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'皮革性能指标测量仪控制系统设计陕西科技大学毕业设计（论文）任务书机电工程学院机械设计制造及其自动化专业机械106班级学生：田辉题目：皮革性能指标测量仪控制系统设计毕业设计（论文）从2014年2月24日起到2014年6月22日课题的意义及培养目标：毕业设计是大学阶段最后一个教学与实践相结合的环节，是大学期间所学知识的综合检验。目前皮革行业对皮革柔度等性能指标测试，仍然大量采用专业技师的主观感觉判断，即便使用仪器检测，这些设备为手工操作，一般只能进行皮革单项皮革性能检测，而且设备价格昂贵，且难以满足现场检测和实验室检测的要求。本课题研究目标，将皮革压缩、弯曲、顶伸性能检测相集成，做到一机多能，操作简便，实现皮革参数的无损伤测量，为利用测得的物理数据，对皮革柔软性、延展性、手感丰满性、弹性等指标，进行描述创造检测手段。课题需要研究检测方法的设计、检测机械装置的设计、控制系统设计以及人机操作界面系统设计。本课题强调实践能力的培养，培养学生新产品开发的能力，以及熟练掌握文献检索、写作的能力。设计（论文）所需收集的原始数据与资料：1.收集皮革性能表征的相关资料，了解检测方法和研究现状2.可编程序控制器原理及应用，吴忠俊编著，机械工业出版社3.田宇主编，伺服与运动控制系统设计4.存储测试技术（数据检测与存储） 5.人机设备HMI应用、电气控制、机电系统设计等课题的主要任务（需附有技术指标要求）：完成资料整理，提出测量仪检测控制方案，完成开题报告（3月30日）；根据方案机构草图，设计实现测量皮革的拉伸变形和弯曲变形的电气控制系统，实现触摸屏操控与显示，完成伺服与检测系统设计、实现数据存储。要求完成设计方案和机械装置全部图纸；撰写1.5万字的说明书；翻译3000字的专业技术文章（5月1日）。（1）测量仪机械系统装配图0号图（2）测量仪控制系统电路图0号图（3）PLC控制程序程序文本（4）人机界面程序程序截图（5）设计记录工作笔记主要技术要求：试样皮革：φ300mm；压力量程:0-50N;分辨率<=0.5N;皮革厚度量程：0-2mm;分辨率<=0.01mm;顶伸行程：0-50mm。设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周次设计（论文）任务及要求第1周课题设计方案讨论第2、3周毕业实习、收资第4周提出设计方案，绘制控制系统方框图，开题第5~14周确定检测系统、PLC控制系统、HMI、数据存储设计、第15周整理设计说明书第16周毕业答辩学生：日期：指导教师：日期： 教研室主任：日期： III皮革性能指标测量仪控制系统设计摘要目前皮革行业对皮革柔度等性能指标测试，仍然大量采用专业技师的主观感觉判断，即便使用仪器检测，这些设备为手工操作，一般只能进行皮革单项皮革性能检测，而且设备价格昂贵，且难以满足现场检测和实验室检测的要求。本课题研究目标，将皮革压缩、弯曲、顶伸性能检测相集成，做到一机多能，操作简便，实现皮革参数的无损伤测量，为利用测得的物理数据，对皮革柔软性、延展性、手感丰满性、弹性等指标，进行描述创造检测手段。该仪器包括机械系统、运动控制系统以及检测系统组成。首先，根据皮革性能指标检测的运动要求，采用Solidworks2010作为设计平台，完成该测量系统的本体设计、传感器夹持装置设计，为控制系统设计和检测系统提供载体。其次，根据皮革性能指标检测的运动要求，采用 Siemens PLC200cpu224xp为控制器，使用V4.0STEP7Micro-WINSP6作为控制程序编程软件。采用Siemens Smart700IE触摸屏，使用SIMATICWinccflexible2008作为触摸屏程序编程软件。之后，完成检测系统设计，该系统也包括硬件和应用程序两个部分。硬件结构组成主要包括PLC及外围电路、光栅位移传感器、力传感器和力变送器、步进电机和步进电机驱动器。用SIMATICWinccflexible2008作为数据采集、处理、存储。最后，完成上述三个系统的融合，通过PLC发出脉冲信号PUL对步进电机进行转角控制，发出方向信号DIR对步进电机进行方向控制，完成步进电机正、反转与加、减速控制，通过压力传感器和光栅位移传感器进行同步数据采集传给PLC、PLC与触摸屏通信进行数据处理与存储。这样就完成了对皮革进行压缩性能、顶伸性能、弯曲性能的检测。关键词：Siemens PLC，触摸屏，皮革性能指标，光栅尺，压力传感器，步进电机 IIILEATHERPERFORMANCEINDICATORSMEASURINGINSTRUMENTCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTTheleatherindustryofleathersoftnessperformanceindexessuchastesting,isstillalargenumberofUSESthesubjectivejudgmentofprofessionaltechnicians,evenuseinstrumenttesting,thesedevicesformanualoperation,generallyonlysingleleatherperformancetesting,andtheequipmentisexpensive,anddifficulttomeettherequirementsoffieldtestandlaboratorytests.Thistopicresearchgoal,theleathercompression,bending,stretchingperformancetestingintegration,doonemachinecan,simpleoperation,realizethenon-invasivemeasurementofleatherparameters,fortheuseofphysicaldata,theleathersoftness,ductility,feelplump,elasticandotherindicators,createexaminationmethodisdescribed.Theinstrumentincludesthemechanicalsystem,motioncontrolsystemandtestingsystem.Firstofall,accordingtotherequirementsoftheleatherperformancetestingmovement,usingSolidworks2010asdesignplatform,completetheontologyofthemeasurementsystemdesign,thesensorclampingdevicedesign,designforcontrolsystemandtestingsystemtoprovidethecarrier.Secondly,accordingtotherequirementsoftheleatherperformancetestingmovement,usingSiemensPLC200cpu224xpasthecontroller,byV4.0STEP7Micro-WINSP6ascontrolprogrammingsoftware.ThedesignusesSiemensSmart700HMIIE,usingSIMATICWinccflexible2008programmingsoftwareasHMI.Afterfinishtestsystemdesign,thesystemalsoincludestwopartsofhardwareandapplication.HardwarestructureconsistsofPLCandperipheralcircuit,thegratingdisplacementsensor,forcesensorandtheforcetransducer,steppermotorandsteppermotordrives,bySIMATICWinccflexible2008asdataacquisition,processing,storage.Finally,tocompletetheabovethreesystemsintegration,throughthePLCsignalpulsePULAnglecontrolforsteppingmotorsignaldirectionDIRtocontrolthedirectionofsteppermotor,steppermotoris,inversionandplus,decelerationcontrol,throughthepressuresensorandgratingdisplacementsensorsynchronousdataacquisitiontoPLC,PLCandtouchscreencommunicationdataprocessingandstorage.Thiscompletesthecompressionperformanceofleather,stretching,bendingperformancetesting. IIIKEYWORDS：SiemensPLC,touchscreen,leatherperformanceindicators,gratingruler,pressuresensor,steppermotor III 79皮革性能指标测量结构仪设计1绪论1.1课题的目的和意义皮革柔软、丰满、弹性等皮革性能指标是皮革质量好坏的重要描述概念，并且决定了皮革的品级。我国目前虽然每年皮革年产很大，但并不是该行业领域的生产强国网，原因在于品质难于把握，从而使得价格方面与发达国家相比仍处于弱势。目前皮革行业对皮革柔度等性能指标测试，仍然大量采用专业技师的主观感觉判断，即便使用仪器检测，这些设备为手工操作，一般只能进行皮革单项皮革性能检测，而且设备价格昂贵，且难以满足现场检测和实验室检测的要求。本课题研究目标，将皮革压缩、弯曲、顶伸性能检测相集成，做到一机多能，操作简便，实现皮革参数的无损伤测量，为利用测得的物理数据，对皮革柔软性、延展性、手感丰满性、弹性等指标，进行描述创造检测手段。皮革性能指标检测的自动化、集成化是皮革行业发展的迫切要求。1.2国内外现阶段发展水平成都科技大学的苏真伟教授研制的皮革柔软度测定仪、四川大学的李志强教授提出了皮革柔软度的测定方法及陕西科技大学的张晓镭教授研制的皮革柔软度和丰满度测量分级装置等，都为我国皮革检测方面的研究打下了坚实的基础。国外有关皮革感官特性参数测试仪器的研究工作相对比我国比较早。在1988年印度的B.Lokanadam等建立压缩指数的数学模型，研究了压缩指数和皮革柔软度的Kellert等人借鉴造纸工业中纸张僵硬度测定仪测定皮革的柔软度；1993年，英国皮革技术中心(BI-C)的Alexander根据顶伸的力学特点，研制出商业化的柔软度测试仪(BI。CSn300)，该仪器的测试值为一个固定压力下皮革的顶伸高度，测试过程中不损伤皮革，操作简单，目前此类产品已经实现了国产化过程。近年来德国，El本等国对皮革感官作了很多的研究工作。其中，德国根据在顶压作用下挠曲变形来研究皮革感官特性参数。但是目前皮革行业使用的皮革力学性能测试仪器多从国外进口，国外生产厂家对我们进行技术保密。同时这些设备多为手工操作，一般只能进行皮革压缩性能检测、弯曲性能检测及顶伸性能检测中单项指标的检测，而且设备昂贵。由于发达国家对皮革检测仪器研究持续时间长，故在该领域已经走在了时代的前沿。而我国对皮革检测仪器研究投入的人力和物力均不足，使得国产皮革检测仪器长期处于低水平徘徊。国产皮革性能指标检测的自动化、集成化是皮革行业发展的迫切要求。目前，对于皮革柔软性能、丰满性能、弹性性能等指标的测量主要运用传统的人工 79皮革性能指标测量结构仪设计检测方法。1.3皮革性能检测方法皮革的感官特性是人们在长期实践中对皮革的触觉和视觉综合性能的概括，是人手触摸皮革和人眼观看皮革的感觉综合反映，它包括柔软度，弹性度，丰满度等一系列的感受，因此它是一种感官特征。评价皮革的感官特性一直是沿用皮革检测人员的感观检验方法，眼看手摸。从而评定结果受到个人的专业技能、文化素养、脾性喜好，甚至民族风俗等多种主观因素以及环境条件等客观因素的影响。其评定结果用语言，文字或者图表表达，既没有统一的标准又缺乏规范的词汇，难以进行相互交流。即便使用仪器检测，这些设备为手工操作，一般只能进行皮革单项皮革性能检测，而且设备价格昂贵，且难以满足现场检测和实验室检测的要求。为此，可以将PLC技术引入皮革压缩性等指标的测试。利用该技术，可以将皮革压缩性能检测、皮革弯曲性能检测以及皮革顶伸性能检测相集成，做到一机多能，操作简便，数据可以以图片的方式显示，也可以存储、打印。这样仪器若研制成功，不但可以替代进口产品，并且可以继承多种单项仪器的功能。与单片机，采用PLC有以下几大优势：（a）PLC编程简单，逻辑性强，上手容易；单片机编程复杂，较难上手；（b）PLC抗干扰能力较强，可以直接运用到工业场合；单片机必须增加很多外部电路，同时在软件中采取措施，才能达到实际运用中抗干扰的目地，所有这些还需要丰富的经验才能完成，否则整个项目可能功亏一篑；（c）近几年，PLC的功能已经在原来仅用于逻辑控制的基础上有飞跃的扩展，在各个领域大量取代单板机，逐步成为一般工控系统的主流；（d）PLC为模块化系统，比单片机更容易维修、升级程序或更换硬件；1.4本课题主要内容本课题设计了具有1个自由度的精密机械机构平台，利用V4.0STEP7Micro-WINSP6和SIMATICWinccflexible2008作为软件开发平台，以Siemens PLC200cpu224xp和Siemens Smart700IE为主控元件、步进电机以及步进电机驱动器作为运动控制部分、光栅尺和压力传感器以及外围设备组成的系统作为数据采集部分，通过PLC发出高速脉冲给步进电机驱动器，步进电机驱动器控制步进电机运动，步进电机控制滑台丝杠旋转，丝杠螺母上连接有测力传感器，力传感器和光栅传感器同步运行，力传感器上可以连接压缩侧头、顶伸侧头、弯曲侧头、这样就可以完成整个控制系统。 79皮革性能指标测量结构仪设计2皮革性能指标的测定2.1皮革性能指标参数的描述日常生活中所谓的皮革都是已经经过脱毛、去肉及鞣制等加工后的成品或半成品原材料。也已经在某些程度上失去了原先动物皮的特征，比如已经具有很强的防腐性质。皮革内部是以三维结构存在的蛋白纤维束交织而成的，表面是一定结构的粒面层，具有原始纹理结构和光泽，手感细腻。不同种类的皮革具有不同的特性，即使同种类型的皮革特性也会因为出产皮革的不同个体性状的不同有很大不同，所以皮革制品质量的好坏大部分取决于原材料的性质好坏。为了满足工业生产的需要，人们有必要对皮革的质量进行评定，皮革质量的好坏可以通过人的感官判定、显微结构分析和物理化学性质分析等手段综合进行判定。人的感官判定又可以称为感官检查，可以通过人的手触摸、眼睛看等方法，同时凭借经验对皮革的质量进行评定，这个方法是基于人的感觉器官与人对皮革性质的经验的。目前人们研究皮革性能的好坏主要还是通过感官判定的方法，而且感官判定方法具有比较直观、无破坏、操作简单的特点，如皮革的丰满度、柔软度、粒面特性、色泽等特性判定都是通过感官判定方法进行的。