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致 謝
本次設(shè)計是我大學(xué)四年的最后一個設(shè)計，也是最難完成的一個設(shè)計。一開始拿到設(shè)計題目的時候，感覺憑著自己已經(jīng)學(xué)過的知識應(yīng)該能毫無疑問的完成整個設(shè)計?？墒牵S著資料的查閱與對機構(gòu)的更進一步的了解，才發(fā)現(xiàn)自己想的真是太簡單了。機構(gòu)的選擇，電路的設(shè)計，系統(tǒng)的設(shè)計等等，每推進一步，都會遇到大大小小的問題。在這里，我要感謝我的指導(dǎo)老師王艷穎老師。每當(dāng)我遇到想不通的問題，去找王老師時，她都會耐心細致的幫我解答，哪怕是最簡單的一個問題，老師也會仔細的給我講解清楚，讓我徹底明白自己的問題到底出在哪兒。能完成這次設(shè)計，老師給了我很大的幫助。
通過這次設(shè)計，我明白了自己在機械學(xué)習(xí)的方面還有很多的不足。一些課程可能做了單獨的簡單的學(xué)習(xí)，只會做單獨的部分的應(yīng)用，不能把很好的把所學(xué)過的課程綜合應(yīng)用起來。自己的自主學(xué)習(xí)的能力仍需要加強，因為到了社會上，就可能不在會有老師這樣能不計回報的給我?guī)椭?，一些自己沒接觸過的東西需要多方面， 多角度的進行了解和學(xué)習(xí)?？紤]問題時，需要從整體的方面進行考慮，而不能只是僅僅考慮某一個方向，不能片面的考慮問題。
四年的時間過的非常快，我真的要結(jié)束自己的大學(xué)生活了。最后，感謝一直為我付出的父母，也感謝四年來給我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)。
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Available online at www.sciencedirect.com
Procedia Engineering 15 (2011) 1234 – 1238
Advanced in Control Engineeringand Information Science
The Study of Soft PLC Running System
Quan Liang*a, Li Lia
aSchool of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China
Abstract
PC-based automatic control system is low cost, open good, easy to use, etc., so it becomes a new direction in the automation technology. The formulation of international standards EIC61131-3 not only normalizes the field of industrial control programming language, but also provides the conditions for the development of PLC technology. This paper introduces the theory of soft PLC, discusses the PLC software models and implementations based on the EIC61131-3 standard, detailed describes the principle and implementation of soft PLC operating system programs, designs soft PLC running system software based on industrial PC, constructs soft logic control system based on industrial PC. Finally, the real-time performance and reliability of the soft PLC were verified. The results show that the system is reliable and control effect is good.
? 2011 Published by Elsevier Ltd. Open access under CC BY-NC-ND license.
Selection and/or peer-review under responsibility of [CEIS 2011]
Keywords: soft PLC; running system; virtual machine; instruction system; IEC61131-3
1. Introduction
Soft PLC technology is a new type of control technology based on PC, compared with the traditional PLC, which has an open architecture, powerful network communications capability and increased data processing capability, can meet the requirements of modern industrial automation, is a hot spot in the field of industrial automation at present[1,2].
The so called soft PLC, is to use a PC as the hardware support platform, use software to achieve the basic function of traditional PLC. PLC control functions are encapsulated in the software, running on the PC environment..
This control system provides a PLC control system of the same features, but with the advantages of the PC’s. According to the traditional structure of PLC, The achievement of soft PLC is divided into two parts, the development system and running system. Soft PLC running system is the core of the soft PLC,
* Corresponding author. Tel.:+8618940287990 E-mail address: liangquan6@126.com
1877-7058 ? 2011 Published by Elsevier Ltd. Open access under CC BY-NC-ND license.
doi:10.1016/j.proeng.2011.08.228
Quan Liang and Li Li / Procedia Engineering 15 (2011) 1234 – 1238
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executes the program and processes the input and output.
This paper describes the characteristics of the traditional PLC and developing trends, and describes the architecture of the soft PLC, the software model. Further, according to international standard IEC61131-3 and with reference to Siemens S7-200 instruction set, the instruction set of soft PLC running system is designed. Then, the architecture of soft PLC running system is introduced, the whole operating system was tested. The test functions show that the function of the system reached the expected requirement and running well.
2. Several realization scheme of soft PLC
At present, there are three kinds of scheme for soft PLC control system[3-6]. One is the traditional PLC control system. This scheme makes the PLC hardware as the hardware platform, and customizes PLC running system for its hardware, then solidify it in the PLC. The disadvantage of this control program is that the running system is customized for certain PLC manufacture, system maintenance and upgrades are difficult, and not open. The second control scheme is based on embedded controller. Embedded controller is a super-small computer system, its software platform is the embedded operating system. This control scheme is more suitable in a small real-time controller. The last one is a control scheme based on industrial PC(IPC). In this control scheme, the system’s software platform can be used WindowsNT and other real-time operating systems[7-9], the hardware interfaces using a common I/O card or I/O terminal board(or filed bus cards, and remote I/O module)[10]. Soft PLC which based on industrial PC control system can take full advantage of PC-rich software and hardware resources, easy to build bus control system and network control systems. This article will study the soft PLC which based on industrial PC operating system.
3. Soft PLC realization method based on IEC61131-3 standard
IEC61131-3 standard is the first international standard which provides standardized programming language for the software design of the industrial automation and control system. IEC61131-3 standard is based on the working of IEC work group which absorbs and references worldwide manufacturers of the PLC programming language and forming a new international programming languages. The software model which based on IEC61131-3 standard is shown below.
task
task
configuration
function block
function block
resources task
resources task
programm
programm
programm
programm
function block
function block
access path
Fig. 2. Software module based on IEC61131-3 standard
The collocation of the PLC software model and different hardware, many kinds of actual control system can be build. In the design of application software, the programming design which based on IEC61131-3 standard follows the principles of software modular, which divides a complex project into several independent modules, every module divides commonly used procedures into several functional units, which is program, functional block and function, encapsulates these unites and constructs the base of programming.
4. Realization of Soft PLC System Virtual Machine
Soft PLC running system is the core of the whole soft PLC system, which takes charge of the administration of whole system, interprets the program, and exchange data with programming system. The construction of soft PLC running system is divided into three parts, which is: communication module, running core module and I/O driver module. The scheme figure of the whole construction is shown figure 3.
The core of the running system is soft PLC running virtual machine, which interprets, organizes and executes the application programming. This paper mainly introduces the realization of soft PLC running system virtual machine.
4.1. Operating principle and construction of virtual machine
The essence of virtual machine is similar to the hardware of computer’s CPU, the kernel function is repeatedly getting value, interpreting codes and executing process, only for soft PLC, these functions are finished by software[11]. The realization of these functions is divided into two ways: one is based on register, the advantage of this method is fast instructions executing velocity, transparent process and easy to debug; the other is based on stack, which is suitable sustain small program, occupy few internal memory, and quickly call functions. Because the shortcut of the stack in calling functions, this scheme is adopted by this paper as designing virtual machine.
The function module of virtual machine includes: instruction reading sub module, instruction analyzing sub module, logic instruction sub module, function operating instruction sub module, etc.
4.2. Formulation of target code
target code
relate to operating system
virtual machine
relate to operating system
operating system
hardware
Fig.4. The relation among target code, virtual machine and operating system
Target code is the code which running in virtual machine. In the soft PLC which studied in this paper, target is a kind of binary code, which is compiled in soft PLC developing systems, and finishing control function by executing in soft PLC running virtual machine system. The relation of target code, virtual machine and operating system are shown in figure3.
