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2014年機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃表
學(xué)生姓名： 學(xué)號：
序號
起止日期
計(jì)劃完成內(nèi)容
實(shí)際完成內(nèi)容
檢查日期
檢查人簽名
1
2013.12.17—12.23
教師填寫，下同
教師填寫，下同
2
2013.12.24—12.30
3
2013.12.31-2014.1.6
4
2014.1.7-1.13
5
3.4-3.10
6
3.11-3.17
7
3.18-3.24
8
3.25-3.31
(本表同時(shí)作為指導(dǎo)教師對學(xué)生的16次考勤記錄)
2014年機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃表（續(xù)）
學(xué)生姓名： 學(xué)號：
序號
起止日期
計(jì)劃完成內(nèi)容
實(shí)際完成內(nèi)容
檢查日期
檢查人簽名
9
4.01-4.07
教師填寫，下同
教師填寫，下同
10
4.08-4.14
11
4.15-4.21
12
4.22-4.28
13
4.29-5.05
14
5.06-5.12
15
5.13-5.19
16
5.20-5.26
完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，提交論文
任務(wù)下達(dá)時(shí)間：2013年12月17日 (本表同時(shí)作為指導(dǎo)教師對學(xué)生的16次考勤記錄)
第 1 頁 共 2 頁
編號：
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯
（譯文）
院 （系）： 國防生學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué)生姓名： 蔡秀濱
學(xué) 號： 1001020105
指導(dǎo)教師單位： 機(jī)電工程學(xué)院
姓 名： 郭中玲
職 稱： 高級工程師
2014年 3 月 9 日
目 錄
1.注塑模設(shè)計(jì) 1
2.基于注塑模具鋼研磨和拋光工序的自動化表面處理 12
第 19 頁 共 20 頁
桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)（論文）報(bào)告專用紙
注塑模設(shè)計(jì)
Alp Tekin Ergen? Deniz ?zde Koca
Yildiz Tecnical大學(xué)機(jī)械工程系,內(nèi)燃發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室,土耳其
模具簡介
模具型腔可賦予制品其形狀，因此在塑料加工過程中模具處于非常重要的地位，這使得模具對于產(chǎn)品最終質(zhì)量的影響與塑化機(jī)構(gòu)和其他成型設(shè)備的部件一樣關(guān)鍵，有時(shí)甚至更重要。
模具材料
根據(jù)成型方法和模具使用周期（即要生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量）的不同，塑料成型模具要滿足不同的需求，模具可以由多種材料制成，甚至于可以使比較特殊的材料如紙張和石膏。然而，由于大多數(shù)成型過程需要高壓，通常還有高溫條件限制，金屬迄今為止時(shí)最重要的材料，其中剛才居首位。很多時(shí)候，模具材料的選擇不僅關(guān)系到性能和最佳性價(jià)比，還影響到模具的加工方法，甚至是整體設(shè)計(jì)。
典型的例子是金屬鑄造模具的材料選擇，與機(jī)械加工模具相比，不同材料的金屬鑄造模具冷卻系統(tǒng)存在很大的差異。另外，不同的制造方法也會對材料的選擇產(chǎn)生影生產(chǎn)，原型模具的制造常常采用一些新技術(shù)，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)集成制造，將固體毛配制成原型模具。與以前以模型為基礎(chǔ)的方法相比，用CAD和CIMS方法會更經(jīng)濟(jì)，這是因?yàn)檫@類模具廠家自身就能制作，而用其他技術(shù)，只能由外面的供應(yīng)商來加工生產(chǎn)。
總之，雖然模具生產(chǎn)中經(jīng)常會用到一些高性能材料，但用得最多的仍然是那些常規(guī)材料。像陶瓷這類高性能材料幾乎不能用于模具制造，這可能是因?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)（如高溫下性能不會改變）在模具中并不需要，相反，像燒結(jié)類陶瓷材料，具有低抗張強(qiáng)度和熱傳遞性差的缺點(diǎn)，在模具中也只有少量應(yīng)用。這里所用的零件不是采用粉末冶金和熱等壓工藝生產(chǎn)，而是指燒結(jié)成的多空、透氣性零件。
在很多成型方法中，都必須將行腔中的氣體排出去，人們已經(jīng)多次嘗試使用多孔金屬材料排氣。與專門設(shè)置的排氣裝置相比，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，尤其是在熔料前鋒處如有熔接線的地方，這里是最容易出現(xiàn)問題的區(qū)域：一方面能防止在制品表面有明顯的熔接線，還能避免溢流料等殘余物堵塞微孔。采用這類材料制造模具時(shí)，在設(shè)計(jì)和成型工藝上都會出現(xiàn)新的問題。
A．設(shè)計(jì)原則
模具設(shè)計(jì)的原則很多，這些原則都是基于邏輯、以往經(jīng)驗(yàn)、加工的方便性和經(jīng)濟(jì)性考慮，在設(shè)計(jì)、模具制造和模塑成型過程遵守這些規(guī)則是很有用的，但有時(shí)，忽略某一原則而遵守另一原則往往會更好些。本文將介紹最常用的設(shè)計(jì)原則，但設(shè)計(jì)人員只有從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中才能有所收獲。設(shè)計(jì)者應(yīng)隨時(shí)關(guān)注與這些設(shè)計(jì)原則有關(guān)的新觀點(diǎn)、模塑方法、材料。
B．模具基礎(chǔ)
1．模腔
模腔指的是通過機(jī)加工在模具材料內(nèi)部挖出的空間，以供模塑材料，即塑料填充，并獲取該空間形狀得到需要的制品。模具的歷史幾乎與人類文明一樣悠久，通過在沙型這類的模具中注入液體金屬如鐵、青銅，生產(chǎn)出工具、武器、鐘、塑像和廚房用具，如今在鑄造廠仍使用這類模具，為了取出固化后的制品，需要將模具打碎，因此這種模具只能用一次，我們一直在尋求可以反復(fù)使用的永久模具，現(xiàn)在可以用堅(jiān)固耐用的材料如鋼材、軟質(zhì)鋁及其他合金材料生產(chǎn)模具，當(dāng)生產(chǎn)量不是很大、模具壽命要求不是很高時(shí)，甚至可以用某些塑料制品模具。注塑生產(chǎn)時(shí)，熔料以高壓注入型腔，因此就需要模具足夠結(jié)實(shí)以抵御變形。
2．型腔數(shù)量
多數(shù)模具，尤其生產(chǎn)大型制品的模具多為單腔模，但是大批量生產(chǎn)時(shí)的模具，會有兩個(gè)或更多型腔，這純粹是出于經(jīng)濟(jì)考慮。注射多型腔的時(shí)間并不比單腔模多，例如四腔模注射一個(gè)產(chǎn)品的時(shí)間大約僅是單腔模的1/4，而產(chǎn)量卻與型腔數(shù)成正比。多腔模比單腔模貴，并不是說要貴四倍，但需要帶有大模板和鎖模能力的注塑機(jī)，而且該例所需總的塑料量是單腔模的四倍，需要有較大的注射裝置，較大設(shè)備的單位成本要比用小型模具的設(shè)備高。目前多型腔模大多選擇2、4、6、8、12、16、24、32、48、64、96、128這樣的數(shù)字。選擇這些數(shù)字（偶數(shù)）的原因是為了方便在長方形區(qū)域內(nèi)布置型腔，這樣有利于設(shè)計(jì)、定尺寸以方便加工制造，也有利于圍繞機(jī)器中心對稱分布型腔，這種對稱分布對保證每個(gè)型腔分配到相同的鎖模力非常重要。也可以在圓形范圍內(nèi)設(shè)置較少量的型腔數(shù)，甚至于是3，5，7，9這樣的奇數(shù)，還可用任意型腔數(shù)排布，但要注意圍繞注塑機(jī)中心線投影面積對稱分布。
3．型腔形狀及收縮
型腔形狀實(shí)際上是塑件形狀的“反”形狀。尺寸需要家上塑料的收縮量。型腔形狀可以用切削設(shè)備或電火花、化學(xué)腐蝕及任何新型加工方法進(jìn)行加工和制造，如電鍍工藝，也可以將銅或鋅基合金澆鑄到具有制品形狀的石膏?；蛴菜芰夏Ｈ绛h(huán)氧樹脂中，再機(jī)加工成規(guī)定形狀。型腔可以直接在模板上切挖出來，也可做成嵌件攘入模板中。
C．型腔和型芯
通常模具的凹部叫型腔，與之相配的凸起部分叫型芯。大多塑料制品是杯狀的，這并不是它們看起來像水杯，而是有內(nèi)外兩面，其外部由型腔成型，內(nèi)部由型芯制得。另一種是平板狀制品，模具沒有明顯的凸起，型腔有時(shí)看起來像鏡面，這類制品有塑料小刀、游戲籌碼、圓片狀制品如唱片，產(chǎn)品外表看起來很簡單，但注塑成型時(shí)卻有很多嚴(yán)重問題出現(xiàn)。通常將型腔設(shè)置在注塑一側(cè)的半模上，而將型芯設(shè)置在動模一側(cè)。這樣放的原因是所有注塑機(jī)在動模側(cè)都設(shè)置有頂出機(jī)構(gòu)，而且制品通常易于收縮并包覆在型芯上，隨后被頂出。絕大多數(shù)注塑機(jī)在注射側(cè)不安置頂出機(jī)構(gòu)。
聚合物成型過程
