分选设备的实时控制系统设计毕业设计说明书

前 言我们的毕业设计题目是：分选设备的实时控制系统设计。它是一个机电一体化系统，包括了三个部分的内容：机械系统的运动部分、PLC系统的控制部分和组态软件的监控部分。自从我国加入WTO以后，物流产业得到了迅猛的发展，流通产业的现代化与国际化已是大势所趋，物流装卸机械是实现货物位移的重要手段，物流输送的机械化、自动化、智能化必将加速现代物流技术的高速发展；同时随着科学技术的不断进步，机械制造技术的水平在不断的提高，特别是随着机电一体化技术、计算机辅助技术和信息技术的发展，当今世界机械制造业将进入全盘自动化的时代。UG（Unigraphics）是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件,作为一个集成的全面产品工程解决方案，UG软件被许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真等领域,自从UG进入中国市场以来，发展迅速，已经成为中国航天航空、汽车、机械、计算机及外设、家用电器等领域的首选软件；PLC全称Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。它具有可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中；MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。通过一系列的软件控制，人类的生产活动将会变得更加的安全、高效。在本次设计中，综合运用了本学科的基本理论、专业知识和基本技能，提高了自己分析与解决实际问题的能力。本设计涉及的知识面广、内容多，在设计过程中，由于设计者的水平和资料有限，加之任务较多，设计中有不少不妥和错误之处，敬请老师批评指正。 编者 2006年6月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日南京工程学院毕业设计说明书（论文）第一章 毕业设计任务1.1设计任务分析机械运动 部件PLCMCGS组态监控软件输出信号 （控制运动）输入信号输出信号 （监控运动）这次我们所作的毕业设计题目是：分选设备的实时控制系统设计。此分选系统的机械运动部分由PLC控制以实现自动识别和分选物料，同时用MCGS组态软件仿真并监视分选系统的机械运动。此分选系统主要由三个部分组成：机械运动、PLC控制、MCGS监控。它们之间的相互关系如图1-1所示：图 1-11.2 设计任务内容毕业设计任务的主要内容如图1-2所示MCGS监控调试 PLC程序调试监控数据库处理和采集运行策略程序编写监控界面设计制作PLC控制梯形图设计控制流程图设计PLC端子图确定模型调试模型装配模型零部件设计制作模型结构方案确定监控系统设计PLC程序设计模型设计制作分选设备的实时控制系统设计 图1-2由图1-2可以看出模型、PLC和MCGS之间的相互关系：当模型装配好之后需要调试，查看大小齿轮啮合是否正常，运动是否平稳，两个电机的转速是否合适以及6个接近开关能否感应到铁片；PLC程序编写好之后首先需要进行程序调试，查看程序本身是否正确，再和模型连接调试，查看模型是否能按控制要求分选物料；MCGS监控系统设计好之后需要先进行仿真调试，测试仿真效果，再和PLC连接进行监控调试，测试PLC和MCGS之间的信号传递是否顺畅，最后需要将模型、PLC、MCGS三者连接起来进行系统调试，使模型的机械运动、PLC控制和MCGS监控三者之间实现同步。1.3 相关软件应用1.模型设计所需软件模型的设计中需要使用的是三维制图软件UG。UG是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件。作为一个集成的全面产品工程解决方案，UG软件被许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真等领域。UG更快地递交产品到市场；使复杂产品的设计简化；减少产品成本和增加企业的竞争实力。自从UG进入中国市场以来，发展迅速，已经成为中国航天航空、汽车、机械、计算机及外设、家用电器等领域的首选软件。在模型设计中，我将学习使用UG设计和装配零件，作出模型和零件三维图，并将三维图转换成工程图。2.PLC程序设计所需软件PLC程序设计主要用到的软件有AutoCAD2004和西门子编程软件STEP-7。