本科畢業(yè)設計（論文）題目自動插管機控制系統(tǒng)設計學院機械工程學院年級2010級專業(yè)機械電子工程班級0720101學號072010127學生姓名郁丹華指導教師王建平職稱副教授論文提交日期常熟理工學院本科畢業(yè)設計論文誠信承諾書本人鄭重聲明所呈交的本科畢業(yè)設計論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。本人簽名日期常熟理工學院本科畢業(yè)設計論文使用授權說明本人完全了解常熟理工學院有關收集、保留和使用畢業(yè)設計論文的規(guī)定，即本科生在校期間進行畢業(yè)設計論文工作的知識產權單位屬常熟理工學院。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許畢業(yè)設計論文被查閱和借閱；學校可以將畢業(yè)設計論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編畢業(yè)設計（論文），并且本人電子文檔和紙質論文的內容相一致。保密的畢業(yè)設計論文在解密后遵守此規(guī)定。本人簽名日期導師簽名日期自動插管機控制系統(tǒng)設計摘要彩色筆是一種需求量很大的文具用品，在彩色筆生產過程中，為了高效完成加工制造過程，需要將空心塑料筆筒插入一塊帶有凸起固定端的塑料托盤上，以便批量加注彩色料到筆筒中。本課題設計的自動插管機，就是用來完成該任務的自動化專用設備。這項目需要繪出電氣控制系統(tǒng)原理圖，電氣接線圖等，完成電子元器件選型，列出電子元器件清單，進行PLC程序設計和觸摸屏的制作，最后完成畢業(yè)設計論文。采用觸摸屏完成控制參數的設定和交互功能。高效完成加工制造過程。該自動插管機的控制，需要完成的動作有（1）抖筆筒（2）控制氣缸推筆筒（一般有12排）到托盤上（3）步進電機控制托盤上升（24MM）（4）再次推筆筒到托盤。（5）重復動作，一直到完成12排供144支筆筒插入到托盤上。（6）人工取走托盤，再次放入托盤后，開始下一個循環(huán)關鍵字可編程控制控制系統(tǒng)彩筆組態(tài)DESIGNOFCONTROLSYSTEMOFAUTOMATICALLYINSERTINGMACHINEFORPENABSTRACTNOWADAYS,PEOPLEHAVEAGREATDEMANDOFCOLORPEN,INORDERTOEFFICIENTLYCOMPLETETHEMANUFACTURINGPROCESS,THEHOLLOWPLASTICPENREQUIRESTHEINSERTIONOFAPLASTICTRAYWITHAPROJECTIONONTHEFIXEDENDSOTHATTHEBULKMATERIALFILLINGCOLORINTHEPENHOLDERAUTOMATICDESIGNOFTHISPROJECTMACHINEISUSEDTOCOMPLETETHETASKTHISPROJECTNEEDSTODRAWTHEELECTRICALCONTROLSYSTEMSCHEMATICS,ELECTRICALWIRINGDIAGRAMS,COMPLETETHESELECTIONOFELECTRONICCOMPONENTS,ELECTRONICINVENTORYLISTEDCOMPONENTS,PERFORMPLCPROGRAMDESIGNANDTOUCHSCREENPRODUCTION,FINALIZINGDESIGNGRADUATETHESISTHEACTIONOFAUTOMATICMACHINETOBEDONEARE1SHAKINGPENHOLDER2CONTROLCYLINDER3STEPPERMOTORCONTROLRISING4REPEATCONTROLLEDCYLINDER5REPEATUNTILTHECOMPLETIONOFTHE12ROWSFOR144PENHOLDERISINSERTEDINTOTHETRAY6TAKEAWAYTHETRAYARTIFICIALLYTOBEGINTHENEXTCYCLEKEYWORDSPLCCONTROLCONTROLSYSTEMCOLORPENCONFIGURATION目錄1引言111插管機的應用與發(fā)展112研究自動化插管機的目的和意義22控制系統(tǒng)的設計要求及設計方案421控制方案的對比選擇4211PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較4212PLC與繼電器控制的優(yōu)缺點422控制系統(tǒng)的設計方案5221控制系統(tǒng)方案的確定5222控制系統(tǒng)設計方案示意圖523控制系統(tǒng)設計5231控制系統(tǒng)設計對象與要求5232PLC原理圖7233端口及軟元件說明8234電氣元件說明10235PLC氣動原理圖11236電氣元件的布置圖123控制系統(tǒng)的選型分析1431PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則1432PLC的選型15321PLC的控制功能概述15322PLC輸出類型選擇1533氣缸的選用19331主氣缸的選用19332插筆盤升降氣缸的選用21333抖筆氣缸的選用2234HG系列線性滑軌的選擇22341HG系列線性滑軌說明22342HG系列線性滑軌特點22343HG系列滑軌的分類說明2335滾珠絲杠的選用24351滾珠絲杠的說明24352滾珠絲杠與滑動絲杠對比特點2436步進電機及驅動器25361步進電機25362確定電動機的型號25363步進電機驅動器的選擇2837傳感器的選用29371磁性傳感器的選用29372機械式傳感器的選用304控制系統(tǒng)的程序設計3241控制系統(tǒng)PLC程序軟件介紹3242PLC程序的編寫32421控制系統(tǒng)PLC程序的流程圖3343主要動作PLC程序說明34431手動上升S11034432手動下降S12036433自動上升S1303744程序調試過程38441急停程序添加38442手動抖筆39443WDT功能395三維實體造型4151軟件簡介4152系統(tǒng)三維造型426觸摸屏編程4461軟件簡介4462觸摸屏選型4463TOUCHWIN具體應用介紹4464觸摸屏問題與說明4865觸摸屏操作說明50小結53參考文獻54致謝55附錄56附錄一程序梯形圖56附錄二觸摸屏界面671引言11插管機的應用與發(fā)展彩色筆是一種需求量很大的文具用品，在彩色筆生產過程中，為了高效完成加工制造過程，需要將空心塑料筆筒插入一塊帶有凸起固定端的塑料托盤上，以便批量加注彩色料到筆筒中。本課題設計的自動插管機，就是用來完成該任務的自動化專用設備。在中國，已經形成了基礎設施基本完善的插管機行業(yè)，整體的社會環(huán)境也較為良好，市場的潛力巨大，已建立健全相關的體系，插管機行業(yè)發(fā)展一直受到國家的重點關注，中國還陸陸續(xù)續(xù)發(fā)布了一些利好的法律政策，大大促進了我國插管機行業(yè)的發(fā)展。參考中國插管機行業(yè)市場綜合報告，想要在插管機行業(yè)中立足，并想要有機會獨占鰲頭必須具備以下幾點（1）行業(yè)地位是獨占鰲頭的關鍵，品牌效應不可忽視（2）科學技術實力要突出，要求爭取引領行業(yè)發(fā)展我國的插管機公司很多是有這多年行業(yè)發(fā)展經驗的老企業(yè)，科學技術的發(fā)展加之自身實力的明顯提升，有些公司已經頗具規(guī)模，做的有聲有色，其中，有的公司可以與一些國際大公司相抗衡，躋身世界領先行業(yè)之列，當然這樣一來，企業(yè)和公司的理念被大家所熟知，形象被大家接受，還有一點更主要的是現在的一些中國新興企業(yè)知道超前意識的重要性，把這個意識作為公司的創(chuàng)新源泉。另外，行業(yè)的先進科技的累積也是重中之重，就比如步進電機、傳感器、原材料和材料這一系列產品都為新型的產品和技術提供強有力的支持（3）銷售網絡是法寶，產品質量是關鍵我國插管機公司的產品要有質的改變，不能總是單一的拷貝，沒有科學技術的創(chuàng)新，這樣遲早會被淘汰。要做足市場的調查，生產出來的產品還是銷量飄紅的可能。當然，不同層次的產品共同擁有且永遠不變的只有一項，這就是產品的質量，公司要指定符合法律條例甚至遠高于法律要求的相關檢測，從而來保證售給消費者的產品的質量。（4）提前先做足市場調查，做好靈活改變策略的準備我國插管機行業(yè)的公司必須深入市場，做足市場的調查和研究，并以次為基礎致力于打造完善的市場信息互享的網絡平臺，就好比如今的電商網購，可以讓消費者及潛在客戶在家里就可以了解公司及產品的情況，與此同時加強平臺的自我建設，吸取其他平臺的經驗，更可以收集廣大消費者的建議和意見來加以改進，畢竟產品的生產是為了滿足他們的需求。如此一來，既給公司的發(fā)展方向指出明路，也能更好的與消費者溝通交流，最終實現雙贏。（5）完善的銷售服務模式第一客戶是公司能夠得以生存的必須且唯一出路，公司一定要把客戶的要求放在第一位。第二靈活的公司政策，更好的把握市場動態(tài)以提高利潤，更好的經營公司。第三網絡平臺的打造是我國插管機行業(yè)公司的新時期新目標。（6）擁有極高的用戶忠誠度（7）擁有強大的研發(fā)團隊（8）擁有良好的供銷管理機制12研究自動化插管機的目的和意義課題要求使用可編程控制器（簡稱PLC）來完成一系列自動化過程并采用采用觸摸屏來控制參數的設定以及人機交互功能，從而大大提高了效率來完成加工制造過程。彩色筆是一種需求量很大的文具用品，在彩色筆生產過程中，為了高效完成加工制造過程，需要將空心塑料筆筒插入一塊帶有凸起固定端的塑料托盤上，以便批量加注彩色料到筆筒中。