滑块厚度综合检测平台系统总体设计论文

本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 37 页 摘要 空气调节机的滑块厚度精度要求很高，相比传统的手工测量方法，采用自动检测系统可极大地降低人的劳动强度，提高检测效率，并能大大地减少检测出错率。根据滑块厚度检测的精度要求及特殊的翻面检测工序，设计了一套全自动的检测平台。文中详细介绍了检测平台的总体 设计 方案， 该综合检测平台分成四大部分：控制平台分料机构、传感器、采集系统及控制系统。针对上述四大部分探讨了检测平台、分料机构及控制系统的功能要求、工作原理、设计方法、实现方法及可行性，并对各分系统的关键件进行了选型分析。按课题要求对全系统分别进行了设计、 加工、调试，经联调检测证明了系统的设计是符合要求的。 关键词： 自动检测平台 滑块 厚度 总体设计 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 37 页 Abstract The slipper , which is one of the significant accessory of an air condition , has a great strict requirement in dimensional precision. In order to improve the efficiency, decrease the error effectively and reduce the intensity of labor, it is important to develop an automatic measuring system to substitute for traditional hand work. According to some particular procedure and the demand for strict precision, this fully-automatic measuring platform was designed. This paper introduces the whole design program in detail. The synthetical measuring is composed of four parts: measuring system, sorting mechanism, sensor and selecting system, control system. In connection with the four parts , not only the measuring system, sorting mechanism and the function requirement but also working principle, the way of design and realization were touched . The model of important apparatus were selected by analysis and calculation. On the basis of requirement of the task, the work of design, process and shakedown test were done. It proved that the design of measuring platform was conformed to the initial requirement Keywords: automatic measuring platform, slipper, thickness, general design 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 37 页 目次 1 绪论 . 4 1 1 概述 . 4 1 2 国内外发展和研究状况 . 4 1.3 研究方向和研究手段 . 5 1.4 本文的主要工作 . 6 2 系统总体方案论证 . 7 2 1 滑块厚度检测现有工序分析 . 7 2 2 滑块厚度综合检测平台总体设计 . 7 2 3 机械部分总体设计 .10 2 4 控制部分总体设计 .12 2 5 检测部分及上位机功能设计 .12 3 检测平台投料、分料机构设计 .14 3 1 检测平台设计 .14 3 2 入料机构设计 .16 3.3 分料机构设计 .17 4 控制系统设计 .20 4 1 概述 .20 4 2 控制系统设计 .21 4 3 控制软件设计 .24 5 滑块厚度检测系统及上位机功能设计 .27 5.1 概述 .27 5.2 检测系统 .27 5.3 上位机功能设计 .28 6 检测平台的系统联调 .32 6 1.安装调试 .32 6 2.方案改进 .32 6.3 检测结果 .34 结 论 .35 致 谢 .36 参考文献 .37 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 37 页 1 绪论 1 1 概述 滑块是空气调节机中的关键部件之一，其几何尺寸、表面粗糙度、形位公差等精度的高低直接关系到空气调节机性能的好坏，所以对它的精度要求相当地高。其中，滑块的厚度 /平行度作为一个关键的技术参数，直接决定着滑块应用的有效性，并影响着空调的性能和质量。随着空气调节机产量的日益增加，滑块的需求量也急剧上升。传统的手工检测已远远不能跟 上生产的节奏，成为制约生产效率的一个瓶颈。虽然国外有相关的自动检测设备可以进口，可以克服人工方式的种种缺陷，但同样有存在价格高，设备维护与升级费用大等不良因素。针对市场对能够自动地进行质量评价、快速而正确地进行品质分选的高性价比滑块分选设备的迫切需求，南京理工大学与宁波市科技局合作研制一套滑块厚度综合检测平台。采用这套自动化测量设备不仅可以缩短时间，使得测量速度与生产节拍相吻合，提高生产率，而且可以提高测量精度，节省人力，消除人为误差，避免重复单调的劳动操作，减少费用，还便于显示及反馈等。 在传统的受控机械 系统的设计过程中 ， 机械设计和控制设计往往分开进行 ,机械设计人员和控制人员分别使用不同的设计工具和方法处理同一个研究目标 ， 他们分别采用各自的思路和方法 ， 进行独立的验证和测试。