亚龙YL335A型自动生产线控制系统设计.docx

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亚龙YL335A型自动生产线控制系统设计

亚龙YL-335A型自动生产线控制系统设计

----装配站控制系统设计

TheControlDesignOfYalongYL-335AAutomaticProductionLine

           ----TheControlDesignOfAssemblystation

摘要

本设计在进行了一系列的实地考察后，根据现实的工程需求，加上对可编程控制器的理解和分析，采用可编程序控制器（ProgrammableController，简称PLC）来实现自动装配站的控制设计。

详细讲述了自动装配站的设计步骤，着重对软件开发与调试做了介绍，完成了装配的硬件配置和软件设计。

本设计共分三部分，其中第一部分对前人的YL-335A自动化生产线做了简要的介绍，并结合实地的考察经验，对本次设计做了简要的分析和设想。

第二部分根据毕业设计要求，结合自己的实践经验，提出了装配站的合理设计方案，并对设计步骤作了进一步的介绍。

另外对资源的配置以及在现实中装配装置的各个部件及原理做了介绍。

第三部分对装配站软件的设计进行了细致的讲解，并对编程软件和编程中所用到的一些指令作了介绍，对部分程序作了详细的解读。

整个设计，对具体的模拟过程作了详细的叙述，并配有画面，使整个设计形象，完美，实用。

本设计通过软硬件之间的配合与调试，从而达到工业设计的要求，实现装配站的自动化控制。

关键词：

可编程序控制器装配站

ABSTRACT

 Inthisdesign,afteraseriesofsitevisits,basedonrealisticengineeringdemands,togetherwiththeprogrammablelogiccontrollerfortheunderstandingandanalysis,theuseofPLC（ProgrammableController,referredtoasPLC）achievescontroldesignofautomaticassemblystation.Detailsaboutthedesignofautomaticassemblystationsteps,focusingonsoftwaredevelopmentanddebuggingdone,thecompletedassemblyofthehardwareconfigurationandsoftwaredesign.

Thedesignofatotalisdividedofthreeparts,ofwhichthefirstpartofthepredecessorsoftheYL-335Aautomatedproductionlinehasdoneabriefintroduction,combinedwithexperienceinthefieldofstudy,thedesignofthisanalysisofabriefandideas.Accordingtothedesignofthesecondpartofgraduationrequirements,combinedwithmypracticalexperience,madeareasonableassemblystationdesign,anddesignofintroductionoffurthersteps.Inadditiontotheallocationofresources,aswellasassemblydevicesintherealworldandtheprincipleofthevariouscomponentsisintroduced.Thethirdpartoftheassemblystationdesignsoftwareanddetailedexplanationoftheprogrammingsoftwareandprogrammingwasintroducedonpartofthereadingprocessindetail.Theentiredesign,simulationofspecificnarrativedetail,andwithascreensothattheimageofthewholedesign,theperfect,practical.

Throughthedesignandtheinterfacebetweenthehardwareandsoftwaredebugging,soastoachievetherequirementsofindustrialdesign,toachieveautomaticcontrolofassemblystations.

Keywords:

PLC;assemblystation.

前言

现代化的自动化生产设备（自动生产线）的最大特点是它的综合性和系统性，在这里，机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；而系统性指的是，生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。

可编程控制器（PLC）以其高抗干扰能力、高可靠性、高性能价格比且编程简单而广泛地应用在现代化的自动生产设备中，担负着生产线的大脑---微处理单元的角色。

因此，培养掌握机电一体化技术，掌握PLC技术及PLC网络技术的技术人才是当务之急。

亚龙YL-335A型自动生产线实训考核设备在铝合金轨式实训台上安装送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元，构成一个典型的自动化生产线的机械平台，系统各机构都采用了气动驱动、变频器驱动和步进电机位置控制等技术。

系统的控制方式采用每一工作单元有一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布控制方式。

因此，YL-335A综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。

利用YL-335A，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学习者得到一个非常接近于实际的教学设备环境，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。

