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机械毕业设计论文
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长玻纤增强反应注射成型生产线,机械毕业设计论文
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PLC 设计 输入输出接口及通道分配 输入 1， 小车各个工位的选择按钮 SB1,SB2,SB3,SB4,SB5,SB6,SB7,SB8,SB9,SB10 2， 启动、停止、两点输入 3， 为防止小车在运行过程中碰到物或者人设一红外感应器， 1输入 4， 为使小车准确停靠，在每个工位设传感器，小车前进和后退进入工位的顺序不一样，每个工位设前进后退两个传感器，为了保证停靠准确，在小车上设前进传感器，后退传感器，和位置传感器，这样可以感知停靠偏左还是偏右，停靠准确时三个感应器均接通，共10*2+3=23输入 5，每个工位设呼叫按钮（即接收模架单元的浇注申请） SA1,SA2,SA3,SA4,SA5,SA6,SA7,SA8,SA9,SA10 6， 自动运行选择和手动选择按钮 SC1,SC2, 7， 浇注服务的状态信息一输入 共 50个输入 输出 1， 小车的前进和后退两点输出，表现为电机的正反转 2， 输出到位状态信息、浇注信息 给机械手 3， 输出浇注结束信号给模架 4， 小车手动，自动运行指示灯两点输出 3，小车的加速、减速、匀速三点输出 4，各个工位的指示灯十点输出 5， 小车前进，后退指示灯两点 6， 非正常 状态报警输出 共 20个输出 PLC选型 根据输入输出点数选择西门子 S7-200系列， CMP1A 系列 30点输入输出型，加两个扩展模块，最大 I/O点数为 90 PLC编程 分几大块 1， 小车自动与手动选择控制 2， 小车到达工位指示灯控制 3， 每个工位呼叫指示控制 4， 小车启动和运行方向选择控制 5， 小车的速度变换控制 nts nts 南 京 理 工 大 学 毕业设计（论文）任务书 学 院（系）： 机械工程学院 专 业 ： 机械工程及自动化 学 生 姓 名： 曾梁彬 学 号： 03303502 设计 (论文 )题目 ： 长玻纤增强反应注射成型生产线工艺试验系统设计 起 迄 日 期 : 2007年 3 月 5 日 7 月 6 日 设计 (论文 )地点 : 南京理工大学 指 导 教 师 : 孙宇 专业 负责 人 : 发任务书日期 : 2007 年 3 月 5 日 nts 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 1本毕业设计 （论文）课题应达到的目的： 1、通过本课题的研究，锻炼学生的创新设计能力、外文阅读能力、自己查阅资料的能力与独立思考问题的能力和发现并解决问题的能力。 2、针对该具体课题，希望学生能了解国内当前该领域的现状，在此基础上做出一些成果，使大学学到的知识得到综合应用，为进一步深造或走向工作岗位打下良好的基础。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 长玻纤增强反应注射生产线总体设计； 机器人控制系统接口设计； 制品生产工艺及试验研究、设计； 影响制品质 量因素分析； 要求独立完成系统设计，工艺试验等，并提供齐全、正确、统一的技术文件和毕业设计说明书 nts 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等： 1、 毕业设计论文。要求书写规范、结构严谨、图表清晰，研究内容的表述要言简意赅，得出的结论要证据确凿。 2、 机器人控制系统研究及具体编程实例。 3、 生产线总体设计图。 4、 系统集成， 现场运行试验和调试。 4主要参考文献： 1 袁伟，高密度结构反应注射成型聚氨酯材料的开发，化学推进剂与 高分子材料， 2005，10（ 8）： 1821 2 赵菲等， RIRIM 机在聚氨酯弹性体加工中的工艺探索，聚氨酯工业， 2002， 22（ 3）：2426 3 曹长兴等 .反应注射成型设备混合系统的类型与性能，塑料科技， 2004， 21（ 5）： 3034 4 John J. Craig. 机器人学导论 .北 京：机械工业出版社 .2006 5 F. Yacoub, J.F. MacGregor.Analysis and optimization of a polyurethane reaction injection molding (RIM) process using multivariate projection methods. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems.2003,65:,1733 nts 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 5本 毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2007 年 3 月 05 日 3 月 17 日 3 月 18 日 4 月 05 日 4 月 06 日 4 月 29 日 4 月 30 日 5 月 13 日 5 月 14 日 6 月 10 日 6 月 11 日 6 月 20 日 6 月 26 日 7 月 6 日 熟悉毕业设计要求。查阅资料，完成外文资料翻译工作 撰写开题报告及文献综述 生产线总体设计 机器人的控制系统方案设计 系统集成及现场试验 文档整理、撰写毕业设计说明书 论文答辩 所在专业审查意见： 负责人： 2007 年 月 日 学院（系）意见： 院（系）领导： 2007 年 月 日 nts步 骤 1 ： 1 ） L F I 主 机 启 动 ， 等 待 浇 注 命 令 ， 2 ） 小 车 启 动 ， 3 ) 模 架 自 检步 骤 2 ： 三 单 元 准 备 就 绪 ， 小 车 启 动 ， 系 统 进 入 浇 注 等 待 状 态步 骤 3 ： 模 架 操 作 工 按 下 浇 注 工 位 就绪 信 号步 骤 4 ： 小 车 运 输 机 械 手 至 相 应 工 位 ， 向 主 机单 元 发 送 工 位 信 号 ， 浇 注 命 令步 骤 5 ： 主 机 根 据 模 架 号 确 定 浇 注 活 动 ， 浇注 结 束 后 发 送 浇 注 结 束 信 号 给 小 车 单 元步 骤 6 ： 小 车 发 送 浇 注 结 束 信 号 给 相 应 模架 。 模 架 完 成 退 模 、 合 模 动 作小 车 设 置 的 开 关 是 否 停 止转 向 步 骤 3 重 复 运 行结 束 、 待 机是否系 统 运 行 方 式 ：nts长玻纤增强反应注射成型 技术及应用 摘要 ： 本文介绍了反应成型 和长玻纤增强反应成型 原理和 工艺， 讨论了长玻纤增强反应成型材料的增强和破坏机理 ， 论述 了长玻纤增强反应成型特点及 其 一些应用 。 关键词 ： 反应注射成型（ RIM）；长玻纤增强反应注射成型（ PU LFI）；长玻纤 一、引言 反应注射成型工艺 (RIM)是从 70 年代发展起来的一项新型高分子加工技术，反应注射成型具有工艺简单、设备能耗低、生产周期短、劳动强度低、易于实现自动化连续生产等诸多特点 ,适合结构复杂、薄壁、大型制品的成型等优点 ,目前在汽车、仪表、机电产品、建筑 、制鞋、印刷、印染等行业等领域应用十分广泛 ,使用的树脂有聚氨酯、环氧树脂、聚酯甲基丙烯酸系共聚物、有机硅等。 增强反应注射成型（ RRIM）聚氨酯，是在 RIM 聚氨酯基础上完善发展起来的，它是在 RIM 聚氨酯中加入增强剂，使之在保持 RIM 工艺的基本优点基础上，又赋予 RIM-PU 更多的优异性能。 RRIM 制品具有模量高、耐热性能好、线膨胀系数小等特点， 因而特别适合替代钢材做汽车车体和各种结构部件。 RRIM-PU 所用的增强剂一般有玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维及不锈钢纤维等，而用量最大的为玻璃纤维。 玻纤 RRIM-PU 是 在 RIM-PU 基础体系中添加玻璃纤维，以提高和改善复合材料的刚性和热稳定性能，同时亦可以降低制品成本，因此，自 80 年代以来，玻纤 RIM-PU得到迅速发展和应用，美国目前 RRIM-PU产量已占 RIM-PU的 55%以上。