毕业设计论文柔性生产线操作手参考模板.docx

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毕业设计论文柔性生产线操作手参考模板

天津理工大学

毕业设计论文

柔性生产线—操作手单元

柔性生产线—操作手单元

摘要

随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，操作手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运,可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。

模块化生产培训系统（ModularProductiontrainingSystem，MPS）是由上海英集斯自动化技术有限公司研制的教学设备。

MPS体现了机电一体化技术的实际应用。

目前最多可由9个单元组成，一个单元亦可自成一个独立的控制系统，而由多个单元组成的生产系统可以体现自动生产线的控制特点。

操作手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。

可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

本文应用西门子公司的S7-200PLC，通过其硬件结构、编程指令和STEP7软件的操作实现机械手搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）控制功能。

使该系统可靠稳定，时期功能范围得到广泛应用。

关键词：

MPS,操作手，可编程控制器（PLC），气动控制

Flexibleproductionline--gunnerunit

ABSTRACT

Withthepopularityofindustrialautomationanddevelopment,thedemandforyear-on-yearincreaseofcontroller,handlingtheapplicationofrobotgraduallypopularity,mainlyintheautomotive,electronic,mechanicalprocessing,food,medicineandotherareasoftheproductionlineorcargotransport,wecanbemoregoodtosaveenergyandimprovethetransportefficiencyofequipmentorproducts,toreducerestrictionsonothermodesoftransportationandinadequatetomeettherequirementsofmoderneconomicdevelopment.

ModularProductiontrainingSystem（MPS）isbytheShanghaiyingsetisdeveloped,automationtechnologyCo.LTD.ofteachingequipment.MPSembodiesthepracticalapplicationofmechatronicstechnology.Currentlyupbynineunit,aunitofitsanindependentcontrolalsobymorethanoneunitsystem,composedofproductionsystemcanreflecttheautomaticproductionlinecontrolcharacteristics.Gunnerisanimportantpartoftheindustrialrobot,andinmanycasesitcanbecalledindustrialrobots.Industrialrobotissetmachinery,electronics,control,computer,sensors,artificialintelligencescienceadvancedtechnologyintheintegrationofmodernmanufacturingimportantautomationequipment.Widelyusedindustrialrobots,notonlycanimprovethequalityofproductsandproduction,andtosafeguardthepersonalsafetyandimproveworkingenvironment,reducelaborintensityandimprovelaborproductivity,savematerialsconsumptionandreducetheproductioncost,hastheextremelyvitalsignificance.Makethesystemreliable,stableandfunctionalrangewidelyusedperiod.

KeyWords:

：

MPS，Gunner，PLC，Pneumaticcontrol

第一章绪论

1.1柔性生产线概论

随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。

为了同时提高制造工业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，是终使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性自动化系统便应运而生。

模块化柔性加工系统是用来学习自动控制技术、人工智能、计算机网络控制等先进技术的开放式的实验系统。

该系统集成了现场通讯技术（Profibus）以及以太网通讯技术。

它使得学生方便地了解这套先进技术如同在工业上的应用，使学生能近距离地学习这些技术。

该系统具有多种驱动形式：

有气压传动、传送带、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、变频调速电机等工业常见的传动。

系统为方便学生进行电气控制的自由组合和创新性学习，每个单元均配置SMT智能教学实训台，这解决了“生产线教学学生不能亲自设计控制系统”的难题，是国内唯一也是最领先技术产品。

1.2柔性生产线的一般组成

多个单元组成的MPS系统可以较为实地模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。

其中，每个工作单元都可以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主要是气动执行机构和电机驱动机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。

在MPS设备上应用多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色、物体的材质和物体的高度等。

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，MPS设备采用PLC进行控制，用户可根据需要选择不同厂家的PLC（上海英集斯公司主要使用三菱公司的FX2N系列PLC、西门子公司的S7-200系列PLC和S7-300系列PLC）。