Combining IEC61131-3 standard, one PLC project’s structure levels can be divided into: configuration, resources, task and runtime program, etc. In the Soft PLC which realized in this paper, one
configuration correspond one plc system, every configuration can has several resources, the concept of task is described in resources. The whole system is as multithreading program, and executing several control task at the same time.
The format of target code is: the file which produced in developing system is a kind of form file, which can describe various kinds configurations in system, compiler can also produce control algorithm which running a virtual machine.
4.3. Instruction system of virtual machine
The virtual instruction which developed in this paper includes 19 fundamental instructions, 4 function instructions and 3 program control instruction. The fundamental instruction includes:LD, AND, OR, OUT, LDN, ANDN, ORN, LDI, ORI, ANDI, OUTI, LDNI, ORNI, NOT, SET, CLEAR, ALD, OLD;
function instruction includes: TON, TONR, TOF, COUNT; control instruction includes: SUBCALL, RETURN, END.
4.4. The software design of virtual machine
Virtual machine is a kind of imagination computer, which realized in actual processor through software technology. The main function of virtual machine is due to its feature which can run describing language of certain rule. One important character of virtual machine is that it adds a hardware abstract level between computer hardware and software, when transplant virtual machine into other operating system platform, the application programs of it are not need to change.
According the design idea of software assembly, the whole PLC system can be divided into several modules which have several independent function software module, the normative interface is defined among modules, the compose of each software module is shown in below figure.
developing system
IEC61131-3 editor and debuger
read variable
level of interface communicatinod
intermediate code
interface communication level
virtual machine
IEC61131-3 editor and compiler
target code running system
COM/DCOM interface
OPC server
I/O communication interface
standard OPC interface
I/O sub system
I/O sub system
Fig. 5. Block diagram of soft PLC software module
Common PC is selected as the hardware platform of whole control system, software platform is
WindowsXP+RTX8.0, universal I/O cards are adopted as input-output module, other cards can also be adopted for processing analog or digital signal, the card which used in this system is PCI-1710 card which manufactured by Advantech.
The following briefly describe the main function of the virtual machine. The first is the VM_Init() function which is used to initialize system, its main function is used to initialize the register of virtual machine, construct artificial address space, read intermediate codes into this artificial address space, and set initial value for stack pointer, program pointer, empty timer and counter, etc. The second is function VM_Check() which is used to verify target code, its main function is used to verify the correctness of target code which is read into memory. The last is VM_Main() which is the main function of VM_Main(), its function is used to execute the target code. Virtual machine executes instruction from the first instruction of intermediate code file form, until handle the End instruction, then, virtual machine finishes a program executing phase of one scanning circulate.
5. Testing of soft PLC running system
For roundly and objectively evaluating the performance of soft PLC, you need to fully test the whole running system. The test of virtual machine is the main test, which includes the real-time, veracity and reliability of virtual machine.
To verify the real-time of virtual machine, we tested 2000 logic instruction using oscilloscope and the time function which provided by system, according the flicker time of indicator light and electrical level changing of oscilloscope to test the executing time of this program[12]. After testing, the time which is used to executed 2000 logic instruction is 500 microsecond, while common PLC’s scan time is scores of millisecond. So virtual machine achieve the design goal in real-time. To verify the reliability of virtual machine, we run this system in long time, the system working reliably, and can reach the reliability requirement of industrial sites.
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桌面式自動鎖螺絲機設(shè)計
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摘 要
螺紋連接是日常生活中常見的鏈接緊固方式，螺絲裝配占全部裝配量的1/3，因此提高螺絲的裝配效率在如今人力匱乏、要求高效率的社會背景下具有重要的意義。桌面式自動鎖螺絲機是能完成螺絲自動鎖付的機械，能大大的節(jié)約裝配時間，提高裝配效率。目前，桌面式自動鎖螺絲機正朝著高速度、高效率、低摩擦的方向發(fā)展，以適應(yīng)不斷提高的市場需求。在桌面式自動鎖螺絲機的設(shè)計、制造以及應(yīng)用方面,我國與國外先進水平相比仍有較大差距,國內(nèi)在設(shè)計制造自動鎖螺絲機的過程中存在著很多不足。
本文是關(guān)于桌面式自動鎖螺絲機的設(shè)計，首先對桌面式自動鎖螺絲機進行了簡單的概述；接著對機器的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，包括擰緊力矩的計算，電動螺絲刀的選型，橫向移動機構(gòu)的設(shè)計等；然后進行了液壓系統(tǒng)及液壓缸的設(shè)計，對需要的零件進行了選型；最后用PLC對液壓系統(tǒng)進行編程的設(shè)計，并用宇龍機電仿真軟件進行了運動的模擬。
本文對桌面式自動鎖螺絲機進行了設(shè)計，完成了整體的機械結(jié)構(gòu)及液壓部分的設(shè)計，并繪制了對應(yīng)的原理圖及結(jié)構(gòu)圖紙。
關(guān)鍵詞:自動鎖螺絲機;結(jié)構(gòu)；液壓
Abstract
Thread connection is a common link fastening method in daily life. Screw assembly accounts for 1/3 of all assembly. Therefore, it is of great significance to improve the assembly efficiency of screws in the social background of lack of manpower and high efficiency. The desktop automatic lock screw machine is a machine that can complete the automatic locking of screws, which can greatly save assembly time and improve assembly efficiency. At present, the desktop automatic locking screw machine is developing towards high speed, high efficiency and friction to meet the increasing market demand. In the design, manufacture and application of the desktop automatic locking screw machine, there is still a big gap compared with the advanced level in our country. There are many shortcomings in the process of designing and making automatic lock screw machine in China.
This paper is about the design of a desktop automatic lock screwdriver. First, a brief overview of the desktop automatic lock screwdriver is made, and then the overall structure of the machine is designed, including the calculation of tightening torque, the selection of the electric screwdriver, the design of the lateral moving mechanism, and so on. Then the hydraulic and hydraulic cylinders are set up. Finally, the design of the hydraulic system is programmed by PLC, and the motion simulation is carried out with Yulong electromechanical simulation software.
This paper has designed a desktop automatic locking screw machine, completed the design of the mechanical structure and hydraulic parts of the whole, and drew the corresponding schematic and structural drawings.
