自动包扎机电气控制系统设计.docx

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自动包扎机电气控制系统设计

学士学位论文

系别：

机电工程系

学科专业：

机械设计者及其自动化

姓名：

2010年5月

基于PLC的自动包扎机电气控制系统设计

系别：

机电工程系

学科专业：

机械设计者及其自动化

姓名：

指导教师：

2010年5月

基于PLC的自动包扎机电气控制系统设计

设计总说明：

绝缘材料的包扎是线圈生产中重要工序之一，包扎的质量是决定电机性能的一个重要指标。

近年来国际设备市场上虽然出现一些电机定子线圈自动包扎机，但这些包扎机，结构复杂，造价很高。

国内现有的半自动包扎机,结构比较简单，受人工影响较大，包扎质量不高。

综上所述，现有的包扎机都不能满足我国市场需求，进行自动包扎机的研究十分必要。

本课题主要是设计一种结构比较简单、精度较高，通用性好的全自动鼓形线圈包扎机。

本课题完成的是基于PLC控制的自动包扎机电气控制系统的设计，主要完成控制方案的设计选择，动力系统的选型，PLC控制程序的设计，硬件设计（包括PLC型号的确定），程序的调试。

设计完全按照机械设计手册中规定的传动系统标准和设计原则来进行设计。

设计方法主要运用了比较法、顺序设计法。

比较法主要用在方案选择上，顺序设计法主要用在梯形图的编制上。

系统动力的选择利用比较法在步进电机和直流电机之间选择，由于步进电机可以精确启停，而且相对容易控制的特点，最终选择步进电机提供动力。

设计过程中综合考虑非标准件和标准件，选择标准件，设计非标准件，非标准件受标准件的限制。

在设计的过程中，由于传动元件多，要考虑传动元件的支撑与固定以及保证所有部件之间互不干涉。

最大限度使传动系统简单化，精确化。

主要观点是设计应考虑安全可靠性、经济性和可行性等综合因素,其中安全可靠性放在首位。

安全可靠性体现在一些基础参数的选择上，国内参数大部分依据经验来确定，而且按国内参数设计一般比较安全。

经济性体现在方案简单和技术成熟。

如果方案选择了PLC控制，在设计中力求元件最少。

可行性考虑技术资料和制造成本。

本设计控制系统成熟、制造成本较低，可行性较强。

方案选择了PLC控制，在设计中力求控制元件最少，结构最简，包扎精确，运行稳定可靠。

通过比较几种可选控制方案，选择最优的方案进行初步设计、计算。

如果达不到设计要求，对其余方案进行比较，然后选择最优方案再次进行初步设计，如果达到要求，则选择该模式，进行详细设计。

控制方案的选择：

在选择控制方案时由于现实硬件、软件的限制，不得不对一些要求进行简化处理，综合考虑各种因素后，确定方案为基于PLC控制的电气系统。

本主要技术资料：

国内对包扎机改造的资料以及国内外包扎机的视频资料，以及其他相关的机械设计资料。

关键词：

自动，包扎机,PLC，电气控制,系统设计

AutomaticPLCbasedelectricalcontrolsystemdesignof

DesignGeneralInformation:

Coilinsulationmaterialispackedintheimportantprocessofproduction,oneistodeterminethequalityofdressinganimportantindicatorofmotorperformance.Inrecentyears,theinternationalequipmentmarket,despiteanumberofautomaticwrappingmachinestatorcoils,butthesedressingmachine,structuralcomplexity,highcost.Existingdomesticsemi-automaticwrappingmachine,simplestructure,influencedbyman,dressingqualityisnothigh.Insummary,theexistingdressingmachinescannotsatisfythemarketdemandoftheautomaticwrappingmachineisnecessary.Themaintaskistodesignasimplestructure,highprecision,versatiledrumloopgoodautomaticwrappingmachine.