本課題設計的自動插管機，就是用來完成該任務的自動化專用設備。要完成整個自動插管機控制系統(tǒng)設計，主要內容包括（1）本課題國內外的現狀的分析；（2）本課題需求分析，和方案論證；（3）自動插管機控制系統(tǒng)設計。繪出主電路即電氣原理圖，程序流程圖，電子器件布置圖等。（4）電子元器件的選型，列出電子元器件清單（5）進行程序設計和利用軟件來完成觸摸屏的制作；（6）最后完成畢業(yè)設計論文的撰寫。本課題要求完成自動化插管機系統(tǒng)控制設計。此系統(tǒng)將主要用到可編程控制器、工控組態(tài)軟件、傳感器等多種技術。整個制作過程，不僅可以更加深入的了解，把理論知識融入實踐中，在大學學習的機電一體化專業(yè)學習中比如電氣與應用控制、氣動傳動、電機驅動、傳感器與檢測技術、組態(tài)等多種知識，更能考驗動手能力，以實際項目來打開探索世界之門。2控制系統(tǒng)的設計要求及設計方案21控制方案的對比選擇在本次設計中，需要控制的對象主要有步進電機和氣缸，步進電機負責插筆盤的上下升降運動，而氣缸負責軸向以及抖筆的運動，以下兩種方案的對比。211PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較表21兩種控制系統(tǒng)概述212PLC與繼電器控制的優(yōu)缺點表22PLC與繼電器控制的優(yōu)缺點PLC控制繼電器控制優(yōu)點1在控制方式上采用由程序來改變控制邏輯的方式2控制速度快，微秒級，而且同步準確，沒有抖動現象3故障率低，減少維修工作量4功能強大，能實現非常復雜的控制功能5可靠性高，抗干擾能力強1單個成本低，簡單的項目比較合算2尺寸相對較小，減少控制柜體積缺點1PLC成本相對較高，對于簡單的項目，有點功能過剩2要學會PLC編程語言，對控制有一定要求3更多的控制要求用戶會相應的軟件如觸摸屏等1在控制方式上只能實現設置好的邏輯控制2控制速度相對慢。毫秒級且伴有抖動現象3故障率相對高，由于設計復雜，維修工作量大4可靠性低，受環(huán)境影響較大22控制系統(tǒng)的設計方案221控制系統(tǒng)方案的確定綜合上述表格，本次的設計要求控制方式較為靈活，可以根據不同的要求而改變控制邏輯，本次設計在響應時間和速度上還要求反應快，速度相對迅速，因為要投入大量的生產當中，運行時間較長所以要求控制系統(tǒng)要穩(wěn)定，故障率相對低且要考慮維修費用和難度都要低，最后本次的自動插管機運行的作用復雜且要配合觸摸屏的設計，綜合考PLC控制繼電器控制控制方式由于采用存儲邏輯，和繼電器對應的軟接線，即通過改變程序實現控制邏輯的改變通過既定的硬件接線，由觸點的串聯或并聯加上延時來完成既定的邏輯控制速度控制由程序驅動，控制半導體電路實現觸點的機械動作實現延時控制半導體集成定時器，且脈沖由晶體振蕩器發(fā)出由時間繼電器滯后動作實現慮后決定用PLC系統(tǒng)控制222控制系統(tǒng)設計方案示意圖使用可編程控制器PLC軟件進行編程實現自動插管機的功能，利用筆記本上軟件和實驗室PC已安裝PLC軟件和無錫信捷官網下載的組態(tài)軟件來進行控制。圖21控制方案示意圖23控制系統(tǒng)設計231控制系統(tǒng)設計對象與要求彩色筆是一種需求量很大的文具用品，在彩色筆生產過程中，為了高效完成加工制造過程，需要將空心塑料筆筒插入一塊帶有凸起固定端的塑料托盤上，以便批量加注彩色料到筆筒中。本課題設計的自動插管機，就是用來完成該任務的自動化專用設備。本次設計的控制對象1步進電機（86BYG450A）由相應的步進電機驅動器（DP508）來驅動，并有PLC程序進行控制，由步進電機實現的動作是插筆盤的上升和下降，這樣就實現了12排的插筆。圖22步進電機與筆盤2氣缸主氣缸即負責主氣缸通過磁性傳感器（CS1FSC80H）感應來發(fā)出信號，然后電磁閥4V23008控制換向來實現送筆和退筆。圖23主氣缸3還有分別是抖筆氣缸SDA100X30S和輔助氣缸SDA40X20S，抖筆氣缸負責抖動放入的筆，防止有卡筆等現象。自動插管機的整個運行過程包括以下幾個步驟第一步驟初始等待狀態(tài)S0；第二步驟按下啟動X0并進入自動或手動模式由X10來控制；第三步驟1選擇自動模式（當選擇手動模式時單獨控制）2進入自動抖筆狀態(tài)S10；3判斷是否筆盤在零位，若在零位則進去送筆前進狀態(tài)S50；若不在則分以下兩種情況，計數器數值大于0小于12則也進入送筆前進狀態(tài)S50；計數器數值等于12，人工換取筆盤后進入自動下降狀態(tài)S30，下降到筆盤零位后進入送筆前進狀態(tài)；第四步驟進入送筆前進狀態(tài)S50，氣缸電磁閥YV2作用后前進；第五步驟當送筆到位X6信號發(fā)出，停止前進，進入后退狀態(tài)S60；第六步驟進入后退狀態(tài)S60，當退筆到位X7信號發(fā)出，進入判斷；第七步驟判斷計數器C110是否等于12，等于12時，計數器C110重置并進入自動下降狀態(tài)S20小于12時，進入自動上升狀態(tài)S30，當M8170信號發(fā)出則進入送筆前進狀態(tài)S50；第八步驟當按下停止X5時，結束所有運行的狀態(tài)和運動。