毕业设计（论文）-锂锰扣式电池测厚机控制系统设计.doc

河 北 工 业 大 学 毕 业 论 文 作 者： 杨杨帆帆 学 号： 060356 学 院： 机械工程学院机械工程学院 系(专业)： 机械设计制造及其自动化 题 目： 锂锰扣式电池测厚机控制系统设计 指导者： 孙立新 教授 评阅者： 2010 年 6 月 1 日 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 1 毕业设计（论文）中文摘要 锂锰扣式电池测厚机控制系统设计 摘要： 介绍了一种新型li/mno2 扣式电池厚度检测与废品筛选系统, 对总体设计方案和 元器件选型进行了论述。提出以plc（cp1hxa40dt-d）为核心, 位移传感器为主 要电器元件实现系统控制功能的方案。同时对电池测厚系统的工作原理、控制软 件的实现方案。它的主要要求为：装有电池的电池盘到达检测位，传感器检测， 并且剔除废品电池；自动完成各个动作，并具有故障报警功能；各动作应具有单 动功能，以便于调试等。本设计完成了控制系统原理图、接线图及控制柜接线图 的绘制，编制了plc程序。经仿真调试已经表明，本系统的效果良好。 关键词： 锂锰扣式电池 测厚机 控制系统 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 1 毕业设计（论文）外文摘要 titletitle：the design of li/mno2 button battery thickness measurement machine control system abstract:abstract: this paper discusses with the system of the thickness measurement of li/mno2 button battery, and also the function 0f culling wasters . it expatiates the design principles and the process of selecting component, and it brings forward an intact project that based on the plc and stepper motors .this paper illuminates the working principles and the controlling function of the system .it requires that: the tray filled with cells locates in testing area, the sensors measures the thickness of all the cells, the cupula picks up the uneligible ones, ring alarms when there is any malfunction. it need every part to act solely，in order to make it easy to debug. the design of the control system includes drawings about the principles of controlling, wiring diagrams about controlling and cabinet，and also the plc program. it has shown that the system can act well through the simulation process. keywordskeywords：li/mno2 button battery thickness measurement machine control system 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 1 目目 次次 1 引言1 1.1 国内 li/mno2 扣式电池现状及主要问题1 1.2 继电器接触器控制系统与 plc 控制系统.1 1.3 接近开关简介.3 1.4 传感器简介.6 2 总体方案的确定7 2.1 课题前期研究过程中遇到的问题、解决方法.7 2.2 动作要求.8 2.3 工艺流程确定.8 2.4 控制系统初步框图.8 2.5 课题工作进度安排.10 3 元器件的选型11 3.1 plc 的选择11 3.2 接近开关的选择.14 3.3 滤波器的选择.17 3.4 位移传感器的选择.18 3.5 气缸配用电磁阀的选择及计算.19 3.6 低压断路器的选择.20 3.7 步进电机驱动器的选型.22 4 控制柜装配图的绘制26 5 程序的编写27 结 论30 参 考 文 献31 致 谢32 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 1 1 1 引言引言 随着科学技术的飞速发展, 小型、微型电子产品越来越多。li/mno2 扣式 电池凭借其良好的性价比、优越的电性能和储存性能, 得到广泛地应用。在我 国, 电池的产量和应用市场越来越大, 但高端电池却相对较少, 制造技术也较 落后。其原因一是工艺技术落后, 二是制造装备落后, 二者均与先进国家存在 较大差距。迅速提高电池工艺技术和制造装备的水平, 缩小与发达国家的差距, 是必须面对的一个迫切的任务。 1.11.1 国内国内 li/mnoli/mno2 2 扣式电池现状及主要问题扣式电池现状及主要问题 在li/mno2 扣式电池生产制造过程中, 厚度检测是影响电池性能的重要因 素。厚度超高, 生产出来的电池可能是双锂片或电池在以后的放电过程中会漏 液。厚度过低, 生产出来的电池就有可能短路。目前大多数厂家采用的产品检 测方法是人工使用卡尺抽样测量。这样很难保证每一个电池都是合格品, 尤其 是采用机器化成批量生产时, 就会有很多不合格的电池流入到市场。