直到在物理样机试验时 ， 两种设计才被放在一起。在测试过程中 ， 一旦控制和机械的交互作用不能取得令人满意的效果 ，机械和控制则分别需要从新细化 ,然后再测试 ,如此反复 ,直到满意为止 ， 这样的设计方法显然缺乏竞争力和总体性 。课题组成员 组成了团队，针对设计任务，分别负责机械部分设计、控制部分软件部分设计、控制部分硬件设计等等。 本文主要针对总体设计进行阐述 。 1 2 国内外发展和研究状况 1.南京理工大学研制的机车转向综合测试平台用于对机车加载，并实时对四轮载荷分布及轴位移进行检测。整个加载系统采用可编程控制器（ PLC）和工控机作为控制系统的主体，通过组成单回路反馈控制系统，在加载过程中准确控制对转向架施加的压力。当对转向架加载和卸载力时，实时监测四轮受力和变形的关系。车轮的形变体现纵向和横向发生变化，因此需要使用精密位移传感器测量其二维变化。具体要求 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 37 页 有： 4 路水平位移检测：量程： 0 50mm，相对不确定度优于 1%； 6 路竖直位移检测：量程 0 100mm，相对 不确定度优于 1%。整个系统能够自动控制，自动报警，随时切换到安全状态，可节省大量人力，减少设计成本。采用可编程控制器和计算机联合控制，使得整个控制过程可靠灵活。 2.浙江大学现代制造工程研究所研制的基于 ARM 核芯片的轴瓦壁厚 /平行度自动检测系统。采用了功能强大的 16/32 位的嵌入式微处理器和占先式的实时操作系统构成中心测控系统，以 PLC 为现场控制模块，应用光栅尺获取基础数据，实现了对轴瓦壁厚和平行度的实时、在线以及高精度测量（光栅分辨率为 0.1m） 3.德国生产的铟瓦线尺测距仪 DISTINVAR，应变仪 DISTERMETER ISETH，石英伸缩仪，各种光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到 0.01m 的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；采用 CCD 线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。 4.德国 Grecon 公司生产的 TMNC 型激光测厚仪，采用模块式设计的多处理机系统，使系统功能易于扩展，易于维修，可以方便地修改和增补各种功能软件。处理机计算厚度的平均值，进行统计分析，超差时发出警报。在 CRT 上，可以清楚地看到三对测定头测得的板厚分度情况。该装置可以方便地贮存数据，需要时按要求打印报告，检测精度为 0.1mm，检测范围为 0 100mm。 1.3 研究方向和研究手段 随着科学技术的不断发展，人们要求检测设备自动化进行以提高试验效率，同时对检测结果的可信赖性和精确性要求也越来越高，智能化是检测技术的发展方向，同时也是滑块厚度综合检测平台的努力方向。 滑块厚度综合检测平台 广泛采用自动化控制技术，滑块的上下料、滑块的传送，滑块厚度的检测等动作全部自动化进行，不仅能够使测试效率大大提高，还能减少测试 人员的主观因素对测试结果可信赖性的影响。比较设计了检测平台分料机构，对传动系统进行设计分析。执行装置采用了四通公司的步进电机；出口分料处的滑块分类通过电磁铁的通电放电及步进电机的转角来实现 ； 采用可编程序控制器（ PLC）作为系统的控制核心，通过串行通讯与工控机组成上位机监控系统，实现对滑块检测、分料过程的实时监视和自动控制。 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 37 页 1.4 本文的主要工作 本文主要做了如下工作： 第一章绪论部分介绍了滑块厚度综合检测平台的相关概念以及国内外在该课题方面的研究现状，说明我们课题研究的目标以及研究手段。 第二章对系统总 体方案从机械部分、控制部分、检测部分等进行了论证与设计。 第三章介绍了检测平台投料、分料机构的设计，对关键件的设计和选取进行了理论分析。 第四章详细地介绍了控制系统，包括测控方案及其功能设计，以及 PLC 控制软件的设计。 第五章介绍了滑块厚度检测系统及上位机的功能。 第六章介绍了部分联调情况，并对系统进行可行性分析。 最后对全文进行了总 结。 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 37 页 2 系统总体方案论证 滑块厚度综合检测平台由自动分料机构、自动检测系统、自动控制系统、检测平台等组成，可以达到实现自动检测滑块尺寸的目的。按照要求，该系统应该能够快速地 检测出滑块的厚度和平行度，并且根据所得数据进行自动分类。 宁波市科技局提出的具体要求有： 1）检测误差允许范围为 0.1m； 2） 垂直公差 1丝 ； 3） 平行公差 1%mm； 4） 精度要求 10-7m； 5）每台机器一个工作日检测 应至少达到 20000 个滑块 。 2 1 滑块厚度检测现有工序分析 目前，滑块厚度的检测仍然依靠手工操作。工厂女工利用千分尺等测量工具对厚度进行检测，然后人工做出判断，对滑块是否合格进行分类。这种检测方法严重制约了滑块的生产效率，而且劳动强度大，易受主观因素影响，无法得到精确的数据， 可靠性也不高。因此，设计一台自动化程度高的滑块厚度检测平台显得尤为重要。 2 2 滑块厚度综合检测平台总体设计 1.首先，为了明确设计对象的功能和约束条件，我们运用了 “黑箱法 ”将设计任务 检测结果 滑块 驱动能 检测要求 图 2.1 滑块厚度综合检测平台“黑箱”示意图 滑块分类 振动 噪声 有功热 灰尘度 温度 振动 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 37 页 抽象化。我们有意识地按照设计活动自身的内在规律进行，应用发散式的、以功能设计为主的设计思维，并在此基础上强调抽象的设计构思，极好地防止了过早地进入实体结果分析，从而使结果既在系统的工作原理和结构有关的本质上有所创新，又能结合实际，达到预期的设计目标。 对于我们所要设计的滑块厚度综合检测平台，在求解 之前，犹如一个不知其内部结构的 “黑箱 ”。给 “黑箱 ”输入物料、能量、信息以及外界的影响，则经 “黑箱 ”后产生输出量以及 “黑箱 ”对外界的影响。