232PLC原理圖定義電氣原理圖是用來說明設備電氣工作原理還有各電器元件的作用，相互之間的關系的一種闡述方式。學會合理恰當的使用電氣原理圖能快速并正確的爬出電路故障而且熟悉電氣線路的話，對于解決例如機床電路故障等都十分有用。我們平常所見的電氣原理圖中，主和控制電路以及配點電路是電氣圖中極為重要也是組成的基礎。圖24控制系統(tǒng)原理圖233端口及軟元件說明對應電氣圖，以下是對端口的說明，PLC是32位的（表25電氣元器件列表），共有18輸入端口和14輸出端口，實際用到的輸出端小于18，還有余量。表23輸入輸出對照表序號輸入/輸出元件輸入輸出地址1啟動SB1X02停止SB2X53手動/自動SB3X104手動上升SB4X115手動下降SB5X126手動送筆SB6X137手動退筆SB8X158手動抖筆SB7X149筆盤在位SQ1X110筆盤零位SQ2X211送筆到位SQ3X612退筆到位SQ4X713氣缸前進傳感器B1X314氣缸后退傳感器B2X4氣缸前進電磁閥YV2Y215氣缸后退電磁閥YV3Y316驅動器PULY017驅動器DIRY1表24軟元件說明列表軟元件名稱軟元件符號1初始流程S02抖筆流程S103自動下降S204自動上升S305送筆前進S506送筆后退S607重置S708手動/上升流程S1109手動/下降流程S12010手動/送筆流程S13011手動/抖筆流程S14012延時T40,T50等13插筆計數CC11014數據寄存器DD4000D4001等234電氣元件說明在原理圖中不僅包括PLC還有很多元器件，包括氣缸電磁閥，斷路器，熔斷器，小型繼電器，開關電源，步進電機驅動器等等，下面表示對元器件的說明表25主要電氣元件列表序號設備名稱規(guī)格型號數量品牌1PLC控制系統(tǒng)XC332RTE1信捷1氣缸SDA100X30S1亞德客2氣缸SCD80X230S1亞德客2氣動執(zhí)行元件3氣缸SDA40X20S1亞德客3氣管PT1/8PT3/810M亞德客雙極DZ267LE3210A1PN1正泰4斷路器單級DZ476010A1P1正泰5熔斷器RT14201正泰6小型繼電器JZX22FD/2Z3正泰S8JCZ05024C1歐姆龍7開關電源S8JCZ05048C1歐姆龍步進電機86BYG450A1常州康達8步進電機及驅動器驅動器DP5081無錫信捷機械式傳感器SS5GL22OMRON9傳感器磁性傳感器CS1FSC80H2亞德客料斗模塊氣缸3）直線軸承SC20UU4SAMICK開口型直線軸承座SME16UU4臺灣HSK導軌164002HIWIN絲杠SFU0250841舒輝插筆盤升降模塊氣缸1直線軸承LMF12UU2SAMICK滑軌HGH25長4002HIWIN10傳動模塊主氣缸（氣缸2）HGH25CA滑塊2件HIWIN4V21008（兩位五通）2亞德客11電磁閥4V23008（三位五通）1亞德客235PLC氣動原理圖因為本次設計涉及氣缸，以下是氣動原理圖圖25氣動原理圖主氣缸選擇三位五通的電磁換向閥來控制前進后退，由可調單向節(jié)流閥來控制速度，抖筆和輔助氣缸為兩位五通的電磁換向閥，一邊由彈簧來控制，同樣也是由節(jié)流閥來控制流速。YV4YV2YV3彈簧YV5氣泵油水分離器過濾減壓閥三位五通電磁換向閥4V23008可調單向節(jié)流閥三通手動閥主氣缸SCD80X230S抖筆氣缸SDA40X20S輔助氣缸SDA100X30S儲氣罐冷卻器彈簧兩位五通電磁閥4V21008兩位五通電磁閥4V21008236電氣元件的布置圖圖26電氣柜布置圖考慮到元器件的相互影響干擾，還有連接線是比較方便，采取以上的元器件布置方式，為了美觀考慮也要做到分布均勻，線槽在元器件的中部和兩端，既美觀又方便。同時也考慮留有一定的余量，總的尺寸按照標準的600800尺寸打造。斷路器DZ267LE3210A繼電器1繼電器2開關電源S8JCZ05024CXC332RTEPLCRT1420熔斷器JZX22FQ/2Z輸入220V輸出DC24V二相步進驅動器DP508行線槽斷路器DZ476010A開關電源S8JCZ05048C輸入220V輸出DC48V繼電器336741013921598981885381102754646788570707070總長600，總寬800接線端子接線端子圖27電氣柜面板圖信捷TH765NT觸摸屏600MM1000MM170MM電源正常系統(tǒng)運行系統(tǒng)故障操作面板綠燈1綠燈2綠燈3綠燈4綠燈530MM手動上升手動下降手動送筆手動退筆手動抖筆開始急停手動/自動AC220V斷電2分鐘后方可進行維修200MM220MM3控制系統(tǒng)的選型分析31PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則所有的控制系統(tǒng)都是為了實現被控對象的控制，這樣就可以提高效率和質量。