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皮革性能指标测量仪控制系统设计 陕 西 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书机电工程学院机械设计制造及其自动化专业机械106 班级 学生：田辉 题目： 皮革性能指标测量仪控制系统设计 毕业设计（论文）从 2014 年 2 月 24 日起到 2014 年 6 月 22 日课题的意义及培养目标： 毕业设计是大学阶段最后一个教学与实践相结合的环节，是大学期间所学知识的综合检验。目前皮革行业对皮革柔度等性能指标测试，仍然大量采用专业技师的主观感觉判断，即便使用仪器检测，这些设备为手工操作，一般只能进行皮革单项皮革性能检测，而且设备价格昂贵，且难以满足现场检测和实验室检测的要求。本课题研究目标，将皮革压缩、弯曲、顶伸性能检测相集成，做到一机多能，操作简便，实现皮革参数的无损伤测量，为利用测得的物理数据，对皮革柔软性、延展性、手感丰满性、弹性等指标，进行描述创造检测手段。课题需要研究检测方法的设计、检测机械装置的设计、控制系统设计以及人机操作界面系统设计。本课题强调实践能力的培养，培养学生新产品开发的能力，以及熟练掌握文献检索、写作的能力。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料： 1.收集皮革性能表征的相关资料，了解检测方法和研究现状 2. 可编程序控制器原理及应用，吴忠俊编著，机械工业出版社 3.田宇主编，伺服与运动控制系统设计 4. 存储测试技术（数据检测与存储） 5.人机设备HMI应用、电气控制、机电系统设计等 课题的主要任务（需附有技术指标要求）： 完成资料整理，提出测量仪检测控制方案，完成开题报告（3月30日）；根据方案机构草图，设计实现测量皮革的拉伸变形和弯曲变形的电气控制系统，实现触摸屏操控与显示，完成伺服与检测系统设计、实现数据存储。要求完成设计方案和机械装置全部图纸；撰写1.5万字的说明书；翻译3000字的专业技术文章（5月1日）。 （1）测量仪机械系统装配图 0号图 （2）测量仪控制系统电路图 0号图（3）PLC控制程序 程序文本（4）人机界面程序 程序截图 （5）设计记录 工作笔记 主要技术要求：试样皮革：300mm；压力量程: 0-50N; 分辨率= 0.5N;皮革厚度量程：0-2mm; 分辨率= 0.01mm;顶伸行程：0-50mm。 设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周 次设计（论文）任务及要求第1周课题设计方案讨论第2、3周毕业实习、收资第4周提出设计方案，绘制控制系统方框图，开题第514周确定检测系统、PLC控制系统、HMI、数据存储设计、第15周整理设计说明书第16周毕业答辩 学 生： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： 83III皮革性能指标测量仪控制系统设计摘 要目前皮革行业对皮革柔度等性能指标测试，仍然大量采用专业技师的主观感觉判断，即便使用仪器检测，这些设备为手工操作，一般只能进行皮革单项皮革性能检测，而且设备价格昂贵，且难以满足现场检测和实验室检测的要求。本课题研究目标，将皮革压缩、弯曲、顶伸性能检测相集成，做到一机多能，操作简便，实现皮革参数的无损伤测量，为利用测得的物理数据，对皮革柔软性、延展性、手感丰满性、弹性等指标，进行描述创造检测手段。该仪器包括机械系统、运动控制系统以及检测系统组成。首先，根据皮革性能指标检测的运动要求，采用Solidworks2010作为设计平台，完成该测量系统的本体设计、传感器夹持装置设计，为控制系统设计和检测系统提供载体。其次，根据皮革性能指标检测的运动要求，采用SiemensPLC200 cpu224xp为控制器，使用V4.0 STEP 7 Micro-WIN SP6作为控制程序编程软件。采用SiemensSmart 700IE触摸屏，使用SIMATIC Wincc flexible 2008作为触摸屏程序编程软件。之后，完成检测系统设计，该系统也包括硬件和应用程序两个部分。硬件结构组成主要包括PLC及外围电路、光栅位移传感器、力传感器和力变送器、步进电机和步进电机驱动器。用SIMATIC Wincc flexible 2008作为数据采集、处理、存储。最后，完成上述三个系统的融合，通过PLC发出脉冲信号PUL对步进电机进行转角控制，发出方向信号DIR对步进电机进行方向控制，完成步进电机正、反转与加、减速控制，通过压力传感器和光栅位移传感器进行同步数据采集传给PLC、PLC与触摸屏通信进行数据处理与存储。这样就完成了对皮革进行压缩性能、顶伸性能、弯曲性能的检测。