聚合物成型加工是將固體 (有時(shí)是液體狀) 粉末、粒狀、珠粒等形狀的樹脂轉(zhuǎn)變成具有一定形狀、尺寸和性能的固體塑料制品，通常包括：擠出、模塑、壓延、涂布、熱成型等。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，成型過程通常包括一下步驟：國體物料輸送、壓縮、加熱、熔融、混合、成型、冷卻、固化、修飾。很顯然，這些操作不一定順序完成，其中有一些是同時(shí)進(jìn)行的。
為了賦予塑料材料規(guī)定的幾何形狀和尺寸，需要通過成型加工來完成。還要綜合考慮黏彈性形變和若傳遞，他們和溶體的固化有關(guān)。
成型加工包括下述兩種方式：二維成型如口模成型、壓延和涂布；三維成型。二維成型既包括連續(xù)穩(wěn)定的操作也包括間歇式操作，連續(xù)式如薄膜和片材擠出、線纜包裹、紙張和片材涂布、壓延、纖維紡絲、管材和異型材基礎(chǔ)等，間歇式操作如擠出吹塑成型。通常，模塑成型是間歇式的，所以工作條件有時(shí)會不穩(wěn)定。熱成型、真空成型及其他類似方法?？梢员豢醋魇菍σ延械亩渭庸?，例如在吹塑成型中，就包括預(yù)成型（型胚的生成）和二次成型（型胚的吹脹）兩部分。
成型過程中既有同步的液體流動和熱傳遞，也有交錯(cuò)的流動和熱傳遞。在二維成型過程中，一般成型后再接著固化，而在三維成型時(shí)，固化和成型往往在模具內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)材料的性質(zhì)、設(shè)備和成型條件，結(jié)合流動面的情況（自由與否），流動通常包括剪切、拉伸及壓縮流動（國內(nèi)一般將流動形式只分為剪切和拉伸流動）。聚合物流動和固化時(shí)的熱力學(xué)－機(jī)械性能決定了制品的微觀結(jié)構(gòu)變化如形態(tài)、結(jié)晶度和取向分布等，制品的最終性能與期微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，只有了解樹脂性能、設(shè)備、操作條件、熱力學(xué)－力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和制品最終性能之間的相互作用，才能更好的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程和制品的質(zhì)量控制。已經(jīng)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬來研究它們之間的相互作用，鑒于CAD/CAM/CAE系統(tǒng)在塑料成型中應(yīng)用越來越廣泛，此種研究思路也越來越重要。
注塑成型
將粒狀、粉末及液體塑料轉(zhuǎn)變?yōu)橹破酚泻芏喾N方法，塑料材料處于可模塑狀態(tài)并可適用于多種成型方法。大多數(shù)情況下，熱塑性材料可以用某些方法成型，而熱固性材料需要用其他方法。這是因?yàn)闊崴苄圆牧霞訜岷髸浕?，冷卻前可被重塑，而熱固性材料在加工前未聚合，成型過程中會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)通常是在熱、催化劑或壓力的作用下完成的，在進(jìn)行塑料加工研究和應(yīng)用時(shí)，了解這一點(diǎn)尤為重要。
注塑成型是迄今為止用得最多的一中熱塑性材料的成型方法，同時(shí)也是歷史悠久的一種方法，目前占到塑料成型總量的30%。由于原料可惜此一步成型，注塑方法適于大批量和一步自動成型復(fù)雜幾何形狀的塑料制品，大多數(shù)情況下不需要后續(xù)加工。典型制品有玩具、汽車配件、家庭用具和電子產(chǎn)品。
由于注塑成型時(shí)有很多相互關(guān)聯(lián)的變量，這種方法是相當(dāng)復(fù)雜的。成功的注塑生產(chǎn)不僅有賴于設(shè)備參數(shù)的正確設(shè)置，還在于要消除每次注射時(shí)的潑動，這種潑動是由液壓系統(tǒng)、料筒溫度及材料黏度變化引起的。提高每次注射時(shí)設(shè)備參數(shù)的穩(wěn)定性，可得到公差小、次品率低和質(zhì)量高的產(chǎn)品。
任何成型加工最根本的目標(biāo)都是：提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短成型周期，采用重復(fù)性和自動化程度高的循環(huán)過程。模具人員在生產(chǎn)過程中總是想盡辦法降低或消除不合格。用注塑法生產(chǎn)那些精度要求很高的化學(xué)產(chǎn)品，或者附加值很高的產(chǎn)品如電器外殼，降低次品率的好處很大。
典型的注塑成型過程由五個(gè)階段組成：
1.注射與充模；
2.補(bǔ)料或壓縮；
3.保壓；
4.冷卻；
5.頂出制品。
注塑概況
工藝
注射成型是一個(gè)塑料在壓力下進(jìn)入一個(gè)空腔中成為理想形狀的的循環(huán)過程。塑造，是通過冷卻（熱塑性塑料）或由一個(gè)化學(xué)反應(yīng)（熱固性）來實(shí)現(xiàn) 的。這是一個(gè)為大規(guī)模生產(chǎn)具有優(yōu)良尺寸精度的復(fù)合塑料零部件最常見和最靈活方式。它需要極少或根本沒有整理或裝配作業(yè)。除了熱塑性塑料和熱固性， 這個(gè)進(jìn)程現(xiàn)在通過用聚合物粘結(jié)劑被擴(kuò)展到象纖維，陶器，金屬粉末這樣的材料。
應(yīng)用
按重量計(jì)算大約所有塑料加工的32%是通過注塑成型機(jī)器的。 歷史上， 注入成型的主要里程碑包括往復(fù)移動螺絲機(jī)器和各種新的替代過程， 和應(yīng)用電腦仿真，以及設(shè)計(jì)和制造的塑料零部件的發(fā)明。
注射機(jī)的發(fā)展
從19世紀(jì)70年代初注入成型機(jī)器問世以來它已經(jīng)經(jīng)歷了顯著的修改和改進(jìn)。 尤其是往復(fù)移動螺桿機(jī)器的發(fā)明使熱塑性塑料注塑成型過程的多功能性和生產(chǎn)力得到了徹底改革。
往復(fù)移動螺桿的好處
除在機(jī)器控制方面和機(jī)器起動功能上有明顯改進(jìn)外， 注塑成型機(jī)器的一個(gè)主要發(fā)展是從一個(gè)活塞機(jī)器到一個(gè)往復(fù)移動螺絲桿的變化。 雖然活塞機(jī)本身簡單，它的普及受到限制歸咎與它僅僅通過純傳導(dǎo)的緩慢的加熱速度。 往復(fù)移動螺桿用它旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動能使材料塑化更迅速而均勻，如圖1中所示使可塑材料。另外，它能把這個(gè)熔融的聚合物注入在一個(gè)向前的方向，就像一個(gè)活塞。
注塑成型過程的發(fā)展
注塑成型過程開始只與熱塑性塑料聚合物一起使用在活性材料方面的發(fā)展， 在塑造設(shè)備方面的改進(jìn)，并且由于特殊工業(yè)的需要已經(jīng)把工藝的用途擴(kuò)展到超出了他原先的范圍
供選擇的注塑工藝
在過去二十年期間發(fā)展注射模塑已經(jīng)被做出許多嘗試，隨著特殊設(shè)計(jì)發(fā)展道具生產(chǎn)零件的工序可用作替換過程，從傳統(tǒng)的注射模塑中派生而來的應(yīng)用策劃新時(shí)代，它有更多自由設(shè)計(jì)和特殊結(jié)構(gòu)上特征 通過這些努力產(chǎn)生了許多類型，包括：
級進(jìn)注射（夾心）成型
易熔芯注塑成型
氣體輔助注塑成型
壓縮注塑成型
層狀（微）注射
交替供料的注塑成型
低壓注入成型
推拉注塑成型
反應(yīng)注塑成型
結(jié)構(gòu)泡沫注塑成型
薄壁件成型
計(jì)算機(jī)模擬注塑成型過程
由于他們的擴(kuò)展性和希望性,電腦仿真也已經(jīng)擴(kuò)展超出早期的"外行-扁平物" 現(xiàn)在,復(fù)雜程序在過程期間模仿填充后行為,反作用動力學(xué)和兩材料的不同性質(zhì)或者二維的使用。
仿真部分提供關(guān)于使用C-類型產(chǎn)品的信息 在設(shè)計(jì)題目有中間幾例子,其給你怎樣能使用CAE工具改進(jìn)你的部分和塑造設(shè)計(jì)和使處理狀況最優(yōu)化配上插圖。
級進(jìn)注射（夾心）成型
總體上說
級進(jìn)注塑成型是通過兩種不同的材料連續(xù)的和或同時(shí)地由同一澆口注射完成的。材料層板和凝固。 這工藝生產(chǎn)零件,其隨著在層皮材料之間把型芯材料嵌入有一層積的結(jié)構(gòu)中. 這項(xiàng)創(chuàng)新過程為用最優(yōu)性能的每一種材料或修改模的一部分屬性提供了固有的靈活性。
圖1 四個(gè)階段的級進(jìn)注塑成型(a)短球的皮合物融化(顯示在里深綠色)注入進(jìn)那些模型 (b)核心聚合物的注射熔化，直到型腔被差不多填補(bǔ) 如(c)中所示皮聚合物再次被注入，以便把離開的這個(gè)核心聚合物從澆注系統(tǒng)中清除出去
熔心注射成型
熔芯工藝在單個(gè)產(chǎn)品中，空的部分用復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的易熔(丟失，可溶)如下圖。這個(gè)工藝在塑造核芯內(nèi)部完成，核芯將自身融化或者化學(xué)消失，留下它的外部結(jié)構(gòu)作為塑料部分的內(nèi)部形狀。
圖1。 易熔(失芯，熔芯)核心注射成型
氣體輔助注塑成型
氣體輔助工藝
氣體輔助注塑成型過程的是樹脂聚合物熔體欠料進(jìn)入模腔。壓縮氣體，然后注入的聚合物核心部分幫助填滿模具。這個(gè)過程如下所示。
圖1 。氣體輔助注射成型(a)電氣系統(tǒng)(b)液壓系統(tǒng)，，(c)控制面板，(d)汽缸。
注射--壓縮成型
注射壓縮成型工藝是傳統(tǒng)注射成型的延續(xù)。在把一種預(yù)調(diào)裝置量的聚合物熔化注入一個(gè)開放型腔,如同下面展示那樣,聚合物注射的時(shí)候被壓緊,這過程的最重要特點(diǎn)是相對于無壓力部件要在低夾具方面保證尺寸上穩(wěn)定,(百分之20到50甚至更低).