图 2.1 为滑块厚度综合检测平台的 “黑箱 ”示意图。左边的输入量由被测工件滑块、驱动能和检测要求，右边的输出量为检测结果和滑块分类，上边为该检测平台对外界环境的影响，下边为环境对检测平台的影响因素。滑块厚度综合检测平台的总功能是检测出滑块的厚度并对滑块进行分类。 2.确定了总功能后，就可寻求功能解，即实现功能的技术物理效应和功能载体。据此，我们将总功能分解成复杂程度较低的分功能 ，并相应找出各分功能的解。滑块厚度综合检测平台本身由许多子系统组成，所以在此，我们可按照各子系统进行分解（各子系统的分解功能图本文从略），如图 2.2 所示。 3.经过分析讨论，确定设计要求 ： 1）分别以滑块的两个面为定位基准，测出两组数据； 2）每个面需要测多个点，并且这些点能够决定一个平面； 3）能够自动处理检测数据，并按照要求把其分成七类，从七个不同的出口滑出； 4)能够实时显示检测到的滑块数据，及滑块检测数量及每个分类口分出的滑块数； 5）系 统具备较高的精度、可靠性和稳定性，在工作中能给出精确数据 。 6） 具有一定的容错能力，即使出现滑块卡位、不能完成正确分类，也不会出现系统崩溃或误分类等现象； 7）设计方案应力求简单。 滑块厚度综合检测平台 机械系统 控制系统 检测平台 图 2.2 滑块厚度综合检测平台功能结构图 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 37 页 滑块从入料口进入内夹具中 4.功能实现途径： 滑块厚度综合检测平台是一个分布式的测控系统，由三大部分组成：以C+Builder 为基础的中心测控单元，基于 PLC 的现场模块和采用光栅传感器的厚度 /平行度原始数据检测装置。中心测控单元和现场控制模块之间的协调通过 I/O 予以完成。 1）机械传动流程图（如图 2.3 所示） 2）控制系统组成（如图 2.4 所示） 3）出口分料设计（如图 2.5 所示） 经过某一传感器时，滑块某一对角线上厚度被测 槽道位置尺寸变化，滑块转动相应角度，测出另一对角线上各点的厚度 滑块在带的拐角处翻转 在下侧轨道上测出另外一个面的两条对角线上各点的厚度 滑块从出料口漏出，夹具随带进入上轨道 进入下一循环 图 2.3 滑块厚度综合检测平台流程图 传感器头 各控制元件 （驱动器） 数采卡 PLC 工控机 位置检测传感器 各 执行元件 （步进电机、电磁铁等 ） PC/PPI RS-485 图 2.4 滑块厚度综合检测平台控制系统组成示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 37 页 其中， 3 为传动装置的出料槽口，其余七个口为分料口，滑块利用加速度由传动装置的出料槽口滑入转盘的槽道内，转盘根据信号，转动向相应的角度即可从对应的分料口分类出去。 2 3 机械部分总体设计 机械部分的设计是整个检测平台的基础，其设计好坏直接影响到整个系统的检测精度、检测速度等等。 1.传送装置的选择 传送装置是自动线结构中的运动件及工件的承载体。它把工件按照一定的节拍或 速度从一个工位送到下一个工位，从结构上把机械 装置与其他设备联结成一个整体。传送装置的种类比较多，有滚轴式、滚轴链式、链板式、悬挂链条式、带式传送装置、传送螺旋、滚轮式、推杆滑道式、搓板推动式等等。 鉴于 滑块的尺寸较小，驱动力矩小等原因，结构简单的带式传送装置即可满足设计的要求。 2.滑块转弯、转向传送装置 目前，转弯、转向传送装置一般分为锥輥传送装置， 90环带、随行夹具式、升降转盘、升降托盘等等。滑块厚度综合检测平台的机械装置 具有 一定的定向要求， 同时为了 尽可能地把装置简单化 。 因选择了用随行夹具式传送装置。 3.滑块厚度综合检测平台机械结构 由于滑块需 要平稳地向前移动，所以我们对带式传送装置进行了改良，如图 2.6所示。 图 2.5 出口分料结构示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 37 页 采用同步齿形带 9，一面与相应类型的带轮 2 配合、另一面的齿槽中套接滑块外夹具 4 的长柄，外夹具随同步带一起移动。滑块内夹具 5 与外夹具间隙配合，其中间开孔放置被测滑块 6，内夹具的两个销耳 7 在导轨槽道 8 中滑动以限制内夹具的方向，这样内夹具、滑块一面随外夹具移动，一面随两条导轨槽的距离变化发生转动。 槽道的形状与尺寸将决定滑块对角线与其移动方向的夹角。为了使传送装置具有良好的稳定性，设计压带轮部件，以压带轮的弹性来减弱外部环境的振动。夹具布满整 个工作导轨，并随传动带循环运动，当滑块从入料口进入时，在某一时刻必定有一内夹具与之配合，滑块即进入测量循环轨道，并在出料口滑出。通过改变导轨的形状来使滑块旋转一个固定的角度（如图 2.7 所示），从而实现检测滑块同一个面两条对角线上点的目的。 2.6 滑块厚 度综合检测平台机械结构示意图 图 2.7 滑块厚度综合检测平台导轨形状示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 37 页 2 4 控制部分总体设计 1.控制部分的组成 滑块厚度综合检测平台的控制系统主要包括工控机、 PLC、数采卡、传感器探头、位置检测传感器和各控制及执行元件。 2.各部分功能 1）工控机：作为整个系统的监控、调度中心，通过 PLC 间接地控制、监测系统运行的状态； 2） PLC 作为系统的控制核心，直接完成对各部件动作的协调控制以及各运动位置检测； 3）检测系统由传感器、数采卡和工控机等组成，通过对滑块的几何量的测量、计算，作为分类产品判断的依据； 4）位置检测传感器和各控制及执行元件：主要完成对系统状态的检测以及各部件动作的协调执行，给系统施于动力源。 3.控制部分所能实现功能 1）控制系统完成滑块在流水线上平稳传送； 2）控制两个步进电机的转动； 3)完成滑块厚度检测全过程，根据所得数据对滑块进行正确分类； 4）具有一定的容错能力。即使是出现滑块卡位、不能完成正确分类也不会 出现系统崩溃或误分类现象等。如果出现错误，系统明确指出错误来自哪个方位，即使不能指明错误来源，也能检测到流水线的某个大致位置，以方便维护，及时排除故障。 2 5 检测部分及上位机功能设计 在本课题中，检测平台的垂直公差要求为 1 丝，平行公差要求为 1%mm，精度要求为 0.1m。