而我国的 玻纤 RRIM 起步较晚，也相对较落后，因此对 玻纤 RRIM-PU 研究具有重要的现实意义和应用价值。 二、 反应 注射 成型原理和工艺 所谓“ 反应注射成型 RIM (Reaction Injection Moulding)” 是一种成型热固性树脂的特殊注射成型方法。它是由低粘度高活性的原料 ,经过高压碰撞 混合 ,在模腔中发生聚合反应 ,直接固化成型为塑件的特殊注射成型方法。因为热固性树脂液态单体的聚合、聚合物的造型、定型是在一个流程中完成的 ,所以也称为“一nts步法”注射技术。 1.1 反应注射成型（ RIM）工艺 反应注射成型 （ RIM） 用两种主液体 ,使用不同的催化剂、发泡剂和改性剂 ,可得到硬质或软质、密度不同的发泡体制品。反应注射设备一般都包括两组液料的供给系统和液料泵出、混合及注射系统。 RIM 材料的固化时间一般少于 1 min,通常是 20 s,与大多数塑料加工过程不同 ,周期时间同制品壁厚相对无关。 目前大多数 RIM 材料 皆以聚氨酯树脂为基础 ,聚氨酯反应注射的两种主浆料是多元醇和二异氰酸酯 ,每种原料浆中除树脂外 ,还常加入填料和其它添加剂。其成型过程通常由成型物料准备、充模造型和固化定型三个阶段组成。 首先将异氰酸酯和多元醇两种原料分别放入两只容器内 ,精确控制桶内物料的温度 ,两种原料分别通过各自的加热系统及定量泵进入混合注射器内混合 ,材料混合后发生化学反应 ,然后迅速、完全被注射入模具型腔内 ,待固化后即可启模。反应注射成型工艺流程见图 1。 图 1 反应注射成型工艺流程图 三、 长玻纤 增强反应注射成型法 （ PU-LFI） 长玻璃纤维增 强聚氨酯反应注射成型工艺 (PU-LFI)是在聚氨酯反应注射成型工艺基础上开发的一种新型增强 PU-RIM 生产技术。该技术是在高压浇注机混合头附近将长玻璃纤维切割成长度为 1.0-10cm 的长纤维， PU 物料注入模腔之前，在混料腔内与直接添入的切碎纤维浸润、混合，经化学反应固化成型，制得玻璃纤维增强 P U 制品。 （一） 、 玻纤增强和破坏的机理 当聚氨酯材料与长玻纤通过 PU-LFI 复合成纤维增强聚氨酯泡沫塑料后，材料的模量与其强度都得到了提高，这是什么原因呢？这可以从纤维增强和破坏的机理的过程来理解。 nts在拉 伸应力作用下 ,基体的薄弱部位首先产生裂纹 ,当裂纹遇到纤维时 ,可能出现终止、偏转、纤维脱粘拉出、纤维带树脂外壳拉出、纤维断裂等几种情形。当玻璃纤维长度小于临界纤维长度时 ,在拉伸载荷作用下 ,泡沫内的裂纹扩展 ,裂纹遇到玻璃纤维时发生终止或转向 ,最终玻璃纤维被拔出、树脂被拉断破坏 ,此时增强效果较差。而当玻璃纤维长度大于临界纤维长度时 ,玻璃纤维被拉断 ,起到的增强效果较好。 在压缩应力作用下 , 增强反应成型塑料的破坏主要是由树脂支柱的弯曲、扭转变形引起的。在纤维增强泡沫塑料体系中 ,纤维贯穿于若干个泡孔 ,使其周围一定范围 内的泡孔以其为核心联成一个较大的柱体 ,承受压缩应力时纤维的存在减少了树脂细杆及薄膜的弯曲扭转变形 ,相应提高了其破坏应力及压缩模量。 （二） 、 与传统的 反应成型 工艺比较的特点为 ： A 、 PU 原料与长纤维在混合头处开始混合，一直到进入模具。 在进入模具之前就二者就已混合良好，使纤维的分布非常的均匀，可以大大提高原料的充模性能，同时可以显著提高材料的机械性能。 材料机械性能的提高为减少原料的用量提供可能，尤其是一些大型薄壁制件，在引入 LFI 工艺后可以大大减少材料的用量， 同时降低了制件本身的重量。 B、 由于纤维 长短和浇注数量的可调节性，工件不同部分的纤维含量和长度可以根据负载（使用要求）的不同来调整， 从而达到最佳的性能成本比（性能重量比）。 C、 完全省略预成型工艺，相应的工艺成本可以百分之百地去除，（预成型或编织的纤维和普通长纤维的价格相差很多），从而大大降低生产成本。 D、 LFI 工艺加工的材料强度高， 重量轻， 在汽车行业的应用前景非常好。现在， 各大原料公司都在对其进行研究， 包括 BAYER， HICI， DOW， BASF等公司， 有相当数量的设备被他们应用在实验室中做研究开发。预计在不久的将来， 该工艺可获得大规模的应用。（目前德国宝马汽车公司、江森内饰件公司等已经将该工艺应用于大批量生产）。 E、 天然纤维也可以替代玻璃纤维应用于这种设备中， 从而进一步降低成本。拓展应用领域。 ntsF、 在大型部件的制造方面， LFI 工艺的优势尤为明显：密度（强度）可以根据需要调整，可以省略大型予成型或编织件的搬运装模、以及在模具内的均匀排布， 可大大提高生产效率并节省 了 原料。 三 、 长玻纤增强反应注射成型技术的 一些应用 近年来，国 内 外对 注射反应成型 又作了较大改进，采用 长玻纤增强 材料预置于模具中强化制品的物理性能，使其刚性 和强度甚至赶上钢材，但质量却只有钢材的 55。 LIF-PU 是一种很有发展前途的聚氨酯制品，该类聚氨酯制品在汽车上可以制作方向盘、保险杠、车身壁板、发动机罩、行李箱盖、散热器格栅、挡泥板、扰流板 门内板、仪表台、保险杠、皮卡车的货柜挡板、顶棚，以及其他增强结构件 等多种部件。 下面我们举例介绍在汽车方面的三个应用。 1、 方向盘 方向盘是汽车安全件之一，为保证驾驶员的行车安全，要求方向盘在发生碰撞时能吸收大部分冲击能量，满足这一要求的最佳材料就是聚氨酯 注射反应成型 泡沫塑料。汽车方向盘一般采用 RIM 工 艺一次成型制 成，其外表是一层坚韧致密的聚氨酯皮层、内部是具有高回弹性的聚氨酯泡沫，从内芯到表皮密度逐渐增大，中间预置钢骨架，从而保证了方向盘既有牢固的强度，又有较好的弹性；现在基于轻量化考虑，出现了一种采用玻璃纤维增强尼龙 PA 代替钢骨架的趋势。在制作聚氨酯方向盘工艺过程中，调整原料配比和模具温度，特别是使模具温度与化学发泡反应达到精确平衡，是制得优良成品质量的关键。 2、 保险杠 保险杠是汽车部件中最早采用塑料制作的大型部件，当前中低档轿车普遍采用改性聚丙烯，高档轿车则采用聚氨酯制造。聚氨酯保险杠是通过 RIM 工艺在模具中注入聚氨酯反应物制作而成，内部一般嵌有钢质加强筋。近年来，开始出现采用微孔聚氨酯弹性体制作新型悬架结构保险杠。由于微孔弹性体硬度低、压缩率高，通过变形能够吸收 80的冲击能量，其余的冲击能量可转移到底架上，这种保险杠具有质轻、安全、平稳、消音的功效。 3、 车身壁板 聚氨酯车身壁板通常采用 RRIM 工艺制造，通过 长 玻璃纤维的增强作用，使聚氨酯制品的弹性模量大大提高，在高、低温条件下均有很好的抗冲击性。 nts 采用 RRIM 制造的车身壁板，进一步提高了制品的综合性能，具有优异的耐热性和尺寸稳定性。聚氨酯车 身壁板与钢板车身相比，质量轻、耐腐蚀、汽车在低速碰撞时 更 不易变形 。 四、 结束语 随着玻璃纤维制品制造技术的发展和 PU LFI工艺技术的成熟 , 纤维增强泡沫塑料 作为一种性能优良的工程塑料品种在合成枕木、汽车制造、管道建设等诸多领域将会大量投入使用 ,市场需求不断增长 ,潜力巨大 ,并出现了生物聚醚型和新型纤维、天然纤维增强聚氨酯泡沫塑料等新的发展动向。 LFI-PU市场的急剧扩大将为国内聚氨酯产品研究、开发和制造企业与机构提供发展良机。 参考文献 1、 张晓明 ,刘雄亚 编著 .纤维增强热塑性复合材料及其应用 . 化学工业出版社 .2007年 1月第 1版 2、 毛孟进 .PU生产车间自控方案设计及应用 宁波化工 .2006年第 1、 2期 3、 张惠敏 ,姜法治 .旋转注射反应成型机的研制与特点 .橡胶技术与装备 .2000年第 26卷 第 1期 4、 李光耀 ,姜胜远 .聚氨酯塑料在汽车中的应用及发展前景 .汽车与配件 .2006 32 5、 冯小军 .反应注射成型固化和冷却的数值模拟 . 模具制造 .2004年第 4期 6、 曹长兴，李睃 .反应注射成型设备混合系统的类型与性能 .塑料科技 .2004年第 2期 7、 申长雨 ,陈静波 ,刘春太 , 李菁 .反应注射成型技术 . 工程塑料应用 .1999年第 27卷，第 10期 8、 胡海青 .热固性塑料注射成型 专题讲座 . 热固性树脂 . 2001年 7月 第 16卷第 4期 9、 梁书恩 ,田春蓉 , 王建华 , 周秋明 .纤维增强聚氨酯泡沫塑料技术及应用 . 聚氨酯工业 . 