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某彈體尺寸自動(dòng)測(cè)量設(shè)備開發(fā)
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：本設(shè)計(jì)進(jìn)行了彈體尺寸自動(dòng)測(cè)量設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)的要求，通過S7-200 PLC對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了配套的控制方案，編制對(duì)應(yīng)的控制程序來控制外圍繼電器回路，和控制氣動(dòng)控制回路，以及步進(jìn)電機(jī)、料斗振動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。本檢測(cè)系統(tǒng)的控制主要包括：升降平臺(tái)氣缸的控制、各檢測(cè)工位氣缸及氣動(dòng)夾爪的控制，以及相關(guān)電機(jī)的控制，本文具體設(shè)計(jì)了氣壓控制系統(tǒng)和PLC控制程序設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：彈體測(cè)量；S7-200；氣壓控制；程序
I
A projectile dimension automatic measuring equipment developmentControl system design
Abstract: Based on the size of a projectile automatic measurement equipment control system design requirements, to achieve the automation of the detection system and safe and reliable application of S7-200 PLC as the core of the whole control system, design of sequence control, relay control program to control the periphery of the on-off control, pneumatic control circuit and the control of step motor, dc motor running well. This system mainly includes: the control of transmission device of stepper motor control, control of the lift platform cylinder, the test for the control of cylinder and pneumatic clamping jaw.
Key words: Projectile measurement; S7-200; pneumatic control; program
目 錄
摘要 I
Abstract II
1緒論 1
1.1研究目的意義 1
1.2測(cè)試系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 1
2 可編程器簡(jiǎn)介 2
2.1PLC的基本結(jié)構(gòu) 2
2.2擴(kuò)展模塊 3
2.3 S7-200系列PLC元件功能 3
2.4 程序編輯器 4
3氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8
3.1氣動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 8
3.2氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9
3.3氣動(dòng)控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)內(nèi)容 9
3.4氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖繪制 9
4.系統(tǒng)控制與設(shè)計(jì) 11
4.1控制系統(tǒng)控制方式確定 11
4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 11
4.3 控制任務(wù)分析 12
4.4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17
參考文獻(xiàn) 20
致謝 22
附錄 22
A程序指令 22
B梯形圖 30
1緒論
1.1研究目的意義
當(dāng)今社會(huì)自動(dòng)化測(cè)量廣泛存在于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和人民生活的各個(gè)方面，自然科學(xué)所闡明的一般規(guī)律、定理,往往都是以測(cè)量為基礎(chǔ)的。在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)制造技術(shù)中，測(cè)量技術(shù)的地位越來越重要，尤其是測(cè)量自動(dòng)化，因?yàn)槠錅y(cè)量精度的高、效率高，自動(dòng)化的測(cè)量設(shè)備研發(fā)成為一個(gè)重要的方向。
