机械毕业设计1188瓶装牛肉酱自动生产线PLC控制系统和测试系统的设计.doc
机械毕业设计1188瓶装牛肉酱自动生产线PLC控制系统和测试系统的设计
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机械毕业设计1188瓶装牛肉酱自动生产线PLC控制系统和测试系统的设计,机械毕业设计论文
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I 毕业论文（设计） 题目 ： 瓶装牛肉酱 自动生产线 - PLC 控制系统和测试系统的设计 Automatic Production Line Of Bottled Sauce Beef - Design Of Control System And Test System By PLC 2010 年 5 月 nts II 瓶装牛肉酱自动生产线 PLC 控制系统和测试系统的设计 摘 要 瓶装牛肉酱自动生产线 是一类比较传统的 生产线 ，随着国民经济的发展和人民生活的改善，这种自动生产线技术也得到了空 前的发展。近年来，我国的 瓶装牛肉酱 需求量日趋增大，随着市场竞争的加剧与消费群体的日益成熟，对 瓶装牛肉酱 的要求也越来越高。但是我国的 瓶装牛肉酱 生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方。由于 瓶装牛肉酱自动生产线 的 控制 复杂，目前我国大多数 瓶装牛肉酱 生产企业技术装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。如何提高 瓶装牛肉酱 生产的综合自动化水平，增强我国 瓶装牛肉酱 产业的综合实力和国际竞争力是一个刻不容缓的研究课题。为此，本文通过对 瓶装牛肉酱自动生产线 的 控制 及关键问题的分析，从硬件、软件两个方面对 瓶装牛肉酱 生产过程中 的 自动控 制系统进行设计。整个系统分 为两个部分 。第一 部分 为可编程控制器 (PLC)控制 系统 的设计， 控制 瓶装牛肉酱自动生产线 的相关动作 ，主要完成对现场数字、模拟信号进行采集和处理以及对执行元件进行实时控制的功能。第二 部分 为 测试系统的设计 ，通过 PLC 系统的内部信号对系统进行测试，并将结果显示到文本屏上，方便用户处理各种情况。 关键词： 装箱机； 瓶装牛肉酱 ； PLC nts III Abstract Automatic production line of bottled sauce beef is one of traditional production line. With the development of civil economy and the improvement of demotic living condition， Bottled sauce beef industry has also been rapidly improved. But still，because of the complex technology of the bottled sauce beef production， there are many drawbacks， Such as behindhand technical equipments， rare application of automation， instable product quality. How to improve the integrated automation level in automatic production line of bottled sauce beef becomes a urgent research project. Thus， this paper designs the automatic production line of bottled sauce beef in hardware and software through analyzing the technology and the analysis of key issues. Two aspects of the bottled sauce beef process in the control system design. Adopting a classification system as a whole structure. The first class for