2006年第 21卷第 6期 10、 杜俊超，孙海欧，于文杰 .低密度长玻璃纤维增强 PU-RIM 材料制备研究 . 化学推进剂与高分子材料 .2007年第 5卷第 1期 11、 陈长青 , 郦华兴 .反应注射成型工艺进展 . 湖北工学院学报 .1994年nts6月 第 9卷第 2期 12、 吴壮利 .RIM聚氨酯加工设备及其在汽车内饰件生产中的应用 .聚氨酯工业 .2006年第 21卷第 4期 13、 刘益军 译 .长纤维增强聚氨酯的新方法 .现代加工技术 .1996年第 4期 15、 王士才 ,李宝霞 .玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型 . 现代塑料加工应用 .1997年 10月第 9卷第 5期 15、 丁祥勇 .聚氨酯发泡在客车上的应用 . 客车技术与研究 .2003年第 25卷第 1期 16、 卢子兴 ,田常津 ,王仁 .玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能研究 . 实验力学 , 1995年 10月 17、 李国忠 ,于衍真 .玻璃纤维对硬质聚氨酯泡沫塑料增强机理的探讨 . 高分子材料科学于工程 1997年 8月 Long Fiber Injection Technology and Its Application Abstract nts 南 京 理 工 大 学 本科生毕业设计（论文）选题、审题表 学院（系） 机械工程学院 指导 教师 姓 名 孙宇 系（教研室） 机械制造及自动化 专业技术职 务 教授 课题名称 长玻纤增强反应注射成型生产线控制系统设计 适用专业 机械工程及自动化 课题性质 A B C D E 课题来源 A B C D 课题预计 工作量大小 大 适中 小 课题预计 难易程度 难 适中 易 是否 军工课题 是 否 课题简介 反应注射成型（ RIM）技术是 机械工程领域中全新的材料成型工艺技术，有十分广泛的用途。本课题主要是研究、设计一类长玻纤增强反应注射成型生产线的控制并进行一定范围的工程开发。 课题应完成的任务和对学生的要求 长玻纤增强反应注射生产线总体设计； 有轨自动导引小车控制系统与接口设计； 模架分系统的控制及其接口设计； 系统集成； 要求独立完成系统设计，相应硬软件调试，现场运行试验，并提供齐全、正确、统一的技术文件和毕业设计说明书。 所在专业审定意见： 专业负责人 (签名 )： 年 月 日 注：本课题由 同学选定，学号： 注： 1该表由 指导 教师填写，经所在专业负责人签名后生效 ，作为 该专业 学生毕业设计（论文）选题使用； 2有关内容的填写见背面的 填表说明 ，并在表中相应栏内打“ ”； 3课题一旦被学生选定，此表须放在学生“毕业设计（论文）资料袋”中存档。 nts 填 表 说 明 1 该表的填写只针对 1 名学生做毕业设计（论文）时选择使用，如同一课题由 2名及 2名以上 同学选择，应在申报课题的 名称上加以区别（加副标题），并且在“设计（论文）要求”一栏中说明 。 2 “ 课题性质” 一栏： A 产品 设计； B工程技术研究； C软件 开发 ； D 研究论文或调研报告 E其它。 3 “课题来源” 一栏： A自然 （社会） 科学基金与 省（ 部 ） 、市级以上科研课题； B企、事业单位委托课题； C校、院（系）级基金课题； D自拟课题。 4 “课题简介” 一栏： 主要指该课题的背景介绍 、理论意义或实用价值 。 nts 南 京 理 工 大 学 毕业设计（论文）任务书 学 院（系）： 机械工程学院 专 业 ： 机械工程及自动化 学 生 姓 名： 王万花 学 号： 03304980 设计 (论文 )题目 ： 长玻纤增强反应注射成型生产线控制系统设计 起 迄 日 期 : 2007年 3 月 5 日 7 月 6 日 设计 (论文 )地点 : 南京理工大学 指 导 教 师 : 孙宇 专业 负责 人 : 发任务书日期 : 2007 年 3 月 5 日 nts 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 1本毕业设计（ 论文）课题应达到的目的： 1、研究、设计一类长玻纤增强反应注射成型生产线的控制并进行一定范围的工程开发 2、通过本课题的研究，锻炼学生的创新设计能力、外文阅读能力、自己查阅资料的能力与独立思考问题的能力和发现并解决问题的能力。 3、针对该具体课题，希望学生能了解国内当前该领域的现状，在此基础上做出一些成果，使大学学到的知识得到综合应用，为进一步深造或走向工作岗位打下良好的基础。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 长玻纤增强反应注射生产线总体设计； 有轨自动导引小车控制系统与接口设计； 模架分系统的控制及其接口设计； 系统集成和现场试验； 要求独立完成系统设计，现场运行试验，并提供齐全、正确、统一的技术文件和毕业设计说明书。 nts 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等： 1、 毕业设计论文。要求书写规范、结构严谨、图表清晰，研究内容的表述要言简意赅，得出的结论要证据确凿。 2、 导轨小车的设计图纸和 PLC 控制系统方案设计。 3、 总体设计图纸。 4、 系统集成， 现场运行试验和调试。 4主要参考文献： 1 张晓明 ,刘雄亚 .纤维增强热塑性复合材料及其应用 . 北京：化学工业出版社 .2007 2 毛孟进 .PU 生产车间自控方案设计及应用 .宁波化工 .2006， 10（ 2）： 1014. 3 吴壮利 .RIM 聚氨酯加工设备及其在汽车内饰件生产中的应用 .聚氨酯工业 .2006， 21（ 4）： 4548. 4 Zwinselnmn J J， TfitM hom U Mold Filling of Long-Fitxor Reirfomed RIM Materials J Cellular Plastics 1989， 25： 487 5 Nitin R.Anturkar. Petrov-galerkin finite element analysis for advancing flow front in reaction injection molding.1995,5562. nts 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 5本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2007 年 3 月 05 日 3 月 17 日 3 月 18 日 4 月 05 日 4 月 06 日 4 月 29 日 4 月 30 日 5 月 13 日 5 月 14 日 6 月 10 日 6 月 11 日 6 月 20 日 6 月 26 日 7 月 6 日 熟悉毕业设计要求。查阅资料，完成外文资料翻译工作 撰写开题报告及文献综述 生产线总体设计 导轨小车的控制系统方案设计 导引小车的设计图纸，系统集成和现场试验 文档整理、撰写毕业设计说明书 论文答辩 所在专业审查意见： 负责人： 2007 年 月 日 学院（系）意见： 院（系）领导： 2007 年 月 日 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共 页 目 次 1 引言 . 1 1.1 课题的来源及研究意义 . 1 1.2 反应注射成型概述 . 1 1.3 反应注射成型工艺现状及发展 . 3 1.4 本设计主要研究内容 . 5 2 生产线总体设计方案制定 . 5 2.1 生产线总体设计方案 . 5 2.2 总体设计方案选择 . 7 3 直线式生产线总体设计 . 8 3.1 系统的基本组成 . 8 3.2 系统的布局 . 8 3.3 各组成单元的基本组成 . 9 3.4 各组成单元总体设计 . 10 3.5 生产线控制系统设计 . 13 4 小车单元控制系统设计方案制定 . 13 4.1 小车单元控制系统基本要求 . 13 4.2 控制系统设计方案 . 14 4.3 方案选择 . 14 4.4 小车单元总体设计 . 15 5 小车单元控制系统设计 . 16 5.1 确定 I/O点数 . 16 5.2 PLC选型 . 17 5.3 内存变量分配表 . 