高速打印机控制系统设计_带图纸
高速打印机控制系统设计[20191210110411]
摘 要
本文介绍了铅笔高速打印机的应用和发展以及研究铅笔高速打印机的意义。讲述铅笔高速打印机控制系统设计的思路和方法，分析每个动作的步骤，提出了达成该要求的元件的选择，绘制出了电气控制系统原理框图，电子元器件布置图，面板布置图和电气接线图，简述了各电气元件的选择过程以及对各元件的技术参数做了介绍，从而设计出一台完整高效的高速打印机，利用电脑把它与触摸屏连接起来，进行快捷方便的操作。最后经过调试，使系统满足设计要求。
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关键字:铅笔高速打印机PLC控制触屏系统设计
目录
1 绪论 1
1.1高速打印机控制系统的发展和运用 1
1.2 改进铅笔打印机的目的和意义 1
2 控制系统的设计要求以及设计方案 3
2.1控制系统的设计要求 3
2.2 控制系统的设计方案 4
2.3 控制系统的电气原理图 5
2.3.1 控制系统原理框图 5
2.3.2 控制系统的PLC原理图 5
2.3.3 电气元件的布置示意图 7
2.4 主电路以及各接线路图 8
2.4.1 主电路电路图 8
2.4.2 PLC与各部分接线图 9
3 控制系统的电气分析 10
3.1 PLC的选用 10
3.1.1 PLC概述 10
3.1.2 PLC与单片机的对比 10
3.2 主电机选择 12
3.2.1 选择主电动机的类型 12
3.2.2 计算主电动机额定功率 13
3.2.3 确定主电动机的型号 15
3.3 变频器的选择 15
3.4 伺服电机的选用 17
3.4.1伺服电机概念 17
3.4.2 步进电机与伺服电机对比 17
3.4.3 伺服电机的计算选择 18
3.5 伺服驱动器的选用 20
3.6 光电传感器的选用 22
3.7 人机界面 22
3.8 开关电源 24
3.9 电位器 25
4 控制系统的程序设计 27
4.1 控制系统PLC程序的编写 27
4.1.1 PLC程序的动作要求 27
4.1.2 编程软件简介 27
4.1.3 控制系统PLC程序的流程图 27
4.1.4 控制系统的PLC程序 27
4.2 高速打印机的建模 31
4.2.1 SolidWorks简介 31
4.2.2建模 31
5 TouchWin编辑工具的编辑 33
5.1 TouchWin编辑工具的介绍 33
5.2 TouchWin编程工具的编辑 33
参考文献 46
致谢 47
附录1：PLC梯形图 48
1 绪论
1.1高速打印机控制系统的发展和运用
铅笔的发展历史，假如从欧洲的放牧人用炭棒在野外的地上画画，写字起头推测，大概超过十几世纪了。
但是，现代世界铅笔制造业的规模和制笔的工艺和成就应该指是从18世纪中叶。欧洲的几位先驱者建立了以木加工为主体的家庭式铅笔制造作坊，他们花了人力、物力、财力和他们的聪明才智，花了几乎一个世纪的努力，铅笔制造业发展了，技术也得到了进步。
现在的铅笔制造工艺应该是到20世纪初期就基本定型，不管您走到国内和国外的大小铅笔厂，其生产流程和工序基本是相同的，有所不同的只是装备有好有坏与管理师管理理念的先进还是落后。
在整个的制笔过程中，铅笔打印机是必不可少的部分。它可以在笔杆的对称表面上印制标记，也可进行单面的印制标记。这种机器具有印箔间歇输送和回收，钢印温度可调等功能。
其中一种比较常用的打印方法叫做钢印热压法。铅笔由送笔机构送出送入笔杆定位座。把钢印模装入钢印夹具的槽内，钢印座配置了热电管，利用热传导加热钢印模。彩色卷箔装入放箔架上，卷箔按照设定路线通过导辊，同时间断的送箔辊，绕在卷箔轴上。当压印机构向笔杆定位座运动时，加热的钢印模推向卷箔上的色彩按钢印上刻制的图案和文字热压制在铅笔的表面。间歇送箔辊是由摩擦式棘轮机构带动的。
