五金工具自动充磁设备控制系统硬件设计

浙江科技学院毕业设计（论文）I五金工具自动充磁设备控制系统硬件设计周明(自动化与电气工程学院指导教师：何致远)摘要：在五金工具生产过程中，为使工具便于实际应用，广泛采用充磁机对五金工具进行充磁。目前使用的充磁机自动化程度差，操作过程劳动强度大，以至生产效率低，同时充磁机中充磁线圈设计不尽合理，容易过热、烧毁等，同时较小的线圈结构也限制了生产。本文应用可编程序控制器（PLC）和触摸屏技术，设计了充磁机自动控制系统的软硬件设计，建立了友好的人机操作界面。同时应用电磁场理论和电力电子技术，完成了充磁线圈的理论设计。系统经过调试，能够初步满足实际生产工艺要求。该系统改进了充磁机的自动化程度，提高了可靠性，具备规模化生产能力，人机界面使操作简单、方便，对五金工具制造行业自动化水平的提高具有积极意义，具备广阔的应用前景。关键词:五金工具；充磁机；PLC；触摸屏Abstract:Intheproductionprocessofhardware,fillingmagnetismdeviceiswidelyusedinareaoffillinghardwaremagnetism,whichcanbeconvenientlyusedinpracticalapplication.However,theautomationdegreeofactualdeviceissolowatpresent,thattheproductivityislowandthelaborintensionishigh.Furthermore,thewidthofproductionequipmentisnotreasonable,temperatureisveryhigh,thedeviceiseasilydestroyedbythehighheat.Thesmallerwindingfracturerestricttheabilityofproduction.Thisessaydesignedthefillingmagnetismautomobilesystemandgraphicoperatingpanelwithprogrammablelogiccontroller(PLC)andtouchpanel.Finishedthedesignationofwindingbyusingthetheoryofelectromagnetismfieldandpowerelectronictechnology.Withthedebuggingofprogram,thesystemcouldsatisfytheproductionprocess.Thesystemimprovedtheautomatismandreliabilityoffillingmagnetismdevice.Thedevicehadaabilityofmassproduction.Humanmachinepanelmadeoperationeasyandsimply,itwillmakepositivemeaningtoimprovefillmagnetismdevice’sautomationlevel.Thedevicehadaprofoundforegroundinactualapplication.Keywords：hardwaretool；fillmagnetismdevice；programmablelogiccontroller；touchpanel1绪论1.1本课题的意义和目的浙江科技学院毕业设计（论文）II目前在五金工具生产行业中，广泛应用充磁装置对五金工具部分地方进行充磁，使其带有磁性便于实际应用目前在五金工具行业中，充磁机应用广泛，但大部分都以手工操作为主，充磁机的线圈设计较小，使劳动强度大而生产效率低，满足不了工业发展的需求，迫切需要改进充磁机的自动化程度，实现连续、批量充磁。五金工具是浙江省的出口创汇的支柱产品之一，目前主要在省内温州、金华和杭州等地的一些中小企业生产，但目前各企业生产设备的自动化程度较低，劳动密度大，生产装置中充磁线圈设计也不尽合理，容易过热，烧毁等缺憾，可编程序控制器（PLC）在此方面的应用较少。五金工具的充磁工业作为产品性能的主要指标之一，其工艺稳定度要求高，以前经常会发生因为产品质量不过关而遭到外商的退货，这对五金行业的发展起到非常大的阻碍作用，研制一条全自动的充磁工艺流水线是解决目前存在问题的关键措施。利用PLC控制的自动充磁流水线的研发可以极大提高劳动生产率和自动化程度，实现连续、批量充磁，结合触摸屏技术和机械手技术节省了很大的空间，操作方便简单解决了行业所面对的技术缺陷，提高这个行业的水平。1.2五金工具自动充磁设备研发的特点与要求在五金工具生产行业中，广泛应用充磁装置对五金工具部分地方进行充磁，使其带有磁性便于实际应用。目前国内外及我省对五金工具充磁的要求实现连续、批量充磁，生产效率高，安全可靠。在五金工具充磁中当前已经开始运用PLC技术和触摸屏技术来控制整个充磁过程,大大提高了生产水平。今后五金工具充磁流水线将更多地利用自动化生产，降低劳动强度，利用工业机器人摆脱手工操作，使生产的产品的质量满足不同客户的要求。应用自动充磁设备控制系统对充磁装置对五金工具部分部位进行充磁，使其带有磁性便于实际应用。应用PLC控制系统不仅使设计简单化，提高系统的可靠性，而且各项性能指标优于传统的继电器控制系统。结合了触摸屏技术使得操作方便，节省空间，实现了连续、批量充磁，提高了自动化程度和生产效率，降低了劳动强度。解决了行业所面对的技术缺陷，提高这个行业的整体水平。