自动生产线课程设计.docx

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自动生产线课程设计

安徽机电职业技术学院

课程设计说明书

自动生产线的安装与调试

系（部）电气工程系

专业机电一体化

班级机电343

姓名周润

学号3024343

指导教师王亮、白金

206～207学第一

摘要

自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性，综合性主要涉及机械技术、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。

本系统完成一个工件的拆卸、分拣工作，模拟一个生产流水线的生产过程。

首先由供料站提供原料，运输站将其送至加工站加工，然后送至装配站进行安装，最后由分拣站进行分拣。

设计以送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元作为自动生产线的整体设计，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进（伺服）电机位置控制等技术。

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。

所以，本设计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。

关键字：

变频器PLC电机

第三章装配单元的结构与控制29

引言

现代化的自动生产设备（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。

可编程序控制器（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网络技术的技术人材是当务之急。

亚龙YL335B型自动生产线实训考核装备在铝合金导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生产线的机械平台，系统各机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进（伺服）电机位置控制等技术。

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。

因此，YL335B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YL335B，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。

YL335B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，到达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。

MCGS嵌入组态软件具有强大的功能，并且操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程工程的设计和运行操作。

同时使用MCGS嵌入组态软件能够避开复杂的嵌入计算机软、硬件问题，而将精力集中于解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。

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MCGS嵌入以图像、图符、报表、曲线等多种形式，丰富、生动的多媒体画面。

完善的平安机制完善的平安机制多样化的报警功能。

支持多种硬件设备，实现“设备无关”。

良好的可维护性。

可编程序控制器（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网络技术的技术人材是当务之急。

因此，本设计将组态技术与PLC技术，有机结合起来，运用组态技术，对自动生产线的各单元进行高仿真。

到达模拟运行的目的。

第一章YL335A自动生产线概述

.自动化生产线（YL335B）的基本组成

亚龙YL335B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供料单元、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.所示。

图.YL335B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YL335B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，YL335B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。

..YL335A的基本功能

YL335A各工作单元在实训台上的分布如图2的俯视图所示。

图2俯视图

、供料单元的基本功能：

供料单元是YL335B中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供原料的作用。

具体的功能是：

按照需要将放置在料仓中待加工工件（原料）自动地推出到物料台上，以便输送单元的机械手将其抓取，输送到其他单元上。

如图.2所示为供料单元实物的全貌。

图.2供料单元实物的全貌

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。

如图.3所示为加工单元实物的全貌。

图.3加工单元实物的全貌

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。

装配单元总装实物图如.4。

图.4装配单元实物的全貌

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。

如图.5所示分拣单元实物的全貌。

图.5分拣单元实物的全貌

5、输送单元的基本功能：

该单元通过直线运动传动机构驱动抓取机械手装置到指定单元的物料台上精确定位，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，实现传送工件的功能。

输送单元的外观如图6所示。

图.6输送单元外观图

直线运动传动机构的驱动器可采用伺服电机或步进电机，视实训目的而定。

YL335B的标准配置为伺服电机。

.2YL335B的电气控制

.2.YL335B工作单元的结构特点

YL335B设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电气控制局部的相对别离。

每一工作单元机械装置整体安装在底板上，而控制工作单元生产过程的PLC装置则安装在工作台两侧的抽屉板上。

因此，工作单元机械装置与PLC装置之间的信息交换是一个关键的问题。

YL335B的解决方案是：

机械装置上的各电磁阀和传感器的引线均连接到装置侧的接线端口上。

PLC的I/O引出线则连接到PLC侧的接线端口上。

两个接线端口间通过多芯信号电缆互连。

图.7和图.8分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。

图.8PLC侧接线端口

图.7装置侧接线端口

装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接DC24V电源的+24V端，底层端子用以连接DC24V电源的0V端，中间层端子用以连接各信号线。

PLC侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信号线,其端子号与装置侧的接线端口的接线端子相对应。