層狀（微層）注塑成型
層狀注射成型通過同步注射和層倍增加的綜合了供擠出和注射成型，如同在圖下面1中展示那樣,層狀注射成型同時(shí)實(shí)施不同的樹脂注射.不同樹脂疊加在一起提高其性能，例如阻隔氣密性,尺寸穩(wěn)定性，耐熔性和光學(xué)透明性。
交替注射成型
交替注射成型過程是在入口壓力下引起聚合物熔化擺動，如這下面的插圖中所示。當(dāng)不同的層分子或者纖維由于凝固而被在模具里增加時(shí)，活塞的行動保持材料在門里熔融，、。 這個(gè)過程提供簡單的方法使簡單或者復(fù)雜部分從空間中釋放出來，下沉標(biāo)明，以及結(jié)合處缺陷。
低壓注射成型
低氣壓注塑成型，基本上是一種優(yōu)化并延長的常規(guī)注塑成型（見圖1 ） 。低壓可以通過正確的螺桿轉(zhuǎn)/分的編程， 水壓支持壓力和螺桿速度來控制熔化的溫度和注射速度。它也利用很多閥門的連續(xù)關(guān)閉來縮小流程。填料階段以一般慢并且控制注射速度來消除，低氣壓注塑成型的優(yōu)點(diǎn)包括減少較大的夾緊力，利用成本較低的模具和壓力機(jī)和降低模塑制品成型應(yīng)力。
推拉注射成型
該推拉注射成型過程中使用了傳統(tǒng)的兩套注射液系統(tǒng)和雙澆口模具，推動材料在母主注射裝置和輔助注射裝置中來回流動，如下所示。這個(gè)過程中消除熔體縫，空隙，裂紋，并控制纖維方向。
反應(yīng)注塑成型
工藝
多數(shù)反應(yīng)注塑成型工藝，包括反應(yīng)注射成型（ RIM ），以及混合成型
加工，如樹脂傳遞模塑（ RTM）和結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型（SRIM ）。
與熱塑性塑料塑造相比具有典型的低粘性，模具壓力低，模具成本低的特點(diǎn)?；钚詷渲部梢栽诨旌线^程中使用。例如，制作高強(qiáng)度和小批量的大型零件，RTM和SRIM可用于長纖維的預(yù)先成型。另一個(gè)領(lǐng)域是比以往任何時(shí)候接受的都是微電子集成電路芯片。
注塑成型的適應(yīng)性是在這些物質(zhì)中包括在機(jī)械上料（桶）中的一段溫度上升來避免固化。不過，腔通常是有足夠的熱來啟動化學(xué)交聯(lián)。作為熱預(yù)聚合物是被迫進(jìn)入腔中，熱度是從腔墻中，流動的粘性（摩擦）熱氣，和反應(yīng)元件所釋放的熱氣中補(bǔ)充的。零件的溫度往往超過模具的溫度。零件的固性(甚至在高溫中)的循環(huán)是當(dāng)反應(yīng)足夠強(qiáng)烈時(shí)完成的然后零件被彈出。
設(shè)計(jì)考慮
因?yàn)榉磻?yīng)是在填塞和充滿后的階段進(jìn)行的，所以活性材料的注塑成型的加工工藝是復(fù)雜的。例如，慢的填充經(jīng)常引起過早的膠化和一個(gè)合力，然而快速填充能引起內(nèi)部間隙混亂。模具壁溫度的不適當(dāng)控制和厚度不足要么引起的注射劑流動性問題或造成材料過熱。計(jì)算機(jī)仿真是普遍公認(rèn)的作為更具成本效益的工具，比傳統(tǒng)的時(shí)間短，試錯(cuò)能力強(qiáng)和高的改錯(cuò)能力。
結(jié)構(gòu)泡沫注塑成型
概況
結(jié)構(gòu)泡沫注塑生產(chǎn)的零件是有固體外表面周圍的圍繞內(nèi)部氣孔(或者泡沫)的核心組成的，在下面的圖1 說明。這個(gè)工藝適合大型厚零件在最終用途應(yīng)用中承受彎曲負(fù)荷，結(jié)構(gòu)泡沫零件還可以高低壓生產(chǎn)或者是氮?dú)夂突瘜W(xué)填充劑。
薄壁成型
薄壁件是相對的，傳統(tǒng)的塑料零件通常是2到4毫米厚。當(dāng)厚度在1.2到2毫米時(shí)和邊緣尺寸低于1.2毫米的時(shí)候，薄壁設(shè)計(jì)被稱為"先進(jìn)"。薄壁成型的另一個(gè)定義是根據(jù)流程/壁厚比，這些薄壁的應(yīng)用典型比率在100：1到150：1之間或更高。
典型的應(yīng)用范圍
薄壁件成型更適用于便攜式的通訊和計(jì)算設(shè)備，他們要求塑料殼得非常薄卻依然能夠同傳統(tǒng)零件一樣能夠承受同樣的機(jī)械強(qiáng)度
工藝
因?yàn)楸”诩鋮s速度非常快，他們需要高的溶化溫度，高的注射速度，和非常高的注射壓力，如果多種閥門或者順序閥門沒有一個(gè)理想的填充速度來幫助減少壓力的要求。
由于高的速度和剪切速率在薄壁件成型上更容易幫助減少薄壁件每個(gè)方向收縮，這對于充分的填充非常重要，然而核心的部分仍然是熔化。
注塑機(jī)
組成要素
對于熱塑性塑料，注塑機(jī)通過熔化，注塑，填充和冷卻把粒狀或丸?；限D(zhuǎn)換成最好的成型零件。一個(gè)典型的注塑機(jī)主要由以下部分組成，在下面圖1中說明
機(jī)器功能
注塑機(jī)基于機(jī)器功能大致可分為三類：一般用途的機(jī)器 精密機(jī)器超高速，薄壁件的機(jī)器
輔助設(shè)備
注塑機(jī)的主要輔助設(shè)備包括樹脂干燥機(jī)，材料處理設(shè)備，制粒機(jī)，模溫機(jī)，冷水機(jī)組，搬運(yùn)機(jī)械手以及零件處理設(shè)備。
基于注塑模具鋼研磨和拋光工序的自動化表面處理
C. Apreaa, R. Mastrullob, C. Rennoa,*
薩勒諾大學(xué)機(jī)械工程系,通過Ponte Don Melillo 1、84084
菲夏諾( 薩勒諾)、意大利
那不勒斯大學(xué)DETEC費(fèi)德里科?二世,P。le Tecchio 80、80125
那不勒斯,意大利
完成于2002年8月8日,在修訂后完成于2003年12月18日,
通過是2004年2月18日
摘要: 本文研究了注塑模具鋼自動研磨與球面拋光加工工序的可能性，這種注塑模具鋼P(yáng)DS5的塑性曲面是在數(shù)控加工中心完成的。這項(xiàng)研究已經(jīng)完成了磨削刀架的設(shè)計(jì)與制造。 最佳表面研磨參數(shù)是在鋼鐵PDS5 的加工中心測定的。對于PDS5注塑模具鋼的最佳球面研磨參數(shù)是以下一系列的組合：研磨材料的磨料為粉紅氧化鋁，進(jìn)給量500毫米/分鐘，磨削深度20微米，磨削轉(zhuǎn)速為18000RPM。用優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行表面研磨，表面粗糙度Ra值可由大約1.60微米改善至0.35微米。 用球拋光工藝和參數(shù)優(yōu)化拋光，可以進(jìn)一步改善表面粗糙度Ra值從0.343微米至0.06微米左右。在模具內(nèi)部曲面的測試部分，用最佳參數(shù)的表面研磨、拋光，曲面表面粗糙度就可以提高約2.15微米到0 0.07微米。
關(guān)鍵詞: 自動化表面處理；拋光；磨削加工；表面粗糙度；Taguchi方法
一、引言:
塑膠工程材料由于其重要特點(diǎn),如耐化學(xué)腐蝕性、低密度、易于制造,并已日漸取代金屬部件在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。 注塑成型對于塑料制品是一個(gè)重要工藝。注塑模具的表面質(zhì)量是設(shè)計(jì)的本質(zhì)要求,因?yàn)樗苯佑绊懥怂苣z產(chǎn)品的外觀和性能。 加工工藝如球面研磨、拋光常用于改善表面光潔度。
研磨工具(輪子)的安裝已廣泛用于傳統(tǒng)模具的制造產(chǎn)業(yè)。自動化表面研磨加工工具的幾何模型將在[1]中介紹。自動化表面處理的球磨研磨工具將在[2]中得到示范和開發(fā)。 磨削速度, 磨削深度，進(jìn)給速率和砂輪尺寸、研磨材料特性（如磨料粒度大?。┦乔蛐窝心スに囍兄饕膮?shù)，如圖1（球面研磨過程示意圖）所示。注塑模具鋼的球面研磨最優(yōu)化參數(shù)目前尚未在文獻(xiàn)得到確切的依據(jù)。
近年來 ，已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，確定了球面拋光工藝的最優(yōu)參數(shù)(圖2) （球面拋光過程示意圖）。 比如，人們發(fā)現(xiàn), 用碳化鎢球滾壓的方法可以使工件表面的塑性變形減少,從而改善表面粗糙度、表面硬度、抗疲勞強(qiáng)度[3,4,5,6]。 拋光的工藝的過程是由加工中心 [3,4]和車床〔5,6〕共同完成的。對表面粗糙度有重大影響的拋光工藝主要參數(shù)，主要是球或滾子材料，拋光力， 進(jìn)給速率,拋光速度,潤滑、拋光率及其他因素等。注塑模具鋼P(yáng)DS5的表面拋光的參數(shù)優(yōu)化，分別結(jié)合了油脂潤滑劑，碳化鎢球,拋光速度200毫米/分鐘,拋光力300牛， 40微米的進(jìn)給量[7]。采用最佳參數(shù)進(jìn)行表面研磨和球面拋光的深度為2.5微米。 通過拋光工藝，表面粗糙度可以改善大致為40%至90%[3-7]。
此項(xiàng)目研究的目的是，發(fā)展注塑模具鋼的球形研磨和球面拋光工序，這種注塑模具鋼的曲面實(shí)在加工中心完成的。表面光潔度的球研磨與球拋光的自動化流程工序，如圖3所示。 我們開始自行設(shè)計(jì)和制造的球面研磨工具及加工中心的對刀裝置。利用Taguchi正交法，確定了表面球研磨最佳參數(shù)。選擇為TaguchiL18型矩陣實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的四個(gè)因素和三個(gè)層次。 用最佳參數(shù)進(jìn)行表面球研磨則適用于一個(gè)曲面表面光潔度要求較高的注塑模具。 為了改善表面粗糙, 利用最佳球面拋光工藝參數(shù)，再進(jìn)行對表層打磨。
圖1.球狀研磨的過程的簡圖
圖2.球面拋光的過程的簡圖
PDS試樣的設(shè)計(jì)與制造
選擇最佳矩陣實(shí)驗(yàn)因子
確定最佳參數(shù)
實(shí)施實(shí)驗(yàn)
分析并確定最佳因子
進(jìn)行表面拋光
應(yīng)用最佳參數(shù)加工曲面
測量試樣的表面粗糙度
球研磨和拋光裝置的設(shè)計(jì)與制造
圖3.自動球面研磨與拋光工序的流程圖
二、球研磨的設(shè)計(jì)和對準(zhǔn)裝置:
實(shí)施過程中可能出現(xiàn)的曲面的球研磨,研磨球的中心應(yīng)和加工中心的Z軸相一致。 球面研磨工具的安裝及調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)，如圖4（球面研磨工具及其調(diào)整裝置）所示。電動磨床展開了兩個(gè)具有可調(diào)支撐螺絲的刀架。磨床中心正好與具有輔助作用的圓錐槽線配合。 擁有磨床的球接軌,當(dāng)兩個(gè)可調(diào)支撐螺絲被收緊時(shí)，其后的對準(zhǔn)部件就可以拆除。研磨球中心坐標(biāo)偏差約為5微米, 這是衡量一個(gè)數(shù)控坐標(biāo)測量機(jī)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。 機(jī)床的機(jī)械振動力是被螺旋彈簧所吸收。球形研磨球和拋光工具的安裝，如圖5（a. 球面研磨工具的圖片. b.球拋光工具的圖片）所示。為使球面磨削加工和拋光加工的進(jìn)行，主軸通過球鎖機(jī)制而被鎖定。
三、矩陣實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃
3.1Taguchi正交表:
利用矩陣實(shí)驗(yàn)Taguchi正交法，可以確定參數(shù)的影響程度[8]. 為了配合上述球面研磨參數(shù)，該材料磨料的研磨球(直徑10毫米),進(jìn)給速率，研磨深度,再次研究中電氣磨床被假定為四個(gè)因素(參數(shù))，指定為從A到D（見表1實(shí)驗(yàn)因素和水平）。三個(gè)層次(程度)的因素涵蓋了不同的范圍特征,并用了數(shù)字1、2、3標(biāo)明。挑選三類磨料,即碳化硅(SiC),白色氧化鋁(Al2O3,WA),粉紅氧化鋁(Al2O3, PA)來研究. 這三個(gè)數(shù)值的大小取決于每個(gè)因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果。選定L18型正交矩陣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而研究四——三級因素的球形研磨過程。
圖4.球狀研磨的工具的概要例證和它調(diào)節(jié)裝置
圖5.a 球面研磨的工具的照片 b 球拋光工具的的照片
3.2數(shù)據(jù)分析的意義:
工程設(shè)計(jì)問題,可以分為較小而好的類型,象征性最好類型,大而好類型，目標(biāo)取向類型等[8]。 信噪比(S/N)的比值，常作為目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化產(chǎn)品或者工藝設(shè)計(jì)。 被加工面的表面粗糙度值經(jīng)過適當(dāng)?shù)亟M合磨削參數(shù)，應(yīng)小于原來的未加工表面。 因此,球面研磨過程屬于工程問題中的小而好類型。這里的信噪比（S/N）,η,按下列公式定義[8]:
η =?10 log （平方等于質(zhì)量參數(shù))
=?10 log
這里，
y——不同噪聲條件下所觀察的質(zhì)量參數(shù)
n——實(shí)驗(yàn)次數(shù)
從每個(gè)L18型正交實(shí)驗(yàn)得到的信噪比（S/N）數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后，運(yùn)用差異分析技術(shù)(變異)和殲比檢驗(yàn)來測定每一個(gè)主要的因素 [8]。 優(yōu)化小而好類型的工程問題問題更是盡量使η最大而定。各級η選擇的最大化將對最終的η因素有重大影響。 最優(yōu)條件可視研磨球而待定。
表1。 實(shí)驗(yàn)性因素和等級
四、實(shí)驗(yàn)工作和結(jié)果:
這項(xiàng)研究使用的材料是PDS5工具鋼(相當(dāng)于艾西塑膠模具)[9]， 它常用于大型注塑模具產(chǎn)品在國內(nèi)汽車零件領(lǐng)域和國內(nèi)設(shè)備。 該材料的硬度約HRC33(HS46)[9]。 具體好處之一是, 由于其特殊的熱處理前處理，模具可直接用于未經(jīng)進(jìn)一步加工工序而對這一材料進(jìn)行加工。式樣的設(shè)計(jì)和制造,應(yīng)使它們可以安裝在底盤，來測量相應(yīng)的反力。 PDS5試樣的加工完畢后，裝在大底盤上在三坐標(biāo)加工中心進(jìn)行了銑削，這種加工中心是由楊*鋼鐵公司所生產(chǎn)(中壓型三號),配備了FANUC-18M公司的數(shù)控控制器(0.99型)[10]。用hommelwerket4000設(shè)備來測量前機(jī)加工前表面的粗糙度,使其可達(dá)到1.6微米。 圖6試驗(yàn)顯示了球面磨削加工工藝的設(shè)置。 一個(gè)由Renishaw公司生產(chǎn)的視頻觸摸觸發(fā)探頭，安裝在加工中心上，來測量和確定和原始式樣的協(xié)調(diào)。 數(shù)控代碼所需要的磨球路徑由PowerMILL軟件產(chǎn)。這些代碼經(jīng)過RS232串口界面，可以傳送到裝有控制器的數(shù)控加工中心上。
完成了L18型矩陣實(shí)驗(yàn)后，表2 （PDS5試樣光滑表層的粗糙度）總結(jié)了光滑表面的粗糙度RA值，計(jì)算了每一個(gè)L18型矩陣實(shí)驗(yàn)的信噪比（S/N）,從而用于方程1。通過表2提供的各個(gè)數(shù)值，可以得到4種不同程度因子的平均信噪比（S/N），在圖7中已用圖表顯示。
表2.PDS5試樣光滑表層的粗糙度
圖6.確定最佳球面磨削參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置
表3.由因素水平(dB)的平均S/N比率
圖7.控制因素作用的曲線圖
球面研磨工藝的目標(biāo)，就是通過確定每一種因子的最佳優(yōu)化程度值，來使試樣光滑表層的表面粗糙度值達(dá)到最小。因?yàn)? log是一個(gè)減函數(shù)，我們應(yīng)當(dāng)使信噪比（S/N）達(dá)到最大。因此，我們能夠確定每一種因子的最優(yōu)程度使得η的值達(dá)到最大。因此基于這個(gè)點(diǎn)陣式實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速應(yīng)該是18000RPM，如表4（優(yōu)化組合球面研磨參數(shù)）所示。
通過使用數(shù)據(jù)方差分析的技術(shù)和F比檢驗(yàn)方法，進(jìn)一步確定了每一種因子有什么主要的影響，從而確定了它們的影響程度(見表5信噪比和表面粗糙度)。F0.1，2，13的F比的比值是2.76，相當(dāng)于10%的影響程度。（或者置信水平為90%）這個(gè)因子的自由度是2，自由度誤差是13，根據(jù)F分布表[11]。如果F比值大于2.76，就可以認(rèn)為對表面粗糙度有顯著影響。結(jié)果，進(jìn)給量和磨削深度都對表面粗糙度有顯著影響。
為了觀察使用最優(yōu)磨削組合參數(shù)的重復(fù)性能，進(jìn)行了5種不同類別的實(shí)驗(yàn)，如表6所示。獲得被測試樣的表面粗糙度值RA大約是0.35微米。使用球研磨組合參數(shù)，可使表面粗糙度提高了78%。使用球面拋光的優(yōu)化參數(shù)，光滑表面進(jìn)一步被拋光。經(jīng)過球面拋光可獲得粗糙度RA值為0.06微米的表面。被改善了的拋光表面，可以在30×光學(xué)顯微鏡觀察下進(jìn)行觀察，如圖8.（未加工表面、光滑面和拋光面的測試樣品的顯微鏡象(30×)的比較）所示。經(jīng)過拋光工藝，工件機(jī)加工前的表面粗糙度改善了近95%。
從Taguchi矩陣實(shí)驗(yàn)獲得的球面研磨優(yōu)化參數(shù)，適用于曲面光滑的模具，從而改善表面的粗糙度。選擇香水瓶為一個(gè)測試載體。對于被測物體的模具數(shù)控加工中心，由PowerMILL軟件來模擬測試。經(jīng)過精銑，通過使用從Taguchi矩陣實(shí)驗(yàn)獲得的球面研磨優(yōu)化參數(shù)，模具表面進(jìn)一步光滑。緊接著,使用打磨拋光的最佳參數(shù)，來對光滑曲面進(jìn)行拋光工藝，進(jìn)一步改善了被測物體的表面粗糙度。(見圖 9)。模具內(nèi)部的表面粗糙度用hommelwerket4000設(shè)備來測量。模具內(nèi)部的表面粗糙度RA的平均值為2.15微米，光滑表面粗糙度RA的平均值為0.45微米，拋光表面粗糙度RA的平均值為0.07微米。被測物體的光滑表面的粗糙度改善了：(2.15-0.45)/2.15=79.1%，拋光表面的粗糙度改善了：(2.15-0.07)/2.15=96.7%。
表4. 優(yōu)化組合球面研磨參數(shù)
表5. 信噪比和表面粗糙度
?F比率值> 2.76對地面粗糙度有很大影響
圖8.未加工表面、光滑面和拋光面的測試樣品的顯微鏡象(30×)的比較
圖9.香水瓶樣品
五、結(jié)論:
在這項(xiàng)工作中,對注塑模具的曲面進(jìn)行了自動球面研磨與球面拋光加工，并將其工藝最佳參數(shù)成功地運(yùn)用到加工中心上。 設(shè)計(jì)和制造了球面研磨裝置(及其對準(zhǔn)組件)。通過實(shí)施TaguchiL18型矩陣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定了球面研磨的最佳參數(shù)。對于PDS5注塑模具鋼的最佳球面研磨參數(shù)是以下一系列的組合：材料的磨料為粉紅氧化鋁，進(jìn)給量料500毫米/分鐘，磨削深度20微米，轉(zhuǎn)速為18000RPM。通過使用最佳球面研磨參數(shù)，試樣的表面粗糙度RA值從約1.6微米提高到0.35微米。應(yīng)用最優(yōu)化表面磨削參數(shù)和最佳拋光參數(shù)，來加工模具的內(nèi)部光滑曲面，可使模具內(nèi)部的光滑表面改善79.1%，拋光表面改善96.7%。
鳴謝：
作者感謝中國國家科學(xué)理事會對本次研究的支持, NSC 89-2212-E-011-059.
桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)（論文）報(bào)告專用紙
目 錄
引言 1
1 交通燈控制系統(tǒng)概述 2
1.1 智能交通燈系統(tǒng)的發(fā)展背景 2
1.1.1英國TRANSYT路面交通控制系統(tǒng) 2
1.1.2澳大利亞SCAT路面控制系統(tǒng) 2
1.1.3英國SCOOT路面控制系統(tǒng) 2
1.1.4日本城市路面控制系統(tǒng) 3
1.2 交通控制存在的問題 3
1.3 本課題的主要研究內(nèi)容 4
2 PLC功能介紹 4
2.1 PLC的基本概念和基本結(jié)構(gòu) 4
2.1.1 PLC的基本概念 4
2.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) 4
2.2 PLC的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域 6
2.2.1 PLC的特點(diǎn) 6
2.2.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 7
2.3 PLC的工作原理 7
2.3.1輸入采樣階段 8
2.3.2.用戶程序執(zhí)行階段 8
2.3.3.輸出刷新階段 8
2.4 PLC的性能指標(biāo)和軟件系統(tǒng) 9
2.4.1 PLC的性能指標(biāo) 9
2.4.2 PLC的軟件系統(tǒng) 9
2.5 PLC編程語言 10
2.5.1梯形圖 10
2.5.2語句表 10
2.6 PLC基本編程指令 12
2.6.1輸入輸出指令（LD/LDI/OUT） 12
2.6.3?電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令（ORB、ANB） 13
2.6.4?程序結(jié)束指令（END） 14
2.7 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要 14
2.7.1設(shè)計(jì)的基本原則和內(nèi)容 14
2.7.2設(shè)計(jì)的步驟和實(shí)現(xiàn)過程 15
3 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
3.1 PLC型號的選定以及可行性分析 15
3.1.1?FX2N-64MR?控制器主要性能指標(biāo) 16
3.2 設(shè)計(jì)思路 16
3.3 模擬十字路口交通燈規(guī)則設(shè)計(jì)實(shí)物模型設(shè)計(jì) 18
3.3.1控制要求 18
4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 24
4.1 PLC程序流程圖設(shè)計(jì) 24
4.2 PLC程序?qū)崿F(xiàn) 24
4.2.1 梯形圖程序（狀態(tài)步進(jìn)形式的梯形圖） 26
4.2.2 指令表（梯形圖對應(yīng)的指令語句） 40
5 總結(jié) 47
5.1 設(shè)計(jì)總結(jié) 47
5.2 檢測和調(diào)試 47
5.2.1硬件調(diào)試 47
5.2.2軟件調(diào)試 48
謝 辭 49
參考文獻(xiàn) 50
第 50 頁 共 50 頁
桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)（論文）報(bào)告專用紙
引言
據(jù)一項(xiàng)對美國主要城市交通狀況的調(diào)查顯示：1982年至2000年，美國城市在上下班高峰期間的交通堵塞狀況不斷加劇，由交通堵塞造成的時(shí)間和汽油浪費(fèi)而帶來的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)680億美元。以廣州為例來講，現(xiàn)在市區(qū)平均車速只有每小時(shí)12公里。用這個(gè)目標(biāo)速度代入歐美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，廣州人為交通堵塞所付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)總值：每年耗費(fèi)1.5億小時(shí)，減少生產(chǎn)總值117億元。相當(dāng)于該市整個(gè)生產(chǎn)總值的7%。
在北美、澳大利亞等大城市，道路面積率高達(dá)35%--40%，而北京只有20%。緩解交通擁堵，加快道路建設(shè)是當(dāng)務(wù)之急。據(jù)悉，到2010年，北京將投資500億元用于城市道路建設(shè)，到2005年，北京僅高速公路通車?yán)锍叹瓦_(dá)到600公里。但一味發(fā)展城市道路，也會刺激私家車超常規(guī)發(fā)展，兩者發(fā)展速度的失衡，最終還是逃不出“擁堵—修路—再擁堵”的怪圈。
當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)自動化時(shí)代，交通燈控制等很多行業(yè)的設(shè)備都與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。因此，一個(gè)好的交通燈控制系統(tǒng)，將給道路擁擠、違章控制等方面給予技術(shù)革新。隨著大規(guī)模集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運(yùn)用，智能設(shè)備有了很大的發(fā)展，是現(xiàn)代科技發(fā)展的主流方向。本設(shè)計(jì)介紹了一個(gè)智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該智能交通燈控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能有：對某市區(qū)的四個(gè)主要交通路口進(jìn)行監(jiān)控；各路口有固定的工作周期，并且在道路擁擠時(shí)中控中心能改變其周期；對路口違章的機(jī)動車能夠即時(shí)拍照，并提取車牌號。在世界范圍內(nèi)，一個(gè)以微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為先導(dǎo)的，以信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)為中心的信息革命方興未艾。而計(jì)算機(jī)技術(shù)怎樣與實(shí)際應(yīng)用更有效的結(jié)合并有效的發(fā)揮其作用是科學(xué)界最熱門的話題，也是當(dāng)今計(jì)算機(jī)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域。本文主要從單片機(jī)的應(yīng)用上來實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈智能化的管理，用以控制過往車輛的正常運(yùn)作。
交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實(shí)現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進(jìn)性、科學(xué)化。用可編程控制器實(shí)現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、經(jīng)濟(jì)，能夠有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合交通的實(shí)際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡單實(shí)用的城市交通燈控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)方案?？删幊绦蚩刂破骱喎Q為PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，PLC在其他領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動化設(shè)備中的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。
隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性。可編程序控制器（Programmable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。
1 交通燈控制系統(tǒng)概述
1.1 智能交通燈系統(tǒng)的發(fā)展背景
1.1.1英國TRANSYT路面交通控制系統(tǒng)
英國道路研究所花費(fèi)了十幾年的時(shí)間，在大量的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，研制出了TRANSYT路面交通控制系統(tǒng)。被全球400多個(gè)車市廣泛采用，可以說TRANSYT系統(tǒng)的成功是顯而易見的。TRANSYT內(nèi)部通過有線來經(jīng)行通信。采用靜態(tài)模式來控制交通信號燈，這種控制方案中通過數(shù)學(xué)模型來控制綠信比和相位差。但是這種交通控制系統(tǒng)還是存在一定的缺陷，例如它無法優(yōu)化周期，而且想要獲得最優(yōu)的整體分配方案是相當(dāng)困難的。如果想要經(jīng)行離線優(yōu)化，必須采用大量的路網(wǎng)幾何和交通數(shù)據(jù)流。
1.1.2澳大利亞SCAT路面控制系統(tǒng)
70年代末期，澳大利亞開發(fā)了SCAT路面控制系統(tǒng) 。SCAT采用分層遞階的計(jì)算機(jī)形式，這是一種較為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。SCAT通過有線來通信。在地區(qū)聯(lián)機(jī)，在中央即采用聯(lián)機(jī)也采用脫機(jī)模式。在控制的過程中，SCAT會預(yù)先設(shè)定幾個(gè)參數(shù)，在對路面情況經(jīng)行分析的基礎(chǔ)之上，根據(jù)實(shí)際的情況來選定具體采用那個(gè)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)好改變，控制方案好變換，而SCAT系統(tǒng)充分的利用了計(jì)算機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)。但是，由于SCAT對于硬件的要求高，這也就限制了它的移植能力，以及信息的無即時(shí)反饋性。
1.1.3英國SCOOT路面控制系統(tǒng)
在TRANSYT系統(tǒng)改進(jìn)和改良的基礎(chǔ)之上，通過8年的研究，英國道路交通研究所又設(shè)計(jì)出了一款自適應(yīng)的SCOOT路面控制系統(tǒng)，其全名為動態(tài)交通控制系統(tǒng)。由于采用動態(tài)的交通控制方式，其性能各個(gè)方面都要優(yōu)于以靜態(tài)為核心的路面交通控制系統(tǒng)。這種交通控制方式同樣被許多國家大量的采用。 SCOOT路面控制系統(tǒng)以有線的方式進(jìn)行通信。通過聯(lián)機(jī)的方式來控制各個(gè)路口的交通信號燈，這與傳統(tǒng)的控制方式來比，其效率大大提高。但是SCOOT路面控制系統(tǒng)依然有他的缺點(diǎn)，其一它的相位一旦確定之后就不能自動的增減了，其二他對于固定的路口只有固定的相序，其三它的安裝困難度也過高。
1.1.4日本城市路面控制系統(tǒng)
日本設(shè)計(jì)的路面控制系統(tǒng)有交通控制中心和VICS中心，交通控制中心主要在東京等地區(qū)運(yùn)營，它極具代表意義，在控制一般城市路面交通的同時(shí)有著顯著的高效性。通過收集，處理和發(fā)布交通信息，控制中心不僅可以對交通信號進(jìn)行控制還可以進(jìn)行信息交流等。通過對超聲波、雷達(dá)、紅外檢測器、直升機(jī)、攝像機(jī)等信息收集系統(tǒng)收集來的信息進(jìn)行分析，該控制系統(tǒng)可以利用后臺許許多多的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速的運(yùn)算，通過這種流量分析以及提前的預(yù)定方案的選擇，可以實(shí)時(shí)的指揮路面各個(gè)交通燈路口的紅綠燈情況。在指揮的同時(shí)，他還會以各種方式將車流量、堵塞情況等信息通過各種方式向社會發(fā)布。
1.2 交通控制存在的問題?