关键词：SiemensPLC，触摸屏，皮革性能指标，光栅尺，压力传感器，步进电机LEATHER PERFORMANCE INDICATORS MEASURING INSTRUMENT CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTThe leather industry of leather softness performance indexes such as testing, is still a large number of USES the subjective judgment of professional technicians, even use instrument testing, these devices for manual operation, generally only single leather performance testing, and the equipment is expensive, and difficult to meet the requirements of field test and laboratory tests. This topic research goal, the leather compression, bending, stretching performance testing integration, do one machine can, simple operation, realize the non-invasive measurement of leather parameters, for the use of physical data, the leather softness, ductility, feel plump, elastic and other indicators, create examination method is described. The instrument includes the mechanical system, motion control system and testing system.First of all, according to the requirements of the leather performance testing movement, using Solidworks2010 as design platform, complete the ontology of the measurement system design, the sensor clamping device design, design for control system and testing system to provide the carrier.Secondly, according to the requirements of the leather performance testing movement, using Siemens PLC200 cpu224xp as the controller, by V4.0 STEP 7 Micro - WIN SP6 as control programming software. The design uses Siemens Smart 700 HMI IE, using SIMATIC Wincc flexible 2008 programming software as HMI.After finish test system design, the system also includes two parts of hardware and application. Hardware structure consists of PLC and peripheral circuit, the grating displacement sensor, force sensor and the force transducer, stepper motor and stepper motor drives, by SIMATIC Wincc flexible 2008 as data acquisition, processing, storage.Finally, to complete the above three systems integration, through the PLC signal pulse PUL Angle control for stepping motor signal direction DIR to control the direction of stepper motor, stepper motor is, inversion and plus, deceleration control, through