1.2 改进铅笔打印机的目的和意义
高速打印机的改进是对传统制笔机械行业的整体改进，使制笔饥械更加有效率，更加方便，更加稳定。由于对高速打印机的改进，使制笔行业发展更加迅猛，从而满足国民对铅笔的需求，达到了人们对高质量铅笔的期望。如今改进后的高速打印机加入了世界一些高技术的科技，是其更加智能化，更加便捷化。由于改进后的高速打印机，使得原本由老机器制造出来的不合格的铅笔的数量大大下降，很大的节约了木材。对于世界现在这样树木越来越少的状态下，减少木材的浪费是很有必要，也是很有益的一个举动。一支铅笔虽小，但是全球六十亿人口每年对铅笔的需求是非常大的。积少成多，积流成河。正是减少了铅笔机在铅笔加工中的浪费，才使得一大片树林没有被废弃掉。
如今的铅笔机造出来的很多次品大量涌入市场，对于目前中国考试都是用2B铅笔填涂答题卡的现状，更加应该对铅笔机械进行升级完善。因为如果在考试中考生所用来填涂答题卡的铅笔由于质量不达标，而使批阅机器无法识别，导致其成绩不理想，那么对于该考生及其家庭甚至于社会都是很大的损失。
2 控制系统的设计要求以及设计方案
2.1控制系统的设计要求
本次的系统设计是对铅笔的侧面进行打印，而且是在一分钟内可以达到完成300支铅笔打印的工作。当伺服电机启动后，带动转盘（转盘被分成16格，每格被开了铅笔大小的槽，每转动一下即转动22.5度）转动一格，转盘带动槽内铅笔转到刚好正对打印头打过来的地方，当感应器感应到铅笔已经正好就位且打印头上温控仪也检测到打印头的温度达到打印要求后，打印头开始打印，当打印头完成一次打印后，向内回缩，另一个感应器感应到它的回缩，此时，转盘在转动一格，带动下一个铅笔来到打印位置，然后打印头继续打印，这样一直循环打印。此次设计中还包含了滚筒每周的感应，以检测滚筒所转角度是否偏移。
当出现故障时，有急停按钮，但按下急停按钮，整个系统停止运行。此时要想恢复工作可按下复位按钮，当检测到复位到位后，系统正常开始运行。当出现报警信号后，系统也会停止工作，并且报警灯（红色）会亮起。正常运行时，绿灯常亮着。
根据设计要求，可以将此次设计分解为以下几个步骤：
第1步：转盘带动铅笔转动；
第2步：打印头打印；
第3步：打印头回缩；
第4步：转盘向下转动。
分解下来就是几个很简单的步骤，转盘的转动可以通过伺服电机进行带动；打印头的打印和回缩可通过变频交流电机来完成，打印头上加个电阻丝，通过电流对其进行加热，然后温度仪来完成其温度的控制，再加上一些光电感应器对铅笔位置，滚筒位置等信号的控制，从而一起完成设计要求。
主要电器元件如表2.1所示：
表2.1 主要电气元件表
序号 设备名称 规格型号 数量 品牌
1 PLC控制系统 XC3-24T-E型PLC 1套 信捷
2 继电器 JXZ-3Z 3个 台达
3 变频器 VB3-40P7 1台 信捷
4 伺服驱动器 DS2-45P5-A 1台 信捷
5 光电传感器 E3F3-R11 2个 欧姆龙
6 接线端子 TD-1530 2条 台达
7 开关按钮 绿色（带灯）、红色 4只 施耐德
8 走线槽 25*30 5米 台湾日成
9 铝合金型材及辅件 型材、螺母、端盖 1套 大连伊通
10 人机界面 TH765-N 1台 信捷
11 开关电源 NES-100-24 1台 明纬
12 电位器 RV24YN-20S 1个 丰正
13 温控扩展模块 XC-E6PT-P 1台 信捷
2.2 控制系统的设计方案
设计方案：通过PLC软件对系统程序进行编辑，再通过实验室里人机触屏界面进行连接，然后加上操作按钮进行控制，达到相统一的地步。如图2.2.1所示：
图2.1 设计方案示意图
2.3 控制系统的电气原理图
2.3.1 控制系统原理框图