ThecompletionofthissubjectisbasedontheautomaticPLCcontroldressingthedesignofelectricalcontrolsystems,themaincontrolprogramtocompletethedesignofchoice,selectionofpowersystem,PLCcontrolprogramdesign,hardwaredesign（includingthePLCmodeltodetermine）,theprogramdebugging.Designedinfullaccordancewiththeprovisionsofthemanualmechanicaltransmissionsystemdesignstandardsanddesignprinciplestothedesign.

Designmainlyusedthecomparisonmethod,sequencedesign.Comparisonismainlyusedintheprogramselection,thesequentialdesignmethodismainlyusedinthepreparationoftheladder.System,thechoiceofusingmorepowerinbetweenthesteppingmotorandDCmotoroptions,assteppermotorcanbepreciselystartandstop,andrelativelyeasytocontrol,stepmotortopowerthefinalchoice.

Takenintoaccountduringthedesignofnon-standardpartsandstandardparts,standardpartsselection,designnon-standardparts,standardpartsofnon-standardpartsbytherestrictions.Inthedesignprocess,asmoretransmissioncomponents,transmissioncomponentstobeconsideredwiththefixedsupportandtoensurenon-interferencebetweenallthecomponents.Possibletosimplifythetransmissionsystem,accurate.

Mainpointisthedesignshouldconsidersafetyandreliability,economyandfeasibilityofsuchacombinationoffactors,includingsafetyandreliabilityfirstplace.Safetyandreliabilityisreflectedinthechoiceofsomebasicparameters,mostofthedomesticparametersdeterminedbasedonexperience,butalsobyinternalparametersofthedesignisgenerallymoresecure.Economyreflectedintheprogramsimpleandmaturetechnology.IftheprogramselectedthePLCcontrolcomponentsinthedesignsoughttoatleast.Considerthefeasibilityoftechnicalinformationandmanufacturingcosts.Thedesignofcontrolsystemsmature,lowermanufacturingcosts,feasibilitystrong.SelectthePLCcontrolprogram,seektocontrolcomponentsinthedesignatleast,thesimpleststructure,bandagingaccurate,stableandreliable.

Acomparisonofalternativecontrolscheme,choosethebestprogramforpreliminarydesign,calculation.Ifnotmeetdesignrequirements,comparedtotherestoftheprogram,andthenchoosethebestpreliminarydesignoftheprogramagain,ifmeettherequirements,selectthemodel,thedetaileddesign.

Controloptions:

optionsinthechoiceofcontrolbecausetherealityhardwareandsoftwarelimitations,somerequirementshadtobesimplified,consideringthevariousfactorstodeterminetheprogramforthePLC-basedcontrolofelectricalsystems.

Themaintechnicaldata:

Renovationofinternalinformationonthedressingandbandagingmachinevideoathomeandabroad,andotherinformationrelatedtothemechanicaldesign.

Keywords:

Automatic,wrapmachine,PLC,electricalcontrolsystemdesign

目录

第一章绪论1

1.1选题目的、价值和意义......................................1

1.2研究范围以及所要达到的技术要求............................1

1.3本课题在国内外的发展状况及存在的问题......................1

1.4本课题的指导思想..........................................2

1.5本课题应解决的主要问题....................................2

第二章基于PLC的自动包扎机电气控制系统设计、控制方案介绍.....

2.1控制方案简介、分析、选择....................................

2.2控制方案确定、介绍............................................

第三章步进电机基本原理.........................................

3.1步进电机简介................................................

3.2步进电机结构及工作原理....................................

3.3步进电机的运行控制...........................................

第四章PLC基本原理..............................................

4.1PLC介绍...................................................

4.4.1PLC（可编程控制器）特点.................................

4.2基本原理.................................................

4.3CPM2A的性能和功能........................................

4.4步进电机与PLC衔接配合.....................................

第五章编程设计（接线图、梯形图、功能表图）....................

5.1步进电机..................................................

5.3PLC选择、参数.............................................

5.4控制过程分析............................................

5.5接线、硬件、PLC与步进电机..............................