底层端子用以连接DC24V电源的+24V端和0V端。

装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口之间通过专用电缆连结。

其中25针接头电缆连接PLC的输入信号，5针接头电缆连接PLC的输出信号。

.2.2YL335B的控制系统

YL335B的每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也可以通过网络互连构成一个分布式的控制系统。

、当工作单元自成一个独立的系统时，其设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显示信号，来源于该工作单元按钮指示灯模块。

按钮指示灯模块如图.9所示。

模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。

图3.9按钮指示灯模块

模块盒上器件包括：

⑴指示灯（24VDC）：

黄色（HL）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一只。

⑵主令器件：

绿色常开按钮SB一只

红色常开按钮SB2一只

选择开关SA（一对转换触点）

急停按钮QS（一个常闭触点）

2、当各工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时，对于采用三菱FX系列PLC的设备，YL335B的标准配置是采用了基于RS485串行通信的N：

N通信方式。

设备出厂的控制方案如图.0所示。

图.0YL335B的通信网络

各工作站PLC配置如下：

⑴输送单元：

FXN40MT主单元，共24点输入，6点晶体管输出。

⑵供料单元：

FX2N32MR主单元，共6点输入，6点继电器输出。

⑶加工单元：

FX2N32MR主单元，共6点输入，6点继电器输出。

⑷装配单元：

FX2N48MR主单元，共24点输入，24点继电器输出。

⑸分拣单元：

FX2N32MR主单元，共6点输入，6点继电器输出。

3、人机界面

系统运行的主令信号（复位、启动、停止等）通过触模屏人机界面给出。

同时，人机界面上也显示系统运行的各种状态信息。

人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁。

使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。

使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的本钱，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。

YL335B采用了昆仑通态（MCGS）TPC7062KS触摸屏作为它的人机界面。

TPC7062KS是一款以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的高性能嵌入式一体化工控机。

该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096），同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统WinCE.NET（中文）和MCGS嵌入式组态软件（运行）。