选用 JGX 系列的密封式光栅位移传感器，它的测量分辨率为 0.025m（ 400线 /mm） ，可以满足精度要求 。检测平台的检测速度为 2 万 /天 ， 针对这一效率要求，应该全面考虑其自动化程度，如微机控制，自动上下料，自动传送工作，自动检测等。另外 还要考虑可行性等等。 检测平台的上位机运用 C+Builder 编程，能够对传感器所得到的数据进行分析处理，并能够将分类信号实时传给 PLC，从而控制滑块的正确分类。系统第一次运行或 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 37 页 者运行时间过长都应该重新标定。一旦发生滑块堆积、分类错误、系统运行错误，上位机都能够发出警报，给予工作人员提醒。 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 37 页 3 检测平台投料、分料机构设计 3 1 检测平台设计 1.检测时序图 传感器 1 2 3 4 滑块 1 2s t/ s 传感器 1 2 3 4 滑块 2 滑块 1 4s 传感器 1 2 3 4 滑块 3 滑块 2 滑块 1 传感器 1 2 3 4 滑块 4 滑块 3 滑块 2 滑块 1 8s 传感器 1 2 3 4 滑块 5 滑块 4 滑块 3 滑块 2 滑块 1 10s 图 3.1 检测时序图 t/s t/s t/s t/s 6s 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 37 页 由上图可以看出 :滑块在检测平台上处于并发流水线式检测。通过安装在传感器旁的感应开关， 可 告知传感器滑块已经到达可以检测 ， 当工作人员没有定时添加滑块时，系统等待。 2.传动机构 为了保证传送过程中的平稳性，避免传动机构的震动引入附加的测量误差，造成测量结果的失真，传动机构采用了分体结构的设计，将检测工作台与传动机构 分离，从而大大减少了传动机构对检测过程的影响。滑块的每一表面要测量两条对角线上共五个点（中心交叉处可看作一个），因此 ,滑块在流水线上不但要做 90 度旋转，还要翻转 180 度。通过在测量平台上刻画合适的曲线使滑块能够按照预先设定的轨迹作适当的角度旋转。滑块的 180 度翻转，则通过设计流水线的空间结构来实现。 3.驱动机构 1）电机选择思路 本平台共需两台电动机，一台用来带动传送带，一台带动圆盘转动。电机的选择一般包括选择电动机的类型、电动机的功率及额定转矩等。其具体思路如下：首先，选择电动机的类型，然后比较电动机的 机械特性与负载特性，看它们是否吻合，并在此基础上检查是否满足调速范围与精度，顺便考虑一下经济性的问题，如果以上各个方面均满足，接下来，我们便可以开始计算电动机功率，进行起动转矩过载倍数及加速转矩校验、发热校验等。如过发热校验不通过，可以减小功率数或改用 FSN 小的电机。或者，在满足加速度要求下，看能否通过减小加速转矩来满足上述要求。最后，再作出具体决定。 2）电机类型的选择 （ 以分料口的电机为例 ） 在自动控制系统中，经常会使用一些小功率电机用于信号的检测、变换和传递，作执行元件或信号元件，这类电机称为控制电机。 常用的控制电动机乳汁流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电机等等。控制电机一般具有的特点： 1）快速性好，即加速转矩大频响特性好； 2）位置控制精度高、调速范围宽，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高，振动噪声小； 3）适应起、停频繁的工作要求； 4）可靠性高，寿命长。 对起停频率高（如数百次 /分），但不要求低速平稳性的产品，选用电机主要性能指标为高比功率。在额定输出功率相同的情况下，交流伺服电机的比功率最高，直流伺服电机次之，步进电机最低。本课题要求的电机起停频率低，但要求低速平稳，扭 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 37 页 矩脉动小，在整个测速范围内均可稳定 运动的机械，功率密度为主要的性能指标。这时，步进电机为最佳的选择。其中，功率密度为 P/G，电动机的比功率为 T2N/Jm (TN为电机的额定转矩， Jm 为电机转子的转动惯量 ) 。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲，电机就运行一步。与其他驱动元件相比，步进电机及其控制系统有几个明显的优点 1）通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制； 2）输出的转角或位移精度高，误差不会累积； 3）控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。 选择步进电机的计算： 1）计算齿轮的 减速比； 2）计算电机轴上的惯量； 3）计算电机输出的总力矩 M； 4）负载起动频率估算。 经过计算，选用四通公司的 56BGY 系列 250C 电机。其保持转矩为 1.04NM，定位转矩为 0.04 NM，空载起动频率为 2.8KHz。 为了提高工作可靠性，步进电机的驱动器采用商品化的整体结 构，选用北京四通电机公司的 SH-20806B，其采用数字式升频升压驱动方式，并结合了恒电流控制技术，采用 80V 交流电源供电，输入控制信号为 TTL 电平信号，且提供过流保护、过压保护、步距角切换、双 /单脉冲控制模式切换和试机等功能。减速 器原则上希望是 1/2,但市场上一般的减速器为 1/5，考虑也能满足要求，故选用 1/5 的减速器。 3 2 入料机构设计 使工人只需在一个位置投料，无需测量、校准。投料的速度不会对系统的检测效率带来任何影响，见图 3.2a。为使滑块顺利进入内夹具孔中，不出现未入孔就随夹具滑出投料装置的情况，安装时有如下技术要求： h0hh0+h1。 其中： h1-内夹具厚度； h0-滑块厚度； 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 37 页 h-入料口与导轨之间距离（如图 3.2b）。 a 1- 平台导轨， 2-外夹具， 3-内夹具， 4-滑块， 5-投料装置 b 图 3.2 入料口 3.3 分料机构设计 图 3.3 分料口 1分料口的工作流程 1）当滑块从传动循环系统滑出，经过一段斜坡的加速后便进入圆盘的槽道内，感应器将滑块到达信号送至控制 CPU。 