人工检测 不仅工人的劳动量大, 重复单调的工作环境很容易使工人疲劳。另外由于检测 人员的不同, 电池很难达到一个统一的标准。使用卡尺采用的是接触式测量, 这 样电池在检测过程中就会瞬时短路, 从而影响电池的性能。这些对电池产品的 进一步发展都是不利的。基于这种情况, 本文提出了采用自动化非接触式检测 方法对扣式电池进行检测, 并对电池测厚的控制系统进行了研究。1 1.21.2 继电器接触器控制系统与继电器接触器控制系统与 plcplc 控制系统控制系统 继电接触器控制和 plc 控制是两种重要的电气控制技术。继电接触器控制 系统和 plc 控制系统各有其优缺点。继电接触器控制系统主要用于简单的电气 控制系统中，而 plc 控制系统则用于相对较复杂的控制回路中，实现设备的简 便连接，根据实际要求自动控制设备按程序运行。继电接触器控制系统在简单 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 2 控制系统中经济性方面明显优于 plc 控制系统，在不太重要的场合可以考虑使 用。而可靠性方面 plc 控制系统则明显优于继电接触器系统。随着 plc 的大量 生产和技术水平的提高，它的价格将会达到合理的水平，plc 的使用将逐步增 加，其应用范围也会越来越广。2 电气控制技术应用于国民经济的各行各业。电气控制技术的发展，是随着 科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进和电气控制装置的日新月易而迅速 发展的。从最早的手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的 控制系统，直至发展到今天，应用还相当广泛的传统有触点的硬接线继电器-接 触器控制系统，都是许多先进科学技术的发展成果。 传统控制继电器具有结构简单、价格低廉、维修方便等优点，因此广泛应 用于各类机床和机械设备中。采用它不但可以方便地实现生产过程自动化，而 且还可以实现集中控制和远距离控制。但是，这也随之带来一些问题，如绝大 多数控制继电器都是在长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继 电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再 者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制柜将会非常庞大而笨 重。在全负荷运载的情况下，继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大 量电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也 需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试，从而造成巨大的经济损 失。 可编程控制器以体积小功能强著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、 运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过 输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程 的自动控制。特别是现在，由于信息、网络时代的到来，扩展了 plc 的功能， 使其具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。 传统的继电-接触器控制系统，是由输入设备、控制线路和输出设备等部分 组成，它是一种有物理器件连接而成的控制系统。plc 的梯形图虽与继电器-接 触器控制电路相似，但其控制元器件和工作方式是不一样的，主要区别有以下 几个方面。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 3 1.元器件不同：继电器-接触器控制电路是由各种硬件低压电器组成，而 plc 的梯形图中输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等软 继电器是由软件来实现的，并非真实的硬件继电器。 2.工作方式不同：继电器-接触器控制电路工作时，电路中硬件继电器都处 于受控状态，凡符合条件吸合的硬件继电器都同时处于吸合状态，受各种约束 条件不应吸合的硬件继电器都同时处于断开状态。plc 的梯形图中软件继电器 都处于周期性循环扫描工作状态，受同一条件制约的各个软件继电器的动作顺 序取决于程序扫描顺序。 3.元件触点数量不同：硬件继电器的触点数量有限，一般只有 48 对， 而 plc 梯形图中软件继电器的触点数量在编程时可无限次使用，可常开常闭。 4.控制电路实施方式不同：继电器-接触器控制电路是通过各种继电器之间 接线来完成，控制功能固定，当要修改控制功能时必须重新接线。plc 控制电 路由软件编程来实施，可以灵活变化和在线修改。 可编程控制器作为一种通用的工业控制器，目前，已在国内外都已得到了 广泛地应用，它几乎可用于所有的工业领域。它们利用最基本的逻辑运算、定 时、计数等功能进行逻辑控制，取代了传统的继电器控制系统，广泛应用于高 精机床、印刷机、自动化装配生产线、电动流水线及电梯等的控制。除此之外 它还成功地应用到机械、冶金、石油、化工、纺织、交通、电力、军事等各个 领域，并取得了可观的技术经济效益。特别是随着计算机技术的发展，使得可 编程控制器更加智能化，功能更强大，整体性能更高，它必将以代表当今电气 控制技术的世界先进水平的身份，真正成为继电器-接触器控制系统的替代品。 3 1.31.3 接近开关简介接近开关简介 接近开关也是一种传感器，具有传感器的性能。接近开关具有使用寿命长、 工作可靠、重复定位精度高、频率响应快、无机械磨损、无火花、无噪音、抗 振能力强、具有防水、防振、耐腐蚀等特点。因此到目前为止，接近开关的应 用范围日益广泛，其自身的发展也极其迅速。 