緒論課題背景及意義呼吸道作為人們健康防護的首要防線，如何選擇一款符合防疫標準的口罩對于每個人都是一件很重要的事情。通過目前和之前疫情的相比較，口罩的需求量漸漸邁向平穩。中國作為一個制造業發達大國，它已經成為世界上產量最高且是每年出口外銷最高的出口國，按有關部門統計可知每年產量占全球約50%。但由于目前我國新冠肺炎疫情被逐漸控制后，引起的國內口罩需求不再像2020年初的嚴重。這導致其中包括口罩原物料的熔噴布、口罩機等相關產品和口罩原料價格快速暴跌，甚至出現部分廠商為了減少損失將手中原料以不到五分之一的價格脫手，業界無奈自嘲“先來得住豪宅，后來得住天臺”。[1]在2020年2月新冠疫情暴發最為嚴重的時期，中國口罩價格因此而突然狂飆，這就引發了大量供需問題。這類供需問題包括口罩中間過濾層主要原料的熔噴布，制造口罩的生產線，口罩機以及口罩其他的原料和防疫物資搭上的各類產業的需求緊張，最終導致需求都出現飆漲。只不過這波“口罩商機”來得快、去得也快，在如今的疫情已經被控制下，原先口罩廠家旋即陷入無單可接的窘況，甚至有些較晚進入的業者剛站穩腳步但是無單可接，此刻進退維谷。[2]由于那段時間中口罩制造業的突然火熱，使得出現大量半路出家殺入的設備廠。這就導致由于尚未掌握精確制造合格口罩的生產工藝、和是出現在春節期間使得出現缺乏大量掌握熟練的技術工人的問題，以上問題就會造成一口罩質量不合乎防疫標準，二使得口罩制造機器和口罩制造技術成本提高，最終導致入不敷出，甚至廠家破廠倒閉的現象。現有的普通口罩焊接機的主要研究缺陷是：其一、普通口罩焊接機的各個裝置通常可以包含超聲機、馬達或電機，但這些電氣傳動機構的對電源的要求，在各個不同企業存在差異較大區別，而現有的平面口罩機暫未針對不同的超聲機、馬達或電機技術進行專業地，針對地進行研發，這就使得無法細分到各種型號去如何選型；其二、普通口罩焊接機的各個裝置往往由不同的控制器數據進行控。當需要我們啟動某個功能時，需要一個手動按下該功能的啟動按鈕,當需要及時停止某個產品功能時,也需要自己手動按下該功能的停止按鈕。這就造成對操作人員的有一定技術要求，且操作服務人員在操作活動過程中會出現無法及時按下按鈕，而導致發生生產事故。[3]因此在現有的口罩生產模式中，擁有一臺快捷操作，自動化程度高的口罩焊接機具有很大的生產效益。傳統的人力加工以及其管理方式，已經無法滿足目前生產的現狀以及口罩出口的標準要求。[8]PLC作為一種具有典型自動化控制特征的生產控制工具，不僅可以利用自動化檢測技術提高產品的優品率、而且可以利用編程語句和機械部分的結合提高產品的生產效率達到高效和減少人工的目的。因此，設計出一種快捷且便利口罩熔接機的PLC控制系統具有重要意義。口罩焊接機可以借助PLC控制系統，可以實現口罩耳帶焊接生產的自動化控制，使其由傳統人工操作模式向自動化焊接模式轉變。其次是口罩焊接機的運行安全性直接關系到口罩的生產效率、生產質量以及工作人員的人身安全等。因此，在設計PLC控制系統時，不僅需要注意到系統是否擁有自檢，而且需要注意到是否可以避免機械和程序會造成人身安全問題。中外研究現狀隨著2020年里的疫情逐漸嚴重，人們對口罩的需求愈加強烈，如何快速生產出一個口罩，成為困擾許多廠家的一個問題。中國作為生產大國，在疫情之前便是生產了全球約50%的口罩，中國出口的最高日產可達到2000多萬只。據中國工信部披露的數據顯示，2015-2019年期間，中國口罩行業產值總體呈逐年增長態勢，中國口罩總產值由63.17億元增加至102.33億元。