20 5.4 系统运行的流程图 . 22 5.5 PLC接线图 . 22 5.6 编制用户程序 . 24 6 PLC人机界面的设计 . 31 6.1 人机界面 . 31 6.2 TD200的外观 . 31 6.3 TD200功能 . 32 6.4 TD200与 PLC的连接 . 32 结论 . 33 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 II 页 共 页 致谢 . 34 参考文献 . 35 nts 南京理工大 学 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 学号 ： 学院 (系 ): 机械工程学院 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 长玻纤增强反应注射成型生产线 控制系统设计 指导者 ： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者 ： (姓 名 ) (专业技术职务 ) nts 毕业设计说明书（论文）中文摘要 随着玻璃纤维制品制造技术的发展和长玻纤增强反应注射成型的工艺技术的成熟，长纤维增强泡沫塑料作为一种性能优良的工程塑料，其应用范围和技术水平得到了迅速的发展。 此次设计主要介绍了长玻纤增强反应注射成 型工艺的国内外的基本现状和应用情况，在此基础上结合扬子丽华汽车内饰有限公司的长玻纤增强反应成型生产线设计的相关工作，对生产线进行了总体设计，并完成了对生产线中自动导引小车的控制系统设计。其研究内容主要包括以下两个方面： a) 总体设计部分主要论述了长玻纤增强反应注射成型生产线总体设计方案、生产线组成单元以及生产线系统运行方式及其控制系统。 b) 根据小车单元的控制和工艺要求确定控制系统的总体框架结构，主要完成 PLC可编程控制器的选型和小车运动的梯形图编程，还有人机界面的设计。 关键 词 长玻纤增强反应注射成型 PLC 梯形图 人机界面 nts 毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title Design of the Control System for LFI Production Line Abstract With the development of the manufacturing technology of the fiber products and the maturity of the technology of the LFI, the application and technological level of polyurethane foam reinforced by the long fiber have got fast development as a kind of good engineering plastics. This design mainly introduces the basic actuality and the application situation of the LFI both at home and abroad. On this basis, combining the relevant work experiences of the design of the product line of LFI in Yang Zhou Han Jiang Yang Zi Motor Decoration Co. Ltd, this thesis generally designs the production line and finishes the design of automatic guide vehicle control system (AGV) in the production line. The research contents of this thesis include the following two respects mainly： a) The thesis presents the overall design plan, the compositions of the production line of the LFI, the operation mode of the production line and the control system in the overall design part. b) The thesis fixes on the overall frame structure of the control system according to the control of the AGV unit and the technological requirement, finishes the selection of PLC programmable controller and Ladder Diagram of the operation of the AGV, and the selection of Man-Machine Interface. Keywords LFI PLC Ladder Diagram Man-Machine Interface nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 1 页 共 36 页 1 引言 1.1 课题的来源及研究意义 本研究课题是以 扬子丽华汽车内饰有限公司 的长玻纤增强反应注射成型生产线设计为依托。由于生产线结构复杂，出于设计与管理的需要，项目将对生产线分单元进行设计。设计的内容之一，就是增加直线移动的自动导引小 车单元，要实现小车单元到十个浇注工位的自动化运行。本设计将根据企业的自身要求 ,以现有的传感检测及控制理论为基础，设计一个 PLC控制系统，并结合小车单元的控制系统，设计合适的人机界面，用于安装在生产线上，实现人机之间交互。本设计的原则是在满足生产要求的基础上提高生产率，并尽量节约成本。 总的来说，我国的长玻纤增强反应注射成型技术起步比较晚，并且受到国内外市场需求的影响而发展缓慢，国内许多工业场合的反应注射成型仍然由人工借助简单的机械装置来完成，自动化程度低，生产效率低下，且一些作业环境对身体也会造成一定的伤害 。由于反应注射成型核心技术掌握在国外公司，而且进口设备的价格高，而无法进行更深层次的开发，严重制约了公司的发展和产品竞争力的提高。为了适应国民经济发展的需要，扬子丽华汽车内饰有限公司成套引进了德国克劳斯玛菲的长玻纤增强反应注射成型设备，将长玻纤反应注射成型技术运用于汽车内饰的生产，在国内还是第二家。由于生产线自动化程度高，结构复杂，因此对生产线的设计有着十分重要的地位。对于生产线自动化生产过程中起着纽带作用的自动导引小车也有着越来越高的要求，因此对生产线小车单元的控制系统设计有着十分重要的现实意义。 1.2 反应注 射成型概述 1.2.1 反应注射成型概念 反应注射成型 RIM (Reaction Injection Moulding)是一种成型热固性树脂的特殊注射成型方法。它是由低粘度高活性的原料 ,经过高压碰撞混合 ,在模腔中发生聚合反应 ,直接固化成型为塑件的特殊注射成型方法 1。因为热固性树脂液态单体的聚合、聚合物的造型、定型是在一个流程中完成的 ,所以也称为“一步法”注射技术。反应注射成型过程示意见图 1.12。 nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 2 页 共 36 页 图 1.1 反应注射成型 (RIM)过程示意图 1.2.2 反应注射成型工艺 反应注射成型用两种主液体 ,使用不同的催化剂、发 泡剂和改性剂 ,可得到硬质或软质、密度不同的发泡体制品。反应注射设备一般都包括两组液料的供给系统和液料泵出、混合及注射系统，设备组成见图 1.23。 图 1.2 反应注射成型（ RIM）设备 目前大多数 RIM 材料皆以聚氨酯树脂为基础 ,聚氨酯反应注射的两种主浆料是多元醇和二异氰酸酯 ,每种原料浆中除树脂外 ,还常加入填料和其它添加剂。其成型过程通常由成型物料准备、充模造型和固化定型三个阶段组成 4。反应注射成型工艺流程见图 1.3。 nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 3 页 共 36 页 图 1.3 反应注射成型工艺流程图 1.2.3 应用领域 目前 ,反应注射成型 (RIM)的应用领域已十分广泛 ,由于设备的投资低 ,所以特别适合于成型汽车外覆盖件等大型塑件 ,许多汽车的保险杠、车门、前挡泥板、后挡泥板等都用该成型工艺 5。如用 RIM 成型的聚氨酯零部件 ,在汽车制造业用来作为驾驶盘、坐垫、头部靠垫、手臂靠垫、阻流板、缓冲器、防震垫、遮光板、卡车身、冷藏车、冷藏库等的夹芯板；在电器中用来成型电视机、扩音器、计算机、控制台外壳等；在民用建筑方面用来成型家具、仿木制品以及管道、冷藏器、热水锅炉、冰箱等的隔热材料 6,7。 1.3 反应注射成型工艺现状及发展 反应注射成型 (RIM)最初是德国在 1964 年开发的聚氨酯材料成型工艺 ,因为该成型工艺经济价值高 ,美国的汽车行业进行实用化研究 ,并成功地制造了聚氨酯汽车保险杠。此后 ,在不断改进反应注射成型机的基础上 ,开发了许多反应注射成型的材料 ,如不饱和聚酯、环氧树脂等快速固化类树脂 ,而且也可以用强化材料进行增强。由于RIM 成型的原料为液体，因此他具有成型快、节能、对产品适应性强、成本低，易于增强等优点 8,9。自 1972 年，美国开始用 RIM 生产汽车的各种部件，如今几乎每辆汽车都有 RIM 聚氨酯制品 ,而且 RIM 已经扩展到电工和电子技术，家具工业和建筑业等领域 10,11。 随着技术的发展和应用的推广，早先的反应成型聚氨酯材料因其无法克服的缺点：有毒性、电性能差和机械性能差、不能作为结构材料等，因此自扩大研究和发展了其他反应注射成型方法，譬如增强反应注射成型已经成为广泛使用的工艺方法，其中长玻纤增强反应注射成型成为研究的热点 12。 1.3.1 增强反应注射成型（ RRIM） 增强反应注射成型是将纤维增强技术与 RIM工艺结合起来的新技术。成型时将增nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 4 页 共 36 页 强材料作为原材料的一个组分加入到 A组分（或 B组分中）通过高压计量装置进入成型机的混合头，使混合均匀后注入模具内成型，脱模后即可得到 RRIM 制品。其成型设备与反应注射成型设备相似（如图 1.2），由于原料中掺入了增强材料、材料的粘度增高，增加了对计量泵的磨损，需要增加某些辅助设备，如在高压计量泵后增加高压计量缸，物料管线的压力也相应提高，混合头的孔径也要相应扩大。用于 RRIM 的增强材料有磨料玻纤、不锈钢纤维、碳纤、尼龙纤维、木质素纤维、玻纤短纤维、玻纤长纤维等等 12,13。 由于增强反应注射成型（ RRIM），是在 RIM 基础上完善发展起来的，它是在 RIM聚氨酯中加入增强剂，使之在保持 RIM 工艺的基本优点基础上，又赋予 RIM-PU 更多的优 异性能。 RRIM 制品具有模量高、耐热性能好、线膨胀系数小等特点，因而特别适合替代钢材做汽车车体和各种结构部件 14。 1.3.2 长玻纤增强反应注射成型（ LFI） 玻纤 RRIM-PU 是在 RIM-PU 基础体系中添加玻璃纤维，以提高和改善复合材料的刚性和热稳定性能，同时亦可以降低制品成本 15。 长玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型工艺（ Long Fiber Injection 简称 LFI)是在聚氨酯反应注射成型工艺基础上开发的一种新型增强 PU-RIM 生产技术。 LFI 是Krauss-Maffei 及 Cannon 等公司近年来成 功开发的在混合头上添加长纤维的增强反应注射成型技术 16。该技术是在高压浇注机混合头附近将长玻璃纤维切割成长度为1cm 10cm 的长纤维， PU 物料注入模腔之前，在混料腔内与直接添入的切碎纤维浸润、混合，经化学反应固化成型，制得玻璃纤维增强 P U 制品。 LFI 制品的强度与相同密度和玻璃纤维填充量的结构反应注射成型（ SRIM）制品基本相当，表皮光洁度优于 SRIM 制品，并且可以生产厚度仅 1.5mm 的薄件部件，其强度与 30mm 厚的 SRIM 制件相当，而且质量更轻 17。 1.3.3 长玻纤增强反应注射成型优点 长玻纤增 强反应注射成型与传统反应注射成型比较主要有下面几方面的优点： a) PU原料与长纤维在混合头处开始混合，一直到进入模具。在进入模具之前就二者就已混合良好，使纤维的分布非常的均匀，可以大大提高原料的充模性能，同时可以显著提高材料的机械性能。材料机械性能的提高为减少原料的用量提供可能，尤其是一些大型薄壁制件，在引入 LFI 工艺后可以大大减少材料的用量，同时降低了制件本身的重量； nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 5 页 共 36 页 b) 由于纤维长短和浇注数量的可调节性，工件不同部分的纤维含量和长度可以根据负载（使用要求）的不同来调整，从而达到最佳的性能成本比（性能重量比）； c) 完全省略预成型工艺，相应的工艺成本可以百分之百地去除，（预成型或编织的纤维和普通长纤维的价格相差很多），从而大大降低生产成本； d) LFI 工艺加工的材料强度高，重量轻，在汽车行业的应用前景非常好。现在，各大原料公司都在对其进行研究，包括 BAYER， HICI， DOW， BASF 等公司，有相当数量的设备被他们应用在实验室中做研究开发。预计在不久的将来，该工艺可获得大规模的应用（目前德国宝马汽车公司、江森内饰件公司等已经将该工艺应用于大批量生产）。； e) 天然纤维也可以替代玻璃纤维应用于这种设备中，从而进一步降低成本 。拓展应用领域； f) 在大型部件的制造方面， LFI 工艺的优势尤为明显：密度（强度）可以根据需要调整，可以省略大型予成型或编织件的搬运装模、以及在模具内的均匀排布， 可大大提高生产效率并节省了原料。 随着玻璃纤维制品制造技术的发展和 PU LFI工艺技术的成熟 , 纤维增强泡沫塑料 作为一种性能优良的工程塑料品种在合成枕木、汽车制造、管道建设等诸多领域将会大量投入使用 ,市场需求不断增长 ,潜力巨大 ,并出现了生物聚醚型和新型纤维、天然纤维增强聚氨酯泡沫塑料等新的发展动向。 LFI-PU市场的急剧扩大将为国内聚氨酯产品研究、 开发和制造企业与机构提供发展良机 18。 1.4 本设计主要研究内容 本设计研究内容主要包括以下几个方面： a) 生产线总体结构设计 b) 自动导引小车控制系统的硬件设计及选型 c) 自动导引小车控制系统的软件设计 d) 人机界面的设计 2 生产线总体设计方案制定 2.1 生产线总体设计方案 根据内饰件制品特点和生产批量大小 ,相应的生产线配置也有所区别 ,我们共设nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 6 页 共 36 页 计了三种供选择的方案，并根据方案的优劣选择适合该公司生产线要求的最佳方案。三种设计方案分别为：转台式模塑发泡生产线、椭圆环形式模塑发泡生产线和直线式生产线。 2.1.1 方案 1：转台式模塑发泡生产线 转台式模塑发泡生产线主要由回转转台、模架、温控装置及开泡输送等部分组成。转台回转速度可以根据生产节拍自动调节；模架可以根据制品不同 ,分为气动式、液压式 ,分别采用气压和液压锁模。转台式模塑发泡生产线布局图如图 2.1。 图 2.1 转台式模塑发泡生产线 2.1.2 方案 2：椭圆环形式模塑发泡生产线 椭圆环形式模塑发泡生产线采用椭圆轨道布局 ,模架沿环形轨道连续运行 ,生产线采用电机传动 ,链条牵引模架移动 ,线速度可以根据生产节拍自动调节 ,采用机器人带动混合头 ,自动识别模具号移 动轨迹浇注。椭圆环形式模塑发泡生产线如图 2.2。 图 2.2 椭圆环形式模塑发泡生产线 nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 7 页 共 36 页 2.1.3 方案 3：直线式生产线 该生产线系统负责机械手直线移动的小车及轨道位于中间，压力机分两列布置在轨道的两侧。由沿导轨移动的小车搭载机械手及注射装置（混合头、玻纤输送、高压换热等）根据各模架单元的服务要求完成长玻纤增强树脂的注射。 直线式生产线如图2.3。 