2)CPU 给出命令，控制电机带动圆盘转动相应角度（由数据处理后的分类信号决定），电机停，电磁铁失电。 3)滑块被电磁铁从某个出口 k 弹出。 4)接近开关 IO K 接受到滑块弹出信息，并给 CPU 发信号，驱动电机反转至初 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 37 页 始位置。 2.接近开关 接近开关是传感器家族中众多种类中的一个。它是利用电磁工作原理，用先进的工艺制成的，是一 种位置传感器，它能通过传感器与物体之间的位置关系变化，将非电量或电磁量转化为所希望的电信号，从而达到控制或测量的目的。 在分料口，共 需使 用十个接近开关。一个产生定位信号，一个产生滑块堆积信号，一个产生滑块到位信号，剩下七个为分类信号。由于需要对滑块实现定位、数目检测、料位控制等功能，故均选用电感式接近开关。 电感式接近开关（ GDKG）属于一种有开关量输出的位置传感器，它由 LC 高频振荡器、信号触发器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁场经由传感器的感应面释放出来。当有金属物体 接近这个能产生电磁场的振荡感应头，就会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，当信号触发器探测到这一衰减现象，便把它转换成开关信号，由此识别出有无金属物体接近开关，进而控制开关的通或断。 本课题中，电感式传感器的检测方式为埋入式，在安装上为齐平安装型。 3.分料机构 若使用斜面导轨形式，在导轨侧面开七个口，当滑块滑到相对应的出料口时，由电磁铁将滑块推出，以实现分类，这样做将增大设备体积，且无法保证滑块到了分类口时不继续下滑，从而造成滑块 不能准确地从分料口分类出去的后果；若采用曲柄滑块机构，则滑块推出动作较慢，很难满足快速的任务要求。本课题采用圆盘分料，既节约了空间，又保证了时间。步进电机带动圆盘旋转过一定角度后，由电磁铁将滑块推出。分类结束后步进电机回到起始状态，等待下一个滑块的到来。 4.分料盘的设计 由于电感式接近开关所能检测的物体只可以是金属体，所以，分料盘的材料就不能使用金属体，故选用 安装方便的 塑料盘。由于塑料盘质量较小，为了保证系统的稳定性，在塑料盘下面再安装一个密度较大的钢质圆盘，直径约为塑料盘的 1/2。 一个滑块的尺 寸为 52735（ mm），塑料圆盘的槽道宽度应留有足够的余量， 故需大于 35mm,槽道的圆周弧度取为 62mm。圆盘上每两两出料槽间应相隔 30，故 两槽道间隔圆周距离取 22mm，所以整个塑料圆盘的圆周长度为 100.8cm，为便于制作圆盘，圆盘的半径取为 160mm。 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 37 页 由于合格的滑块占多数，所以在设计时，为尽可能减少步进电机的转动角度，中间一个出口作为合格产品的出口，左右各设三个出口，电机停止转动时中间出口和传动装置的出料槽口正好相对应衔接。 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 37 页 4 控制系统设计 4 1 概述 1. 控制系统的作用 控制系统的 作用是保证工作机的所有结构，能严格按照预定的顺序，协调地、有节奏地实现运动和停止运动，是工作循环得以周而复始地进行。控制系统对生产率和工作可靠性影响很大，因此，要求控制准确、灵敏、可靠、耐用和调整方便。 2.控制器选择 控制系统若采用单片机、单片板的话，单片机、单片板本身的可靠性差，易受干扰，再加上输出线是两级的继电器输出，火花大，容易对控制系统产生干扰，常会造成控制系统工作不稳定甚至死机。而 PLC 是专为工业环境应用而设计的，可靠性高，I/O 接口模块丰富，软件编程简单， 故选用 可编程控制器 PLC。 3.控制系统框图（图 4.1） 4.控制要求 PLC 是整个控制系统的核心，直接完成对各部件动作的协调控制以及各运动位置的检测。 PLC 与工控机通过通信口进行通信，工控机读取 PLC 的通行口识别整个系统的状态信息，并在工控机上有所显示。通过软件控制各个控制部件的运行。控制软件主要完成初始参数设定、运行状态显示、容错检测和故障检测报警等功能。当 PLC得到工控机的分类信号后，输出相应脉冲，从而达到设定步进电机的移动距离（旋转角度）、速度、方向等参数的目的。 5.控制流程 机械设备 传感器 输入接口 工业控制机 （工业 PC， PLC等） 输出接口 显示记录设备 控制单元 物理量 电压参数 电压、电流 图 4.1 机械系统的控制组成框图 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 37 页 1）初始化，系统自检，各部件 是否正常。主要判断 I0.2 I1.0 有无信号 ,初始化各寄存器 ,响应工控机等，如果正常 ,通过 RS485 向工控机发出准备好信号 . 2）自检成功后，复位电机 2。读通信口，依据通信口的命令选择工作方式。测试方式状态下，由工控机控制 PLC 的运行，进而控制电机的起动、运转。正常分类状态下，起动传送电机 1。 3）扫描 I1.3 I1.6，如有信号则分别启动相应探头。 4）判断位置传感器 8 检测有无滑块，如有，检查工业控制机传来的产品分类状态，判断产品分类，并控制电机 2 旋转相应角度。如无，则等待。 5）电机 2 带动转盘按照产品的 分类转动相应角度 i。 6）到位后，电磁铁 Q0.3 失电，弹出滑块。 7）判断感应传感器 1-7 检测出滑块分类到位信号，与所对应分类是否一致，如不一致，则报警，一致则驱动电机 2 带动转盘复位，并告知上位机分类完成。判断定位信号，是否复位成功，如否，则启动定位程序。 8）判断 I2.1 是否停机，如是，则切断电源。如否，转至 4）。 注：急停信号用于特殊情况强制停机 ， 不管分类是否完成 ,只要 I11 有效 ， 则立即强制停机 .直至重新启动 。 4 2 控制系统设计 1.控制系统的硬件组成 控制系统采用了基于 PLC 的现场控制模块。 PLC 现场控制模块主要完成相关设备控制以及一些开关量信息的检测等工作。