炮彈是世界各國(guó)武器應(yīng)用最為廣泛的武器裝備，其特點(diǎn)是品種多，批量大，能裝備所有品種，為滿足部隊(duì)的需要，炮彈的生產(chǎn)的自動(dòng)化水平需要提高。實(shí)施現(xiàn)代化技術(shù)改造，推廣先進(jìn)的制造技術(shù)和高新自動(dòng)化生產(chǎn)為主的在線自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，成為我國(guó)炮彈制造生產(chǎn)的一項(xiàng)重要任務(wù)。
1.2測(cè)試系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
軍工產(chǎn)品的質(zhì)量是關(guān)系到我國(guó)國(guó)防建設(shè)的大事，也是軍工企業(yè)的生命線，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的機(jī)械工業(yè)尤其是軍事工業(yè)對(duì)產(chǎn)品加工精度的要求也越來越高，保證加工精度的關(guān)鍵在于精度的測(cè)量。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，我國(guó)彈藥生產(chǎn)行業(yè)的制造技術(shù)水平有了明顯的提升，生產(chǎn)能力有了顯著發(fā)展。但在彈體測(cè)量方面，對(duì)彈體內(nèi)外徑和形狀誤差測(cè)量的精確性和快速性和國(guó)外相比還存在一定的差距。目前國(guó)內(nèi)多所大學(xué)投入到此類的研究中
（1）我國(guó)通過研制出的激光位移傳感器組成的測(cè)量系統(tǒng)[3]，可以應(yīng)用于單套尺寸的測(cè)量中，其中使用到：伺服電機(jī)、激光位移傳感器以及控制中心可編程控制邏輯控制器，其中測(cè)試的時(shí)候通過上位工控機(jī)，對(duì)PLC進(jìn)行控制，最終將執(zhí)行動(dòng)作的指令下發(fā)到，執(zhí)行設(shè)備中，可以測(cè)試，彈頭到彈體尾部的各個(gè)形狀的尺寸，其中可以記性曲線，以及臺(tái)階形狀的幾何體
（2）浙江大學(xué)的研發(fā)的在線氣動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，基于對(duì)背壓式氣動(dòng)測(cè)量原理，通過詳細(xì)分析利用壓電原理，傳感器在不同壓力下產(chǎn)生不等的電壓，壓力信號(hào)通過變送器，將產(chǎn)生的微弱電壓放大[5]，變換為電信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理顯示模塊，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)反饋控制部分，這對(duì)孔徑測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了好的案例。
根據(jù)前人的研究和實(shí)踐，在彈體測(cè)量的自動(dòng)化系統(tǒng)研究中，吸取經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，所以在本次設(shè)計(jì)中主要研究?jī)?nèi)容安排如下：
（1）完成測(cè)量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在基于彈藥尺寸測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的總體框架，以及對(duì)相應(yīng)使用設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)
（2）根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)的總體方案，對(duì)選用的設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計(jì)；
（3）PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)測(cè)量機(jī)構(gòu)的構(gòu)成工位的檢測(cè)方式，結(jié)合上料裝置、物料傳送裝置以及分揀下料裝置的運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體控制方案；根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制方案要求，規(guī)劃控制邏輯，并統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)和模擬量控制通道數(shù)，根據(jù)硬件系統(tǒng)，配置好相應(yīng)模擬量通道的參數(shù)，選擇合適的 PLC 主機(jī)以及相應(yīng)的功能模塊；完成電氣元件的選型，搭建電氣控制系統(tǒng)；詳細(xì)闡述系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)部位的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
2 可編程器簡(jiǎn)介
2.1PLC的基本結(jié)構(gòu)
西門子S7-200系列PLC是一種小型的可編程控制邏輯器件，可分為6部分：中央處理單元(CPU)、編程器、輸入電路、輸出電路、存儲(chǔ)器、電源。
中央處理器單元是PLC執(zhí)行邏輯控制的核心，其運(yùn)算速度的快慢標(biāo)志著PLC的執(zhí)行速度，表示其性能的優(yōu)良[27]。