本文所选为西门子公司的S7-200系列。

MPS设备的硬件结构是相对固定的，但可以根据对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS设备的控制。

一般来讲，柔性生产线由上料检测单元，供料单元，检测单元，加工单元，搬运单元，安装单元，安装搬运单元，操作手单元，立体存储单元，机械手单元，分类工作单元等单元有机组成。

1.3MPS的基本功能

MPS设备提供了一个半开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行，各个单元之间如何配合，最终使MPS模拟一个什么样的生产加工控制过程，MPS作为一条自动生产流水线具有怎样的操作运行模式等，用户都可根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。

MPS系统中每个单元都具有最基本的功能，用户可在这些基本功能的基础上进行流程编排设计。

（1）上料检测单元。

功能简介：

完成整个系统的上料工作，将工件输出，判断出其颜色，并将其信息发给后一站。

此站可配合触摸屏或组态控制作为整个系统的主站。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

回转料斗、提升装置、光电识别组件。

（2）为供料单元。

功能简介：

为加工过程逐一提供加工工件。

由双作用气缸从料仓中逐一推出工件，转换模块上的真空吸盘将工件吸起，在旋转缸的驱动下将工件移动至下一个工作站的传输位置。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

真空组件、旋转模块、供料模块。

（3）检测单元

功能简介：

检测加工工件的各种特性，如颜色、材质、高度等。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

工件高度检测模块、提升模块、工件材质及颜色识别组件。

（4）加工单元。

功能简介：

工件将在旋转平台上被检测及加工。

通过具有四个工位的加工旋转平台，进行加工模拟，并进行加工质量的模拟检测。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

旋转平台、模拟钻孔模块、模拟检测组件。

（5）为搬运单元。

功能简介：

该搬运单元由无杆气缸、椭圆形活塞气缸和夹爪等部件组成，通过移动、上下伸缩、抓取等动作，将前一单元上的工件传入下一执行单元。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

提升模块、气动夹爪组件、直线运动无杆缸。

（6）安装单元。

功能简介：

该单元提供两色小工件，气缸将料仓中的两色小工件交替推出，由真空吸盘吸取，通过转臂输入到大工件的空腔中。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

送料模块、旋转模块、真空组件。

（7）安装搬运单元。

功能简介：

将工件从前一站搬运至下一站，并可在本站上完成大、小工件的组装。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

直线转旋转运动模块、气动夹爪装置。

（8）操作手单元。

功能简介：

该单元由不同的气动执行部件组成，通过摆动、伸缩、气动抓取等动作，将前一单元上的工件传入下一执行单元的输入工位。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

伸出及提升模块、旋转模块、气动夹爪组件。

（9）立体存储单元。

功能简介：

该单元为仓库存储的模拟，它将系统加工完成的合格产品按照不同类别进行分类立体存放。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

步进电机及驱动器：

Start。

组成模块：

步进电机控制模块、滚珠丝杆模块、工件推出组件、立体仓库。

（10）为机械手单元。

功能简介：

该单元是一个6个关节的机械手，它可以用来完成抓取动作，可以进行工件的组装，产生一个完整的产品。

手臂本体：

日本莫托曼HP3。

扩展模块：

控制器、变压器。

组成模块：

手臂本体、手臂控制器、气动夹爪。

（11）分类工作单元。

功能简介：

将工件从传送带的前端输送到后端。

它带有工件滑槽及导向装置，能够将工件按类别进行存储。

PLC主机：

西门子S7系列。

扩展模块：

PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：

传送带、阻挡装置、工件滑槽。

1.4MPS的公共模块和器件

（1）供电电源模块

供电电源模块及电路原理如图1-13和图1-14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，模块上还提供两个单相电源插座，为PLC模块和按钮/指示灯模块提供AC220V电源。

图1.1为供电电源模块一次回路原理图。

图1.1

（2）气源处理组件

气源处理组件及其回路原理图如图1.2所示。

图1.2

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，以调节并保持恒定的工作压力。

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。

气源处理组件的气路入口处安装了一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之，把气路开关向右推入时气路关闭。