the pressure sensor and grating displacement sensor synchronous data acquisition to PLC, PLC and touch screen communication data processing and storage. This completes the compression performance of leather, stretching, bending performance testing.KEY WORDS ：Siemens PLC, touch screen, leather performance indicators, grating ruler, pressure sensor, stepper motor 83皮革性能指标测量结构仪设计1 绪论1.1 课题的目的和意义皮革柔软、丰满、弹性等皮革性能指标是皮革质量好坏的重要描述概念，并且决定了皮革的品级。我国目前虽然每年皮革年产很大，但并不是该行业领域的生产强国网，原因在于品质难于把握，从而使得价格方面与发达国家相比仍处于弱势。目前皮革行业对皮革柔度等性能指标测试，仍然大量采用专业技师的主观感觉判断，即便使用仪器检测，这些设备为手工操作，一般只能进行皮革单项皮革性能检测，而且设备价格昂贵，且难以满足现场检测和实验室检测的要求。本课题研究目标，将皮革压缩、弯曲、顶伸性能检测相集成，做到一机多能，操作简便，实现皮革参数的无损伤测量，为利用测得的物理数据，对皮革柔软性、延展性、手感丰满性、弹性等指标，进行描述创造检测手段。皮革性能指标检测的自动化、集成化是皮革行业发展的迫切要求。1.2 国内外现阶段发展水平成都科技大学的苏真伟教授研制的皮革柔软度测定仪、四川大学的李志强教授提出了皮革柔软度的测定方法及陕西科技大学的张晓镭教授研制的皮革柔软度和丰满度测量分级装置等，都为我国皮革检测方面的研究打下了坚实的基础。国外有关皮革感官特性参数测试仪器的研究工作相对比我国比较早。在1988年印度的 B.Lokanadam 等建立压缩指数的数学模型，研究了压缩指数和皮革柔软度的Kellert 等人借鉴造纸工业中纸张僵硬度测定仪测定皮革的柔软度；1993年，英国皮革技术中心(BI-C)的Alexander根据顶伸的力学特点，研制出商业化的柔软度测试仪(BI。CSn300)，该仪器的测试值为一个固定压力下皮革的顶伸高度，测试过程中不损伤皮革，操作简单，目前此类产品已经实现了国产化过程。近年来德国，El本等国对皮革感官作了很多的研究工作。其中，德国根据在顶压作用下挠曲变形来研究皮革感官特性参数。 但是目前皮革行业使用的皮革力学性能测试仪器多从国外进口，国外生产厂家对我们进行技术保密。同时这些设备多为手工操作，一般只能进行皮革压缩性能检测、弯曲性能检测及顶伸性能检测中单项指标的检测，而且设备昂贵。由于发达国家对皮革检测仪器研究持续时间长，故在该领域已经走在了时代的前沿。而我国对皮革检测仪器研究投入的人力和物力均不足，使得国产皮革检测仪器长期处于低水平徘徊。国产皮革性能指标检测的自动化、集成化是皮革行业发展的迫切要求。 目前，对于皮革柔软性能、丰满性能、弹性性能等指标的测量主要运用传统的人工检测方法。1.3 皮革性能检测方法皮革的感官特性是人们在长期实践中对皮革的触觉和视觉综合性能的概括，是人手触摸皮革和人眼观看皮革的感觉综合反映，它包括柔软度，弹性度，丰满度等一系列的感受，因此它是一种感官特征。评价皮革的感官特性一直是沿用皮革检测人员的感观检验方法，眼看手摸。从而评定结果受到个人的专业技能、文化素养、脾性喜好，甚至民族风俗等多种主观因素以及环境条件等客观因素的影响。其评定结果用语言，文字或者图表表达，既没有统一的标准又缺乏规范的词汇，难以进行相互交流。即便使用仪器检测，这些设备为手工操作，一般只能进行皮革单项皮革性能检测，而且设备价格昂贵，且难以满足现场检测和实验室检测的要求。为此，可以将PLC技术引入皮革压缩性等指标的测试。利用该技术，可以将皮革压缩性能检测、皮革弯曲性能检测以及皮革顶伸性能检测相集成，做到一机多能，操作简便，数据可以以图片的方式显示，也可以存储、打印。这样仪器若研制成功，不但可以替代进口产品，并且可以继承多种单项仪器的功能。与单片机，采用PLC有以下几大优势：（a）PLC编程简单，逻辑性强，上手容易；单片机编程复杂，较难上手；（b）PLC抗干扰能力较强，可以直接运用到工业场合；单片机必须增加很多外部电路，同时在软件中采取措施，才能达到实际运用中抗干扰的目地，所有这些还需要丰富的经验才能完成，否则整个项目可能功亏一篑；（c）近几年，PLC的功能已经在原来仅用于逻辑控制的基础上有飞跃的扩展，在各个领域大量取代单板机，逐步成为一般工控系统的主流；（d）PLC为模块化系统，比单片机 更容易维修、升级程序或更换硬件；1.4 本课题主要内容本课题设计了具有1个自由度的精密机械机构平台，利用V4.0 STEP 7 Micro-WIN SP6和SIMATIC Wincc flexible 2008作为软件开发平台，以SiemensPLC200 cpu224xp和SiemensSmart 700IE为主控元件、步进电机以及步进电机驱动器作为运动控制部分、光栅尺和压力传感器以及外围设备组成的系统作为数据采集部分，通过PLC发出高速脉冲给步进电机驱动器，步进电机驱动器控制步进电机运动，步进电机控制滑台丝杠旋转，丝杠螺母上连接有测力传感器，力传感器和光栅传感器同步运行，力传感器上可以连接压缩侧头、顶伸侧头、弯曲侧头、这样就可以完成整个控制系统。