存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。各種PLC的CPU最大尋址空間各不相同，根據(jù)PLC工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：
（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)
（2）系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）
（3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)
系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備，如：邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計(jì)時(shí)器；計(jì)數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲(chǔ)器。具體分為：（1）I/O映象區(qū)；（2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)；（3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)。
輸入/輸出模塊是PLC 進(jìn)行控制邏輯執(zhí)行的重要構(gòu)成，其中輸入模塊是對(duì)按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)等開關(guān)量進(jìn)行采集的，并且輸入模塊的采集是在PLC開啟以后始終在不停的掃描；輸出模塊是實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)設(shè)備控制的關(guān)鍵部分，輸出模塊的控制電壓是是24V，所以真正的實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電機(jī)等設(shè)備的三相電的控制需要繼電器和接觸器等設(shè)備間接實(shí)現(xiàn)，那么此時(shí)控制順序就是24V的弱點(diǎn)控制220V、380V或者更高的電壓，比如本次設(shè)計(jì)中就用到了氣缸控制閥中的電磁閥。
2.2擴(kuò)展模塊
數(shù)字量輸入/輸出模塊是擴(kuò)展可編程控制器的重要設(shè)備，在當(dāng)PLC 的控制點(diǎn)數(shù)少了，不符合系統(tǒng)項(xiàng)目建立的點(diǎn)數(shù)要求時(shí)，就必須使用輸入/輸出模塊使擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)數(shù)的增加。數(shù)字量輸入/輸出模塊是與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的控制點(diǎn)數(shù)或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口?，F(xiàn)場(chǎng)采集的輸入信號(hào)，如行程開關(guān)、限位開關(guān)量。
模擬量輸入/輸出模塊是工廠自動(dòng)化必須具備的控制器件，模擬量輸入模塊在工廠中可以采集壓力、流量、溫度、電壓、電流等信號(hào)，這些都要通過輸入模塊送到PLC，這個(gè)過程中需要編制程序，量采對(duì)模擬機(jī)的信號(hào)進(jìn)行處理后，實(shí)現(xiàn)儀表式的可以供人類進(jìn)行讀取的數(shù)字信息。
由于這些傳感器信號(hào)電平各式各樣，而可編程控制器CPU所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以輸入模塊還需將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)，比如PLC可以對(duì)采集回來的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，采集范圍可以設(shè)置，采集電壓的范圍0到5V，0到10V的電壓，也可以采集電流信號(hào)，其采集的范圍是4到20mA，由于傳感器的信號(hào)電流是不一的，所以要通過信號(hào)變送器將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC可以采集的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。輸出模塊可以驅(qū)動(dòng)如電磁閥、燈光顯示。
當(dāng)一個(gè)PLC中心單元的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用的是西門子的模擬量擴(kuò)展模塊EM223，該模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)的擴(kuò)展，完成對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的邏輯控制。
2.3S7-200系列PLC元件功能
1. 數(shù)據(jù)類型
數(shù)據(jù)類型S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)類型可以是字符串、布爾型（0或1）、整數(shù)型和實(shí)數(shù)型（浮點(diǎn)數(shù)）。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號(hào)整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號(hào)整數(shù)（INT）和32位符號(hào)整數(shù)（DINT）。