Keywords: Automatic locking screw machine; structure; hydraulic pressure
目 錄
1. 緒論 1
1.1課題來源及研究目的和意義 1
1.2桌面式自動鎖螺絲機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1
1.3論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 2
2. 桌面式自動鎖螺絲機總體設(shè)計 3
2.1總體設(shè)計 3
2.2工作原理 4
3. 桌面式自動鎖螺絲機結(jié)構(gòu)設(shè)計 6
3.1擰緊力矩的計算與電批選型 6
3.2導(dǎo)軌的選型 10
3.3橫向運動機構(gòu)的設(shè)計 11
4. 液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算 14
4.1液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計 14
4.2液壓缸設(shè)計計算 15
4.3液壓泵及電動機的選型 17
5. 機電系統(tǒng)及PLC的設(shè)計 18
5.1PLC控制系統(tǒng)的簡介 18
5.2液壓控制電路的設(shè)計 18
5.3液壓部分PLC設(shè)計 19
5.4宇龍液壓控制系統(tǒng)仿真 21
結(jié)論 24
參考文獻 25
致謝 26
附錄Ⅰ 27
附錄Ⅱ 31
壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985桌面式自動鎖螺絲機設(shè)計
1. 緒 論
1.1課題來源及研究目的和意義
工業(yè)的快速發(fā)展帶來了一場新的革命，繼西方資本主義國家生產(chǎn)研發(fā)出第一款桌面式自動鎖螺絲機之后，德國的施耐辭公司也看到了桌面式自動鎖螺絲機的利潤與市場所在，投入了相當(dāng)大的人力和精力來開發(fā)研制自動桌面式鎖螺絲機，并且于二十世紀(jì)中期投入到了世界各國的市場中。當(dāng)前，全世界各大桌面式自動鎖螺絲機的生產(chǎn)廠商為了提高產(chǎn)品的競爭力，都大力進行桌面式自動鎖螺絲機的設(shè)計研發(fā)工作。現(xiàn)在國外著名的工業(yè)生產(chǎn)品牌中，都有桌面式自動鎖螺絲機的生產(chǎn)與銷售，桌面式自動鎖螺絲機的應(yīng)用越來越廣泛。有一點值得注意的是，桌面式自動鎖螺絲機的市場，由最初的日本，歐洲，已經(jīng)逐步滲透到北美市場及亞洲大部分需要完成螺絲鎖付的場合中。因此當(dāng)今生產(chǎn)加工桌面式自動鎖螺絲機的企業(yè)比配的設(shè)備也越來越占據(jù)著主流趨勢。西方資本主義國家有巨大的桌面式自動鎖螺絲機銷售市場，因此桌面式自動鎖螺絲機生產(chǎn)工業(yè)也是西方資本主義國家的機械工業(yè)之一。
自動鎖螺絲機也叫自動送鎖螺絲機、自動擰螺絲機、自動螺絲機、自動打螺絲機、自動螺絲緊固系統(tǒng)等。自動鎖螺絲機根據(jù)不同的工作方式：分為手持式和桌面式的結(jié)構(gòu)，是由系統(tǒng)完成螺絲的送料，氣動或電動螺絲刀完成螺絲的擰緊到位，應(yīng)用廣泛，具有以下應(yīng)用特點: 1.高效批量2. 高可靠性及穩(wěn)定性；3. 智能化，連續(xù)送料,定扭矩,可選擇提供記數(shù)功能,防漏打功能.螺絲滑牙及浮鎖檢測。
桌面式自動鎖螺絲機自從上世紀(jì)九十年代開始就陸續(xù)地被應(yīng)用在機械方面，但傳統(tǒng)的桌面式自動鎖螺絲機由于傳動精度不高，速度緩慢，有好多工廠仍然采用人工鎖緊的方式，這種人工鎖緊的方式勞動效率低下，所以此次設(shè)計的桌面式自動鎖螺絲機，在傳統(tǒng)的桌面式自動鎖螺絲機的基礎(chǔ)上進行改進創(chuàng)新，應(yīng)用合理的結(jié)構(gòu)以及動力機構(gòu)，來完成螺絲鎖付的任務(wù)。
1.2桌面式自動鎖螺絲機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
國外的桌面式自動鎖螺絲機技術(shù)始于六十年代，到七十年代逐漸發(fā)展成熟，八十年代中期，大部分桌面式自動鎖螺絲機都可以實現(xiàn)螺絲的自動鎖緊工作。泰國金衫公司生產(chǎn)的臥式桌面式自動鎖螺絲機，鎖緊力矩可調(diào)。八十年代中后期的一、兩年，桌面式自動鎖螺絲機的研發(fā)技術(shù)發(fā)展到了鼎盛時期，從而誕生了世界上一些著名的桌面式自動鎖螺絲機生產(chǎn)廠家。1987年，日本最大的桌面式自動鎖螺絲機加工公司把桌面式自動鎖螺絲機投放市場，獲得成功。美洲的一些公司也將新開發(fā)的桌面式自動鎖螺絲機投入亞洲市場并取得了巨大的成功。桌面式自動鎖螺絲機自1795年被發(fā)明以來，經(jīng)過兩個世紀(jì)的發(fā)展，已被世界各國的桌面式自動鎖螺絲機加工行業(yè)廣泛采用。特別是第三次工業(yè)革命帶來了新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，使桌面式自動鎖螺絲機的發(fā)展步入了一個新紀(jì)元。隨著時代的發(fā)展，桌面式自動鎖螺絲機在國內(nèi)外將會得到越來越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。下圖即為如今國內(nèi)外常見的桌面式自動鎖螺絲機的圖片：
圖1-1 桌面式自動鎖螺絲機產(chǎn)品圖
1.3論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排
本文主要對桌面式自動鎖螺絲做了整體的設(shè)計。首先是對桌面式自動鎖螺絲機的背景及發(fā)展的介紹；其次，是對整體的結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括總體方案的設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，液壓系統(tǒng)的設(shè)計及PLC部分的設(shè)計。
論文的章節(jié)安排是：第1章是緒論，介紹了課題的來源及桌面式自動鎖螺絲機的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。第2章為總體方案的設(shè)計，包含總體方案的選擇及工作原理的敘述。第3章為機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括螺紋的基礎(chǔ)知識介紹，擰緊力矩的計算，電動起子的選擇，導(dǎo)軌的選擇，橫運動機構(gòu)的設(shè)計。第4章為液壓系統(tǒng)的設(shè)計，包含液壓原理圖的設(shè)計，液壓缸的設(shè)計計算及相應(yīng)的元件的選型。第5章為機電系統(tǒng)及PLC的設(shè)計，包括PLC系統(tǒng)的簡要說明，液壓程序的設(shè)計說明及宇龍機電仿真運行情況的說明。最后是整體的總結(jié)。
2.桌面式自動鎖螺絲機總體設(shè)計
2．1總體設(shè)計
桌面式自動鎖螺絲機有多種構(gòu)造，按結(jié)構(gòu)分可分為轉(zhuǎn)盤式，多軸式，龍門框架式等，按電動螺絲刀的工作方式可范圍吸附式和吹送式。本次設(shè)計的桌面式自動鎖螺絲機采用了龍門式的的結(jié)構(gòu)，主要采用了機電液相結(jié)合的技術(shù)來進行設(shè)計。桌面式自動鎖螺絲機如果要完成自動鎖螺絲的任務(wù)，首先需要將固定在Z軸方向的電批即電動螺絲刀移動到規(guī)定位置。當(dāng)電批移動到指定位置后，便可以通過電動螺絲刀的旋轉(zhuǎn)完成螺絲鎖付的任務(wù)。
總體的設(shè)計包含如下的幾個方面：桌面式自動鎖螺絲機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，液壓體系的設(shè)計及機電系統(tǒng)的設(shè)計。
工件放在Y軸上，通過Y軸及橫向運動機構(gòu)的運動，使得電動起子移動到要鎖付的螺絲孔的上方，通過Z軸的液壓缸的移動，使得電批下移。電批移動完成后，通過其旋轉(zhuǎn)完成螺絲鎖付的任務(wù)。Y軸和橫向運動機構(gòu)只需要執(zhí)行簡單的移動傳輸任務(wù)，可以通過絲杠傳動，同步帶傳動等方式完成。根據(jù)市場的情況，暫時選用同步帶輪的運動完成移動任務(wù)。