由所选择的实验方案和各种元器件，设计出如下控制系统原理框图，如图2.2所示。通过操作台上的各种按钮﹑旋钮，向PLC发出指令；信号由PLC处理并经过标准的传输接线端子传递，实现变频电机和伺服电机的控制；同时，各类传感器通过数据线接线终端向PLC传输开关信号。
控制系统原理框图如图2.2所示：
图2.2 控制系统原理框图
2.3.2 控制系统的PLC原理图
根据PLC的I/O性能，在选定的表，得出以下PLC原理图，见图2.3。输入部分有24V电源(COM)、变频开关(X0)、伺服开关(X1)、急停开关(X2)、计数开关(X3)、复位(X4)、伺服报警(X5)、每周感应(X6)、复位到位(X7)、温控仪(X10)和打印头回程开关(X11)；输出部分有24V电源、变频驱动(Y0)、伺服脉冲(Y1)、伺服驱动(Y2)、报警灯(Y3)、运行灯(Y4)、计数器（Y5）、温控扩展模块第0通道PID启用和关闭（Y100）。
输入输出对照表如表2.2所示：
表2.2 I/O分配表
序号输入、输出元件输入输出地址
1变频器启动X0
2等分转动X1
3停止X2
4计数X3
5复位X4
6伺服报警X5
7转格到位X6
8复位到位X7
9温控X10
10打印头回程感应X11
11变频驱动Y0
12伺服脉冲Y1
13伺服驱动Y2
14报警灯Y3
15运行灯Y4
16PT100铂热电阻Y5
17第0通道PID启用/关闭Y100
18计数器C0
当PLC的输入输出都知道后，就需要去看虑把所有的元器件和PLC进行正确的连接，只有把PLC的输入输出都准确接对了，才能够去让PLC实现设计要求。本次设计的PLC原理图如图2.3所示：
图2.3 PLC原理图
设计中需要有温控扩展模块，所以必须加入扩展模块，扩展模块的接线如图2.4所示：
2.4 扩展模块接线
2.3.3 电气元件的布置示意图
工业生产中，每台机器都有它的控制柜，控制柜内部的电器的布置不但要美观，还要把所以电器容乃进去，更要保证接线的方便。本设计的控制柜布置如图2.5所示：
图2.5 电气元件控制板布置示意图
控制按钮是采用人机界面和实体按钮组成，TH765人机界面是由TouchWin编辑工具（信捷旗下的人机界面的编辑程序）进行编辑。实体按钮部分如图2.6所示：
图2.6 控制面板开关布置示意图
由TouchWin编辑（编辑步骤见第5章）出来的人机界面上的如图2.7所示：
图2.7 人机界面
2.4 主电路以及各接线路图
2.4.1 主电路电路图
一个电路的主电路是这个电路实现设计要求的支柱，只有把主电路确定好，再接着根据设计要求去完成控制电路的设计，加入电气元件，组成完整的电路。本次设计的主电路图如图2.8所示：
图2.8 主电路图
2.4.2 PLC与各部分接线图
由于本次控制电路都是接在PLC上，以PLC为基准搭建起来的电路，加上各个电器的连接，只有接线正确才能实现所设计的要求，本次设计的接线图如图2.9所示：
图2.9 PLC与各部分接线图
3 控制系统的电气分析
3.1 PLC的选用
3.1.1 PLC概述
PLC就是可编程控制器（Programmable Logic Controller），指的是以计算机技术作为基础的新式工业控制的装置。在1988年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁发的PLC准则草案中对PLC做了以下的定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文的全称是可编程逻辑控制器，给它的定义是：一种数字运算操纵的电子系统，专门是为在工业环境中使用而设计出来的。为了其内部的保存流程，它选用一类可编程的存储器，从而实现实行定时、逻辑运算、算术操纵、计数与顺序掌管等面向用户的指令，并且利用顺序掌管或数字顺序掌管输入/输出来对各种类型的机器或生产过程进行控制。
摘 要