使用AutoCAD2004制作PLC端子图、主电路图和控制流程图；我们所使用的PLC是西门子S7-200，所以必须使用西门子编程软件STEP-7编写控制梯形图。3.监控系统设计所需软件监控系统设计中用到的软件有：Photoshop CS、Flash和MCGS。MCGS用于监控系统的设计，它是工业组态软件，具有远程监控、数据采集、数据分析、过程控制等强大功能，在自动化系统中占据主力军的位置，逐渐成为工业自动化系统中的灵魂。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点；在MCGS制作的监控系统中需要9段AVI格式的动画和两张背景图片，所以需要学习使用Flash制作动画和学习使用 Photoshop处理背景图片。1.4 设计任务难点1.任务量大不仅要设计机械运动部件，还要设计控制程序和监控系统。机械运动部件设计包括三维图和工程图的制作，还有后期要到工厂加工出模型；PLC控制程序的编写包括：PLC程序编写，设备调试；MCGS监控系统设计包括界面设计，运行策略编写；三者之间还要相互连接调试，以保持机械运动和监控运行的协调性。2.运用到的软件多a. 三维制图软件Unigraphics NX 3.0b. 二维制图软件AutoCAD 2004c. 西门子编程软件STEP-7d. 图象处理软件Photoshope. 动画制作软件Flashf. 工控组态软件MCGS3.三个部分的难点a. 模型的装配调试b. PLC控制梯形图设计c. 监控窗口设计第二章 模型设计制作2.1 模型结构方案确定2.1.1 系统控制要求系统采用PLC控制模型的运动，使模型能够实现手动复位和自动控制两种控制方式。1.手动复位 通过选择开关（SA）选择手动复位（锁住自动控制），按下点动按钮（SB1），使继电器（KA3）得电，控制拨料电机正转，带动拨料杆正转，当拨料杆复位时，松开点动按钮（SB1），拨料电机停止转动；按下点动按钮（SB2）使继电器（KA1）得电，控制转盘电机正转，带动转盘正转，当转盘复位时，转盘电机停止转动，松开点动按钮（SB2）；2.自动控制 当系统复位后，将选择开关（SA）拨到自动控制（锁住手动复位），按下启动按钮（SB3），系统按照PLC控制要求自动分选物料，当按下停止按钮（SB4），系统立即停止运动。图2-1：模型装配图1、底撑；2、底板；3、滑道；4、主轴承座；5、齿圈；6、端盖；7、料隔板；8、拨料杆；9、拨料杆轴；10、拨料套；11、盖板支撑；12、盖板；13、小齿轮；14、齿轮轴；15、隔套；16、小轴承座；17、传感器架；18、料斗；19、底板。2.1.2 系统工作原理如图2-1所示，所要分选的物料放在料斗（18）中，在物料掉入转盘之前，通过料斗（18）后面的两个接近开关（SQ1、SQ2）识别物料类别，确定物料将要通过的滑道（当SQ1=0，SQ2=1时选择滑道1；当SQ1=1，SQ2=0时选择滑道2；当SQ1=1，SQ2=1时选择滑道3）；当小齿轮（13）在转盘电机的带动下转动时，带动大齿轮（5）转动，从而使转盘转动。当盖板（12）的矩形槽转到料斗（18）的正下方时，触发接近开关（SQ3）而停止转动，料斗中的物料掉入槽中；经过一秒钟的定时，转盘将逆时针转动，当转到刚刚选择的滑道时，触发接近开关而停止（滑道1处接近开关是SQ5；滑道2处接近开关是SQ6；滑道3处接近开关是SQ7），同时触发拨料电机转动，带动拨料杆（8）正转将物料推入指定的滑道。当拨料杆（8）转一圈复位时，触发转盘电机反转，带动盖板（18）反转，当触发接近开关（SQ3）时，转盘电机停止转动；这时盖板的矩形槽刚好在料斗的正下方，于是物料通过盖板上的矩形槽掉入转盘中，为下一个物料的分选做好准备。当料斗中的物料被分选完时，盖板停止在滑道1或滑道2或滑道3，这时只要在料斗中放入物料，转盘就会自动返回，继续分选物料。2.1.3 方案确定根据对系统的控制要求和工作原理的分析和研究，在对多种方案进行研究比较后，最终选择了如图2-2的模型结构方案。模型所需用到的标准件如下：1、滚动轴承，GB/T276-94 60102、滚动轴承， 3、挡圈，GB893-86 804、挡圈，GB894-86 50 图2-2：分选系统模型 2.2 模型零部件设计制作在模型结构方案确定之后，就开始设计模型零部件了，在这部分主要用到的软件是UG3.0。得益于UG3.0，使我们的设计变得更快捷、更简单，即使是很复杂的零件也能够轻松地设计出来。我们只要花费很少的时间和精力，就能够清楚模型的结构和装配关系。