.3自动化生产线工艺流程介绍

.3.供料站的工作流程

供料站接收到系统发来的供料指令后，如果出料台上没有工件，即进行把工件推到出料台上的操作。

工件推出到出料台后，应向系统发出出料台上有工件信号。

假设供料站的料仓内没有工件或工件缺乏，则向系统发出报警或预警信号。

当系统发来的启动信号被复位时，工作站在完本钱工作周期后退出运行状态。

.3.2装配站的工作流程

启动后，如果回转台上的左料盘内没有小园柱零件，就执行下料操作；如果左料盘内有零件，而右料盘内没有零件，执行回转台回转操作。

②如果回转台上的右料盘内有小园柱零件且装配台上有待装配工件，开始执行装配过程。

执行装配机械手抓取小园柱零件，放入待装配工件中的操作。

装入动作完成后，向系统发出装配完成信号。

③完成装配任务后，装配机械手应返回初始位置，等待下一次装配。

.3.3加工站的工作流程

加工站接收到系统发来的启动信号时，即进入运行状态。

当加工台上有工件且被检出后，设备执行将工件夹紧，送往加工区域冲压，完成冲压动作后返回待料位置的工件加工工序。

冲压动作完成且加工台返回待料位置后，向系统发出加工完成信号。

如果没有停止信号输入，当再有待加工工件送到加工台上时，加工单元又开始下一周期工作。

.3.4输送站的工作流程

输送站接收到人机界面发来的启动指令后，即把启动指令发往各从站。

在接收到供料站的“出料台上有工件”信号后，输送站抓取机械手装置应执行抓取供料站工件的操作。

动作完成后，伺服电机驱动机械手装置以不小于300mm/s的速度移动到装配站装配台的正前方，把工件放到装配站的装配台上。

接收到装配完成信号后，机械手装置应抓取已装配的工件，然后从装配站向加工站运送工件，到达加工站的加工台正前方，把工件放到加工台上。

机械手装置的运动速度要求与②相同。

接收到加工完成信号后，机械手装置应执行抓取已压紧工件的操作。

抓取动作完成后，机械手臂逆时针旋转90°，然后伺服电机驱动机械手装置移动到分拣站进料口。

执行在传送带进料口上方把工件放下的操作。

机械手装置的运动速度要求与②相同。

机械手装置完成放下工件的操作并缩回到位后，手臂应顺时针旋转90°，等待下一次搬运工作。

.3.5分拣站的工作流程

分拣站接收到系统发来的启动信号时，即进入运行状态。

当输送站机械手装置放下工件、缩回到位后，分拣站的变频器即启动，驱动传动电动机人机界面所指定的变频器运行频率的速度，把工件带入检测区进行芯件嵌入高度检测和芯件颜色检测。

进行芯件嵌入高度检测时允许传送带停车，停车时间可根据检测装置的特性自行确定。

成品工件按芯件嵌入高度分为两类：

假设芯件端面与杯形工件端面之间的高度差值在±0.5毫米以内为第一类成品。

②假设芯件端面凸出杯形工件端面大于0.5毫米且小于.5毫米，为第二类成品。

③不在上述两类成品范围内的工件为废品。

满足套件关系的第一类成品工件（每个白色芯工件和一个黑色芯工件搭配组合成一组套件，不考虑二个工件的排列顺序）到达号滑槽中间时，传送带停止，推料气缸动作把工件推出；满足套件关系的第二类成品工件（每个白色芯工件和一个黑色芯工件搭配组合成一组套件，不考虑二个工件的排列顺序）到达2号滑槽中间时，传送带停止，推料气缸2动作把工件推出。

不满足上述套件关系的工件和废品工件到达3号滑槽中间时，传送带停止，推料气缸3动作把工件推出。

从分拣站号滑槽和2号滑槽输出的总套件数到达指定数量时，一批生产任务完成，系统发出停止运行指令。

第二章供料单元的结构与控制

2.供料单元的结构

2..供料单元的功能

供料单元是YL335A中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供原料的作用。

具体的功能是：

按照需要将放置在料仓中待加工工件（原料）自动地推出到物料台上，以便输送单元的机械手将其抓取，输送到其他单元上。

如图3所示为供料单元实物的全貌。

图3供料单元实物的全貌

2..2供料单元的结构组成

供料单元的结构组成如图32所示。

其主要结构组成为：

工件推出与支撑，工件漏斗，阀组，端子排组件，PLC，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。

图32供料单元的主要结构组成

．工件推出与支撑及漏斗局部

该局部如图33所示。

用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出到物料台上。

它主要由大工件装料管、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。

图33进料模块和物料台

该局部的工作原理是：

工件垂直叠放在料仓中，推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料仓的底部通过。

当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处于同一水平位置，而夹紧气缸则与次下层工件处于同一水平位置。

在需要将工件推出到物料台上时，首先使夹紧气缸的活塞杆推出，压住次下层工件；然后使推料气缸活塞杆推出，从而把最下层工件推到物料台上。

在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气缸返回，松开次下层工件。

这样，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工件，为下一次推出工件做好准备。

为了使气缸的动作平稳可靠，气缸的作用气口都安装了限出型气缸截流阀。

气缸截流阀的作用是调节气缸的动作速度。

截流阀上带有气管的快速接头，只要将适宜外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。

图34是安装了带快速接头的限出型气缸截流阀的气缸外观。

图34安装上气缸节流阀的气缸

图35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35节流阀连接和调整原理示意

从图34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36（a）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。

假设在气缸的活塞（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“”，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栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。

磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC输入公共端，棕色引出线应连接到PLC输入端子。

磁性开关的内部电路如图36虚线框内所示，为了防止实训时错误接线损坏磁性开关，YL335A上所有磁性开关的棕色引出线都串联了电阻和二极管支路。

因此，使用时假设引出线极性接反，该磁性开关不能正常工作。

图36磁性开关内部电路

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，假设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；反之假设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37为漫射式光电接近开关的工作原理示意图。

