机电一体化论文.docx
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机电一体化论文
目录
引言……………………………………………………………………………………1
第1章切纸机方案分析………………………………………………………………2
1.1切纸机的特点…………………………………………………………………2
1.2切纸机对切纸误差的影响分析与控制………………………………………2
1.3主要技术参数…………………………………………………………………4
1.4拟定方案………………………………………………………………………4
1.4.1单片机控制方案………………………………………………………4
1.4.2工控机控制方案………………………………………………………5
1.4.3PLC控制方案……………………………………………………………5
1.5确立方案………………………………………………………………………5
第2章硬件系统设置…………………………………………………………………6
2.1处理器模块……………………………………………………………………6
2.2人机界面模块…………………………………………………………………6
2.3PLC模块………………………………………………………………………6
第3章控制系统的软件设计…………………………………………………………9
3.1流程图设计……………………………………………………………………9
3.2PLC的程序设置……………………………………………………………11
第4章安全系统设计………………………………………………………………13
4.1PES保护光栅………………………………………………………………13
4.2保养与维护…………………………………………………………………13
第5章安装与调试……………………………………………………………………14
第6章总结评论………………………………………………………………………15
致谢………………………………………………………………………………………16
参考文献…………………………………………………………………………………17
附录………………………………………………………………………………………18
引言
造纸工业是国民经济的重要支柱产业之一，近年来我国造纸工业有了很大的发展。
我国巨大的纸张需求为造纸机械提供了广阔的发展空间，但造纸机械企业的发展却很慢，难以满足国内造纸行业的需求。
国内造纸行业发展不平衡，国内造纸厂对造纸机械的选择主要依据是价格、技术、售后服务等方面。
切纸机是造纸业和印刷业中一个非常重要的机械装置，它主要是用来把已经生产好的原纸裁切成不同型号和规格的纸张，以满足不同的需要。
切纸机是传统产品，是用来处理印刷后期的纸张裁切需求。
从机械式切纸机发展到磁带控制式切纸机，又发展到微机程控、彩色显示、全图像操作引导可视化处理及计算机辅助裁切外部编程和编辑生产数据的裁切系统，使生产准备时间更短，裁切精度更高，劳动强度更低，而操作更安全。
切纸机优化的重型机架设计，精密加工，性能稳定，坚固耐用；切纸机采用新型高集成高稳定性元器件，独创电子刀位指示线，保证切纸机可靠运行；触摸式按键面板，双手联锁装置，自动复位功能，保障绝对安全。
采用高速钢刀片，锋利耐用；独特的故障自我检测功能，使您的操作更加得心应手。
第1章切纸机方案分析
程控切纸机是用于裁切各种纸张和其他类似纸张的材料。
程控切纸机在运行过程中，要求自动化程度高、裁切精度高、安全可靠。
当采用继电器、接触器组成的控制系统时，因使用元件多，触点多、触点间转换频繁，存在故障率高、可靠性低、维修量大等一系列问题。
自从采用可编程控制器（PLC）后，电气控制设备制造简单、运行可靠、维修方便、可现场修改程序、成本降低。
1.1切纸机的特点
切纸机产品的技术性能水平，主要表现在切纸机的裁切精度、精度保持性、质量稳定性、操作方便性及安全性等方面。
目前国产切纸机的技术水平与国际先进水平相比还有一定差距，主要表现为：
1.控制系统比较荣誉称号后，缺少自动检测装置。
我国刚开始使用PLC，而国外已经采用全线计算机控制，利用计算机对各执行部件进行监控和调整，同时可预置参数，实现了计算机控制下的自动调整，大大缩短了辅助时间，并保证可靠工作。
2.成套性差，国产切纸机很少有配上周边设备的。
3.外观及使用方便程度也有一定差距。
通过国产切纸生产企业近几年的努力，这些差距在迅速缩小，一些国产切纸机性能已与世界先进水平接近和平齐。
由于切纸机是一种风险度很高的产品，所以，印刷行业在选购切纸机时要注意以下几点：
1．裁切精度是否适于各种裁切要求，特别是精度的保持性和稳定性如何。
2．产品的结构是否合理、性能可靠度如何及故障率高低。