2.2.1 底撑（01）设计制作底撑装配在底板（19）上面，主要是用来支撑整个模型并为电机的安装留出足够的空间。对底撑的要求不高，使用的材料为板金喷塑，数量为2。如图2-3：底撑上8个孔的直径为4.5毫米图2-3：底撑三维图2.2.2 底板（02）设计制作底板（02）固定在底成撑（01）的上面，作用主要是放置主轴承座、小轴承座及传感器架。由于大、小齿轮之间要求较精确的啮合，对两个轴承座的中心距要求较高，所以对底板上两个圆糟之间的中心距要求较高。底板采用的材料是铝合金，数量为1。如图2-4： 图中箭头1所指的圆槽和小轴承座配合，箭头2所指的圆槽和主轴承座配合，槽深2毫米，中心距为650.1毫米。箭头3所指的5个螺纹孔为M4，用来定位传感器架。图2-4：底板三维图 2.2.3 滑道（03）设计制作滑道有三个过道，作用是让三种不同的物料通过，从而达到分选物料的目的，对滑道的要求不高。使用的材料为板金喷塑，数量为1。如图2-5.1：图2-5.1：滑道三维图由于滑道的结构复杂，难以加工，因此工厂里加工出来的滑道和图中的滑道相差较大，几乎不能使用，所以我用有机玻璃自制了一个简易的滑道。如图2-5.2： 图2-5.2：自制滑道2.2.4 主轴承座（04）设计制作主轴承座的作用是支撑滚动轴承，再由滚动轴承支撑转盘，以实现转盘的转动。主轴承座的材料为铝合金，数量为1。如图2-6：图中箭头1所指的圆柱面直径为50，和国标为GB/T276-94 6010的滚动轴承的内径配合，箭头2所指的台阶用于滚动轴承的定位主轴承座需要和底板（02）上箭头2所指的槽配合，但工厂里加工的配合尺寸略大，难以安装。用螺钉拧紧之后，就不能拆卸了。图2-6：主轴承座三维图2.2.5 大齿轮（05）设计制作大齿轮由小齿轮带动以实现转盘的转动，材料为尼龙，数量为1，模数为1，齿数为110，齿形角为20度，精度为8级，要求较高。如图2-7：图中箭头1所指的圆柱面上需要粘贴小铁片，这样接近开关可以通过感应铁片，将信号传递给PLC，通过PLC控制转盘的定位。图中箭头2所指的圆柱面和国标为GB/T276-94 6010的滚动轴承的外径配合。图2-7：齿轮三维图2.2.6 端盖（06）设计制作端盖的作用是带动盖板转动，使用的材料是铝合金，数量为1，如图2-8：通过图中箭头1所指的4个4.5的孔将端盖固定在大齿轮上，图中箭头2所指的台阶由滚动轴承支撑。图2-8：端盖三维图2.2.7 隔料板（07）设计制作隔料板的作用是运送物料和支撑盖板，材料是板金喷塑，数量为1。如图2-9：通过图中箭头1所指的4个孔将隔料板固定在端盖上，物料落入隔料板内，当拨料杆转动经过箭头2所指的间隙时，将物料推出隔料板图2-9：料隔板三维图2.2.8 拨料杆（08）设计制作拨料杆的作用是通过旋转将物料从隔料板内推入滑道，制作材料是有机玻璃，数量为1。如图2-10：拨料杆上孔的直径是6，但工厂里加工的是4，所以要用锉刀将孔锉到6毫米。图2-10：拨料杆三维图2.2.9 拨料杆轴（09）设计制作拨料杆轴由拨料电机带动正转，从而使拨料杆转动，使用的材料是A3，数量为1。如图2-11：图中箭头2所指的孔和电机轴配合，箭头1所指的孔为M3，用于轴和电机的连接；箭头3所指的表面上有M6的螺纹，用于安装拨料杆。 图2-11：拨料杆轴三维图2.2.10 拨料套（10）设计制作拨料套主要是用来固定拨料杆轴的顶端，以保持拨料杆轴的垂直度，制作材料是铝合金，数量为1。如图2-12：图2-12：拨料套三维图2.2.11 盖板支撑（11）设计制作 盖板支撑的作用是固定和支撑盖板，制作材料是黄铜，数量为1。如图2-13：图2-13：盖板支撑三维图2.2.12 盖板（12）设计制作盖板的作用是托住物料，当盖板的矩形槽转动到料斗正下方时，物料通过盖板上的矩形槽落入转盘。制作材料是有机玻璃，数量为1。如图2-14：图2-14：盖板三维图工厂里加工了三块盖板，但其中有一块缺图中箭头1所指的孔，我们用电烙铁在上面烙了个孔，然后用锉刀将孔锉到10；另外两块没有箭头2所指的矩形槽，同样使用电烙铁将多余的材料去除，然后用锉刀修整。2.2.13 小齿轮（13）设计制作小齿轮由转盘电机带动，将转动传递给大齿轮，从而带动转盘转动。制作材料为A3，数量为1，模数为1，齿数为20，齿形角为20度。如图2-15：图2-15：小齿轮三维图工厂里加工的小齿轮没有图中箭头2所指的台阶，给后面的模型装配添加了难度，图中箭头1所指的孔为8，和齿轮轴（14）配合。