【正文】 可編程控制器 （ PLC） 將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體， 越來越多的用于工業(yè)設(shè)備的控制系統(tǒng) ，它具 有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、組織靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便等諸多優(yōu)點(diǎn)， 成為工業(yè)領(lǐng)域的三大支柱技術(shù)（ PLC、機(jī)器人技術(shù)、數(shù)控技術(shù)）之一 [23]。 M 之間，滿足選用步進(jìn)電機(jī)的保持力矩的范圍，如果再選更小型號(hào)的電機(jī)，則不能滿足使用要求。運(yùn)動(dòng)分析每秒幀數(shù)設(shè)為 25，此值乘以動(dòng)畫的長(zhǎng)度 即為 要捕捉的總幀數(shù)。亦可以在定義 3D 接觸時(shí)來指定材料，以導(dǎo)桿與直線軸承為例，其材質(zhì)指定為 Steel(Dry)，其動(dòng)態(tài)摩擦速度 VK=，動(dòng)態(tài) 21 摩擦系數(shù)從 μ K=，靜態(tài)摩擦速度 VS=10mm/s，靜態(tài)摩擦系數(shù) μ S=，剛度為，指數(shù) ，最大阻尼 (mm/s)，穿透度 ，恢復(fù)系數(shù) 。 SolidWorks 中通過約束定義零件運(yùn)動(dòng)，而約束指的 是剛性物體之間的連接或相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于不參與運(yùn)動(dòng)仿真的零部件盡量的完全固定住，減少冗余的約束 。 分 盤機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析 在運(yùn)動(dòng)算例模塊中預(yù)先加載 Cosmosmotion 插件才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)分析算例。 (3) 運(yùn)動(dòng)分析（使用 SolidWorks Motion 插件）：運(yùn)動(dòng)分析在裝配體上精確模擬和分析運(yùn)動(dòng)單元的效果（包括力、彈簧、阻尼以及摩擦）。 圖 自動(dòng)分盤機(jī)模型前視圖 扣式電池分盤機(jī)的實(shí)體模型監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究 18 圖 自動(dòng)分盤機(jī)模型左視圖 圖 自動(dòng)分盤機(jī)正等軸測(cè)視圖 分盤機(jī)構(gòu)模型運(yùn)動(dòng)仿真 SolidWorks 運(yùn)動(dòng)仿真 在建立好機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)模型后，進(jìn)行模型運(yùn)動(dòng)仿真是十分必要的，不僅能夠真實(shí)的模擬機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且在仿真過程中能夠檢測(cè)之前的設(shè)計(jì)的不 19 足之處，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。下面以設(shè)備下部分滾珠絲杠固定板與機(jī)架相連接的四根連接桿為例，簡(jiǎn)要介紹裝配體中創(chuàng)建新零件的方法： 這四根連接桿在之前的設(shè)計(jì)中是不好確定其具體 長(zhǎng)度的，即使初步確定了連接桿長(zhǎng)度，如果絲杠長(zhǎng)度發(fā)生變化，那么之前建立的連接桿模型就是錯(cuò)誤的，需要重新裝配，給設(shè)計(jì)帶來了一定的麻煩， 這時(shí)需 采用在裝配體中創(chuàng)建新零件的方法。 應(yīng)用裝配體建模的設(shè)計(jì)步驟為： (1) 新建一個(gè)裝配體文件，【文件】→【新建】→【裝配體】，這時(shí)出現(xiàn) 插入主體零件 窗口，單擊【瀏覽】，選擇已經(jīng)建立好的主體零件插入； (2) 插入新零件，【插入零部件】→【瀏覽】，選擇新零件，插入到裝配體中 ； (3) 對(duì)零件進(jìn)行裝配，選擇所要裝配的零件，根據(jù)設(shè)計(jì)中的裝配關(guān)系進(jìn)行裝配。它要求設(shè)計(jì)者有明確的設(shè)計(jì)思路，對(duì)零件的形狀、尺寸及裝配關(guān)系都事先確定好。其顯著的特點(diǎn)為： ? 功能強(qiáng)大 具有基于特征、方便快捷的實(shí)體建模功能，以智能化的裝配技術(shù)使建模裝配更加快捷。、保持轉(zhuǎn)矩 N 13 目前， 工業(yè)設(shè)備中常用的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 主要是伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)多用于機(jī)械設(shè)備有高精度、快速響應(yīng)的場(chǎng)合，它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和控制環(huán) [17]，控制性能更為可靠，但是其市場(chǎng)價(jià)格較高，對(duì)控制系統(tǒng)抗干擾的要求也較高。