按外型可分为:圆柱型、方型、沟型、穿孔(贯通)型和分离型。 按供电方式可分为:直流型和交流型。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 4 按输出型式又可分为:直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制 和交流三线制。4 1.3.1 电感式接近开关 电感式接近开关（gdkg）属于一种有开关量输出的位置传感器，它由 lc 高 频振荡器、信号触发器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交流磁场， 该磁场经由传感器的感应面释放出来。当有金属物体接近这个能产生电磁场的 振荡感应头时，就会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关， 使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，当信号触发器探测到这 一衰减现象时，便把它转换成开关电信号。由此识别出有无金属物体接近开关， 进而控制开关的通断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。 1.3.2 电容式接近开关 电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器。它的测头通常 是构成电容器的一个极板，而另一个极板是被测物体本身，当物体移向接近开 关时，物体和接近开关的介电常数 a 发生变化，等效电容跟着变化，从而使得 测头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种 接近开关的检测物体，并不只限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体， 在检测较低介电常数 a 的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部） 来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在 0.70.8sn（sn 为 电容式接近开关的标准检测距离）的位置动作。 1.3.3 霍尔式接近开关 霍尔接近开关是磁性接近开关中的一种，具有无触点、低功耗、长使用寿 命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌制成一体化结构，所以能在各 类恶劣环境下可靠地工作。它可应用于接近开关、压力开关、里程表等，它是 一种新型的电器配件。霍尔式开关比电感式开关响应频率高，它用磁钢触发， 电感式用导磁金属触发，霍尔式开关感应距离除了与传感器本身性能有关外， 还与所选磁钢磁场强度有关。 1.3.4 磁性接近开关 磁性接近开关能以细小的开关体积达到最大的检测距离。它能检测磁性物 体（一般为永久磁铁），然后产生触发开关信号输出。由于磁场能通过很多非 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 5 磁性物体，所以此触发过程并不一定需要把目标物体直接靠近磁性接近开关的 感应面，而是通过磁性导体（如铁）把磁场传送至远距离。 因此，磁性接近开关的消耗功率由于永久磁铁的接近而增加，信号触发器 被启动产生输出信号。它有广泛的应用，如：可以通过塑胶容器或导管来对物 体进行检测；高温环境的物体检测；物料的分辨系统；用磁石辨认代码等。5 1.3.5 光纤式传感器 光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传 感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是 国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。因此光纤技术在很多 方面都有很大的应用。 1.3.6 光电导开关 光电导开关(pcss)是由光敏半导体材料作为芯片的一类光电转换器件。开 关结构简单，重量轻，易组成阵列工作，能在高偏置电场下工作，具有压缩高 功率脉冲的能力。6 与传统的转换器件(如：火花隙开关、机械开关、系统断路器等)相比， pcss 拥有转换速度高、脉冲上升沿抖动小、耐高压、抗电磁干扰等优良特性。 7 gaas 等-族半导体材料制作的 pcss 导通时存在锁定(lock-on)现象， 其机理尚未完全了解。 1975 年 auston 提出光电导原理后，si 材料最先用于制作 pcss。8随着对 光电导开关研究的深入，gaas 和 sic 等具有更高电子迁移率、暗态电阻率的材 料逐渐代替了 si。 光电导开关存在两种工作模式：线性模式与非线性模式9。线性模式下开 关电导率取决于激励光源的能量，两者近似为线性关系。非线性模式下光脉冲 仅起触发作用，激励光源能量比线性模式中的光能低 23 个数量级，开关电导 率依靠材料内部的载流子高倍增机制维持。衡量光电导开关性能的参数主要有 输出脉冲宽度、使用寿命等，见表 1-1。光导开关的每种参数具体值与其应用 领域有关，表中给出了各项参数对应的数值范围。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 6 表 1-1 光导开关参数表 sic 光导开关也存在不足。sic 开关只能工作在线性模式，需要 mj 量级的 触发光源，使整个系统的体积和能耗相对较大。同时，sic 开关的工艺实现有 一定难度，特别是制作欧姆接触时较难达到标准。目前欧美国家科研机构开展 了相关研究工作，制作的样品为纵向结构。