2.2.14 齿轮轴（14）设计制作齿轮轴由转盘电机带动，将转动传递给小齿轮，制作材料是A3，数量为1。如图2-16：图中箭头1所指的孔为M3，用于小齿轮和齿轮轴的连接，箭头2所指的圆柱面为8，和两个的滚动轴承配合。图2-16：齿轮轴三维图2.2.15 隔套（15）设计制作 隔套用于两个（）滚动轴承的定位和固定，制作材料是铝合金，数量为1。如图2-17：图2-17：隔套三维图2.2.16 小轴承座（16）设计制作小轴承座的作用是定位小齿轮轴和小齿轮，制作材料是铝合金，数量为1。如图2-18：图2-18：小轴承座三维图2.2.17 传感器架（17）设计制作传感器架是为了安装接近开关和料斗而设计的，制作材料是板金喷塑，数量为1。如图2-19：工厂里加工的传感器架缺少图中箭头1所指的一个腰孔，而且图中箭头2所指的定位孔加工也不准，不能够固定在底板（02）上，所以必须重新加工定位孔，添加腰孔。在加工腰孔时，需要先在传感器架上将腰孔的位置标出来，然后在所标的位置上钻两个孔，再用锉刀锉成腰形。腰孔是用来安装接近开关的，之所以设计成腰形，是为了便于调节接近开关的位置。图2-19：传感器架三维图2.2.18 料斗（18）设计制作料斗的作用是盛放将要被分选的物料，相当于一个仓库，后面的两个矩形孔是为接近开关感应物料开的，通过零件上的4个孔固定在传感器架上，制作材料是板金喷塑，数量为1。如图2-20： 图2-20：料斗三维图2.2.19 底板（19）设计制作底板（19）的作用主要是安放整个模型和滑道，制作材料是塑料，数量为1，如图2-21： 图2-21：底板三维图这个零件工厂没有加工，我使用白色有机玻璃自制了一块。2.2.20 底撑设计过程以上零件三维图是用UG设计制作的，有些零件设计比较复杂，如滑道和传感器架；有些零件设计比较简单，如底撑和底板。在这里我就以底撑为例介绍零件的制作过程和UG的操作方法。首先打开UG，点击图2-22中箭头1所指的Application,在下拉菜单中选择Modeling，进入建模状态；点击箭头2所指的Block，出现右上角的对话框；在箭头3所指的空格里输入长方体的长、宽、高，点击确定出现图中所示的长方体；图2-22：底撑制图1再点击图2-23中箭头1所指的Hollow,出现右边的对话框，选择需要去除的表面，然后在箭头2所指的空格里输入板厚，点击确定就可以得到图2-23中的模型了； 图2-23：底撑制图2再点击图2-24中箭头1所指的Hole，出现右边的对话框，在箭头2所指的空格里输入孔的直径、深度、顶角，选择放置面，建立图2-24中箭头3所指的一对孔；图2-24：UG制图3再点击图2-25中箭头1所指的Instance Feature,选择矩形阵列，出现右边的对话框，在箭头2所指的空格里输入参数，就可以由图中箭头3所指的一对孔阵列出另外三对孔。这样底撑就制作好了。图2-25：底撑制图42.3 电气元件确定和购置根据控制要求可知，需要购置的电气元件有选择开关（SA）1个、按钮（SB）4个、接近开关（SQ）6个、指示灯6个、继电器3个、电机2个等。购置选择开关时要注意它的尺寸大小；购置按钮时需要考虑按钮的大小、颜色以及是否带锁，我们所使用的4个按钮都是不带锁的，两个点动按钮为黄色，启动按钮为绿色，停止按钮为红色；购买接近开关时要看它的工作电压范围是否满足要求，是常开还是常闭，工作电流，以及感应距离等，我们使用的接近开关是常开的，感应距离是2毫米，工作电压10-30伏；购买继电器时要看它的工作电压和触点对数，由于我们只有12伏的电源，而且电机的电压也是12伏，所以我们之前购买的24伏的继电器就不能用，后来重新购买了三个12伏的继电器；购买电机要看它的转速和工作电压，我们所使用的转盘电机是30转每分钟，由于大小齿轮的减速作用，转盘的转速是5转每分钟，拨料电机是7转每分钟，电机转速选这么低是为了减小转盘的惯性作用，使接近开关能够成功及时地感应到信号，实现PLC的实时控制。2.4 控制板及支架设计制作控制板是控制系统的一部分，是操作者的操作平台。控制面板上需要放置指示灯、按钮、继电器和PLC以及他们的端子，以便于操作者接线操作。为了将来拆卸方便，控制板分成两块制作，一块用于放置PLC输入/输出端子的接插件，如图2-26；另一块放置按钮、指示灯和继电器以及它们端子的接插件，如图2-27。两块控制板上的各种大小的孔的尺寸都是根据实物测量出来的，方便以后电气元件的安装。图2-26：控制板1图2-27：控制板2控制板制作好之后还需要设计支架来放置控制板，以及为控制板下面的走线留出空间；还要能够放置PLC。