根據(jù)升降距離及可調(diào)距離選擇具扣式電池分盤機(jī)的實(shí)體模型監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究 12 體型號(hào)為 MDJ20x25s10（ 如 圖 所示 ） 。 通過與現(xiàn)場(chǎng)工作人員的交流研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)能夠有效的分離電池盤，但是機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量偏重，在分離移位的過程中動(dòng)作笨重，結(jié)構(gòu)緊湊不利于裝拆，而且一次只能分離出空一個(gè) 電池盤，效率較低。 分盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是充分考慮整體設(shè)備設(shè)計(jì)要求，采用合理的工藝結(jié)構(gòu)，確保定位精度，保證將電池盤分開并且便于調(diào)試裝卸；采用合理的工件形狀與材料，盡可能的減輕機(jī)構(gòu)的整體重量，以便在移位時(shí)可靠順暢；在滿足工作要求前提下選取可靠的傳動(dòng) 元件，盡量選取標(biāo)準(zhǔn)件，減少加工量；降低噪音，滿足系統(tǒng)要求和環(huán)境要求；最后要兼顧 到前部分工序的工作節(jié)拍 ， 以 確保產(chǎn)量。 本章小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)要介紹了鋰錳扣式電池 生產(chǎn)線的發(fā)展情況，在實(shí)際的工業(yè) 自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)及應(yīng)用的問題 要求下提出本課題的背景及研究意義。由于扣式電池的生產(chǎn)工藝所致，生產(chǎn)線工藝流程 復(fù)雜，機(jī)械動(dòng)作不僅多而且之間邏輯關(guān)系 較為 繁雜，本課題力求以分盤機(jī)為落腳點(diǎn)，主要完成以下研究?jī)?nèi)容： 1. 首先簡(jiǎn)要介紹電池生產(chǎn)線以及 工業(yè) 虛擬監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述本課題的研究背景及意義。借助 LabVIEW 的 SoftMotion 模塊， 能將當(dāng)前的 SolidWorks CAD 模型輕松連至LabVIEW， LabVIEW 能夠 去 鏈接模型內(nèi)定義的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)器和位置傳感器 。在機(jī)械 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之前 ，電氣與控制 設(shè)計(jì)者 要預(yù)先 了解與 產(chǎn)品有關(guān)的機(jī)械 結(jié)構(gòu) 信息， 而采用 虛擬原型技術(shù)可以提供有關(guān)機(jī)械的信息，通過 3D CAD 系統(tǒng)與一個(gè)結(jié)構(gòu) 與 運(yùn)動(dòng)分析工具，與一個(gè)虛擬控制器甚至于 真實(shí)的控制系統(tǒng)相連接 [13]，通過聯(lián)合的仿真設(shè)計(jì)來模擬真實(shí)的設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況。本文正是力求在三維模型的基礎(chǔ)上，來創(chuàng)建一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制數(shù) 據(jù)與虛擬模型互動(dòng)仿真的平臺(tái)，不僅能對(duì)工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，而且 能夠在設(shè)計(jì)階段，通過仿真改進(jìn)設(shè)計(jì)， 縮短 設(shè)計(jì)周期。上海交通大學(xué) 對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)監(jiān)控中的研究主要是 基于 DirectX 技術(shù)開發(fā) 基于 現(xiàn)場(chǎng)傳感信息驅(qū)動(dòng)的工程機(jī)械遠(yuǎn)程虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)塔機(jī) 的 三維 建模和虛擬場(chǎng)景構(gòu)建，利用 Inter/GPRS 傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 [89]。再有， 工程技術(shù)人員只能通過交互界面來獲取現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)控制系統(tǒng)的反饋控制不夠等 。