PLC是近几十年发展起来的一种新型工业控制器，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，在工业过程控制中的应用越来越广泛。以后充磁机将向流水线连续充磁方向发展，PLC将起着关键作用。1.3PLC发展概述世界上第一台PLC由美国数字设备公司研究成功的，上世纪80年代至90年代中期，浙江科技学院毕业设计（论文）III是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。PLC广泛地应用于汽车、航天、冶金、轻工、建材等行业。目前，世界上有200多厂家生产300多品种，PLC国际主流产品：Siemens、A-B、OMRON、三菱、GE、富士、日立、光洋等等。目前中国PLC市场95%以上被国外产品占领，目前国产PLC的市场占有率还不到3%，欧美产品在大中型PLC领域占有绝对优势，日本产品在小型PLC领域占有优势，中国本土自主品牌PLC的市场影响非常小，很难形成规模经济。国内应用Siemens产品的用户占20.8%，A-B14%左右，OMRON14%左右，三菱8.3%，GE6.25%，富士4.2%；其他（日立、光洋等）4%。如今PLC的指令越来越丰富，从单一的逻辑控制向时时通讯发展，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC今后将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微小型PLC发展，另外一个方向将向大型（1000点以上）、高速（0.2-0.4um/指令）、多功能方向发展。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向[1]。目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.4触摸屏发展概述在20世纪90年代初，出现了一种新的人机交互作用技术--触摸屏技术，利用这种技术使用者只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作，使人机交互更为直截了当。因此，触摸屏技术已成为当前最简便的人机交流的输入设备。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；城市街头的信息查询；汽车领域和家电领域也有很大发展空间；此外还应用在手机领域，特别是现在进入3G时代，智能手机将是一个很大的市场，将来触摸屏还要走入家庭。国际主流产品：欧姆龙、富士通、三菱、pro-face、siemens、ABB等。触摸屏的发展呈现专业化、多媒体化、立浙江科技学院毕业设计（论文）IV体化和大屏幕化等趋势。以触摸屏技术为交互窗口的公共信息传输系统通过采用先进的计算机技术，运用文字、图像、音乐、解说、动画、录像等多种形式，直观、形象地把各种信息介绍给人们，给人们带来极大的方便。可以预见，随着触摸屏技术的迅速发展，触摸屏的应用领域会越来越广，性能会越来越好。触摸屏技术方便了人们对计算机的操作使用，是一种极有发展前途的交互式输入技术。世界各国对此普遍给予重视，并投入大量的人力物力进行研发，新型触摸屏不断涌现。利用触摸笔进行操作的触摸屏类似白板，除显示界面、窗口、图标外，还具有利用触摸笔签名、标记的功能，系统已做到了自动辨认。这种触摸笔比早期只提供选择菜单用的光笔功能大大增强。触摸板采用了压感电容式触摸技术，屏幕面积最大，3m×4m是一种壁挂式系统。触摸板由三部分组成：最底层是中心传感器，用于监视触摸板是否被触摸，然后对信息进行处理，中间层提供了交互用的图形、文字等，最外层是触摸表层，由强度很高的塑料材料构成。当手指点触外层表面时，在千分之一秒内就可以将此信息送到传感器并进行登录处理。触摸板与PC机兼容，它还具有亮度高、图像清晰、易于交互等特点，因而被应用于指点式信息查询系统（如电子公告板），收到了非常好的效果。总之，触摸屏的发展呈现专业化、多媒体化、立体化和大屏幕化等趋势。可以预见，随着触摸屏技术的迅速发展，触摸屏对于计算机技术的普及利用将发挥重要的作用[2]。1.5本文所做的主要工作按照毕业设计任务书的要求，本论文主要进行了下述几方面的工作：1．查阅和消化课题研究的相关资料，研究基于PLC控制的电气传动系统的设计理论方法。2．调研目前市场上各个厂商所生产的PLC、机械手和触摸屏类型，比较他们的性能和价格。3．设计了五金工具自动充磁设备的传动控制电路，进行设备的选型，应用欧姆龙PLC进行了相关控制程序的编制，绘制相关的电气图纸。4．掌握欧姆龙PLC与触摸屏产品的应用环境,完成相关硬件连接及通讯软件程序设计，实现欧姆龙PLC控制器与触摸屏之间的通讯，经调试软硬件达到预期要求。浙江科技学院毕业设计（论文）V2充磁线圈与整流电路设计2.1充磁线圈的设计2.1.1充磁线圈的计算充磁线圈的工作原理，是应用通电螺线管能产生磁场的原理，应用毕奥—萨伐尔定律计算如下：如图2—1所示，载流导线上有一电流元Idl在真空中某点P处的磁感强度dB的大小，与电流元的大小Idl成正比，与电流元Idl到点P的矢量r间的夹角的正弦成正比。并与电流元到点P的距离r的二次方成反比，即：浙江科技学院毕业设计（论文）VI图2-1电流元的磁感强度的方向2sinrIdlkdB（2-1）式中k为比例系数，它的大小和单位取决于磁场中的磁介质和所选用的单位制。对于真空中的磁场，如式中各量均用国际单位制，则比例系数40uk，0u叫做真空磁导率，其值为270104ANu。这样，上式可写成