【正文】 。 ? 技術(shù)創(chuàng)新 第一個開發(fā)特征自動識別的軟件，首先實現(xiàn)基于 Windows 平臺的自上而下的設(shè)計方法等。 圖 2HB8665 型步進電機 除此之外，在升降盤機構(gòu)中，還采用了直線軸承對絲杠兩側(cè)導桿進行導向。根據(jù)勵磁方式不同，步進電機分為永磁式、反應(yīng)式、混合式 ，目前最常用的是混合式步進電機，控制精度高、工作平穩(wěn)。 圖 AirTAC MD 系列氣缸 圖 AirTAC HFZ 系列手指氣缸 托盤升降機構(gòu)設(shè)計 為了保證設(shè)備正常循環(huán)運轉(zhuǎn)，要有上盤機構(gòu)提供 塑料電池盤，為此， 本文 采用的是步進電機帶動滾珠絲杠的傳動形式來實現(xiàn)升盤降盤的往復(fù)運動。 圖 漢特斯特分盤機構(gòu) 圖 分盤機構(gòu)模型 在對以上的分盤機構(gòu)進行 了綜合考慮后，本文 對整體方案進行了詳細的設(shè)計，建立了分盤機構(gòu)的三維設(shè)計模型。 根據(jù)分盤機的 功能要求，主要結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成： 不斷的提供電池盤的 機構(gòu)，能夠有效可靠的分開電池 盤的機構(gòu)，吸起電池盤進行轉(zhuǎn)運的機構(gòu)以及在前一部分設(shè)備放下電池后將 成品盤輸出的機構(gòu)。同時，對論文主要內(nèi)容進行了簡單介紹，為接下來的論文工作做了概括。課題對控制方案進行研究闡述，完成整個分盤機及部分前位機的控制程序編寫，也為之后的聯(lián)合仿真做準備。這樣， 工程師 就能 通過 實際 顯示 的機器運作畫面 ，進行設(shè)計計算，如 估算 周期時間的吞吐量、判定產(chǎn)品 是 否出現(xiàn)異常、搜集有關(guān)設(shè)計中動態(tài)行為 等 [15]。從 1986 年 NI 公司在測試測量領(lǐng)域首 先提出“虛擬儀器”的概念到現(xiàn)在，虛擬儀器的應(yīng)用方式已經(jīng)得到工程師們的廣泛地采用和認可。 基于虛擬原型的產(chǎn)品設(shè)計過程能夠以低成本的開發(fā)在產(chǎn)品設(shè)計初期展示各種設(shè)計方案和產(chǎn)品的功能，對產(chǎn)品進行全方面的測試和評估，避免重復(fù)建立物理樣機和減少設(shè)計的失誤。 圖 港口機械虛 擬場景 上述研究 在一定程度上實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)與監(jiān)控技術(shù)的結(jié)合。虛擬現(xiàn)實（ Virtual Reality 簡稱 VR）是一種計算機仿真技術(shù)，通過計算機以及各種軟硬件設(shè)備來構(gòu)筑虛擬世界，在這種虛擬世界中可以體 驗到如同真實世界的各種感覺， 使 用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺 [6]。國際上 比較 知名的工控組態(tài)軟件有美國組態(tài)軟件公司 Wonderware 公司的 inTouch、 GE Fanuc 公司的 IFIX、悉雅特公司的 Citech、德國西門子公司的 Wincc 等 。課題力求以此部分設(shè)備為落腳點，對生產(chǎn)設(shè)備的運行監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)進行研究， 力求完成機電一體化設(shè)備的機械模型與電氣控制的聯(lián)合仿真， 來進一步解決 產(chǎn)品 在研發(fā)、應(yīng)用階段所出現(xiàn)的問題， 對 完善 結(jié)構(gòu) 設(shè)計、改進控制系統(tǒng)都具有重 要意義 。 課題提出背景及研究意義 本課題來源于導師 與 企業(yè) 一直合作的科研 項目“鋰錳扣式電池生產(chǎn)線”。 近年來，隨著 工業(yè)自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 電池企業(yè)不斷采用新技術(shù)，加大對生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)投入， 自動化生產(chǎn)線也越來越先進。 在機械與電氣控制聯(lián)合仿真的研究中， 本文 采用 LabVIEW 為仿真平臺，在仿真項目中導入裝配體模型，完成運動電機軸及傳感器在仿真環(huán)境中的映射。 