2 皮革性能指标的测定2.1 皮革性能指标参数的描述日常生活中所谓的皮革都是已经经过脱毛、去肉及鞣制等加工后的成品或半成品原材料。也已经在某些程度上失去了原先动物皮的特征，比如已经具有很强的防腐性质。皮革内部是以三维结构存在的蛋白纤维束交织而成的，表面是一定结构的粒面层，具有原始纹理结构和光泽，手感细腻。不同种类的皮革具有不同的特性，即使同种类型的皮革特性也会因为出产皮革的不同个体性状的不同有很大不同，所以皮革制品质量的好坏大部分取决于原材料的性质好坏。为了满足工业生产的需要，人们有必要对皮革的质量进行评定，皮革质量的好坏可以通过人的感官判定、显微结构分析和物理化学性质分析等手段综合进行判定。人的感官判定又可以称为感官检查，可以通过人的手触摸、眼睛看等方法，同时凭借经验对皮革的质量进行评定，这个方法是基于人的感觉器官与人对皮革性质的经验的。目前人们研究皮革性能的好坏主要还是通过感官判定的方法，而且感官判定方法具有比较直观、无破坏、操作简单的特点，如皮革的丰满度、柔软度、粒面特性、色泽等特性判定都是通过感官判定方法进行的。但是这种判定方法不具有较高的客观性，判断结果也受人的经验及人的实时心情及所处环境等众多因素所影响。目前国内的研究人员、技术人员对皮革的性能判定方法可分为以下几类，按照对人们不同的感觉刺激途径可以将皮革性能测定分为如下几种：（a）触感判定：指人对皮革产品进行抚摸、抓捏、揉搓等手法接触材料时对人皮肤产生的刺激，刺激经过一系列神经系统的翻译而成的人的感受，例如产品柔软性如何、是否光滑及是否厚实等一系列感受。（b）视觉判定：视觉判定是人们在材料受光情况下对材料表面特性的判断，包括材料的色泽、表面纹理等判定，一盘用色泽光鲜、纹理清晰等词形容。（c）试穿判定：试穿判定是皮革性能研究人员通过人对皮革式样体验后反应的个人感觉，例如产品保暖效果如何、是否对皮肤产生有刺激性的不适感等。显微结构分析是研究材料性能的主要研究方法，是材料科学研究的一个不可或缺的重要环节与手段通过在显微技术下对材料的结构进行分析，研究材料的性能与材料内部组成元素的组合结构的关系。物理化学性质分析方法是近代科学研究的一个主要研究手段，通过实验，研究材料的物理性能及化学结构与材料性能之间的关系。2.1.1 柔软度皮革的柔软度是指当皮革受力发生变形时，检测到的皮革厚度、挤压程度、平滑感觉和革弯曲延伸性能的综合。柔软度通常体现胶原纤维活动空间的大小和胶原纤维相对滑动的难易程度，皮革的柔软度是难以用参数进行表述的，但是可以用相应的力学状态及力学参数来表述的。2.1.2 丰满度丰满度是指当皮革受外力作用发生变形时，通过触觉所感受到的挤压、平滑的感觉。丰满度体现了胶原纤维交联时，形成的一种立体网状结构的性能，皮革的丰满度可以通过力学方法进行测量，测量方法本身与手感检验方法在力的传感形式上有相似性和替代性。2.1.3 弹性度弹性度是皮革在制造过程中以及穿着过程，受到外力作用发生变形，皮革变形之后恢复原状的能力。弹性度反映了皮革胶原纤维的柔韧程度，人体对所接触的外界物体的柔韧程度是很敏感的，因此皮革的弹性度是衡量皮革品质优劣的重要特性。2.2 皮革性能指标参数的力学测定以弯曲力作用皮革，皮革所表现的弯曲性能，以顶伸力作用皮革，皮革所表现的顶伸性能及以压缩力作用皮革，皮革所表现的压缩性能。为了排除其他微气候环境因素对检测结果的影响，也为了给检测工作提供一个更好的参照坐标，我们将检测工作置于一个常温、常压等环境中，并将在此环境中的力学表示作为检测皮革性能指标的依据。这些力学性能都是采用标准皮革式样在经过空气调节空气调节温度为(251)、相对湿度为(651)24小时后进行的。皮革的水分的含量与周围环境的湿度与温度有关，不同的皮革水分含量在很大程度上不同，即使是同一张皮革，在不同环境中的水分含量也有明显不同。将待测皮革一同在相同的湿度与温度条件下放置24小时后，目的在于使得其水分趋于一致，可使得在同一条件下获得的测试数据具有比较好的比较价值，从而能较客观的判定皮革的质量。2.2.1 皮革的压缩性能参数测定方法描绘皮革压缩时力与位移的实时曲线，其压缩性能测试夹拭附件的圆形压脚直径为70 mm，压脚表面在任何位置时，应与试样放置台的表面相平行，其误差应在005mm以内，仪器精确度为0.01 mm。