10 1.4 传感器简介 位移传感器又称为线性传感器， 电位器式位移传感器它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或 任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用 作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器， 要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可 动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的 变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常 在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由 于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果 这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起 系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感 器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 7 方便，价格低廉。 霍耳式位移传感器 它的测量原理是保持霍耳元件（见半导体磁敏 元件）的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的 位移正比于输出的霍耳电势。磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀, 霍耳电势与位移的关系越接近于线性。霍耳式位移传感器的惯性小、频响高 、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的 场合。 光电式位移传感器 它根据被测对象阻挡光通量的多少来测量对象的位 移或几何尺寸。特点是属于非接触式测量，并可进行连续测量。光电式位移 传感器常用于连续测量线材直径或在带材边缘位置控制系统中用作边缘位置 传感器。 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测 金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传 感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相 对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分 析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振 动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、 轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心转 轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡 、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关 键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、 分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等 优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 2 2 总体方案的确定总体方案的确定 2.12.1 课题前期研究过程中遇到的问题、解决方法课题前期研究过程中遇到的问题、解决方法 2.1.1 分析过程 因处于本科阶段，刚拿到课题不知从何下手，后经孙老师指导才知道拿到 一个课题后应先分析该课题的国内外研究现状及本课题研究的意义，接着仔细 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 8 分析该课题所涉及的主要技术现状及趋势，然后根据本课题的要求仔细分析该 系统的工艺过程并制定总体方案。 2.1.2 分析方法 在做前期报告之前一定要仔细分析所研究课题的具体要求，比如如果所研 究课题是控制系统就应先分析系统所要实现的功能及相应技术，而后再将系统 分开去研究单个控制元件，只有这样才能更加清楚的认识所研究的问题，以正 确的方法去查阅资料和技术文献。因所做设计是系统设计，不同以往遇到的简 单问题，因此需查阅大量的资料，我们可以从网络或图书馆查阅，必要时一定 要向老师请教。 2.22.2 动作要求动作要求 装有 20 个电池的电池盘到达检测台边缘后自动停止，并送至检测台由传感 器进行检测，然后吸盘将废品剔除，同时分开含废品和不含废品的电池盘，各 动作要求自动完成。整套系统具有故障报警功能，且各气缸要求具有单动功能， 以便进行调试。 2.32.3 工艺流程确定工艺流程确定 2.3.1 系统的主要工作过程 按下启动按钮后窄皮带电机启动，料满后挡料板抬起推料气缸动作将料推 出，挡料板退回，推料杆收回。顶料杆气缸顶起，平压板压下，平压板压到位 后抬起。注胶机和顶料杆旋转电机启动，注胶一圈后，顶料杆旋转电机停转， 注胶机停止注胶，如此反复。当宽皮带上料堆满后槽压板抬起，宽皮带机转动， 将料运走，槽压板压下。起始位缺料后，供料斗自动上料，还有报警装置等。 2.3.2 流程图 本控制系统的动作流程如图 2-1 所示。 2.42.4 控制系统初步框图控制系统初步框图 由上述动作流程图知要用到一个光电开关、四个气缸（两个二级气缸、两 个气缸） 。控制系统初步框图如图 2-2。