但是这种判定方法不具有较高的客观性，判断结果也受人的经验及人的实时心情及所处环境等众多因素所影响。目前国内的研究人员、技术人员对皮革的性能判定方法可分为以下几类，按照对人们不同的感觉刺激途径可以将皮革性能测定分为如下几种：（a）触感判定：指人对皮革产品进行抚摸、抓捏、揉搓等手法接触材料时对人皮肤产生的刺激，刺激经过一系列神经系统的翻译而成的人的感受，例如产品柔软性如何、是否光滑及是否厚实等一系列感受。（b）视觉判定：视觉判定是人们在材料受光情况下对材料表面特性的判断，包括材料的色泽、表面纹理等判定，一盘用色泽光鲜、纹理清晰等词形容。（c）试穿判定：试穿判定是皮革性能研究人员通过人对皮革式样体验后反应的个人感觉，例如产品保暖效果如何、是否对皮肤产生有刺激性的不适感等。显微结构分析是研究材料性能的主要研究方法，是材料科学研究的一个不可或缺的重要环节与手段通过在显微技术下对材料的结构进行分析，研究材料的性能与材料内部组成元素的组合结构的关系。物理化学性质分析方法是近代科学研究的一个主要研究手段，通过实验，研究材料的物理性能及化学结构与材料性能之间的关系。 79皮革性能指标测量结构仪设计2.1.1柔软度皮革的柔软度是指当皮革受力发生变形时，检测到的皮革厚度、挤压程度、平滑感觉和革弯曲延伸性能的综合。柔软度通常体现胶原纤维活动空间的大小和胶原纤维相对滑动的难易程度，皮革的柔软度是难以用参数进行表述的，但是可以用相应的力学状态及力学参数来表述的。2.1.2丰满度丰满度是指当皮革受外力作用发生变形时，通过触觉所感受到的挤压、平滑的感觉。丰满度体现了胶原纤维交联时，形成的一种立体网状结构的性能，皮革的丰满度可以通过力学方法进行测量，测量方法本身与手感检验方法在力的传感形式上有相似性和替代性。2.1.3弹性度弹性度是皮革在制造过程中以及穿着过程，受到外力作用发生变形，皮革变形之后恢复原状的能力。弹性度反映了皮革胶原纤维的柔韧程度，人体对所接触的外界物体的柔韧程度是很敏感的，因此皮革的弹性度是衡量皮革品质优劣的重要特性。2.2皮革性能指标参数的力学测定以弯曲力作用皮革，皮革所表现的弯曲性能，以顶伸力作用皮革，皮革所表现的顶伸性能及以压缩力作用皮革，皮革所表现的压缩性能。为了排除其他微气候环境因素对检测结果的影响，也为了给检测工作提供一个更好的参照坐标，我们将检测工作置于一个常温、常压等环境中，并将在此环境中的力学表示作为检测皮革性能指标的依据。这些力学性能都是采用标准皮革式样在经过空气调节[空气调节温度为(25±1)℃、相对湿度为(65±1)％]24小时后进行的。皮革的水分的含量与周围环境的湿度与温度有关，不同的皮革水分含量在很大程度上不同，即使是同一张皮革，在不同环境中的水分含量也有明显不同。将待测皮革一同在相同的湿度与温度条件下放置24小时后，目的在于使得其水分趋于一致，可使得在同一条件下获得的测试数据具有比较好的比较价值，从而能较客观的判定皮革的质量。2.2.1皮革的压缩性能参数测定方法描绘皮革压缩时力与位移的实时曲线，其压缩性能测试夹拭附件的圆形压脚直径为70mm，压脚表面在任何位置时，应与试样放置台的表面相平行，其误差应在0．05mm以内，仪器精确度为0.01mm 79皮革性能指标测量结构仪设计。测定前更换皮革夹拭附件，调试测试仪器到最佳状态，在满足温度和湿度的条件下，将皮革试样粒面向上放在皮革试样压缩台上，圆形压脚缓慢落在试样上，测试仪器将每隔0．1S的时间自动记录压缩位移和压缩力，保持压缩力暂停5s后卸载，测试仪器将再次每隔0．1s的时间自动测试并记录压缩位移和压缩力。如图2-1所示，压缩平台3A是一个内部空心的腔体，测定前将压缩平台与底板5用螺钉固定，将压缩皮革式样4A放在压缩平台内。1为压力传感器，压缩侧头2A缓慢向下运动，检测仪会隔一定时间记录压缩位移大小和压缩力的大小。当达到预定的压缩量或压缩力时检测仪会保持5s在卸载，此后检测仪再以一定时间间隔记录压缩回复位移与卸载压缩力的大小。图2-1压缩性能测试示意2.2.2皮革的顶伸性能参数测定方法描绘皮革顶伸时力与位移的实时曲线，其顶伸性能测试夹拭附件由顶伸杆、顶伸球和圆形皮革试样上压环及下压环组成，顶伸杆与圆形皮革试样上压环及下压环同心且其误差应在0．05mm以内，仪器精确度为0.01mm。测定前更换皮革夹拭附件，调试测试仪器到最佳状态，在满足温度和湿度的条件下，将皮革试样紧固在皮革试样上压环和下压环上，顶伸杆缓慢向下移动，测试仪器将每隔0．1S的时间自动记录顶伸位移和顶伸力，保持顶伸力暂停5s后卸载，测试仪器将再次每隔0．1s的时间自动测试并记录顶伸位移和顶伸力。如图2-2所示，顶伸平台3B是一块顶板，测定前将皮革式样4B放在顶板和底板5之间并用螺钉固定。顶伸侧头2B缓慢向下运动，检测仪会隔一定时间记录顶伸位移大小和顶伸力的大小。当达到预定的顶伸量或顶伸力时检测仪会保持5s在卸载，此后检测仪再以一定时间间隔记录顶伸回复位移与卸载顶伸力的大小。 79皮革性能指标测量结构仪设计图2-2顶伸性能测试示意2.2.3皮革的弯曲性能参数测定方法描绘皮革弯曲时力与位移的实时曲线，其弯曲性能测试夹拭附件为长方形压板和长方形弯曲压槽，在任何位置时其误差应在0．05mm以内，仪器精确度为0．01mm。测定前更换皮革夹拭附件，调试测试仪器到最佳状态，在满足温度和湿度的条件下，将皮革试样弯曲成圆筒状放在长方形压槽内，压板缓慢向下移动，测试仪器将每隔0．1s的时间自动记录弯曲位移和弯曲力，保持压缩力暂停5s后卸载，测试仪器将再次每隔0．1s的时间自动测试并记录弯曲位移和弯曲力。如图2-3所示，弯曲平台3C如图所示，测定前将弯曲平台与底板5用螺钉固定，将皮革式样4C圈成直径和弯曲平台间隙一致的圆筒状，弯曲侧头2C缓慢向下运动，检测仪会隔一定时间记录弯曲位移大小和弯曲力的大小。当达到预定的弯曲量或弯曲力时检测仪会保持5s在卸载，此后检测仪再以一定时间间隔记录弯曲回复位移与卸载弯曲力的大小。图2-3弯曲性能测试示意2.3皮革材料力学性能特征与感官参数的关系 79皮革性能指标测量结构仪设计根据以上的皮革材料力学性能参数的测定和皮革感官特性参数的定义，建立皮革力学性能参数与皮革感官特性参数之间的数学关系。2．3.1压缩性能压缩性能与皮革感官特性参数，即皮革柔软度，丰满度，弹性度的数学模型关系，利用上述压缩力学性能参数测定方法测定的数据，即测试仪器在压缩性能测定条件下，每隔0．1s的时间记录的压缩位移s和压缩力F数据，经过数据拟合绘制力与位移的曲线，例如采用线性拟合得到：压缩性能加载曲线为s=f(x)=kx+b，压缩性能卸载曲线为s′=f(x)=k′x+b′。斜率k越大表明皮革越容易压缩，皮革的柔软度越大，斜率k′越大表明皮革越容易恢复原型，皮革的丰满度越大，加载曲线与卸载曲线包围的面积越大表明皮革的恢复空间越大，皮革的弹性度越大。2．3.2顶伸性能顶伸性能与皮革感官特性参数，即皮革柔软度，丰满度，弹性度的数学模型关系，利用上述顶伸力学性能参数测定方法测定的数据，即测试仪器在顶伸性能测定条件下，每隔0．1s的时间记录的顶伸位移s和顶伸力F数据，经过数据拟合绘制力与位移的曲线，例如采用指数拟合得到：顶伸性能加载曲线为s=f(z)=a．exp(x)+b，顶伸性能卸载曲线为s′=f(z)=a′．exp(x)+b′。系数a越大表明皮革的纵向和横向的综合拉伸变形越大，即皮革的柔软度越大，斜率a′越大表明皮革越容易恢复原型，皮革的丰满度越大，加载曲线与卸载曲线包围的面积越大表明皮革的恢复空间越大，皮革的弹性度越大。2．3.3弯曲性能弯曲性能与皮革感官特性参数，即皮革柔软度，丰满度，弹性度的数学模型关系，利用上述弯曲力学性能参数测定方法测定的数据，即测试仪器在弯曲性能测定条件下，每隔0．