测定前更换皮革夹拭附件，调试测试仪器到最佳状态，在满足温度和湿度的条件下，将皮革试样粒面向上放在皮革试样压缩台上，圆形压脚缓慢落在试样上，测试仪器将每隔01 S的时间自动记录压缩位移和压缩力，保持压缩力暂停5 s后卸载，测试仪器将再次每隔01 s的时间自动测试并记录压缩位移和压缩力。如图2-1所示，压缩平台3A是一个内部空心的腔体，测定前将压缩平台与底板5用螺钉固定，将压缩皮革式样4A放在压缩平台内。1为压力传感器，压缩侧头2A缓慢向下运动，检测仪会隔一定时间记录压缩位移大小和压缩力的大小。当达到预定的压缩量或压缩力时检测仪会保持5s在卸载，此后检测仪再以一定时间间隔记录压缩回复位移与卸载压缩力的大小。图2-1 压缩性能测试示意2.2.2 皮革的顶伸性能参数测定方法描绘皮革顶伸时力与位移的实时曲线，其顶伸性能测试夹拭附件由顶伸杆、顶伸球和圆形皮革试样上压环及下压环组成，顶伸杆与圆形皮革试样上压环及下压环同心且其误差应在005mm以内，仪器精确度为0.01 mm。测定前更换皮革夹拭附件，调试测试仪器到最佳状态，在满足温度和湿度的条件下，将皮革试样紧固在皮革试样上压环和下压环上，顶伸杆缓慢向下移动，测试仪器将每隔01 S的时间自动记录顶伸位移和顶伸力，保持顶伸力暂停5 s后卸载，测试仪器将再次每隔01 s的时间自动测试并记录顶伸位移和顶伸力。如图2-2所示，顶伸平台3B是一块顶板，测定前将皮革式样4B放在顶板和底板5之间并用螺钉固定。顶伸侧头2B缓慢向下运动，检测仪会隔一定时间记录顶伸位移大小和顶伸力的大小。当达到预定的顶伸量或顶伸力时检测仪会保持5s在卸载，此后检测仪再以一定时间间隔记录顶伸回复位移与卸载顶伸力的大小。图2-2 顶伸性能测试示意2.2.3 皮革的弯曲性能参数测定方法描绘皮革弯曲时力与位移的实时曲线，其弯曲性能测试夹拭附件为长方形压板和长方形弯曲压槽，在任何位置时其误差应在005 mm以内，仪器精确度为001 mm。测定前更换皮革夹拭附件，调试测试仪器到最佳状态，在满足温度和湿度的条件下，将皮革试样弯曲成圆筒状放在长方形压槽内，压板缓慢向下移动，测试仪器将每隔01 s的时间自动记录弯曲位移和弯曲力，保持压缩力暂停5 s后卸载，测试仪器将再次每隔01s的时间自动测试并记录弯曲位移和弯曲力。如图2-3所示，弯曲平台3C如图所示，测定前将弯曲平台与底板5用螺钉固定，将皮革式样4C圈成直径和弯曲平台间隙一致的圆筒状，弯曲侧头2C缓慢向下运动，检测仪会隔一定时间记录弯曲位移大小和弯曲力的大小。当达到预定的弯曲量或弯曲力时检测仪会保持5s在卸载，此后检测仪再以一定时间间隔记录弯曲回复位移与卸载弯曲力的大小。图2-3 弯曲性能测试示意2.3 皮革材料力学性能特征与感官参数的关系根据以上的皮革材料力学性能参数的测定和皮革感官特性参数的定义，建立皮革力学性能参数与皮革感官特性参数之间的数学关系。23.1 压缩性能压缩性能与皮革感官特性参数，即皮革柔软度，丰满度，弹性度的数学模型关系，利用上述压缩力学性能参数测定方法测定的数据，即测试仪器在压缩性能测定条件下，每隔01 s的时间记录的压缩位移s和压缩力F数据，经过数据拟合绘制力与位移的曲线，例如采用线性拟合得到：压缩性能加载曲线为 s =f(x)=k x + b ，压缩性能卸载曲线为s=f(x)=k x + b。斜率k越大表明皮革越容易压缩，皮革的柔软度越大，斜率k越大表明皮革越容易恢复原型，皮革的丰满度越大，加载曲线与卸载曲线包围的面积越大表明皮革的恢复空间越大，皮革的弹性度越大。23.2 顶伸性能顶伸性能与皮革感官特性参数，即皮革柔软度，丰满度，弹性度的数学模型关系，利用上述顶伸力学性能参数测定方法测定的数据，即测试仪器在顶伸性能测定条件下，每隔01 s的时间记录的顶伸位移s和顶伸力F数据，经过数据拟合绘制力与位移的曲线，例如采用指数拟合得到：顶伸性能加载曲线为 s =f(z)=aexp(x)+b，顶伸性能卸载曲线为s =f(z)=aexp(x)+b。系数a越大表明皮革的纵向和横向的综合拉伸变形越大，即皮革的柔软度越大，斜率a越大表明皮革越容易恢复原型，皮革的丰满度越大，加载曲线与卸载曲线包围的面积越大表明皮革的恢复空间越大，皮革的弹性度越大。23.3 弯曲性能弯曲性能与皮革感官特性参数，即皮革柔软度，丰满度，弹性度的数学模型关系，利用上述弯曲力学性能参数测定方法测定的数据，即测试仪器在弯曲性能测定条件下，每隔01 s的时间记录的压缩位移s和压缩力F数据，经过数据拟合绘制力与位移的曲线，例如采用指数拟合得到：弯曲性能加载曲线为 s=f(z)=aexp(x)+b，弯曲性能卸载曲线为s=f(z)=aexp(x)+b 。系数a越大表明皮革的纵向和横向的综合拉伸变形越大，即皮革的柔软度越大，斜率a越大表明皮革越容易恢复原型，皮革的丰满度越大，加载曲线与卸载曲线包围的面积越大表明皮革的恢复空间越大，皮革的弹性度越大。综合以上四种力学性能的三个参数，得出皮革感官特性的综合性能评价。