因此，對于設計控制系統(tǒng)的人員來說要有下面的幾個基本要求1被控對象的控制要求要無限接近的滿足最重要的一點莫過于最大限度地發(fā)揮功能，眾所周知，控制系統(tǒng)的最基本前提是滿足用戶的需求，同時這是物物交流時間的本質，有了需求，能滿足需求才有了購買。為了達到這個目的，首先做的類似我們寫論文，說明文一樣，必須收集盡可能多的資料，包括國內和國外，不管過去的技術還是現在的先進的產物都要搜羅在內，當然深入市場調查也是必不可少的一部門，充分的準備對之后的設計有百利而無一害，當然有條件的話，能夠實地考察是最好的。在現場考察的時候，最好在場的工程師，技術員，操作人員等一起出門謀劃策是最理想的結果，從不同的角度出發(fā)，提出一些意見和建議對之后的設計也是非常有幫助的。2安全可靠是一大特點也是現如今大家選擇它的一大原因之一長期的可靠性和穩(wěn)定性是設計人員做設計控制系統(tǒng)的重要原則之一。所以對于設計者來說，在下面幾個方面要多花很多功夫，比如程序，電器元器件的選型，整體系統(tǒng)框架設計，還有元器件布置等等。3在維修方面，注重經濟實用，盡量減少維修，盡可能降低成本在設計新型產品的時候，我們還要保障一個原則就是設計出來的產品是優(yōu)化或簡化，換而言之就是要比原來的來的更經濟，效率更高等，不能說所謂的新產品比原來的方法還要復雜，費時費力費錢，這就是失敗的設計了。所以開發(fā)設計人員還要注意的是性價比，即在提高工程或機器效率的同時也要注意開發(fā)成本的投入，當然所有的一切都要在滿足用戶需求的前提下來完成，不提倡也不應該盲目追求一味的自動化和高指標。4要足以滿足時代的發(fā)展為了滿足以后可能有的需求，對于設計者來說，的的選擇，內存容量，輸入輸出模塊以及/點數的選擇也要考慮在內。32PLC的選型321PLC的控制功能概述1邏輯控制功能PLC最基本的功能之一就是標題所示邏輯控制功能，這也是其應用較為廣泛的功能之一，它既可以實現傳統(tǒng)的繼電器的一般控制又可以實現繼電器無法企及的邏輯和順序控制。在工業(yè)生產例如單個大型機器或者車間多個機器的控制中有著不可代替的作用。2定時控制功能可編程控制器的基本功能還有定時因為它內置定時器。并且還提供不同型號不同功能的定時器。同時為了準確的實時控制，很多內部內置了高精度時鐘。3計數控制功能PLC基礎功能還包括計數控制。4I/O模塊及點數（1）提供的/接口也稱輸入輸出接口，起著橋梁的作用，聯系內部和外部。（2）輸入接口專門來接受用戶輸入的信號，如限位開關，用這些數據作為對被控制對象進行控制的依據，通過輸入接口電路，把這些信號轉換為中央處理單元接收和處理的信號。（3）輸出接口實現弱點信號和強電信號之間的轉換來滿足工業(yè)控制要求5I/O接口的作用電平轉換功能作為一個中間的處理站作用，輸入和輸出有各種各樣的電平信號，而內部都轉化為標準電平信號。322PLC輸出類型選擇晶體管和繼電器是有兩種輸出類型，以下內容介紹晶體管與繼電器有什么不同，該如何選擇表31不同方面的晶體管和繼電器輸出晶體管輸出繼電器輸出驅動負載晶體管型的是有極性要求的，只能接的是24V的電壓。而且在極限電流方便也不一樣，晶體管型的0203A。沒有極性要求的繼電器型可以接受220V或者24V的電壓響應時間晶體管型約03MS左右繼電器型15MS左右使用壽命晶體管型的只有老化現象使得機械元件不得不更換繼電器型的除了老化，更重要的是它有使用壽命的限制并且與負載的容量息息相關無錫信捷電氣有限公司是國內近年來發(fā)展勢頭較為迅猛的自主自動化產品開發(fā)與應用的致力于科技創(chuàng)新的新興企業(yè)，運用先進的嵌入式系統(tǒng)技術，匯聚了一批敢于開拓創(chuàng)新的年輕科技團隊，為了滿足客戶的不同需要公司近年來陸續(xù)開發(fā)了系列、還有應用廣泛的工業(yè)觸摸屏TG/TP/TH系列、全數字步進驅動器系列等產品。本次設計的自動插管機,因為有驅動器，為了使用脈沖輸出，所以要選擇T型即帶有晶體管輸出的PLC，再者，本次設計輸入端口要有16個，為了考慮要有端口余量，選擇輸入端口為18的PLC較為合適，為了支持國產自助品牌，選擇國內的比較可靠且經驗豐富的品牌較為合適，當然在價格方面往往考慮性價比高的，不需要功能過剩的PLC型號當然也要達到控制要求，最后綜合考慮選擇混合型輸出的無錫信捷PLC。