，多用于重要的场合。表示减速箱减速能力的技术参数为传动比，即 式中 大齿轮齿数； 小齿轮齿数。在本设计中采用先进的圆柱直齿轮传动，使传动效率有了很大的提高。（3）轴之间是根据轴的直径选用不同型号的凸缘式联轴器进行联接。3.传动滚筒传动滚筒是传递动力的主要部件。根据承载能力分轻型、中型和重型三种。滚筒直径为500、630、800、1000mm。同一种滚筒直径又有不同的轴径和中心跨距。传动滚筒表面有裸露光钢面，人字型和菱形花纹橡胶覆面。最小传动滚筒直径D按下式选取： （mm）式中 芯层厚度或钢绳直径，mm； 系数，棉织物，尼龙，聚酯，钢绳芯。滚筒轴承座全部采用油杯式润滑脂润滑。4.改向滚筒用于改变输送带的运行方向或增加输送带与传动滚筒间的围包角。5.托辊托辊是用于支撑输送带及输送带上所承载的物料，保证输送带稳定运行的装置。（1）托辊分为槽行托辊、平行托辊、调心托辊、缓冲托辊、回程托辊、梳形托辊、螺旋托辊、过渡托辊等。（2）托辊间距应满足两个条件：辊子轴承的承载能力及输送带的下垂度，托辊间距应配合考虑该处的输送带张力，使输送带获得合适的垂度。最大下垂度：式中 两组托辊间输送带的最大下垂度，m； 重力加速度，； 托辊间距，m； 物料质量，kg/m； 输送带质量，kg/m； 该处输送带张力，N。6.拉紧装置使输送带具有足够的张力，保证输送带和传动滚筒间产生摩擦力使输送带不打滑，并限制输送带在各托辊间的垂度，使输送机正常运行。螺旋拉紧装置适用于长度较短（小于100mm），对功率较小的输送机，可按机长的的1%1.5%选取拉紧行程。7.清扫器清扫器用于清扫输送带上粘附的物料，又有头部及空段清扫器两种。8.卸料装置及导料槽卸料装置用于输送机中部任意点卸料。导料槽可使从漏斗落下的物料在达到带速之前集中到输送带的中部。导料槽的底边宽为2/31/2带宽。9.机架机架是支撑滚筒及承受输送带张力的装置。其中机架四种结构中的01机架用于倾角的头部传动及头部卸料滚筒。选用时应标注角度。10.头部漏斗头部漏斗用于导料、控制料流方向的装置。也可起防尘作用。11.电气及安全保护装置安全保护装置（输送带跑偏监测、打滑监测、超速监测等根据需要进行选择）是在输送机工作中出现故障能进行检测和报警的设备，可使输送机系统安全生产，正常运行，预防机械部分的损坏，保护操作人员的安全。此外，还便于集中控制和提高自动化水平。2.2.2 结构设计1.设计选型计算（1）原始参数及物料特性复合肥的配料系统带长5-7米，宽B=650mm，带速0.8m/s，输送能力Q=30t/h，粒度25mm，松散密度，安息角，机长L=5m。（2）初定设计参数带宽B=650mm，带速v=0.8m/s，上托辊槽角，下托辊槽角，上下托滚辊径89mm，承载分支托辊间距1.2m。（3）由带宽、带速验算输送能力由式 (2-1)得 由得，取，得S=0.0362m。1）确定k值输送机倾角=0。2）由式（1-1）得 （kg/s） （t/h） （）能满足t/h的输送能力要求。（4） 驱动力及所需传动功率计算1）圆周驱动力由式 （2-2）其中=0.02，查得上托辊mm，轴承4G204。且单个上辊转动部分质量kg 查得下托辊mm，轴承4G204。且单个下辊转动部分质量得（kg） 计算初选输送带NN100，Z=5层，查表输送带每层质量1.02kg/m，上胶厚mm，下胶厚mm，每毫米厚胶料质量1.19kg/m。=51.02+（3+4.5）1.19 6500.001=6.7958 （kg/m）计算输送带清扫器的摩擦阻力 （2-3）带入数据得 计算，计算公式为 （2-4）带入数据有 计算。 （2-5） （N）计算，无前倾 则 =0 （N）由表得导料槽阻力 （2-6） （N）式中，l=1.5m ，m 。 （N）计算 （2-7） （N）式中 清扫器接触面积。一个头部清扫器和两个空段清扫器=0.650.012+0.6520.012=0.039（m）无卸料器， 代值进式中有 （N）2）传动功率计算 其中 传动滚筒及联轴器效率0.98，电动机功率P=22KW，选转速的电机。（5）输送带张力计算1）限制输送带下垂度的最小张力由 （N）按回程分支（=2.4m） （N）2）输送带工作时不打滑需保持最小张力 （2-8）得 （N）按公式求起动时传动滚筒上最大圆周力 （2-9）取 （N）得，则 （N）由N，计算输送机各点张力不忽略附加阻力得点张力（N）（N）则取，可得稳定工况下 （N）3）输送带层数计算 取5层，与初选相同。（6）校核辊子载荷1）静载计算承载分支 （2-10），m，m/s，kg/m，kg/s （N）上辊L=250mm，轴承4G204，承载能力2950N，满足要求。回程分支 （N）下辊；轴承4G204，承载能力813N，满足要求。2）动载计算承载分支 （2-11）每天大于16h，；粒径小，取NN均满足要求。2.2.3 配料系统精度分析在对像复合肥这种散状物料的连续累计计量中，电子皮带秤具有动态计量速度快、占用空间小、安装方便等优势，但在实际使用时，由于皮带张力、环境、温度及湿度、托辊轴承摩擦力等诸多外界因素的影响，导致皮带秤的计量误差较大。 影响皮带秤计量准确度的主要因素有：1.皮带秤计量误差产生的原因根据皮带秤的结构原理及重量累计值的计算方法可知,皮带秤的计量准确度有单位长度皮带上的物料重量以及皮带的运行速度决定的。在实际称量过程中,物料的重量是通过皮带作用于复合传感器,而皮带又是依靠托辊来支撑,托辊在运输带上每1.2m一组。皮带所承受的负荷是随着物料的端面形状,流量大小而改变,因而,皮带与托辊的贴合程度也随时在改变,这就使得皮带秤具有由其组成结构决定的、不可避免的计量误差。同时，皮带秤计量数据准确度还与皮带秤的技术指标及运行状态关系密切。2.皮带秤计量误差的表现皮带秤的综合计量性能主要体现在零点和量程这两个指标上。在实际生产过程中，皮带秤计量误差的表现形式是：(1) 零点误差；(2) 量程发生变化；(3) 测量速度的误差。3.影响皮带秤准确度的主要因素(1) 机架和皮带上积料，皮带表面水分所造成的皮带秤零点的波动；(2) 放大电路零点和增益的变化；(3) 运输皮带张力的变化，张力的变化是随着运输带上物料的多少、气温、倾角等而变化。这就使得作用在称重传感器的力发生变化，从而引起零点和量程发生变化；(4) 运输皮带弹性的变化也会影响到零点和量程的准确性；(5) 秤框及称重托辊的非准确直度引起的零点偏差。4.提高电子皮带秤计量准确度的途径为了提高皮带秤的计量准确度，减小及克服计量误差。在实际工作中，我们首先要保证系统的安装技术指标及运行稳定性；同时对皮带秤进行正确的维护；另外要选择切实可行的校准方法对皮带秤进行定期校准。（1）提高系统的安装精度在安装皮带秤框时，我们首先要严格按照皮带秤的安装技术指标对其进行精确的安装。另外保证秤架范围内托辊倾角的一致性，减少皮带在运输物料过程中的形变。取得了良好的效果。（2）正确使用和维护多年的工作实践证明，皮带秤的实用经济价值与现场维护、小准工作关系甚大。因而，在日常的使用中，需对皮带秤进行正确的使用和技术维护。（3）校准皮带秤是在动态下对物料进行连续累计称量，因而，严格按照校准周期及生产工艺的实际需要对其进行校准，是保证其称量准确度的必要条件。2.3 混和系统设计2.3.1 混合设备选择针对复合肥要实现的是在运输过程中完成配料过程，针对此需求，选择螺旋输送机实现此工序。混合复合化肥生产过程中，混合工序是将按预先所需的已通过电子皮带秤进行一定比例输送的原料进行混合。为了给混合过程创造一个良好的物态条件，更有利于均匀。对混合过程中的要求都满足：1.各种成分能均匀分散；2.混合后的物料温度不能太高，以防物料结块；3.混合时间要短，要能满足生产过程中连续出料的要求；4.混合过程要在密封状态下进行，应能防止粉尘的逸出；5.便于清洁，混合工序是在干燥状态下进行的，在整个过程中应注意粉尘飞扬，要实现密封下操作。根据颗粒生产工艺的特点，螺旋输送机作为混料设备具有高效的混合效率，特别是在输送过程中能同时完成搅拌、混合等工序是该设备特有的优点。螺旋输送机是一种不带挠性牵引的输送设备，见图2-2，因结构简单、横截面尺寸小、密封性能好、便于中间装料和卸料，操作安全方便，制造成本低而使用广泛。它利用螺旋形状的旋转面推移物料来完成输送工作。工作中，物料像不旋转的螺母沿轴杆平移，使物料不与螺旋叶片一起旋转的力是物料本身的重量和机壳与物料的摩擦及物料间的摩擦。它主要用来输送各种粉尘状、颗粒状、小块状的物料，如化工原料、面粉、煤粉、烟尘、水泥、粮食等，在输送过程中还可对物料进行搅拌、混合、加热和冷却等工艺。螺旋输送机是根据机械力学原理工作的，图2-2是其原理图，由螺旋机本体、进出料口及驱动装置三大部分组成。螺旋机本体由头部轴承、尾部轴承、螺旋、机壳、盖板及底座等组成。螺旋杆由电机驱动旋转，带动复合肥沿着机壳内壁向前运动，实现连续混合运输的要求。图2-2 螺旋输送机结构示意图2.3.2 结构设计1.应用范围及特点螺旋输送机是在化工、建材、粮食等部门中广泛应用的一种输送设备，主要用于输送粉状、颗粒状和小块状物料。螺旋输送与其他输送设备相比较，具有结构简单、横截面尺寸小、密封性能好、可以中间多点装料和卸料、操作安全方便以及制造成本低等优点。它的缺点是机件磨损较严重、输送量较低、消耗功率大以及物料在运输过程易被破碎。2.分类及结构特征螺旋输送机分为水平固定式螺旋输送机、垂直式螺旋输送机。对于复合肥的运输生产线中用水平固定式螺旋输送机进行物料运送。螺旋输送机由螺旋机本体、进出料及驱动装置三大部分组成。其中螺旋机本体由头部轴承、尾部轴承、螺旋、机壳、盖板及底座等组成。驱动装置由电动机、减速器、联轴器及底座所组成。3.设计计算（1） 原始选料1被输送物料的名称及特性1 物料松散密度()=0.9。2物料最大粒度（mm）及比率。3一般物料粒度（mm）(25mm)，温度（C），含水率、粘度、磨琢性及腐蚀性等。2选型要求1需要的输送能力（t/h）；2布置简图中输送长度L（m），倾角（C），投影高度H（m）。（2）GX型螺旋输送机的计算1螺旋直径及螺旋轴转速计算1螺旋直径计算 （m） （2-12）式中 输送能力，t/h； 物料特性系数； 填充系数； 倾角系数。见表2-1所示。表2-1 倾角系数表 倾斜角05101520螺旋输送机倾斜布置时的输送量校正系数1.0 0.65按上式计算得由式（2-12）得mm；值应圆整为mm。2螺旋轴转速计算 （2-13）（mm）取 （r/min）螺距 mm用螺旋直径及转速圆整后的数值，还必须对填充系数进行验算： （2-14）式中 螺旋节距，m。带入相关数值进（2-14）式得 ，满足 。2功率计算1螺旋输送机所需轴功率可由下式确定： (KW) （2-15）式中 螺旋输送机倾斜布置是在垂直平面上的投影高度；螺旋输送机水平投影长度，m；物料阻力系数。带入相关数值进式（2-15）得 （mm） 2电动机功率 (KW) （2-16）式中 功率备用系数，对Y系列电动机取1.0；驱动装置总效率，一般取0.90.94。带相关数值进式（2-16）得 (KW)根据实际对螺旋输送机的使用测定结果，实际轴功率要比理论计算功率大35倍。则 (KW)取电动机功率22KW。在选择螺旋输送机驱动装置时，应维持如下关系：式中 当螺旋输送机不采用联轴器与驱动装置相联，而采用传动带或链条等传动时，在螺旋轴轴端上所加的总作用力，N；许用悬臂载荷，N。GX型螺旋输送机，其许用的功率转速比及许用悬梁载荷列于表2-2中。表2-2 GX型螺旋输送机许用功率转速比与许用悬臂载荷 螺旋直径1502002503004005006000.0130.030.080.852100370058008000150002400035000其中，螺旋直径，mm；，；，N。对GX型螺旋输送机而言，许用功率转速比，r/min， 则 (KW)，许用悬臂载荷 （N），通过上面计算的相关数值，反过来再对所选定的螺旋输送机进行输送能力的验算。求输送能力Q，有 得 总结以上数据得=600mm，=480mm，=60r/min，=90t/h。选择尺寸代号为GX600的螺旋输送机符合要求。4.在对螺旋输送机设计过程中最重要的是对已经确定的螺杆进行刚度和强度的校核，当然就包括其中涉及的轴承强度、寿命的计算。