z軸的移動可以通過氣壓控制，液壓控制或同步帶輪的方式實現(xiàn)。若用氣壓傳動，則可以使用氣缸供能，通過蓄力彈簧的配合可以實現(xiàn)z軸的上下移動。若利用同步帶輪傳動機構(gòu)，則需要配用電機帶動同步帶輪，并配合使用相應(yīng)的導(dǎo)軌部件，也可以實現(xiàn)z軸的移動。當(dāng)采用液壓系統(tǒng)控制Z軸的移動時，可以通過液壓缸控制滑臺的移動，通過導(dǎo)軌與滑塊的配合，可以進一步實現(xiàn)Z軸部件的上下移動。
參照實際的工業(yè)生產(chǎn)情況及四年的課程學(xué)習(xí)情況，現(xiàn)決定采用液壓控制來完成z軸的移動。根據(jù)要求，液壓控制部分需要完成快速前進，慢速前進，回退的任務(wù)，故選用雙作用單活塞桿的液壓缸。若要進行液壓驅(qū)動，就需要相應(yīng)的液壓缸，液壓泵等部件。在本次設(shè)計中，按照給定的不同運動速率對液壓缸的直徑及活塞桿的直徑進行了設(shè)計計算。確定了液壓缸之后，還需要對液壓泵及電機進行選型。其他元件按需求進行選用。液壓滑臺的動作圖如圖2-1所示。
圖2-1液壓滑臺的工作圖
機電系統(tǒng)的控制可以由多種方法實現(xiàn)，如傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制，現(xiàn)代化的PLC控制等。由于傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制具有使用元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，維護費用高等現(xiàn)實問題，越來越滿足不了現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)。同時，考慮到PLC控制的迅速發(fā)展及便捷化，所以確定本次設(shè)計中的機電系統(tǒng)的控制采取PLC的控制。
圖2-2PLC程序設(shè)計流程圖
若要在機電系統(tǒng)的設(shè)計部分完成對液壓系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，首先需要對PLC控制系統(tǒng)做一個整體的了解，只有了解了其整體的工作原理及流程，才能更好的進行應(yīng)用。然后，根據(jù)運動情況大致判斷出輸入輸出的端口數(shù)；再憑借端口的數(shù)量對PLC的型號進行初步的選擇。當(dāng)PLC型號選定后，需要定好確定的輸入輸出的端口圖，并繪制端口對應(yīng)表和接線圖，設(shè)計對應(yīng)的電路元器件的連線圖，依照要求進行PLC梯形圖的編制。運用宇龍機電仿真系統(tǒng)，按照電路元器件連線圖進行電路連接，并輸入對應(yīng)的梯形圖程序段，完成機電系統(tǒng)的控制。PLC系統(tǒng)設(shè)計的流程圖如圖2-2所示：
2.2工作原理
本次設(shè)計的桌面式自動鎖螺絲機的工作原理為：將工件安放在Y軸上，通電動機帶動過Y軸和橫向運動機構(gòu)的同步輪運動，同步輪轉(zhuǎn)動會使得同步帶進行移動?；瑝K通過壓緊塊與同步帶相固定，同步帶移動，滑塊就會隨之移動，這樣，通過y軸和橫向運動機構(gòu)的運動，就會得使電動螺絲刀位于待鎖付位置的上方。完成鎖螺絲任務(wù)的電批安裝在Z軸方向的液壓滑臺上，在啟動液壓滑臺的工作電源后，首先Z軸運動部件會快速前進；當(dāng)較為接近鎖付工件時，就需要改為慢速前進，以免定位不準(zhǔn)，破壞工件；當(dāng)?shù)竭_要求鎖付螺絲的位置時，滑臺就停止移動。電動螺絲刀此時已將到位，啟動電動螺絲刀的電源，電動起子開始工作，完成預(yù)定的螺絲鎖付的任務(wù)。螺絲鎖付完成后，電批停止工作。電動螺絲刀的工作完成后，就可以切斷其電源。這時需要Z軸的運動部件返回到原位，為再一次的工作做好準(zhǔn)備。只要按下滑臺回退開關(guān)，液壓滑臺就會在液壓缸的作用下回退到原始的位置，這樣就全部完成了本次的鎖螺絲的任務(wù)，各部件也回到了原位，以方便進行下一次的工作。
桌面式自動鎖螺絲機的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示：
圖2-3桌面式自動鎖螺絲機整體結(jié)構(gòu)圖
3. 桌面式自動鎖螺絲機結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1螺絲擰緊力矩計算及電批選型
3.1．1螺紋正確旋合的條件及要求
螺紋連接是我們生活中常用的緊固連接方式，具有結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，價格便宜等多種優(yōu)點。但是，要想螺絲緊固件可以正確地擰緊在一起，它們?nèi)匀恍枰獫M足某些條件。
要想使內(nèi)外螺紋能夠準(zhǔn)確的旋合，必需滿足下列的條件：內(nèi)外螺紋的線數(shù)、旋向、螺距、導(dǎo)程、大徑和牙型均相同。
螺紋連接也需要滿足一定的技術(shù)要求：
（1） 對螺紋緊固件進行固定時，嚴(yán)禁打擊緊固件或使用不合適的旋具和扳手?jǐn)Q緊；完成螺紋的緊固工作后，要保持螺釘槽、螺母和螺釘、螺栓頭部等螺紋緊固件不被毀壞或損傷，即要保證其本身及與之配合的機械結(jié)構(gòu)均不被破壞。
（2） 對于沒有預(yù)緊力要求的螺紋連接，可以使用合適的扳手?jǐn)Q緊螺絲，操作者的經(jīng)驗和感覺可以用來確定預(yù)緊力是否被正確的施加。而對于有規(guī)定擰緊力矩要求的螺紋緊固，應(yīng)采取合適的力矩扳手進行緊固。
3.1.2參數(shù)設(shè)定
根據(jù)所給定的要求可知要鎖付的螺絲為公稱直徑為2mm——4mm的螺絲即為M2.0——M4.0的螺絲。鑒于螺絲有3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10幾個不同的等級，為了后續(xù)設(shè)計的統(tǒng)一性及計算的便利性，決定只采用一種等級的螺絲，現(xiàn)選取為4.6級的螺絲，即本次設(shè)計的桌面式自動鎖螺絲機只針對等級為4.6級的公稱直徑為M2.0——M4.0的螺絲。
3.1.3鎖緊螺絲的扭矩計算
要完成規(guī)定的螺絲鎖付任務(wù)，就需要對電動起子進行選型。電動螺絲刀的選型主要是對其扭力值得選取及通用螺絲直徑的選擇。螺絲的直徑已經(jīng)選定，還需要對擰緊力矩的大小進行計算。
擰緊螺絲的力矩由三個部分所組成，第一部分由升角產(chǎn)生，用來產(chǎn)生預(yù)緊力使螺栓桿伸長；第二部分為螺紋副摩擦，約占40%；第三部分則為支持面摩擦，約占50%。由此數(shù)據(jù)可知，在擰緊力矩中螺紋副摩擦和支持面摩擦約占整體力矩的90%。螺紋連接的擰緊力矩的一般用以下的公式進行計算：
， （3-1）
式中：M--------擰緊力矩（N·M）；
K--------阻力系數(shù)；
D--------螺紋的公稱直徑（MM）；
F--------預(yù)緊力（N）。
對于阻力系數(shù)的 ，行業(yè)中已有成型的體系規(guī)范。參閱《機械加工工藝員設(shè)計手冊》——一般螺栓擰緊力矩，可以得出表3-1阻力系數(shù)參考表：
表3-1阻力系數(shù)參考表
K值參考表
摩擦表面情況
K值
有潤滑
無潤滑
精加工表面
0.10
0.12
一般加工表面
0.13-0.15
0.18-0.21
表面氧化
0.20
0.24
鍍鋅
0.18
0.22
干燥的粗加工表面
0.26-0.30
K值可依據(jù)加工情況的不同從上表中選出。
通常來說，預(yù)緊力F一般取破壞載荷的60%~80%，而破壞載荷為屈服極限與有效面積的乘積。對于不同的制造材料，有不同的對應(yīng)要求。預(yù)緊力計算公式如下：
碳素鋼： ， （3-2）
合金鋼： ， （3-3）
式中：----------螺栓材料的屈服極限,Mpa；
----------螺栓危險截面的面積，2。 （3-4）
現(xiàn)采用公共的數(shù)值，即。 （3-5）
查閱資料可知，對于等級為4.6級的螺絲來說，其材料的公稱抗拉強度可達到400MPa級，屈強比值取為0.6，則公稱屈服強度可達：400×0.6=240MPa，即4.6級的螺絲屈服極限的為240MPa。對于公稱直徑為M2.0---M4.0的螺絲，其危險截面面積為 ：
， （3-6）
即為A11=3.14mm2。
， （3-7）
即A12=12.56mm2。
代入給出的預(yù)緊力計算公式可得:,
， （3-8） 。 （3-9）