選用了無錫信捷電氣自動化有限公司的系列型號為的XC332RTE的PLC圖31XC332RTE（PLC）圖32PLC尺寸圖產品說明118點輸入,14點繼電器（RT）繼電器晶體管混合AC220V輸入DC24V輸出2可外接擴展BD板3人性化的設計，具有內部的時間和掉電保護功能4其最基本的功能之一是進行數據處理和邏輯運算5支持高速計數、脈沖輸出、外部中斷、語言編輯功能塊、I/O點的自由切換、自由格式通訊、通訊等功能表32PLC相關規(guī)格項目規(guī)格絕緣電壓DC500V2M以上抗噪聲1000V1US脈沖1分鐘環(huán)境溫度060環(huán)境濕度595通訊口1RS232，連接上位機、人機界面編程或調試通訊口2RS232/RS485，聯網或連接智能儀表、變頻器等通訊口3BD板擴展通訊口RS232/RS485安裝可用M3的螺絲固定或直接安裝在DIN46277（寬35MM）的導軌上接地第三種接地（不可與強電系統(tǒng)公共接地）表33PLC性能規(guī)格項目規(guī)格程序執(zhí)行方式循環(huán)掃描方式、定時掃描方式編程方式指令、梯形圖并用處理速度05US停電保持使用FLASHROM及鋰電池用戶程序容量128KI/O點數輸入18點，輸出14點輸出形式R繼電器；T晶體管；RT繼電器晶體管混合供電電源EAC220V；CDC24V內部線圈點數M8512點點數640點定時器（T）規(guī)格100MS定時器設置時間0132767秒10MS定時器設置時間00132767秒1MS定時器設置時間000132767秒點數635點計數（C）規(guī)格16位計數器設置值K03276732位計數器設置值21474836482147483647數據寄存器（D）2512字高速處理功能高速計數、脈沖輸出、外部中斷定時掃描間隔設置099MS口令保護6位長度ASCII自診斷功能上電自檢、監(jiān)控定時器、語法檢查33氣缸的選用本課題根據實際的需求后衡量選擇氣壓傳動以下來談談為何本次的設計運用氣壓傳動還不是液壓傳動（1）相對于液壓控制來說，氣壓傳動一般是通過空氣來實現氣缸的前進與后退的，而空氣相對于油來說，一取之方便，而用之也方便。（2）由于空氣黏度小的特性，更適合集中的供中遠距離傳送。（3）相對液壓傳動，氣壓傳動反應快，效果好，而且用過之后的清理也比較迅速，不像每次做完液壓實驗都要花很多時間在處理實驗當中用過的液壓油。（4）工作環(huán)境適應性好?？諝庀鄬τ蛠碚f，在安全性方面肯定更勝一籌，油易燃易爆，所以說氣壓傳動相對更加可靠且安全。（5）氣動元件本身的結構簡單，操作易上手并且使用時間長，在可靠性和穩(wěn)定性方面也表現優(yōu)異。331主氣缸的選用圖33主氣缸型號SCD80230S1產品特性（1）采用獨特的異性雙向密封結構來保證密封性能并具有一定的儲油功能（2）由于是拉桿式氣缸，在可靠性方面得到絕對的保證，專門用支柱來鏈接前后的端蓋與剛體。（3）系列氣缸與標準的氣缸相比，在長度方面略?。?）氣缸緩動調節(jié)平穩(wěn)（5）為了保證氣缸能在極端惡劣的條件下正常工作，如高溫，必須選擇特殊材料比如耐高溫材料。2主氣缸的計算本次的自動插管機的推動系統(tǒng)，并沒有太多的負載，而相對來說，需要注意的就是筆桿插入插筆盤的力以及壓強，因為此時插筆盤的圓筒受到氣缸作用在筆桿上的推力，發(fā)生形變，約為003MM，從而使筆桿插入薄壁圓筒中。計算最重要的是算出需要多大的氣缸缸徑，以下是計算步驟。（1）根據氣缸的負載，計算出氣缸所受的軸向的力為F，在本次設計中，加上氣缸自身以及插筆所需的力還有算上要考慮的安全力，總共約為1500N。（2）基于氣缸的全程平均速度來定氣缸負載率，在本次設計中根據機械設計手冊第五版第五卷的說明選定04（3）在實際生產實踐中氣缸的工作壓強可能達到06MPA,所以在計算中選04MPA來保證一定的余量具體計算如下（31）PD24F1（32）其中F1為理論輸出力（N），D為缸徑MM，P為氣缸的工作壓強（MPA），04由上可得,則D6911MM。故選取標準缸徑為80MM的氣缸PF142經過查詢，SCD80230的氣缸符合要求其具體參數如下表34主氣缸參數規(guī)格氣缸型號SCD80230氣缸內徑DMM80最大行程SMM1500使用壓力范圍MPA00510耐壓力MPA15使用速度范圍MM/SEC50100使用溫度范圍2580在不凍結的條件緩沖行程MM25332插筆盤升降氣缸的選用圖34插筆盤升降氣缸所選型號SDAS100X30，型號說明如下表35升降氣缸參數規(guī)格333抖筆氣缸的選用抖筆氣缸型號SDAS4020圖35抖筆氣缸表36抖筆氣缸參數規(guī)格空氣壓力（MPA）行程氣缸內徑活塞桿外徑運動方式受壓面積（MM2）10032拉側704970110最大行程130MM容許形成160MM34HG系列線性滑軌的選擇341HG系列線性滑軌說明HG系列線性滑軌，為四列式單圓弧牙型接觸線性滑軌，同時整合最佳化結構設計之超重負荷精密線性滑軌，相較于其他線性滑軌提升了負荷和剛性能力；342HG系列線性滑軌特點1自動調心能力設計的圓弧槽的獨特DF組合，因為在安裝過程中，由于彈性形變和接觸點的轉移，即使有些偏差安裝面，線性滑軌滑塊也能把這些偏差吸收，因為這樣的獨特組合的自我調心功能，整個結構的穩(wěn)定性和精確性可以被保證最后實現平滑運動。