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 9 是 启动 同步带机启动 电池盘检测开关动作 同步带电机停止 主二级气缸推至中位 传感器检测是否含有废品 主电机动作将吸盘 移至电池盘正上方 吸盘气缸动作 吸盘真空设备动作 吸盘压力开关动作 吸盘电机动作 副二级气缸回起始位 置 主二级气缸至终位 否 复位 主二级导轨回到起始位副二级气缸至终位 图 2-1 锂锰扣式电池测厚机控制系统动作流程图 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 10 图 2-2 控制系统初步框图 2.52.5 课题工作进度安排课题工作进度安排 工作进度安排如表 2-1 所示。 表 2-1 工作进度安排表 起讫时间工作内容 2009-11-1选 题 阶 段 2010-4-1前 期 报 告 2010-5-10中 期 报 告 2010-5-10中 期 报 告 2010-5-30设计（论文）初稿 2010-6-4设计（论文）定稿 2010-6-10成果评审和成绩管理 2010-6-16评 优 阶 段 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 11 3 3 元器件的选型元器件的选型 3.13.1 plcplc 的选择的选择 plc(programmable logic controller)是可编程逻辑控制器的缩写。它是 一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、电器控制技术、自动控制技术和 通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。 经过 20 多年的工业应用，plc 特点已越来越为广大业界人士认识和接受， 使得 plc 迅速渗透到工业控制的各领域，包括从单机到工厂自动化，从机器人、 柔性制造系统到工业局部网络等等。今后，plc 将主要朝着以下两个方向发展: 一是向超小型专用化和低价格方向发展;另是向高速多功能和分布式自动化网络 方向发展。11 不同的控制及检测元件都有各自不同的特点及使用场合，因此在使用时应 根据其特点合理选择，实现所需的功能。 3.1.1 对输入/输出点的选择 1.输入输出点数计算 输入输出点数计算如表 3-1 所示，由表可知共需输入点 16 个，输出点 25 个。 2.要选择的 plc 的输入输出点数应按实际所需总点数的 1520留出备用 量（为系统的改造等留有余地） ，因此所选 plc 的总点数应为 47-50。 3.1.2 对 plc 结构形式的选择 在相同功能和相同 i/o 点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式 具有功能扩展灵活，维修方便（换模块） ，容易判断故障等优点，要按实际需要 选择 plc 的结构形式。 由于机械结构部分中需控制的电机数目达到四个（三台步进电机一台三相异步 电机） ，其总的输入输出点数小于 256，输入端口大约 16 个左右、输出端口大 约 10 个左右（不包含三台步进电机端口） ，通过对上述资料的分析及实际情况 的分析，采用欧姆龙 cp1h 系列的可编程控制器。这样可以避免高投入低利用， 浪费硬件资源。 可编程控制器sysmac cp1h是用于实现高速处理高功能的程序一体化型plc。配 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 12 备与cs/cj 系列共通的体系结构，与以往产品cpm2a 40 点输入输出型尺寸相同， 但处理速度可达到约10倍的性能。cp1h cpu 单元包括x（基本型）/xa（带内置 模拟量输入输出端子）/y（带脉冲输入输出专用端子）3 种类型。 由于继电器输出的触点寿命较短（一般为30万次左右） ，因此工作次数较少的零 部件可以考虑采用继电器输出，工作频繁（每秒钟一次以上）的必须采用晶体 管输出，由于输出中继电器输出较多因此采用cp1hxa40dr-a 表 3-1 输入输出点数表 名称输入点数输出点数 二级气缸磁性开关 60 吸盘气缸磁性开关 20 检测台气缸磁性开关 20 电池盘到位检测开关 10 启动按钮 10 停止按钮 10 急停按钮 10 二级气缸单动 40 吸盘气缸单动 10 检测台气缸单动 10 吸盘压力开关 10 步进电机脉冲输出 06 二级气缸输出 04 吸盘气缸输出 01 检测台气缸输出 01 指示灯 02 传送带电机 01 气缸卡住报警灯 04 蜂鸣器输出 01 吸盘电磁阀 04 cp1hxa40dr-a特性（如表3-2） cp1hxa40dr-a功能 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 13 cpu 单元本体，可实现高速计数器4 轴、脉冲输出4 轴。 通过扩展cpm1a 系列的扩展i/o 单元， cp1h 整体可以达到最大320 点的输 入输出。 表3-2 plc特性 单元型号cp1hxa40dr-a（继电器输出） 电源ac 100240v 50/60 hz 程序容量20k 步 最大输入输出点数*1320 点 输入输出点数40 点 输出点数24 点 中断脉冲接收输入最大8点 输出点数16 点 高速计数器输入4 轴100khz（単相）/50khz（相位差） 内置输入输 出端子分配 单元版本ver.1.0 及以下：2 轴100khz、2 轴30khz 单元版本ver.1.1 及以上：4 轴100khz 内置模拟输出 模拟电压/电流输入：4 点 模拟电压/电流输出：2 点 通过扩展cpm1a 系列的扩展单元，也能够进行功能扩展（温度传感器输入等） 。 通过安装选件板，可进行rs-232c 通信或rs-422a/485通信（pt、条形码阅读 器、变频器等的连接用）。 通过扩展cj 系列高功能单元，可扩展向上位/下位的通信功能等。 注：对每个输入接点，通过plc 系统的设定来选择是否在通用输入、输入中断、 脉冲接收、高速计数器中的任何一个状态下使用。此外，对每个输出接点，通 过指令来选择是否在通用输出、脉冲输出、pwm 输出中的任何一个状态下使用。 cp1h 的cpu 单元，通常周期性重复公共处理运算处理i/o 刷新外围 服务的 处理，运算处理中执行周期执行任务。与此不同，根据特定要求的发生，可以 在该周期 的中途中断，使其执行特定的程序。