1s的时间记录的压缩位移s和压缩力F数据，经过数据拟合绘制力与位移的曲线，例如采用指数拟合得到：弯曲性能加载曲线为s=f(z)=a．exp(x)+b，弯曲性能卸载曲线为s′=f(z)=a′．exp(x)+b′。系数a越大表明皮革的纵向和横向的综合拉伸变形越大，即皮革的柔软度越大，斜率a′越大表明皮革越容易恢复原型，皮革的丰满度越大，加载曲线与卸载曲线包围的面积越大表明皮革的恢复空间越大，皮革的弹性度越大。综合以上四种力学性能的三个参数，得出皮革感官特性的综合性能评价。 79皮革性能指标测量结构仪设计3皮革性能指标检测仪的结构设计3.1皮革检测仪设计方案的技术要求本皮革性能指标检测仪的总体设计方案按照如下关键技术要求完成：1)被测皮革样品在外力作用下产生变形，变形的位移量在描述皮革力学性能中起到至关重要的作用，本课题要完成对皮革样品的弯曲位移量、顶伸位移量、压缩位移量进行检测，精度要求是：弯曲位移量精度为0.01mm、顶伸位移量精度为0.01mm、压缩位移量精度为0.01mm，因为压缩位移量是三个参数中最小的，所以要充分保证其精度，定为0.01mm。为此，本课题使用高精度光栅尺作为位移的测量仪器。光栅尺输出为数字脉冲方波信号，便于数据处理，具有精度高、抗干扰能力强等优点。2)被测皮革受力变形时的载荷值是反映皮革力学性能的另一关键参数，本课题要求所测的力精度能达到C3级别，同时对样品革进行弯曲力测试、顶伸力测试、压缩力测试的负荷范围不同。本课题选用S形拉压式称重传感器，具有精度高，稳定性好的特点。通过压力变送器处理传感器初始信号，经过模拟转数字(A/D)，后与控制器连接。3)被测皮革在受力下产生的变形应该满足一定的速度要求，因为此测量的精度要求，皮革的变形应该在低速的情况下进行，而且速度必须是可控的。范围应该在1．O-50mm／s之间。本课题选用精度较高的步进电机，为了更加精确的控制步进电机运动，配合带细分功能的步进电机驱动器。通过控制步进电机的转速控制被测皮革变形的速率。4)三种皮革力学性能的测试要求不同，所有装夹皮革的工装夹具要求有很大不同。弯曲性能测试需要一块长方形的皮革，将皮革卷成皮革卷并固定，让专用测头下压皮革卷产生变形。顶伸性能测试需要使用一块完整皮革，用换装固定压圈将其固定，使其在受力时四周受力均衡，当专用测头向下走动，顶伸皮革产生变形。压缩性能测试粗要一块表面完整的皮革，放在表面光滑平整的压缩台上，专用测头下压皮革产生变形。皮革性能测试的工装夹具要满足这些不同要求，因此工装夹具的设计对检测精度影响很大。本课题设计三套专用的工装夹具与侧头来达到这样的测试要求。3.2皮革检测仪的工作原理 79皮革性能指标测量结构仪设计皮革性能指标检测仪依靠控制单元控制步进电机产生各种用户需要的运动，通过行星齿轮减速器对步进电机进行变速，获得足够大的扭矩，控制侧头一系列运动。压力传感器与侧头相连安装，光栅尺的读数头与压力传感器的运动是同步的，即测得的数据是一一对应的。两种传感器分别采集位移信号与力载荷信号，控制单元负责将信号进行处理，最后显示处理后的信息。信息的处理包括数据的模数转换、数据计算。数据的处理是基于弯曲特性、顶伸特性、压缩特性这三个皮革力学性能，显示的数据反映皮革的柔软度、弹性度、丰满度三个性能指标。3.3皮革检测仪的机械系统设计测试仪三维机械图如图3-1所示，图3-1中主要部件名称：1为光栅位移传感器，2为精密滚珠丝杠，3为s型力传感器，4为压缩侧头，5为压缩工作台，6为底板，7为三角架底板，8为三角架前板，9为三角架侧板，10平移块，11为三角架后板，12为联轴器，13为带行星齿轮减速器的步进电机。图3-1测试仪三维机械图机械传动系统是本皮革性能指标检测仪机械系统的核心部分，设计的好坏直接影响到测量结果的可信度，甚至影响到本方案的可行性。机械传动系统主要包括提供动力的步进电机、减速器、丝杠、平移块、联轴器、上限位开关、下限位开关、位移传感器等元器件。为了能够实现在检测中对位移及施力可控制，采用可以控制步距角的步进电机作为动力来源，采用配套的行星齿轮减速器，对步进电机进行减速，以获取更大的转矩，保证能为测试提供足够的动力，而且对步进电机起到了保护作用。 79皮革性能指标测量结构仪设计主要工作过程：精密丝杠起到传递运动的作用，并且提高了测试的精度。联轴器连接减速器与精密丝杠，既保证了转动的传输，而且也起到缓冲的作用，减少冲击力对减速器及丝杠的损害。平移块依靠精密丝杠的推动做上下往复运动，平移块的作用主要是安装测头系统及传感器，可以实现两组皮革力学性能指标的同步测定。上限位开关，起到上限位的功能和复位作用，当检测仪平移块运动到上端的时候，触碰上限位开关，触发步进电机反转或者停止程序，保护检测仪受到损伤。下限位开关，同理可得其起到下限位的功能，当检测仪平移块运动到下端的时候，触碰下限位开关，触发步进电机反转或者停止程序，保护检测仪受到损伤。上、下限位开关为机械式限位开关，当测试仪上电启动时，控制器控制步进电机转动，驱动平移块向上运动，平移块向上运动，步进电机驱动器发信号给控制器，控制器控制电机反转，仪器进入工作状态。皮革压缩侧头设计与压缩夹持部分、顶伸侧头设计与顶伸夹持部分、弯曲侧头设计与弯曲夹持部分设计在第2章的中已介绍过，在这不详细说明。具体机械系统装配图见图纸。3.4步进电机介绍与选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在未超载的情况下，电动机的转速和停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，给电动机加上一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。在大功率驱动设备市场上，大扭矩步进电机没有市场，无论是在经济性、噪声、加速度、系统惯量、最大扭矩等方面，都不如采用伺服电动机或是直流电动机加编码器好。步进电动机主要是应用在小功率场合。步进电动机种类繁多，按运动方式分为:旋转、直线和平面步进电动机三大类；按电动机输出转矩分为：快速和功率步进电动机；按转矩产生的工作方式分为：反应式、永磁式和混合式三类；按励磁组数又可分为：两相、三相、四相、五相和八相等；按电流极性分为:单极性和双极性。混合式步进电动机结合了反应式和永磁式步进电动机的优点，采用永磁式磁铁提高电动机的转矩，采用细密的极齿来减小步距角。混合式步进电动机输出转矩大，动态性能良好，是应用得最为广泛的步进电动机。最受欢迎的是两相混合式步进电动机，其市场份额约97%，原因是它的性价比高，配上细分驱动器后效果良好。3.4.1步进电机的种类及参数目前市场上销量最大的步进电机基本上都是两相混合式，步进电机根据安装尺寸的大小分为：20BYG、28BYG、35BYG、39BYG、42BYG、57BYG、60BYG、86BYG、110BYG、130BYG。步进电机除了法兰盘与机身长度有较大差异外，同一款法兰盘的电机也有若干细分，电机的转矩随其机身的有效体积（机身长度×面积）的增加而增大。a)静力矩（保持力矩）：传统电机选型时第一考虑的是电机的功率，而步进电机参数表中却没有这个参数，步进电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，电机的输出功率是可变的，其相对应的是步进电机的保持转矩。电机转矩的计算包含两部分，一是克服驱动机构的摩擦转矩TL，一是克服负载和电机转子惯量的启动转矩TS 79皮革性能指标测量结构仪设计，电机扭矩T的计算公式为3-1。S为安全系数，一般计算S=2。T=（TL+TS）×S(3-1)电动机轴上的负载转矩TL为下式3-2,式中TL′为生产机械的负载转矩，ηc为电动机拖动生产机械运动时的传动效率，j为传动机构的速比。