2具有互換性對于不同客戶的需求，考慮到客戶會選擇多重不同的尺寸，在滑塊上的設計別具匠心，具有互換的功能，既可以幫助客戶降低成本也可以節(jié)省自身的存儲空間。3所有方向皆具有高剛性運用更獨特的四列式圓弧溝槽加上等45度的接觸角度式設計，大大提高了剛性足以承受源自上下左右的負載。343HG系列滑軌的分類說明HG系列可分為非互換性和互換性兩種線性滑軌，互換性的滑軌，顧名思義，在互換方面做的比非互換的好，互換性滑軌之間可以交互使用，所以顯得飛航便捷，但有利就有弊，互換性的線性滑軌的精確度比不上非互換性的線性滑軌，但是本次設計選擇的HIWIN的產品，在尺寸和質量方面有著嚴格的把關，即使使用互換性的滑軌組合，其精確度也能得到保障。本次設計用的是滑軌HGH25長400配套的滑塊HGH25CA空氣壓力（MPA）行程氣缸內徑活塞桿外徑運動方式受壓面積（MM2）4016拉側10550110最大行程130MM容許形成160MM圖36HG系列結構圖產品說明1滾動循環(huán)系統(tǒng)包括鋼珠保護器，滑塊，導軌，端蓋還有鋼珠2潤滑系統(tǒng)包括油嘴，油嘴接頭等3防塵系統(tǒng)包括金屬刮板，刮油片，軌道螺栓蓋還有底片塵封防塵片表37技術參數容許靜力矩質量型號基本動額定負荷KN基本靜額定負荷KNMRKNMMPKNMMYKNM滑塊KG導軌KG/MHGH25CA2648364904203303305132135滾珠絲杠的選用351滾珠絲杠的說明滾珠螺桿也被稱為滾珠絲杠，是將回轉運動轉換成直線運動，相反，也可將將直線運動轉化為旋轉運動的工業(yè)設計。352滾珠絲杠與滑動絲杠對比特點（1）傳動效率高，耗能低可以說在節(jié)能方面，滾珠絲杠更勝一籌，因為顧名思義，滾珠絲杠的運動是靠滾珠在絲杠軸和螺母之間作者橋架的，因此滾出絲桿具有高傳動效率（9095）但是傳統(tǒng)的滑動絲杠在傳動效率方面就差了很多了，大概只能是滾珠絲桿的三分之一。（2）運動平穩(wěn)滾動摩擦系數幾乎是恒定的，接近于一個常數，開始時與工作時的摩擦力矩也相差無幾。（3）工作壽命長由于中間有滾動體，摩擦系數小，磨損小，具有較長的工作壽命和精度保持度。（4）高精度的定位由于滾珠絲杠摩擦小，溫升小，無爬行，無間隙，通過預緊進行預拉伸以補償熱膨脹。因此高精度的定位是可以達到的本次設計中插筆盤的上下運動是由驅動器驅動步進電機，由同步帶鏈接電機和滾珠絲杠帶動從而實現的，步進電機的正轉和反轉實現滾珠絲杠帶動插筆盤上升或者下降，由計算加上考慮安全系數，選擇螺距為8MM的滾珠絲杠比較合適，所以最后選的舒輝機械上海有限公司的SFU025084滾珠絲杠。如圖圖37滾珠絲杠（圖片源自舒輝官網）表38滾珠絲杠的參數規(guī)格型號公稱外徑導程剛性KGF/M動負荷KGF靜負荷KGFSFU025084258351903369536步進電機及驅動器361步進電機步進電機是將電脈沖信號轉變成開環(huán)控制元步進電機件的角位移或者線性位移。步進電機的步距值不受各種干擾因素的影響。如電壓的大小，電流的數值、波形、溫度的變化等。誤差不長期積累。步進電機每走一步所轉過的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的累積誤差，但是，每轉一圈的累積誤差為零，所以步距的累積誤差不是長期的累積下去?？刂菩阅芎?，啟動、停車、翻轉都是在少數脈沖內完成，在一定的頻率范圍內運行時，任何運動方式都不會丟失一步。所以，步進電機被廣泛應用于數控機床上。根據以上描述選擇混合式步進電機。362確定電動機的型號電動機功率的選擇是否合適對其工作性能和經濟性都有很大的影響。當功率小于工作機構需要的功率時，電動機就不能夠保證工作機構的正常運行，就可能使電動機長期過載運行導致電機燒壞；當功率過大又造成能源的浪費，增加制造的成本。所以在選擇電動機功率的時候只要保證電動機的額定功率等于或略大于工作所需的功率即可，這樣電動機在工作時就不會過熱，而不必校驗發(fā)熱和啟動力矩。具體步驟計算如下（1）力矩計算（33）950NITP式中為步進電機所需功率I為步進電機的轉速N（2）功率計算（34）總PI式中為工作機構所需功率P為總的傳送比總（3）傳輸效率（35）21總同步帶的傳動效率滾珠絲杠的傳動效率2經過計算，插筆盤上升一次，約用1S時間，而在這1S時間內，加速時間約為02S，中間勻速運動約06S，而減速也是約為02S，插筆盤上升距離為兩排插筆孔間的距離為24MM。插筆盤采用ABS材料，筆桿重約15G/支，加上其他的考慮因素，總重約為20KG。