根据以上考虑，设计出来的支架如图2-28，控制板和支架的装配图如图2-29。图2-28中箭头1所指的缺口用于模型上的电机和接近开关和控制板的接线。箭头2所指的两条槽是用于PLC输入/输出端子和控制板上的接插件的连接图2-28：支架图2-29：控制板和支架装配图2.5 模型装配和电气元件安装在所有的零件和电气元件都准备好之后就开始模型的装配和电气元件的安装了。这部分是模型制作中的难点，因为我们缺少材料和工具，即使是很简单的零件加工和修改，也会花费我们大量的时间和精力。2.5.1 模型装配在零件加工出来之前，我已经在UG中装配过模型了，所以对模型的结构和零件之间的装配关系十分清楚，为以后的实物装配作好准备。由于工厂中加工的一部分零件有错误，一部分零件精度不符合要求，这给模型的装配带来了很大的难度，在这里我只介绍装配中遇到的最主要的问题，其他的装配问题就不一一介绍了。图2-30：局部装配图模型中有一个最重要的零件小齿轮，由于小齿轮上的台阶没有加工出来，这就给我们的模型装配添加了难度。如果没有这个台阶，图2-30中箭头1所指的小齿轮的下表面就会和图中箭头2所指的小轴承座的上表面接触，当电机转动带动小齿轮转动时，这两个表面就会产生摩擦，使电机停止转动。为了解决这个问题，需要一个内径为8毫米，外径为11毫米，高为4毫米的垫圈充当齿轮上缺少的台阶，但是添加了这个垫圈之后，使得小齿轮的装配位置比原来高了，使得图2-30中箭头3所指的小齿轮的上表面和箭头4所指的端盖的下表面接触，这样就影响了它和大齿轮的配合。为了能使大小齿轮配合，必须将大齿轮的装配位置也提高。大齿轮是由轴承支撑的，所以必须提高轴承的位置，因此我们需要一个外径为60毫米，内径为50毫米，高为2毫米的垫圈。由于底板（02）上两个圆槽之间的中心距加工不精确，加上大齿轮的加工尺寸略大，使得大小齿不能轮成功啮合，需要增大两个轴承座之间的中心距，还要用三角锉将大齿轮的110个齿挫薄一些，形成变位齿轮。经过反复修改和测试，大、小齿轮终于能顺利啮合了。模型上还需要安装两个电机和6个接近开关。首先是两个电机的安装：两个电机需要固定在底板下，和两个轴配合，以带动两个轴转动，所以需要一块铁板来固定两个电机。找到一块可以用来固定电机的铁板之后，需要在铁板上为两个电机钻两个的定位孔、4个2的固定孔，为铁板钻4个4.5的固定孔；在这些孔当中，两个电机的定位孔十分重要，它们之间的中心距要和底板（02）上的两个圆槽之间的中心距保持一致。其次是和两个轴的连接：当电机固定在铁板上之后，还需要和轴连接。两个轴和两个孔的连接需要M3无螺帽的螺钉固定，这个M3无螺帽的螺钉可以通过这种方法获得：在普通M3的螺钉上截下一段，将一端锉平后开一个槽。最后是6个接近开关的安装：感应滑道的三个接近开关和一个转盘定位的接近开关的安装比较简单，接近开关的感应距离是2毫米，所以对安装精度要求不高。安装比较麻烦的是感应物料的两个接近开关，因为没有固定架，所以要自制一个架子来安装这两个接近开关，如图2-31箭头1所指的零件。同样，这个零件上的腰形孔也是先钻孔，再用锉刀锉成的。图2-31：自制传感器架2.5.2 电气元件安装电气元件安装是指控制板上的PLC、指示灯、按钮和继电器等的安装和接线，首先按照设计要求将按钮、指示灯、PLC、继电器和接插件安装在控制板上，然后在每个接插件下面贴上标签，最后按照标签将PLC的输入/输出端子和其他电气元件的端子接到接插件上。在接线过程中要特别注意接近开关的接线，如果把接近开关的正负极接反，就会烧掉。当控制板上的电气元件安装好，线连接好之后，操作者只要通过在控制板上接线就可以实现各种控制，使控制更加灵活多变，操作更加简单方便。2.6 模型调试在模型调试之前还需要制作调试用的物料：至少需要做3个物料，一个物料是右边有铁片，感应信号是二进制的01；第2个物料是左边有铁片，感应信号是二进制的10；最后一个物料是两边都有铁片，感应信号是二进制的11。物料不能做的太轻也不能太重：太轻不容易从料斗中落下，太重会增加物料和盖板之间的摩擦，也会砸坏盖板；物料的大小要适中：对物料的长、宽、高都有要求。长度要比料斗长度小3-4毫米，太长不容易从料斗里落下，容易被卡住。宽度要比料斗宽度小1-2毫米，超过2毫米，接近开关就不能成功感应到物料，影响物料的分选。物料掉入转盘的高度要略高于盖板上表面，如图2-31中箭头2所指表面，低于图2-31中箭头3所指的表面。