首先启动上料机构，将滑块传输到待检工位后，由 PLC 向中心控制单元发送请求信号，中心控制单元接受该信号后，完成滑块厚度 /平行度的原始信号的采集、分析及处理，并把处理结果反馈给本控制模块，有本模块控制分类，并将已检测的滑块从相应的分料口分类出去，完成一次检测。 1） 试验电路连接 图 4.2 试验台 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 37 页 2）硬件电路 2.PLC 的选型 1） PLC 概述 可编程控制器是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，随着高性能的微处理器及位片 式 CPU 的应用，使得 PLC 不仅具有计算机的逻辑控制功能，数据处理功能，联网通信功能，而且能够代替传统的控制仪表，组成集散式控制系统。在恶劣的工作环境下工作， PLC 具有抗干扰能力强，可靠性高的特点。 PLC 梯形图语言清晰直观，可读性强，易于掌握。此外， PLC 体积小，维护操作方便。正是由于 PLC 具有的种种优点，所以，在工业控制中， PLC 作为面向控制对象的下位机，已广泛应用于工业控制的各个领域。 2）选型原则 世界上约有 200 多个 PLC 生产厂家 ， 如美国的 AB公司、莫迪康公司、 GE 公司、德国的西门子公司、日本的欧 姆龙公司、三菱电机公司以及国内的浙大中控等。它们一般满足用户各方面的需求 ， 但在外形、结构、功能、网络通信和编程方法等方面各有不同 ， 对于不同的工业控制需求 ， 应当选择合适的 PLC。 PLC 选型的关键主要是能满足基本控制功能和容量 ， 并考虑维护的方便性、备件的通用性、系统可扩展性以及能满足特殊功能要求等。由于本课题中的检测平台有连续性 ， 应尽可能地考虑将来新增功能要求，考虑选择比较新型的 PLC， 由于西门子公司的产品质量比较有保障 ， 且技术支持、售后服务较完善 ， 有利于产品扩展与软件升图 4.3 控 制系统硬件电路图 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 37 页 级，所以确定选用西门子公司生产的 PLC。 由于所需要的输入输出点数不是很多，选择小型 PLC 即可满足要求。西门子公司的 S7-200 微型 PLC 系统组合扩展方便，结合了一体化 PLC 和模块化 PLC 的优点，具有极高的性价比。 3）确定 PLC 的规模 PLC一般是根据其输入输出点数及存储器容量的大小来分类 , 在 PLC选型之前首先确定系统 I/O 点数和存储器容量。表 4.1 为滑块厚度综合检测平台的 PLC 的输入输出分配（当有输入信号时为 1，无信号输入时为 0） 表 4.1 PLC 的输入输出分配 名称 代码 地址编号 输入 急停（中断输入 1） I1 I0.0 中断 输入 2 I2 I0.1 :分类一完成信号 IC1 I0.2 分类二完成信号 IC2 I0.3 分类三完成信号 IC3 I0.4 分类四完成信号 IC4 I0.5 分类五完成信号 IC5 I0.6 分类六完成信号 IC6 I0.7 分类七完成信号 IC7 I1.0 滑块到达信号 IA1 I1.1 启动信号 IS1 I1.2 传感器 1 启动监测信号 1 IT1 I1.3 传感器 2 启动监测信号 2 IT2 I1.4 传感器 3 启动监测信号 3 IT3 I1.5 传感器 4 启动监测信号 4 IT4 I1.6 滑块重叠信号 IR1 I1.7 定位信号 IP1 I2.0 停止信号 IS1 I2.1 手动输入 I3 I2.2 备用 I2.3 I2.7 输出 电机 1 脉冲输出 OP1 Q0.0 电机 2 脉冲控制 OP2 Q0. 1 电机 2 正反转控制 OD1 Q0.2 电磁铁吸放 OD2 Q0.3 状态正常指示 ODS1 Q0.4 报警指示 OAD1 Q0.5 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 37 页 分类错误报警 OAD2 Q0.6 滑块堆积报警 OAD3 Q0.7 传感器 1 感应到滑块到达指示 OA1 Q1.0 传感器 2 感应 到滑块到达指示 OA2 Q1.1 传感器 3 感应到滑块到达指示 OA3 Q1.2 传感器 4 感应到滑块到达指示 OA4 Q1.3 报警铃 ALA Q1.4 备用 Q1.5 Q1.7 通过对 PLC 的输入输出口分配进行分析，系统共有开关量输入 18 个、高速脉冲输出 2 个、其他输出 11 个。如果选用 CPU224，则必须扩展输入模块。考虑到控制系统的程序较复杂、需要存储空间较大，而且，市场价格 CPU224（选用 CPU224 和扩展模块的价格）与 CPU226 相差不大，况且本系统只是厚度检测， 将来 还要 有 高度、平行度等检 测系统，构成网络化检测系统是一个必然的发展趋势。选用具有两个通信口的 CPU226 更加合理。 4 3 控制软件设计 1.编程语言的介绍 PLC 为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。 PLC 提供的编程语言通常由：梯形图、功能图、语句表和功能块图。其中，梯形图语言简单明了，易于理解，是我们编程的首选。事实上，梯形图（ Ladder）编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。 PLC 的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定的区别。 S7-200PLC 用 LAD 编程时以每个独立的网络块为单位，所有的网络块组合在一起就是梯形图程序，这也是S7-200PLC 的特点。 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 37 页 2.总控制流程图 N Y N Y N Y Y N N Y N 系统初始化，自检正常 故障报警 启动传送电机 1 传感 I1.1 是否有信号？ 查询分类号，并启动电机 2旋转 i 角度。 Q0.3 失电，弹出滑块。 分类接收传感器 i是否收到？ 分类错误报警 电机反转 i，复位。 停机？ 结束 I2.0=1? 启动电机 2 转动一分类角 I0.0 急停中断处理程序 电机 1 停机 I1.7=1? 