根據(jù)現(xiàn)在一般的加工情況，現(xiàn)采用一般加工表面無潤滑的情況，查表3-2-1阻力系數(shù)參考表可取K值為0.2。代入公式，計算可得:
M11=0.2×2×753.6×10-3=0.30144≈0.30N·M， （3-10）
M12=0.2×4×3014.4×10-3=2.41152≈2.4N·M。 （3-11）
經(jīng)過以上的計算可知，螺絲的擰緊力矩應(yīng)在0.30 N·M—2.4N·M，這是電動螺絲刀的選擇依據(jù)。根據(jù)計算的情況，并考慮市場售賣電動螺絲刀的情況，現(xiàn)選擇奇力速公司的電批，其具體型號及規(guī)格為P1L-TKS-2500LS，扭矩為0.49-2.45N.M之間。產(chǎn)品的具體形狀如圖3-2所示，具體的技術(shù)參數(shù)表見3-2。同系列的電動螺絲刀的扭力的參照圖如圖3-3所示：
圖3-1電動螺絲刀
表 3-2電批的技術(shù)參數(shù)表
技術(shù)參數(shù)表
型號
P1L-TKS-2500LS
輸入電壓
AC220V-240V 50/60HZ
扭力
（kgf.cm）
5.00-25.00
(Lbf.in)
4.34-21.68
(N.m)
0.49-2.45
扭力精度 (%)
正負5%
扭力調(diào)整
無段式
額定電流
50W
空轉(zhuǎn)速 (r.p.m)
1000
通用螺絲直徑 (mm)
機械牙
2.6-4.0
自攻牙
2.6-3.5
重量（g）
600
長度 (mm)
267
ESD(Anti-Static)
—
UL(CUL)認證
—
CE認證
—
CCC認證
—
ROHS
—
圖 3-2電批扭力曲線圖
對于該種型號的電動螺絲刀，其整個扭力可調(diào)整的范圍為0.49-2.45N·M之間，滿足本次螺絲鎖付的力矩的要求。扭矩的精度為正負5%。可廣泛應(yīng)用于一般產(chǎn)品的螺絲裝配和鎖緊作業(yè)中，最好用于直徑小于5mm的木螺釘和鐵螺釘?shù)牟僮?。電動螺絲刀內(nèi)部有其自己的電動機，故不需要在進行另外的配備與選型，只要配備有對應(yīng)的電源就可以使電動螺絲刀工作。
3.2導(dǎo)軌的選型
因為電動螺絲刀是通過電批固定板安放在電批安裝板上，而電批安裝板則與Z軸的滑塊的安裝板固定在一起，這樣滑塊在Z軸導(dǎo)軌上移動時，就會使得電動起子完成在Z軸方向的移動，所以需要對導(dǎo)軌進行選擇。
導(dǎo)軌又可稱之為線軌，線性滑軌，能夠起到支承和引導(dǎo)運動構(gòu)件沿著一定軌跡運動的作用，一般用在做直線往復(fù)運動的場合中。按照運動件和接觸件的不同的摩擦性質(zhì)可以分成滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌：
（1）滑動導(dǎo)軌
從字面上進行理解，在此種情況下，導(dǎo)軌面和滑塊之間為滑動摩擦，即導(dǎo)軌和滑塊直接接觸，兩接觸面之間的摩擦為滑動摩擦。
其特點是：導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度高，不會出現(xiàn)間隙，能自動補償磨損。導(dǎo)軌整體結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。但是由于倆接觸面是滑動摩擦，所以其摩擦阻力會相對較大，因此相比于其他類型的導(dǎo)軌而言，其磨損較快。由于摩擦較大，在低速運行時會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。該類型的導(dǎo)軌適用于作直線運動的場合。
（2）滾動導(dǎo)軌
滾動導(dǎo)軌副中加入了滾動體和與之配合的相應(yīng)部件，可以把導(dǎo)軌與接觸面的摩擦由滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦。
其特點是：在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)臐L動體，摩擦的性質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這樣就會降低二者之間做相對運動時產(chǎn)生的摩擦阻力，從而獲得較好的傳動精度。但是由于其部件較多，結(jié)構(gòu)相對而言就會更加復(fù)雜一些，這就會使得加工比較困難，也增加了制造成本。
桌面式自動鎖螺絲機的z軸的導(dǎo)軌只需要完成導(dǎo)向的任務(wù)即可。根據(jù)導(dǎo)軌的不同特點，將Z軸暫時選定為直線滾動導(dǎo)軌系列。根據(jù)機床的設(shè)計要求，設(shè)計初步選擇：
(1)直線滾動導(dǎo)軌副;
(2)導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)為4；
(3)導(dǎo)軌的材料為不銹鋼。
初步確定為具有定位孔的標(biāo)準(zhǔn)滑塊式直線滾動導(dǎo)軌，型號為SSEBN10-95。其規(guī)格如下表所示：
表3-3導(dǎo)軌參數(shù)表1
型式
L
滑塊尺寸
Type
H
W
L1
B
C
S*L
L2
K
Cb
不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格SSEBN
10
204
20
30
15
10
M3*3
19
7.8
0.3
型式
定位孔尺寸
導(dǎo)軌尺寸
Type
N
C2
T2
W1
W2
H1
Ca
d1*d2*h
F
G(L尺寸固定型)
不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格SSEBN
10
10
2.5
9
5.5
5.5
0.3
3.5*6*3.5
20
7.5
表3-4導(dǎo)軌參數(shù)表2
導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖如下：
圖3-3導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖
對于這種導(dǎo)軌，由于它本身具有定位孔，所以可以有效縮短裝配時間，使定位的重復(fù)性更高。滾動體為滾珠，滑塊上設(shè)置有保持器（金屬絲），防止?jié)L珠下落。如果需要重新組合滑塊與導(dǎo)軌之間的匹配，則不能保證徑向游隙和精度，因此不推薦這種操作。使用時，請務(wù)必將導(dǎo)軌和滑塊的基準(zhǔn)面對齊，以保證導(dǎo)軌的精確度。不要擅自接長滑軌，這將導(dǎo)致導(dǎo)軌無法正常使用。導(dǎo)軌的輕微變形可以通過安裝和緊固來校正，不會造成使用中的問題。
3.3橫向運動機構(gòu)的設(shè)計
考慮到實際的設(shè)計情況，桌面式自動鎖螺絲機的橫向運動機構(gòu)只需要能完成左右的移動即可。根據(jù)現(xiàn)在市場上已有的自動鎖螺絲機的結(jié)構(gòu)可知，橫向的移動一般采用步進電機帶動絲杠傳動或同步帶輪傳動的結(jié)構(gòu)?？紤]到絲杠具有制作難度大，成本高，不能自鎖等特點，本次設(shè)計中擬定采用同步帶輪傳動的機構(gòu)。
橫向運動機構(gòu)的運動為：電動機運行，帶動與之相連的同步輪運動，同步輪帶動同步帶移動。故只需要將z軸模塊固定在x軸滑板上，然后用壓緊機構(gòu)將其與固同步帶固定，這樣當(dāng)同步帶移動時固定在其上的z軸機構(gòu)即可隨之完成移動。
參考已有的同步帶輪的型號及現(xiàn)有的桌面式自動鎖螺絲機的選型情況，現(xiàn)選定同步輪為米思米HTPA16S5M100同步輪。該種型號的同步帶輪節(jié)距為5mm，齒數(shù)為16，齒形為圓弧齒。相比于梯形齒而言，圓弧齒的傳動精度更高，從而使機械設(shè)備具有更高的定位精度。S5M系列的同步輪具有傳動精確、平穩(wěn)、無噪聲，工作時無滑動現(xiàn)象，具有恒定的傳動比，傳動效率高等多種優(yōu)點，故一般機械常采用此類帶輪。HTPA16S5M100同步輪配備有其自己的同步帶，故不需要另外選擇同步帶。
根據(jù)同步輪的運動要求，選定57系列步進電機作為動力源。具體型號為SST59D110X。其參數(shù)如下：
表3-5步進電機參數(shù)表
步進電機參數(shù)表
型號
步距角
電壓
電流
電阻
電感
保持轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)動慣量
引線數(shù)
重量
機身長（L）
deg
V
A/?