YL-335A采用模块组合式的结构，各工作单元是相对独立的模块，并采用了标准结构和抽屉式模块放置架，具有较强的互换性。

可根据实训需要或工作任务的不同进行不同的组合、安装和调试，达到模拟生产性功能和整合学习功能的目标，十分适合教学实训考核或技能竞赛的需要。

本论文主要阐述了YL-335A型自动化生产线实训考核装备中装配站的基本结构、工作原理、工作过程及所采用的各种传感技术和机电一体化技术。

第1章YL335A自动化生产线实训考核装备概述

1.1YL-335A的基本组成

亚龙YL-335A型自动生产线实训考核装备由安装在铝合金导轨式实训台上的送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。

其外观如图1-1所示。

图1-1外观图

其中，每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统。

各个单元的执行机构基本上以气动执行机构为主，但输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、精密定位的位置控制，该驱动系统具有长行程、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。

分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三相异步电动机的交流传动装置。

位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。

在YL-335A设备上应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。

传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工业实现高度自动化的前提之一。

在控制方面，YL-335A采用了基于RS485串行通信的PLC网络控制方案，即每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。

用户可根据需要选择不同厂家的PLC及其所支持的RS485通信模式，组建成一个小型的PLC网络。

小型PLC网络以其结构简单，价格低廉的特点在小型自动生产线仍然有着广泛的应用，在现代工业网络通信中仍占据相当的份额。

另一方面，掌握基于RS485串行通信的PLC网络技术，将为进一步学习现场总线技术、工业以太网技术等打下了良好的基础。

1.2YL-335A的基本功能

YL-335A各工作单元在实训台上的分布如图1-2的俯视图所示。

图1-2俯视图

各个单元的基本功能如下：

1、供料单元的基本功能：

按照需要将放置在料仓中待加工的工件自动送出到物料台上，以便输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往其他工作单元。

2、加工单元的基本功能：

把该单元物料台上的工件（工件由输送单元的抓取机械手装置送来）送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的抓取机械手装置取出。

3、装配单元的基本功能：

完成将该单元料仓内的黑色或白色小圆柱工件嵌入到已加工的工件中的装配过程。

4、分拣单元的基本功能：

完成将上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣，使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。

5、输送单元的基本功能：

该单元通过到指定单元的物料台精确定位，并在该物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点然后放下的功能。

1.3YL-335A的特点和实训项目

YL-335A设备是一套半开放式的设备，用户在一定程度上可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，最多可由5个单元组成，最少时一个单元即可自成一个独立的控制系统。

由多个单元组成的系统，PLC网络的控制方案可以体现出自动生产线的控制特点。

设备中的各工作单元均安放在实训台上，便于各个机械机构及气动部件的拆卸和安装，控制线路的布线、气动电磁阀及气管安装。

其中，输送单元采用了最为灵活的拆装式模块结构：

组成该单元的按钮/指示灯模块、电源模块、PLC模块、步进电机驱动器模块等均放置在抽屉式模块放置架上；模块之间、模块与实训台上接线端子排之间的连接方式采用安全导线连接，最大限度地满足了综合性实训的要求。