3 皮革性能指标检测仪的结构设计3.1 皮革检测仪设计方案的技术要求本皮革性能指标检测仪的总体设计方案按照如下关键技术要求完成：1)被测皮革样品在外力作用下产生变形，变形的位移量在描述皮革力学性能中起到至关重要的作用，本课题要完成对皮革样品的弯曲位移量、顶伸位移量、压缩位移量进行检测，精度要求是：弯曲位移量精度为0.01mm、顶伸位移量精度为0.01mm、压缩位移量精度为0.01mm，因为压缩位移量是三个参数中最小的，所以要充分保证其精度，定为0.01mm。为此，本课题使用高精度光栅尺作为位移的测量仪器。光栅尺输出为数字脉冲方波信号，便于数据处理，具有精度高、抗干扰能力强等优点。2)被测皮革受力变形时的载荷值是反映皮革力学性能的另一关键参数，本课题要求所测的力精度能达到C3级别，同时对样品革进行弯曲力测试、顶伸力测试、压缩力测试的负荷范围不同。本课题选用S形拉压式称重传感器，具有精度高，稳定性好的特点。通过压力变送器处理传感器初始信号，经过模拟转数字(A/D)，后与控制器连接。 3)被测皮革在受力下产生的变形应该满足一定的速度要求，因为此测量的精度要求，皮革的变形应该在低速的情况下进行，而且速度必须是可控的。范围应该在1O-50mms之间。本课题选用精度较高的步进电机，为了更加精确的控制步进电机运动，配合带细分功能的步进电机驱动器。通过控制步进电机的转速控制被测皮革变形的速率。 4)三种皮革力学性能的测试要求不同，所有装夹皮革的工装夹具要求有很大不同。弯曲性能测试需要一块长方形的皮革，将皮革卷成皮革卷并固定，让专用测头下压皮革卷产生变形。顶伸性能测试需要使用一块完整皮革，用换装固定压圈将其固定，使其在受力时四周受力均衡，当专用测头向下走动，顶伸皮革产生变形。压缩性能测试粗要一块表面完整的皮革，放在表面光滑平整的压缩台上，专用测头下压皮革产生变形。皮革性能测试的工装夹具要满足这些不同要求，因此工装夹具的设计对检测精度影响很大。本课题设计三套专用的工装夹具与侧头来达到这样的测试要求。3.2 皮革检测仪的工作原理皮革性能指标检测仪依靠控制单元控制步进电机产生各种用户需要的运动，通过行星齿轮减速器对步进电机进行变速，获得足够大的扭矩，控制侧头一系列运动。压力传感器与侧头相连安装，光栅尺的读数头与压力传感器的运动是同步的，即测得的数据是一一对应的。两种传感器分别采集位移信号与力载荷信号，控制单元负责将信号进行处理，最后显示处理后的信息。信息的处理包括数据的模数转换、数据计算。数据的处理是基于弯曲特性、顶伸特性、压缩特性这三个皮革力学性能，显示的数据反映皮革的柔软度、弹性度、丰满度三个性能指标。3.3 皮革检测仪的机械系统设计测试仪三维机械图如图3-1所示，图3-1中主要部件名称：1为光栅位移传感器，2为精密滚珠丝杠，3为s型力传感器，4为压缩侧头，5为压缩工作台，6为底板，7为三角架底板，8为三角架前板，9为三角架侧板，10平移块，11为三角架后板，12为联轴器，13为带行星齿轮减速器的步进电机。图3-1 测试仪三维机械图机械传动系统是本皮革性能指标检测仪机械系统的核心部分，设计的好坏直接影响到测量结果的可信度，甚至影响到本方案的可行性。机械传动系统主要包括提供动力的步进电机、减速器、丝杠、平移块、联轴器、上限位开关、下限位开关、位移传感器等元器件。为了能够实现在检测中对位移及施力可控制，采用可以控制步距角的步进电机作为动力来源，采用配套的行星齿轮减速器，对步进电机进行减速，以获取更大的转矩，保证能为测试提供足够的动力，而且对步进电机起到了保护作用。主要工作过程：精密丝杠起到传递运动的作用，并且提高了测试的精度。联轴器连接减速器与精密丝杠，既保证了转动的传输，而且也起到缓冲的作用，减少冲击力对减速器及丝杠的损害。平移块依靠精密丝杠的推动做上下往复运动，平移块的作用主要是安装测头系统及传感器，可以实现两组皮革力学性能指标的同步测定。上限位开关，起到上限位的功能和复位作用，当检测仪平移块运动到上端的时候，触碰上限位开关，触发步进电机反转或者停止程序，保护检测仪受到损伤。下限位开关，同理可得其起到下限位的功能，当检测仪平移块运动到下端的时候，触碰下限位开关，触发步进电机反转或者停止程序，保护检测仪受到损伤。上、下限位开关为机械式限位开关，当测试仪上电启动时，控制器控制步进电机转动，驱动平移块向上运动，平移块向上运动，步进电机驱动器发信号给控制器，控制器控制电机反转，仪器进入工作状态。皮革压缩侧头设计与压缩夹持部分、顶伸侧头设计与顶伸夹持部分、弯曲侧头设计与弯曲夹持部分设计在第2章的中已介绍过，在这不详细说明。具体机械系统装配图见图纸。3.4 步进电机介绍与选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在未超载的情况下，电动机的转速和停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，给电动机加上一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。