the programmable logic controller(PLC), complete control of the main software interface and control process data monitoring, management and recording functions. PLC main sub-stations between the stations and through network connection, PLC and IPC network connection. The two class for Test System (PLC),system is tested by internal signal of PLC, and result is printed by the signal screen for convenient. Key words: packing machine ; bottled sauce beef ; PLC nts IV 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 装箱机的定义 . 1 1.2 装箱机的工作过程 . 1 1.3 自动装箱机的工作原理 . 1 1.4 装箱机的选择 . 2 1.5 我国装箱机市场状况 . 2 1.6 装箱机的技术发展趋势 . 3 1.7 国外先进装箱机 . 3 1.8 国内设备的技术创新 . 4 1.9 毕业设计题目及基本参数 . 5 第 2 章 总体方案设计 . 7 2.1 控制与检测设计所需要的的结构参数 . 7 2.2 整体控制与检测方案设计及 PLC 的选用 . 7 2.2.1 整体控制与检测方案设计 . 7 2.2.2 PLC 控制与检测系统的选用 . 8 2.3 纸箱上料机构的控制与检测设计 . 8 2.4 牛肉酱瓶上料机构的控制与检测设计 . 9 2.5 装箱机构的控制与检测设计 . 10 第 3 章 硬件电路设计 . 12 3.1 硬件电路设计所需元器件 . 12 3.1.1 硬件电路设计所需元器件简介 . 12 3.1.2 硬件电路设计所需元器件分析与统计 . 14 3.2 强电的电路设计 . 15 3.2.1 纸箱上料机构的电路设计 . 15 3.2.2 牛肉酱瓶上料机构的电路设计 . 15 3.2.3 装箱机构的电路设计 . 16 3.3 PLC 相关硬件的电路设计 . 17 3.3.1 纸箱上料机构的 PLC 电路设计 . 17 3.3.2 牛肉酱瓶上料机构的 PLC 电路设计 . 17 3.3.3 PLC 输出端的电路设计 . 18 3.3.4 PLC 其他端口的电路设计 . 19 第 4 章 软件程序设计 . 20 4.1 程序初始准备工作 . 20 4.1.1 上电清零程序设计 . 20 nts V 4.1.2 复位指示灯 程序设计 . 20 4.1.3 缺料 报警程序设计 . 21 4.1.4 牛肉酱瓶上料 满足装箱要求程序设计 . 21 4.1.5 启动、急停 程 序设计 . 22 4.2 手动程序设计 . 22 4.2.1 手动控制各个电机动作的程序设计 . 22 4.2.2 整机复位的程序设计 . 23 4.2.3 手动部分结尾的程序设计 . 24 4.3 自动程序设计 . 24 4.3.1 纸箱上料的自动程序设计 . 24 4.3.2 牛肉酱上料的自动程序设计 . 25 4.3.3 推杆动作的自动程序设计 . 25 4.3.4 装箱动作的自动程序设计 . 26 4.4 报警程序设计 . 27 第 5 章 结论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 附 录 一 PLC 输入、输出批注表 . 31 附 录 二 PLC 程序设计指令表 . 32 nts 1 第 1章 绪 论 1.1 装箱机的定义 装箱机是一种 将无包装的产品或者小包装的产品半自动或者自动装入运输包装的一种设备，其工作原理是将产品按一定排列方式和定量装入箱中（瓦楞纸箱、塑料箱、托盘），并把箱的开口部分闭合或封牢。按照装箱机的要求，它应具有纸箱成形 (或打开纸箱 )、计量、装箱的功能，有些还配有封口或者捆扎功能。 包装机械是集机、电、光、声、磁、化、生、美为一体的高技术、高智能、高竞争的产品。发展速度快、更新速度快是它的一大特点。世界上一切高技术成果，都会在包装机械产品中得到应用。 自动装箱机用于完成运输包装，它将包装成品按一定排列方式和定量装入箱中，并把 箱的开口部 分 闭合或封固。