我國城市交通運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀和存在的問題，借鑒國外城市交通管理的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)建立城市交通管理體制的重要性，提出加強(qiáng)城市交通研究的交通規(guī)劃，建立穩(wěn)定的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的資金出道，實(shí)行公交優(yōu)先政策，建立先進(jìn)的交通信息系統(tǒng)等對策。?隨著城市機(jī)動車增長速度的加快。1994年臥軌城市機(jī)動車保有量已接近500完輛。20世紀(jì)90年代以來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展加快，從1985年到1995年，機(jī)動車增長率達(dá)13%左右，近幾年更是增多。?
然而，在此同時(shí)，城市道路建設(shè)規(guī)模也在加大，我國城市普遍存在道路密度，道路面積率偏低的問題，這是我國城市喲其是大城市有機(jī)的一個(gè)重要原因。我國城市道路的密度只有6.8km每平方千米，而在20世紀(jì)80年代，世界發(fā)達(dá)國家就已到達(dá)20km每平方千米。20世紀(jì)90年代，我國部分城市道路面積率，北京為5.9%，上海為6.4%，而國外東京為13.8%，巴黎為25%，普遍高于我國。近幾年，國家雖加大城市道路建設(shè)的力度，但仍趕不上車輛的增長速度，且與世界其他國家相比，差距仍很大。出租車以及公交的發(fā)展運(yùn)營情況并不盡如人意，雖然車輛和線路長度增長，但運(yùn)營速度成了瓶頸，新增的運(yùn)力被運(yùn)輸效率低下所抵消。?
交通管理方面水平還欠發(fā)展，隨著交通需求越來越旺盛，而我國城市中小交通管理和交通安全的現(xiàn)代化設(shè)施卻做得不足。在車輛，道路和交通管理系統(tǒng)，城市交通信號控制系統(tǒng)，城市交通管制中應(yīng)用人工智能技術(shù)，信息?采集和信息提供技術(shù)等方面都與發(fā)達(dá)國家有很大差距。近幾年，雖然有部分城市研究和引進(jìn)一些國外先進(jìn)的交通信號管理系統(tǒng)，但是由于交通管理設(shè)施不足等原因，我國交通事故率居高不下。城市車流行駛速度逐年下降，目前不少城市交通運(yùn)量年年增長，但運(yùn)輸速度普遍下降，這都源于交通通行不佳。
1.3 本課題的主要研究內(nèi)容
此次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是在傳統(tǒng)的交通燈基礎(chǔ)之上，通過PLC進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)出一款能夠根據(jù)車流量的變化來智能化調(diào)整交通燈讀秒時(shí)間的交通燈控制系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的的初期設(shè)想是在十字路口東西南北各個(gè)方向上安裝光電計(jì)數(shù)器，以此來統(tǒng)計(jì)各個(gè)路口的車流量，再將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中央控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)經(jīng)行分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，智能化的判斷各個(gè)交通路口的擁堵情況，從而通過PLC控制系統(tǒng)來適當(dāng)?shù)恼{(diào)整紅綠燈的讀秒時(shí)間。并且在此基礎(chǔ)之上，若交通燈路口遇到特殊車輛或者緊急情況，該系統(tǒng)也能切換到人工控制模式，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)通控制，從而保證路面交通的正常運(yùn)行。此系統(tǒng)不僅成本低，維護(hù)方便，而且能在最大程度上緩解交通壓力，節(jié)約交通資源。
2 PLC功能介紹
2.1 PLC的基本概念和基本結(jié)構(gòu)
2.1.1 PLC的基本概念
?可編程控制器（Programmable?Controller）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable?Logic?Controller），簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal?Computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。
2.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)?
（1）中央處理器（CPU）
CPU是PLC的核心部件，CPU模塊在PLC中相當(dāng)于大腦和心臟，是整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。它的主要功能如下：
1）接受和儲存用戶程序和數(shù)據(jù)
2）掃描現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，存入數(shù)據(jù)區(qū)
3）檢測和診斷電源，PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和程序中的語法錯(cuò)誤
4）從存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過指令解釋后，去開啟或關(guān)閉相關(guān)控制電路，完成相關(guān)的邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算。
5）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新相關(guān)標(biāo)識位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)輸出控制，制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。
PLC中采用的CPU一般有三大類：通用處理器、單片機(jī)芯片和微處理器。其中小中型PLC一般采用微處理器或單片機(jī)，而大型的PLC大多采用高速位片式處理器。檔次越高，PLC的位次也越多，運(yùn)行的速度越快，功能也會更強(qiáng)大。
（2）存儲器
存儲器一般分兩種：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器存儲的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能更改，PLC要在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運(yùn)行所需要的資源，I/O寄存器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的控制功能。常用的存儲器類型有CMOS RAM、EPROM、EEPROM.由于系統(tǒng)程序用來管理PLC系統(tǒng)，用戶不能直接存儲，因此PLC產(chǎn)品中所說的存儲類型及其容量，是指用戶程序存儲器而言。PLC中所配用的用戶存儲器的容量大小有較大差別，小型的在8K以下，大型的可以達(dá)到256K.
（3）輸入輸出（I/O）模塊
輸入模塊和輸出模塊簡稱I/O模塊，他是聯(lián)系外部設(shè)備和CPU模塊的橋梁。PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，輸出模塊用來送出PLC運(yùn)算后得出的控制信息，并通過機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。PLC有多重I/O模塊，常見的有數(shù)字I/O模塊、模擬量I/O模塊、快速響應(yīng)模塊，高速計(jì)數(shù)模塊和PID控制模塊等。
（4）電源
PLC配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源，用來將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供PLC內(nèi)部的CPU、存儲器和I/O接口等電路工作所需的直流電源。PLC使用AC 220V電源或DC 24V電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同等級的直流電源。小型的PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器（例如接近開關(guān)）提供DC 24V電源，驅(qū)動PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。小型PLC的電源往往和CPU單元合為一體，大中型PLC都有專門的外部電源部件，驅(qū)動PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。為防止PLC內(nèi)部重要數(shù)據(jù)的丟失，PLC還帶有鋰電池作為后備電源。
（5）編程器
編程器用來生成用戶程序，一般分為手持式編程器和圖形編程器。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入好編輯指令表程序，因此又叫做指令編輯器。它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來給小型的PLC編程，或者用與現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)。圖形編程器既可以用指令語句進(jìn)行編程，又可以用梯形圖編程；既可聯(lián)機(jī)編程，又可脫機(jī)編程，操作方便、功能強(qiáng)。
現(xiàn)在，很多PLC都可以用計(jì)算機(jī)作為編程工具，在計(jì)算機(jī)上直接生成和編輯梯形圖或指令表，并可以實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。最重要的是這種程序可以存盤或者打印，也可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送。
圖2.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
?
2.2 PLC的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域
2.2.1 PLC的特點(diǎn)
（1）編程方法簡單易學(xué)。PLC采用一種面向控制過程、面向問題的梯形圖語言。梯形圖和繼電器原理圖相似，易學(xué)易懂，一般工程師或者工藝人員都可以在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會。
（2）功能完善、適應(yīng)性強(qiáng)。PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、A/D轉(zhuǎn)化、網(wǎng)絡(luò)通信和生產(chǎn)監(jiān)控等功能。若工藝條件發(fā)生改變，修改相應(yīng)的用戶程序既可滿足要求。
（3）安裝、設(shè)計(jì)、調(diào)試的工作量少。大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器的使用使得安裝、設(shè)計(jì)、接線的工作大大減少。并且PLC具有完善的自診斷和顯示功能，故障率很低。
（4）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。由于采用微電子技術(shù)和大量的無觸點(diǎn)半導(dǎo)體電路來控制開關(guān)動作，其可靠性比使用機(jī)械觸電的繼電器高很多。PLC的輸入輸出部分采用了光電隔離，有效的隔離了PLC內(nèi)部的電路和輸入、輸出間的電關(guān)系。有效避免了干擾信號引起的誤操作。并且PLC還具有防治空間電磁干擾的功能。
（5）體積小、重量輕、功率低、性價(jià)比高。大量的使用半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路，這個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、功率低。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，PLC具有很高的性價(jià)比，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。
2.2.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域
（1）開關(guān)量的邏輯控制。這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。。
（2）模擬量與過程控制。在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制等。
（3）運(yùn)動控制。PLC可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。
（4）過程控制.過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用
（5）數(shù)據(jù)處理?？梢赃M(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換、排序、查表等一系列操作，也可以通過通信設(shè)備傳輸?shù)絼e的設(shè)備。
（6）通信聯(lián)網(wǎng)。通過雙絞線或者同軸電纜等可實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間或者PLC與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。易于建立工廠的自動化辦公網(wǎng)絡(luò)。
2.3 PLC的工作原理??
PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn))不會立即動作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會動作。?
當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段：?
2.3.1輸入采樣階段?
在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。?
2.3.2.用戶程序執(zhí)行階段?
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。?
2.3.3.輸出刷新階段?