第六章实验...............................................

6.1实验条件..................................................

6.2连线图.................................................

第七章结论..................................................

参考文献......................................................

致谢.............................................................

第一章绪论

1.1选题目的、价值和意义

随着我国工业化化程度的快速提高，电动机将更加广泛的使用。

牵引电机用直流、交流电机电枢、定子线圈绝缘包扎是线圈生产中的重要工序，电机电枢、定子线圈绝缘包扎是决定电机性能的一个重要指标，故包扎机的研究和改造十分必要。

我国加入到WTO之后，国内电动机与国际电动机进行竞争愈来愈激烈，而我国的包扎机整体处于低水平，自主改进包扎机成为一种必然趋势。

本设计的价值和意义在于，现在封闭式鼓型线圈的包扎设备多为半自动，效率不高，包扎精度也主要依靠造作员，包扎机本身和包扎的线圈都缺乏市场竞争力，本设计中的包扎机特点是，传动系统结构简单，运行速度较快，PLC控制系统对电动机转速、工作台运动轨迹的控制使包扎机实现全自动包扎，用步进电机进给，可以精确的起停特点保障了线圈包扎的精度和很强的通用性，采用PLC控制线圈的包扎精度更高，能有效提高和保证包扎质量，降低企业的投入，提升包扎机的竞争力，基本能满足国内市场需求，提高国内企业的竞争力，给企业带来巨大的经济效益，因此，本设计课题有很大的现实意义，有助于提高我国国民经济和工业化水平。

1.2研究范围以及所要达到的技术要求

1、基于PLC控制的自动包扎机电气系统设计，主要工作包括：

①机械系统总体方案的分析确定；②动力方案的选择；③PLC型号的选择；④编制PLC控制步进电机的程序；⑤设计硬件系统；⑥模型加工与组装；⑦调试。

2、自动包扎机应满足以下条件：

绕包头转速：

0-300r/min（分高速与低速）注：

由于实际条件所限，此次设计转速降低。

绕包头内径：

Φ200mm

档位选择：

　迭包选择　1/2迭、1/3迭

3、包扎机能完成自动控制的U型运动，且运行过程保持恒速与迭包速度相关联。

4、绕包头拖动电机采用1台步进电机，进给系统采用2台步进电机。

5、完成自动包扎机电气控制系统的成本分析。

1.3本课题在国内外的发展状况及存在的问题

国外线圈自动包扎方法有①手工包扎，包扎头固定，手工控制线圈的进给速度，缺点是包扎精度无法保证②传统的恒速半自动包扎机，该机型的优点是效率较高、成本低，缺点是包扎精度低，通用性差。

③全自动多轴线圈包扎机，近年来国际设备市场上虽然出现一些自动包扎机，但由于多采用微机控制的多轴运动，设备造价极高，且包扎一支线圈用时过长。

该机型的优点是高精度，自动化程度高，缺点是包扎效率低，经济性差。

目前我国大量使用的包扎机有三种类型：

第一种包扎头固定，有传送带，半自动，弯曲部分由人工完成。

第二种包扎头固定，没有传送带，工人手持线圈完成包扎。

第三种包扎头转动，夹持装置夹紧线圈，完成包扎。

近年来国际设备市场上虽然出现一些电机电枢、定子线圈绝缘自动包扎机，但由于多采用微机控制的多轴运动，设备造价极高，且包扎一支线圈用时过长（例如法国阿尔斯通公司研制的一种六轴机器人，能根据线圈尺寸自动调整绕包参数，但包扎一支定子线圈用时15-20min，不能满足国内市场需求）。

国内有几家厂引进了国外几台绕包机，有的厂也进行了国产化尝试，国内包扎机的技术的改进不大，速度低、精度差、生产效率很低，在技术上也已落后，属70～80年代水平，与现在国际上的新进展有很大差距，需要采取措施发展国产新一代高速、高精度自动化程度高的包扎机，以缩小与国外的技术差距，自主开发全自动包扎机已刻不容缓。