图37漫射式接近开关的工作原理

由此可见，假设该局部机构内没有工件，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；假设仅在底层起有3个工件，则底层处光电接近开关动作而第4层处光电接近开关常态，说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底座和装料管中储料的情况，为实现自动控制奠定了硬件基础。

供料单元中，用来检测工件缺乏或工件有无的漫射式光电接近开关选用OMRON公司的E3ZL型放大器内置型光电开关（细小光束型）。

该光电开关的外形和顶端面上的调节旋钮和显示灯如图38所示。

图39给出该光电开关的内部电路原理框图。

图38E3ZL光电开关的外形和调节旋钮、显示灯

图39E3ZL光电开关电路原理图

被推料缸推出的工件将落到物料台上。

物料台面开有小孔，物料台下面设有一个园柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔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。

该光电开关选用OTS4型。

2、电磁阀组

阀组，就是将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成，而每个阀的功能是彼此独立的。

供料单元的阀组只使用两个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，两个阀集中安装在汇流板上，汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。

阀组的结构如图30所示。

本单元的两个阀分别对顶料气缸和推料气缸进行控制，以改变各自的动作状态。

图30电磁阀组

本单元所采用的电磁阀，带手动换向、加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。

用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。

只有在PUSH位置，可用工具向下按，信号为“”，等同于该侧的电磁信号为“”；常态时，手控开关的信号为“0”。

在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，到达调试的目的。

2..3气动控制回路

气动控制回路是本工作单元的执行机构，该执行机构的控制逻辑控制功能是由PLC实现的。

气动控制回路的工作原理如图3所示。

图中A和2A分别为推料气缸和顶料气缸。

B和B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B和2B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。

Y和2Y分别为控制推料缸和顶料缸的电磁阀的电磁控制端。

图3供料单元气动控制回路工作原理图

2.2供料单元的PLC控制及编程

2.2.PLC的I/O接线

本单元中，传感器信号占用7个输入点，留出个点提供给启/停按钮作本地主令信号，则所需的PLCI/O点数为8点输入/2点输出。

选用西门子S7222主单元，共8点输入和6点继电器输出，供料单元的I/O接线原理图如图32所示。

图32供料单元PLC的I/O接线原理图

供料单元PLC的I/O接线是采用双层接线端子排连接的，端子排集中连接本工作单元所有电磁阀、传感器等器件的电气连接线、PLC的I/O端口及直流电源。

上层端子用作连接公共电源正、负极（Vcc和0V），连接片的作用是将各分散端子片上层端子排进行电气短接，下层端子用作信号线的连接，固定端板是将各分散的组成局部进行横向固定，保险座内插装有2A的保险管。

接线端口上的每一个端子旁都有数字标号，以说明端子的位地址。

接线端口通过导轨固定在底板上。

图33和图34分别是本单元的接线端口外观和端子接线图。

图33供料单元接线端口图

图34供料单元端子接线图

2.2.2供料单元的本地控制和网络控制

、本地控制

YL335A允许各工作单元作为独立设备运行，但在供料单元中，主令信号输入点被限制为个，如果需要有启动和停止2种主令信号，只能由软件编程实现。

图35是软件实现用一个按钮产生启动/停止信号的一个方法。

图35用一个按钮产生启动/停止信号程序

2、网络控制

YL335A着重考虑采用RS485串行通信实现的网络控制方案，系统的主令信号均从连接到输送站PLC（主站）的按钮/指示灯模块发出，经输送站PLC程序处理后，把控制要求存储到其发送缓冲区，通过调用NET_EXE子程序，向各从站发送控制要求，以实现各站的复位、启动、停止等等操作。

供料、加工、装配、分拣各从站单元在运行过程中的状态信号，应存储到该