这称为中断功能。 各部分名称及规格（见图3.1） 4.扩展i/o单元 cp1h 能够连接cpm1a 系列的扩展单元。能连接的台数含cpm1a扩展i/o单元最多 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 14 为7 台。但是，模拟输入单元（cpm1a-ad041）、模拟输出单元（cpm1a- da041）、（温度调节单元cpm1a-ts002/102）中因为输入继电器区域占有4 ch，当包含这些单元时，要减少可分接的台数。 模拟输入单元cpm1a-ad041 每1 台单元可以有模拟输入4 点的模拟输入。模拟输入的信号量程是 05v/15v/010v/1010v/020ma/420ma。分辨率为1/6000。在 15v/420ma 量程可使用断线检测功能。模拟输入单元占有4ch 的输入通道 和2ch 的输出通道，因此最多可连接3个单元。 图3.1 cp1h cpu 单元 模拟输出单元cpm1a-da041 可通过1 台单元输出4 点的模拟输出。模拟输出的信号量程是 15v/010v/1010v/020ma/420ma。模拟输出单元占有4ch 的输出 通道，因此最多可连接3 个单元。 模拟输入输出单元 cpm1a-mad01 mad01，每1 台单元可以有模拟输入2 点、输出1 点的模拟输入输出。模拟输入 信号量程为010v/15v/420ma，分辨率为1/256。15v/420ma 量程可以 使用断线检测的功能。模拟输出信号量程为010v/1010v/420ma。分 辨率为010v/420ma 时为1/256，1010v 时为1/512。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 15 由于测厚机需输入端口17个外加八个模拟输入端口，输出端口有27个其中6个脉 冲输出口；该plc含有模拟输入端口有24点，输出端口16个。 因此需附加 40 点扩展 i/o 单元（cpm1a-40edt） 3.23.2 接近开关的选择接近开关的选择 电感式接近开关能识别出有无金属物体接近开关，进而控制开关的通或断。 这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。电容式接近开关的检测物体， 并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。磁性接近开关能以细小 的开关体积达到最大的检测距离。它能检测磁性物体（一般为永久磁铁） ，然后 产生触发开关信号输出。霍尔接近开关是磁性接近开关中的一种，具有无触电、 低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点。光纤传感技术是伴随着光通讯技术 和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术 互相交叉、互相渗透的高科技技术 ，它可以检测各种材质的物体，比其他类型 的接近开开关检测的范围大。 由于受机械结构及被测物体材质和结构的限制电池盘到位检测开关采用光 电开关较好。电池盘到位检测开关可以安装在侧面，本来打算采用电容式接近 开关，可由于安装不便，最终决定采用光电开关。气缸上的开关择选磁性开关。 1. 光电开关的选择 选择 omron 放大器内藏型光电开关（小型）型号 e3z（见图 3.2） 。 图 3.2 e3z 图片 由于其拥有不受现场、设置环境的影响；增强了生产线的高度可靠性；实 现大幅度节省电力和彻底节约能源等特点。 其主要作用是判断电池盘是否到达传输带上指定位置，若到达输出信号到 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 16 控制器控制电机使其停止。 e3z 光电开关主体如表 3-3 由于传送带的宽度为 175180mm 之间可以考虑采用回归反射型的光电开关， 由于 pnp 型主要输出到欧洲而设计的，因此选择 npn 型的光电开关可选型号 e3z-r61 或 e3z-r66。 性能规格如表 3-4 表 3-3 e3z 光电开关主体 型号 检测方式连接方式检测距离 npn 输出pnp 输出 导线引出式型号 e3z-t61型号 e3z-t81 对射型 接插件 15m 型号 e3z-t66型号 e3z-t86 导线引出式型号 e3z-r61型号 e3z-r81回归反射型 （带反射板）接插件 100mm4m 型号 e3z-r66型号 e3z-r86 导线引出式型号 e3z-d61型号 e3z-d81 接插件 5100mm （广视野）型号 e3z-d66型号 e3z-d86 导线引出式型号 e3z-d62型号 e3z-d82 扩散反射型 接插件 1m 型号 e3z-d67型号 e3z-d87 线路图如图 3.3 图 3.3 线路图 2.磁性开关的选择 因有两个一级气缸和两个二级气缸，所以需要 10 个磁性开关，均用 w5 系 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 17 列的，舌簧磁性开关，环带安装(直接出线)，导线长度为 0.5m(标准)。 3.33.3 滤波器的选择滤波器的选择 为安全起见，在开关电源处各加一个电源滤波器，滤波器选为：220v 电压， 3a 电流。型号 zyh-el-3a。具有良好的共模、差模衰减性；有较小的泄漏电流； 能有效地抑制线与线，线与地之间的 emi 噪声干扰；体积小，重量轻，价格低 廉且能够快速连接等特点。其实物如图 3.4，性能规格如表 3-5 所示。电路图 如图 3-4，外形尺寸图如图 3-9。 表 3-4 光电开关性能规格表 种类npn 输出型 型号 e3z-r61 电源电压dc12-24v 波动（p-p）10%以下 消耗电流30ma 以下 输出npn 开路集电极晶体管，最大流入电流：100ma 应答时间动作、复位：各 1ms 以下 工作状态指示灯动作表示灯（橙色） 、安定表示灯（绿色） 图 3.4 滤波器图片、 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 18 表 3-5 滤波器性能规格表 图 3.5 zyh-el3a 电路图 图 3.6 zyh-el3a 外形尺寸 3.43.4 位移传感器的选择位移传感器的选择 该传感器用于检测电池的厚度，如果选用接触式传感器要对扣式电池表面 划伤，损害其美观性，因此选用非接触式的位移传感器。