3．生产企业的售后服务如何。
1.2切纸机对切纸误差的影响分析与控制
随着印刷技术和包装装璜技术的不断发展，印刷和包装行业对印前纸张的裁切开料和印后成品的分切精度要求不断提高。
特别是包装业的商标及标签，因其分切后还要进行模切和自动贴标，所以对其裁切尺寸精度和几何形状精度要求就更高。
1.切纸机对切纸误差的影响分析
一次完整的切纸活动由送纸定位、压纸和切纸三个过程组成，因而切纸误差也是这三个过程误差的综合反映。
一、送纸定位
送纸定位过程中影响切纸精度的因素有两个，即推纸器调整误差及测长误差。
1．推纸器调整误差
如果调整不当，就会出现两种调整误差即垂直度误差和平行度误差。
垂直度误差，即推纸器前面与切刀不平行，与平板不垂直。
该误差会影响切纸的尺寸精度，造成尺寸误差，导致同一次裁切的纸上小下大或上大下小。
平行度误差，即推纸器在平板的宽度方向上与切刀不平行。
该误差的存在会影响切纸的几何形状精度，造成几何形状误差，使所切纸的相邻边垂直度超差。
2．测长误差
测长误差是指切纸机的读数装置所显示的尺寸与实际裁切尺寸不符而存在差值。
造成这一误差的主要原因是测长装置的基准没有调好，对于程控切纸机而言还有控制系统精度的原因，测长误差会影响切纸的尺寸精度。
二、压纸
压纸过程中影响切纸精度的因素主要有压力、压速和压纸器导轨间隙。
1．压力
切纸时压纸器压力的大小要根据被切纸张的材料性能确定。
如果压力调得太小，裁切时纸叠就会滑移，造成尺寸精度误差；如果压力调得过大，就会使纸叠变形，甚至压破纸叠上部的纸张，造成尺寸精度误差和形状精度误差。
2．压速
压速有两个方面的意义。
一是指压纸器从最高位（原位）下降到接触纸面的速度，即下降速度；二是指压纸器的压力从零升到调定压力的速度，即加压速度。
压纸器的下降速度不能太快也不能太慢，太快压纸器就会冲击纸叠使之变形，造成尺寸误差和几何形状误差；太慢又会影响压纸和切纸之间的动作协调及切纸效率。
通常，用户希望加压速度比较快，以便提高切纸精度和效率。
如果加压速度比较慢，就会出现纸未压紧就裁切的现象，发生纸叠滑移变形，从而造成切纸尺寸误差和几何形状误差。
3．间隙
压纸时，压纸器沿后机架与压纸器压板构成的滑道下降。
为保证其动作灵活，要求导轨与压纸器导板之间保持适当的间隙。
如果该间隙过大，就会使压纸器下降轨迹不确定或摆动，造成纸叠上部的前移或后错，从而产生裁切尺寸误差。
三、切纸
在切纸过程中，影响切纸误差的因素主要有两个，即刀片及刀床和前后机架之间的间隙。
1．刀片
刀片的形状误差和刃磨状况对切纸误差有直接影响。
刀片在长度方向上的平面度误差和直线度误差会直接拓在纸叠的切断面上，从而引起切纸的尺寸误差和形状误差。
刀片的刃磨质量也会影响切纸误差，如果刀刃磨得不锋利或刃口有缺损，会使裁切时的摩擦力增加，引起纸叠变形或裁切断面粗糙，造成尺寸误差和形状误差。
2．间隙
切纸时，刀床带动刀片沿前机架与后机架之间形成的滑道上下运动。
如果刀床与前后机架之间的间隙过大，就会造成刀床运动轨迹的不确定，造成纸张裁切的尺寸误差。
2.切纸机对切纸误差的影响控制
弄清了切纸机对切纸误差的影响原因，就可以采取相应的措施，对其进行有效的控制，以达到提高切纸精度的目的。
通常采用以下两种方法：
1．根据切纸精度要求选择合适的切纸机。
通常切纸机按其能达到的精度分为A、B、C三个精度等级，A级精度最高，C级精度最低。
2．正确调试维护，使切纸机处于正常的工作状态
1.3主要技术参数
最大裁切尺寸（长*宽*高）1150*1150*130（mm）
裁切压纸力2000——40000牛顿
可存贮裁切规格1——99种
裁切速度42次/分
裁切循环次数28次/分
送纸范围1.2米/分~8.1米/分
刀前平台长度655毫米
工作台距地面高度875毫米
主电机380V4KW1140转/分
伺服电机MSMA082A1A750W
伺服电机驱动器MSDA083A1A
风泵电机380V0.55KW2800转/分
外形尺寸长2525毫米宽2410毫米高1515毫米重量3000公斤
1.4拟定方案
根据单片机控制方案、工控机控制方案、PLC控制方案等进行筛选，选择最优方案。
1.4.1单片机控制方案
这种方案是采用单片机作为系统的控制核心单元，单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故也称为单片微控器。
其特点为：
1.集成度的限制，片内存储器容量较小；一般ROM小于4/8k由于单片机是把微型计算机主要部件都集成字节，RAM小于256字节：
但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64k字节。
2.可靠性好，片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声优于一般通用的CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