2.3.3 螺杆强度校核下面先对螺杆进行校核。1.按扭转强度条件计算在作轴的结构设计时，通常采用这种方法初步估算轴径。轴的扭转强度条件为 （2-17）式中：扭转切应力，单位为MPa； 轴所受的扭矩，单位为Nmm； 轴的抗扭截面系数，单位为mm； 轴的转速，单位为r/min； 轴转速的功率，单位为KW； 计算截面处轴的直径，单位为mm； 许用扭转切应力，单位为MPa 空心轴的内径与外径之比，取=0.5，见表2-3。表2-3 轴常用几种材料的及值轴的材料Q235-A、20Q275、354540Cr、35Ci、Mn、38SiMnMo、3Cr13/MPa152520352545355514912613511212610311297对于空心轴符合45钢时=2545MPa的要求。2.按弯扭合成强度条件计算通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。其计算步骤如下：1）作出弯矩，如图2-3所示。图2-3 轴的载荷分析图其中有： （N）N接着再对轴的强度进行校核。已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面（即弯矩和扭矩大而轴径可能不足的截面）作弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力 （2-18）式中： 轴的计算应力，单位为MPa； 轴所受的弯矩，单位为Nmm； 轴所受的扭矩，单位为Nmm； 轴的抗弯截面系数，单位为。 3.按疲劳强度计算进行校核这种校核计算的实质在于确定变应力情况下轴的安全程度。在已知轴的外形、尺寸及载荷的基础上，即可通过分析确定出一个或几个危险截面（这时不仅要考虑弯曲应力和扭转切应力的大小，而且要考虑应力集中和绝对尺寸等因素影响的程度），按式计算安全系数并应使其稍大于或至少等于设计安全系数S，即 （2-19）其中仅有法向应力时，应满足 （2-20）带数据进（2-20）得 仅有扭转切应力时，应满足 （2-21） 由数据进（2-19）得 则=9.82S=1.31.5，满足其轴的安全程度。4.按静强度条件进行校核轴的静强度是根据轴上作用的最大瞬时载荷来校核的。静强度校核时的强度条件是 （2-22）其中 （2-23） 带数据进（2-23）得 （2-24）带数据进式（2-24） 带数据入式（2-22）得 式中 材料的抗弯和抗扭屈服极限，单位为MPa，其中；轴的危险截面上所受的最大弯矩，单位为Nmm；轴的危险截面上所受的最大轴向力，单位为N；轴的危险截面的面积，单位为mm；分别为危险截面的抗弯和抗扭截面系数，单位为mm。满足其要求。5.轴的刚度校核计算（1）轴的弯曲刚度校核计算把阶梯轴看成是当量直径，然后按照材料力学中的公式计算。当量直径（单位为mm）为 （2-25）式中： 阶梯轴第i段的长度，单位为mm； 阶梯轴第i段的直径，单位为mm； L阶梯轴的计算长度，单位为mm； Z阶梯轴计算长度内的轴段数。代入式得（2）轴的扭转刚度校核计算圆轴扭转角单位为（）/m的计算公式为：阶梯轴 （2-26）式中 轴所受的扭矩，单位为Nmm；轴的材料的剪切弹性模量，单位为MPa，对于钢材，MPa；轴截面的极惯性矩，单位为，对于圆轴，；阶梯轴受扭矩作用的长度，单位为mm；分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位同前；阶梯轴受扭矩作用的轴段数。轴的扭转刚度条件为1（）/m代入相关值进式（2-26）得 满足对轴的扭转刚度条件。2.3.4 轴承校核根据工作条件选用=140mm的推力球轴承，轴承受径向力N，转速=60r/min，运转条件正常，要求寿命=20000h。根据式 （2-27）式中 C基本额定动载荷计算值，N；当量动载荷，其中，N； 轴承转速，r/min；轴承寿命，h。计算：所选推力球轴承，则P= （N）由=122.3 （KN）验算7328B型推力球轴承的寿命可知计算所得的寿命值要大于其额定寿命，即=20002 （h）所以7328B型推力球轴承满足其要求。第3章 配料混合系统控制电路与选型3.1 控制电路设计该系统是针对室内生产设计的，相配套的还有微机自动控制系统。集控系统由隔爆可编程控制箱、本安现场操作箱、集控操作台、上位机、测速传感器构成。带式输送机设置了速度传感器，信号接入PLC由PLC进行运算处理，参加设备的联动和闭锁。包括电流过载保护、急停、报警、调速等。整个配料、混合系统由PLC进行自动控制。原料分别由三种型号相同的输送带运输，下料的阀门口一定，即出料截面相恒定，可以按照任意比例进行配料、混合。开始工作时，首先通过PLC来启动这个配料系统的三个电机，同时闭合变频器的电源开关，变频器得电正向启转动，系统通过测速传感器测得三台皮带分别的速度，由PLC的模拟扩展模块进行A/D信号转换，由PLC进行处理，变频器就可以通过变频来实现降压，从而实现变频调速，从而实现系统的配料需求。同时，控制部分还对系统设有保护功能。当生产过程中，由于皮带打滑、电流过大、过载等意外的时候，PLC又起到了自动报警的功能，这个时候会自动复位。其配料原理图如3-1所示。图3-1 配料原理图由于是实现系统的自动化控制，所以除了通过PLC来实现复合肥的自动配料，还实现对混合、配好料的复合肥输送的自动化。速度信号传送给PLC的模拟量输入单元和计数PLC将现声采集的数据加以计算处理，求出瞬时流量和积累重量。将流量与设定值比较，由PLC的输出单元来控制变频器，改变给料机电机转速。3.2 PLC的选择可编程序控制器应用于控制系统中，其主要的特点：1.可靠性高。2.控制功能强。3.编程方便，易于应用。4.适用于恶劣的工业环境抗干扰能力强。5.具有各种接口，与外部设备联结非常方便。6.采用积木式结构或者模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。7.维修方便8.可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适用性强。在对PLC选型过程中，S7-200能满足高级自动化标准和各种需求，具有各种尽寸以适应所有的应用场合，有适用于运输机械和各种气候条件的坚固型，有适用于狭小空间而且具有高处理性能的密集型，有运行速度块而且具有良好的扩展能力。它可以配置种类繁多的输入输出模块、编程器、软件、过程通信和显示部件，电话诊断设备等。我选择的S7-200CPU224I/O接口是14个输入点，10个输出点，与系统的I/O接口相吻合。S7-200 系列PLC的主要特点:1.快速（1）指令处理周期短减少了循环时间。（2）高速计数器开辟了新的应用领域。（3）高速中断处理可以分别响应过程事件。2.灵活（1）模块式结构可用于各种性能的扩展。（2）脉冲输出可控制步进电机和直流电机。（3）丰富的指令集可以快速方便的解决最复杂的任务。3.多功能（1）点对点接口（PPI）可连接编程设备，操作员界面和串行设备接口。（2）用户有好的STEP 7 Micro/DOS编程软件和功能极强的编程器方便了编程。（3）用户程序三级口令保护。（4）TD 200和COROS OPs操作面板（OPs）为用户提供了方便人机界面。由于系统中有测速传感器，这就涉及怎样将模拟量转换成数字量，由于S7-200CPU224自带了模拟量扩展模块，我选用EM235模拟量扩展模块进行A/D信号处理，其中我还选用了EM223数字量扩展模块与变频器相连接。3.3 变频器的选用3.3.1 异步电动机的调速原理三相交流电动机的同步转速n0为式中 电动机定子电源频率； 电动机的极对数。由上式可知，若连续改变电源频率，则可平滑地改变电动机的同步转速n0。而三相异步电动机定子每相感应电动势有效值为 式中 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量。有上式可见，在一定时，若电源频率发生变化，则必然引起磁通变化。当变弱时，电动机铁心就没被充分利用；若增大，则会使铁心饱和，从而使励磁电流过大，这样会使电动机效率降低，严重时会使电动机绕组过热，甚至损坏电动机。因此，在电动机运行时，希望磁通保持恒定不变。为此，在改变的同时，必须改变，即必须保证 常数这样，采用恒定的电动势频率比的协调控制方式，就可以保证磁通值恒定不便。对绕组中的感应电动势却难以直接控制，在较高时，可以忽略定子绕组漏磁阻抗压降。因此，可以认定定子每相电压，则得常数这便是恒压频比控制方式。由于电动机定子电压只能小于等于额定电压，所以只能下调，这时为恒转矩调速；若上调，而不能大于，所以转矩下降，这时为恒功率调速。在随着降低时，定子阻抗压降就不能再被忽略了，此时会更小些，使得磁通有所减小。这时，为了保证不变，可以人为地将提高一些，以便近似地补偿定子阻抗压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性如图3-2所示。 图3-2 恒压频比控制特性 a无补偿特性 b有补偿特性采取补偿措施后，异步电动机的机械特性不但保留了较硬的线性度，而且当频率降低时，同步转速n0随之下降，使在保证最大转矩基本不变的情况下，取得类似直流电动机调速的平移特性曲线。这样，不但扩大了调速范围，而且在调速时，转差率功率不变，所以效率很高。具有定子电压补偿的恒压频比控制方式被广泛应用。变频器装置工作原理：对于恒压频比控制方式进行变频调速的装置来讲，其一是直接变频（交交变频）装置。这种装置的变频为一次换能形式，即只用一个变换环节就把恒压恒频电源换成VVVF电源，所以效率较高。但是，所用元件数量较多，输出频率变化范围小，功率因数较低，只适用于低转速大容量的调速系统。另一类为间接变频（交直交变频）装置。这种变频装置是将恒压恒频交流电源先经整流环节转换为中间直流环节，再由逆变电路转换为VVVF电源，如图3-3所示。图3-3 间接（交直交）变频装置这种装置的控制方式有以下两种：1.用可控整流器变压，用逆变器变频的交直交变频装置这种装置的输入环节是由晶闸管构成的可控整流器。输出电压幅度由可控整流器决定，输出电压频率有逆变器决定。也就是说，变压和变频分别通过两个环节并由控制电路协调配合来完成。这种装置结构简单，元件较少，控制方便，频率调节范围较宽。但是，在电压和频率较低时，电网端功率因数也降低。若由晶闸管构成逆变器，则输出电压谐波较大。2.用不可控整流器整流，通过脉宽调制方式控制逆变器同时进行变压变频的交直交变频装置由于输入环节采用不可控整流电路，所以电网端功率因数较高，而且与逆变器输出电压大小无关。逆变器在变频的同时实现变压，主电路只有一个可控的功率环节，简化了电路结构。逆变器的输出与中间直流环节的电容电感参数无关，加快了系统的动态响应。选择对逆变器的合理控制方式，可以抑制或消除低次谐波，使逆变器的输出电压为近似正弦波交变电压。这种控制方式称为正弦脉宽调制方式（SPWM）。3.3.2 变频器的选择变频器的选用，包括变频器类型选用和容量选用两个方面。1.变频器类型的选用变频调速时需要根据不同的负载类型选择不同的频率变化曲线，才能发挥出变频器的最佳状态。由于输送带对动态性能要求不需要太高，同时对输送带这种恒转矩类负载（即恒转矩负载的阻转矩是一个定值，与转速的高低无关。主要特点：在初始速度时就有阻力，即启动需要启动转矩）可以采用普通功能性变频器，为了实现恒转矩调速，常采用加大电动机和变频器的容量的方法，以提高低速转矩。也可以采用具有转矩控制功能的高功能型变频器，来实现恒转矩负载的调速运行，则是比较理想的。2.变频器容量的选用变频器容量的选用由很多因素决定，例如电动机容量、电动机额定电流、电动机加速时间等，其中，最主要的是电动机额定电流。对于连续运转的变频器控制一台电动机必须同时满足下列项计算公式：满足负载输出/KVA （3-1）满足电动机容量/KVA （3-2）满足电动机电流/A （3-3）式中 变频器的容量/KVA负载要求的电动机轴输出功率/KW电动机额定电压/V电动机额定电流/A电动机效率（通常约为0.85）cos电动机功率因数（通常约为（0.75）k电流波形补偿系数（k约为1.051.1）计算： 带数据进式（3-1）（3-3）得 （KW） （KW） （A）所以选用选用额定功率22KW，额定电流45A的BT40S22KWTA型变频器。