1.4本课题的指导思想

本课题的主要指导思想是利用PLC的功能丰富来控制可以精确启停的步进电机，从而设计一款包扎效率、精度更优良，成本低的全自动包扎机，提高国内包扎机的自动化程度。

1.5本课题应解决的主要问题

利用PLC（可编程控制器）控制步进电机，设计一款全自动包扎机。

基于PLC的自动包扎机电气控制系统设计，主要工作包括：

①基于PLC控制的自动包扎机电气控制系统设计、不同控制方案的选择确定；②步进电机的选型、动力的选择；③控制步进电机PLC的选择、学习；④设计PLC控制步进电机程序，利用CX-Program软件编制程序。

设计硬件系统（PLC型号的确定）⑤四台步进电机正反转程序调试。

第二章基于PLC的自动包扎机电气控制系统设计、控制方案介绍

2.1控制方案简介、分析、选择

方案一：

采用单片机控制步进电机。

利用驱动器增大脉冲频率和电源，通过驱动器的功率放大驱动步进电机，带动步进电机进行线圈包扎作业。

方案二：

利用PLC控制步进电机，通过驱动器增大脉冲频率，带动步进电机进行线圈包扎作业。

方案三：

利用PLC产生脉冲信号直接控制步进电机，带动步进电机进行线圈包扎作业。

方案一，人机界面好，应用较为简单，成本相对较低，但是对于工作环境要求较高，限制了应用范围。

方案二，扩展性能好，但是使用驱动器增使系统更加复杂，维护难度加大，制造和使用成本都较高。

方案三，现代控制系统中,PLC作为广泛应用于工业自动化领域的控制器,它的功能越来越强,性能越来越先近，整个控制系统由PLC和步进电机组成，提高系统的可靠性，软硬件功能强，运行稳定可靠，抗干扰能力强，通用性强、采用模块化结构，而且人机界面好，成本也可以控制，有较高的推广和实用价值。

2.2控制方案确定、介绍

通过三种方案的对比分析，并综合考虑多方面实际后，确定本设计采用方案三，即PLC直接控制步进电机。

图2.21控制方案

图2.2.1电气控制方案图

各部件功能：

PLC承担产生脉冲信号，控制步进电机M1/M2/M3运动的功能。

M1步进电机控制包扎头旋转，将绝缘材料包扎到线圈上。

M2步进电机控制Y轴方向进给，实现对线圈斜边的包扎。

M3步进电机控制X轴方向进给，实现对线圈直线边的包扎。

M4步进电机控制包扎台的旋转，调整至转角角度。

工作过程：

①将线圈用夹具固定,手工将绝缘材料固定在包扎起点。

②起动设备,包扎前端斜边,此时M1恒速运行,M2\M3按需求进给运行.

③当包扎至第1转角时,M1恒速运行,M2\M3停止,M4按一定速度使得工作台转过一定角度.

④转角结束后,M1恒速运行,M2恒速运行,M3停止,M4停止

⑤当包扎至第2转角时,M1恒速运行,M2\M3停止,M4按一定速度使得工作台转过一定角度.

⑥包扎后端斜边,此时M1恒速运行,M2\M3按需求进给运行.

⑦包扎结束后,4台电机停止,卸下线圈.

⑧按与上述相反的程度,工作台回程至起点结束.

利用步进电机随脉冲信号精确起停的特点实现控制的精确性，用PLC编程实现以下动作：

M1起动，带动包扎头以一定速度旋转，随着对直线边的包扎，PLC控制M2工作，M4工作旋转角度为A，随着对短边的包扎，PLC控制M3工作，然后拆卸包扎另一半。

图2.2.2包扎示意图

第三章步进电机基本原理

3.1步进电机简介

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

图3.1.1步进电机外观图

步进电机的一些特点：

（1）步进电机没有积累误差：

一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积。

（2）步进电机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。

（3）即使是同一台步进电机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。

（4）步进电机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电机