TL=TL′/(ηc×j)（3-2）根据计算所得的转矩大小(即所要带动物体的扭力大小)，对照电机参数表来选择哪种型号的电机，一般而言，负载扭矩在1N·m以下选用42BYG以下的电机；负载扭矩介于1N·m与2N·m之间可选用57BYG或者60BYG；负载在2N·m以上的可考虑75BYG、86BYG，110BYG的扭力可达27N·m。b)转动惯量：步进电机的转动惯量是大家容易忽视的一个参数，电机的转动惯量的大小跟其法兰盘和机身长度成正比，电机转子越大其转动惯量也越大。电机转动惯量越小，其启动速度越快，高速性能也越好；在负责转动惯量较大的应用场合，大转动惯量的电机在启动和停止的时候均具有较好的平稳性，转动惯量太小的电机在停止的时候甚至出现过冲的现象（无法正常定位）。 c)相电感与矩频特性：步进电机的转矩并不同于伺服电机的恒转矩，电机的输出转矩与转速成反比，步进电机在低速(每分钟几百转或更低转速)，其输出转矩较大，在高速旋转状态的转矩(1000转/分--9000转)就很小了。当然，有些工况环境需要高速电机，就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。 3.4.2步进电机的选择在这里选择无锡惠斯通电机科技有限公司的57BYGH748ZQ带行星齿轮减速器的步进电机。具体参数为步距角1.8、机身长L2为76mm、相电压为3V、相电流为3安培、相电阻为1欧姆、相电感为4.5mH、静力矩为16kg·cm、引线数为4个、转动惯量为0.3kg·cm·cm、减速比为1:18、减速机长L1为55mm、传动效率η为81%。3.5光栅位移传感器介绍与选择 79皮革性能指标测量结构仪设计光栅位移传感器（又称光栅尺）一般是利用刻在某种载体（如玻璃、晶态陶瓷或钢带等）上的隔栅，作为测量的基准。其工作原理是利用感知光度变化的光电池扫描的方法进行测量。一般光栅尺载体和指示光栅上每毫米刻有25线或50线。光线投射到已调整好的光栅上时，便会产生摩尔条纹图像，当光栅尺移时，图像的光强度将发生周期性的变化，这种变化被光电池接受后，经电子信号处理，便可达到检测位移量的目的。一般光栅尺利用两路光电池输出两路正弦波或方波信号，检测两路信号的相位差，可知光栅尺的运动方向。光栅尺所检测的是相对位移，或称为增量式位移检测。但在实际应用中，都需要一个绝对的基准点，一般是在光栅尺上每隔50或100mm刻有一个绝对参考标记，以便达到基准点准确的目的。光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。 光栅尺位移传感器是有标尺光栅（主光栅）和指示光栅两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。光栅检测装置关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）原理图如图3-2所示图3-2光栅传感器结构图莫尔条纹的形成：以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹”如图3-3所示。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。图3-3莫尔条纹形成的原理在这里选择由深圳市精测仪器有限公司生产的PLC24VJC824光栅位移传感器，具体参数如表3-1所示: 79皮革性能指标测量结构仪设计表3-1光栅位移传感器技术规格精度等级±1um、±2um、±6um、±10um±1um测量标准刻线玻璃光栅默认热膨胀系数8×10-6K-1默认工作电压5V±5%DC、24V±5%DC24V±5%DC工作速度≤1m/s（1um）、≤2.5/s（55um）≤1m/s（1um）加速度≤60m/s2默认参考工作温度-10゜-70゜默认参考工作湿度≤90RH默认零位参考点可带、标准、无无参考点版本50mm/个、标准、中心点一个50mm/个光栅栅距20um、10um20um测量程序增量式默认信号方式TTL、EIA-422-A（RS-422）、-1VPPTTL电路特性NPN默认光栅测量系统透射式红外光学，红外线波长940nm默认分辨率步距5um、1um、0.5um1um读数头系统垂直式五轴承滚动系统、45゜五轴承滚动系统垂直式五轴承滚动系统分辨率5um、1um、1um有效行程0-1000mm、0-3000mm0-1000mm精确度±（4+L×3）um、±（1.5+L×2）um±（4+L×3）um重复精度±1um、±5um±1um扫描频率≤28KHZ默认抗振动50HZ-2000HZ默认冲击16ms默认位移摩擦阻力≤5N默认防护等级IP53/IP64默认信号电器连接独立适配电缆（2.5M/3M/4M/5M,≤100M,可连接安装块）默认净重0.48kg-0.58kg+L×0.86kg默认毛重0．5kg+L×1.56kg默认包装标准防震包装默认 79皮革性能指标测量结构仪设计光栅位移传感器的脉冲信号周期如下图3-4所示，TTL信号波形图如图3-5所示。图3-4脉冲信号周期信号周期A相24VB相90゜相位差Z相图3-5TTL信号波形光栅尺A、B两路信号输出具有90度相位差，从而判断光栅尺的位移方向。选择1um的分辨率，则位移量=脉冲数×脉冲当量即位移量=脉冲数×4um。光栅位移传感器的接口图如图3-6所示。图3-6电气接口图这里选择不带参考点、适用于RS-232接口、TTL方波信号输出的接口电路。 79皮革性能指标测量结构仪设计3.7压力传感器的介绍与选择压力传感器是测试技术、仪器仪表控制等方面普遍使用的传感器，它的广泛应用于各种工业自控环境。压力传感的种类繁多，工作原理各不相同，本文采用的是应变片压力传感器。使用特殊的粘和剂将应变片与产生力学应变的基体紧密地粘合，基体受外力作用产生应力变化，促使电阻应变片形变，阻值发生对应变化，电阻上的电压值伴随着变化。实际应用中，应变片的一系列变化程度很小，所以要将应交片组成应变电桥，经过信号放大处理后，最后传输给控制器。本文选用的压力传感器输出信号为模拟电压信号，所以需要电压式压力变送器对输出信号做相应的处理在传输给PLC。这里选用天津市丽景微电子设备有限公司生产的STP型S型测力传感器，具有结构紧凑，安装方便，拉、压力均可综合精度高，长期稳定性好，铝制材质，表面阳极化处理，适用于吊钩秤、机电结合秤、料斗秤、料罐秤、包装秤、配料称重控制、定量给料机、灌装机、通用材料试验机、力的监控及测量。在这里选额定载荷为5Kg的S型测力传感器其电气原理图如图3-7所示。图3-7传感器电气原理压力传感器的技术参数包括额定载荷、额定输出、零点平衡、综合误差、蠕变、正常工作温度、允许工作温度、温度对零点影响、推荐激励电压、最大激励电压、输入阻抗、输出阻抗、绝缘阻抗、安全过载、极限过载、弹性元件材料、防护等级、电缆线长度、接线方式。具体参数如图3-8所示。 79皮革性能指标测量结构仪设计图3-8传感器技术参数 79皮革性能指标测量结构仪设计4控制系统设计4.1皮革检测仪方案的确定根据总体设计要求与工作原理，本皮革性能指标检测仪主要由机架、控制单元、步进电机、减速器、传感器、皮革夹具、工作台、显示器等组成。基于皮革的三种力学性能测试特点，配套三种功能的测头与皮革夹具j在通用的工作台上更换三种皮革夹持装置，同时更换测头，即可实现对三种皮革力学性能的测试，实现一机多功能的设计目标。便于对设计方案的理解，下面绘制设计方案的框图4—1。图4-1设计方案框图 79皮革性能指标测量结构仪设计4.2控制器的介绍与选择可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一种数字运算操作的电子系统，是为工业环境应用而专门设计制造的计算机，主要用于代替继电器实现逻辑控制。