其主要特点：（1）独特的拟超导技术，低速高转矩输出。（2）高性能矢量转矩控制。（3）转差补偿，AVR自动稳压功能。（4）IPM、IGBT智能模块，超静音运行。（5）内置PID控制及实时换机、开关机控制功能。（6）大功率机型超小形体、超轻重量，切实降低用户成本。变频器与PLC的连接采用继电器接点开路形式与PLC连接，获得变频器输入的电动机正转以及不同的运行速度等信号。3.4 测速传感器的选用从称重原理可知，电子皮带秤所测量物料的瞬时流量的大小取决于两个参数，即瞬时流量等于称重传感器测量的承载器上物料负荷值q(kg/m)和测速传感器测量的皮带速度值v(m/s)两个参数相乘所得到以下的公式 W（t)=qv由此可见，测速传感器的测量精确度和稳定性与称重传感器的测量精确度和稳定性是同等重要的。目前称重传感器的精确度普遍提高到万分之几，而测速传感器的精确度大多在千分之几，所以提高测速传感器精确度是提高电子皮带秤系统精确度有效的途径之一。电子皮带秤上所用测速传感器目前主要有磁电式、磁阻脉冲式、光电脉冲式等不同类型的测速传感器。模拟式测速发电机式测速传感器早已不再使用，取而代之的是上述各种输出脉冲信号的数字式测速传感器。在我的设计系统中，选用了磁电式测速传感器。霍耳转速传感器结构原理:在被测物体上粘有多对小磁钢,并把霍尔元件固定在其附近不动,当小磁钢随轴转动而经过霍尔元件时,就可在霍尔元件上产生相应的脉冲信号。该系统选用的速度传感器LM2917是美国NSC公司生产的集成转速/电压转换器。可将转速（或频率、转数）转换成电压，只需接少量的外围元件即可构成模拟式转速测量仪。其性能特点：(1) 内部包含比较器、充电泵、放大器等信号。由于其中的LM2917与LM2907的区别是在内部与GND之间增加了一只7.6V稳压管，可提高电源的稳定性。所以我采用了型号为LM2917的传感器。(2) 比较器的滞后电压为30mV，利用滞后性可抑制外界噪声干扰。(3) 其输出电压与被测频率成正比，线性度达0.3%。(4) 价格低廉，外围电路简单，使用灵活。(5) 电源电压实现值为+12V，最高不得超过+28V，最大工作电流为28mA，工作温度范围是-40+85 。由于配料系统由三台输送机构成，每台输送机上至少需要一个传感器，根据系统精度的不同要求，可以按需添加传感器来保证精度。复合化肥配料、混合的电气控制部分主要有继电器控制和计算机控制两种控制方式。采用继电器控制系统的故障率高，大大降低了生产运行可靠性和安全性，所以基本上已经被淘汰。而单片机控制则存在抗干扰能力差的缺点。PLC控制的配料系统具有工作可靠性高、存储容量大、编程方便、抗干扰能力强、故障少、维修保养方便等优点。第4章 配料混合系统控制设计4.1 配料混合系统的控制4.1.1总体控制设计自动配料系统由三台配料皮带秤及其传感器、微机系统和供电系统组成。系统采用托辊配料皮带机，皮带速度信号经PLC的模拟量扩展模块进行A/D信号转换，通过PLC控制变频器以达到自动调整皮带机的电机转速与皮带速度，达到控制物料流量的目的。PLC采用通过计算，控制系统外部输入点数(INPUT)为9点，控制输出点数(OUTPUT)为12点。选用西门子系列的S7-200CPU224型，共INPUT有14点；OUTPUT有10点；该机型能满足系统控制要求，具有较好的性价比。西门子PLC中的S7-200系列可以满足多种多样的自动化控制需求。加上S7-200系列不仅稳定可靠而且还具有紧凑的设计、良好的扩展性、强大的指令，使得其可以近乎完美的满足小规模的控制系统要求。由于PLC引入，替代较复杂的继电接触器控制。在保证工艺控制要求的情况下，大大的提高了生产效率，改善了设备的电气性能，提高了设备的自动化水平。该系统具有操作简单、可靠性高、工艺参数修改方便的特点，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素。在生产规模较大的场合，还可以将多台由PLC控制的设备与上位计算机联网，实现“集中管理、分散控制”，在现代工业控制中，将具有广阔的应用前景，取得了良好的经济效益和社会效益。4.1.2 PLC控制系统1.PLC满足控制要求生产系统控制采用PLC集散控制系统，实现对生产工况的微机控制和生产工艺的一体化管理，避免人工计量和个性化操作带来的复合肥生产波动和复合肥质量的波动，提高操作自动化水平和管理水平，从而提高产品质量和生产系统的稳定性。使用S7-200型PLC对皮带秤监控复合肥的连续生产过程，可帮助充分利用原材料控制库存。在实际应用，验证了西门子控制皮带秤的优越性能。它们已成为干燥、散状固体粒料连续在线控制调速配料的可靠保证。其维护量小、精度高等优点。在实际工作中显示了极微小的滞后性和优良的线性度，且设有过载保护功能。2.运行的安全性这是配料自控系统中首先要考虑的问题，在设计时采取很多措施对其进行保证。此外，上下限的位置保护，过载保护，报警信号处理等。继电器系统运行时的安全性，特别容易受到内部配线松脱，触点寿命及接触不良等因素影响，生产线规模大，继电器数目愈多，使用时间愈久，问题愈严重。而PLC既无内部配线，不必考虑配线松脱，接触不良，线路漏电或短路，又无接触点，既不会接触不良，亦不会由于接触产生火花干扰电路，可靠性极高。其无故障运行时间达一万小时以上，其寿命为半永久性，因而可大大提高配料控制系统的安全性和可靠性，这是PLC控制配料系统的最大特点和优点。3.维护简单，检修方便这是生产复合化肥很重要的要求，从而保证系统出现故障时立即修复。继电器线路由于耗电大，电器柜要有良好的通风，因此灰尘较多，更容易引起触点接触不良，必须经常进行维护。而PLC耗电小，产生热量极少，电气柜可以密封设计，防止灰尘，不必经常进行维护。而在产生故障时，继电器线路需要熟练技工根据复杂线路图才能找出故障所在位置，如果更换继电器则费时费工，弄乱了线路还会造成隐患。而PLC控制系统具有自诊断功能，为积木式结构，其输入输出均有信号灯指示，维修人员甚至不必动用电表就可以发现故障。在实际运行中，PLC配料控制系统查找和修复故障的时间比同样功能的继电器系统要快几倍，几十倍。4.器件标准化，编程工程化这是PLC控制复合肥配料和其他微机控制配料的不同点，特别适合我国化肥厂生产线改型换代的需求。编程工程化，简单易学，PLC所采用的助记符配合梯形图的编程方法，极易为熟悉电器线路的技术操作人员所掌握，一般10小时内可以清楚了解。40小时左右即可熟练运用，从而避免化肥厂改进控制系统而要更换人员。PLC作为标准化工控微机的这些特点，使化工企业可以在不增加投资，不更换人员的情况下进行生产自动控制，大大提高生产效率和精度。综上所述，PLC的一系列特点和优点，是非常适于复合化肥自动配料控制系统的使用。4.1.3 交流变压变频1.可以利用鼠笼型感应电动机:此型的电动机形体小,可以像机械式变速机不要变速部的空间,驱动都可以形小而轻；倘再附装传动装置(gear),则效果倍增。无电刷或整流子，因而几乎是免维护(maintenance-free)的。2.可以利用既设的电动机,在既设的电路中插入变频器就可以把一定速的输送机,可无级调速。3.提升生产性能:使用变频器驱动那1:10至1:20的广范围速度控制,是遥控改变周波数指令就能做出来。所以容易选到最适合工作需要的速度,尤其若采用向量控制变频方式,则可以达到1:100的速度控制范围,附有PG的更高达1:1000的速度控制范围之任选运转。4.能柔顺地起动与停机:以变频器操作,则因为它是低周波数起动,所以震荡小,再经柔顺操控(softstartstop)而调整,整定时间则真的会平滑柔顺地变更速度,全程都可安稳如意,。5.能频繁地运转、停机。变频器从低域周波数及电压出发,徐徐地上升周波数及电压值,因此较之商用电源直接起动的起动效率佳,电流小而产生的起动转矩大。结果电动机的发热小,得较频繁的开机,停机而无害。6.减速时,供应电动机的输出频率下降,电机转速会出现超越同步速度的可能。发生这种状态时,电机回升的能量是会被变频器直流电源部的电容器所吸收(直流电压升高)；但当它上升到某标准时,晶体管就作动开闭动作(switching)而放电使电气的能量就在电阻器部位消耗掉。这样地把负载旋转能量透过电动机回生为发电机作用而变换为电气能量驱入电阻器转化为热能量而消耗掉。即使不使用电阻器,电动机仍可有内部损失为20%程度的制动力作用。输送机的形状关系到搬送量,当它引起电动机负值转矩时,启动剎车来防止电动机可能发生的大幅度速度上升的危害。7.容易改变速度。只要提高供应电动机的频率,输送机速度就上升；对于既有的输送设备,也是增加其1020%程度的输送能力是简单容易做到的事。应注意的事项是需要电动机的容量有余量,并且需要遵守“不超过齿轮允许的转数为约束的条件”。4.2 逻辑控制设计1.将速度传感器放置于皮带的放有磁钢的改向滚筒处，速度传感器输出的速度信号通过在 S7-200型PLC中加装一块 4-20mA 模拟输出接口板进行A/D信号转换，将信号接至可编程控制器 (PLC) 的模拟量输入模块中，使 PLC 程序控制变频器来实现对配料系统三条输送带电机的调速。其中，选用的 PLC 模拟量输入模块的输出精度电压为满程的，电流为，分辨率为12位A/D转换器，以确保在生产中的配料精度。2.电机自动启动由于三台秤的电机同时启动，只需设一个启动按钮，即主电机正转由正向启动按钮QA1控制。按下QA1时，三个电机的接触器KM1、KM2、KM3首先得电动作，它们的主接触点闭合，电动机得电起动。3.系统所有电机停止设置停止按钮TA1，这时接触器失电而动作，它们的主接触点断开，电机失电停止。4.螺旋输送机、物料输送带电机启动在配料电机启动后，混合运料系统电机的接触器KM4、KM5在配料接触器工作后才能工作。保证了配料电机工作后混合运料电机才能工作的要求5.变频器电源起、停控制设置一个启动按钮SB1来控制电源的通、断电。6.变频器正转控制在变频器电源接通后，设置一个启动按钮SB2来控制变频器的正转。7.超载连锁系统设有超载装置，PLC控制系统具有超载电路。当皮带秤超载时，发出超载信号，超载报警，电机无法启动运行。PLC控制鼠笼式电动机采用变频调速在各种负载下都有良好的调速性能，不仅满足自动化控制还保证复合肥生产精度（即准确配料），并能节约大量电能。PLC控制电梯系统的接线如图4-1所示。图4-1 PLC控制变频调速配料、混合系统接线图PLC控制实现电梯的基本功能如下：开机状况：系统在联锁状态下按下配料系统起动按钮、变频器的电源启动按钮和正转按钮。配料系统的 1、2、3号输送机起动，经15s延时起动螺旋输送机机的电动机和运料输送机的电动机整个起动过程。停机状况：配料、混合输料系统同时停止，最后按下变频器的停止按钮。1.传感器测速配料系统的三台电子皮带秤一开始运行时，通过给料斗下料。系统通过测速传感器检测到改向滚筒的转速情况。转速带动磁钢旋转，通过霍尔电路将磁场变化转换为脉冲信号，经放大整形，输出电压信号，LM2917封装形式的集成测速传感器内部电路框图见图4-2所示。图4-2 LM2917的引脚排列及内部结构框图由上图看出，被测频率信号经过电位器RP接LM2917的第一脚。由RP构成输入分压器，调节RP滑动触头的位置可改变输入频率信号的幅度。+12V电源经过R3、二极管VD分压后，向比较器A1的反相输入端提供+0.6V的参考电压。R2是输出电压的负载电阻，R2的取值范围是4.310。010V直流电压表并联在R2两端，用来指示被测频率值。R4是内部稳压管的限流电阻，取R4=470时，稳定电流该转换器输出电压的计算公式是 （4-1）式中，表示充电泵的时间常数：=。由上式可见，除与有关之外，还与电源电压、充电泵时间常数值确定后，只取决于，这就是利用LM2917测量频率的原理。2.模拟扩展摸块的A/D信号转换在控制系统中，PLC通过模拟量I/O模块来进行模拟量的输入/输出。将测速传感器输出的电压信号转换成数字信号，然后送到CPU模块进行数据处理和控制。