[2]在疫情的初期，由于春節期間的異地人員無法及時復工，使口罩的日產量減少。但隨著經濟逐漸復蘇加上國內疫情得到控制，國內口罩的產量得到恢復，口罩生產線的價格恢復到正常價格。1895年，德國病理學專家萊德奇通過研究發現傷口的感染大概率是由于空氣中的病菌傳染導致，他根據自己的研究認為當人們在就醫時帶菌唾液導致傷口惡化。于是，他建議醫護人員在治療病人時，應該戴上一種紗布制作的罩具用來掩住口鼻。此舉果然有效，在那段時間內手術后的病人傷口感染率大為減少。從此，大部分的醫護人員采用萊德奇的建議。于是，這種口罩便在歐洲醫學界逐漸流行和推廣開來。但由萊德奇設計的這類口罩，存在很大的缺憾。因為其實現的方法就是將紗布包裹在醫護人員的嘴巴、鼻子和胡子上，當醫護人員在進行救治時，會因為它包裹的緊而無法呼吸充足等問題。[18]1897年，英國的一位外科醫生，在觀察一些現象后便動腦筋在紗布內裝了一個細鐵絲的支架，這就讓紗布與口鼻之間留有一定間隙，這種設計從而克服了包裹過緊造成的呼吸不暢和紗布容易被唾液弄濕之弱點。1899年一位法國醫生在此基礎之上進行翻新，他設計做了一種六層紗布的口罩，將其縫在手術衣的衣領上，用時只需將衣領翻上就行了。但是他在使用后發現仍然有不足之處，經過不斷實驗后改成可以自由系結的辦法，將一個環形帶子掛在耳朵上。現代口罩的基本外形就這么確定了。[5]現如今，國外標準主要以美國勞保口罩標準，歐盟勞保口罩標準和日本防塵口罩規格為主，以一個簡明公式來表示它們之間的聯系:FFP3>FFP2=N95=KN95>KN90。但我們在現實使用來抵抗病毒和流感，主要都使用N95系列已經足夠抵抗疾病。而目前國外主要生產口罩的商家以美國的3M公司，德國的UVEX公司以及日本重松。美國的3M集團是一家百年公司，我們可以從美國的CDC官網數據發現，3M口罩中，N95類型的口罩共有48種，經過FDA認證的外科手術口罩就有八種。而3M公司在中國進軍是憑借2003年的非典疫情，大量防護物資的捐贈以及政府購買使用，讓大眾逐漸去知曉這個品牌。但在美國目前疫情環境和國內政治原因下，大量醫院無法支付資金，使得口罩這些防疫產品無法給醫護人員使用。而國內目前雖然有大量口罩生產廠家，但是由于廠家只是臨時去生產無法做到達到出口標準，使之大量惡性循環最終使國外防護醫療物資一直處于緊缺的情況。

2控制系統的設計以及設計方案2.1控制方案的對比選擇在本次設計中，由于涉及多個控制對象例如伺服電機，兩個步進電機，以及氣缸和多組電磁閥。其中步進電機主要負責的是帶子原料的遞送，伺服電機負責的是讓超聲波焊接機進入焊接，而氣缸則是負責將帶子推進緊貼在無紡布上以及退回。我思考得出以下兩種方案的對比。表2.1兩種控制系統概述PLC控制繼電器控制控制方式由于采取順序邏輯，可以通過觸摸屏等協助控制，并且可以實時改變程序以及反饋去定位到步數通過線圈兩端電壓和電流產生的電磁效應去控制觸點的吸合，并且通過計時器等輔助去完成速度控制由程序驅動和控制半導體電路觸點的機械動作實現延時控制半導體集成定時器，且脈沖由晶體振蕩器發出使用時間繼電器去控制動作的延時和進行時間表SEQ表\*ARABIC1.2兩種控制方式的優缺點對比PLC控制繼電器控制優點在控制方式上分別采用順序邏輯和程序的編寫控制速度較快，微秒級，而且同步準確，沒有抖動現象故障率低，可以通過程序查出信號錯誤和通過模擬程序運行，