2. 編程元件
（1） 輸入映像寄存器I（輸入繼電器）
（2） 變量存儲(chǔ)器V
（3） 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器（中間繼電器）M
（4） 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器SM
（5） 定時(shí)器T
（6） 計(jì)數(shù)器C
（7） 累加器AC
2.4 程序編輯器
本設(shè)計(jì)中的程序設(shè)計(jì)使用的是STEP7-MicroWin編程軟件，使用的是梯形圖的編程模式，這樣有利于控制邏輯的識(shí)別，有利于編程人員發(fā)現(xiàn)控制邏輯的錯(cuò)誤，該編程軟件還可以對(duì)PLC進(jìn)行在線監(jiān)控調(diào)試，這樣也有利于編程人員快速的完成編程任務(wù)。同時(shí)該軟件還可以導(dǎo)出*.awl文件，這樣可以導(dǎo)入到仿真軟件中進(jìn)行仿真調(diào)試，由于本次編制的控制程序基本是邏輯上的控制，所以，程序在仿真軟件中可以很好的運(yùn)行，但是對(duì)于復(fù)雜的程序，比如有子程序、中斷的程序就很難在仿真軟件中運(yùn)行。
在程序設(shè)計(jì)完成之后要下載到PLC中進(jìn)行調(diào)試，有的PLC 可以通過仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，但是其調(diào)試結(jié)果的可信度很低，參考價(jià)值極低，所以要將編制好的程序下載到PLC中進(jìn)行實(shí)際的調(diào)試，軟件則具體的操作步驟如下：
（1） 首先登錄STEP7-Micro/WIN軟件界面，如圖2.1所示 ；
圖2.1登錄軟件界面
（2） 進(jìn)入STEP7-Micro/WIN軟件之后，打開項(xiàng)目進(jìn)行新建程序，如果已經(jīng)建立好了，可以直接進(jìn)入項(xiàng)目，然后選擇相應(yīng)的PLC型號(hào)，如圖所示2.2所示 ；
圖2.2 PLC型號(hào)選擇
（3）完成程序編制后，對(duì)PLC與PC機(jī)的通訊進(jìn)行通訊前準(zhǔn)備，首先要在通訊的接口進(jìn)行設(shè)置，如果使用的是USB/485的通訊電纜則選擇COMX通訊口進(jìn)行PC機(jī)與PLC的對(duì)接，其次還要設(shè)置通訊協(xié)議，具體如圖2.3所示。
圖2.3 PLC站地址及通信模式設(shè)置
（4）完成程序下載的任務(wù)之后，就可以對(duì)程序進(jìn)行在線監(jiān)視調(diào)試，如圖6.4所示是程序在線監(jiān)視和調(diào)試相關(guān)按鈕，如果想看程序運(yùn)行的具體情況，可以進(jìn)入程序之前的而程序編程框進(jìn)行軟元器件的監(jiān)視，如圖6.5所示。
圖2.4 PLC程序監(jiān)視按鈕
圖2.5 PLC程序軟元件監(jiān)視
本次只用的仿真軟件是第三方軟件，這樣在仿真模擬時(shí)候會(huì)有很多的問題，所以這樣的仿真調(diào)試只能是參考性的，最終的控制程序需要在實(shí)體PLC中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試完成。如圖2.6所示，是仿真軟件，
圖2.6 S7-200仿真軟件
設(shè)計(jì)過程中對(duì)編制好的程序進(jìn)行了仿真。第一步，先進(jìn)行仿真文件的配置，即導(dǎo)出*.awl文件；第二步，進(jìn)入仿真軟件，進(jìn)行PLC類型型號(hào)的配置，以及相關(guān)擴(kuò)展的數(shù)字量模塊進(jìn)行配置。如圖2.7所示，配置好的PLC及擴(kuò)展模塊的界面。
圖2.7 配置PLC和擴(kuò)展設(shè)備
3氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1?氣動(dòng)控制系統(tǒng)的組成
氣動(dòng)控制系統(tǒng)由:動(dòng)力元件、控制元件、傳感元件組成。氣動(dòng)發(fā)生裝置一般為空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能；氣動(dòng)執(zhí)行元件則將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，完成規(guī)定動(dòng)作；在這兩部分之間，根據(jù)機(jī)械或設(shè)備工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的需求、按一定順序?qū)⒏鞣N控制元件（壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥和邏輯元件）、傳感元件和氣動(dòng)輔件連接起來。
3.2?氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在彈體尺寸測(cè)量系統(tǒng)中，要求實(shí)現(xiàn)有四個(gè)工位的驅(qū)動(dòng)氣缸，并且有一個(gè)傳動(dòng)盤上下的驅(qū)動(dòng)氣缸。在具體的控制過程中，每個(gè)氣缸都要進(jìn)行上下的移動(dòng)，即進(jìn)工位和復(fù)位的控制，這樣就需要三位四通的控制閥，對(duì)方向進(jìn)行控制。