内部控制原理框图见图4-3所示。图4-3 模拟量输入模块内部控制框图电压信号经过A/D转换，光电耦合电路后送入内部电路，然后经过内部电路处理后存入指定的寄存器。3.PLC自动控制PLC自带的模拟量扩展模块进行A/D信号处理后，按照一定的配料要求，PLC进行信号处理，通过变频器的变频来实现对各台电子皮带秤的运行速度。PLC在输入接口有三个分别控制电机转速的旋钮。PLC控制电子皮带秤配料过程的流程如图44所示：图4-4 皮带秤给料调节框图接线图的输入、输出点分配表格4-1所示。 表格4-1 PLC接线图对应输入输出点输入点对应信号输出点对应信号I0.0配料电机起动按钮 Q0.0M1正转接触器I0.1混料电机起动按钮 Q0.1M2正转接触器I0.2所有电机停止按钮 Q0.2M3正转接触器I0.3报警复位 Q0.3M4正转接触器I1.0 变频器电源起动按钮 Q0.4M5正转接触器I1.1 三台变频器正转按钮 Q0.5 UF1电源接触器I1.2 变频器电源停止按钮 Q0.6UF2电源接触器I2.0UF1变速段X1按钮 Q0.7UF3电源接触器I2.1UF1变速段X2按钮 Q2.0UF1速度段X1I2.2UF1变速段X3按钮 Q2.1UF1速度段X2I2.3UF2变速段X1按钮 Q2.2UF1速度段X3I2.4UF2变速段X2按钮 Q2.3UF2速度段X1I2.5UF2变速段X3按钮 Q2.4UF2速度段X2I2.6UF3变速段X1按钮 Q2.5 UF2速度段X3I2.7UF3变速段X2按钮 Q2.6 UF3速度段X1I3.0UF3变速段X3按钮 Q2.7 UF3速度段X2 Q3.0 UF3速度段X34.控制变频器实现换速控制在第三章中，已经对变频器的工作原理进行了详细的说明，下面对本系统进行针对性论述。当S7-200CPU224和变频器进行配合工作后，运行信号通过PLC的处理输入变频器内，包括对配料、混合和输送机电机的运行/停止的控制，而省去了继电器控制电机的过程中，防止电流过大而进行的Y-联接。对配料电机的调速运行，通过接点的组合使变频器按事先设定的频率进行调速，而这些运行频率则可以通过变频器内部参数进行设定。同时这种方式的设定精度高，也不存在漂移和噪声带来的各种问题。在工作过程中，若出现过载时，系统会自动报警，也相应地设置了复位按钮。第5章 设计的可行性分析5.1 系统设计的合理性物料由闸门落在输送皮带上形成连续物料流，检测装置感测到皮带线速度，再将其转换成电量信号，信号经检波，对比校正、放大等综合处理后，PLC控制变频器来调节电机的转速，进而来调节皮带的运转速度，以保证物料以一定比例被输送。物料从皮带上落下后，被螺旋输送机进行混合，再转移到下一个工序。自动配料系统设计合理周密，运行稳定可靠，控制精确度好。用PLC技术对复合肥的配料控制系统是可行的，更是优选的方案。5.2 系统设计的经济性配料生产的集中控制通过一系列新技术的应用，实现了生产方式的转变，大大提高了复合肥料生产的产能和合格率，延长了电气设备的运转周期，缩短了故障护理时间，降低生产成本和岗位操作工的劳动强度，强化生产管理。该系统的开发是 PLC 在生产实际中的成功应用，系统显示画面丰富、直观，现场运行可靠，不仅各项指标满足技术要求，同时系统的效益也有很大提高，主要表现在管理成本的降低、岗位的缩减、系统检修周期的延长和检修费用的降低等。1.对于S7-200CPU224的PLC由于可以自由自在控制电机，因此输送带、混合输送机等速度，可简单地变化。另外，根据变频器的功能可实现最佳运行，提升机械等级就这么简单。再次，由于PLC采用软件编制程序来完成控制任务，使用灵活，因此，可以随时变更程序来适应生产工艺的改变，就能满足新的控制要求，给生产带来了很大方便。相比继电器等其它控制方式更简单，在成本上相应降低了。同时，PLC控制多台变频器，成本明显低于D/A控制方式。当然，由于PLC自身的接线灵活性，该系统是对三台配料输送带进行控制，在生产过程中系统可以根据实际需要来对控制系统进行调整，控制可以实时增加配料输送带，方便可靠，PLC的逻辑运算功能完全可以代替继电器满足系统的控制要求。按国外资料统计，使用继电器30个以上的线路，采用PLC代替继电器控制可以得到很好的性能价格比，配料系统所需原料愈多，使用PLC控制的优越性就愈显著。根据分析如果用最小I/0点的方案，由于在配料过程中根据系统的特点可以将三台输送带的电机同时启动，这样相比分别设启动开关减少了三个输入端，而在系统停止运行后只需设置一个停止开关就行，本身西门子的S7-200的产品价格较低，这样在大大降低了I/O点数后，成本大大降低。可见PLC的一系列特点和优点，是非常适于配料控制系统的使用。2.对于森兰BT40系列变频器在实际的使用过程中，是根据复合肥的化工配料要求来设定速度的，而改变速度是通过变频器对电机的转速控制实现。（1）高度128毫米小型化容易安装在控制柜内。符合国际标准：符合UL/CUL和CE标准，备有200V级（三相，单相），400V（三相）系列产品。并妥善地抑制了电源高次谐波，因此是可以安心使用的变频器。（2）使用简单主回路端子上下排列，像接触器一样的接线。运行只要求转一下频率电位器。冷却风扇只要按一下即可交换，细微之处也要精益求精，让您用起来得心应手。（3）全面提升机械等级在满足系统功能要求的前提下，BT40变频器在同类产品中性价比较高。总之，采用PLC控制交流变压变频(VVVF)调速配料混合系统，无论在性价比还是在操作过程中的安全性、以及安装维修方面都具有不可替代的优点，在目前化工生产发展的方向方面具有广阔的市场发展前景！结 论由于PLC引入，替代较复杂的继电接触器控制。配料混合系统在保证工艺控制要求的情况下，大大的提高了生产效率，改善了设备的电器性能，提高了设备的自动化水平。该系统具有操作简单、可靠性高、工艺参数修改方便的特点，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素。在生产规模较大的场合，还可以将多台由PLC的设备与上位计算机联网，实现“集中管理、分散控制”，在现代工业控制中，将具有广阔的应用前景，取得了良好的经济效益和社会效益。1.PLC控制曳引电动机采用变频调速在各种负载下都有良好的调速性能和停车性能，不仅满足自动控制的先进性还保证生产配料的精度。2.VVVF控制复合肥配料系统速度调节平滑，能获得十分精确的配料比；能明显的降低电动机的启动电流。其性能最好，运行效率最高。3.系统可保证较高的配料精度，人机界面丰富、友好、控制方便灵活。本系统选用的硬件设备和软件平台具有包容整个复合肥生产流程输送设备自动控制能力。另外，随着PLC技术水平的提高，其计算能力、响应速度、灵活性和可维护性已经达到相当高水平，性能价格比有了更大的提高，从而进一步推动了PLC控制系统在中小型化肥厂的应用。致 谢大学生活马上就快结束了。在这四年的生活中，毕业设计是我的最后一门课程，也是我走向岗位的必修课。在整个设计过程中，虽十分短暂而忙碌，但美好而有意义，毕业设计是对大学四年所学的专业知识的一次全面总结，从中我学到了不少东西。提高了我的绘图能力，增长了我的见解，为将来走上工作岗位打下了坚定的基础。我在毕业设计期间，得到了机电教研室的各位老师特别是陈焕林老师的精心指导。各位老师治学严谨，学识渊博，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了明确的设计目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的设计方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。特在此表示衷心的感谢！同时，感谢教研室的所有老师给予我的殷切指导，同时感谢答辩组老师在百忙之中审阅我的毕业设计。在此，深深地道一声：“老师，你们都辛苦了！”参考文献1 崔忠圻.金属学及热处理机械工业出版社，1989：60-982 原魁,刘伟强.变频器基础及应用.冶金工业出版社, 1997:2-623 满水奎,韩安荣,吴成东.通用变频器及其应用.机械工业出版社, 1995:1-1184 运输机械设计选用手册编辑委员会.运输机械设计选用手册(上、下).化学工业出版社,2005：1-279、333-3435 袁任光.交流变频调速器选用手册.广东科技出版社, 2004：1-826 袁任光.可编程序控制器应用技术与实例.华南理工大学出版社, 2003：21-347 吴安顺.最新使用交流调速系统.机械工业出版社,1998:20-328 李保宏.电工常用电路解易通.人民邮电出版社,2005：148-1609 张万忠,刘明芹.电器与PLC控制技术.化学工业出版社,2003年205-21110 丁炜,魏孔平.可编程控制器在工业控制中的应用.化学工业出版社,2004：12-3211 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例.人民邮电出版社, 2004：98-12612 高万珍.PLC分析与设计应用.电子工业出版社, 2004：175-18213 廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社,2002：11-2814 曾毅,王效良,张朝平.调速控制系统的设计与维修.山东科学技术出版社, 2003：10-8615 王树.变频调速系统设计与应用.机械工程出版社,2005：117-15116 沙占友.中外集成传感器实用手册.电子工业出版社,2005：266-27117 刘元扬.自动检测和过程控制.冶金工业出版社,2005：145-14618 杨宝清.实用电路手册.机械工业出版社,2003：715-73619 田凤桐.机电设备及其控制.机械工业出版社,1999：43-8720 杨平.机械电子工程设计.国防工业出版社,2001：103-11521 Mikell P.Groover. Automation Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing.清华大学出版社，2002：61-28122 Kuehnle M R. Tproidal Drive Combines Cpncepts. Product Engineering,1979:55-6923 Orlov P. Fundamentals of Mechanical Engineering. Katson Publ. House,1985:11-20 附录1指令集成系统和协作机器人系统控制克拉克克瑞斯妥斐尔，弗雷易瑞克沃，琼斯亨瑞利和罗克史蒂芬姆斯坦福大学中的飞行驾驶员和宇航员的航天和航海航空与航天空间的机器人研究所部门网址： chrisc,ewf,hlj,摘要 在使用移动式机器人时可以提高其自治的三个问题在这篇文章中用实验性调查显示出来。即（1）单一的使用者与复合式机器人之间的集合工序和目标追踪的机器人轨道线路。在这次研究中，微型自主飞行器（MARS）发展成能为实验室性机器人的技术提供一种方案。实验的结果是：单一的使用者是可以命令包括任意碰撞运动和目标追踪在内的机器人的。关键词 移动式机器人 飞行器 MARS测试平台 目标追踪 监测轨迹正 文1.简介目前，远程机器人系统需要人们去操作单一的机器人。这些都是为了今后可以一人来控制多个机器人。例如，为使将来有益于少数人控制多数机器人的空间结构的建立。现在对一个远程机器人的控制技术已经达到了一个非常的高水平，但我们任然需要在对多组机器人的远程技术上狠下工夫。特别地，我们必须在提高机器人自制性方向上努力。那么这就需要提高以下几方面的功能：（1）为能够让人们从足够的信息作业决策和命令机器人去执行提供界面；（2）为能够让所有机器人的自由碰撞路线提供自主的、实时的构造；（3）为能够提供能追踪运动物体的机器人轨道路线。在先前的来工作中，我们提出了以下的方案： 琼斯提出一人控制多机的界面；克拉克设计了一个复合式机器人运动；弗雷能对物体运动估计最优方案设计了轨道线路。图1：MARS测试平台的飞行器在这幅图当中，展示出了对这些技术的综合性的阐明。