檢查程序是否正確功能強大，可以實現復雜的控制功能可靠性高，抗干擾性強單個成本低，可以控制簡單的項目和邏輯思路較低的項目尺寸相對較小，減少控制柜的體積缺點PLC成本較高，比較適合在邏輯思路較復雜和控制要求較多的項目需要學會PLC控制語言，要有一定邏輯思維需要搭配觸摸屏一起控制控制速度較慢且工作頻率低故障率相對高，由于機械觸點的物理接觸容易帶來損壞，接線也易受到振動的影響在控制方式，無法現場及時更改程序2.2控制系統的設計方案2.2.1控制方案的確定綜合上述的表格，且根據本次的設計要求中需要較為便利且快捷的控制方式，目的在于可以在現場及時調整以及根據生產需求去更改我們所設計的程序指令。在這次設計中，我們對系統相應時間以及速度上要求反應快且速度能夠達到我們所預定的生產要求。而且考慮到人工成本以及外部對產品所需求，我們需要系統還能在一定時間內無人控制能夠安全，穩點的完成生產目標。這就需要系統一定的穩點性，且故障率相對較低和控制難度較低。最后，本次口罩超聲波焊接機由于其復雜的控制，需要搭配觸摸屏的一起控制。綜合上述所有的要求以及考慮，最終選定使用PLC進行系統控制。2.2.2控制系統設計方案示意圖本次設計中主要依靠可編程控制器及其相關編程軟件進行來實現所設定的功能，由于使用的日本三菱公司的FX3U系列的PLC，因此這次利用三菱編程Gworks2來進行程序的編寫。觸摸屏通過臺達官網下載的DOPSOft4.00.40軟件進行編寫。圖2.1控制方案示意圖2.3控制系統設計2.3.1控制系統設計對象與要求口罩在目前環境需求量較多的防疫用品，因此在口罩焊接的過程中，需要通過傳送帶將口罩一個一個送入到焊接工位，等到傳感器接收到信號，再傳遞給各個電機以及控制中心。本課題所設計的控制系統就是用來解決以及完善該目標本次設計的控制對象：步進電機(42HS02)：由相對應的步進驅動器(DM542A)進行驅動，并且通過PLC進行控制，我們通過步進電機進行耳帶料子運送，以及配合氣缸進行折疊使其形狀、長度符合設計目標。伺服電機(HF-KP43):由相對應的伺服控制器(MR-J3)來進行驅動，并且通過PLC進行控制，我們需要一臺伺服電機驅使傳送帶前進，讓一邊加工完成的口罩向前運動到下一個工位。氣缸：在本次設計需要一對推料氣缸和一對剪線氣缸分別作為壓住口罩進行焊接和剪切焊接口罩袋子的長度。根據上述所要求以及實際使用，推料氣缸選用來自亞克西的TN10*40的雙軸氣缸，而剪線氣缸則選用亞克西的PB4*20的筆形氣缸。超聲波口罩焊接機的整個運行過程如以下:首先進入初始等待狀態S0，系統開始進入待機狀態；通過觸摸屏按下啟動按鈕X14，伺服電機和步進電機使能，兩個不同工位直流電機開始轉動，直流電機帶動向下放耳帶原料直到兩個預拉接近開關被觸發同時停止給直流電機供電，此時程序完成初始化且等待人員通過觸摸屏選擇手動調試或者自動運行；當在觸摸屏上選擇運行自動程序(手動調試運行邏輯與自動相同)，這時程序進入自動運行，首先進入狀態S22；在狀態S22內，首先給D5010賦值進而驅動兩個步進電機，使兩個步進電機進行轉動半圈，目的讓耳帶彎曲一定弧度，以便焊接機進行焊接；同時時間繼電器開始計時0.3S；當S22內的時間繼電器到達0.3S后且兩個步進電機轉動到位后啟動狀態S20。進入S20狀態后，啟動兩個推動氣缸目的讓耳帶緊緊貼在無紡布上等待焊接，這時S20內的時間繼電器T20開始進行計時；當T20時間到時，啟動狀態S21。