學位論文作者簽名： 日期： 關(guān)于學位論文版權(quán)使用授權(quán)的說明 本人完全了解河北工業(yè)大學關(guān)于收集、保存、使用學位論文的以下規(guī)定：學校有權(quán)采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學校有權(quán)提供本學位論文全文或者部分內(nèi)容的閱覽服務(wù)；學校有權(quán)將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索、交流；學校有權(quán)向國家有關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任由本人承擔。針對電氣控制要求完成 PLC 的設(shè)計選型、 I/O 分配及 設(shè)計 電氣原理圖等 工作 內(nèi)容 。之前國內(nèi)的扣式 電池大部分是由日本的廠家設(shè)備制造的，我國進入二十一世紀以來，紐扣電池生產(chǎn)得到迅速發(fā)展， 在常州、深圳、武漢等地區(qū)涌現(xiàn)出一批生產(chǎn)廠家，但是由于設(shè)備技術(shù)等多方面限制， 其生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)量與質(zhì)量與世界先進 水平 仍有一定差距 ，所以， 研發(fā)高速、自動化程度高的 扣式電池 裝配 生產(chǎn)線是非常必要 的 。在研發(fā)人員的不斷努力下，新式的扣式電池生產(chǎn)線采用了前后分離的整體方案，特別是在為力佳科技（宜扣式電池分盤機的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 2 昌）有限公司研發(fā)的生產(chǎn)線中，將方打圓及剪紙等前半部分與整體分開，獨立控制，同時將后續(xù)的清洗裝盤、 放電分盤也獨立出來，這樣不僅大大降低了故障率，同時前后幾部分設(shè)備不會互相影響，最大限度的提高生產(chǎn)率， 而且節(jié)約了資源， 在電池 生產(chǎn)廠家的具體應(yīng)用中得到了很好的效果。本課題中要研究的電池自動分盤機械屬于整條電池生產(chǎn)線的一部分，主要用于成品電池的包裝部分。國外的組態(tài) 產(chǎn) 品 產(chǎn)生于 80 年代初 ， 隨著我國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)監(jiān)控的需求 日益提高， 在 1995 年以后， 它在 國內(nèi)的應(yīng)用 才逐漸普及起來 [5]。 當前，虛擬現(xiàn)實技術(shù) 越來越多的應(yīng)用到監(jiān)控交互界面中，使 人機交互 界面 正朝著三維圖形多通道用戶界面的方向發(fā)展，希望能給人們提供一種更加自然， 直觀以及形象的交互界面。如圖 是上海交通大學 研究的 港口機械的三維虛擬場景 。 虛擬原型技術(shù) (Virtual Prototyping，又稱虛擬樣機技術(shù) )，能夠幫助工程師和科學家在花費成本構(gòu)建實際的物理原型之前，在數(shù)字環(huán)境設(shè)計、優(yōu)化、驗證產(chǎn)品并將其 三 維可視化，以評估不同設(shè)計概念 [12]。 美國 NI公司提出了 以 虛擬儀器與三維 CAD系統(tǒng)創(chuàng)建一個真實的機電一體化設(shè)計環(huán)境。 機械 設(shè)計與電氣控制設(shè)計者能夠一同對設(shè)備運動情況進行評估 。 3. 分盤機采用了大量的傳感器和氣動元件、運動電機，在控制系統(tǒng)上采用工業(yè)控制上使用最廣泛，也是目前最為可靠方便的可編程控制器（ PLC）進行控制，由于分盤機需要與整條生產(chǎn)線的之前部分進行連接，所以在控制方案上要與之前的生產(chǎn)線綜合考慮，采用多個 PLC 的聯(lián)合控制編程，在控制上具有一定的代表性。 其次 在 基于虛擬原型的仿真監(jiān)測技術(shù)中，結(jié)合扣式電池分盤機的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 8 虛擬原型技術(shù)與機電一體化技術(shù)結(jié)合的設(shè)計 特點 ，提出了課題的 研究重點。 分盤 機 機構(gòu)設(shè)計 分盤機結(jié)構(gòu)方案 分盤機處于整個電池生產(chǎn)線設(shè)備的最后部分，不僅要實現(xiàn)自身的分盤功能，還要扣式電池分盤機的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 10 與前一部分的設(shè)備結(jié)構(gòu)進行匹配。