装盒机是用于产品销售包装的机械，它将经过计量的一份定量物料装入盒中，并把盒的开口部分闭合或封固。装箱机和装盒机均有容器成形 (或打开 容器 )、计量、装入、封口等功能。 1.2 装箱机的 工作 过程 在自动包装流水线中，装箱机是整线系统运行的核心， 虽不是产品直接生产机械，但它却是实现生产自动化所必需的。装箱机用于完 成运输包装，它将包装成品按一定排列方式和定量装入箱中，并把箱的开口部分闭合或封固。 1.3 自动装箱机的工作原理 自动装箱机能自动将包装物整形排列，装入打开的纸箱中，并完成不干胶封口等动作的装箱 设备，所有动作都是全自动完成的。大多数自动装箱机采用新型为组合结构，包括成箱装置、整列装置、充填装置和封箱装置等功能单元，分别完成相应的功能动作，各装置都安装在同一主机架上。成箱装置的箱坯架在上方，充填装置在成箱装置正下方，整列装置在充填装置的前方，封箱装置在充填装置的后方。采用 PLC 和 示屏控制。设有缺瓶报警停机，无瓶不装箱安全装置。大大方便操作、管理、减少生产人员和劳动强度，nts 2 是自动化规模生产必不可少的设备。 1.4 装箱机的选择 装箱机的选择一般可从以下方面考虑： （ 1） 机械结构：产品的收集、整理、集束排列是 装箱机的关键，所以用户在选购前应该注意装箱机的机械结构部分是否能满足用户的生产需要。另外，根据产品的不同装箱方式，一般有抓、夹、吸、推四种可选择的装箱方式，用户选购前应该根据需要选择最佳的装箱方式。 （ 2） 自动控制：控制系统是所有功能正常运行的保证，也是对故障和出现意外时的自动保护，所以用户在选择时要详细了解控制系统是如何设置的。 （ 3） 生产速度：能否达到生产要求。 （ 4） 内部配置：好的配置才能保证有好的产品，所以用户在选购装箱机时要注意其内部的配置是否选用了品质较好的配件。 1.5 我国装箱机市场状况 资料显示，包括装箱机在年内全球的包装机械需求以每年 5.3%的速度增长。全球市场上的包装机械（包括装箱机）大约有三分之一来自德国，销量名列全球第一，其次是美国、日本和意大利。我国一些跨国公司和外资企业使用的装箱机大部分都是从国外进口。有关信息显示，到 2010 年国内食品和包装机械市场总需求量将达到 1100 亿元，其中装箱机的市场需求量潜力巨大，仅中粮集团的 30 多条生产线，潜在销售额就达到 2000 万元左右。另外，装箱机在金属铁罐生产领域内的应用也具有非常大的市场。据调查，全国的制罐企业有一千多家，如果每个企业配置 1 至 3 台装箱机，那么市场容量为 10003000 台，销售额可达 618 亿元人民币。由此可见国内装箱机市场前景非常乐观。 我国的装箱机制造业起步较晚，目前国内专业装箱机的生产企业只有十几家。国产装箱机与世界先进水平还有较大的差距，还不适应国内市场需求和国际市场的竞争环境。国产设备在自动控制、自动化程度和加工精度等方面还比较落后。性能不稳定、结构复杂、耗能、维修麻烦、效率低是国产装箱机需要解决的主要问题。 针对上述情况，我国有的啤酒企业的工程技术人员，针对啤酒装箱机性能单一的弊端，设计出了新型直线连续式啤酒装箱 机，可以适应各种产量的包装生产线，动力配置只有 0.12kw。简洁的抓瓶头结构，简化的装卸方式，较低的压缩空气噪音和设备重量，以及方便的操作与维修，显著降低了能耗并提高工作效率。 nts 3 1.6 装箱机的技术发展趋势 当前，我国包装机械行业正受到国际金融危机的影响和国际市场竞争的挑战，以价格竞争的销售策略已经不能显现企业的优势。抓住机遇，调整产品结构，以高科技产品提升企业竞争力是未来我国包装机械行业应对危机和挑战的唯一出路。面对我国装箱机的市场需求，包装机械企业应重点开发一批具有国际先进水平的全自动、多功能、节能、环保的现代 化装箱机，提高国产装箱机的市场竞争力。专家指出，在开发装箱机产品中一定要充分体现出高效、高精、智能化、标准化、模块化、弹性化且具有多种切换功能、可拆卸以及节能、环保的设计理念。在引进、消化、吸收的基础上，开发出具有自主知识产权的国产品牌。 1、模块化设计是未来包装机械设计的方向。模块化设计就是在一定范围内，在对不同功能或相同功能下的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，换用一个或几个单元，即可应对包装产品的变化，满足不同产品装箱的需 求。另外在设计中还要体现零件的可拆卸性。 良好的可拆卸性可以使装箱机便于维护，所用易损件要便于回收和可再生利用，从而达到方便用户、节省成本和保护环境的目的。 