如果物料的上表面超过了料斗的下表面，当转盘转到料斗下方时，物料就会被料斗卡住，使转盘停止转动；如果物料的上表面低于盖板的上表面，当转盘转到料斗下方时，第1个物料掉入转盘，第2个物料的下表面低于盖板上表面，也会卡住转盘，使转盘不能转动。在PLC程序出来之前，调试主要是测试两个电机的转动情况和齿轮的啮合情况，看拨料杆和转盘是否能够正常转动。其次是测试物料能否顺利从料斗中落入转盘中被带走，并被拨料杆拨出。还要测试接近开关能否感应到铁片，如果不能感应到铁片，还要调节接近开关的距离。当调试成功后，模型的设计制作就算完成了。第三章 PLC程序设计PLC控制程序要根据所使用的PLC型号设计，我们选用的是西门子S7-200系列的PLC，因为S7-200系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。我们设计的分选系统有11点输入和9点输出，考虑到将来的可扩展性，我们选择了CPU-226，它有24点输入和16点输出。3.1 系统主电路图设计在主电路图的设计中，需要考虑如何利用继电器的触点来控制转盘电机和拨料电机的转动。当继电器的线圈得电时，动合触点闭合，动断触点断开，我们使用的都是动合触点。转盘电机要实现正反转，因此需要用两个继电器控制并且需要互锁，拨料电机只有正转，所以只需要一个继电器即可，不需要互锁。根据以上考虑，设计出来的主电路图如图3-1。图中的M1是转盘电机，由继电器KA1和KA2控制以实现正反转和互锁；M2是拨料电机，由继电器KA3控制。 图3-1：主电路图3.2 PLC端子图确定3.2.1 PLC输入输出地址确定我们所使用的PLC的型号是西门子S7-200.CPU-226，有24个输入点，16个输出点，其中I0.0和I0.2已坏。输入端有：1个选择开关、4个按钮、6个接近开关；输出端有：3个继电器、6个指示灯。由于拨料杆使用接近开关定位很难实现，增加了控制难度，因此取消了拨料杆定位的接近开关。输入输出地址分配如表3-1：表3-1：输入输出地址分配表输入地址对应开关名称作用输出地址动作元件功能I1.0SA选择开关Q0.0KA1转盘电机正转I1.1SB3启动按钮Q0.1KA2转盘电机反转I1.2SB4停止按钮Q0.2KA3拨料电机正转I1.3SB2转盘复位按钮Q0.4HE1转盘电机正转灯1I1.4SB1拨料杆复位按钮Q0.5HE2转盘电机反转灯2I1.5SQ1接近开关1滑道选择Q0.6HE3拨料电机正转灯3I1.6SQ2接近开关2滑道选择Q1.1HE4滑道1定位灯4I1.7SQ3接近开关3转盘定位Q1.2HE5滑道2定位灯5I2.1SQ4接近开关4滑道1定位Q1.3HE6滑道3定位灯6I2.2SQ5接近开关5滑道2定位I2.3SQ6接近开关6滑道3定位3.2.2 PLC端子图设计根据输入输出地址分配表，使用AutoCAD作图软件设计PLC端子图。所设计的PLC端子图如图3-2所示： 图3-2：PLC端子图3.3控制流程图设计控制流程图的设计是编写PLC梯形图的基础，当完成了流程图的设计才能设计PLC梯形图，流程图是PLC程序设计的核心部分。根据控制要求，流程图中需要设计手动复位，滑道选择，自动运行等几个部分。控制流程如下： 1.滑道选择：将三个不同的物料放入料斗中，通过料斗后面的两个接近开关识别它们，以确定它们各自所要通过的滑道；2.手动复位：先按下点动按钮SB1使拨料杆复位，再按下点动按钮SB2使转盘复位，当转盘到位后将自动停止转动；3.自动运行：将选择开关拨到自动，按下启动按钮，转盘将自动转到刚才选择的滑道停下，这时触发拨料杆转动将物料推入滑道中，当拨料杆转动一周后停止，触发转盘反转，到料斗下方停下，为下一个物料的分选作准备，一个循环结束。经过多次修改，最终确定下来的流程图如图3-3： 图3-3：PLC流程图3.4控制梯形图设计这部分是PLC程序设计的难点，因为PLC是逻辑控制，所以编写程序时要考虑周到，有一点疏忽，程序就不能达到控制要求。根据以上的端子图和PLC流程图，编写PLC梯形图，所使用的软件是STEP-7。程序设计如下：1.滑道选择要实现物料的分选，首先要能够识别物料。如何识别物料，我们采用两个接近开关识别物料的方法。两个接近开关有4种状态组合0 0、0 1、1 0、1 1，利用其中的三个组合0 1、1 0、1 1分别表示1、2、3，就可以将三种不同的物料识别出来。两个接近开关连接的PLC输入端子分别是I1.5和I1.6，当接近开关I1.5=0、I1.6=1时表示1，M0.1得电自锁，M0.2、M0.3被断开，这时选择滑道1；当接近开关I1.5=1、I1.6=0时表示2，M0.2得电自锁，M0.1、M0.3被断开，这时选择滑道2；当接近开关I1.5=1、I1.6=1时表示3，M0.3得电自锁，M0.1、M0.2被断开，这时选择滑道3。