在狀態S21中再設置一個時間繼電器。此目的讓推動氣缸將耳帶牢牢貼在無紡布上當T21時間到達時，啟動狀態S30。在S30中，啟動切斷氣缸電磁閥,讓推動氣缸復位；當推動氣缸不再處于前進時，氣缸不再前進信號得電且進入狀態S32；當推動氣缸后退到位后，氣缸后退到位信號得電且進入狀態S40，這時推動超聲波焊接機的大氣缸得到信號，推動大氣缸向前推動；當推動大氣缸到達指定位置后，會觸發一個到位信號。這時啟動狀態S41。因為焊接機已經到位，所以需要我們進行剪料方便焊接。這時就驅動剪料小氣缸目的給耳帶剪到合理長度；當剪料氣缸到位且剪料動作完成后，這時觸發狀態S42。在狀態S42中T42開始計時；當計數器T42到時后，觸發狀態S50。這時焊接機開始得電且開始進行焊接動作。為了防止長時間焊接使過度焊接最終導致出現表面產生傷痕或者裂痕，設計了一個焊接時間繼電器T50。我們可以通過觸摸屏對D4050進行實時更改，一般我們默認值為0.5S。等到計時器到時后，會自動停止焊接工作。在T50到時后，觸發狀態S80。在S80中，將剪料和推動氣缸進行后退復位。提前進行準備工作，觸發推料氣缸。為了防止推動過多的耳帶原料，加入一個計時器T80，當T80到時后，將推料氣缸停止；當推料氣缸到位且推料小氣缸返回原位后，觸發狀態S90。在S90中，有一個計時器T90，進行伺服電機前進的計時。當伺服電機到達指定位置后，一個光感接觸器得到信號，將伺服電機停止，在計數器C220中記一次數表明做完一次工作且返回初始狀態S0，反復運作。2.3.2PLC原理圖電氣原理圖主要是用來進行闡明設備的基本工作原理以及各個電器元件之間相互配合的方式，以及電子電路與電氣結構之間的邏輯關系。學會合理使用以及繪制一份電器原理圖十分有用，可以方便后期的電路故障以及電路定期維修。[6]圖2.1PLC接線線圖2.2電氣原理圖2.3.3端口及軟元件說明對應電氣圖，下面就是對端口的說明：表SEQ表\*ARABIC2.3輸入輸出IO分配表序號輸出元件輸出/輸入地址1啟動按鈕X142停止按鈕X153步進電機1號位置感應X04步進電機2號位置感應X15預拉接近開關1X26預拉接近開關2X37伺服光電開關X48磁性氣缸前進復位到位信號X59磁性氣缸后退復位到位信號X610推進大氣缸后退到位信號X711推進大氣缸前進到位信號X1012推進小氣缸前進到位信號X1113推進小氣缸后退到位信號X1214伺服電機報警信號X1315步進電機脈沖信號輸出Y016伺服電機脈沖信號輸出Y117伺服電機方向Y218切斷氣缸電磁閥Y419推進大氣缸電磁閥前進Y520推進大氣缸電磁閥后退Y621推進小氣缸電磁閥前進Y722推進小氣缸電磁閥后退Y1023焊接機焊接動作Y1124步進電機1使能Y1225步進電機2使能Y1326伺服電機使能Y1427減速電機1轉動輸出Y1528壓線氣缸Y1629減速電機2轉動輸出Y1730斷開壓線氣缸Y20表2.3軟元件IO分配表序號軟元件名稱軟元件符號1手動壓線按鈕M22手動剪線按鈕M43手動大氣缸推進M64手動小氣缸推進M85手動步進電機轉半圈M106手動減速電機轉動3秒M127手動伺服電機轉一圈M148啟動保持M1009初始狀態S010手動壓線進退S211手動剪限進退S412手動推進大氣缸進退S613手動推進小氣缸進退S814手動步進電機轉動半圈S1015手動減速電機轉動3秒S1216手動伺服電機轉一圈S1417壓線S2018壓線后退S2119步進電機拉線S2220減速電機1拉線S2421減速電機1拉線完成等待S2522減速電機2拉線S2623減速電機2拉線完成等待S2724剪斷前進S3025切斷后退S3226大氣缸推進前進S4027氣缸到位延時S4228焊接S5029壓線結束S6030推進氣缸后退S7031伺服電機轉動S9032壓線延時D402033推進氣缸時間間隔D404034焊接時間D405035步進電機頻率D500036伺服電機頻率D5100