2、均衡寿命设计是近年来提出的科学、环保设计理念。它要求在设计中尽量使每个零部件具有相同或相似的使用寿命。就装箱机而言，某种重要组成模块应具有较长的寿命，而易于损坏的模块要易于更换，对于一些关键部件和涉及到安全性的模块在设计时应考虑设计成可维修、便于检测的结构。 3、人机工程设计在现代化的装箱机设计中也具有重要的意义。人机工程设计的目的是为减少装箱机 使用中人的差错，发挥人和机械各自的特点以提高装箱机整体的可靠性。利用人机工程学原理设计装箱机的人机系统，包括要适于人的使用习惯，便于识别操作，保证安全问题和不易出错的防误操作设计等。这些都要通过机电一体化控制，利用计算机实现自动操作、自动数据收集、自动检验以及自动诊断来实现。 1.7 国外先进装箱机 近年来，国外一些厂商通过对技术的不断改进，使装箱机性能更好地适应了自动化、多功能及高效率的要求。 SWF 公司推出的 DP320 装箱机，具有高速、适应性广、用户界面友好等特点。该设备的装箱速度达到每分钟 25 箱，可以连续 包装不同规格的玻璃、塑料或金属容器，适用的包装方式与容器尺寸范围很广。 DP320 具有nts 4 一系列的独特性能，包括垂直纸箱输送、 PLC 控制、安全保护自锁、拥堵自动截至传感器等。还配有规格更换辅助装置、 NEMA 12 电控系统，下游还设有一个光电控制器以实现自动启动或停机。该机器采用纸箱带式输送，配备低压气动装置和塑料带以实现平稳输送。 Douglas 设备公司最新推出的 Axiom 系列新型装箱机通过采用伺服系统间歇运动控制纸箱包装过程，使生产速度提高 50%，而运动范围则缩小 30%。Axiom 系列采用第三代伺服设计， 通过动态增强位置重复精度以及简化失误检测与恢复，使生产效率大幅提升。该设备的不锈钢网板以及零部件数减少了 50%，可有效减少设备维护和配件更换等所需时间。 ABC 公司推出的新型装箱机在装箱同时，可以在高速生产线上直接完成纸箱表面印刷。通过这台设备，客户可以在生产线上直接完成企业商标、产品批号、产品说明等信息的印制。 这种新型设备具有良好的适应性，当装箱完成时，相关的图案、文字就同时出现在纸箱的各个部分，如顶部、侧面、角部或端部。包装制造商不再需要购买多色印刷头、纸箱旋转与定位设备，这些设备不但价格昂贵而且 会影响生产线速度。该机可实现纸箱双侧打码以及在包装与封箱两端加注运输标志，即采用一个印刷头能够完成纸箱的双侧印刷，或采用两个印刷头完成四面印刷。如果纸箱干净、平整，可以获得最佳的印刷清晰度。印刷控制系统可以安装于纸箱控制板旁边，易于纸箱规格更换或印刷数据切换。它每分钟可以完成 35 箱的包装。 1.8 国内设备的技术创新 近年来，国产装箱机在产品结构升级和技术创新方面也取得了较大的进展。 江西德赛特包装机械设备有限公司研制成功的多功能全自动装箱机在多项性能指标上都达到了国际先进水平。 这项多功能全自动装箱机适用 各种规格圆形瓶、扁形瓶、方形瓶。其特点是可以根据装箱要求，能将产品自动分道理排。在控制上，它采用伺服系统，因而定位准确、动作稳定，可以自动完成瓶子提升、移动、降落的装箱动作，抓瓶器还可以将瓶子自动装进带隔板的纸箱内。该机结构设计的合理性体现在：运动由伺服驱动器和变频器控制的电机驱动，起步和终止均缓慢平稳；装箱速度采用变nts 5 频器进行无级调速，生产效率极高，生产速高达 1000090000 瓶 /小时；更换不同瓶型时，只需要更换夹瓶机构即可。该装箱机采用现代显示技术 触摸屏，设备常见故障可自行分析、诊断，并排除。产品 除了设置保护罩，还配备光电安全保护装置，当装箱过程中出现缺瓶、缺箱、堵箱、错位等现象时，能立即自动停机，保护机器。 该公司正在开发一种适用于异形铁罐及 PET 瓶等高度不同的非标容器的装箱机，现在已经突破了倒罐、卡罐、吸罐导向、精确定位等一系列技术和制造难题，即将完成试制，投入批量生产。 大连佳林设备制造有限公司近日研制成功的润滑油全自动装箱机通过抓住塑料瓶的瓶颈每次可以将 1230 瓶产品进行装箱，每小时装瓶数量达到 7000 瓶，这在国内处于领先水平。该装箱机通过真空泵控制抓头上的真空或是通过电磁的吸 、放来实现抓放产品。它通过机械运转，气动和机电控制把产品准确可靠地从输瓶台上装入纸箱。 该设备运行平稳，动作协调，通过变频电机独立驱动不同的机械机构使产品提升、平移、降落，并与气动、电、光控制相结合实现自动化操作。它采用无压力输送，输箱通道采用三段（进箱段，装箱段，出箱段）无压力控制设计，由变频驱动的减速电机来实现快速进箱、装箱及出箱。