它具有PID、A/D转换、D/A转换、算术运算、数字量智能控制、监控及通信联网等多方面的功能，PLC已经逐渐变成了一种实际意义上的工业控制计算机，它广泛应用于机电控制、电气控制、数据采集等多个领域，还具有丰富的输入/输出接口和网络通信能力、较强的驱动能力等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、交通、化工、纺织、塑胶、电力、机械制造和文化娱乐等各行各业。4.2.1PLC的种类和选择国内比较常用的PLC品牌有施耐德、西门子、欧姆龙、三菱和台达等几十种到上百种PLC。PLC按照组织结构分为一体化整体式和结构化模块式。一体化整体式PLC的特点是PLC电源、中央处理器（CPU）和I/O接口都集成在一个机壳里，不能拆分配置，采用的是整体密封，一般适用于低端用户和小型系统。结构化模块式PLC的特点是将PLC电源、中央处理器（CPU）和I/O接口部分分别制作成模块，它们在结构上是相互独立的，在实际工程应用时，可根据实际需要进行配置和选择。PLC的主要特点是在制造时采取了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性，PLC用户程序是在PLC监控程序的基础上运行的，软件方面的抗干扰措施在监控程序里已经考虑得十分周全。西门子PLC与其它的PLC相比，指令采用功能块，更通俗易懂。在模拟量的输出和读取上要简单的多，只需使用传送命令就可以了，模拟量达寄存器在PLC中就相当于一个普通的数据寄存器D，在脉冲输出功能和可设置性更强大,更适合精确控制，通信能力更强大，扩展能力和适用性更强，更多的智能模块可以更广泛的应用于各种行业，例如称重等。西门子即可以使用NPN的传感器也可以使用PNP的传感器。程序编写采用子程序编写方法，更主观更容易看懂，对于编程者的编写顺序，手自动程序的编写、某个独立的部件编写等都能清楚清晰的分开来。西门子PLC的端子设计的非常的好，非常容易拆卸，无镙丝锁定，一秒种就可以拆下来。4.2.2PLC型号的选择西门子公司生产的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-300、S7-400和S7-1200系列。其中，西门子S7-200、S7-300和S7-400系列PLC分别用于小、中和大型项目。在这里选择S7-200。PLC容量包括两个方面：一是I/O 79皮革性能指标测量结构仪设计的点数，二是用户存储容量。根据设计功能，统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10%-15%的余量。数字量输入有10个：上限位、下限位、启动、停止、复位、压缩、顶伸、弯曲、光栅传感器A相、光栅传感器B相。模拟量输入1个为压力传感器的电流信号。本仪器只有数字量输出没有模拟量输出。数字量输出9个:步进电机驱动器的信号、步进电机驱动器的方向、步进电机驱动器的使能、开始灯、停止灯、复位灯、压缩灯、顶伸灯、弯曲灯。在西门子S7-200系列里满足上述要求的CPU型号为Siemens PLC200cpu224xp晶体管型。224xp晶体管有14个数字量输入、2个模拟量输入、10个数字量输出、1个模拟量输出、2个PPI/自由端口。CPU224xpDC/DC/DC数字量输入和数字量输出都需要24V的直流电，模拟量输入端需要的电信号为4-20mA。4.3步进电机驱动器的介绍与选择与普通电动机相比，步进电动机需要由专门的驱动器来供电，驱动器和步进电动机是一个有机整体，步进电动机的运动性能是由步进电动机及其驱动器两者配合的综合表现。驱动器的基本部分包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲功率放大器三个部分。两相四拍混合式步进电动机驱动器主要有以下几个参数:a)驱动器工作电压：直流电压为24-60v,通常供应直流24v;b)驱动器相电流的大小调节：一般都设有拨码开关，根据负载情况来设置拨码位置，从而确定电流调定值;c)每转步数：每转步数反映的是步进电动机的精度，细分数根据细分设定表上提供的数据来确定，在驱动器上通过拨码开关来设定，一般在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分;在这里选用无锡惠斯通电机科技有限公司的HST886AA步进电动机驱动器。细分精度为2.5。接线图如图4-2，公司的驱动器具有以下特点：a)光电隔离差分信号输入，响应频率最高200K;b)低噪声，高速大转矩特性;c)供电电压可达18-60VAC，24-80VDC;d)细分精度2,2.5,3,4,5,6,8,10,12,16,20,25,30,32,40,50倍细分可选;e)输出电流峰值可达7.2A（均值6.0A）;f)三态电流控制技术电机发热低;g)外形尺寸（143x95.5x38mm）; 79皮革性能指标测量结构仪设计h)静止时电流自动减半;i)电流设定方便，八档可选;j)可驱动4、6、8线二相、四相步进电机;k)具有过压、欠压、过流、过温等保护;l)可选择脉冲上升沿或下降沿触发;m)脉冲/方向或双脉冲模式（定做）;图4-2驱动器接线图4.4压力变送器的介绍与选择压力变送器种类繁多，工作原理也各不相同，本文选用的是广州华茂传感仪器有限公司生产的VM64B压阻式压力变送器，它具有价格低廉、精度高及线性度好等优良特性。本压力变送器由压力敏感元件．放大电路和外壳组成。将压力传感器的输出量转换为输出为4-20mA标准模拟量信号。VM64包括VM64A(塑料方壳)、VM64B(塑料方壳)、VM64C(材铝方壳)、VM64D(防水铸铝方壳)、VM64E(防水铸铝方壳)、VM64G(塑料卡式方壳)、VM64H(型材铝方壳)、VM64I(材铝方壳)。其中，VM64A、VM64F为通用型，在一般环境下使用；其余为工业型，精度高抗干扰能力强可在各种恶劣环境下使用。VM64系列变送器可与各种压阻式传感器尤其是电阻应变式测力传感器配套使用，实现对测力、称重、压力、差压、液位、扭矩、位移等物理量进行测量，变送转换输出。VM64B系列传感器的参数如图4-3所示，接线图如图4-4所示。 79皮革性能指标测量结构仪设计图4-3传感器参数图4-4传感器接线图 79皮革性能指标测量结构仪设计5PLC编程软件介绍和编程目前西门子编程软件有4类：a)STEP7Micro-win是西门子S7-200编程软件。b)STEP7Micro/WINSMART：是专门为S7-200SMART开发的编程软件，能在WindowsXPSP3/Windows7上运行，支持LAD、FBD、STL语言,安装文件小于100MB。c)STEP7V5.5是西门子S7-300、S7-400、ET200编程软件。d)STEP7V11—TIAPortal是西门子最新的编程软件，支持的plc有S7-300、S7-400、S7-1500、S7-1200。V4.0STEP7Micro-INSP6编程软件是S7-200系列PLC的专用编程、调试、监控软件。5.1PLC参数设置使用PC/PPI电缆将计算机与PLC连接起来打开V4.0STEP7Micro-INSP6编程软件，点击“程序块”选择CPU型号为CPU224XP，如图5-1所示图5-1点击“通信”图标后，出现如图5-2所示，系统默认波特率设定值为9.6kbps,点击“设置PG/PC接口”出现如图5-3所示，系统默认为“PCAdapter(PPI)”,点击“属性”出现如图5-4所示，传输率设置改为187.5kbps，点击确定，确定，在图5-2中右侧点击双击刷新，会出现CPU224XP字样表示已通信成功。 