总的来说，YL-335A综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。

1.4YL-335A的公共模块和器件

供电电源模块及电路原理如图1-3所示。

外部供电电源为三相五线制AC380V/220V，三根相线经三相三线漏电保护开关后连接到三个安全导线插孔处，零线和接地线也连接到安全导线插孔处。

另外，模块上尚提供二个单相电源插座，为PLC模块和按钮/指示灯模块提供AC220V电源。

图1-3供电电源模块

下图为供电电源模块一次回路原理图：

1.5气源处理组件

气源处理组件及其回路原理图分别如图1-4和1-5所示。

气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。

该气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于关闭气源。

在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。

图1-4气源处理组件

图1-5气源处理组件的气动原理图

气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa,输出压力为0～0.8MPa可调。

输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元，

1.6YL-335A的PLC网络控制方案

YL-335A系统的控制方式采用每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。

组建成网络后，系统中每一个工作单元也称作工作站。

PLC网络的具体通信模式，取决于所选厂家的PLC类型。

若PLC选用S7-200系列，通信方式则采用PPI协议通信。

西门子PPI通信概述：

PPI协议是S7-200CPU最基本的通信方式，通过原来自身的端口（PORT0或PORT1）

就可以实现通信，是S7-200默认的通信方式。

PPI是一种主—从协议通信，主—从站在一个令牌环网中，主站发送要求到从站器件，从站器件响应；从站器件不发信息，只是等待主站的要求并对要求作出响应。

如果在用户程序中使能PPI主站模式，就可以在主站程序中使用网络读写指令来读写从站信息。

而从站程序没有必要使用网络读写指令。

1.7YL-335A的整体控制

系统的工作任务描述：

1.系统的工作方式应采用PPI网络控制。

其中，输送站指定为主站，其余各工作站为从站。

系统主令工作信号有连接到输送站的按钮/指示灯模块提供，安装在装配单元的警示灯应能显示整个系统的工作状态，包括上电复位、启动、停止、报警等。

2.系统上电后，首先执行复位操作，使输送站机械手回到原点位置。

这时，绿色警示灯以1HZ的频率闪烁。

输送站机械手回到原点位置后，复位完成，绿色警示灯常亮，表示允许启动系统。

3.按下启动按钮，系统启动，绿色和黄色警示灯均常亮。

4.系统启动后，供料站把待加工工件推到物料台上，向系统发出供料完成信号，并且推料气缸缩回，准备下一次推料。

若供料站的料仓和料槽内没有工件或工件不足，则向系统发出报警或预警信号。

物料台上的工件被输送站物料台取出后，若系统启动信号仍为ON，则进行下一次的推出工件操作。

5.在工件推到供料站物料台后，输送站抓取机械手装置移动到供料站物料台的正前方，然后执行抓取供料站工件的操作。

抓取动作完成后机械手手臂应缩回。

步进电机驱动机械手移动到加工站物料台的正前方。

然后按机械手手臂伸出→手臂下降→—手爪松开→手臂缩回的动作顺序把工件放到加工站物料台上。

6.加工站物料台的物料检测传感器检测到工件后，执行把待加工工件从物料台移送到加工区域冲压气缸的正下方；完成对工件的冲压加工，然后把冲压好的工件重新送回物料台的工件加工工序，并向系统发出加工完成信号。

系统接收到加工完成信号后，输送站机械手按手臂伸出→手爪夹紧→手臂提升→手臂缩回的动作顺序取出加工好的工件。

步进电机驱动夹着工件的机械手装置移动到装配站物料台的正前方，然后按机械手手臂伸出→手臂下降→手爪松开→手臂缩回的动作顺序把工件放到装配站物料台上。

装配站物料台的传感器检测到工件到来后，挡料气缸缩回，使料槽中最底层的小圆柱工件落到回转物料台上，然后旋转供料单元顺时针旋转180度（右旋），到位后装配机械手按下降气动手爪→抓取小圆柱工件→手爪提升→手爪伸出→手爪下降→手爪松开的动作顺序，把小圆柱工件装入大工件中，装入动作完成后，向系统发出装配完成信号。

机械手装配单元复位的同时，回转送料单元逆时针旋转180度（左旋）回到原位；如果装配站的料仓或料槽内没有小圆柱工件或工件不足，则向系统发出报警或预报警信号。

输送站机械手伸出并抓取工件该工件后，逆时针旋转90度，步进电机驱动机械手装置从装配站向分拣站运送工件，然后按机械手伸出→机械手臂下降→手爪松开放下工件→手臂缩回→返回原点的顺序返回到原点—顺时针旋转90度。

7.当输送站送来的工件放到传送带上并为入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，驱动传动电动机工作，运行频率为10HZ。