此外，它采用两组箱体底部定位，不但定位效果好，还减少了因纸箱外型尺寸差异所造成的故障停机。为了满足食品包装的要求，该设备还使用了无油润滑的气动元件，大部份运动部件之间均 采用了终生不需要注油润滑的人性化设计，避免了油的污染，也减少了用户的维护成本。 1.9 毕业设计题目及基本参数 本 设计的题目为 瓶装牛肉酱的封口机构包装 机 构及封箱 的控制 设计 。本 设计主要完成纸盒、 牛肉酱瓶 的上料及装 箱 装置设计。 优点： （ 1）直观性好，顾客易于辨认商品的品质； （ 2）保护商品，防止损坏和污染； （ 3）密封性好，防潮、防变质。 基本参数为： nts 6 1. 瓶装 牛肉酱 容量为 230g，计量误差控制在 2g； 2. 瓶装 牛肉酱 尺寸：底部直径 120mm，开口直径 90mm，瓶高 200mm； 3. 要求工作稳定，使用寿命 10 年； 4. 生产能力： 50 瓶 min； 5. 瓶装 牛肉酱 为 36 瓶一箱包装。 6.瓶子灌装之和的质量为： 516g 本设计的设计任务为： 总体方案设计、传动系统 控制 设计； 纸 箱 上料机构 的控制 设计，完成相应 PLC 程序 ； 牛肉酱瓶 上料机构 的控制 设计，完成相应 PLC 程序 ； 装 箱 装置 机构的控制 设计，完成相应 PLC 程序 ； 部分 电路 图设计； 设计说明书一份，字数为 1.5 万； 电气 图纸合计为 5 张，利用计算机。 nts 7 第 2章 总体 方案设计 2.1 控制 与检测 设计所需要的 的结构参数 本设计的装 箱 机 为 立 式 瓶装牛肉酱 装 箱 机。 机 器 的 总 体 尺 寸 为15001444750。 立式机器 不仅 节省 了 空间 ，而且比较美观 。为了节省空间，本设计选用了 YCJ 电动机 ，及电动机和减速器直联 。机座号为 160，电动机功率为3kw ，输出轴转速为 58 min/r ，输出转矩为 452 mN ，电动机代号为 100 42L 。 2.2 整体 控制 与检测 方案设计 及 PLC 的选用 根据本设计的结构参数确定整体的 控制方案，以及选用合适的 PLC 来控制、协调和检测整机的运作。 2.2.1 整体控制 与检测 方案设计 图 2-1 瓶装 牛肉酱 自动生产线工艺流程示意图 本设计的 工艺路线为： 1、 纸箱 送 料 2、 瓶装 牛肉酱 送 料 3、 装箱 nts 8 本设计主要完成 纸箱 上料 机构 的控制设计 、 瓶装 牛肉酱 送 料 机构的控制设计、装箱 机构 的控制设计 三 部分的 控制 设计。 2.2.2 PLC 控制 与检测 系统的选用 PLC，是 Programmable Logic Controller 的缩写，又名可编程、可编程控制器、可编程序控制等，是 为工业自动化领域专门设计的、实现数字运算操作的电子装置。 台达 PLC 采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 台达 PLC 及其有关的外围设备都是按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计 ， 在本设计中选用台达的 PLC 来完成对整个机器的控制及检测。 详情请见本设计的硬件电路设计中的 PLC 硬件电路的设计。 2.3 纸箱 上料 机构 的控制与检测 设计 纸 箱 上料的 运动 过程 ： 主要由凸轮带动带有 吸嘴的轴上下运动完成的。轴 上附有拨杆，在将纸 箱 吸下的过程中，拨杆压住连杆上的小轴，这时弹簧处于拉伸状态，连杆向上运动，使连杆 带动挡片挡住上面的纸 箱 ，从而保证只有一个 箱 被吸下。在 箱 被放下的过程中，挡片逐渐压 在 箱 上，防止 箱 蹦起来。当负压真空装置向上运动时，连杆在弹簧的作用下向下运动，使连杆 带动挡片向上翻。如此往复运动完成吸 纸箱 的过程。当 纸箱 被放下时， 停止吸气 ， 纸箱 被支撑起来，传送装置将 纸箱 传送到下一道工序。 图 2-2 纸 箱 上料 机构的控制与检测设计 步进电机带动减速装置再联接到凸轮上 在此处安装检测纸箱到位的接近 传感器 nts 9 纸 箱 上 料 运动的控制设计： 纸 箱 上料的 运动主要由凸轮控制，这样需要用一个步进电机带动减速装置再联接到凸轮上，由凸轮运动的角度来对 纸 箱 上料 的整个机构进行控制， 因此对于控制系统来说只要控制步进电机就可以实现对纸箱的上料了 ，见 图 2-2 纸 箱 上料 机构的控制与检测设计 。 纸 箱 上料 运动的检测设计：在 吸嘴 位置安装 检测纸箱到位的接近传感器，这样如果纸箱没有料供上、外界的影响或者机器本身的原因导致纸箱上料出现问题可以及时的让控制系统知道，然后报警，让工作人员来处理实际出现的问题。 