3控制系統的選型分析PLC控制系統設計的基本原理控制系統主要目的是為了實現能將被控對象有效地去控制，這樣不僅可以提高工作效率和產品的質量，而且有利于將來的二次更新。因此在設計一個控制系統前需要考慮以下幾點：能夠無限接近滿足被控對象當初設計的要求對于一個控制系統而言，它能否實現設計當初提出的目標，這是評判一個控制系統是否達成功的重要標準。所以在設計一個控制系統，我們需要收集各個數據指標，通過計算各個零部件是否符合我們的預期設想。其次便是需要完成我們的電氣原理圖，將我們預想控制部分與機械部分進行聯系，去分析我們如何更好實現機與電的配合。最后便是我們程序的編寫，在經過前兩道工序后，程序就是將設想變為現實產物。我們需要將邏輯思路通過編程語言譜寫出來，再結合現場的機械配合，不斷完善。最后就可以滿足設計要求擁有優秀的可靠性和安全性一個控制系統擁有長期的可靠性以及安全性對于設計人員而言尤為重要。因此對于設計人員來說，需要通過計算以及通過模擬實驗去檢驗自己使用的電器元件和機械元件是否可以合理地配合，自己的程序是否可以安全地驅動以及長期的使用。檢修和修理方便，元件的價格合理在目前的經濟環境下，一種經濟適用的控制系統是廣大廠家所需求的。為此設計人員，不能只關注于搭配使用的電器元件是不是可以完美搭配，而忽略到其檢修和修理時的難易程度，以及零件的價格。PLC的選型PLC的控制功能概述1．邏輯控制功能邏輯控制功能是作為PLC最基本的功能之一，這也是其應用較為廣泛的功能之一。這是因為其既可以使用像過去傳統的繼電器的觸點吸合控制又可以實現過去繼電器無法達到的自動化控制例如使用設計當初設定的控制指令以及利用一些模擬繼電器來實現計數，時間定時等功能。因此PLC在機械制造業中常常被廣泛利用在生產線或者升級過去的生產線。2．定時控制功能可編程控制器憑借內部的不同功能的定時器模塊，如一些可以實現簡單地時間控制功能，一些可以實現停電自保持功能的特殊計時器。這些計時器不僅減少了成本的需求而且有利于簡便地控制。3．計數控制功能PLC基礎功能還包括計數控制。其中計數器也和定時器相類似，擁有各種普通的計數器和具有特殊功能的計數器4．I/O模塊及點數（1）本體會提供基本符合使用的輸入/輸出端口，這些端口起著橋梁的作用，主要用于進行程序編入，程序拷貝以及程序實時監控。（2）輸入接口這些接口一般用作我們信號的接受功能，例如當我們需要一個限位開關時，一般將其接入輸入端口去進行程序內的控制。（3）輸出接口實現端口弱電信號與強電信號之間的轉換，進而用來滿足工業控制要求5.I/O接口的作用：電平轉換功能：將我們的輸入與輸出的信號轉換成我們所需要的強電或者弱電信號，最終用于系統的控制。PLC輸出類型選擇晶體管和繼電器是目前PLC主要的兩種輸出類型，以下內容介紹晶體管與繼電器之間的主要區別：晶體管輸出繼電器輸出驅動負載晶體管型的是有極性要求，只能接的是24V的電壓。