當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。圖2.2描述了信號從輸入端子到輸出端子的傳遞過程。
圖2.2 PLC工作原理圖
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2.4 PLC的性能指標(biāo)和軟件系統(tǒng)
2.4.1 PLC的性能指標(biāo)
（1）編程語言及指令功能.。PLC常用的編程語言有梯形圖、語言表、流程圖等。對于特定廠家生產(chǎn)的PLC，其編程語言不同，若PLC可用多種語言編程，則其可移植性較好。PLC的指令條數(shù)和綜合性指標(biāo)能夠反映出該P(yáng)LC的功能強(qiáng)弱。
（2）I/O點(diǎn)數(shù)。I/O點(diǎn)數(shù)是指系統(tǒng)所能接入和輸出的總的最大數(shù)量。通常用I/O點(diǎn)總數(shù)表示I/O開關(guān)量，而用I/O通道數(shù)表示模擬量。
（3）用戶程序儲存容量。用戶程序儲存容量是指存放用戶程序的儲存器的容量，用字節(jié)K表示。對于一般的邏輯操作指令，一條指令占一個(gè)字節(jié)，而對于計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和位移等則要占用兩個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)操作通常要占用2~4個(gè)字節(jié)。
（4）掃描速度。指執(zhí)行1024條基本指令用時(shí)。
（5）內(nèi)部寄存器的配置與容量。輔助繼電器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、特殊繼電器等都叫做內(nèi)部寄存器。這些內(nèi)部寄存器可用于存放各種數(shù)據(jù)，內(nèi)部寄存器的大小與多少直接影響用戶編程的靈活與方便。
（6）其他的功能。例如輸入與輸出方式、特殊功能模塊、自診斷功能、通信聯(lián)網(wǎng)功能、高數(shù)計(jì)數(shù)、遠(yuǎn)程I/O能力和監(jiān)控功能等。
2.4.2 PLC的軟件系統(tǒng)
PLC的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是相輔相成的，就像一個(gè)人的骨骼和血肉一樣。骨骼是支撐整個(gè)身軀的硬性指標(biāo)，沒有骨骼其他的就無從說起，而血肉也是一個(gè)人正?；顒铀仨毜?。PLC的軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)程序和用戶程序。
（1）系統(tǒng)程序
系統(tǒng)程序是由PLC生產(chǎn)廠家提供，并且固化在EPROM中，用戶不能直接讀取。系統(tǒng)程序由管理程序、編譯程序、標(biāo)準(zhǔn)程序三個(gè)部分組成。管理程序用于對PLC輸入、輸出、運(yùn)算等操作的時(shí)間順序的管理，規(guī)定數(shù)據(jù)和程序的存放地址。編譯程序則是把程序語言翻譯成機(jī)器語言的程序。標(biāo)準(zhǔn)模塊程序由多個(gè)獨(dú)立的程序模塊組成，每個(gè)程序模塊完成一種獨(dú)立的功能。根據(jù)要完成不同的共組來選擇不同的功能模塊。
（2）用戶程序
用戶程序是指根據(jù)不同的工作要求，用戶用PLC程序語言編制的應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)各種控制要求。小型的PLC很簡單，整個(gè)程序不用分段，按順序編制。但是大型的PLC的用戶程序很復(fù)雜。為了簡化用戶編程的難度，可以把用戶程序劃分為程序模塊，通過模塊的組合來組成一個(gè)大的完整的用戶程序。
用戶程序的模塊：
1） 組織模塊。用于控制主程序的運(yùn)行方式及個(gè)組織模塊的組織關(guān)系。
2）程序模塊。按電氣控制的要求，把不同的控制內(nèi)容劃分為程序段。
3） 功能模塊。用來描述特定功能的程序模塊。它的使用使得PLC超出了傳統(tǒng)的順序邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。
4）步進(jìn)模塊。用于步進(jìn)順序操作。
5）數(shù)據(jù)模塊。可用來存放數(shù)據(jù)，可以是固定的數(shù)據(jù)或者是可變的數(shù)據(jù)，類似于寄存器。
2.5 PLC編程語言
采用面向控制過程，面向問題，簡單直觀的plc編寫程序語言，常用的有：梯形圖，語句表，功能圖。
2.5.1梯形圖
由繼電器控制邏輯演變而來，兩者具有一定程度的相似性，但梯形圖編程語言功能更強(qiáng)更方便。
主要特點(diǎn)：?
(1) 自上而下，從左到右的順序排列，兩列垂直線為母線。每一邏輯行，起使左 母線；
(2）梯形圖中采用繼電器名稱，但不是真實(shí)物理繼電器稱為“軟繼電器”;??
(3）每個(gè)梯級流過的是概念電流，從左向右，其兩端母線設(shè)有電源；
(4）輸入繼電器，用于接入信號，而無線圈，輸入繼電器，通過輸入接入的繼電器，晶體及晶閘管才能實(shí)現(xiàn)。
2.5.2語句表
又叫指令表，類似計(jì)算機(jī)匯編語言形式，用指令的記助符編程。例：下圖是三菱公司的FX2N系列產(chǎn)品的最簡單的梯形圖例：
圖2.3 梯形圖例
它有兩組，第一組用以實(shí)現(xiàn)啟動、停止控制。第二組僅一個(gè)END指令，用已結(jié)束程序。
梯形圖與助記符的對應(yīng)關(guān)系：?助記符指令與梯形圖指令有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現(xiàn)。一般講，其順序?yàn)椋合容斎?，后輸出（含其他處理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形圖就可將其翻譯成助記符程序，上圖的助記符程序如下所示。
表2－1 助記符程序
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2.6 PLC基本編程指令
2.6.1輸入輸出指令（LD/LDI/OUT）?
下面把LD/LDI/OUT三條指令的功能、梯形圖表示形式、操作元件?以列表的形式加以說明：
符號??
?功???能??
梯形圖表示??
操作元件???
LD（?。?
常開觸點(diǎn)與母線相連?
?
X，Y，M，T，C,S?????
LDI（取反）
常閉觸點(diǎn)與母線相連???
???X，Y，M，T，C,S?
OUT（輸出）?????
線圈驅(qū)動?
??Y，M，T，C，S,F
表2－2輸入輸出指令
LD與LDI指令用于與母線相連的接點(diǎn)，此外還可用于分支電路的起點(diǎn)。?OUT?指令是線圈的驅(qū)動指令，可用于輸出繼電器、輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)寄存器等，但不能用于輸入繼電器。輸出指令用于并行輸出，能連續(xù)使用多次。
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2.6.2觸點(diǎn)串連指令（AND/ANDI）、并聯(lián)指令（OR/ORI）?
表2－3觸點(diǎn)串并連指令
符號（名稱）?
??功?????能?
???梯形圖表示?
操作元件?
AND（與）
常開觸點(diǎn)串聯(lián)連接???????
?X，Y，M，T，C,S???
ANDI（與非）
?常閉觸點(diǎn)串聯(lián)連接??
?X，Y，M，T，C,S???
OR（或）?????
常開觸點(diǎn)并聯(lián)連接??????????
?X，Y，M，T，C，S???
?ORI（?或非）?
常閉觸點(diǎn)并聯(lián)連接????
X，Y，M，T，C，S
AND、ANDI指令用于一個(gè)觸點(diǎn)的串聯(lián)，但串聯(lián)觸點(diǎn)的數(shù)量不限，這兩個(gè)指令可連續(xù)使用。?OR、ORI是用于一個(gè)觸點(diǎn)的并聯(lián)連接指令。???
??????????????
?2.6.3?電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令（ORB、ANB）
表2－4電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令
符號（名稱）
???功????能?
??梯形圖表示???
????操作元件?
ORB（塊或）????
電路塊并聯(lián)連接?????
??? 無???
ANB（塊與）
電路塊串聯(lián)連接?????????????????????
?????????????無?
含有兩個(gè)以上觸點(diǎn)串聯(lián)連接的電路稱為“串聯(lián)連接塊”，串聯(lián)電路塊并聯(lián)連接時(shí)，支路的起點(diǎn)以LD或LDNOT指令開始，而支路的終點(diǎn)要用ORB指令。ORB指令是一種獨(dú)立指令，其后不帶操作元件號，因此，ORB指令不表示觸點(diǎn)，可以看成電路塊之間的一段連接線。如需要將多個(gè)電路塊并聯(lián)連接，應(yīng)在每個(gè)并聯(lián)電路塊之后使用一個(gè)ORB指令，用這種方法編程時(shí)并聯(lián)電路塊的個(gè)數(shù)沒有限制；也可將所有要并聯(lián)的電路塊依次寫出，然后在這些電路塊的末尾集中寫出ORB的指令，但這時(shí)ORB指令最多使用7次。
2.6.4?程序結(jié)束指令（END）
表2－5程序結(jié)束指令
符號（名稱）
???功????能?
??梯形圖表示???
????操作元件?