Ω/?
Mh/?
N.m
g.cm2
Pin
kg
mm
SST59D110X
1.8
3.3
1.4
2.35
7.5
870
145
4
0.51
42
對于HTPA16S5M100同步帶輪，其齒數(shù)為16，齒距為5mm，則其轉(zhuǎn)一圈的距離為：。 （3-12）
電機用步距角為1.8度的兩相步進電機，那么電機完整的旋轉(zhuǎn)一圈需要輸入200個脈沖。那么對于給定的電機的一個脈沖，電機軸端的同步帶輪所配的同步帶的行程為80/200=0.4mm，即步進電機每旋轉(zhuǎn)一步，z軸部件移動0.4mm。用戶可以通過控制步進電機的輸入的脈沖量，可以實現(xiàn)對x軸移動距離及移動方向的控制。
根據(jù)運動及導(dǎo)軌選用的要求要求，橫向移動裝置的導(dǎo)軌選為米思米SXRZ24系列直線滾動導(dǎo)軌。具體型號為：SXRZ24-220。其參數(shù)表如3-6所示：
表3-6導(dǎo)軌參數(shù)表
標(biāo)準(zhǔn)滑塊型
H
L
滑塊尺寸
W
L1
B
C
S*L
L2
K
T
24
650
34
56.8
26
26
M4*6
40
19
10
滑塊尺寸
導(dǎo)軌尺寸
油嘴
H1
W1
W2
沉孔
F
G
安裝孔
E
T1
d1*d2*h
?3
3
6
13
15
9.5
3.5*6*4.5
60
20
導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示：
圖3-4導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)已經(jīng)選定的電機和導(dǎo)軌等參數(shù)，進行力的校核，看所選擇的導(dǎo)軌是否滿足要求。由力的計算公式可得：,可知
。 （3-13）
代入數(shù)據(jù)得。 （3-14）
由于z軸部件的質(zhì)量較小，該值滿足本機構(gòu)的要求，故選型合適。
整體的構(gòu)件為龍門框架式的結(jié)構(gòu)，但由于整體機構(gòu)的質(zhì)量較小，所以一般的框架均能滿足要求。橫向運動機構(gòu)整體需要立柱進行支撐固定?，F(xiàn)采用GB4080鋁型材來制作立柱，這樣既可以滿足要求機構(gòu)的支撐固定的要求，又可以適當(dāng)?shù)慕档驼w機械的質(zhì)量。
4. 液壓系統(tǒng)設(shè)計計算
4.1液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計
根據(jù)給定的要求，液壓滑臺應(yīng)能夠完成快速前進，慢速前進，原位暫停，回退的工作過程。憑借此限定要求，設(shè)計出如圖4-1的液壓原理圖：
圖 4-1液壓原理圖
如上圖所示，整個液壓回路由3個液壓閥，一個雙作用單桿液壓缸，液壓泵，電動機及油箱組成。
液壓滑臺的工作流程包括快速前進，慢速前進，原位暫停和后退?；瑝K的快速前進由電磁換向閥3和4控制。緩慢的前進由閥2和4控制，并且回退時由閥4控制。當(dāng)啟動按鈕按下時，滑臺控制電機啟動，電動機給液壓泵供能，液壓泵向液壓回路供油。此時控制電路中電磁鐵YY1和YY3得電，電磁式三位四通換向閥和電磁式二位二通電磁閥打到左邊，即左位接通。壓力油通過三位四通電磁閥流入液壓缸的左腔。從液壓缸右室流出的油通過閥3和4流入左腔，形成差動快速回路，使滑塊快速前進。當(dāng)?shù)竭_快前進終點SQ2時，控制電路中電磁鐵YY3被斷開，二位二通電磁閥復(fù)位，液壓缸右室的油通過油路中的節(jié)流閥2流入油箱，速度也隨之下降?；_繼續(xù)下降并改為緩慢移動。當(dāng)?shù)竭_SQ3時，電磁鐵YY1和YY3被切斷，液壓閥均返回中間位置。此時，滑塊移動被停止。滑臺的停止時間可以通過時間繼電器來控制。在停止時間內(nèi)，電批開始工作，完成螺絲鎖付的任務(wù)。在停止時間結(jié)束后，電磁鐵YY2得到電，電磁式三位四通換向閥向右撞擊，即閥的右位置被接通，液壓泵向液壓缸的右側(cè)供給油，左腔通過閥4直接流回油箱，滑臺退回原位置。一輪加工完成，重新啟動后可以開始新一輪的加工過程。
電磁鐵的運行順序如表4-1所示，表中“+”代表電磁鐵獲取電能，“-”代表電磁鐵失去電，具體情況如下：
表4-1電磁鐵動作順序表
工作要求
電磁鐵
YY1
YY2
YY3
快速前進
+
—
+
慢速前進
+
—
—
工作停留
—
—
—
快速后退
—
+
—
4.2液壓缸的計算
由于液壓滑臺要完成快速進給，慢速進給，回退的要求，故應(yīng)選擇雙作用單活塞桿的液壓缸，用以構(gòu)成差動回路，完成設(shè)計要求。在本次設(shè)計中，由于滑臺和電動螺絲刀的質(zhì)量都較小，且桌面式自動鎖螺絲機屬于一般類機床機械，采用中低壓液壓缸即可。根據(jù)數(shù)據(jù)，對于中低壓缸，額定壓力通常在2.5MPa和63MPa之間，壓力暫時為2.5MPa。不考慮壓力損失，進油口壓力為2.5MPa,即P1=2.5MPa。
根據(jù)加工要求及市場現(xiàn)狀，現(xiàn)規(guī)定液壓缸的計算參數(shù)如下：快速前進時的速度為V3=3.6m/s,慢進速度為V1=1.3m/s,快退速度為V2=2.0m/s，進油口壓力P1=2.5MPa，出油口壓力P2=0MPa,流量為Q=25L/Min,容積效率和機械效率分別為0.98和0.97。由下列公式可計算出液壓缸的缸徑和活塞桿的直徑。
慢速進給的速度計算公式為：， （4-1）
化簡后可得公式。 （4-2）
代入數(shù)據(jù)得。 （4-3）
快速前進的計算公式為：， （4-4）
化簡后可得公式。 （4-5）
代入數(shù)據(jù)可得。 （4-6）
在計算出液壓缸的直徑和活塞桿的直徑后，需要對數(shù)據(jù)圓整。經(jīng)圓整后可得D=20mm，d=12mm.利用回退的速度V2進行初步檢驗，看是否滿足速度要求。
回退的速度計算公式為：， （4-7）
代入已知的數(shù)據(jù)計算可得:
2.03m/s， （4-8）
滿足預(yù)定要求。
液壓缸的運動如圖4-2所示：
圖 4-2液壓缸運動情況圖
根據(jù)機構(gòu)運動要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計，出于簡化工藝和降低成本的考慮，將其行程定為標(biāo)準(zhǔn)系列值，現(xiàn)選定行程為100。
根據(jù)設(shè)計出的條件，對液壓缸的推力進行校核計算，看是否滿足條件。
慢速前進時能推動的最大負載的計算公式如下：， （4-9）
代入已知的確定數(shù)據(jù)可計算得：。（4-10）
回退時能推動的最大負載的計算公式如下：
， （4-11）
代入已知的確定數(shù)據(jù)可計算得：。 （4-12）
快速前進時能推動的最大負載計算公式如下：
， （4-13）
代入已知的確定數(shù)據(jù)可計算得：。 （4-14）