滑块堆积报警 电机 1 停机 测试标定程序 正常分类状态 读取通信口 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 37 页 3.对步进电机的控制 事实上，用由逻辑元件构成的电路控制步进电机是完全可以实现的。但是 ，如果需要改变控制功能，则需要重新设计硬件电路，所以灵活性差，成本高。而通过编程对步进电机进行控制，可以大大降低成本，并使得控制更为灵活，功能更为强大，可靠性也得到显著改善。 由于步进电机 1 的控制较为简单，仅需控制启动，停止及一个恒定的转速，故在此不对其进行讨论。 步进电机 2 需要实现频繁地启动，停止，正转，反转，角度控制等功能，因此，步进电机 2 程序设计的主要任务为： 1）判断旋转方向； 2）按顺序传送控制脉冲； 3）判断所要求的控制步数是否传送完毕。 因此，步进电机 2 的控制程序就是完成环形分配器的任务，从而 控制步进电机转动，以达到控制转动角度和位移的目的。首先要进行旋转方向的判别，运行相应的转动控制程序。正反向控制程序分别按要求的控制顺序，输出相应的控制模块，再加上脉宽延时程序即可。 PLC 对电机 2 的控制为 PTO（高速脉冲串输出）方式，采用多段管线，通过变量存储区建立包络表，控制输出脉冲的周期和脉冲数。 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 37 页 5 滑块厚度检测系统及上位机功能设计 5.1 概述 滑块厚度综合检测平台研制成功与否很大程度上取决于检测系统的设计。机械部分相对来说只是平台，是支承体，保证滑块能够平稳地运行，保证系统能够测量到所要测的滑块 上各点，保证能够对滑块进行正确分类。而检测系统才是整个平台的核心与灵魂，它实现了在要求的精度和速度范围内获得数据，并对数据进行处理分析给出分类信号的功能。 5.2 检测系统 1.检测系统的组成 检测系统由流水带、四个接触式位移传感器、上位机等组成。由于研制本套设备的主要目的就是提高劳动生产率，因此，对于速度要求是严格的。按照协议要求，一个工作日下来，应该能够完成 2 万个滑块的检测任务。通过 PLC 对步进电机 1 转速的控制，保证了滑块在流水线上的运行速度。因为要检测滑块的两个面上共四条对角线，所以我们在流水线不同 的位置安装了四个传感器，用于测量滑块上不同点的厚度。上位机则对传感器所获取的数据进行处理分析，给出正确的分类信号。 PLC 根据得到的分类信号，通过控制步进电机 2 的转角，使得滑块能够正好从相应的分料口送出去。 2.传感器的安装与选型 由于滑块厚度综合检测平台的精度要求小于 0.1m，具有相当高的精度要求。因此，在选用传感器时，我们首先关注的是传感器的精确度。本系统采用了密封式光栅位移传感器进行动态测量。光栅是由很多相等节距的透光和不透光的刻线相间排列构成的栅形光器件，利用光栅的莫尔条纹现象可进行位移的精密测量和 控制。光栅传感器主要由光源、透镜、节距相等的光栅副及光电元件等组成。其中，主光栅类似长刻线标尺，固定不动，而指示光栅则是运动的，并且具有辨向能力，可辨别光栅的移动方向。主光栅与指示光栅的零位窗口刻有按某一随机序列排列的线系，可得到的光通量 -位移曲线就是该随机系列的非周期自相关函数。非周期自相关函数值在坐标原点具有最大值 ,若稍偏离原点 ,函数值迅速向零逼近。当探头到达零位时 ,通过电路将计数器清零 ,即设置了绝对零位。考虑到性价比的问题 ,本系统采用分辨率为 25m的光栅尺 , 本科毕业设计说明书（论文） 第 28 页 共 37 页 其精度远未满足测量精度的要求 ,因此 ,必须采 用电子细分的方法提高其分辨率。由于机械振动、安装与使用条件等因素的影响 ,采用单一的细分间距在调试与安装上的困难都比较大 ,性能不稳定 ,单一的倍频又难以大幅地提高分辨率。所以 ,在开发过程中我们组合了细分节距与倍频计数两种方法完成光栅原始数据的检测。具体实现过程为 :调整莫尔条纹的宽度 ,使它正好与接收信号的 4个检测硅光电池的厚度相等。当指示光栅移动 1个栅距时 ,4个光电元件接收的信号正好为 2,它们在相位上依次相差为 90。每一相在 1个周期内形成 1个计数脉冲 ,可知在 1个栅距内就可以依次得到 4个计数脉冲 ,可实现4倍分频 。由于系统采用 4 倍频计数 ,获得了 4倍的分辨率 ,加上细分光栅的 25倍分辨率 ,节距为 25m 光栅的最终分辨率可达 0.25m。 根据标准滑块的厚度，四个光栅传感器装导轨上方相应的高度。光栅传感器 1 安装在进入流水线的直道上，用来检测滑块一个面上的一条对角线上的点；经过转弯后，光栅传感器 2 检测滑块该面上另一条对角线的点；通过 180翻面后，光栅传感器 3 检测滑块另一面上的一条对角线的点；再次经过转弯，光栅传感器 4 检测出另一条对角线。所得到的数据传入上位机后，上位机就可开始对滑块做出分类判断。 5.3 上位机功能 设计 1.软件介绍 使用 C/C+语言可以进行系统工程项目和应用程序工程项目的开发。系统工程项目包括控制台应用程序，操作系统驱动程序，操作系统服务程序，嵌入系统程序和实时系统程序。这类程序一般是非可视化的，并且和系统的硬件环境密切相关。 C/C+以其对硬件控制能力而著称，因此在系统工程项目中无一例外地采用 C/C+语言。但是， C/C+应用程序的开发太复杂，传统 C+工具开发周期太长，开发环境差，所以传统 C+工作已经不适应当前快速应用程序开发的需求。 C+ Builder 是 Borland 公司新一代面向对 象，可视化的快速应用程序开发环境（ RAD， rapid application development） ,可以运行在 Windows98/95 或 WindowsNT 操作系统上。 Borland C+ Builder 不仅继承了传统 C+应用程序开发工具高效和低层硬件控制能力强的特点，同时利用了可视化构件类库（ VCL， visual component library）所提供的构件，使得该工具具有应用方便和真正可视化的特点。所谓构件，是指应用程序设计和实现的基本单元。构件是一个可视化的软件单元，可以直接放置到开发环境 中去， 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 37 页 由多个这样的构件协同完成应用程序的各项功能。