（END）
程序結(jié)束指令
無
在程序結(jié)束處寫上END指令，PLC只執(zhí)行第一步至END之間的程序，并立即輸出處理。若不寫END指令，PLC將以用戶存貯器的第一步執(zhí)行到最后一步，因此，使用END指令可縮短掃描周期。另外。在調(diào)試程序時(shí)，可以將END指令插在各程序段之后，分段檢查各程序段的動作，確認(rèn)無誤后，再依次刪去插入的END指令。
2.7 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要
2.7.1設(shè)計(jì)的基本原則和內(nèi)容
我們在學(xué)習(xí)了PLC的大量相關(guān)知識后，要能夠把其運(yùn)用在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中。當(dāng)然，要設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、可靠、簡潔的PLC控制系統(tǒng)，需要豐富的專業(yè)知識和實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)。那么，我們首先來看一下PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和內(nèi)容。
(1)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則
1)最大限度地滿足被控對象的控制要求；
2)保證控制系統(tǒng)的高可靠、安全；
3)滿足上面條件的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和維修方便；
4)選擇PLC時(shí)，要考慮生產(chǎn)和工藝改進(jìn)所需的余量。
(2)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容
1)選擇合適的用戶輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象；
2)分配I/O，設(shè)計(jì)電氣接線圖，考慮安全措施；
(3)選擇適合系統(tǒng)的PLC；
(4)設(shè)計(jì)程序；
(5)調(diào)試程序，一個(gè)是模擬調(diào)試，一個(gè)是聯(lián)機(jī)調(diào)試；
(6)設(shè)計(jì)控制柜，編寫系統(tǒng)交付使用的技術(shù)文件，說明書、電氣圖、電氣元件明細(xì)表。
(7)驗(yàn)收、交付使用。
2.7.2設(shè)計(jì)的步驟和實(shí)現(xiàn)過程
(1)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟
1)對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，最好繪制編程流程圖，相當(dāng)于設(shè)計(jì)思路；
2)設(shè)計(jì)梯形圖；
3)程序輸入PLC模擬調(diào)試，修改，直到滿足要求為止；
4)現(xiàn)場施工完畢后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，直至可靠地滿足控制要求；
5)編寫技術(shù)文件；
6)交付使用。
(2)我們在設(shè)計(jì)流程圖時(shí)，也要遵循以下過程：
1)分析生產(chǎn)工藝過程；
2)根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設(shè)備，分配I/O；
3)選擇PLC；
4)設(shè)計(jì)PLC接線圖以及電氣施工圖；
5)程序設(shè)計(jì)和控制柜接線施工。
3 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 PLC型號的選定以及可行性分析
在對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先，要了解各個(gè)控制對象的驅(qū)動要求，如：驅(qū)動電壓的等級、負(fù)載的性質(zhì)等；其次，要分析對象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數(shù)量；再次，要確定所控制參數(shù)的精度及類型，如：對開關(guān)量、模擬量的控制、用戶程序存儲器的存儲容量等。根據(jù)上述原則，我們要選擇適合的PLC機(jī)型及外設(shè)，完成相應(yīng)的PLC硬件結(jié)構(gòu)配置。因此，PLC的選型是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步。目前，國內(nèi)外PLC生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC品種可達(dá)數(shù)百個(gè)，其性能各有特點(diǎn)。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)首先要盡可能考慮采用便于學(xué)習(xí)、掌握、維護(hù)方便、備品配件通用性強(qiáng)的PLC。
我國市場上流行的PLC產(chǎn)品有以下幾家：德國西門子(Siemens)公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品；美國羅克韋爾(Rockwell)公司所屬的AB(Allen&Bradly)公司的產(chǎn)品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產(chǎn)品；GE-Fanuc公司的產(chǎn)品；法國施耐德(Schneider)公司的產(chǎn)品；日本三菱的FX2N系列PLC具有繼電器屬于接點(diǎn)開關(guān)型，輸出信號可以控制各種高低壓信號，可以直接通過PLC輸出來驅(qū)動燈負(fù)載，驅(qū)動單相馬達(dá)，而不再需要借助外部繼電器中轉(zhuǎn)，因?yàn)楸旧砭褪抢^電器型的。
3.1.1?FX2N-64MR?控制器主要性能指標(biāo)
本次設(shè)計(jì)的交通信號燈控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和內(nèi)容集中在程序編寫和梯形圖的繪制，由于在本設(shè)計(jì)中用到了大量的開關(guān)量、繼電器、計(jì)數(shù)器以及計(jì)時(shí)器等。并且，在目前相關(guān)領(lǐng)域的控制設(shè)計(jì)中，日本三菱公司產(chǎn)品的應(yīng)用比較廣泛。另外從經(jīng)濟(jì)性，擴(kuò)展性，容量以及I/O模塊來考慮，三菱FX2N都比較合適。綜上所述，我們采用的是三菱公司的FX2N系列的FX2N-64MR?控制器，它的主要性能指標(biāo)如下：
（1） 內(nèi)置8K容量的RAM存儲器，最大可以擴(kuò)展到16K???
（2） CPU運(yùn)算處理速度0.08μS/基本指令??
（3） 在FX2N系列右側(cè)可連接輸入輸出擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊??
（4） 基本單元內(nèi)置2軸獨(dú)立最高20kHz定位功能(晶體管輸出型）????端子排型高性能標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型。?
（5） 以高速、強(qiáng)大的基本性能，適用于一般邏輯控制以及其他廣泛用途
（6） 控制規(guī)?？蛇_(dá)64點(diǎn),采用繼電器方式可達(dá)輸入32點(diǎn)/輸出32點(diǎn)
3.2 設(shè)計(jì)思路
設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通燈控制電路，根據(jù)設(shè)定好的周期時(shí)間能夠指揮車輛在十字路口完成左轉(zhuǎn)和直行交替運(yùn)行。往南和往北的信號一致，即紅燈（綠燈或黃燈）同時(shí)亮或同時(shí)熄滅。用兩個(gè)數(shù)碼管來顯示被點(diǎn)亮的指示燈還將點(diǎn)亮多久。往東和往西方向的信號一致，其工作方式與南北方向一樣，也采用兩個(gè)數(shù)碼管來倒計(jì)時(shí)。當(dāng)南北方向?yàn)榫G燈和黃燈時(shí)，東西向的紅燈點(diǎn)亮禁止通行；而東西方向?yàn)榫G燈和黃燈時(shí)，南北向的紅燈點(diǎn)亮禁止通行。程序開始運(yùn)行先南北段通行、東西段禁止75s，后東西段通行、南北段禁止75s，依此循環(huán)。
首先南北直行方向通行25秒（綠燈亮15秒，綠燈閃5秒，黃燈亮5秒）、其他方向禁止通行（亮紅燈）；具體過程是南北直行綠燈亮15秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示南北直行方向正常通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)15秒）；15秒計(jì)時(shí)完畢后，南北直行綠燈開始閃爍（閃爍頻率為1Hz），閃爍持續(xù)時(shí)間為5秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示南北直行方向5秒加速通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)5秒）；綠燈閃爍5秒后，南北直行黃燈點(diǎn)亮，維持時(shí)間是5秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示南北直行方向5秒黃燈通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)5秒）。
其次南北左行方向通行25秒（綠燈亮15秒，綠燈閃5秒，黃燈亮5秒）、其他方向禁止通行（亮紅燈）；具體過程是南北左行綠燈亮15秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示南北左行方向正常通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)15秒）；15秒計(jì)時(shí)完畢后，南北左行綠燈開始閃爍（閃爍頻率為1Hz），閃爍持續(xù)時(shí)間為5秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示南北左行方向5秒加速通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)5秒）；綠燈閃爍5秒后，南北左行黃燈點(diǎn)亮，維持時(shí)間是5秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示南北左行方向5秒黃燈通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)5秒）。
然后東西直行方向通行25秒（綠燈亮15秒，綠燈閃5秒，黃燈亮5秒）、其他方向禁止通行（亮紅燈）；具體過程是東西直行綠燈亮15秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示東西直行方向正常通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)15秒）；15秒計(jì)時(shí)完畢后，東西直行綠燈開始閃爍（閃爍頻率為1Hz），閃爍持續(xù)時(shí)間為5秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示東西直行方向5秒加速通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)5秒）；綠燈閃爍5秒后，東西直行黃燈點(diǎn)亮，維持時(shí)間是5秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示東西直行方向5秒黃燈通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)5秒）。
最后東西左行方向通行25秒（綠燈亮15秒，綠燈閃5秒，黃燈亮5秒）、其他方向禁止通行（亮紅燈）；具體過程是東西左行綠燈亮15秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示東西左行方向正常通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)15秒）；15秒計(jì)時(shí)完畢后，東西左行綠燈開始閃爍（閃爍頻率為1Hz），閃爍持續(xù)時(shí)間為5秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示東西左行方向5秒加速通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)5秒）；綠燈閃爍5秒后，東西左行黃燈點(diǎn)亮，維持時(shí)間是5秒，同時(shí)數(shù)碼管顯示東西左行方向5秒黃燈通行時(shí)間（倒計(jì)時(shí)5秒）。
至此，一個(gè)循環(huán)完成，重新南北直行方向通行25秒，開始新的一個(gè)循環(huán)。
下圖3.1南北直行通行,圖3.2南北左拐通行，圖3.3東西直行通行，圖3.4東西左拐通行，所示為其對應(yīng)紅綠燈規(guī)則的狀態(tài)圖。
圖3.2 狀態(tài)S2南北左拐通行
圖3.1 狀態(tài)S1南北直行通行
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圖3.3 狀態(tài)S3東西直行通行
圖3.4 狀態(tài)S4東西左拐通行
基本轉(zhuǎn)換共四種狀態(tài)，分別設(shè)定為如上圖的S1、S2、S3、S4四狀態(tài)，交通燈以這四種狀態(tài)為一個(gè)周期，循環(huán)執(zhí)行如下圖3.5所示。
圖3.5 交通燈狀態(tài)循環(huán)圖
3.3 模擬十字路口交通燈規(guī)則設(shè)計(jì)實(shí)物模型設(shè)計(jì)
3.3.1控制要求
(1)信號燈由一個(gè)按鈕控制其啟動，一個(gè)按鈕控制其停止;
(2)信號燈分為南北雙向直行紅黃綠指示燈和雙向左轉(zhuǎn)彎紅黃綠指示燈，共12個(gè)指示燈 ，東西雙向直行紅黃綠指示燈和雙向左轉(zhuǎn)彎紅黃綠指示燈，共12個(gè)指示燈，交通燈時(shí)序表如表3－1所示
(3)倒計(jì)時(shí)采用兩位數(shù)碼管靜態(tài)顯示南北直行倒計(jì)時(shí)；
表3－1?交通燈時(shí)序表
南北
直行
信號
綠燈亮
綠燈閃
黃燈亮
紅燈亮
時(shí)間
15秒
5秒
5秒
75秒
南北
左行
信號
紅燈亮
綠燈亮
綠燈閃
黃燈亮
紅燈亮
時(shí)間
25秒
15秒
5秒
5秒
50秒
東西
直行
信號
紅燈亮
綠燈亮
綠燈閃
黃燈亮
紅燈亮
時(shí)間
50秒
15秒
5秒
5秒
25秒
東西
左行
信號
紅燈亮
綠燈亮
綠燈閃
黃燈亮
時(shí)間
75秒
15秒
5秒
5秒
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