但是在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)兩部分分盤機構(gòu)并不能保證 分盤可靠性 ，上部的氣缸伸縮距離不可調(diào)，給調(diào)試和實際工作 帶來了麻煩。根據(jù)分盤具體的張開尺寸選擇氣缸型號為 HFZ20，張開 行程 10 mm。調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn)速是靠控制脈沖頻率實現(xiàn)的， 由于沒有 對驅(qū)動器的反饋， 所以會 有累計誤差，在各種開環(huán)控制系統(tǒng)中被 廣泛應(yīng)用 [18]。如 圖 所示 。 ? 易學易用 基于 Windows 開發(fā)設(shè)計，完整的動態(tài)界面及快捷、簡便的操作控制。 自上而下的裝配體設(shè)計方法是在裝配體中 展開工作，利用已經(jīng)有的裝配體零件的邊線、面等幾何要素，從現(xiàn)有的零件表面上設(shè)計新零件的草圖，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點，在裝配體中直接創(chuàng)建新零件。 本設(shè)計中由于分盤機零件較多，而且有重復(fù)零件，配合關(guān)系復(fù)雜，某些零件尺寸不易確定，因此采用自頂向下和自下向頂相結(jié)合的設(shè)計方法。 圖 選擇草繪平面 在草繪中繪制一個圓與四周的一個螺栓定位孔同心 ， 約束好設(shè)計尺寸 后根據(jù)所繪制圓進行拉伸，如 圖 所示在拉伸對話框中方向一欄選擇“成形到一面”，選擇機架平臺的下表面為成形終止面，點確定完成模型拉伸。運動算例不更改裝配體模型或其屬性，只在于模擬并動畫給定模型規(guī)定的運動，并可以使用 SolidWorks 配合，在建模運動時約束零部件在裝配體中的運動。 在設(shè)計過程中進行機構(gòu)仿真的目的主要有兩個：一是對機構(gòu)模型進行干涉與碰撞檢查。它能盡可能真實的模擬零部件在運動時的情況?？紤]各種摩擦、阻尼、引力、碰撞等影響因素。這也就是 SolidWorks Motion 中運動分析計算快捷的原因之一，避免了在導入其他運動分析軟件后配合關(guān)系都丟失而又重新建立約束關(guān)系的麻煩。 圖 3D 接觸設(shè)置 （ 3）驅(qū)動與負載設(shè)置 在之前的虛擬裝配中，已經(jīng)利用機械配合關(guān)系定義了滾珠絲桿與絲杠螺帽之間的螺旋裝配關(guān)系，即絲桿的轉(zhuǎn)動能驅(qū)動螺帽上下運動， 如此在 進行運動仿真時，即可在絲桿上施加驅(qū)動，來實現(xiàn)步進電機的作用。在設(shè)置好基本參數(shù)后， 即可進行仿真求解，在運動仿真過程中，觀察模型的動作，如果不滿足要求可以修改仿真參數(shù)。 本章小結(jié) 本章首先根據(jù)在企業(yè) 所 調(diào)研的典型的分盤結(jié)構(gòu)，汲取其 設(shè)計 優(yōu)點 ，對分盤機主要的分盤機構(gòu)和升降盤機構(gòu)進行了 設(shè)計，并利用 SolidWorks 設(shè)計軟件對其 進行了建模，并對主要的元件進行了選型。本課題中研究的電池自動分盤機作為生產(chǎn)線的一部分，要求同 前部分設(shè)備使用同一控制系統(tǒng)，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)多樣復(fù)雜。同時，利用 SolidWorks 軟件進行造型仿真，也對下一步的分盤機控制系統(tǒng) 設(shè)計 、 機電一體化聯(lián)合仿真工作打下基礎(chǔ)。具體步驟是點擊 結(jié)果和圖解圖標，設(shè)置需要得到的數(shù)據(jù)類型，選擇旋轉(zhuǎn)馬達，則可得到馬達的轉(zhuǎn)動力矩參數(shù)曲線。運動分析算 例中提供了線性力和扭轉(zhuǎn)力兩種類型 的載荷 ，在此例中可施加向下的恒定力來實現(xiàn)負載，具體的驅(qū)動與負載設(shè)置見 圖 和 圖 。 3D 接觸屬性包括定義零件材質(zhì)、定義摩擦以及彈性屬性。 (1) 添加約束 在裝配模塊下直接進入仿真環(huán)境，選擇運動分析算例，根據(jù)升降盤運動的實際情況，分配 零件之間不同的約束關(guān)系。常用的 運動仿真 功能包括添加 碰撞 約束、添加力、輸出 計算 曲線及輸出動畫等。具體采用哪種運動算例要根據(jù)設(shè)計的實際情況 而定 ，若不考慮質(zhì)量以及外力等因素，只求模型的運動動畫以及演示裝配關(guān)系的話可以采用基本的動畫算例。 (2) 基本運動：可使用基本運動在裝配體上模擬 馬達、彈簧、接觸以及引力 。這種自上而下的設(shè)計方法靈活、準確，免去了很多 麻煩，給整個設(shè)計過程帶來了便捷。