当转盘转到选择的滑道时就会通过常闭触点M0.5或M0.6或M0.7断开M0.1或M0.2或M0.3，为下一个物料选择滑道。PLC梯形图如下：2手动复位在转盘启动之前，需要将拨料杆转到一个合适的位置，还需要将转盘定位在料斗的下面，这就要求PLC程序中有手动复位功能当选择开关I1.0的常闭触点闭合时，选择手动复位，按下点动按钮I1.4使拨料电机正转Q0.2，当拨料杆复位后，按下点动按钮I1.3使转盘电机正转Q0.0，因为转盘要实现正反转，所以要通过Q0.1的常闭触点实现正反转的互锁。当转盘转到料斗下方时触发接近开关I1.7使M0.0得电，断开常闭触点M0.0，转盘停止转动，复位完成。梯形图如下：3.启动在手动复位完成之后，拨下选择开关I1.0，断开I1.0常闭触点，接通I1.0常开触点，锁住手动复位，再按下启动按钮I1.1，M0.4得电自锁， M0.4常开触点全部闭合，使下面的程序可以运行。如果按下停止按钮I1.2，M0.4就会失电，使下面的所有程序都停止运行。定时器T33是延时接通定时器，分辨率是10毫秒。当得电1秒后接通常开触点T33，使转盘正转Q0.0。当转到选择的滑道时，定时器T33将立即被常闭触点M0.5或M0.6或M0.7切断，转盘停止在选择的滑道，实现滑道的定位。如果料斗中没有物料，M0.1、M0.2和M0.3的常开触点就不会闭合，T33不得电，转盘不能转动。梯形图如下：4.滑道定位当转盘转到选择的滑道时需要让转盘停止转动，以实现滑道的定位，转盘停止转动需要两个条件，当M0.1和滑道1接近开关I2.1都接通时，M0.5才能得电自锁；当M0.2和滑道2接近开关I2.2都接通时，M0.6才能得电自锁；当M0.3和滑道3接近开关I2.3都接通时，M0.7才能得电自锁。当M0.5或M0.6或M0.7得电时，常闭触点断开，定时器T33失电，T33常开触点断开，转盘停止转动，停在所选的滑道，实现滑道的定位。梯形图如下：5.拨料当M0.5或M0.6或M0.7接通时，触发转盘停止转动，同时触发拨料杆转动Q0.2，将物料推入选择的滑道，同时滑道定位指示灯Q0.1或Q0.2或Q0.3亮。梯形图如下：6.转盘反转当M0.5或M0.6或M0.7接通时，拨料杆开始转动，同时定时器T34开始记时，当8.57秒之后拨料杆刚好转动一周，（因为拨料电机的转速是7转每分钟）并接通M1.0使转盘反转Q0.1（如果料斗中没有物料，M0.1、M0.2和M0.3的常开触点将不闭合，转盘停在原地不反转），同时切断M0.5或M0.6或M0.7从而切断定时器T34。当转盘转到料斗下面，接近开关I1.7接通，使I1.7常闭触点断开，切断M1.0，转盘停止反转，进入下一个物料的分选。梯形图如下：3.5 程序调试当以上的PLC梯形图程序设计好之后还需要进行程序调试，以发现程序中的错误；还要和模型连接进行调试，检测模型的运动是否满足控制要求。3.5.1 PLC程序调试在STEP-7中编好程序后，首先需要建立和PLC的通信，如图3-4，双击箭头1所指的“Communications”,进入如图3-5的通信设置窗口，设置左边的通信参数，当参数设置好之后，双击图右边的旋转箭头，建立计算机和PLC的通信；建立通信之后，点击图3-4中箭头2指的“Download”，将程序下载到PLC中；下载成功后，点击箭头3所指的“Run”运行程序，并且点击箭头4所指的“Program Status”监控程序的运行，按照控制流程调试PLC程序。当程序调试无误后才能和模型连接调试。图3-4：STEP-7界面图3-5：通信设置窗口3.5.2 PLC和模型连接调试在PLC和模型连接调试之前，需要按照端子图将控制按钮和接近开关的端子和PLC的输入端子连接起来；将指示灯和继电器的端子和PLC的输出端连接起来线接好之后，就可以进行PLC和模型的连接调试了。先将三个不同的物料放入料斗中，让接近开关感应到信号；再按下拨料杆复位按钮，将拨料杆定在合适的位置；再按下转盘复位按钮，当转盘转到料斗的下面时，会自动停下来，物料掉入转盘中；将选择开关拨到自动，按下启动按钮，转盘就会按控制要求自动运行。