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1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 37 页 共 37页目次1、绪论31.1 选题背景及意义312 国内外的应用现状31.3本文的主要工作42 滑块厚度检测系统的整体结构521检测对象522 测量传动机构523 滑块的检测原理624分类机构73 检测平台的控制系统设计831控制系统的工艺要求832系统的控制要求933控制系统的I/O点及地址分配934 PLC系统的选型1135控制系统的硬件组成113.6 控制系统与上位机的通信接口124 控制系统的软件设计1341上位机软件1342 PLC控制软件15421 PLC主控软件设计15422步进电机的开环运动控制164221 前级驱动步进电机的输出特
2、性164.2.2.2 前级驱动部分步进电机驱动器的特性164.2.2.3 分类步进电机的矩频特性174.2.2.4 分类步进电机控制器特性184225 PLC对步进电机的控制方法184PLC与工控机的通信设计234PLC控制软件的功能设计254.2.4.1主程序 Main254.2.4.2 初始化程序 Initial264.2.4.3分类子程序Micro_SORT264.2.4.4 Run_Motor1274.2.4.5 Stop_Motor1274.2.4.6 报警程序Alarm284.2.4.7 自启动子程序Reset285 系统的可靠性设计295.1 系统接地295.2 接近开关295.
3、2.1接近开关的主要功能295.2.2 接近开关的定位精度305.3 PLC的输出端保护315.4 SSR及电机的保护315.5分类口分布的优化设计315.6 软件的优化设计325.7 系统联调326 全文总结33结论34致谢35参考文献361、绪论1.1 选题背景及意义滑块是空气压缩机及空调中的一个关键性部件，其几何尺寸、表面粗糙度、形位公差等精度的高低，严重影响空调制冷制热效果的好坏。如今随着市场对空调及空气压缩机需求的扩大，对滑块的需求量也越来越大，精度要求也越来越高。目前，在加工生产后，主要依靠人工检测的方法，对滑块是否合格进行检验。由于检测精度很高，人工检测的方法存在检测速度慢、效率
4、低、人为因素影响大等问题，检测成为制约生产的关键性一环。为此，研制了这套滑块自动化检测系统。12 国内外的应用现状可编程控制器(PLC)是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备。PLC的控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，并将微机的数据处理能力强和网络通信能力也集成在一起，成为自动化领域的三大技术支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一1。随着微电子技术的发展，PLC的功能更加完善和丰富，但成本却在下降。目前在国内外，PLC已广泛应用于钢铁、采矿、建筑、石油、化工、
5、电力、机械制造、汽车、纺织、环保和娱乐等行业16。在工业自动化应用方面，广泛使用PLC实现运动控制、过程控制、顺序控制、数据处理和与其它智能控制设备组成分布式控制系统的通信网络。在现场控制领域，PLC以其抗干扰能力强、可靠性高、结构简单和通用性强的特点，广泛用于实现生产过程的自动化。在机电系统中，PLC作为底层控制命令的执行者，执行管理层的命令。尤其是在工业生产过程中，控制驱动系统比如：电机控制，具有控制精确性高、使用方便的优点。例如：有的使用PLC对机床主轴实现脉动定位控制，实质是对电动机进行脉动控制。通过使电动机的转速稳定在一个较低的平均速度下实现主轴定位，大大提高了定位系统的可靠性，取得
6、很好的定位效果19。有的以交流异步电动机的PLC逻辑控制、位置控制、过程控制、变频控制、数据处理和数据通信的典型应用实例，阐述了PLC在交流异步电动机自动化控制领域的广泛应用和重要作用20。有的使用PLC对三相异步电机进行控制，提高了可靠性，减小了控制电路的体积21。还有很多文章是基于PLC的计算机集散控制系统22。计算机集散控制系统(简称DCS)，DCS以其分散控制、集中监控的独特优势迅速得到了企业界的认可，并得以大规模的推广应用。DCS采用分级递阶结构，即从系统工程出发，考虑功能分散、危险分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、减少设备的复杂性与投资成本。尤其在一些流程工业复杂控制对象的控制
7、中，计算机集散控制系统的作用十分明显。利用PLC构成集散控制系统，将计算机管理能力强的优点与PLC成本低、控制功能强的特点结合起来，取得了良好的效果。将PLC应用于生产过程的监控，也是PLC的重要应用之一23。运用计算机控制技术与PLC和回路调节器相配合，按照工艺流程的要求，对整个生产线中的各种电机、阀门等开关和温度、压力、液位等模拟量进行检测控制。用计算机对生产工序进行自动监控和管理提高了企业的生产管理水平和竞争能力。在本项目中，PLC作为直接的控制命令执行者，不但要对系统运行过程中的各种状态进行检测，还要精确控制后级分类机构电机的输出相位。因此、这就需要对PLC的输出进行编程。在Simen