79皮革性能指标测量结构仪设计图5-2图5-3 79皮革性能指标测量结构仪设计图5-45.2程序的编译本程序由一个主程序、一个SBR-0子程序、一个HSC指令向导程序、一个复位子程序、一个开始子程序、一个压缩子程序、一个顶伸子程序、一个弯曲子程序、一个COUNT-EQ子程序。5.2.1工作过程主程序截图如图5-5至图5-16所示。PLC首次接通时高速脉冲发出信号端Q0.0复位为0同时执行子程序SBR-0，脉冲使能端始终为高电平，测试仪一上电首要操作时复位测试仪，点击复位按钮，执行复位子程序，接下来启动测试仪，点击启动按钮，执行启动子程序，当停止按钮在任意时刻按下时，停止灯延时3s熄灭，测试仪立即停止。此时若想继续测试必须先复位在开始，把模拟量输入端AIW0经过一系列变化转化为力并存储到变量存储器VD220中，在触摸屏上显示VD220的数据，把高速计数器中的脉冲数转化为位移值并存储到变量存储器VD176中，压缩过程、顶伸过程、弯曲过程应互锁，有且只能发生一个，当两个或两个以上发生时自动触发停止过程。在这里压缩灯、顶伸灯、弯曲灯都为常亮，压缩灯、顶伸灯、弯曲灯分别触发压缩子程序、顶伸子程序、弯曲子程序。具体梯形图见附页。程序中高速脉冲和高速计数器使用V4.0STEP7Micro-INSP6中的向导生成，其中滚珠丝杠高速为2mm/s，转换成脉冲为400个脉冲/s，在步进电机轴上为7200个脉冲/s。滚珠丝杠低速为0.5mm/s，转换成脉冲为100个脉冲/s，在步进电机轴上为1800个脉冲/s。启动、停止速度为0.1mm/s,在步进电机轴上为360个脉冲/s。高速计数器采用模式9，HSC0高速计数器，模式9为A、B双相正交高速计数器。点击PTO/PWM如图5-5所示。 79皮革性能指标测量结构仪设计5.2.2高速脉冲向导生成打开编程软件，点击PTO/PWM如图5-5所示。图5-5点击后出现脉冲输出向导，这里选择Q0.0，如图5-6所示图5-6 79皮革性能指标测量结构仪设计点击下一步，选择线性脉冲串输出（PTO），如图5-7所示图5-7点击下一步，输入如图5-8所示图5-8 79皮革性能指标测量结构仪设计点击下一步，输入时间为500ms，如图5-9所示图5-9点击下一步，出现运动包络定义，如图5-10所示图5-10 79皮革性能指标测量结构仪设计点击新包络，点击是，选择单速连续旋转，修改参数如图5-11所示图5-11点击新包络，点击是，选择单速连续旋转，修改参数如图5-12所示图5-12 79皮革性能指标测量结构仪设计点击确定，如图5-13所示图5-13点击下一步，出现如图5-14所示。图5-14点击完成，是，点击调用子程序会产生如图子程序，如图5-15所示 79皮革性能指标测量结构仪设计图5-155.2．3高速计数器向导生成点击向导，点击高速计数器，生成如图5-16所示图5-16点击下一步，输入参数如图5-17所示 79皮革性能指标测量结构仪设计图5-17点击下一步，修改参数如图5-18所示图5-18点击下一步，如图5-19所示 79皮革性能指标测量结构仪设计图5-19点击下一步，如图5-20所示图5-20点击完成，是，会产生一个HSC-INIT的子程序，如图5-21所示 79皮革性能指标测量结构仪设计图5-21接下来在编程时就可以直接调用子程序了。5.2.4程序块解释图5-22图5-22的程序含义为：把经过力变送器变送的S型压力传感器的电流输入到AIW0模拟量输入端中，由于AIW0的输入端为字，经过字传送，传送到VW200变量寄存器中，再把字转化为双整数，再把双整数转化为实数存储到VD208变量寄存器中。 79皮革性能指标测量结构仪设计图5-23图5-23的含义为：把力变送器的输出电流和S型压力传感器的压力经过数学运算一一对应起来。图5-24图5-24的含义为：吧高速计数器中的数转换成位移并显示在触摸屏上。 79皮革性能指标测量结构仪设计图5-25图4-25的含义为：顶伸按钮，弯曲按钮，压缩按钮为互锁关系，有且只能有一个有效。图5-26图5-26的含义为当压缩按钮、顶伸按钮、弯曲按钮有两个或两个以上按下的时候中间继电器M3.4接通，则停止工作。 79皮革性能指标测量结构仪设计6触摸屏和触摸屏编程软件的选择触摸屏HMI是实现人与机器信息交互的数字设备，用于连接可编程序控制器、直流调速器、变频器、仪表等工业控制设备，使用显示屏进行显示，并通过触摸屏、键盘、鼠标等的输入单元写入工作参数或输入的操作命令。6.1触摸屏的分类从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台；红外线技术触摸屏价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真；电容技术触摸屏设计构思合理，但其图像失真问题很难得到根本解决；电阻技术触摸屏的定位准确，但其价格颇高，且怕刮易损；表面声波触摸屏解决了以往触摸屏的各种缺陷，清晰不容易被损坏，适于各种场合，缺点是屏幕表面如果有水滴和尘土会使触摸屏变的迟钝，甚至不工作。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解哪种触摸屏适用于哪种场合，关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。人机界面已经成为大多数工业机械设备的标准配置，尤其在使用小型机器和简单应用时，成本成了关键因素。西门子顺应市场需求推出的全新SIMATIC精彩系列面板（SmartLine），准确地提供了人机界面的标准功能，经济实用，具备高性价比。精彩系列面板采用全新的高分辨率16:9 宽屏液晶显示和先进的工业设计理念，使设备操作变得更加轻松快捷，引领人机界面产品进入高分辨率宽屏显示时代。在这里选择西门子Smart700IE触摸屏。西门子Smart700IE触摸屏具有以下特点：a)丰富的动画效果简单的生成方式:通过设置对象属性生成动画支持函数设定动画路径方式、支持通过变量控制对象组生成动画。b)高效、智能的组态方式：通过拖拽方式自动创建变量的显示对象及画面的切换按钮、支持画面对象的自动排列功能、支持用户自定义对象库、支持向导式快速工程组态。c)独一无二的多语言组态：支持32种语言，其中5种可以在线转换、支持多语言显示，无需重新设计画面、内置系统字典和用户字典功能，支持画面自动翻译、独特的项目文本导入/导出功能，提高并优化工程组态效率。 79皮革性能指标测量结构仪设计6.2WinccFlexible2008组态软件Winccflexible德国西门子（SIEMENS）公司工业全集成自动化（TIA）的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。该组态软件具有以下特点：基于最新软件技术的创新组态界面、功能块库，面板可自由定义且可重复使用，并且可集中进行更改、动态面板、可组态智能工具，图形导航和图形化运动对象，可方便地组态大批量数据、利用用户ID和密码实现访问保护、配方管理、 报表系统、为全球推广提供语言支持，在一个项目中管理32种语言，支持多语言文本和自动翻译的文本库、文本的导入/导出过程十分简单，从而便于翻译个性化扩展选件、Smart客户端/服务器概念、通过Internet进行服务与诊断、OPC服务器通讯、过程诊断、记录和跟踪操作员动作和组态。