而且在極限電流方面，晶體管型的是0.2-0.3A沒有極性要求的，繼電器可以接受220V或者24V電壓響應時間晶體管型約0.3ms繼電器型15ms使用壽命晶體管型的只有老化現象繼電器型的除了老化，更重要的是它使用壽命的限制并且與負載的容量息息相關表SEQ表\*ARABIC3.1晶體管型與繼電器型的區別本次設計的超聲波口罩焊接機由于需要搭配多個步進電機和伺服電機，因此需要考慮PLC中提供脈沖輸出口是否達到我們需求的數量，所以在查詢資料后，我發現需要選擇T型即帶有晶體管輸出的PLC可以滿足此類需求。再者本次設計中需要較多的輸入端口用來控制焊接機的動作，以及搭配脈沖輸出使用的高速傳送數據指令，最終選用了輸入端口為24的PLC較為合適。在參考三菱官網的PLC選型中以及本次設計多個步進電機以及伺服電機，最終選定了三菱型號為FX3U-48MT的PLC。圖3.1PLC基本尺寸圖產品優勢：一、PLC的脈沖輸出從原先的兩個增加到現在的三個。像之前三菱可編程控制器FX系列（FX3U之前產品：FX1S/FX1N/FX2N）主體脈沖輸出功能為卻只有Y0、Y1兩個（其中FX1S/FX1N為100KHz，FX2N為20KHz），產品FX3U在功能方面增加到三個，分別為Y0、Y1、Y2，頻率為100KHz。[6]二、定位指令增加。FX3U除之前的FX系列的定位指令ABS/ZRN/PLSV/DRVI/DRVA等指令外，增加了DSZR（帶DOG搜索的原點回歸），DVIT（中斷定位），TBL（表格定位）。[8]三、可擴展高速脈沖輸出模塊。模塊FX3U-2HSY-ADP可用在其主體左側擴展作為200KHz的脈沖輸出，連接差動輸入型的伺服電機，可擴展2個模塊，4個獨立軸。項目規格概要電源規格AC100V-240V輸入規格DC24V,5-7mA(無電壓觸點、或者漏型輸入時：NPN開集電極晶體管輸入，源型輸入時：PNP開集電極輸入)輸出規格0.5A/1點、0.8A/4點、1.6A/8點COMDC5V-DC30V指令基本指令27個、步進梯形圖指令2個、應用指令209種運算處理速度基本指令：0.065μS/指令，應用指令：0.0642-數100μS/指令計數器16位計數器：200點，32位計數器：35點表3.2PLC基本規格概要3.3步進電機的選型3.3.1步進電機步進電機是一種將電脈沖訊號轉換為角位移或者線位移的控制電機，即給定子繞組輸入一個電脈沖信號，轉子就會轉過一個角度前進一步，若連續輸入脈沖信號，它就像人走路一樣，一步接著一步地轉過一個角度又一個角度，故稱步進電機。[7]步進電機的優勢在于它的步距角只與轉速和頻率相關，它不受電壓波動和負載變化影響。雖然步進電機每走一步所轉過的角度和理論步距存在一定的誤差，但是步距的累積誤差不會長期的積累。[7]因此，步進電機被廣泛應用于數控機床3.3.2確定步進電機的型號電動機的選擇是否正確對我們之后的控制以及機械配合就有很大影響。當選取的功率小于我們所需要的功率時，電動機無法支持我們的負載，處在超載運行。這不僅會造成無法達到生產預定的目標，而且使電機長期處于一個超載的狀態下，會造成電機損壞的不良后果。當我們所選取的電機功率過大時，雖然大功率可以滿足我們的生產要求，但是這會造成電機勢能過剩以及電機在工作時過熱。[10]力矩計算T=9550P式中P———為步進電機所需功率N———為步進電機的轉速功率計算P=P總式中P———為步進電機所需功率η——為總傳動效率經過計算，將帶子傳遞到工作臺時，約用0.5s時間，而在這0.5s時間內，加速時間約為0.1s，中間勻速運動為0.3s，而減速也是約為0.1s，從帶子總盤到工作臺的直線下降距離約為20cm。