本文介绍了铅笔高速打印机的应用和发展以及研究铅笔高速打印机的意义。讲述铅笔高速打印机控制系统设计的思路和方法，分析每个动作的步骤，提出了达成该要求的元件的选择，绘制出了电气控制系统原理框图，电子元器件布置图，面板布置图和电气接线图，简述了各电气元件的选择过程以及对各元件的技术参数做了介绍，从而设计出一台完整高效的高速打印机，利用电脑把它与触摸屏连接起来，进行快捷方便的操作。最后经过调试，使系统满足设计要求。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:铅笔高速打印机PLC控制触屏系统设计
目录
1 绪论 1
1.1高速打印机控制系统的发展和运用 1
1.2 改进铅笔打印机的目的和意义 1
2 控制系统的设计要求以及设计方案 3
2.1控制系统的设计要求 3
2.2 控制系统的设计方案 4
2.3 控制系统的电气原理图 5
2.3.1 控制系统原理框图 5
2.3.2 控制系统的PLC原理图 5
2.3.3 电气元件的布置示意图 7
2.4 主电路以及各接线路图 8
2.4.1 主电路电路图 8
2.4.2 PLC与各部分接线图 9
3 控制系统的电气分析 10
3.1 PLC的选用 10
3.1.1 PLC概述 10
3.1.2 PLC与单片机的对比 10
3.2 主电机选择 12
3.2.1 选择主电动机的类型 12
3.2.2 计算主电动机额定功率 13
3.2.3 确定主电动机的型号 15
3.3 变频器的选择 15
3.4 伺服电机的选用 17
3.4.1伺服电机概念 17
3.4.2 步进电机与伺服电机对比 17
3.4.3 伺服电机的计算选择 18
3.5 伺服驱动器的选用 20
3.6 光电传感器的选用 22
3.7 人机界面 22
3.8 开关电源 24
3.9 电位器 25
4 控制系统的程序设计 27
4.1 控制系统PLC程序的编写 27
4.1.1 PLC程序的动作要求 27
4.1.2 编程软件简介 27
4.1.3 控制系统PLC程序的流程图 27
4.1.4 控制系统的PLC程序 27
4.2 高速打印机的建模 31
4.2.1 SolidWorks简介 31
4.2.2建模 31
5 TouchWin编辑工具的编辑 33
5.1 TouchWin编辑工具的介绍 33
5.2 TouchWin编程工具的编辑 33
参考文献 46
致谢 47
附录1：PLC梯形图 48
1 绪论
1.1高速打印机控制系统的发展和运用
铅笔的发展历史，假如从欧洲的放牧人用炭棒在野外的地上画画，写字起头推测，大概超过十几世纪了。
但是，现代世界铅笔制造业的规模和制笔的工艺和成就应该指是从18世纪中叶。欧洲的几位先驱者建立了以木加工为主体的家庭式铅笔制造作坊，他们花了人力、物力、财力和他们的聪明才智，花了几乎一个世纪的努力，铅笔制造业发展了，技术也得到了进步。
现在的铅笔制造工艺应该是到20世纪初期就基本定型，不管您走到国内和国外的大小铅笔厂，其生产流程和工序基本是相同的，有所不同的只是装备有好有坏与管理师管理理念的先进还是落后。
在整个的制笔过程中，铅笔打印机是必不可少的部分。它可以在笔杆的对称表面上印制标记，也可进行单面的印制标记。这种机器具有印箔间歇输送和回收，钢印温度可调等功能。
其中一种比较常用的打印方法叫做钢印热压法。铅笔由送笔机构送出送入笔杆定位座。把钢印模装入钢印夹具的槽内，钢印座配置了热电管，利用热传导加热钢印模。彩色卷箔装入放箔架上，卷箔按照设定路线通过导辊，同时间断的送箔辊，绕在卷箔轴上。当压印机构向笔杆定位座运动时，加热的钢印模推向卷箔上的色彩按钢印上刻制的图案和文字热压制在铅笔的表面。间歇送箔辊是由摩擦式棘轮机构带动的。
1.2 改进铅笔打印机的目的和意义