2.氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)
（1）先了解設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)控制對(duì)象的用途和使用環(huán)境；
?。?）初步設(shè)定工作的循環(huán)過程，簡(jiǎn)單的形成控制回路，并依據(jù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，進(jìn)行元器件的類型、規(guī)格、性能的選擇，完成選型工作；
?。?）對(duì)每一個(gè)執(zhí)行元件在進(jìn)行與氣壓泵連接時(shí)的控制單元精細(xì)的選擇，搞清楚其中的互鎖、同步的問題，不能發(fā)生干繞；
（4）設(shè)計(jì)好相關(guān)電控器件，并對(duì)限位開關(guān)的位置進(jìn)行合理的選擇。
3.根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，對(duì)空氣壓縮機(jī)的供氣量Qg可進(jìn)行計(jì)算，按下式簡(jiǎn)單估算
Qg=N(1.2～1.5)（QZ+QO）m3/min
式中 QZ：一臺(tái)機(jī)器的用氣量
QO：機(jī)器和配管的漏氣量
N：工作臺(tái)數(shù)
3.3氣動(dòng)控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)內(nèi)容
在本彈體自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的彈體測(cè)量頭設(shè)計(jì)：將彈體的底厚測(cè)量放在工位一，用到的是位移傳感器；彈體的總長(zhǎng)測(cè)量設(shè)計(jì)在二工位中進(jìn)行，用到的是位移傳感器；三工位進(jìn)行的是彈體的口內(nèi)徑測(cè)量，用到的是氣動(dòng)測(cè)量?jī)x；四工位進(jìn)行的是彈體的口外徑測(cè)量，用到的是激光測(cè)徑儀。由于氣動(dòng)控制的要求，系統(tǒng)通過三位四通電磁閥，同時(shí)，由于控制系統(tǒng)中的導(dǎo)氣管、容器和附設(shè)裝置存在著氣容和氣阻現(xiàn)象，在實(shí)際控制中，氣體的氣壓、流量和速度將會(huì)發(fā)生振蕩，直接影響控制的精度。為此，在系統(tǒng)中引入壓力表，實(shí)時(shí)對(duì)導(dǎo)氣管中的壓力，進(jìn)行壓力檢測(cè)，以滿足實(shí)際氣動(dòng)控制的進(jìn)行，同時(shí)在氣路中加入空氣過濾器，對(duì)氣體進(jìn)行一定的過濾，保護(hù)氣控設(shè)備有長(zhǎng)久的使用壽命。
3.4氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖繪制
氣動(dòng)控制原理圖如圖3-1所示。
圖3-1氣動(dòng)控制原理圖
4.系統(tǒng)控制與設(shè)計(jì)
4.1控制系統(tǒng)控制方式確定
根據(jù)彈體檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制要求，必須根據(jù)控制要求選擇合適的控制方式。其中最主要的有繼電-接觸器控制方式、單片機(jī)控制方式以及 PLC 與 PC 機(jī)相連的控制方式，它們的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
1）可靠性高
基于工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求所設(shè)計(jì)，一個(gè)芯片內(nèi)部集成多個(gè)信號(hào)通道，擁有比一般通用 CPU 強(qiáng)的抗噪干擾能力
2） 易于擴(kuò)展
3） 控制能力強(qiáng)。
為了滿足工業(yè)控制要求，單片機(jī)指令系統(tǒng)包含豐富的位處理指令、I/O 口的邏輯操作以及分支轉(zhuǎn)移功能指令。
4）單片機(jī)采用了面向控制的指令，便于設(shè)計(jì)人員使用。
5）價(jià)格低廉。
（3）采用上位機(jī)與 PLC 相聯(lián)系的控制方式。實(shí)現(xiàn)過程控制和數(shù)字控制以及實(shí)現(xiàn) PLC 之間、PLC與上級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通信聯(lián)網(wǎng)功能。它不僅可以控制一臺(tái)單機(jī)，一條生產(chǎn)線，還可以控制一個(gè)機(jī)群，許多條生產(chǎn)線。它不但可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，還可以用于遠(yuǎn)程控制。綜合以上特點(diǎn)和功能，本文選用以 PLC 為核心的控制方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。在 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)先確定被控對(duì)象，詳細(xì)分析其運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)流程以及工作特性，在此基礎(chǔ)之上制定電氣控制方案。其中，控制內(nèi)容包括時(shí)間、速度、行程控制以及電壓、電流的控制等。為了便于操作人員，還需確定系統(tǒng)相應(yīng)的操作方式，包括手動(dòng)、自動(dòng)以及出現(xiàn)故障時(shí)的自動(dòng)報(bào)警和相關(guān)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)顯示等。最后選擇能夠滿足控制要求的 PLC 機(jī)型和實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)形式所需的電氣元件，綜合考慮系統(tǒng)的技術(shù)方案和工藝復(fù)雜性,最終進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試。