第二部分对三个研究工程作出了扼要的描述。第三部分描述的是关于MARS平台及相关设备。第四部分详细地总结了作为一个集体系统目前的研究方向。第五部分是推论。2.技术性问题21人类界面为了操作一个复合性机器人的系统，这个人就必须要获得所有关于远程环境所涉及的信息，以便执行正确的指令，并且相应地获得对一个或几个机器人的执行指令性方案。琼斯提出了逐渐形成一种基于操作复合型机器人的人类和机器人对话的基面论述。特别是琼斯提出了以下相应的论点：建立结构及其对话领域；创建输送有效对话的一种机器人能力基础设施；创建为处理对话的社会惯例决策的相应程序；开发一种允许操作者去执行关于机器人系统的对话界面。他的结论是一种在人群中普遍存在的工作定位对话的交流对话模型的实现。这种假设就类似对话在人类和机器人组合中扮演了一个重要的角色。为了提供给机器人环境的三维空间视觉，界面实现了使用GL。比如如图2所示的屏幕镜头。比起用声音还不如使用通过电子手段来进行界面的对话。当运用鼠标来在屏幕上选中它们时候，对话开始。运用界面来分析物体的特征，从而使机器人来判断物体。界面一直等到机器人完成对物体进行分析的有任务的各个环节，再返回后作出反映。任务完成的结果以对话形式搁置于紧挨物体的位置处。使用的人可以从任务清单中进行选择，并且完成被派去的执行命令的的机器人、任务、或物体的命令。图2：人机界面的屏幕镜头在图2中的屏幕镜头是使用界面的一个例子，两个机器人（用自己圆柱体表示）和3个在工作面上的测试性物体。在屏幕左边，操作者命令机器人对物体进行处理。相应的主菜单上出现了执行的结果菜单。琼斯表示创造一个基础性对话能够控制大量的机器人，这是很有可能的。这种在三维世界中完成的相互性作用，为决定一个机器人在恰当的境地中的能力提供了一个可靠的方法，与此同时，它也使操作者能够去参加资源的处理和对机器人的相应设计工作。2.2运动平面在特定的区域当中，当成组的机器人和变化移动的障碍物一起工作时，为了在竖直面上避免碰撞，但是在每个机器人之间进行不间断交流是不可能的，没有任何传感器系统可以提供全方位的信息。并且在移动性障碍物的活跃性环境，所以这个系统必须反应迅速。对于这种复合式机器人系统类型当中，对一个运动制作不需要综合的知识或者高效的带宽通信，以上这些仍旧要求实时部署。由克拉克开发出的一个运动系统达到了上面所述这种需求，哈苏和肯多开发出了基于设计者的规则系统。他们的工作阐明了一种方案：即一个动态显象管随机化运动设计者对周围存在动态障碍物和静态障碍物的单一机器人的操作。对于处置更多的机器人而言，那对动态显象管随机化运动设计就被延伸了。在这种情况下，当机器人检测到彼此使用的传感器，以便进行彼此的交流沟通。机器人使用一个优化的系统，来对他们运动设计的协调化来避免相互的碰撞。每个机器人必须要创建一个关于对少数障碍物的知识性设计。在机器人的区域中对那些物体的设计，其中的运动设计问题是十分地简单的导致降低了设计的时间。当有新的事物进入机器的视线领域的时候，我们就必须要求进行一个重复性的设计以此来确保机器人轨迹不会发生自由的碰撞。一个涉及10个飞行器的模拟例子，如图3所示的5种静态障碍物。如图上所示的较小的圆代表微型飞行器。而十字叉代表目的地，较大的圆代表障碍物，用通向目的地的线条来表示机器人的轨迹。在一个特定的工作空间中对大量的机器人而言，运动设计是十分有效的。而且它获得巨大的成功，甚至在涉及5到15个机器人的杂乱的环境中。其中还包括动态、静态障碍物，对环境变化作出迅速反应和实时重复设计的允许机器人有0.1S间隔的设计时间。虽然运动设计采用的是2维平面工作空间，但必须延伸到3维工作空间中。图3：运动设计对10个机器人和5个障碍物的模拟举例图（a）论述了飞行器，他们的目标和模拟前的障碍物。在（b）中，模拟实验刚开始的时候，所有的飞行器都进行了相应的设计，图（c）和（d）是实时计划在飞行中的典型例子（可以看出这充分地显示了通过障碍物的最初的轨迹线，但是因为机器人必须要跟得很近以便于去检测它们，而这些障碍物它们重新进行设计来逃逸飞行器。最后在（e）当中，飞行器构造出了它们的最后轨迹，并且前方已经是它们的目的地了。图（f）显示几乎所有的飞行器都已经都达它们的目的地。2.3物体状态的轨迹设计物体的运动评估是自治性机器人的核心化能力。通过收集用摄相机监测获得的单个特殊的追踪数据来解决这一类问题。这一系统利用了安置在人来引导机器人的传感器（应用在航海技术的运动传感器和提供情景式状态的摄相机）上，所以不需要添加附加的负载。此外，摄相机的合并扫描激光装置或贮存环境模式的系统，即用单个摄相机来解决使用大量摄相机给系统带来的附加很长和错误容许间隙是非常有必要的。物体的运动估计使用应变式传感器，例如研究深入的单眼式。问题的关键特征是物体的位移和速度不可能随时都可观测到，而统计量在摄相机的轨迹中起到重要作用。我们为了充分利用这种附属性的状况，弗雷逐渐形成了一种新的轨迹设计方案，这种方案可以最大限度地将背景信息提供给估量过滤器。根据这种新方案提出的三种主要问题是：视线的局限性，最佳轨迹的速度发展，以及对于不确定物体状况的最优解决方法的独立性参数的估计。新的轨道设计方法使用了金字塔式。在特定时间内获得最低限度的时间的限制，这样的目的是在最少时间获得不确定性估计，或产生了对不确定性的波动。由于一系列的连续性运行，恒定速度的操控，机器人的轨迹被参数化。为了平衡几种设计参数的差异，包括操作者的数目，发展空间的尺寸辨别和重复的数据，这种新的方法设计出的轨道在大幅度降低设计成本和时间上获得了近乎完美的程度。另外，这种设计方案不断更新轨迹原来的数据从而作为新的数据，这一点是很容易在对物体的估计方面上达成一致性的。以上是一个模拟性例子，它使用新的设计方法去估测一个以0.00.015m/s的匀速运动物体，这种方法被称之为使用定时最低限度的不确定型费用。机器人有56s的操作时间，运行空间有5个间隔，金字塔式重复四次。如图4（a）中显示的结果为观察者的路径，它是真实目标路径和程序运行的目标估计。图4（b）显示了时间影响位移出现的错误，正如预料的那样，当错误出现在X轴坐标时，在Y坐标轴中这种错误持续性很小，这对物体排列的一致性需要花费更多的时间。图4：完成新的轨迹设计方法的模拟举例图（a）演示了最终的机器人轨道，图(b)显示由于时间的影响产生目标位移的错误。3.微型自主性测试平台微型自主性测试平台提供了一个二维空间来研究自主性飞行器。这个平台由一个12*9的花岗石桌面构成，有6个自主型机器人在表面运行。每个机器人都拥有置于空间外的自己的设计者。控制信号进程也是在外空间进行处理，由一个机器人通过无限RC信号将控制信号传递出去。一个可视性体系为三个摄相机提供给位置传感器去测试安装在机器人顶部表面的显示器装置。所有的在从MARS平台的交流信息都是通过实时实新的网络软件服务器进行的数据传输完成的。它的作用在公开发表或订阅的结构中。所以每个网点都能够接收到不同类型的数据。数据传输如图5所示。图5：在微型自主性测试平台上的数字显示图5：左边表示的是硬件，右边表示的是图片使用者界面。在图片使用者界面中，用白色的圆柱体来表示机器人，在屏幕右上角位置的地方用黄色的线条来代表轨迹线路，通过运动设计者构成的机器人轨迹线路用红色的曲线来表示，用两条紫色的线条来表示跟踪机器人的监视范围。为了扩大视眼范围，将无线摄相机安装在微型自治式飞行器顶部测试平台来监测地面。这些单元具有商业性，并由2.4GHZ的无线立体发射机组合起来。用发光二极管（LED）通过跟踪轨迹来组装物体。4.集成系统为了将三种设计综合于一个体系当中，用如下更改系统来解决几种对应的技术性问题：用图片使用者界面来添加新的对话能力，使用者享用新的职能。图片使用者界面为提供给使用者增加的功能相应必要信息添加新的显示符号体系。为了采取动态方案，安装在摄象头上的追踪性机器人拥有很高的优越性。从而使所有的机器人都能够构建围绕它的轨迹，从而建立所有要素间最广泛的协议通过机器人的时间同步性建立中央计时器下面的实验显示了三个研究效果的整体性，图片使用者界面进行的操控来逃避碰撞锁定定位目标的复合型机器人。图5 操控复合型机器人实验初期，在图片底部的机器人首先要被命令去跟随在左边有摄象机的机器人。（如图5a）。它必须与摄象机机器人保持30厘米的距离。紧接着，摄象机机器人用于监测目标，在这种情况下机器人在顶部（如图5b）必须要求它减少位移估计的不确定值。执行任务的最后一个机器人要横穿这个工作面。（如图5c）。红色曲线代表设计者的轨道。让它与摄象机型机器人形成对立面。在图5d中，这个最后的机器人能感应到图5c的状况，这就使得它必须重新调整自己的路径。而产生的这一实时路径，在机器人的运动中并没有明显间断。最终地，图片使用者界面运用于命令三个机器人去完成有用的工作过程当中。它们在工作环境中正确地锁定目标，这个工作被第一个机器人成功地监控，与此同时，而第三个机器人能够达到它的位置目标，而它同时又操纵着在环境中的周围的另外物体。5.结论对于复合型机器人系统的可行性而言要三项基本工作是十分重要的。特别地，这个类型的工作可以由一个使用者和多个机器人的界面去完成，其中还包括目标追踪的轨迹线路。以上这些也证明了可以将它们合并在一种实验性质的说明中，这种实验性质的说明说明它们作为更大更复杂的体系中的成分。工作合并实验性例证突显这三种基本工作的有效性。为此，我们可以得到以下结论：即这三项基本工作为协作性复合机器人系统显示了单一的使用者可以控制一组机器人去执行独立的工作，而这其中又包括了自由碰撞运动和目标追踪。参考文献1 诶德拉,“克拉姆式过滤举止的相对位置追踪申请的行为”,电机工程师协会交易上关于航空宇宙和电子系统的交流。29-39,1号,AES 15，1979年1月。 2 可拉克, 布瑞特，若克，电机工程师协会航空宇宙会议提出“用应用吉纳胶力度变化对多机械手随机化了系统的一个动态的优先权系统的计划”,2002年。3 狄森纳亚克，纽曼，可拉克，杜瑞特怀特，可索伯,“一种对同时性的局限和地图建筑物( 砰然声 ) 问题的解决办法” 纳亚克，纽曼， 可拉克, 杜瑞特怀特,可索伯,电机工程师协会关于对机械手工程和自动化上的交易, 2001年6月。 4 弗瑞，洛克,“轨道世代为单眼的以视觉为基础的不变速度的追踪对准,”在电机工程师协会机械手工程和自动化上的国际会议上被呈现,2003年。5 赫苏，肯狄, 拉托姆布,洛克,“随机化了 Kino dynamic 提议由于移动障碍计划,机械手工程的算法基础上的工作室,2000年。6 吉恩斯，洛克，“以对话为基础的人- 机械手交互作用因为空间建筑队,”电机工程师协会航空宇宙会议,2002年。 7 克纳荻，卡琳斯，里普森，布恩，威克森，“在合作的多感应器录像带监视的优越性 ,”DARPA Imag(IUW)工作室,115-122, 1998年11月。8 洛戈若尔逖斯，伊萨克森和伊凡斯,“对在相对位置踪迹最理想的归属性操作优化的比较”，美国控制协会进程的会议记录。1998年6月。