见图 2-2 纸 箱 上料 机构的控制与检测设计 。 2.4 牛肉酱瓶 上料 机构 的控制与检测 设计 1、牛肉酱瓶上料机构的控制与检测设计 传送部分 牛肉酱瓶上料机构 传送部分 的运动过程： 被包装的牛肉酱瓶 由齿形带传送到指定位置 ，经过滑槽到达工作架上，推瓶 板的机构将 牛肉酱瓶推到 纸箱里。传送牛肉酱瓶的速度及间歇时间由槽轮控制， 推瓶 板的机构由齿轮齿条带动。 图 2-3牛肉 酱瓶 上料 机构 传送部分 的控制与检测设计 牛肉酱瓶上料机构 传送部分 的控制设计： 通过传感器和 步进 电机来实现。在指定位置安装传感器， 步进电机 开始工作，从而带动带轮转动，将牛肉酱瓶送到指定位置。 传感器统计达到箱内的 数量要求以后，步进电机接收到传感器发出的信号，让步进电机停止送料，等到装箱完成的传感器发出信号后，步进电机又开始工作，如此循环，见 图 2-3 牛肉酱瓶 上料 机构 传送部分 的控制与检测设计 。 牛肉酱瓶上料机构传送部分的检测设计： 通过传感器来实现。在指定位置安步进电机控制传送带的启停 此处安装接近传感器用来统计牛肉酱瓶上料的数量。 nts 10 装传感器，在传感器统计箱内的数量时，若长时间没有到达到要求的数量，这说明机器的动作出现了问题，步进电机接收到传感器发出的信号，让步进电机停止送料，报警，让工作人员来处理出现的问题，见 图 2-3 牛肉酱瓶 上料 机构 传送部分 的控制与检测设计 。 2、牛肉酱瓶上料机构的控制与检 测设计 推杆部分 牛肉酱瓶上料机构的运动过程： 齿条由齿轮带动运动，带动推杆将牛肉酱推入箱中（推杆凹进去的部分可容纳了 36 瓶牛肉酱，即一箱）。 图 2-4 牛肉酱瓶 上料 机构 推杆部分 的控制与检测设计 牛肉酱瓶上料机构的控制设计： 当传送带处的传感器发出完成 36 瓶的信号时，齿条由齿轮带动开始运动，带动推杆将 36 瓶牛肉酱推入箱中 ，见 图 2-4 牛肉酱瓶 上料 机构推杆部分的控制与检测设计 。 牛肉酱瓶上料机构的检测设计：牛肉酱瓶上料机构的检测由 图 2-4 牛肉酱瓶上料 机构推杆部分的控制与检测设计 中所示的称重传感器来完 成，预先称出 36瓶 牛肉酱瓶的重量，并将此参数写入 PLC 的相关程序当中，如果实际的称重小于此参数，说明少装了一瓶或者多瓶牛肉酱，报警，停机，等待工作人员来处理相关的问题。 见 图 2-4 牛肉酱瓶 上料 机构推杆部分的控制与检测设计 。 2.5 装箱 机构的控制与检测设计 装箱 机构 的运动过程： 装箱 装置由曲柄摇杆机构带动，经过固定装置及拨杆，从而完成装 箱 的过程 ， 装箱共分三道工序，分别为： A. 装牛肉酱瓶 B. 打印日期 C. 盖纸箱盖 nts 11 纸箱 的传送装置 曲柄摇杆机构带动， 能实现上下左右运动，即作平行四边形运动。当纸箱 被吸下来 时，该传送装置向上运动， 辅助将箱撑起来。然后传送装置向前运动，完成装箱和盖箱 盖后，传送装置向下运动，然后往回运动，进行下一次动作。该机构设计为纯机械设计，要严格要求与其他动作的时间和空间同步化，因此在设计方面要求很高的精度。 纸箱 传送装置如图 2-6 所示。 装箱 机构的控制设计 ： 装箱 机构的控制 主要是由 曲柄摇杆机构完成，曲柄摇杆机构由步进电机带动 完成相关动作 。 装箱 机构的 检测 设计 ： 纸箱处 的支架上 安装接近传感器 ，用来检测装箱的动作是否成功完成，这里的接近传感器还有一个用处是用来统计机器完 成的箱数，以便用户了解工作进度。 酱瓶 带 图 2.5 装箱机构传送带图 连杆 纸箱（ 送箱 架 图 2-6 纸箱 传送装置 纸 箱 处 安装 计数 接近传感器 nts 12 第 3章 硬件电路 设计 3.1 硬件 电路 设计 所需 元器件 搭建本设计的控制与检测系统所需要的元器件有 PLC（可编程控制器）、电机、接近传感器、称重传感器、变频器、导线等。 3.1.1 硬件电路设计所需元器件简介 1、 PLC（可编程控制器）： PLC = Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并 通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示： a. 中央处理单元 (CPU) 中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 b. 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 c. 