4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要前后進(jìn)行充分準(zhǔn)備，具體的過程分別為方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試。
方案設(shè)計(jì)：確定氣缸、電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程和順序，協(xié)調(diào)機(jī)械結(jié)構(gòu)擬定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，根據(jù)彈體的測(cè)試流程及要求確定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和主要電氣元件；
設(shè)備選型：根據(jù)控制邏輯，確定控制的輸入輸出點(diǎn)，繪制電氣原理圖，確定PLC型號(hào)，并選擇相應(yīng)輔助設(shè)備；
程序設(shè)計(jì)：編制 PLC 控制程序；
系統(tǒng)調(diào)試：在對(duì)硬件接線檢查無誤的情況下，進(jìn)行軟件調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化硬件與軟件設(shè)計(jì)，直至滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為止。
4.3 控制任務(wù)分析
該彈體自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是集順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制于一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的管理下，實(shí)現(xiàn)彈體要求的各項(xiàng)尺寸自動(dòng)檢測(cè)?？刂屏鞒倘鐖D 4-1 所示。
圖 4-1控制流程
基于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化和安全可靠地運(yùn)行，從圖4-1中可以看到，本設(shè)計(jì)所選的S7-200控制外圍繼電器的通斷，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、氣缸的推動(dòng)、直流電機(jī)。
系統(tǒng)整體運(yùn)行方式為：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)料斗盤振動(dòng)將工件送入檢測(cè)系統(tǒng)，PLC 根據(jù)來料檢測(cè)傳感器開關(guān)量信號(hào)的輸入情況，按照預(yù)先編制好的程序，驅(qū)動(dòng)升降氣缸帶動(dòng)傳送裝置上升至定位傳感器的有效監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂夾取彈料；PLC 給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的信號(hào)，PLC間接地通過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的物料盤，進(jìn)行一工位、二工位、三工位、四工位的轉(zhuǎn)換，然后，各工位按照規(guī)定的檢測(cè)方式對(duì)被測(cè)工件的相應(yīng)尺寸進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)完畢后，PLC 將采集到的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷工件合格與否，當(dāng)判斷出彈料是否合格后，通過 PLC 控制分揀氣缸作出相應(yīng)的分揀動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件總長(zhǎng)、底厚的檢測(cè)，具體工作時(shí)序如圖4-2所示。
（圖見下頁(yè)）
圖4-2工作時(shí)序
PLC主機(jī)通過與之對(duì)應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)接，通過編制好的程序讀取測(cè)量采集系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 PLC 內(nèi)部寄存器中。導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)測(cè)頭做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)徑值的檢測(cè)；PLC 主機(jī)通過 RS-485 串口實(shí)現(xiàn)與氣電電子柱測(cè)微儀的通信，根據(jù)測(cè)量?jī)x器的數(shù)據(jù)傳輸格式計(jì)算通信地址，通過編制程序RS485通訊接口，或者以太網(wǎng)的通訊模式與測(cè)量模塊進(jìn)行通訊，讀取氣電電子柱測(cè)微儀檢測(cè)到的測(cè)量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 PLC 內(nèi)部寄存器中。