不過在 SolidWorks 中，是把子裝配體 看作 是一個固 定的剛體來導入的，這樣在之后的運動仿真中子裝配中 的零件不能相互移動，解決方法是改變子裝配體的屬性中的求解方式，將 剛性改為柔性，使其靈活。 SolidWorks 裝配體建模 進行裝配體建模的 具體思路是，首先把握裝配體的具體結(jié)構(gòu)，建立主體零件，插入到裝配體中，再依據(jù)零件之間的配合關(guān)系，選擇適合的建模方法，最終完成整個裝配體的建模。 SolidWorks 提供的裝配體建模方法主要有兩種：自下而上與自上而下的 裝配 方法。而 SolidWorks 以其強大的造型，仿真及計算機輔助分析等功能，已經(jīng)成為業(yè)界主流的設(shè)計軟件之一。 圖 步進電機選型 根據(jù)上述選型過程，通過初步的選型計算 ，選擇步進電機具體型號為斯達微步系設(shè)計傳動結(jié)構(gòu)，確定電機類型 計算負載，工作轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等 初選型號，校核參數(shù) 步距角 保持轉(zhuǎn)矩 矩頻特性等 不通過 通過 經(jīng)濟型綜合指標評測 不通過 通過 確定電機型號 確定驅(qū)動器 計算驗證 扣式電池分盤機的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 14 列步進電機 2HB8665。每套升降機構(gòu)的到位都采用光纖傳感器檢測，保證了到位準確無誤?？烧{(diào)式升降氣缸選用的是臺灣 AirTAC 公司的 MK 系列多位置固定氣缸。目前，在各個企業(yè)中所用的扣式電池生產(chǎn)線已應(yīng)用多年，從早期的機 械結(jié)構(gòu)一步步改進發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng) 比較成熟 ，而分盤部分各個企業(yè)也有不同機械結(jié)構(gòu)，通過實際的深入企業(yè)進行觀察研究， 本文 對分盤方案進行了設(shè)計比較。如 圖 是最后 用于 包裝的塑料電池盤，主要特點是輕、薄，實際應(yīng)用時需要將摞在一起的電池盤分開提取。 最后，對全文進行總結(jié)展望。在實現(xiàn)可編程控制器與上位機的數(shù)據(jù)實時交互的同時，以控制數(shù)據(jù)來驅(qū)動三維模型，通過這種方式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況的監(jiān)測，解決設(shè)備出現(xiàn)的問題，而且能夠在工業(yè)設(shè)備的設(shè)計階段，實現(xiàn)控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，從機械 /電氣控制等多方面優(yōu)化設(shè)計，縮 7 短設(shè)計周期，創(chuàng)造更大效益。 LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，由 美國國家儀器 NI公司研制開發(fā)， 具有不同控制模塊并包含 多種函數(shù)的圖形化編程軟件 [14]。用戶總是希望在設(shè)計出良好的機械性能的產(chǎn)品的同時，減少資金成本、縮短設(shè)計周期。例如，在設(shè)備的控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題 時 ，工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備沒有按照預(yù)先設(shè) 定的 5 動作 順序來工作， 工程人員 要對設(shè)備控制系統(tǒng)進行故障排除， 并 對設(shè)備動 作流程進行監(jiān)控，這時虛擬場景不能清楚的反映實際動作順序。通過 對現(xiàn)場進行建模以及仿真流程，建立相應(yīng)的虛擬監(jiān)控場景， 監(jiān)控人員可以對設(shè)備現(xiàn)場的情況更為直觀的進行觀察監(jiān)測。如圖 是力控公司的 Forcecontrol 組態(tài)軟件 所做的對工業(yè)鍋爐設(shè)備監(jiān)控的 的組態(tài)界面。 組態(tài)軟件是指 實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備 進行 數(shù)據(jù)采集與 控制監(jiān)控 的專用軟件， 屬于控制系統(tǒng)中 的 監(jiān)控 一 級 ， 具有友好用戶界面的監(jiān)控平臺 。由于生產(chǎn)線的自動化程