图 2.3 直线式生产线 2.2 总体设计方案选择 方案 1 中，生产线的工位呈圆形分布，特点是占地面积小、工艺布局简单 ,只适合于大批量、同品种制品生产 ,如生产高回弹汽车坐垫、垫及头枕、方向盘、仪表盘、保险扛、摩托车坐垫等冷熟化工艺制品，而扬子丽华汽车内饰公司生产的产品是多样性的，模具要可以根据生产的要求灵活调整，同时由于扬子丽华汽车内饰公司的模架尺寸较大且大小不一，如果按圆形分布，对于直径方向的尺寸要求很大，而公司车间空间有限，方案 1 显然是不符合生产要求的。 方案 2中，生产线呈椭圆形分布，可以满足车间布局的布局需要，但该类生产线结构复杂 ,控制先进 ,自动化程度高 , 无疑增加了公司的成本，对于公司的生产运行不是一个经济可行的方法。 方案 3中，生产线呈直线形分布 ，移动小车每边各放置了五个工位，可以很大节约空间；且模架部分均为公司原有液压机改造而来，节约了成本；移动台车采用简单的直线式移动，避免了复杂传动结构的设计。因此直线性的生产线可以很好的满足公司的需要。 综上，本设计选择方案 3中直线式生产线，该方案既可以满足生产线的实际生产需要，提高了生产效率，模架部分可以利用公司原有液压设备，节约了成本。 nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 8 页 共 36 页 3 直线式生产线总体设计 3.1 系统的基本组成 根据 长玻纤增强反应注射成型生产线的需要，我们将生产线系统的基本构成分成以下三个单元： a) 16/40型 LFI 长玻纤增强反 应注射成套设备（主机单元） b) 压力机及模具（模架单元） c) 机械手直线移动轨道及小车部分（小车单元） 3.2 系统的布局 本设计对生产线总体设计采用方案 3 中的直线排列的方式。 布局介绍：该方案的生产线的总体是按照十个工位（沿导轨长度方向的两侧各设计五个模架工位）进行规划的，系统实施时小车单元（直线移动轨道、驱动及控制）部分一步到位；模架单元先按照八个工位建设，剩余的两个工位目前用于小车单元的维护、保养以及玻纤输送装置的调整等，如果生产任务需要，再将剩余的两个工位用于生产（需补充这两个工位的相关设施，控制系统预留 接口）。生产线布局如图 3.1。 图 3.1 生产线布局图 各工位使用模具尺寸： 工位 1、 2、 9、 10 模具平面尺寸 2600 1170mm 工位 3、 4、 5、 6 模具平面尺寸 2500 1000mm 工位 7、 8 模具平面尺寸 2000 1000mm nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 9 页 共 36 页 3.3 各组成单元的基本组成 3.3.1 主机单元 主机单元由扬子汽车内饰公司从德国克劳斯玛菲公司成套引进，该部分的设备自成一体，其中反应注射用混合头系统安装在机器人的末端，由其为反应注射成型提供所需的空 间位姿；机器人及混合头系统、玻纤储存与输送装置等一起安装在小车单元的移动平台上，完成对模架单元各工位的注射服务。 主机单元的构成模块包括以下几个部分： a) 原料罐系统 b) 泵前低压抽吸管路 c) 计量系统 d) 高压管路系统 e) 混合头系统 f) 电器控制系统 g) 液压系统 h) 机器人 i) 玻纤储存与输送 3.3.2 模架单元 模架单元的设计主要是在现有压力机基础进行改进设计，以满足整个系统的生产及控制需求。 模架单元的构成模块包括以下几个部分： a) 压力机及控制系统 b) 模架移动装置及控制系统 c) 成型模具 d) 模具的温度控制 3.3.3 小车单元 小车单元 是整个系统的物料自动化输送部分，其主要功能包括： a) 根据模架单元的服务需求，按照先申请先服务的原则将主机单元的机器人运送到指定部位； b) 作为主机单元与模架单元之间的桥梁，负责有关作业信息的传输； c) 与主机单元、框架单元的通信控制。 nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 10 页 共 36 页 小车单元的构成模块包括：轨道、小车、驱动、控制等部分。 3.4 各组成单元总体设计 长玻纤增强反应注射成型生产线由上述的三个部分组成，由于主机单元由扬子丽华汽车内饰公司从德国克劳斯玛菲公司成套引进，该部分的设备自成一体，该单元及其功能及主要技术指标详见德国克劳斯玛菲公司的供货说明，设 计从略。 本设计主要介绍关于模架单元与小车单元两组成单元的设计。 3.4.1 模架单元设计 根据模架单元的功能需求以及总体对模架单元的考虑，模架单元的设计拟采用图3.2所示的方案。 图 3.2 模架单元的设计方案 3.4.1.1 模架总体布局 每一个模架单元包含两个工位：发泡成型工位和反应注射工位。 由于一般压力机活动横梁的升降行程是根据压力机的一般工作情况设计的，都比较小。如果采用一般的填料、成型方式是没有问题的，目前扬子丽华汽车内饰公司的生产情况即使如此。本系统采用机器人浇注，安装在机器人末端的 混合头尺寸较大，另外还有玻纤输送装置，所以浇注是需要有较大的空间，如果将模具安装在压机工作台上直接浇注，工作空间明显不允许。 另外，根据成型工艺要求，首先需要由工人对模具进行一系列的操作，如模具的清理、铺设表皮、开模后的取件等。就一般生产自动化系统而言，从生产安全角度考虑，绝对不允许有人机混合操作的情况。 所以在本设计方案中将机器人操作工位从压力机中分离出来，形成单独的反应注射工位。工作时，首先由工人对模具进行一系列准备工作；准备就绪后，将模具送上反应注射工位，同时向小车单元发出浇注请求；小车单元将浇注机器 人运送到指定地点；机器人对反应注射工位的模具进行浇注，结束后退出；模具从反应注射工位返回发泡成型工位；压力机开始动作：合模、反应成型、开模；工人取出已成型好的制件。 nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 11 页 共 36 页 3.4.1.2 机械结构构成 模架单元实际上有两台设备组成，一个是一台压力机，一个是模具的输送装置。由于扬子内饰目前已经有六台压力机，从经济性出发，这六台压力机最好能派上用场。因此，机械结构部分的任务有两个：对原有压力机的改造及模具输送装置的设计。 3.4.1.3 模架单元的控制 同样为了尽量减少经济投入，同时也是出于安全考虑，模架单元的两 台设备采用独立控制。 压力机的控制仍采用原来的控制系统。 模具输送装置的控制需求比较简单，可以采用简单的按钮启、停方式。由于模具单元准备就绪后就可以由机器人进行浇注工作了，所以输送装置的控制还应承担与小车单元的信息交互功能，同样采用按钮请求、指示灯显示反馈信息的简单控制方式。 3.4.2 小车单元设计 根据小车单元的功能需求以及总体对小车单元的考虑，小车单元的设计拟采用图3.3所示的结构方案。 图 3.3 小车单元结构图 3.4.2.1 机械结构 构成 小车单元机械结构由运动轨道、移动小车、驱动装置等构成，此外，其上还将直接安装有克劳斯玛菲提供的组分管道、坦克链及托架、 ABB 机械手及混合头、玻纤储nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 12 页 共 36 页 存及输送装置、高压换热装置等设施。 a) 运动轨道 运动轨道有导轨基础及导轨两部分组成。机器人能否按照要求到达预定位置主要取决于运行轨道的精度。 导轨：采用国产优质品牌直线滚动导轨；由于机器人运动频繁，要求直线滚动导轨部分能自动润滑。这样既可以减小导轨的摩擦系数，减小所需的驱动力矩，保证机器人的运行精度及平稳性，还可以延长导轨的使用寿命。 导轨基础：采用型钢焊接结 构，安装基准面精加工。一方面可以保证导轨的安装精度 ,另一方面也可以保证运动导轨的机械刚性。 另外在导轨基础上设计水平调节装置，以方便整体安装，保证导轨基础安装质量。 b) 移动小车 移动小车是与克劳斯玛菲所提供的坦克链、 ABB 机械手及混合头、玻纤储存及输送装置、高压换热装置等设施的主要安装基础，因为所承载的设备多、质量大，所以既要求有一定的刚性，又要求有较好的加工精度。因此，小车最好采用整体结构，也可以使用焊接结构，所有安装基准均必须精加工。 c) 驱动装置 采用德国 SEW 摆线针轮减速机直联变频电机，可以减少传动环节误 差。动力传递采用齿轮齿条，可以保证传动精度。 