附录2An Integrated System for Command andControl of Cooperative Robotic SystemsChristopher M. Clark, Eric W. Frew, Henry L. Jones, & Stephen M. Rock Aerospace Robotics Lab Department of Aeronautics & Astronautics Stanford University chrisc, ewf, hlj, l Abstract:Presented is an experimental investigation into three issues that enable increased autonomous functionality when using mobile robots. These issues are (1) interfacing a single user with multiple robots, (2) motion planning for multiple robots, and (3) robot trajectory generation for target tracking. For this research, the Micro Autonomous RoverS (MARS) test platform was developed that provides a means for implementing this technology on laboratory robots to carry out tasks including collision-free which a single user is able to command a group of robots. Experimental results are presented in motion and target tracking.l Key word: multi-robots rover MARS test platform target tracking trajectory monitorl Main text:1. IntroductionCurrently, remote robotic systems require many humans to operate a single robot. The goal for future systems is to require only one operator for many robots. For example, future space structure construction would benefit from the availability of a large group of robots that can be operated by a Figure 1: Rovers from the MARS test platform. Small groups of humans. While there has been a significant amount of research towards the operation of single remote robots, more work is still required towards the operation of groups of robots. In particular, an increased degree of autonomy must be given to the robots. To realize this autonomy, a variety of fundamental capabilities must be enabled that include: (1) Providing an interface from which adequate information for decision-making is available to the human, and commands to one or several of the robots can be executed.(2) Providing autonomous, real-time construction of collision-free trajectories for all robots in the group.(3) Providing robot trajectory generation that enables tracking of moving objects.In previous work, we addressed each of these issues: Jones 6 developed an interface that allows a single human to operate many robots; Clark 2 designed a multi-robot motion planner; and Frew 4 designed a trajectory generator that provides near-optimal solutions for object motion estimation.Figure 1 :Rovers from the MARS test plantformIn this paper, we present an integrated system demonstration of these technologies.The paper is organized as follows. Section 2provides a brief description of each of the three research projects. In Section 3, the Micro Autonomous RoverS (MARS) test platform and its application to this research is described. Section 4 details a final demonstration that summarizes the previous research as an integrated system. Conclusions are presented in Section 5.2. Technological Issues2.1. Human InterfaceFor a single human to operate a multi-robot system, the human must have access to all relevant information about the remote environment so that appropriate commands can be executed. Also, the human must be provided with a means of executing these commands to one or several of the robots. In 6, Jones developed an interface based on dialogues between the human and the robots as an effective method for operating multiple robots. In particular, Jones addressed the following issues:- Establishing the structure and scope of the dialogue- Creating a robot infrastructure capable of conducting an effective dialogue- Determining methods for dealing with the social conventions of dialogues- Developing an interface that allows the operator to carry out the dialogue with the robotic system.His result is an implementation of a dialogue interaction patterned after the task-oriented Dialogues common in human teams. The hypothesis is that similar dialogues can play a useful role within human-robot teams.The interface was implemented using OpenGL to provide a three-dimensional view of the robot environment. An example screen-shot is shown in Figure 2. Dialogue through the interface takes place electronically rather than through voice. The dialogue begins when objects are selected by clicking on them on the screen. The interface then resolves the identity of the object and the robot that sensed the object. The interface waits until a response from the correct robot has been returned in the form of a list of tasks that the robot can accomplish on that object. This list is then displayed in a dialog that pops up next to the object. The user can select from this list of tasks, and the complete command of robot/task/object is sent to the robot for execution.Figure 2: Screen shot of the human-robot interface.The screen-shot in Figure 2 provides an example of the interface in use. Two robots (denoted by white cylinders) and 3 objects are located on the test bed workspace. The operator has queried the robot agents to determine what tasks can be performed on the object at the left side of the screen. A pop-up menu has appeared with a list of the query results.Jones showed that it is possible to build a dialogue-based interaction that enables the control of multiple robots. This interaction, as implemented in a virtual three-dimensional world, provided an intuitive point-and-click method for determining the capabilities of the robot in the appropriate context, and enabled the operator to participate in the resource management and task planning for the robots.2.2 Motion PlanningWhen large groups of robots and moving obstacles are working together within a designated area, high-level motion planning is required to