高速打印机的改进是对传统制笔机械行业的整体改进，使制笔饥械更加有效率，更加方便，更加稳定。由于对高速打印机的改进，使制笔行业发展更加迅猛，从而满足国民对铅笔的需求，达到了人们对高质量铅笔的期望。如今改进后的高速打印机加入了世界一些高技术的科技，是其更加智能化，更加便捷化。由于改进后的高速打印机，使得原本由老机器制造出来的不合格的铅笔的数量大大下降，很大的节约了木材。对于世界现在这样树木越来越少的状态下，减少木材的浪费是很有必要，也是很有益的一个举动。一支铅笔虽小，但是全球六十亿人口每年对铅笔的需求是非常大的。积少成多，积流成河。正是减少了铅笔机在铅笔加工中的浪费，才使得一大片树林没有被废弃掉。
如今的铅笔机造出来的很多次品大量涌入市场，对于目前中国考试都是用2B铅笔填涂答题卡的现状，更加应该对铅笔机械进行升级完善。因为如果在考试中考生所用来填涂答题卡的铅笔由于质量不达标，而使批阅机器无法识别，导致其成绩不理想，那么对于该考生及其家庭甚至于社会都是很大的损失。
2 控制系统的设计要求以及设计方案
2.1控制系统的设计要求
本次的系统设计是对铅笔的侧面进行打印，而且是在一分钟内可以达到完成300支铅笔打印的工作。当伺服电机启动后，带动转盘（转盘被分成16格，每格被开了铅笔大小的槽，每转动一下即转动22.5度）转动一格，转盘带动槽内铅笔转到刚好正对打印头打过来的地方，当感应器感应到铅笔已经正好就位且打印头上温控仪也检测到打印头的温度达到打印要求后，打印头开始打印，当打印头完成一次打印后，向内回缩，另一个感应器感应到它的回缩，此时，转盘在转动一格，带动下一个铅笔来到打印位置，然后打印头继续打印，这样一直循环打印。此次设计中还包含了滚筒每周的感应，以检测滚筒所转角度是否偏移。
当出现故障时，有急停按钮，但按下急停按钮，整个系统停止运行。此时要想恢复工作可按下复位按钮，当检测到复位到位后，系统正常开始运行。当出现报警信号后，系统也会停止工作，并且报警灯（红色）会亮起。正常运行时，绿灯常亮着。
根据设计要求，可以将此次设计分解为以下几个步骤：
第1步：转盘带动铅笔转动；
第2步：打印头打印；
第3步：打印头回缩；
第4步：转盘向下转动。
分解下来就是几个很简单的步骤，转盘的转动可以通过伺服电机进行带动；打印头的打印和回缩可通过变频交流电机来完成，打印头上加个电阻丝，通过电流对其进行加热，然后温度仪来完成其温度的控制，再加上一些光电感应器对铅笔位置，滚筒位置等信号的控制，从而一起完成设计要求。
主要电器元件如表2.1所示：
表2.1 主要电气元件表
序号 设备名称 规格型号 数量 品牌
1 PLC控制系统 XC3-24T-E型PLC 1套 信捷
2 继电器 JXZ-3Z 3个 台达
3 变频器 VB3-40P7 1台 信捷
4 伺服驱动器 DS2-45P5-A 1台 信捷
5 光电传感器 E3F3-R11 2个 欧姆龙
6 接线端子 TD-1530 2条 台达
7 开关按钮 绿色（带灯）、红色 4只 施耐德
8 走线槽 25*30 5米 台湾日成
9 铝合金型材及辅件 型材、螺母、端盖 1套 大连伊通
10 人机界面 TH765-N 1台 信捷
11 开关电源 NES-100-24 1台 明纬
12 电位器 RV24YN-20S 1个 丰正
13 温控扩展模块 XC-E6PT-P 1台 信捷
2.2 控制系统的设计方案
设计方案：通过PLC软件对系统程序进行编辑，再通过实验室里人机触屏界面进行连接，然后加上操作按钮进行控制，达到相统一的地步。如图2.2.1所示：
图2.1 设计方案示意图
2.3 控制系统的电气原理图
2.3.1 控制系统原理框图
由所选择的实验方案和各种元器件，设计出如下控制系统原理框图，如图2.2所示。通过操作台上的各种按钮﹑旋钮，向PLC发出指令；信号由PLC处理并经过标准的传输接线端子传递，实现变频电机和伺服电机的控制；同时，各类传感器通过数据线接线终端向PLC传输开关信号。