由于帶子質量很輕，無法估量其質量，我們便使用模擬實驗得到它最為合理地力。[12]由機械手冊可查出P=F?V(3-5)P為步進電機的功率(kw),F為力(N),V為速度(m/s)v=a?t(3-6)a為加速度，t為時間，根據上述公式以及已知本次電機進行一個半圓形的轉動，所以通過計算得到大概路徑為27.33cm，同時帶入公式可以計算出加速度a為2.186/s，再帶入公式以及模擬實驗分析計算出，所需要的F約為1.5N。[10]根據公式T*W=F*V，其中T為扭矩(N*M),W=πn30單位為rad/min，n為轉速(r/min)根據預設步進電機轉速設定為n=400r/min,型號步距角額定電流相電阻相電感額定轉矩轉子慣量42HS021.8°1.68A1.65Ω3.20mH0.36N.M57g.cm2表3.3步進電機性能參數圖3.2步進電機外觀圖3.3.3步進電機驅動器的選擇步進電機由于它的特性無法直接單獨使用，因此我們必須按照需求配有相應的驅動器才能正常工作。當我們在進行選擇驅動器的時候，首先需要注意的是驅動器的輸出電流是否在我們步進電機的額定電流的范圍內。因此根據以上要求以及通過網上資料，本次設計選用的是與步進電機配套的驅動器是來自于其公司生產的DM542A，首先該驅動器工作電壓處于24v-36v，輸出范圍有1A-4.2A，而在電流方面我們所使用的步進電機的額定電流為1.68A，電流在其輸出范圍內，因此在這兩個方面完全符合要求我們電機的設計要求，而且大小尺寸適合。考慮到步進電機使用環境，結合步進電機驅動器的安全使用溫度以及濕度考慮，本次工作地點是一個小型廠房且在梅雨季節之外，無需考慮到空氣濕度造成的可能性的接觸不良。且在廠房的溫度也不會高于人體正常溫度以外，所以這也在可接受范圍之內。同時我查詢了相關的使用說明書后，得知該驅動器也時常使用在各種小型制造設備以及部分機床改造配合其42步進電機使用。圖3.3步進驅動器外觀示意圖3.4伺服電機選型3.4.1伺服電機在自動控制系統中，伺服電機是執行元件，它將所接收到的電信號轉變為轉軸的角位移或角速度輸出，并帶動控制對象運動，且因為它具有服從信號的特性，故稱作伺服電動機或執行電動機。根據使用電流的分類，我們可以將伺服電機分為直流伺服電機以及交流伺服電機。3.4.2伺服電機選型在本次設計中，考慮到輸送帶主要依靠光電傳感器進行位置控制，便考慮到使用伺服電機。因為伺服電機的機械特性和調節特性好，伺服電機的轉速會隨著控制電壓的變化呈線性關系，可以提高自身控制系統的動態精度。根據步進電機計算公式，我們已知兩個口罩夾具之間的距離大概為6cm，而伺服電機轉動一圈，會使一個完成結束的口罩送走，將一個只完成一半的口罩送到下一個工位，最后再將一個還未加工的口罩運送到開始工位。根據上述可知轉動一圈，電機驅使傳送帶前進48cm。伺服電機轉動一圈為0.3s，其中勻速時間為0.1s,加速度時間為0.1s，減速度時間為0.1s。而一條輸送帶以及輸送帶上的口罩夾具總質量大概在20kg。由機械手冊可查出P=F?V(3-5)P為伺服電機的功率(kw),F為力(N),V為速度(m/s)v=a?t(3-6)根據公式S=12*at2由此可得a=96m/s2，V=9.6m/s代入公式F-F1=ma得到F=188N根據公式T*W=F*V，其中T為扭矩（N*M）,單位為rad/min，n為轉速（r/min）步進電機轉速設定為n=500r/min將F帶入上述公式可得T=15N*m。