avoid collisions. Continuous communication between all robots may not be feasible, and no system of sensors can provide global knowledge. Also, to function in a dynamic environment with moving obstacles, the system must be able to react quickly. For this type of multi-robot system, a motion planner that does not need global knowledge or high bandwidth communication, but that can still plan in real-time, is required. A motion planning system that meets this requirement was developed by Clark 2. The algorithm presented was based on the planner developed by Hsu and Kindel 5. Their work demonstrates the use of a Kino dynamic Randomized Motion Planner for a single robot maneuvering around stationary and moving obstacles. To handle more than one robot, the Kino dynamic Randomized Motion Planner was extended. In the extended planner, when robots detect one another using local sensors, they communicate with eachOther,using a priority system, the robots coordinate their motion plans to avoid collisions. Each robot creates a plan with knowledge of only the few obstacles surrounding it. By planning around only those objects within the robots local area, the motion planning problem is greatly simplified leading to decreased planning times. When new objects enter the robots field of view, a re-plan is called for to ensure that the robots trajectory is collision-free.An example of a simulation involving 10 rovers, and 5 stationary obstacles is provided if Figure 3. Smaller circles represent the micro-rovers as viewed from above, while crosses represent goal locations and larger circles represent obstacles. Trajectories constructed by each robots motion planner are indicated with lines that lead to goal locations. The motion planner demonstrated its effectiveness in planning for a large number of robots within a bounded workspace. It planned with a high probability of success, even in cluttered environments involving 5 to 15 robots, Stationary obstacles and moving obstacles. Planning times on the order of 0.1 s allowed the robots to re-plan in real-time and react quickly to changes in the environment. Although the motion planner was applied to a 2D workspace, it should be noted that the planner is extendible to 3D workspaces. Figure 3: Motion planning simulation exampleInvolving in10 robots and 5 obstacles. Figure a) illustrates rovers, their goals, and obstacles before the simulation. In b), the simulation has just begun and all rovers have constructed their first plan. Examples of real-time planning on the fly are shown in c) and d). (Note that some initial trajectories pass through obstacles, but as the robots come close enough to sense them, they replant to avoid them.) Finally, in e) the rovers have constructed their last trajectory and are headed towards their respective goal location. Figure f) shows all but one rover having reached their goal location.2.3 Trajectory Design for Object State EstimationObject motion estimation is a core capability of autonomous robots. One solution to this problem can be achieved with a single camera by fusing image track data from a single feature with camera motion measurements. Such a system takes advantage of sensors already expected on a human-guided robot (motion sensors that enable navigation and cameras that provide situational awareness) and therefore requires little additional payload. Furthermore, a single camera solution adds redundancy and fault tolerance to current systems that use multiple cameras, combinations of cameras and scanning lasers, or stored environment models 3 7.Object motion estimation using bearing sensors such as monocular vision has been well studied 1 8. The key features of this problem are that the object position and velocity are unobservable at any instant in time and that performance of the estimator is a strong function of the camera trajectory. Exploiting this dependence, Frew 4 developed a new trajectory design method that maximizes the information content provided to the estimation filter. The three main issues addressed by this new method are inclusion of the monocular vision field of view constraints, the quick generation of near-optimal trajectories, and theDependence of the optimal solution on the uncertain object state the very parameter being estimated.The new trajectory design method uses a pyramid, breadth-first search to generate paths in real-time that achieve a minimum estimate uncertainty bound in fixed time or a desired uncertainty bound in minimum time. The robot trajectories are parameterized as a series of constant-heading, fixed-speed maneuvers. By balancing the trade offs between several design parameters, including the number of maneuvers, size of the discretized heading space, and number of iterations, the new method creates trajectories that achieve near-optimal performance at greatly reduced planning cost and time. Additionally, the design method continually updates the trajectory as new data becomes available and the object estimate converges.Provided is an example of a simulation that uses the new design method to estimate an object moving with