監(jiān)控組態(tài)軟件 采用圖表、二維圖形等方式來對(duì)監(jiān)控情況進(jìn)行展示， 最終直接面向的對(duì)象是監(jiān)控人員 [4]。 為了進(jìn)一步提高 生產(chǎn)電池的質(zhì)量，降低廢品率，近年來國(guó)內(nèi)科研人員在不斷研制改進(jìn)扣式 電池生產(chǎn)線，研發(fā)出了扣式電池自動(dòng)清洗、電池一次測(cè) 厚、電池自動(dòng)裝盤等配套工序設(shè)備， 使生產(chǎn)設(shè)備 更加完善 。研發(fā)人員不斷的對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)， 在采用新的機(jī)械結(jié)構(gòu)、改進(jìn)控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行了不懈的努力。 扣式電池以體積小、容量大、無漏液污染、外形美觀等特點(diǎn)極大的滿足了人們對(duì)小型電子產(chǎn)品的供電需求。 論文的主要工作包括對(duì)分盤機(jī)設(shè)備的 機(jī)械結(jié)構(gòu) 與電氣控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文不包含任何他人或集體已經(jīng)發(fā)表的作品內(nèi)容，也不包含本人為獲得其他學(xué)位而使用過的材料。 對(duì) 設(shè)備 結(jié)構(gòu)模型的 運(yùn)動(dòng)仿真監(jiān)測(cè)，可以在設(shè)計(jì)階段 改進(jìn)設(shè)計(jì)，完善機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制系統(tǒng) ， 所以 對(duì)虛擬樣機(jī)的運(yùn)行仿真監(jiān)測(cè) 技術(shù)進(jìn)行研究 就 顯得 尤為必要。同時(shí)，也可以將模型中反饋過來的傳感器信號(hào)寫入到控制器中，實(shí)現(xiàn)控制程 序的循環(huán)運(yùn)行。 近些年來 經(jīng)過國(guó)內(nèi)科研人員的不懈努力 ，鋰錳 扣式 電池自動(dòng)生產(chǎn)線已研制成功并投入生產(chǎn)當(dāng)中，這使得電池的生產(chǎn)效率大大提高 ，生產(chǎn)速度 提高到 50~70 只 /分鐘甚至更多， 在提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的同時(shí) 也節(jié)約了勞動(dòng)力和 生產(chǎn) 成本。但是由 于電池生產(chǎn)本身的工藝流程以及對(duì)生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)等因素所致，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)調(diào)試 提出更高要求，往往在 設(shè)備調(diào)試過程中出現(xiàn)很多問題 ，反復(fù)的改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)或控制系統(tǒng) ，使得調(diào)試周期加長(zhǎng)。 以計(jì)算機(jī)控制為關(guān)鍵技術(shù) 的集散控制系統(tǒng)（ Distributed Control System，簡(jiǎn)稱 DCS） 在 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng) 中被 廣泛 應(yīng)用 ，“組態(tài)” 的概念 也 開始 被 熟知 ，而 組態(tài)軟件伴隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展 也 被越來越廣泛的應(yīng)用于 工業(yè)監(jiān)控當(dāng)中。工程師 通過各種圖形化工具來 構(gòu)建人機(jī)交互界 面 ，仿真 工藝流程，模擬 監(jiān)控 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等。 目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域的 應(yīng)用 主要集中在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的三維可視化仿真。另外，在某些工業(yè)設(shè)備 動(dòng)作 流程比較復(fù)雜的情況下，雖然虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠建立現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的場(chǎng)景模型，但是對(duì)于一些問題卻不能得到有效的解決。在 機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中 經(jīng)常的失敗和反復(fù)是 不可避免的一個(gè)過程，失敗的方式體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中而不是事后，而設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于確定失敗的決定性因素是什么。