因此我們選擇來自三菱公司的HF-SP352(B)可以適合使用。3.4.3伺服編碼器選型伺服電機需要搭配其編碼器使用，根據電機選型推薦中，我選用了其三菱公司生產的MR-J3-350A編碼器。因為其輸出電流為16A，符合電機的額定電流選擇。此變頻器具有過電流斷路，過負載斷路，伺服電機過熱保護，編碼器異常保護等功能，這樣不僅有效保護電路以及電機，而且可以及時保護編碼器和發現錯誤現象。我通過查閱其用戶手冊可以發現其對溫度和濕度的要求不高，可以放在工廠中使用。

4控制系統的程序設計4.1PLC程序的編寫超聲波焊接機主要動作為：1、將口罩往前運送，2、當接觸器得到信號，觸發停止運動，使壓線氣缸得電，讓步進電機運轉3、通過剪線氣缸將額定帶子長度剪出，使推料氣缸固定住口罩4、讓焊接機開始預熱準備使用，通過伺服電機轉動讓焊接機向前焊接5、當焊接時間到時，讓焊接機后退，返回初始狀態，繼續下一個口罩焊接4.1.1控制系統PLC程序的流程圖圖4.1PLC流程圖4.2主要動作PLC程序說明4.2.1脈沖輸入指令在設計當初，考慮到PLC和觸摸屏搭配一起使用，可以通過觸摸屏去控制脈沖輸出頻率。在查詢編程手冊后，結合FX3U的一些新的功能，查找到D5000,D5010,D5020和D5100,D5110是一種適用于停電保持專用且適合32位數據的數據寄存器。在這之后，尋找一些PLC編程示范程序，我使用DPLSR指令作為步進電機和伺服電機的脈沖輸入指令。我并且在程序中手動和自動中，分別加了數據更改，讓程序可以在預設中進行。圖4.2脈沖輸入指令4.2.2寄件數程序編寫為了達到每次做完一次數據，我在程序中加入每次伺服電機轉動后驅使一個32位計數器，用來寄存且是否達到我們每日目標。使用下降沿觸發指令，當S90狀態完成后，就可以自動觸發程序，讓程序簡單明了。圖4.3寄件數指令4.2.3急停指令在考慮到現場可能出現多種復雜情況，需要使用急停指令進行保護焊接機以及人員的安全。在主程序開始中加入一個長閉指令，可以安全地停止系統的運行。并且為了使再次啟動時能夠重新計數，分別在程序中加入復位清零指令和在觸摸屏中加入一個清零按鈕。圖4.4急停按鈕

5觸摸屏的繪制軟件介紹本次設計使用的軟件是臺達的DOPSoft4.00.10軟件，該軟件主要有以下功能和特點：1.良好的工業過程可視化，方便人們通過觸摸屏就能控制工序；2.數據可以隨時通過可編程控制器采集和將其管理，每一次運作時都會儲存其中的報警數據以及監控數據。這就有利于我們實時監控以及修正；3.可以通過已知數據生成相關表格，這就有利于我們的管理。由于其可以配套搭配上使用來自臺達的DOP107WV觸摸屏，方便通信以及實時更改觸摸屏的畫面。觸摸屏的選型本次設計選用的是信捷電氣有限公司的DOP100系列觸摸屏。在信捷TP,TH等眾多型號中，它具有一些基礎功能，如字體的設置，動畫功能，加密功能，獨立雙扣通訊功能等，但除了這些還有一些相對于TP加強的功能，比如立體圖庫功能，觸摸區的校準功能，USB數據的下載和備份功能等等這些都是選擇它的原因。本次的觸摸屏具體型號為：DOP107WV。觸摸屏操作說明操作使用說明：當觸摸屏開機會出現主頁面，包括操作設備名圖5.1觸摸屏主頁點擊進入系統后，會轉移到監控畫面，在監控畫面中我們可以選擇