由機械手冊可查的PFV（36）P為步進電機功率（KW），F為力（N），V為速度M/SVAT（37）A是加速度，T是時間，要計算加速度須知道總的行程S，本次設計的行程S2412264MM根據公式SAT得（38）21AX02AX02X16132得AM/S3012根據公式得VM/S1502帶入公式FFMA，（39）得FN362根據公式TWFV，其中T為扭矩（NM）,單位為RAD/MIN，N為轉速30NW（R/MIN）步進電機轉速設定為N300R/MIN將F帶入上述公式可得T05NM本課題選用的是KDE常州康達通用電氣有限公司的86BYG450A04A圖39步進電機表39步進電機相關參數環(huán)境溫度AMIBIENTTEMPERATURE2540溫升TEMPERATIRERISE85K絕緣強度DIELECTRICSTRENGTH500VAC50HZ1MINUTE絕緣等級INSULATIONCLASSB絕緣電阻INSULATIONRESISTANCE500VDC100MMIN表310步進電機的性能參數型號步距角（度）電壓（V電流（A最大靜轉矩（NM）定位轉矩NM轉動慣量KGCM2重量（KG）86BYG450A18291711800806416363步進電機驅動器的選擇步進電機不能直接使用，所以按照需求配有相應的驅動器才能工作。而一般的講，在選擇驅動器的時候，電壓和電流往往是我們最先關注的，本次設計選用的是與步進電機配套的驅動器信捷，因為該驅動器最大輸入電壓可達80VDC，輸出為50A，在電流方面我們所以的86系列的電流要求為45A，完全符合要求，而且大小尺寸適合，重量僅有16KG，在溫度條件方面，該設計所用的工廠還是有工人在場間工作，所以一般不會超過35度最大不會有40度，而該驅動器允許最高在60攝氏度的條件下工作，所以這也在可接受范圍之內，在說明書中可得知該驅動器使用與各種中小型和自動化的設備上面，重點是推薦驅動任何50A以下的86系列兩相步進電機也恰恰符合本次設計使用要求。如圖為驅動器DP508圖310步進驅動器表311步進驅動器參數項目最小值典型值最大值輸入電源電壓（VDC）354880輸出電流有效值（A）05邏輯輸入電流（MA）4716步進脈沖頻率KHZ0200絕緣電阻500環(huán)境溫度0C50C最高工作溫度60C濕度4090RH（不能結露或有水珠）振動MAX59M/S保存溫度20C65C外形尺寸138MM85MM38MM37傳感器的選用371磁性傳感器的選用磁傳感器的特點大概有以下幾種1、高靈敏度。磁性傳感器的靈敏度與信號的強弱成正比，如果信號越強，則靈敏度可以相對較低，但相反，如果本身信號較弱，這就要求磁性傳感器的靈敏度要非常高。應用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環(huán)境測量。2、溫度穩(wěn)定性，包括汽車電子行業(yè)在內的應用領域，現代的工業(yè)對傳感器的耐高溫能力越發(fā)看重，要求即使在極其惡劣的條件下也要穩(wěn)定的運行，這就要求傳感器具有相對穩(wěn)定性。3、抗干擾性，尤其在羅盤指南針等工業(yè)產品上，更加要強調抗干擾性的能力。4、小型化、集成化、智能。要想做到以上需求，這就需要芯片級的集成，模塊化集成，產品化集成。5、高頻特性。隨著科學技術的發(fā)展，在傳感器頻率方面的要求也越來越高，包括汽車電子和信息技術等高科技行業(yè)。6、低功耗。為了使傳感器有更長的使用壽命，必須要求傳感器本身的續(xù)航能力要出眾。應用在植入身體內磁性生物芯片，指南針等等。本設備所選用的氣缸為亞德客公司的氣缸，所以磁性傳感器選用的是與氣缸配套的磁性傳感器CS1FSC80H（2套）。這2個磁性傳感器主要用來限定主氣缸送筆和退筆的位置，當磁性傳感器感應到時發(fā)出信號觸發(fā)下一個動作指令圖311磁性傳感器所選用的磁性傳感器技術參數如表312所示表312磁性傳感器技術參數型式適用電壓V適用電流MA接觸形式使用溫度CCS1FSC80HDC/AC5240V100MAX常開型1070372機械式傳感器的選用微動開關在本次的設計中具有相當主要的作用，實際上大多數行業(yè)上會官方的成為機械式傳感器，是一種由壓力來控制的開關。其工作原理是外部的力作用在傳動原件表面，然后力就傳到了微動開關的彈簧片上，彈簧片是有一個極限的，當達到并突破極限時會產生一個瞬間的力作用來時彈簧片的動靜接觸點斷開或者接觸，而當這個力移去或者變小小于突破極限時，彈簧片又會產生一個反作用力，運動方向就相反。為了滿足不同的條件需求，微動開關除了普通型，日常使用的，還有防水型，在特殊的條件下還可以使用。所以微動開關的使用及其廣泛，日常生活中有鼠標，遙控器，摩托車等，許多工業(yè)機械鐘也平凡只用微動開關，微動開關雖小但是卻發(fā)回著不可代替的作用。在設備中選用的是歐姆龍公司的微型微動開關SS5GL2，在筆盤在位（X1）和筆盤零位（X2）起著重要作用，筆盤在位還可以進行送筆的動作，不然可能送錯筆出現筆斷了的情況，筆盤零位說明升降盤下降到底發(fā)出M8170信號，繼續(xù)下一個動作。同時這個微動開關是由2片彈簧組成的，使用的壽命達到了30