同時(shí)， NI 公司簡(jiǎn)易直觀的 LabVIEW 圖形化軟件編程開發(fā)環(huán)境，有效地降低了工扣式電池分盤機(jī)的實(shí)體模型監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究 6 程師使用此種測(cè)試工具的軟件專業(yè)技術(shù)門檻。 圖 LabVIEW 與 SolidWorks 聯(lián)合仿真 利用虛擬原型設(shè)計(jì)技術(shù)， 可以在制作物理樣機(jī)之前 ，將 控制單元 連接到機(jī)械 三維模型上， 利用仿真平臺(tái)來 測(cè) 試 所建立系統(tǒng)的機(jī)械特性 ，具有以下的明顯優(yōu)勢(shì) [16]： ? 在建立實(shí)際樣機(jī)之前優(yōu)化設(shè)計(jì)； ? 明確機(jī)械 /電氣范圍 的設(shè)計(jì)問題 ； ? 真實(shí) 顯示 設(shè)備 的動(dòng)作 流程； ? 驗(yàn)證調(diào)試運(yùn)動(dòng)控制編程 ； 正是由于 LabVIEW 與三維設(shè)計(jì)軟件的無縫集成，本文希望能夠通過基于虛擬原型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法，來搭建一個(gè)虛擬仿真的平臺(tái)。 5. 采用 LabVIEW 與 SolidWorks 三維模型進(jìn)行連接，利用 從 PLC 讀取來的數(shù)據(jù)建立 能夠控制三維模型運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng) 函數(shù) ，借此來搭建三維虛擬模型場(chǎng)景，對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 仿真 監(jiān)測(cè)。它的前序設(shè)備是放電降壓，將放電后質(zhì)量合格的扣式電池 再 移到空的電池盤中。 圖 分盤機(jī)結(jié)構(gòu) 流程圖 分盤機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在電池分盤的過程中，不僅要對(duì)電池盤進(jìn)行分離移位，同時(shí)還要有完整的上盤收盤機(jī)構(gòu)，以保證整個(gè)工作過程完整連續(xù)。這樣既避免了結(jié)構(gòu)整體復(fù)雜笨重的缺點(diǎn)，也能利用可調(diào)式升降氣缸準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)分盤，便于調(diào)試，又保證了工作效率。 圖 升降盤機(jī)構(gòu) 如圖中所示，左側(cè)兩套步進(jìn)電機(jī)帶滾珠絲杠結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)電池盤托升動(dòng)作，可以保證左右兩端同時(shí)有盤，而右側(cè)機(jī)構(gòu)是在電池裝進(jìn)電池盤之后的降盤機(jī)構(gòu)。 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的選型過程一般按 圖 所示。 分盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)建模 基于 SolidWorks 的設(shè)計(jì)建模 在目前的機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，使用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行建模已經(jīng)成為主流的設(shè)計(jì)方法，相對(duì)于基 于 CAD 的二維平面設(shè)計(jì)，三維設(shè)計(jì)建模不僅更具有立體感、直觀，而且目前主流的設(shè)計(jì)軟件都提供了從建模，仿真到出工程圖等一整套的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能，使機(jī)械設(shè)計(jì)更加便捷，優(yōu)化。在具體的工作過程中，主要 涉及 到 SolidWorks 的零 15 件建模、裝配體建模模塊、工程圖模塊等 [1920]。在實(shí) 際的裝配體建模中，首先要把握 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)意圖選擇適合的裝配體 建模方法，綜合交叉運(yùn)用，使得所建立模型準(zhǔn)確，減少錯(cuò)誤。在整個(gè)裝配過程中可以應(yīng)用子裝配體的方法，即將具有 一定 裝配關(guān)系的 部分 結(jié)構(gòu)預(yù)先裝配起來，作為一個(gè)裝配體在加入到主裝配體中，這使裝配關(guān)系更加有層次性，亦可在主裝配體中對(duì)子裝配體進(jìn)行編輯。最后保存模型是選擇裝 配體外保存模型。SolidWorks 使用插值 計(jì)算 來定義鍵碼點(diǎn)之間裝配體零部件的運(yùn)動(dòng)。