結(jié)合以上的計算可知，液壓缸最小能推動的負載為27千克。由于滑臺和電批的質(zhì)量都比較小，故滿足設(shè)計要求。
4.3液壓泵及電動機的選擇
由于已經(jīng)給出了部分的參數(shù)，再根據(jù)計算的數(shù)據(jù)，可對液壓缸及電動機進行選型。根據(jù)額定壓力為2.5MPa,流量為25L/Min，可選定四海液壓機械廠的CB-B25型齒輪泵，其參數(shù)表如表4-2所示：
表4-2液壓泵選型參照表
CB-B25系列齒輪泵技術(shù)參數(shù)表
型號
額定流量
額定壓力
額定轉(zhuǎn)速
容積效率
總效率
壓力脈動
噪聲值
驅(qū)動功率
重量
CB-B25
L/min
Mpa
r/min
ηv%
ηt
Mpa
分貝
Kw
Kg
25
2.5
1450
>=94
>=81
正負0.15
67-70
1.3
4.6
根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可知應(yīng)配備電動機的功率為1.3KW，現(xiàn)采用特龍牌YD90L三相異步電動機。其額定電壓為380V，額定轉(zhuǎn)速為1420rpm，額定功率為1.3KW，可廣泛用于各種機構(gòu)中。
5. 機電系統(tǒng)及PLC的設(shè)計
應(yīng)用宇龍機電仿真軟件對桌面式自動鎖螺絲機液壓部分進行了運動的仿真模擬運行。
5.1PLC控制系統(tǒng)的簡介
PLC（Programmable logic Controller）為可編程邏輯控制器，是一種簡便的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)軟件的編程，可以用來執(zhí)行邏輯控制、定時、計數(shù)A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字控制、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等多種功能，并通過數(shù)字或模擬量的輸入和輸出，以控制各種機械或生產(chǎn)的過程。
在實際的設(shè)計過程中，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計將涉及到多個方面，最基本的設(shè)計原則可以歸納為4點：
(1)可靠性原則，用以確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性，準(zhǔn)確的完成所要完成的任務(wù)。
(2)完整性原則，要最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)要求或機械設(shè)備的控制要求。
(3)經(jīng)濟型原則，在如今經(jīng)濟化和通用化的大社會背景下，應(yīng)力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。
(4)可發(fā)展性原則，任何設(shè)計不應(yīng)只適用于單一的產(chǎn)品，應(yīng)適當(dāng)?shù)目紤]生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。
PLC控制系統(tǒng)的整體設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。所謂的硬件設(shè)計，是指完成預(yù)定運動的PLC外部設(shè)備的選擇，而軟件設(shè)計即指對應(yīng)功能的PLC應(yīng)用程序的設(shè)計。整體的設(shè)計可以分為以下6步進行。
（1）熟悉被控對象
（2)評估控制任務(wù)
(3)硬件選擇
(4)編寫應(yīng)用程序
(5)程序調(diào)試
（6)編寫技術(shù)文件
5.2液壓控制電路的設(shè)計
在該設(shè)計中，帶動電動起子完成電動起子頭的旋轉(zhuǎn)任務(wù)的電動機在電批頭的內(nèi)部，故不需要另外的設(shè)計與控制。液壓電路的電動機只需要完成泵的供能即可，即只要給三相異步電動機通電使其工作即可，因此主電路只要完成電動機的啟動任務(wù)。
滑臺需要完成快速前進、慢速前進、回退的運動過程，根據(jù)滑臺的運動情況及工作要求可設(shè)計出如圖5-1的電路原理圖：
圖5-1液壓回路電路原理圖
QF為電路開關(guān)，閉合此開關(guān)后，電機運行，給液壓泵供油。SA為工作開關(guān)，SQ1,SQ2,SQ3為三個行程開關(guān)，SB1為啟動開關(guān)，SB2為回退開關(guān)，KT為時間繼電器。閉合SA和SB1及行程開關(guān)SQ1時，繼電器線圈KA1通電，電磁鐵YY1的線圈和YY3的線圈得電，液壓滑臺快速運動。碰到行程開關(guān)SQ2后，即SQ2閉合，使得KA2的線圈得電，其常開觸點閉合，常閉觸點斷開，電磁鐵YY3的線圈失電，液壓滑臺開始慢速運動。碰到行程開關(guān)SQ3后，時間繼電器KT線圈得電，滑臺停止移動動，時間繼電器啟動，并且計時開始。計時時間到后，按下回退開關(guān)SB2，SB2閉合。KA3線圈得電，其常開觸點閉合，電磁鐵YY2的線圈得電，滑臺退回。
5.3液壓部分PLC設(shè)計
根據(jù)所述的工作情況，在輸入端包括總控制開關(guān)SA,三個行程開關(guān)SQ1,SQ2和SQ3,,前進開關(guān)SB1和后退開關(guān)SQ2。輸出端包括的部分是三個電磁鐵的線圈。即將開關(guān)的閉合情況與線圈的閉合情況分配在輸入輸出兩個部分。根據(jù)其端口數(shù)量選擇日本三菱公司的型號為FX2N-32MR的控制器作為該應(yīng)用中的PLC控制器。
PLC的I/O地址分配表如表5-1所示：
表5-1PLC的I/O地址分配表
輸入
輸出
外部設(shè)備
輸入口
作用
外部設(shè)備
輸出口
作用
SA
X0
總控制開關(guān)
YY1
Y0
電磁鐵
SB1
X1
工作開關(guān)
YY2
Y1
電磁鐵
SB2
X2
后退開關(guān)
YY3
Y2
電磁鐵
SQ1
X3
行程開關(guān)
SQ2
X4
行程開關(guān)
SQ3
X5
行程開關(guān)
PLC外部接線圖包括輸入與輸出兩部分，具體分配情況如下圖：
圖5-2PLC外部接線圖
根據(jù)I/O分配表及規(guī)定的動作要求，設(shè)計出如下的梯形圖：
程序簡要說明如下：
程序段0：當(dāng)閉合總體開關(guān)SA即X0接通時，整個系統(tǒng)開始供電。閉合前進開關(guān)SB1和行程開關(guān)SQ1即X1和X3接通時，對應(yīng)的線圈有輸出。
程序段10：完成接通開關(guān)的狀態(tài)后，保持電磁鐵YY1和YY3的工作狀態(tài)即保持在接通的狀態(tài)即Y0和Y2保持輸出。
程序段15：當(dāng)遇到行程開關(guān)S2即X4接通時，電磁鐵YY3斷電即只有Y0扔保持輸出狀態(tài)，進入滑臺慢速前進的過程。