PLC 根據(jù)預(yù)先設(shè)置好步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，從而控制升降平臺(tái)的上升和下降，實(shí)現(xiàn)工件4處彈體相關(guān)尺寸的檢測(cè)；PLC 主機(jī)通過 RS-485 串口實(shí)現(xiàn)與測(cè)徑儀的通信，根據(jù)測(cè)量?jī)x器的數(shù)據(jù)傳輸格式計(jì)算通信地址，通過編制程序讀取激光測(cè)徑儀檢測(cè)到的測(cè)量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在PLC 內(nèi)部寄存器中。PLC 將所讀取到的數(shù)據(jù)處理為十進(jìn)制數(shù)之后，發(fā)送至上位機(jī)。
由以上動(dòng)作過程可知，該控制系統(tǒng)的輸入控制信號(hào)主要包括三部分：系統(tǒng)運(yùn)行狀況、工位運(yùn)行限位開關(guān)信號(hào)、零件檢測(cè)信號(hào)。并確定了PLC的控制輸入輸出控制點(diǎn)，則I/O分配表如表4-1所示。
表4-1 I/O分配表
1
Q2.4
直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
KM3
2
I1.4
放松到位
SQ13
3
Q1.1
四工位復(fù)位
YA10
4
Q0.7
三工位復(fù)位
YA8
5
Q0.5
二工位復(fù)位
YA6
6
Q0.3
一工位復(fù)位
YA4
7
M0.4
開始檢測(cè)
8
Q2.3
有殘品
KM2
9
Q2.1
放松
YA12
10
Q2.2
轉(zhuǎn)動(dòng)盤
KM1
11
Q2.0
夾緊
YA11
12
I2.0
啟動(dòng)程序
SB1
13
M0.3
不合格品
14
M0.1
復(fù)位判斷
15
M0.0
起始
16
I1.1
四工位到位
SQ9
17
I0.7
三工位到位
SQ7
18
I0.5
二工位到位
SQ5
19
I0.3
一工位到位
SQ3
20
Q1.0
四工位驅(qū)動(dòng)
YA9
21
Q0.6
三工位驅(qū)動(dòng)
YA7
22
Q0.4
二工位驅(qū)動(dòng)
YA5
23
Q0.2
一工位驅(qū)動(dòng)
YA3
24
I1.2
四個(gè)復(fù)位到
SQ10
25
I1.0
三工位復(fù)位到
SQ8
26
I0.6
二工位復(fù)位到
SQ6
27
I0.4
一工位復(fù)位到
SQ4
28
I0.2
下移到位
SQ2
29
Q0.1
轉(zhuǎn)盤下移
YA2
30
I1.5
轉(zhuǎn)動(dòng)到位
SQ12
31
I0.1
上升到位
SQ1
32
Q0.0
轉(zhuǎn)盤上升
YA1
33
I0.0
料斗來料
SQ11
系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)包括啟動(dòng)、停止，通過按鈕的斷開、閉合實(shí)現(xiàn)，其中系統(tǒng)的運(yùn)行和停止通過上位機(jī)操作界面實(shí)現(xiàn)，因此需1個(gè)I/O 輸入點(diǎn)；接近開關(guān)感應(yīng)信號(hào)限位開關(guān)包括各檢測(cè)工件的來料信號(hào)檢測(cè)和傳送裝置定位檢測(cè)，共需9 個(gè) I/O 輸入點(diǎn)；限位開關(guān)控制信號(hào)用來判斷升降平臺(tái)的行程，需 3個(gè) I/O 輸入點(diǎn)，機(jī)械手臂的夾取需要一個(gè)限位開關(guān)的限制，以防夾取壓力太大，對(duì)零件有傷害。對(duì)于本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)共需14個(gè)輸入點(diǎn)，但在選擇PLC 型號(hào)時(shí)一定要留有控制點(diǎn)余量。
系統(tǒng)的輸出信號(hào)主要包括直流電機(jī)的控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)控制、電磁閥換向控制以及測(cè)量模塊移動(dòng)切換控制。對(duì)于直流電機(jī)的控制，本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)起停即可，因此需 1 個(gè) I/O 輸出點(diǎn)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降平臺(tái)，而步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)采用專用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)轉(zhuǎn)需要一的輸出點(diǎn)進(jìn)行控制；PLC 通過控制電磁閥換向來實(shí)現(xiàn)氣缸的伸縮控制、測(cè)量模塊移動(dòng)的切換控制，因此需 10 個(gè) I/O 輸出點(diǎn)；為了使系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)更加直觀，方便操作人員，需設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)指示燈，分別對(duì)應(yīng)以上的系統(tǒng)啟動(dòng)、關(guān)閉輸出點(diǎn)。因此，系統(tǒng)共需 15個(gè)輸出點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)中輸入輸出 I/O 控制變量點(diǎn)的分配如表4-1 所示。