传送带把工件带入分拣区，如果工件为白色，则该工件应被推到一号槽里，如果工件为黑色，则该工件应被推到二号槽中。

当加工气缸活塞杆推出工件并返回到位后，应向系统发出加工完成信号。

8.仅当分拣站分拣工作完成，并且输送站机械手装置回到原点，系统的一个工作周期才认为结束。

如果在工作周期内没有按下过停止按钮，系统在延时一秒后开始下周期的工作。

如果在工作周期曾经按下过停止按钮，系统工作结束，警示灯中黄色灯熄灭，绿色灯仍保持常亮。

9.如果发生物料不足够的预警报信号，警示灯红色灯以1HZ的频率闪烁，绿色和黄色灯保持常亮。

如果物料没有的报警信号，警示灯中红色灯以1HZ的频率闪烁，黄色灯熄灭，绿色灯保持常亮。

第2章装配单元的结构

2.1装配单元的功能

装配单元是将该生产线中分散的两个物料进行装配的过程。

主要是通过对自身物料仓库的物料按生产需要进行分配，并使用机械手将其插入来自加工单元的物料中心孔的过程。

装配单元总装实物图如2-1。

前视图

背视图

图2-1装配单元总装实物图

竖直料仓中的物料在重力作用下自动下落，通过两直线气缸的共同作用，分别对底层相邻两物料夹紧与松开，完成对连续下落的物料的分配，被分配的物料按指定的路径落入位置转换装置，摆台完成180度位置变换后，由前后移动气缸，上下移动气缸，气动手指所组成的机械手夹持并位移，再插入已定位的半成品工件中。

图2-2安装上气缸节流阀的气缸

图2-2是一个双动气缸装有两个限出型气缸节流阀的连接和调节原理示意图，当调节节流阀A时，是调整气缸的伸出速度，而当调节节流阀B时，是调整气缸的缩回速度。

图2-3节流阀连接和调整原理示意

从图2-3上可以看到，气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置，这两个极限位置都分别装有一个磁感应接近开关，如图2-1-4所示。

磁感应接近开关的基本工作原理是：

当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出传感器信号。

若在气缸的活塞（或活塞杆）上安装上磁性物质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。

当气缸的活塞杆运动到哪一端时，哪一端的磁感应式接近开关就动作并发出电信号。

在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。

在传感器上设置有LED显示用于显示传感器的信号状态，供调试时使用。

传感器动作时，输出信号“1”，LED亮；传感器不动作时，输出信号“0”，LED不亮。

传感器（也叫做磁性开关）的安装位置可以调整，调整方法是松开磁性开关的紧定螺钉，让磁性开关在气缸的滑轨里滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺钉。

图2-4磁感应接近开关

在底座和装料管第4层工件位置，分别安装一个漫射式光电开关。

漫射式光电接近开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电接近开关。

它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化结构。

在工作时，光发射器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，接近开关处于常态而不动作；反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。

图2-1-5为漫射式光电接近开关的工作原理示意图。

图2-5漫射式接近开关的工作原理

由此可见，若该部分机构内没有工件，则处于底层和第4层位置的两个漫射式光电接近开关均处于常态；若仅在底层起有3个工件，则底层处光电接近开关动作而次底层处光电接近开关常态，表明工件已经快用完了。

这样，料仓中有无储料或储料是否足够，就可用这两个光电接近开关的信号状态反映出来。

在控制程序中，就可以利用该信号状态来判断装料管中储料的情况，为实现自动控制奠定了硬件基础。

物料台面开有孔，料管外面设有一个漫射式光电接近开关，工作时向里发出光线，从而透过小槽检测是否有工件存在，以便向系统提供本单元物料台有无工件的信号。

在输送单元的控制程序中，就可以利用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。

2.2装配单元的结构组成

由于装配单元不仅要完成对分散的物料的装配过程，而且配有自身的物料仓库，因此它的结构组成包括：

简易物料仓库，物料分配机构，被分配物料位置变换机构，机械手，半成品工件的定位机构，气动系统及其阀组，信号采集及其自动控制系统，以及用于电器连接的端子排组件，整条生产线状态指示的信号灯和用于其他机构安装的铝型材支架及底板，传感器安装支架等其它附件。