8、s公司生产的S7-200系列小型PLC中，专门集成了针对步进电机的控制方式PTO（高速脉冲输出）。这样，只需要用户软件编程就实现了对步进电机的精确控制，大大简化硬件电路的构成24。1.3本文的主要工作依据滑块厚度检测的工艺和检测方法，本文主要在以下几个方面展开了工作：（1） 根据系统的控制功能要求设计控制系统的总体方案，并对其可行性进行分析并论证；（2） 设计控制系统的硬件电路，并分析硬件的可靠性和安全性；（3） 设计和编制控制系统的软件，并通过现场调试证明软件设计的合理性和完善性；（4） 定义完善的PLC与上位机的通信协议，并在调试种对其完整性和合理性进行分析验证；（5） 对步进电机的性能进
9、行分析，设计较为合理的步进电机控制方案。2 滑块厚度检测系统的整体结构21检测对象滑块是空调和空气压缩机中的一个关键部件。本系统所要检测的对象滑块的正面形状如图2.1所示：图2.1 滑块滑块在检测过程中主要检测滑块的厚度、两表面的平行差等参量。经研究讨论设计为检测每一表面的两对角线上三个点作为判定依据，计算滑块是否合格，并根据厚度、平行差是否超限分为七类（详细分类见4.2.2）。对滑块的平面度和厚度检测有一定要求，测量精度较高，测量分辨率要求达到0.1m。测量传感器采用密封式光栅位移传感器，测量精度达到0.025m，满足测量精度的要求。其几何尺寸如图2.2所示：图2.2 滑块的几何尺寸22 测
10、量传动机构测量传动机构主要有测量平台和传动机构组成。其整体结构如图2.3所示。机械结构是整个检测平台的基体。图2.3中，1是测量传感器安装位置；2是传动轮；3是出料口。测量平台是整个测量用的定位基准面。传动机构采用同步齿形带与相应类型的带轮配合，并在齿槽中套接滑块外夹具固定滑块完成滑块在流水线上的测量传送。在测量完毕后，在出料口，由于滑块的自身重力，而脱离夹具，并由滑道传送至分类机构。夹具布满整个工作导轨，并随传动带循环运动，滑块从入料口进入传送轨道，在某一时刻必定有一夹具与之配合。图2.3 测量传动机构23 滑块的检测原理出料口V测量平台分为上下两层，滑块随传送带运动，分别检测其上下表面。测
11、量平台是滑块几何量测量的基准，为避免测量平台的精度引入测量误差，测量平台的表面加工精度远高于滑块的表面要求精度。滑块的检测原理如下：图2.4 滑块的检测原理滑块测量过程中，滑块相对于工作台以速度V作滑动运动。为保证传送过程中的平稳性，避免传动机构的振动引入附加的测量误差，造成测量结果的失真。传动装置采用同步带传送，并在测量传感器前加装加紧装置，避免传送带的跳动引入额外的测量误差，从而大大减少了传动机构对测量过程的影响。滑块的每一表面要测量两对角线上五个点（中心交叉处可看作一个）。因此,滑块在运动中不但要做1度旋转，还要翻转180度。在测量平台上刻画合适的曲线使滑块完成旋转1角度（见其他人的论文
12、）。滑块的180度翻转，则通过设计流水线的空间结构来实现。如图2.4所示，滑块随传送带运动到下面的测量平台时，刚好翻转了180度。24分类机构滑块通过一个滑道传送至分类机构。分类机构是带开口的匀质圆盘，可绕其中心轴转动，在开口槽的两侧沿圆周方向均匀分布7个出口。在圆盘中心处安装吸力电磁铁。在圆盘开口处连接分类滑道，每一个滑道装有一个接近开关（记为分类完成信号），共有七个。分类机构由PLC依据接收到的分类信息控制步进电机旋转相应的角度，将滑块分类出去。PLC对分类电机的控制是通过PTO（高速脉冲串输出）的方式。PTO方式中，可输出多个脉冲串，并允许脉冲串排队，以形成管线。依据管线的实现方式分为单
13、段管线和多段管线。本系统中采用多段管线的方式，通过在变量存储区建立包络表的方式，控制输出脉冲的周期和脉冲数，从而达到对步进电机的速度和转动角度精确控制的目的。其结构如图2.5所示。在分类的过程中，PLC通过对安装在系统中的感应开关来判断分类过程中的各种状态。如：滑块到达、定位信号、分类完成等等。如果发现非正常状态，则向工控机发出相应的报警信号告知工作人员，以方便排除故障。图2.5 分类机构3 检测平台的控制系统设计滑块厚度综合检测平台主要由自动检测平台、分类机构和控制部分三部分组成。本系统是基于微机-PLC模式构成的一个集散控制系统。一般来说，集散控制系统可分为三层。顶层是管理层，其任务是实现
14、对整个系统的管理工作。中间层为集中监控层，其任务是实现对整个系统的监视、控制、调度等工作。底层是分散执行层。其任务是完成局部的控制工作。在本系统中，工控机作为监控管理层承担了顶层和中间层的任务；PLC作为控制执行层，承担底层控制任务。工控机把管理决策、控制任务、控制参数和调度命令通过通信电缆传送给控制层PLC，PLC也要通过电缆把控制过程的参数、控制进程和控制数据传送给管理层。整个系统的功能框图如图2.1所示。PC/PPI控制信号分类控制信号位控信息传动控制传感器信号传动测量机构工控机RS-232PLC RS485分类控制系统图3.1 控制系统功能框图31控制系统的工艺要求由前面测量原理所述，
15、滑块在工作台上要完成旋转、翻转，而这些通过设计滑块的导轨曲线来实现（详细设计见其他人的论文）。因此，控制系统主要完成驱动电机的速度的控制和调节。对于步进电机来说，改变输出脉冲的频率就可以完成。输出频率受电机的输出转矩和传感器检测精度的限制，需要在调试过程中加以确定（见4.2.2）。滑块的分类依靠分类电机输出不同的相位来区分，其分类号由上位机给出。因此，要精确控制电机的输出脉冲数目以及频率。脉冲数目关系到输出的角度；频率的大小关系到分类的速度。主要考虑选用合适的频率使电机能够在不失步的情况下，频率最大，也就是分类最快是系统设计的重点。同样需要调试过程中确定。32系统的控制要求为使整个系统完成滑块的检测、传送和正确分类，要求系统应具有如下功能：(1)能确保滑块在流水线上稳定传送，保证滑块按进入系统的先后形成的队列传送，