6.3利用组态软件编程步骤打开SIMATICWinCCflexible2008编程软件，如图6-1所示图5-1点击创建一个空项目，参数设置为图6-2所示 79皮革性能指标测量结构仪设计图6-2点击确定，如图6-3所示图6-3点击添加画面，并命名为：系统画面、初始画面、模板、压缩画面、顶伸画面、弯曲画面，如图6-4所示 79皮革性能指标测量结构仪设计图6-4点击变量，创建以下变量，如图6-5所示图6-5点击模板，编辑如图6-6所示 79皮革性能指标测量结构仪设计图6-6点击初始画面，编辑为如图6-7所示图6-7 79皮革性能指标测量结构仪设计点击系统画面，编辑为图6-8所示图6-8点击压缩画面，编辑成如图6-9所示图6-9 79皮革性能指标测量结构仪设计点击顶伸画面，编辑成图6-10所示图6-10点击弯曲画面，编辑成图6-11所示图6-11点击菜单栏中的启动运行系统，生产如下6-12、6-13、6-14、6-15、6-16五组画面。 79皮革性能指标测量结构仪设计图6-12图6-13 79皮革性能指标测量结构仪设计图6-14图6-15 79皮革性能指标测量结构仪设计图6-16图6-12为初始画面，点击左上角的主菜单进入系统画面，在系统画面中设有复位按钮、复位灯、停止按钮、停止灯、开始按钮、开始灯、压缩按钮、压缩灯、顶伸按钮、顶伸灯、弯曲按钮、弯曲灯、压缩量量程、压缩力最大值、顶伸量量程、顶伸力最大值、弯曲量量程、弯曲力最大值。点击压缩按钮，压缩灯亮，同时进入压缩画面开始进行数据统计。点击顶伸按钮和弯曲按钮同理。 79皮革性能指标测量结构仪设计致谢借着这个机会我首先要感谢我的指导老师，感谢吉涛老师四个月对我的指导和建议，感谢所有帮助我完成课题的其他老师和同学。做皮革测试仪的这段过程感受颇多，在观看网上教程实例，查阅相关资料和外文文献的这段时间里，弥补了以前在学习过程中许多的不足。辛苦之后的收获是踏实、知足的。在毕业设计期间，几次遇到了瓶颈，在这吉老师提供了许多的宝贵建议，使得自己一点一点，一步一步的慢慢完成，虽然有一段时间进度很慢，但还是一点一点坚持了下来。俗话说“纸上学来终觉浅”，实践才是检验理论、加强理论的唯一过程。越学习越发现自己所知道的不过是冰山一角，自己还很肤浅，还需要不断的学习来丰富自己。最后再次感谢吉老师对我的指导，感谢同学的帮助，感谢家人对自己的支持。 79皮革性能指标测量结构仪设计参考文献［l］张晓镭等．皮革性能量化评价的研究进展［J］．中国皮革，2008，37(1)：23-27．［2］王博．皮革感官参数测试仪控制系统及评价体系研究［D］．陕西：陕西科技大学，2011．［3］董继先等．皮革感官特性参数的力学表征方法［J］．皮革科学与工程，2008，18(6)：41-44．［4］陈万日．中国将长期主导全球皮革市场川．北京皮革下，201l，5．［5］凌璐．正确选用纺织服装标准的一些建议［J］．中国纤检，2011，11：33-34．［6］张三．皮革感官特性参数自动测试仪器的研究［D］．陕西：陕西科技大学，2009．［7］王国和．毛绒型织物风格评价模型的研究与应用］［D］．江苏：苏州大学，2007．［8］岂兴明等.PLC与步进伺服快速入门与实践［M］.人民邮电出版社，2011-1.［9］冯清秀.机电传动控制（第五版）［M］.华中科技大学出版社，2012-8.［10］樊占锁等.彻底学会西门子PLC变频器触摸屏综合应用［M］.中国电力出版社，2012-6.［11］夏田等.PLC电气控制技术-CPM1A系列和S7-200［M］.化学工业出版社，2012-8. 79皮革性能指标测量结构仪设计附录ⅠPLC符号表在PLC编程中，I/O点数、中间继电器M、特殊继电器SM、变量寄存器V、定时器T的分配共98个如下图所示 79皮革性能指标测量结构仪设计 79皮革性能指标测量结构仪设计 79皮革性能指标测量结构仪设计附录Ⅱ主程序这里首先在首次扫描时sm0.1有效，高速脉冲输出信号复位，运行子程序SBR_0。首次接通之后高速脉冲使能端始终为高位。 79皮革性能指标测量结构仪设计当复位按钮接通时中间继电器M3.0接通。当M3.0接通或者和触摸屏相连的中间继电器M3.1导通时启动复位子程序。启动按钮按下时中间继电器M3.2导通。 79皮革性能指标测量结构仪设计当M3.2或者和触摸屏相连的M3.3接通时运行开始子程序。停止按钮按下时中间继电器M3.4接通。当M3.4导通或者M3.5导通时导通M5.4和启动断电延时定时，器断电延时3s。M5.4或M5.5接通时停止灯断电延时3s熄灭。 79皮革性能指标测量结构仪设计力传感器的模拟电流信号存储到字VW200中，在转化为双字VD204中，在转化为实数存到VD208中，以便后续工作。 79皮革性能指标测量结构仪设计把力传感器的输入电流和力一一对应起来。将高速脉冲中的脉冲数转化成位移。 79皮革性能指标测量结构仪设计进行压缩过程，压缩，弯曲，顶伸只能一个有效进行互锁，同时导通中继器M3.6。M3.6或M3.7接通时M5.6接通。M5.6或M5.7接通时压缩灯亮且常亮。 79皮革性能指标测量结构仪设计进行顶伸过程，压缩，弯曲，顶伸只能一个有效进行互锁，同时导通中继器M4.0。M4.0或M4.1导通中继器M6.0导通。M6.0或M6.1导通时顶伸灯亮且常亮。 79皮革性能指标测量结构仪设计进行弯曲过程，压缩，弯曲，顶伸只能一个有效进行互锁，同时导通中继器M4.2。M4.2或M4.3接通中继器M6.2接通。中继器M6.2或M6.3接通弯曲灯亮，且常亮 79皮革性能指标测量结构仪设计压缩灯亮，启动压缩子程序。顶伸灯亮，启动顶伸子程序。弯曲灯亮，启动弯曲子程序。压缩、顶伸、弯曲只能有一个工作，当两个或三个同时工作时M3.4 79皮革性能指标测量结构仪设计导通，停止工作。 79皮革性能指标测量结构仪设计SBR_0子程序把十六进制数91存入到特殊寄存器SMB67中，把周期138ms存入到特殊寄存器SMD68中，并用Q0.0发出高速脉冲。 79皮革性能指标测量结构仪设计HSC_INIT指令向导把十六进制数FC存入到特殊寄存器SMB37，把VD108存入到SMD38中，VD104存入到SMD42中，采用模式9，高速计数器0，当当前值等于预设值时采用中断12。 79皮革性能指标测量结构仪设计COUNT_EQ向导当当前值等于预设值时采用此程序，把十六进制数DC存入到SMB37中，当前值归0。 79皮革性能指标测量结构仪设计复位子程序复位子程序开始，中继器M5.0接通，定时器T37接通M5.0或M5.1接通时复位灯亮。当上限位触发时，中继器M1.0接通。 79皮革性能指标测量结构仪设计启用高速脉冲，及高速运行。当停止按钮触发时立即停止，当上限位开关接通时减速停止。 79皮革性能指标测量结构仪设计开始子程序高速脉冲计数器启用，当前值设为0存入VD108中，预设值脉冲数32500存入VD104中。启用断电延时计时器延时3S。 79皮革性能指标测量结构仪设计M5.2或M5.3有一个接通时，开始灯亮断电延时3s。开始时以高速运行。 79皮革性能指标测量结构仪设计当停止灯亮时立即停止，当当前值等于预设值时减速停止。 79皮革性能指标测量结构仪设计压缩子程序定义低速脉冲周期为556ms，并存入到特殊寄存器SMD68中，压力上限值为2000N存入到VD224中。把触摸屏中的输入压缩量进行转化，转化为高速脉冲数并存入到VD168中。 79皮革性能指标测量结构仪设计以低速运行。下限位开关出发时触发中间继电器M1.4。按下停止按钮立即停止，达到力上限或位移上限时减速停止。 79皮革性能指标测量结构仪设计当检测到有力时中继器M1.6接通。M1.6接通时把当前置设为0，存入预设值。当达到力上限或位移上限时接通M1.7。 79皮革性能指标测量结构仪设计M1.7接通时启动接通延时定时器延时5s。滑台准备向上移动。以高速反方向运动。 79皮革性能指标测量结构仪设计顶伸子程序 79皮革性能指标测量结构仪设计 79皮革性能指标测量结构仪设计 79皮革性能指标测量结构仪设计 79皮革性能指标测量结构仪设计弯曲子程序 79皮革性能指标测量结构仪设计 79皮革性能指标测量结构仪设计 79皮革性能指标测量结构仪设计'