装配单元总体装配图如图2—6所示：

图2-6装配单元示意图

1.简易物料仓库

简易物料仓库是由塑料圆棒加工而成，它直接插装在物料分配机构的连接孔中，并在顶端放置加强金属环，用以防止空心塑料圆柱的破损。

物料竖直放入料仓的空心圆柱内，由于二者之间有一定的间隙，使其能在重力作用下自由下落。

为了能对料仓缺料时即时报警，在料仓的外部安装漫反射光电传感器，并在料仓塑料圆柱上纵向铣槽，以使光电传感器的红外光斑能可靠照射到被检测的物料上。

如图2—7所示。

简易物料仓库中的物料外型一致，颜色分为黑色和白色，光电传感器的灵敏度调整应以能检测到黑色物料为准则。

图2-7简易料仓实物图

2.物料分配机构

它的动作过程是由上下位置安装，水平动作的两直线气缸在PLC的控制下完成的。

当供气压力达到规定气压后，打开气路阀门，此时分配机构底部气缸在单电控电磁阀的作用下，恢复到初始状态---该气缸活塞杆伸出，因重力下落的物料被阻挡，系统上电并正常运行后，当位置变换机构料盘旁的光电传感器检测到位置变换机构需要物料时，物料分配机构中的上部气缸在电磁阀的作用下活塞杆伸出，将与之对应的物料夹紧，使其不能下落，底部气缸活塞杆缩回，物料掉入位置变换机构的料盘中,底部气缸复位伸出，上部的气缸缩回，物料连续下落，为下一次分料作好准备。

在两直线气缸上均装有检测活塞杆伸出与缩回到位的磁性开关，用于动作到位检测，当系统正常工作并检测到活塞磁钢的时候，磁性开关的红色指示灯点亮，并将检测到的信号传送给控制系统的PLC。

物料分配机构的底部装有用于检测有无物料的光电传感器，使控制过程更准确可靠。

3.物料位置变换机构

该机构由气动摆台和料盘构成，气动摆台驱动料盘旋转180度，并将摆动到位信号通过磁性开关传送给PLC，在PLC的控制下，实现有序往复循环动作。

见图2—8所示。

图2-8回转物料台的结构

回转物料台的主要器件是气动摆台，它由直线气缸驱动齿轮齿条实现回转运动，回转角度能0-180度之间任意可调，而且可以安装磁性开关，检测旋转到位信号，多用于方向和位置需要变换的机构，如图2—9所示。

本站所使用的气动摆台的摆动回转角度在0-180度范围任意可调。

当需要调节回转角度或调整摆动位置精度时，应首先松开螺杆上的反扣螺母，通过旋入和旋出调节螺杆，从而改变回转凸台的回转角度，调节螺杆1和调节螺杆2分别用于左旋和右旋角度的调整。

当调整号摆动角度后，应将反扣螺母与基体反扣锁紧，防止调节螺杆松开，造成回转精度降低。

图2-9气动摆台

回转到位的信号是通过调整气动摆台滑轨内的2个磁性开关的位置实现的，磁性开关安装在气缸体的滑轨内，松开磁性开关的紧定螺钉，磁性开关就可以沿着滑轨左右移动，确定开关位置后，旋紧紧定螺钉，即可完成位置的调整。

4.装配机械手

装配机械手是整个装配单元的核心。

当装配机械手正下方的回转物料台上有物料，且半成品工件定位机构传感器检测到该机构有工件的情况下，机械手从初始状态开始执行装配操作过程。

装配机械手的整体外型如图2—10所示。

图2-10装配机械手的整体外形

装配机械手装置是一个三维运动的机构，它由水平方向移动和竖直方向移动的2个导杆气缸和气动