在大功率驱动设备市场上，大扭矩步进电机没有市场，无论是在经济性、噪声、加速度、系统惯量、最大扭矩等方面，都不如采用伺服电动机或是直流电动机加编码器好。步进电动机主要是应用在小功率场合。步进电动机种类繁多，按运动方式分为:旋转、直线和平面步进电动机三大类；按电动机输出转矩分为：快速和功率步进电动机；按转矩产生的工作方式分为：反应式、永磁式和混合式三类；按励磁组数又可分为：两相、三相、四相、五相和八相等；按电流极性分为:单极性和双极性。混合式步进电动机结合了反应式和永磁式步进电动机的优点，采用永磁式磁铁提高电动机的转矩，采用细密的极齿来减小步距角。混合式步进电动机输出转矩大，动态性能良好，是应用得最为广泛的步进电动机。最受欢迎的是两相混合式步进电动机，其市场份额约97%，原因是它的性价比高，配上细分驱动器后效果良好。3.4.1 步进电机的种类及参数目前市场上销量最大的步进电机基本上都是两相混合式，步进电机根据安装尺寸的大小分为：20BYG、28BYG、35BYG、39BYG、42BYG、57BYG、60BYG、86BYG、110BYG、130BYG。步进电机除了法兰盘与机身长度有较大差异外，同一款法兰盘的电机也有若干细分，电机的转矩随其机身的有效体积（机身长度面积）的增加而增大。a)静力矩（保持力矩）：传统电机选型时第一考虑的是电机的功率，而步进电机参数表中却没有这个参数，步进电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，电机的输出功率是可变的，其相对应的是步进电机的保持转矩。电机转矩的计算包含两部分，一是克服驱动机构的摩擦转矩TL，一是克服负载和电机转子惯量的启动转矩TS，电机扭矩T的计算公式为3-1。S为安全系数，一般计算S=2。T=（TL+TS）S (3-1)电动机轴上的负载转矩TL为下式3-2,式中TL为生产机械的负载转矩， c为电动机拖动生产机械运动时的传动效率，j为传动机构的速比。TL=TL/( c j) （3-2）根据计算所得的转矩大小(即所要带动物体的扭力大小)，对照电机参数表来选择哪种型号的电机，一般而言，负载扭矩在1Nm以下选用42BYG以下的电机；负载扭矩介于1Nm与2Nm之间可选用57BYG或者60BYG；负载在2Nm以上的可考虑75BYG、86BYG，110BYG的扭力可达27Nm。b)转动惯量：步进电机的转动惯量是大家容易忽视的一个参数，电机的转动惯量的大小跟其法兰盘和机身长度成正比，电机转子越大其转动惯量也越大。电机转动惯量越小，其启动速度越快，高速性能也越好；在负责转动惯量较大的应用场合，大转动惯量的电机在启动和停止的时候均具有较好的平稳性，转动惯量太小的电机在停止的时候甚至出现过冲的现象（无法正常定位）。c)相电感与矩频特性：步进电机的转矩并不同于伺服电机的恒转矩，电机的输出转矩与转速成反比，步进电机在低速(每分钟几百转或更低转速)，其输出转矩较大，在高速旋转状态的转矩(1000转/分-9000转)就很小了。当然，有些工况环境需要高速电机，就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。3.4.2 步进电机的选择在这里选择无锡惠斯通电机科技有限公司的57BYGH748ZQ带行星齿轮减速器的步进电机。具体参数为步距角1.8、机身长L2为76mm、相电压为3V、相电流为3安培、相电阻为1欧姆、相电感为4.5mH、静力矩为16kgcm、引线数为4个、转动惯量为0.3kgcmcm、减速比为1:18、减速机长L1为55mm、传动效率为81%。3.5 光栅位移传感器介绍与选择光栅位移传感器（又称光栅尺）一般是利用刻在某种载体（如玻璃、晶态陶瓷或钢带等）上的隔栅，作为测量的基准。其工作原理是利用感知光度变化的光电池扫描的方法进行测量。一般光栅尺载体和指示光栅上每毫米刻有25线或50线。光线投射到已调整好的光栅上时，便会产生摩尔条纹图像，当光栅尺移时，图像的光强度将发生周期性的变化，这种变化被光电池接受后，经电子信号处理，便可达到检测位移量的目的。一般光栅尺利用两路光电池输出两路正弦波或方波信号，检测两路信号的相位差，可知光栅尺的运动方向。光栅尺所检测的是相对位移，或称为增量式位移检测。但在实际应用中，都需要一个绝对的基准点，一般是在光栅尺上每隔50或100mm 刻有一个绝对参考标记，以便达到基准点准确的目的。光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。光栅尺位移传感器是有标尺光栅（主光栅）和指示光栅两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。光栅检测装置关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）原理图如图3-2所示图3-2 光栅传感器结构图莫尔条纹的形成：以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” 如图3-3所示。