3.易扩展，内具有计算机正常运行所必须的部件。
芯片外部有许多供扩展用三总线及并行、串行输入／输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
4.控制功能强，为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的条件分支转移指令。
1.4.2工控机控制方案
这种方案是以工控机作为控制系统的控制核心，在工控机机内外加一块运动控制卡（PMAC）组成整个系统的控制单元。
其特点为：
1.可靠性高，高可靠性指标，是在系统设计时就产生的故有特性，它要求在计算机系统设计时，要充分考虑到硬件结构的合理性，器件的筛选，高水平的生产工艺和提前老化等问题；而且软件设计时，则要做到结构清楚，无错误且稳定性好，抗干扰性强。
2.可维护性，这也是工业控制计算机系统的一个比较重要的特点。
3.工业控制计算机系统一般要求容许的工作环境比较恶劣，如工业温度高、湿度大、抗冲击可震动性强等。
1.4.3PLC控制方案
可编程序控制器（PLC）是一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，它是微机技术和继电器常无偏见控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用数字控制的特殊计算机。
其特点为：
1.编程简单，PLC是面向用户的设备，因此大部分的PLC都充分考虑到现场工程人员的技能与习惯，尽可能采用简单易行的编程语言，例如用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
2.控制系统简单，通用性强。
无论是哪个公司生产的PLC，其种类都非常多，它们通过相互组合就可组成各种大小和不同要求的控制系统。
在构成可编程序控制器系统时，只需要在其I／O组件的端子上接入相应的输入输出线即可不需要大量电子器件和复杂的硬件连线线路。
3.抗干扰能力强，可编程序控制器是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采用了多层次的抗干扰措施；并精选元器件，可在恶劣的环境下工作。
4.体积小，维护方便。
PLC体积小、重量轻，非常便于安装。
一般的PLC都具有自诊功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，使操作人员检查、判断故障迅速方便。
5.缩短了设计、施工、投产调试的周期。
采用PLC控制系统由于其软件硬件配置均采用模块化、积木式结构，且都已经商品化，只需要按要求选用各种组件组装，而大量具体的程序编制工作可以在硬件到货后进行，即缩短了设计周期，还可以使设计施工同时进行。
1.5确立方案
根据3种方案的分析，本系统采用PLC控制方案。
第2章硬件系统设计
硬件系统总体结构包括处理器模块、人机界面。
2.1处理器模块
嵌入式系统硬件的核心是处理器。
本系统采用的是嵌入式数字信号处理器DSP。
DSP芯片特别适用于进行数字信号处理运算，能够快速地实现各种数字信号处理算法。
2.2人机界面模块
1.键盘
键盘是一种重要的人机交互设备，为用户提供了一种简单方便的输入手段。
（1）直接占用I/O口：
直接占用I/O口得按键设计电路简单，程序设计方便，不足之处在于占用的I/O口资源相对较多。
（2）矩阵式键盘：
行列式矩阵键盘电路的基本原理是将键盘与MCU的连线分为行线、列线两类，行列线构成一个矩阵，每个按键连接在行、列线的焦点上。
最大的优点是节约I/O口资源，但硬件电路和软件扫描算法相对复杂，适用于按键较多的场合。
本系统采用的是24个功能键，应采用4*6的矩阵式键盘电路。
2.液晶显示
目前，液晶显示技术的进步使相应设备的成本降低，越来越多的液晶显示模块被应用到了嵌入式系统中。
在切纸机控制领域，液晶显示设备取代LED数码管系那是已经是大势所趋。
2.3PLC模块
根据分析控制系统的要求，确定I/O数，选择PLC的型号，然后进行I/O分配。
根据控制要求，输入应该有3个接近传感器信号，有2个压纸器运动位置信号，压纸器有动作限位和回位限位，共计5个信号。
输出包括控制电动机运行的变频器，3个控制推纸器限位的电磁阀。
共需I/O点14个，其中8个输入，6个输出。
根据上面的I/O点数，本系统采用西门子S7-300PLC，它有8个输入点8个输出点，符合本系统要求。
根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的输入输出端子进行分配，如表1所示
表1切纸机电气控制系统PLC输入/输出端子分配表:
输入地址
输出地址
序号
地址
备注
序号
地址
备注
1
I0.0
原点信号
1
Q0.0
发生脉冲
2
I0.1
压纸器上限位
2
Q0.1
压纸器压纸
3
I0.2
压纸器下限位
3
Q0.2
压纸器回位
4
I0.3
推纸器前进信号
4
Q0.3
驱动变频器
5
I0.4
推纸器后退信号
5
Q0.4
驱动变频器
6
I0.5
裁刀下限位
6
Q0.5
4芯行程控制
7
I0.6
裁刀回位
7
Q0.6
2芯行程控制
8
I0.7
运行指示
8
特殊继电器的I/O分布
1
M0
启动
4
M4
运行指示
2
M1
停止
5
M5
停止指示
3
M2
复位
6
M6
初始状态指示
PS7-300接线图如图3-1所示：
图3-1PLC接线图
第3章控制系统的软件设计
在对切纸机的控制系统进行软件设计时，需要对速度控制系统中的一些关系和模型进行分析。
因为这些关系和模型的建立，对控制系统的程序设计起着很重要的作用。
3.1流程图设计
程控切纸机的流程图如下图5-1,5-2所示：
图4-1流程图
图4-2控制原理图
由上面我们可以看出西门子PLCS7-300可以控制机器的变频器、控制继电器和控制阀，来完善程控切纸机的软件系统，显示器采用彩色显示、全图像操作引导可视化处理及计算机辅助裁切外部编程和编辑生产数据的裁切系统，使生产准备时间更短，裁切精度更高，劳动强度更低，而操作更安全。
3.2PLC的程序设计
程序的主要核心是速度控制程序。
程序段1：
设定推纸电机的速度范围
程序段2：
设定推纸电机的转速的初始值
程序3：
设定推纸电机临时变量及第一次送纸速度，运用跳转程序，跳到程序段5
第4章安全系统设计
4.1PES保护光栅
此设备属于切纸机保护设备，直接关系到切纸机和您的人身安全，为了正确安装及使用保护设备，有效地发挥其保护功能，请务必按照此说明书的安装方式和操作方式。
PES系列红外线切纸机保护光栅具有以下特性：
1用于切纸机械及相关机械的安全检测，可靠的保护设备及人身安全。
2符合国际上通行的2类安全等级，即属于自检、故障停机、非接触式保护装置。
⑶外型采用国际流行的波拉（POLAR）切纸机的光电保护装置的外型,并采用脱卸式安装方式,可方便拆卸和安装,有便于切纸机的运输。
4采用一体化设计，直接与切纸机连接，不需另接放大器和控制器。
5采用最新微处理技术、ASIC技术及SMT表面贴装技术。
6响应速度高达15ms，可满足切纸机安全标准的规定。
PES保护光栅如图所示：
图4-1红外线光栅
4.2保养与维护
为了使保护光栅长期有效的正常工作，有效的发挥其功效，定期的维护与保养是必要的。
1.定期用干净的粹布除去有机玻璃上的灰尘与泥土（不能用稀释剂和其它有机溶剂清洗）。
2.定期检查支架的固定螺丝是否牢固，保护光栅是否处在同一水平面上。
定期对保护光栅的性能进行检查，检查方法见安装调试。
第5章安装与调试
1.检查保护光栅是否牢固的固定在切纸机上、保护光栅的安装位置是否在同一水平面上。
2.连接电缆与切纸机和保护光栅的连接是否牢固可靠。
3.给保护光栅通上电源，此时保护光栅开始自检与同步，约一秒钟后，发射器与接收器上的黄色指示灯同时开始闪烁，表示保护光栅进入正常工作状态。
4.当保护区域内没有物体挡住光线，此时保护光栅处入受光状态，接收器上的绿色指示灯（通过指示灯）应亮，红色指示灯（遮断指示灯）应熄灭，此时按下切纸机启动开关，切纸机的刀片可以向下移动，松开启动开关，切纸机的刀片可以向上移动到达安全位置。
5.使接收器遮光，即用直径为φ45㎜的测试棒（或相同直径的其它不透明体放入保护区域内任何地方，此时保护光栅应处入迹光状态，接收器上的绿色指示灯（通过指示灯）熄灭，红色指示灯（遮断指示灯）应变亮，此是按下切纸机启动开关，切纸机不能动作。
6.当保护区域内没有物体挡住光线，此时保护光栅处于受光状态，接收器上的绿色指示灯（通过指示灯）应亮，红色指示灯（遮断指示灯）应熄灭，此时按下切纸机启动开关，切纸机的刀片可以向下移动，在刀片向下移动中，用直径为φ45㎜的测试棒（或相同直径的其它不透明体）快速插入保护区域，保护光栅立即动作，保护光栅的继电器立即断开，切纸机的刀片立即停止向下移动。
第6章总结评价
切纸机控制系统的关键是速度控制，速度控制的好坏直接影响切纸机控制系统的好坏，因此，采用交流变频调速对切纸机进行速度控制。
切纸机的交流变频调速主要由可编程控制器、交流变频器、人机界面、编码器等几个部分组成。
本文主要是对切纸机交流变频调速控制系统进行电气设计，电气设计包括：
系统控制方案的筛选、控制系统的设计、安全系统的设计几个环节。
通过对这几个环节的设计和实现，总结出该电气控制系统主要由以下特点：
1.通过分析其他控制方案所中出现的问题，设计了比较完善的控制方案，使得控制系统精度大大提高。