通过调试，发现许多需要修改的地方：1用于转盘定位的感应铁片的宽度和位置不合适，转盘的定位不准，物料掉不下来，需要修改铁片的宽度和位置，经过反复调试和修改，转盘的定位终于比较精确了；2滑道的定位不准，需要调节滑道定位的铁片位置和宽度，滑道的三个过道的宽度也不合适，物料很容易掉出滑道，需要将滑道的宽度减小；3有个物料做的略大了一些，很容易被卡住，需要重做一个小一些的，还要将料斗的位置向后移一点。4因为拨料电机的转速是7转每分钟，所以在PLC程序里给拨料杆定的转动时间是8.57秒，但在调试过程中发现拨料杆不能转到一周就停止了，如果反复次数多了，拨料杆的位置就会影响后面物料的分选，所以后来将定时器的时间改成了10秒，经过调试发现拨料杆刚好能转一周，误差很小。在调试的过程中还发现了其他许多问题，都要一一加以修改，直到所有的问题得到解决。第四章 监控系统设计在监控系统设计中，我们使用的主要软件是工控组态软件MCGS，它是用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。作为工控组态软件，MCGS具有以下一系列优点：1、概念简单，易于理解和使用普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成大多数简单的工程项目，使其能集中精力解决工程本身的问题，而不需了解太多的计算机系统复杂的软硬件问题，就可组态出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。2、丰富和方便的动画组态能快速构造出各种复杂的动画画面。图元图符对象可实现自由构图和定义动画，包括颜色、位置、大小、可见度、闪烁、输入输出、按钮动作等多种动画效果。动画构件对象完成特定类型的动画功能，如：实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。3、设备无关在MCGS 中，设备被实现成独立的构件形式，不同的设备对应于不同的构件。设备构件不仅仅包括设备驱动程序，还有不同的方法和属性供系统调用，每个设备构件都由一个独立的线程来管理。对不同的外部硬件设备，只须提供相应的设备构件，而系统的其它部分和设备无关，不作任何改动。4、以窗口为单位以窗口为单位来构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS组态软件的组态工作既简单直观，又灵活多变。既可以不做任何组态工作，使用系统的缺省构架，又可以根据需要自由组态，生成各种风格和各种类型的图形界面。4.1启动窗口设计4.1.1 背景选择和设计制作启动窗口时需要一张图片作为启动窗口的背景，经过考虑决定选择学校的图书馆作为背景画面，但是拍摄的图片不够清晰漂亮。为了使背景画面更加生动，需要使用Photoshop对图片进行了处理，使图片更加清晰美观，如图4-1。4.1.2 标题设计在启动窗口中需要显示监控系统的标题，经过仔细思考最终确定下来的系统标题是：“欢迎进入分选监控系统”。为了使启动画面更生动一些，就要把标题做好。首先要选择漂亮的字体，再确定字体的大小，然后是这10个字的布局等。先将这10个字围成一个椭圆状，为了作出闪烁效果，还必须在这些字的属性里设置字的颜色和可见度，我为每个字都设置了12种不同的颜色。然后在MCGS的运行策略里编写程序，使这10个字产生闪烁效果，通过这段程序使标题的10个字逐个出现，并且不断变换颜色，如图4-1。具体程序见附录1：4.1.3 控制按钮制作控制按钮的作用是：当你点击控制按钮时，系统就会关闭启动窗口，同时打开监控窗口。控制按钮的说明文字是“点击进入”，位置在椭圆形标题的中间，当标题的10个字全部显示后，就会在标题的中间出现“点击进入”，这时你只要用鼠标左键点击它，就可以进入监控系统。如图4-1：图4-1：启动窗口画面4.2监控窗口设计4.2.1设计方案确定 我们所使用的组态软件MCGS是5.1 通用版，由于版本过老，有许多功能不能实现。如该软件只能实现90度旋转，所以动画只能实现公转，不能实现自转，要作出转盘带动正方形物料旋转的动画效果几乎不可能。经过反复思考想到一个方法：MCGS有播放avi格式动画的功能，可以用动画制作软件Flash作出模型运动效果，然后将模型运动的动画转换成avi格式的动画调入MCGS中播放。4.2.2 Flash制作整个模型的运动过程需要分为9段制作Flash动画。物料通过滑道1的3段动画：转盘从起始位置转到滑道1，拨料杆转动将物料推入滑道1，转盘从滑道1反转到起始位置；物料通过滑道2的3段动画：转盘从起始位置转到滑道2，拨料杆转动将物料推入滑道2，转盘从滑道2反转到起始位置；物料通过滑道