程序段20：當(dāng)遇到行程開關(guān)SQ3即X5接通時，電磁鐵均斷電即無輸出。時間繼電器啟動，開始計時。計時時間可以自己設(shè)定。
程序段23：計時時間到后，啟動后退開關(guān)SB2即X2接通時，電磁鐵YY2通電即Y1有輸出，滑臺開始快退。
程序段30：滑臺退回原位后，電磁鐵YY1斷電即Y1停止輸出。
程序段32：整個程序結(jié)束。
5.4宇龍液壓控制系統(tǒng)仿真
宇龍仿真軟件提供了一個能夠進行仿真運行的平臺，可以進行多種仿真設(shè)計，包括電動，氣動，液動及PLC的運行仿真。
根據(jù)元件的選擇及宇龍仿真軟件可得如下的仿真圖：
圖5-3宇龍仿真軟件圖
滑臺快速運行時的仿真過程如下圖，圖中橙色部分線路代表被接通的線路：
圖5-4快進運行圖
滑臺慢速運動時的仿真過程如下圖：
圖5-5慢速運行圖
滑臺回退時的仿真過程如下圖：
圖5-6回退運動圖
結(jié)論
通過本次設(shè)計桌面式自動鎖螺絲機，從中深刻掌握到桌面式自動鎖螺絲機的設(shè)計，并對該結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算，通過AUTOCAD和SOLIDWORKS軟件進行二維圖和三維圖的繪制。
綜上所述得到以下結(jié)論：
(1)本設(shè)計適應(yīng)了自動鎖螺絲機的需求，可以完成螺絲鎖付的任務(wù)；
(2)設(shè)計中涉及的學(xué)科較多，有了綜合的應(yīng)用；
(3)充分查找資料根據(jù)計算結(jié)果和設(shè)計的需要，選用合適的零部件，并對其進行校核；精度驗算。
(4)通過對機構(gòu)的設(shè)計，對已學(xué)過的知識進行了整體的回憶及梳理。
(5)對PLC系統(tǒng)進行了設(shè)計，對現(xiàn)代化的工業(yè)發(fā)展也有了基礎(chǔ)的了解。
同時在設(shè)計的逐步深入中，也發(fā)現(xiàn)一些值得反思的問題：
(1)由于電批頭無磁性或者真空氣壓的配置，故無法完成自動取螺絲的任務(wù)，仍需要將需所附的螺絲提前放入螺絲孔中。
(2)Z軸的移動現(xiàn)在用液壓控制能夠完成任務(wù)，如果用氣缸供能用彈簧蓄力也能完成相應(yīng)的任務(wù)。
(3)步進電機的控制也可以考慮采用PLC的控制。
總之，本次設(shè)計的桌面式自動鎖螺絲機能夠完成預(yù)定的螺絲鎖付的任務(wù)，但也可以再進行適當(dāng)?shù)母倪M。
參 考 文 獻
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致 謝
本次設(shè)計是我大學(xué)四年的最后一個設(shè)計，也是最難完成的一個設(shè)計。一開始拿到設(shè)計題目的時候，感覺憑著自己已經(jīng)學(xué)過的知識應(yīng)該能毫無疑問的完成整個設(shè)計。可是，隨著資料的查閱與對機構(gòu)的更進一步的了解，才發(fā)現(xiàn)自己想的真是太簡單了。機構(gòu)的選擇，電路的設(shè)計，系統(tǒng)的設(shè)計等等，每推進一步，都會遇到大大小小的問題。在這里，我要感謝我的指導(dǎo)老師王艷穎老師。每當(dāng)我遇到想不通的問題，去找王老師時，她都會耐心細致的幫我解答，哪怕是最簡單的一個問題，老師也會仔細的給我講解清楚，讓我徹底明白自己的問題到底出在哪兒。能完成這次設(shè)計，老師給了我很大的幫助。
通過這次設(shè)計，我明白了自己在機械學(xué)習(xí)的方面還有很多的不足。一些課程可能做了單獨的簡單的學(xué)習(xí)，只會做單獨的部分的應(yīng)用，不能把很好的把所學(xué)過的課程綜合應(yīng)用起來。自己的自主學(xué)習(xí)的能力仍需要加強，因為到了社會上，就可能不在會有老師這樣能不計回報的給我?guī)椭耍恍┳约簺]接觸過的東西需要多方面，多角度的進行了解和學(xué)習(xí)?？紤]問題時，需要從整體的方面進行考慮，而不能只是僅僅考慮某一個方向，不能片面的考慮問題。
四年的時間過的非常快，我真的要結(jié)束自己的大學(xué)生活了。最后，感謝一直為我付出的父母，也感謝四年來給我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)。
附錄Ⅰ
附錄Ⅱ
軟PLC運行系統(tǒng)的研究
全亮*a 李立a
沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，沈陽110870，中國
摘要
摘 要
基于PC機的自動控制系統(tǒng)具有成本低、開放性好、使用方便等優(yōu)點，其成為自動化技術(shù)的一個新方向。國際標(biāo)準(zhǔn)EIC61131-3的制定，不僅使工業(yè)控制在編程語言領(lǐng)域發(fā)展，而且還提供了PLC技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。
本文介紹了軟PLC的理論，論述了基于EIC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的PLC的軟件模型和實現(xiàn)，詳細描述了軟PLC運行系統(tǒng)和程序的實現(xiàn)原理，設(shè)計了基于工業(yè)PC的軟PLC運行系統(tǒng)軟件，構(gòu)建了基于工業(yè)PC機的系統(tǒng)，最后對軟邏輯控制系統(tǒng)的實時性能和軟PLC的可靠性進行了驗證。結(jié)果表明，系統(tǒng)可靠，控制效果良好。
愛思唯爾有限公司出版的第2011卷 開放存取CC BY-NC-ND 許可
CEIS 2011”責(zé)任下的選擇和/或同行評審卷
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關(guān)鍵詞：軟PLC；運行系統(tǒng)；虛擬機；指令系統(tǒng)；編程 ；IEC613-311
1.介紹
軟PLC技術(shù)是一種基于PC機的新型控制技術(shù)，與傳統(tǒng)的PLC相比，具有開放的體系結(jié)構(gòu)，強大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，高級的數(shù)據(jù)處理能力，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求，是目前在工業(yè)自動化領(lǐng)域的一個熱點。
所謂軟PLC，是以PC機為硬件支撐平臺，利用軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的基本功能。將PLC控制功能封裝在軟件中，在PC機環(huán)境下運行。
該控制系統(tǒng)提供了具有相同功能的PLC控制系統(tǒng)，但具有PC機的