控制系统原理框图如图2.2所示：
图2.2 控制系统原理框图
2.3.2 控制系统的PLC原理图
根据PLC的I/O性能，在选定的表，得出以下PLC原理图，见图2.3。输入部分有24V电源(COM)、变频开关(X0)、伺服开关(X1)、急停开关(X2)、计数开关(X3)、复位(X4)、伺服报警(X5)、每周感应(X6)、复位到位(X7)、温控仪(X10)和打印头回程开关(X11)；输出部分有24V电源、变频驱动(Y0)、伺服脉冲(Y1)、伺服驱动(Y2)、报警灯(Y3)、运行灯(Y4)、计数器（Y5）、温控扩展模块第0通道PID启用和关闭（Y100）。
输入输出对照表如表2.2所示：
表2.2 I/O分配表
序号输入、输出元件输入输出地址
1变频器启动X0
2等分转动X1
3停止X2
4计数X3
5复位X4
6伺服报警X5
7转格到位X6
8复位到位X7
9温控X10
10打印头回程感应X11
11变频驱动Y0
12伺服脉冲Y1
13伺服驱动Y2
14报警灯Y3
15运行灯Y4
16PT100铂热电阻Y5
17第0通道PID启用/关闭Y100
18计数器C0
当PLC的输入输出都知道后，就需要去看虑把所有的元器件和PLC进行正确的连接，只有把PLC的输入输出都准确接对了，才能够去让PLC实现设计要求。本次设计的PLC原理图如图2.3所示：
图2.3 PLC原理图
设计中需要有温控扩展模块，所以必须加入扩展模块，扩展模块的接线如图2.4所示：
2.4 扩展模块接线
2.3.3 电气元件的布置示意图
工业生产中，每台机器都有它的控制柜，控制柜内部的电器的布置不但要美观，还要把所以电器容乃进去，更要保证接线的方便。本设计的控制柜布置如图2.5所示：
图2.5 电气元件控制板布置示意图
控制按钮是采用人机界面和实体按钮组成，TH765人机界面是由TouchWin编辑工具（信捷旗下的人机界面的编辑程序）进行编辑。实体按钮部分如图2.6所示：
图2.6 控制面板开关布置示意图
由TouchWin编辑（编辑步骤见第5章）出来的人机界面上的如图2.7所示：
图2.7 人机界面
2.4 主电路以及各接线路图
2.4.1 主电路电路图
一个电路的主电路是这个电路实现设计要求的支柱，只有把主电路确定好，再接着根据设计要求去完成控制电路的设计，加入电气元件，组成完整的电路。本次设计的主电路图如图2.8所示：
图2.8 主电路图
2.4.2 PLC与各部分接线图
由于本次控制电路都是接在PLC上，以PLC为基准搭建起来的电路，加上各个电器的连接，只有接线正确才能实现所设计的要求，本次设计的接线图如图2.9所示：
图2.9 PLC与各部分接线图
3 控制系统的电气分析
3.1 PLC的选用
3.1.1 PLC概述
PLC就是可编程控制器（Programmable Logic Controller），指的是以计算机技术作为基础的新式工业控制的装置。在1988年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁发的PLC准则草案中对PLC做了以下的定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文的全称是可编程逻辑控制器，给它的定义是：一种数字运算操纵的电子系统，专门是为在工业环境中使用而设计出来的。为了其内部的保存流程，它选用一类可编程的存储器，从而实现实行定时、逻辑运算、算术操纵、计数与顺序掌管等面向用户的指令，并且利用顺序掌管或数字顺序掌管输入/输出来对各种类型的机器或生产过程进行控制。
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