d) 移动小车的极限机械保护 3.4.2.2 小车单元主要技术指标 小车按照 10 工位设计，主要技术指标见表 3.1。 表 3.1 小车单元主要技术指标 技术指标名称 说明 小车的运动精度 位置误差 1mm 小车运行速度 0.5m/s 小车加、减速度 0.5m/s2 导轨的平行度 0.3/5000mm 导轨的有效工作长度 16600mm 导轨基座长度 18200mm 导轨基座内侧跨距 1250mm 导轨结构 直线滚动导轨 nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 13 页 共 36 页 表 3.1 小车单元主要 技术指标（续） 小车台面尺寸 2050 2000（ mm） 小车的承载能力 6000kg 小车的驱动 变频马达带位置反馈（开环） 小车的动力传动 减速器及齿轮齿条 保护装置 极限电器保护、极限死挡铁保护 3.5 生产线控制系统设计 本设计的控制系统由构成系统的三个独立单元分别设置控制系统。 系统控制结构如图 3.4所示： 图 3.4 系统控制结构 小车单元控制系统作为主机单元与模架单元之间的桥梁，实际上起着系统控制的功能：接收模架单元的浇注服务请求、反馈浇注结束信息、控制小车单元自主运 行；根据模架单元的服务请求向主机单元发送模架单元服务申请信息、小车单元到位信息、接受主机单元反馈的浇注服务状态信息等。 主机单元接收小车单元传达来的模架单元服务信息，控制反应注射成套设备完成对指定单元的浇注服务，并向小车单元反馈浇注服务状态信息。 模架单元通过浇注服务申请按钮向小车单元发送服务请求信息，等待浇注服务；在接收到小车单元反馈的浇注结束信息后，控制压力机完成模具闭合、锁模、保压、开模等一系列动作。 4 小车单元控制系统设计方案制定 4.1 小车单元控制系统基本要求 小车单元控制系统作为主机单元 与模架单元之间的桥梁，实际上起着系统控制的功能：接收模架单元的浇注服务请求、反馈浇注结束信息、控制小车单元自主运行；根据模架单元的服务请求向主机单元发送模架单元服务申请信息、小车单元到位信主机单元 小车单元 模架单元 模架单元 服务信息 浇注服务 状态信息 浇注服务 申请信息 浇注结束 反馈信息 nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 14 页 共 36 页 息、接受主机单元反馈的浇注服务状态信息等。 4.2 控制系统设计方案 4.2.1 方案 1 方案 1，利用 PLC 的输出点直接控制变频器实现电机的正转、反转、加速、减速停车等多种控制。系统的硬件构成如图 4.1。 S 7 - 2 0 0P L CS E W 摆 摆 摆 摆摆 摆 摆 摆 摆摆 摆 摆 摆齿 轮 齿 条传 动传 送 加 速 、 减速 、 停 止 信 号 给电 机驱 动小 车 单 元直 线 移 动图 4.1 方案 1系统的硬件构成 4.2.2 方案 2 方案 2， PLC 主要负责将输入的十个模架信号传送给 SEW 伺服控制器，通过对伺服控制器的编程实现电机按预定的程序运行到指定地点。系统的硬件构成如图 4.2。 S 7 - 2 0 0P L CS E W 摆 摆 摆 摆摆 摆 摆 摆 摆摆 摆 摆 摆齿 轮 齿 条传 动小 车 单 元直 线 移 动S E W 伺 服控 制 器发 送 模架 信 号到 位 信号驱 动图 4.2 方案 2系统的硬件构成 4.3 方案选择 方案 1为传统的控制的设计方法，利用 PLC的输出模架信号直接控制变频器。要实现电机的驱动，还要给电机加速、减速、正转、反转，停止等信号。同时，要实现小车单元的准确定位，在启动后，要先给小车单元一个加速信号，到达指定速度后，小车匀速运行，在小车到 达指定工位前必须再有一个减速信号，减速后还需要停止刹车信号，由于小车前进与后退时进入减速过程的位置发生变化，要求在小车的前端和后端各设一个减速信号感应器，同时要实现小车的准确定位还要给小车一个工位位置nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 15 页 共 36 页 信号，这样小车上必须装有三个传感器。对应的每个工位也必须装有三个传感器。由于共有十个工位，输入信号数为 3 10 3=33, 在其他信号还没有计算在内情况下已有 33 个输入信号，随着输入信号的增加，这类信号占用了 PLC 的许多输入口，增加了控制编程的复杂性，也必然给设备的安装和维修带来很大的困难。 方案 2很好的克服了 方案 1中缺点，伺服控制器不需要 PLC输出的加速减速信号即可实现电机的准确定位。伺服控制器控制的主要原理为：在伺服控制器中装有编码器，编码器每 1000 脉冲一转，分辨率很高，可以很好的满足总体设计中小车定位精度在 1mm 的要求。小车的前进与后退还要解决正转与反转的问题，这对于编码器来说也并不困难。在编码器中分别设有正弦与余弦信号接收装置，包括零位测量在内共有三套装置。两套正余弦装置产生的脉冲的相位有一定的差别，这样就产生了方向信号，如 A 装置产生的脉冲相位超前于 B 相时是正转的话，反转时， B 装置产生脉冲的相位就会超 前于 A 装置。伺服控制器中对应于每个工位都存储了工位的准确位置值，在编码器的驱动下开始脉冲的计数工作，当小车前进时脉冲数加，当小车后退时脉冲数减，从而实现小车到达指定位置。 由于机械方面的原因比如客观存在的齿轮齿条之间间隙，可能造成脉冲计数的定位误差，可在程序中对伺服控制器的停车信号做适当的调整。 随着伺服控制技术的发展，对于 方案 1 中由 变频器进行定位的设备，逐步被控制精度更高的 方案 2 中的 伺服控制系统所取代，不仅仅是因为技术先进，更因为交流伺服控制系统故障率低，操作简单，控制定位精度高等优点极大的提升工厂技术装 备的水平，为工厂的质量控制及效益的最大化创造了有力的条件。随着工业技术水平的不断提高， 这种 伺服控制将成为传动和控制的主要方向之一。 综上，本设计选择的方案 2 控制系统，在满足控制系统要求的同时提高了控制系统的性能。 4.4 小车单元总体设计 小车单元是 KM-LFI 长纤设备中的第 7 轴的移载台车设备。最大载荷为 6T，第七轴长 16.5m，台车最快移动速度为 0.5m/s，加速度为 0.5m/s2,最高位置精度在 1mm之内，台车移动分为加速 -匀速 -减速 -定位 4步，配合机器人完成多个模架的浇注。 小车单元的传动形式采用 德国 SEW变频马达直联减速机驱动齿轮齿条传动，马达扭矩为 15N m，并内置编码器。台车定位精度由位置开关和变频马达的刹车装置来保证。齿轮齿条的齿距为 15.7mm(5号齿 )在直线轴的两端，安装有机械式的端挡装置，nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 16 页 共 36 页 以及限位开关，避免由于意外使移载台车滑出轨道，台车移动由模架发出信号，台车定位靠控制系统与编码器和浇注位置开关结合完成，整个过程不需要任何人工干预。在故障状态下，可手动运行，方便定位。为减少摩擦系数和保证精度，采用国产优质品牌直线导轨，自动润滑，运行平稳。导轨支架采用厚矩形管与钢板焊接而成。上基轴直线 导轨采用方钢用沉头螺栓固定在骨架上。台车上平面做机加工处理，保证平面度和垂直度。 小车单元的控制，采用高精度的主控制（西门子 PLC）与多个模架的信号接口，以及与发泡机机械手的 PROFIBUS-DP信号接口。生产线运行包括手动模式和自动模式两种方式。手动下可以单独操作某一工位。电源稳压变压，控制柜冷却空调，急停开关，软件，手动自动切换，安全系统信号接口，变频器，与发泡机 /机械手通信接口，与多套模架通信接口信号电线，电缆都是特殊用于行业的电缆。小车单元的电气控制系统设计满足工艺要求，并充分考虑系统的安全可靠及管 理的方便性。 