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 19 非接触式传感器有电涡流位移传感器、电容式位移传感器、霍尔式位移传 感器、超声波位移传感器以及激光位移传感器。电涡流位移传感器具有结构简 单易于进行非接触式的连续测量，其灵敏度高，适用性强，价格较低，因此选 用电涡流位移传感器 电涡流传感器的基本原理 ：前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入 探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁 场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与 头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度 和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、 线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离 等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈 和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率、磁导率 、尺寸因 子 、头部体线圈与金属导体表面的距离d、电流强度 i 和频率 参数来 描述。则线圈特征阻抗可用 z=f(, , , d, i, )函数来表示。通常 我们能做到控制 , , , i, 这几个参数在一定范围内不变，则线圈 的特征阻抗 z 就成为距离 d 的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其 函数特征为 “s”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前 置器电子线路的处理，将线圈阻抗 z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距 离 d 的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面 之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、 振动等参数的测量 其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈 的 q 值也发生变化， q 值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变 化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电 流）变化，最终完成机械位移 (间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡 流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传 感器的性能与被测体有关。 选用德国米依电涡流位移传感器，型号 eddyncdt 3010-u3 测量距离可选 6mm 可 使其调节范围较大。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 20 3.53.5 气缸配用电磁阀的选择及计算气缸配用电磁阀的选择及计算 由于本设计采用的四个气缸是小直径的气缸，选用与其配套的电磁阀是： vj3000、vj5000、sy3000 和 vz1000 等系列电磁阀。各种电磁阀的性能参数如 表 3-7 所示。 功耗计算：从表 3-6 中选择 sy3000 型，功率 0.55w，接电方式为 l 型插座， 图 3.7 为其实物的图片。 因此电流为：i=0.55/24=23ma 图 3.7 sy3000 电磁阀 表 3-6 电磁阀性能参数表 名称标准电压功率消耗过压抑制灯指示灯接电方式 vj3000 dc12v、24v 1w/1.2w（带有 指示灯） 二极管发光二极管 直接出线式(g) m 型插座式(m) vj5000（ 新） dc12v、24v 1w/1.2w（带有 指示灯） 二极管发光二极管 直接出线式(g) l 型插座式(l) vz1000 dc12v、24v ac110、220v 1.8w/2.1w（带 有指示灯） 启动 4.5va，持 续 3.5va 二极管 压敏电阻 发光二极管 氖灯 直接出线式(g) m 型插座式(m) sy3000（ 新） dc12v、24v ac110v 0.5w/0.55w（带 有指示灯） 1w/1.1w（带有 指示灯） 二极管 压敏电阻 发光二极管 氖灯 直接出线式(g) l 型插座式(l) 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 21 3.63.6 低压断路器的选择低压断路器的选择 1.四极断路器的应用 四极断路器用于电源的进线端，双电源切换用的断路器；负载极大不平衡 和舞台调光及电子元件数量多的场所以及漏电保护装置中。 2.四极断路器的选用 目前市场供应的四极断路器有 n 极不装过电流脱扣器；n 极装过电流脱扣 器。这两类断路器的选用原则是：在绝大多数采用 y-yno 联接的配电变压器供 电情况下，由于其 n 线电流被限制在25%的额定电流内负载基本平衡，n 线的 截面积等于相线导体截面积时，可选用 n 极不带过电流脱扣器，对于 tn-c 系统， 要求采用中性线始终连通不断的四极断路器。