本文彈體尺寸測(cè)量系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的 S7-200 系列的CPU224XP型 PLC 作為主控制模塊核心器件，該機(jī)型屬于 S7-200 系列的加強(qiáng)型，功能齊全，具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，而且外圍 I/O 資源豐富，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其端口可以進(jìn)行自由通信、modbus通訊模式的選擇，等強(qiáng)大功能，可以便捷的進(jìn)行 I/O 點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展，不需要程序的初始化，如圖4-2所示，為PLC CPU224XP。
圖4-2 CPU224XP
4.4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在硬件接線之前，必須根據(jù)選定的電氣元件設(shè)計(jì)電氣原理圖，便于明確系統(tǒng)電路整體結(jié)構(gòu)、電氣元件之間的相互關(guān)系以及控制信號(hào)的走向。該彈體尺寸測(cè)量系統(tǒng)的強(qiáng)電系統(tǒng)主要應(yīng)用中間繼電器的常開觸點(diǎn)作為控制元件控制氣缸的啟動(dòng)和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，將 PLC 的輸出信號(hào)傳遞至各執(zhí)行元件，即DC24V的電壓控制高電壓。
具體有以下幾個(gè)功能：
（1） PLC對(duì)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)；
（2）控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)物料盤的振動(dòng)；
（3）控制氣缸電磁換向閥，并且對(duì)氣缸運(yùn)行位置檢測(cè)；
（4）與測(cè)量設(shè)備進(jìn)行通訊。
主回路主要由低壓斷路器和開關(guān)電源及主要用電設(shè)備組成，低壓斷路器不僅可以接通和切斷主要用電設(shè)備所在電路，還可為各用電設(shè)備提供自動(dòng)保護(hù)措施；而DC24V直流穩(wěn)壓電源主要用來為各用控制類型的電氣設(shè)備提供其所需的工作電壓。控制回路由電磁閥、中間繼電器和檢測(cè)傳感器等構(gòu)成。對(duì)應(yīng)主回路中的四個(gè)低壓斷路器，分別是步進(jìn)電機(jī)控制電路、PLC 電路以及電磁閥控制回路?？刂齐娐钒鍖?shí)物圖如圖 4-3 所示。
傳送裝置工作主要由步進(jìn)電機(jī)和氣動(dòng)升降設(shè)備控制，同時(shí)利用行程開關(guān)檢測(cè)傳送裝置是否到位，或者用磁性開關(guān)檢測(cè)氣缸中活塞的位置，將這些信號(hào)反饋至 PLC，繼而控制傳送裝置的運(yùn)動(dòng)和停止。
彈料的抓取和測(cè)量器件的驅(qū)動(dòng)都是氣缸實(shí)現(xiàn)，他們的具體運(yùn)動(dòng)邏輯由 PLC 控制。PLC 的輸出端通過中間繼電器的觸點(diǎn)控制電磁閥的動(dòng)作，即氣缸的進(jìn)氣和排氣，在氣缸上安裝的磁性開關(guān)檢測(cè)氣缸中活塞的位置并對(duì) PLC 進(jìn)行反饋。
升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)氣缸控制，并由限位開關(guān)檢測(cè)平臺(tái)的位置信號(hào)，然后將位置信號(hào)反饋至 PLC，PLC 再控制電機(jī)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)行程的控制。
（圖見下頁(yè)）
圖4-3電氣控制原理圖
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致謝
通過大學(xué)四年的奮斗，終于有機(jī)會(huì)將所學(xué)的知識(shí)付諸于實(shí)踐，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)我很珍惜，因?yàn)樗趨R了我四年的所學(xué)知識(shí)，無論從機(jī)械結(jié)構(gòu)還是電控原理等方面都是對(duì)我的學(xué)習(xí)的知識(shí)的一次大檢驗(yàn)。在做設(shè)計(jì)的過程中，雖然是問題百出，但是在經(jīng)過老師的提醒和講解下，以及查看相關(guān)案例，使我的設(shè)計(jì)得以妙筆生花，設(shè)計(jì)出有價(jià)值的東西。我很感謝曾老師對(duì)我的幫助。
最后，向給與我?guī)椭团惆榈睦蠋熗瑢W(xué)們，致以真切的祝愿，祝你們?cè)谖磥淼纳钍聵I(yè)中心想事成。
附錄
A程序指令
1.1.主程序
1.2.子程序
B梯形圖
2.1主程序
2.2子程序
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