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。图3-3 莫尔条纹形成的原理在这里选择由深圳市精测仪器有限公司生产的PLC 24VJC824 光栅位移传感器，具体参数如表3-1所示:表3-1 光栅位移传感器技术规格精度等级1um、2um、6um、10um1um测量标准刻线玻璃光栅默认热膨胀系数810-6 K-1默认工作电压5V5%DC、24V5%DC24V5%DC工作速度1m/s（1um）、2.5/s（55um）1m/s（1um）加速度60m/s2默认参考工作温度-10-70默认参考工作湿度90RH默认零位参考点可带、标准、无无参考点版本50mm/个、标准、中心点一个50mm/个光栅栅距20um、10um20um测量程序增量式默认信号方式TTL、EIA-422-A（RS-422）、-1VPPTTL电路特性NPN默认光栅测量系统透射式红外光学，红外线波长940nm默认分辨率步距5um、1um、0.5um1um读数头系统垂直式五轴承滚动系统、45五轴承滚动系统垂直式五轴承滚动系统分辨率5um、1um、1um有效行程0-1000mm、0-3000mm0-1000mm精确度（4+L3）um、（1.5+L2）um（4+L3）um重复精度1um、5um1um扫描频率28KHZ默认抗振动50HZ-2000HZ默认冲击16ms默认位移摩擦阻力5N默认防护等级IP53/IP64默认信号电器连接独立适配电缆（2.5M/3M/4M/5M, 100M,可连接安装块）默认净重0.48kg-0.58kg+L0.86kg默认毛重05kg+L1.56kg默认包装标准防震包装默认光栅位移传感器的脉冲信号周期如下图3-4所示，TTL信号波形图如图3-5所示。图3-4 脉冲信号周期信号周期 A相 24 VB相90相位差 Z相图3-5 TTL信号波形光栅尺A、B两路信号输出具有90度相位差，从而判断光栅尺的位移方向。选择1um的分辨率，则位移量=脉冲数脉冲当量 即位移量=脉冲数4um。光栅位移传感器的接口图如图3-6所示。图3-6 电气接口图这里选择不带参考点、适用于RS-232接口、TTL方波信号输出的接口电路。3.7压力传感器的介绍与选择压力传感器是测试技术、仪器仪表控制等方面普遍使用的传感器，它的广泛应用于各种工业自控环境。压力传感的种类繁多，工作原理各不相同，本文采用的是应变片压力传感器。使用特殊的粘和剂将应变片与产生力学应变的基体紧密地粘合，基体受外力作用产生应力变化，促使电阻应变片形变，阻值发生对应变化，电阻上的电压值伴随着变化。实际应用中，应变片的一系列变化程度很小，所以要将应交片组成应变电桥，经过信号放大处理后，最后传输给控制器。本文选用的压力传感器输出信号为模拟电压信号，所以需要电压式压力变送器对输出信号做相应的处理在传输给PLC。这里选用天津市丽景微电子设备有限公司生产的STP型S型测力传感器，具有结构紧凑，安装方便，拉、压力均可综合精度高，长期稳定性好，铝制材质，表面阳极化处理，适用于吊钩秤、机电结合秤、料斗秤、料罐秤、包装秤、配料称重控制、定量给料机、灌装机、通用材料试验机、力的监控及测量。在这里选额定载荷为5Kg的S型测力传感器其电气原理图如图3-7所示。图3-7 传感器电气原理压力传感器的技术参数包括额定载荷、额定输出、零点平衡、综合误差、蠕变、正常工作温度、允许工作温度、温度对零点影响、推荐激励电压、最大激励电压、输入阻抗、输出阻抗、绝缘阻抗、安全过载、极限过载、弹性元件材料、防护等级、电缆线长度、接线方式。具体参数如图3-8所示。图3-8 传感器技术参数4 控制系统设计4.1 皮革检测仪方案的确定根据总体设计要求与工作原理，本皮革性能指标检测仪主要由机架、控制单元、步进电机、减速器、传感器、皮革夹具、工作台、显示器等组成。基于皮革的三种力学性能测试特点，配套三种功能的测头与皮革夹具j在通用的工作台上更换三种皮革夹持装置，同时更换测头，即可实现对三种皮革力学性能的测试，实现一机多功能的设计目标。便于对设计方案的理解，下面绘制设计方案的框图41。图4-1 设计方案框图4.2 控制器的介绍与选择可编程控制器（Programmable Logic Controller， PLC）是一种数字运算操作的电子系统，是为工业环境应用而专门设计制造的计算机，主要用于代替继电器实现逻辑控制。它具有PID、A/D转换、D/A转换、算术运算、数字量智能控制、监控及通信联网等多方面的功能，PLC已经逐渐变成了一种实际意义上的工业控制计算机，它广泛应用于机电控制、电气控制、数据采集等多个领域，还具有丰富的输入/输出接口和网络通信能力、较强的驱动能力等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、交通、化工、