通過施加模型的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及模擬運(yùn)動(dòng)過程中的外力因素，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，并對(duì)其選定部件的速度、加速度、力等結(jié)果進(jìn)行分析，以改善設(shè)計(jì)選型。 扣式電池分盤機(jī)的實(shí)體模型監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究 20 運(yùn)動(dòng)分析算例運(yùn)行時(shí)， 軟件顯示界面的左側(cè)是裝配體的 Motion 結(jié)構(gòu)樹，中間顯示不同零部件的運(yùn)動(dòng)時(shí)間節(jié)點(diǎn) 。 本節(jié)中，采用運(yùn)動(dòng)分析算例來 對(duì) 升降盤機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，從而驗(yàn)證電機(jī)選型，并可以在運(yùn)動(dòng)仿真中檢查運(yùn)動(dòng)過程的干涉。要盡可能真實(shí)的模擬機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的情況，還要定義運(yùn)動(dòng)約束之間各零件的相互影響，將相互接觸或運(yùn)動(dòng)中能夠接觸到的零件定義為 3D 接觸，如果零件之間沒有定義接觸的話，在運(yùn)動(dòng)過程中零件與零件之間會(huì)相互穿過， 3D 接觸即把零件定義為剛性，以傳遞驅(qū)動(dòng)。 在升盤結(jié)構(gòu)中，托板上方放置空電池盤，實(shí)際的運(yùn)動(dòng)仿真中可以用施加在托板的力來代替空電池盤重量。觀察升盤絲桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行曲線輸出。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，提高設(shè)計(jì)性能，減少了設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，節(jié)省了設(shè)計(jì)周期。本文對(duì)分盤機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了一種多個(gè)可編程控制器之間的協(xié)同編程方法，具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)。然后將建好了零件模型進(jìn)行 裝配成虛擬樣機(jī)，期間采用了自上而下和自下而 上的裝配設(shè)計(jì)方法。 如圖 是分盤機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真圖示。 SolidWorks Motion 之中驅(qū)動(dòng)有兩種：直線馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，來對(duì)基本運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定義。 運(yùn)動(dòng)副的類型一方面有軟件根據(jù)零件的特征來自主判斷，另一方面要求設(shè)計(jì)者裝配時(shí)必須清楚零件的預(yù)計(jì)運(yùn)動(dòng) 特性，選擇適當(dāng)?shù)呐浜霞s束，根據(jù)升降盤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，選擇導(dǎo)桿與直線軸承之間為移動(dòng)副，滾珠絲桿與螺帽之間為螺旋副。 (3) 設(shè)置正確的仿真參數(shù)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)算例計(jì)算，運(yùn)動(dòng)仿真。通過運(yùn)動(dòng)模擬，設(shè)計(jì)人員可以完成關(guān)鍵零部件選型計(jì)算、運(yùn)動(dòng)干涉檢查、復(fù)雜零部件設(shè)計(jì)規(guī)劃、分析運(yùn)動(dòng)受力等工作。通過對(duì)機(jī)構(gòu)裝配模型的運(yùn)動(dòng)分析，觀察在機(jī)構(gòu)中是否干涉，對(duì)干涉檢查結(jié)果進(jìn)行顯示，以實(shí)現(xiàn)對(duì) 模型的設(shè)計(jì)改進(jìn)。 SolidWorks 定義了三種模式的運(yùn)動(dòng)算例 [21]： (1) 運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫：在此 算例中可以使用動(dòng)畫來模擬裝配體的運(yùn)動(dòng)以及裝配爆炸順序。 在此基礎(chǔ)上再對(duì)連接桿進(jìn)行其他的特征建模，如中心連接螺紋孔，下端螺紋端等，即完成了在裝配體中的連接桿建模。裝配時(shí)首先確定設(shè)備機(jī)架作為主體零件首先導(dǎo)入進(jìn)裝配 體，再 依次導(dǎo)入其他零件。此種方法中，所設(shè)計(jì)的零件與其他零件產(chǎn)生關(guān)聯(lián)性，其優(yōu)點(diǎn)是在構(gòu)建零件時(shí)可互相參考外形，省去部分草圖繪制及使用配合條件的設(shè)置 的步驟