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在 +10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直nts 13 接连接到交流电网上去 。 2、 步进电机 ： 将电 脉冲 信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为 “步距角 ”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控 制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机是一种 感应电机 ，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控 制器 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机 在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增， 在各个国民经济领域都有应用。 3、 变频器 ： 利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。 CPU 就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在 CPU 上，同一型号的变频器软件是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。 4、 接近传感器： 代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。在换为电气信 号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。 在 JIS 规格中，根据 IEC60947-5-2 的非接触式位置检测用开关，制定了 JIS 规格（ JIS C 8201-5-2 低压开关装置及控制装置、第 5 控制电路机器及开关元件、第 2 节接近开关）。在 JIS 的定义中，在传感器中也能以非接触方式检测到物体的接近和附近检测对象有无的产品总称为 “接近开关 ”，由感应型、静电容量型、超声波型、光电型、磁力型等构成。在本技术指南中，将检测金 属存在的感应型接近传感器、检测金属及非金属物体存在的静电容量型接近传感器、利用磁力产生的直流磁场的开关定义为 “接近传感器 ”。 5、 称重传感器： 按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极nts 14 变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等 8 类，以电阻应变式使用最广。 电阻应变式传感器 利用电阻 应变片 变形时其电阻也随之改变的原理工作（图 11）。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输 电缆 4 部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。 3.1.2 硬件电路设计所需元器件分析与统计 1、 纸箱上料机构的控制与检测设计 所需元器件： a. 电机 用来带动减速装置驱动凸轮运动 ，带动吸嘴取放纸箱。 b. 接近传感器 纸箱到位接近传感器，用来检测纸箱是否到位。 c. 变频器 用 PLC 的信号来控制步进电机的转动。 2、 牛肉酱瓶上料机 构 的控制与检测设计 所需元器件： a. 步进电机 用来带动传送带装置，传送带带动 牛肉酱瓶到达需要的位置 。 b. 接近传感器 牛肉酱瓶 到位接近传感器，用来检测纸箱是否到位，并且将 牛肉酱瓶的数量记录下来。 d. 称 重 传感器 称取 36 个 牛肉酱瓶的 重量，如果少瓶则报警。 c. 变频器 用 PLC 的信号来控制步进电机的转动。 3、 装箱机构的 控制与检测设计 所需元器件： a. 步进电机 用来带动减速装置驱动曲柄摇杆运动。 b. 接近传感器 纸箱到位接近传感器，用来检测纸箱是否到位 ，并且将 牛肉 酱瓶的数量记录下来。 c. 变频器 用 PLC 的信号来控制步进电机的转动。 表 3-1 硬件电路设计所
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