以这种方法进行应用程序的开发具有快速和可视化的特点，能够缩短应用程序开发时间，提高程序人员的工作效率，适应快速软件系统开发的需求。 2.软件功能 滑块厚度综合检测平台的上位机采用了 C+ Builder 编程，主要完成的任务有： 1）系统故障报警，即接收现场控制模块的系统工作情况或故障编码，并实现设备故障的实时显示和报警； 2） CRT 显示，实时显示厚度 /平行度的检测结果及开机运行后已经检测的滑块总数，每个分料口已经分类出去的滑块数量等等； 3）键盘管理，即实现 键盘的扫描，响应键盘并完成相应的操作； 4）数据采集和测量任务，即接收来自计数口的原始数据，并进行数据处理，实现滑块厚度与平行度的测量； 5）分类任务，即将滑块按七个级别进行分类，并向 PLC 发出分类信号。具体的分类情况为： 出口 1滑块厚度合格、平行差合格 出口 2滑块厚度合格、平行差超差 出口 3滑块厚度超上限、平行差合格 出口 4滑块厚度超上限、平行差超差 出口 5厚度超下限、平行差合格 出口 6厚度超下限、平行差超差 出口 7备用出口 6）打印输出，即按报表形式将滑块的检测和分类结果 打印输出。 3.控制系统与上位机的通信 滑块厚度检测系统的控制系统硬件采用微机 -PLC 模式，工控机是整个控制系统的核心，完成检测、控制处理检测过程中的各种问题和提供人机交互的界面； PLC 是底层的控制执行核心，驱动执行机构完成各种控制命令。控制系统与上位机的通信主要通过 PLC 的通信口实现。本课题采用异步方式串行通信，收发双方分别使用各自的时钟信号，发送端可选择任何时刻开始发送数据，异步通信用一个起始位表示一个字符的开始，用停止位表示字符的结束，采用帧来传送数据，数据传送速度用波特率表示。由于 PLC 的通信口采用 的是 RS-485 标准，而工控机的串行口是 RS-232 标准， 本科毕业设计说明书（论文） 第 30 页 共 37 页 因此要使用 RS-232/PPI 多主站电缆连接。当数据从 RS-232 端口传输到 RS-485 端口时， RS-232/PPI 多主站电缆将处于发送模式；当空闲或者数据从 RS-485 接口传输到 RS-232 接口时，电缆则处于接收模式。当电缆检测到 RS-232 传送线上的字符时，会马上由接收模式转入发送模式。 RS-232/PPI 多主站电缆支持 1200b 至 115.2k 的波特率。本系统采用的 PC/PPI 电缆只支持 9600bps 的波特率，转换时间为 2.0ms。 4.通信协议 工控机与 PLC 之间的接口就是通信协议。制定完善、详细的通信协议是调试、还是系统的运行，在整个控制系统中是很重要的。 通信双方的通信格式，如波特率、奇偶校验、停止位等，要事先约定。通信单位为 2 个字节，第一个字节为数据字节，第二个字节为握手信号回车符 OD。各字节状态定义如下： 00H：分类系统准备好； 01H：滑块分类 1； 02H：滑块分类 2； 03H：滑块分类 3； 04H：滑块分类 4； 05H：滑块分类 5； 06H：滑块分类 6； 07H：滑块分类 7； 21H：分类 1 完成； 22H：分类 2 完成； 23H：分类 3 完成； 24H：分类 4 完成； 25H：分类 5 完成； 26H：分类 6 完成； 27H：分类 7 完成； 40H：测试标定程序； 41H：启动电机 1； 42H：停止电机 2； 43H： PLC 收到后，报警铃发出振铃指示； 本科毕业设计说明书（论文） 第 31 页 共 37 页 44H：报警等闪烁； 45H：报警灯长鸣； 46H：报警灯熄灭； 47H：停止响铃； 81H：滑块堆积报警； 82H：分类错误报警； 83H：初始化失败报警； 84H：传感器 1 感应开关感应到滑块进入测量范围，向工控机发出可以检测信号； 85H：传感器 2 感应开关感应到滑块进入测量范围，向工控机发 出可以检测信号； 86H：传感器 3 感应开关感应到滑块进入测量范围，向工控机发出可以检测信号； 87H：传感器 4 感应开关感应到滑块进入测量范围，向工控机发出可以检测信号； 88H：系统复位指令。 本科毕业设计说明书（论文） 第 32 页 共 37 页 6 检测平台的系统联调 6 1.安装调试 系统联调是检测平台设计的最后一个环节，也是对产品设计地综合检测。经过调试，整个控制系统基本完成预期的功能，达到了最先设计的要求。但也出现了一些问题，经过调试，给出了解决方法。 1） 由于滑块进入分料盘时的速度是由重力加速度给出的，而 PLC 的速度比滑块速度来的快，因此，需要在编程 时增加适当的延时，防止发生滑块错落的情况。 2） 滑块在经过保护板下半圆弧段时，很难保证夹具不掉出齿槽，可采取的措施如：通过调 整保护板上腰形槽尽量将内、外保护板间的间隙调均匀或间隙小的部位用锉刀挫去多余棱角，如果这两种方案仍不行，可将外夹具与带黏结起来，防止夹具与同步齿形带脱离 （或用整块钢板加工得到，而不用焊接的方式加工） ，还用加强肋提高滑块保护板的刚度。 3） 为了保证 0.1um 的检测精度，必然要求有很高的定位精度，所以滑块在变换工位时速度受到限制，但又要实现一天检测 2 万个滑块，两者产生矛盾，所以只能尽可能地找到一个 调和点。 6 2.方案改进 鉴于本毕业设计方案在调试中出现的问题，经进一步的方案论证及关键部件的加工工艺分析采取了以下措施： 1）主传动轮部分由于 在运转过程中，电机带动齿形带运动时仅有 12 个齿咬合，造成了传动力矩不够，经反复实验，对主传动转进行了改进设计，将传动主轮改为齿数为 123 个齿的复合齿轮结构，并将主传动轮及滑块翻面用的传动轮外部安装齿形带防护罩，以防滑块在正常运转过程中，由于间隙过大，出现的卡滞现象。改进后的方案实物如图 6.1-6.2 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 37 页 图 6.1 主动轮复合齿轮 图 6.2 翻面轮的防护罩 2）滑块平面角度旋转导轨经常出现卡滞现象。滑块在检测平台导轨中运行时，由于导轨形状加工具有一定的误差，导致滑块内夹具的两个滑动圆柱销受力不准，造成滑块在导轨运行中被卡死的现象，经分析，方案设计的轨道角度是 合理的，但由于加工中直线段与圆弧段过渡不合理。为解决这一现象，对原加工轨道槽进行了 研 修，研修后的导 轨 槽 在运动中基本解决滑块内夹具的卡滞现象，同时在改进中，进行了拔叉的受力分析，将单端拔叉结构作了改进，以使