a constant velocity of (0.0, -0.015) m/s. The method is called using the fixed-time minimum-uncertainty cost. The robot is allowed five, 6.0 second maneuvers, the heading space is discretized into five intervals, and the pyramid iteration is performed four times. The resulting observer path is shown in Figure 4a) along with the true target path and the evolution of the target estimate over the course of the run. Figure 4b) shows the position errors as a function of time. As expected the error in the y-dimension stays small throughout the run while the error in the x-dimension, which corresponds closely to the object range, takes more time to converge.Figure 4: Example of a simulation that implements the new trajectory design method. Figure a) illustrates the resultant robot trajectory while b) displays the target position error as a function of time.3. MARS Test PlatformThe Micro-Autonomous Rovers test platform provides a two-dimensional workspace for researching autonomous rovers. The platform consists of a 12 x 9 granite table with six autonomous robots that move about the tables surface. Each robot has its own planner located off-board. Control signal processing is also done off-board, and the control signals are sent to the individual robots via a wireless RC signal. An overhead vision system provides position sensing using three cameras to detect LEDs mounted on the top surface of robots.All communication within the MARS platform is Accomplished with Real Time Innovations Network Data Delivery Service software, which works on a publish/subscribe architecture. Hence every node on the network can send and receive different data types. The flow of this data is illustrated in Figure 5.Figure 5: Data Flow in the MARS test platform.To achieve on-board vision, a wireless camera is mounted on the top of one MARS rover looking downward towards the ground. The unit is commercially available and is integrated with a2.4 GHz wireless video transmitter. Objects are outfitted with an LED to facilitate tracking.4. Integrated SystemTo integrate the three projects into one system, several technical issues were resolved by way of the following system modifications:-New dialogue capabilities were added to the GUI to allow a user to access the new functionalities.-New display symbology was added to the GUI to provide users with the necessary information for the increased functionality.-The tracking robot mounted with the camera was given highest priority for motion planning. This forced all other robots to construct their trajectories around it.-A common communication protocol between all components was established.-A central clock enabling time synchronization across the robots was established. The following experiment shows the integration of the three research efforts. The GUI is used to operate multiple robots that use their planners to avoid collisions and locate targets. At the start of the experiment, the robot at the bottom of the picture is first commanded to follow the robot with the camera on the left, (see Figure5a). It will try to maintain a distance of thirty centimeters from the camera robot. Next, the camera robot detects the target, in this case the robot at the top. In Figure 5b), it is commanded to reduce the uncertainty of the location estimate. The last robot is tasked to move across the table as shown in Figure 5c). The trajectory constructed by the planner is denoted by the curved red line. This motion will bring it in front of and in conflict with the camera robot. In Figure 5d), this last robot senses a conflict with the camera robot and re-plans its path. This new path is created in real time and there is no noticeable discontinuity in the robots motion.Ultimately, the graphical user interface was used to command three robots to achieve useful tasks. The target in the environment was located correctly, this task was successfully monitored by the first robot, and the third robot was able to achieve its position goal while maneuvering around the other objects in the environment. l Conclusion Three tasks fundamental to multi-robot systems were enabled. Specifically, the tasks allow the interfacing of a single user with multiple robots, motion planning for multiple robots, and robot trajectory generation for target tracking. It was shown that the tasks could be merged into an experimental demonstration that highlights their usefulness as components in a larger, more complicated system. The result is a cooperative multi-robot system demonstration where a single user can control robots in a group to carry out individual tasks including collision-free motion and target tracking.Figure 5: Hardware is displayed on the left, while the GUI is displayed on the right. Within the GUI, robots are denoted by white cylinders. The target trajectory is denoted by the yellow line in the upper right corner of the screen shot. Red curves denote robot trajectories constructed by the motion planner. The scope of the camera onboard the tracking robot is outlined by two purple lines. l References1 V. J. Aidala, Kalman Filter Behavior in Bearings-On