2.系统通过变频器实现了软启动，减小了启动时的冲击电流对电机的冲击，并通过报警和故障代码显示来完善系统的保护功能。
3.触摸屏的使用使得该控制系统的操作被简化，降低了生成成本。
致谢
2012年3月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。
从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。
历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。
回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。
3月初，在与导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：
切纸机电器控制系统设计。
当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。
我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。
在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。
我在学校图书馆，图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。
然后我将收集到的资料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。
4月初，资料已经查找完毕了，我开始着手论文的写作。
在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。
在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。
4月底，论文的文字叙述已经完成。
5月开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。
为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细学习了Excel的绘图技术。
当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。
这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。
在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。
我不会忘记这难忘的几个月的时间。
毕业论文的制作给了我难忘的回忆。
在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。
这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。
在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。
在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。
参考文献：
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东华大学，2006年。
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[7]戴争荣.基于PLC控制在工业中的典型应用.科技资讯.2006年14期
[8]邢丽娟,杨世忠.触摸屏的性能及应用.今日电子.2006年07期
附录
附录1：
产品图
切纸机背面附图1-1
切纸机正面附图1-2
出口切纸机附图1-3
电机箱附图1-4
伺服驱动器附图1-5
附录2：
故障分析排除表
故障分析排除——览表
故障现象
故障原因
排除方法
光电盒完全失灵，数字始终亮起
1）光电盒内电路板上集成块损坏，或其它元件损坏。
2）平台有障碍物或光眼上有脏物
（1）检修更换集成块或其它元件。
2）取掉平台障碍物，擦掉光眼上脏物。
数显尺寸与实际尺寸误差大。
（1）1）校数片松动移位，基准校数点位置不准。
2）数显电路各插接头松动，接触不良。
3）编码器接头螺钉松动。
1）坚固较正校数片
2）检查各插接头是否松动并坚固。
隔离电网干扰，加强机器接地措施。
3）坚固螺钉。
数显有小数点，但不显示尺寸。
1）工作台下方的接近开关损坏。
2）丝杆螺母中的基准点于接近开关不工作，指示灯不亮。
1）更换接近开关。
2）调整接近开关使基准点经过时出现红灯（间
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