5 小车单元控制系统设计 5.1 确定 I/O 点数 5.1.1 输入设备的确定 小车单元的控制系统选择方案 2，输入设备主要包括以下几个方面： a) 小车单元系统的启动与停止按钮， 2个开关量输入； b) 小车有手动与自动运行两种模式，在面板上应设有手动 /自动选择按钮， 1个开关量输入； c) 伺服控制系统采用脉冲计数的方法控制小车到位，在小车运动前应设定小车运行零点， 1个回零点按钮，同时还要有零点检测传感器，共有 2 点输入； d) 为了避免由于意外使小车滑出轨道，在小车两个极限位置设极限位开关，即台车前到位与台车后到位 2个信号输入； e) 小车在每个工位均设有位置传感器，以准确传送工位位置，共有 10传感器输入； f) 十个工位，每个模架均设有工位选择按钮，共 10点输入； g) 伺服控制器经过脉冲计数到达指定位置后有一到位信号输入给 PLC，共 1点输入； h) 在运行过程中，防止意外事故的发生，设有急停按钮， 1个输入； i) 与主机单元的信息交互包括两个方面，一是当主机发生故障或出现紧急情况按下急停时，应该立即将信号传送给小车，刹车进行检查，共有 2 个开关量输入；二nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 17 页 共 36 页 是浇注完成后，要将浇注完成信号传送给小车单元，小车单元作为主机与模架单元之间的桥梁，将主机浇 注完成信号传送给模架，模架进行 完成模具闭合、锁模、保压、开模、脱件等一系列动作，共有 3点输入； j) 当系统出现故障时，应有故障复位按钮信号输入，共 1点输入。 综上，共有 2+1+2+2+10+10+1+1+3+1=33 个开关量输入。 5.1.2 输出设备的确定 输出设备主要有以下几个方面： a) 与伺服控制器的伺服控制器的“控制器禁止”，给伺服控制器使能信号，共 1点输出； b) 伺服控制器位置有绝对值和相对值两种编程方式，在编程前要进行模式选择，共1点输出； c) 伺服控制器在编程前首先应该确定编程的原点，应有一个定零点输出， 1点输出； d) 出现故障时，系统要复位输出， 1点输出； e) 整条生产线共有十个工位，如果对应每个工位均有一输出对应于伺服控制器输入，输出较多，本设计采用对输出进行排列组合的方法，以实现用较少的输出表示伺服控制器的十个工位信号输入，由 知，只需要四点输出即可分别对应于十个工位，输出分别为 L1、 L2、 L3、 L4共 4点输出； f) 小车单元还设有各种信号指示灯，分别为急停指示、停止指示、系统运行指示、故障指示还有声光报警，共 5点输出； g) 与主机单元之间信息交互，当小车到位后，将停车到位信号传送给主机单元 /机械手，同时将模架单元的浇 注申请传送给主机单元，主机单元接收后开始浇注，共2点输出； h) 与模架单元之间信息交互，当主机单元浇注结束后，小车单元作为主机单元与模架单元的桥梁将主机单元的浇注结束信号传送给模架，模架 完成模具闭合、锁模、保压、开模、脱件等一系列动作，共有 1点输出。 综上，共有 1+1+1+1+4+5+2+1=16 个开关量输出。 5.2 PLC 选型 5.2.1 机型选定 因为生产线小车单元控制系统属于小规模控制系统，所以本设计选用西门子nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 18 页 共 36 页 S7-200系列的 PLC, S7-200系列的 PLC是 SIEMENS公司推出的一种小型的 PLC。它以紧凑的结构良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格，已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。 S7-200系列的 PLC 四种 CPU的外部结构大体相同，见图 5.1。 图 5.1 S7-200PLC结构 S7-200 PLC 包含了一个单独的 S7-200 CPU 和各种可选择的扩展模块，可以方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。 S7-200 系列的 PLC可以方便地组成 PLC-PLC 网络和微机 PLC网络，从而完成规模更大的工程。 S7-200 PLC 的 STEP-MICRO/WIN32 编 程软件可以方便的在 WINDOWS 环境下对 PLC编程、调试、监控、使得 PLC的编程更加方便、快捷。可以说， S7-200 可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。 5.2.2 型号选择 型号的选择主要由 I/O 点数决定。输入共有 33 个，输出共有 16 个，共有 49 个开关量。由于输入输出的点数较多，选择 CPU226 可以很好的满足需要。 CPU226 本机集成了 24 点输入 /16 点输出，共有 40 个数字量 I/O。可连接 7 个扩展模块，最大可扩展至 248点数字量 I/O或 35路模拟量 I/O。 CPU226具有 13K程序和数据存储空间，6个独立的 30KZ的高速计数器， 2路独立的 20KHZ高速脉冲输出，具有 PID控制器。CPU226配有 2个 RS-485通信 /编程口，具有 PPI通信、 MPI通信和自由方式通信能力，可以满足本设计控制系统的要求。 5.2.3 接口设备的选择 本设计在此处所说的接口设备包括 PLC 自身的 I/O模块、功能模块。 5.2.3.1 I/O模块选择 由于输入共有 33 个数字量，而 CPU226 本机只有 24 点输入，因此本设计还需要增加数字量输入模块。输出共有 16点输入， CPU226本机虽然恰好可以满足输出需要，但还应该预留出 10%的输出接口以满足以后扩展需要，所以我们选择 EM223 数字量混nts本科毕业设计说明书（论文 ） 第 19 页 共 36 页 合模块而不选择单独的 EM221输入扩展模块或 EM222输出扩展模块 EM223数字量混合模块共有六种类型，选择包括 DC 24V 4 点输入 /4点输出， DC 24V 4 点输入 /继电器 4点输出 ; DC 24V 8 点输入 /8 点输出 , DC 24V8 点输入 /8 点继电器输出 ; DC 24V 16点输入 /16点输出 , DC 24V 16 点输入 /16 点继电器输出。本设计选择 DC 24V 16点输入 /16 点继电器输出可以满足 I/O 的需要。本设计选择的 EM223 数字量 混合模块的输入输出接线端子见表 3.1。 表 5.1 EM223模块输入输出接线端子 输入接线端子 1M、 0.0、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7为第 1 组， 1M 为公共端 2M、 0.0、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7 为第 2 组， 2M 为公共端 输出接线端子 1M、 1L+、 0.0、 0.1、 0.2、 0.3为第 1组， 1L+为第 1组公共端接电源正极，1M 为第 1组电源负极 2M、 2L+、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7为第 2组， 2L+为第 2组公共端接电源正极，2M 为第 2组电源负 极 3M、 3L+、 0.0、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7 为第 3 组， 2L+为第 2组公共端接电源正极， 2M为第 2组电源负极 5.2.3.2 通信模块选择 CPU226本机集成了两个通信口，通信口均采用 RS-485总线，此外，为了扩大 PLC的接口数量和联网能力，本设计选择接入 EM277 PROFIBUS-DP扩展模块的方法支持 DP网络协议，以实现与主机单元机器手之间的通信。 通过 EM 277 PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将 S7-200CPU 连接 PROFIBUS-DP 网络。 EM 277 经过串行 I/O 总线连接到 S7-200 CPU 。 PROFIBUS 网络经过其 DP 通信端口，连接到 EM 277PROFIBUS-DP 模块。这个端口可运行于 9600 波特和 12M 波特之间的任何 PROFIBUS 波特率。作为 DP 从站， EM 277 模块接受从主站来的多种不同的I/O 配置，向主站发送和接收不同数量的数据。这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。首先将数据移到 S7-200 CPU 中的变量存储器，就可将输入、计
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