16 低压断路器的分类 一、按照结构，低压断路器可分为框架式和塑料外壳式两种： 1.框架式断路器所有结构元件都装在同一框架或底板上，可有较多结构变 化方式和较多类型脱扣器，一般大容量断路器多采用框架式结构。 2.塑料外壳式断路器所有结构元件都装在一个塑料外壳内，结构紧凑、体 积小，一般小容量断路器多采用塑料外壳式结构。 二、按用途，低压断路器可分为： 1.导线保护用断路器。主要用于照明线路和保护家用电器，额定电流在 6125 安范围内。 2.配电用断路器。在低压配电系统中作过载、短路、欠电压保护之用，也 可用作电路的不频繁操作，额定电流一般为 2004000 安。 3.电动机保护用断路器。在不频繁操作场合，用于操作和保护电动机，额 定电流一般为 663 安。 4.漏电保护断路器。主要用于防止漏电，保护人身安全，额定电流多在 63 安以下。 三、按性能，低压断路器可分为普通式和限流式两种。 限流式断路器一般具有特殊结构的触头系统，当短路电流通过时，触头在 电动力作用下分开而提前呈现电弧，利用电弧电阻来快速限制短路电流的增长。 限流式断路器比普通断路器有较大的开断能力，并能快速限制短路电流对被保 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 22 护线路的电动力和热效应的作用。低压断路器有较强的分断和接通短路电流的 能力，额定电流为 100 安的塑料外壳式断路器，短路通断能力约为 12 千安，而 限流式断路器则可达 30 千安。12 3.6.1 主断路器 1.0.35a/220v（100w）皮带电机一个。 2.0.4a/12v 步进电机（4.8w）一个。 3.可编程控制器开关电源功耗 14.4w。 4.开关电源 100w。 5.0.55w 电磁阀 11 个。 则主断路器型号为：c65n-d10a/4p 3.6.2 可编程控制器线路断路器 1.可编程控制器的开关电源消耗功率 14.4w，电流估算为：0.6a。 2.输入、输出开关电源 100w，电流估算为：100/220=0.45a。 总电流估算为：1.05a。 可选用额定电流较大的断路器，可编程控制器断路器：c65n-d4a/2p 3.6.3 低压断路器外形尺寸 选用施耐德的 c65n 小型短路器，用在开关电源、plc 电源单元和步进电机 驱动单元前。其外形尺寸如图 3.8 所示。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 23 图 3.8 c65n 小型短路器外形尺寸图 3.73.7 步进电机驱动器的选型步进电机驱动器的选型 已选定的步进电机型号为 yk364a，所以选用与之相配套的驱动器 yka3606ma。 yka3606ma 驱动器驱动三相混合式步进电机，该驱动器采用原装进口模 块，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率 高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可调、结构简单、运行平稳、可 靠性好、噪声小。 自投放市场以来，深受用户欢迎，特别是在医疗设备、机器人、仪器仪表、 pos 机、雕刻机、票据打印机、工业标记打印机、半导体扩散炉等领域得到广 泛应用，此驱动器结构简单，性能优良，价格优惠。 3.7.1 yka3606ma 驱动器特点 1 驱动电流从 0.2a /相 5.8a /相连续可调 。 2 具有过热保护，过流、电压过低保护。 3 步进脉冲停：超过 100ms 时，线圈电流自动减半，减小了许多场合 的电机过热。 4 双极恒流斩波方式，使得相同的电机可以输出更大的速度和功率 5 光电隔离信号输入/输出 6. 设有 6 档等角度恒力矩细分，最高分辨率 60000 步/转 7. 单电源输入，电压范围：dc16-60v 3.7.2 驱动器接线示意图 三相混合式步进电机驱动器 yka3606ma 接线示意图如图 3.9 所示。 3.7.3 端子说明 1、信号输入端 pu+：脉冲信号输入正端。接+5v 供电电源+5v-+24v 均可驱动，高于 +5v 需接限流电阻 pu-：脉冲信号输入负端。下降沿有效，每当脉冲由高变低时电机走一步。 输入电阻 220，要求：低电平 0-0.5v，高电平 4-5v，脉冲宽度2.5s。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 24 dr+：电机方向控制正端。接+5v 供电电源+5v-+24v 均可驱动，高于 +5v 需接限流电阻 dr-：电机方向控制负端。用于改变电机转向。输入电阻 220，要求： 低电平 0-0.5v，高电平 4-5v，脉冲宽度2.5s。 mf+：电机释放信号正端。接+5v 供电电源+5v-+24v 均可驱动，高于 +5v 需接限流电阻 mf-：电机释放信号负端。有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动 器停；工作电机处于有效自由状态 2、电机绕组连接： u：连接电机绕组 u 相。 v：连接电机绕组 v 相。 w：连接电机绕组 w 相。 3、工作电压的连接： +v：连接直流电源正(dc16v-60v)。 -v：连接直流电源负。 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 25 图 3.9 三相混合式步进电机驱动器 yka3606ma 接线示意图 3.7.4 细分数设定 细分数是用驱动板上的 dip 开关设定的，只须根据细分设定表上的提示设 定即可。细分后步进电机步距角按下列方法计算。步距角=360/（脉冲数/转） 。 例如：一台 1.8/8=0.225。细分设定表如表 3-7 所示。 表 3-7 细分设定表 河北工业大学 2010 届本科毕业设计说明书 26 3.83.8 真空压力开关选型真空压力开关选型 由于在机械结构中吸盘选用的是 smc zp04un，因此压力开关选用与其配套的 zse2 系列。其性能规