气源处理组件的输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6MPa～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。

1.5MPS的发展前景

模块化生产培训系统是先进工业自动化及制造的基本部分，将先进制造系统的物料供给、分拣、加工、检测和立体仓库等主要单元展现给学生，同时学生可以自己动手实践，学习PLC编程、生产管理、流程设计等机械设计制造及自动化的相关课程。

随着技术的发展，工控技术的不断完善，上海英集斯自动化技术有限公司在原有的MPS系统中加入了触摸屏控制系统、组态监控系统和生产管理执行系统，进一步提升了模块化生产培训系统的科技含量，使学生在“用最先进的技术培训今天的学生，为未来而服务！

”这样的理念下前进。

触摸屏是一个智能化操作部件，是极富吸引力的全新多媒体操作装置，用户只要用手指轻轻地触摸显示屏上的图符或文字就能实现对设备操作，可显示设备运行状况和运行参数。

组态监控程序的应用解决了人-机界面控制中的动画显示问题，监控信息将以更加形象、生动的动画方式显示出来。

尽管触摸屏和组态监控软件的出现至今只有短短的几年时间，但实际应用已经证明，触摸屏和组态监控软件可以取代设备的操作面板和仪表。

生产管理执行系统（MES）的应用是模块化生产培训系统的一次飞跃，它引入了信息管理技术，真正实现了对生产的有效管理。

1.6SIMATICS7—200PLC简介

PLC在早期是一种开关逻辑控制装置，被称为可控编程控制器，简称PLC。

PLC是一种专门用于工业控制的计算机。

具有可靠性高、抗干扰能力强、灵活性扩展性强、控制速度快、延时的可调性和精度高。

硬件反面：

A屏蔽：

对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防止外界干扰。

B隔离：

在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。

随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而功能却大大增强。

应用领域以覆盖所有的工业企业，如机床电机控制、电梯运行控制、冶金系统的高炉上料、汽车装配线、以及一些自动化流水线等。

本设计的柔性加工系统中采用了西门子公司S7—200的PLC，CPU为226。

S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

1：

极高的可靠性2:

极丰富的指令集3:

易于掌握4:

便捷的操作5:

丰富的内置集成功能6:

实时特性7:

强劲的通讯能力8:

丰富的扩展模块。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

CPU226的PLC集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。

可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

（1）极高的可靠性

（2）极丰富的指令集（3）易于掌握（4）便捷的操作（5）丰富的内置集成功能（6）实时特性（7）强劲的通讯能力（8）丰富的扩展模块S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

第二章操作手单元的结构与控制

2.1操作手单元的结构

2.1.1操作手单元的功能

操作手单元可以模拟提取工件，按照要求将工件分流的过程。

2.1.2操作手单元的结构组成

操作手单元主要由提取模块、滑槽模块、气源处理组件、I/O接线端口、阀组等组成。

1.提取模块

提取模块实际上是一个“气动机械手”，主要由两个直线气缸（提取气缸和摆臂气缸）、一个转动气缸及气动夹爪等组成。

提取气缸安装在摆臂气缸的气缸杆的前端，用于实现垂直方向的运动，以便于提取工件。

该气缸在结构上不同于一般的直线气缸，它是一个杆不回转型气缸，它的活塞杆为六边形，这样活塞杆就不能随便转动，便于气动手指夹取工件。

摆臂气缸构成了气动机械手的“手臂”，可以实现水平方向上的伸出、缩回动作。

同时它还是一个双联气缸（也叫倍力缸），它拥有两个压力腔和两个活塞杆，在同等压力下，双联气缸的输出力是一般气缸的两倍，所以有的地方亦叫它倍力缸。

在气缸的两个极限位置上分别安装有磁感应式接近开关，用于判断气缸的动作是否到位。

转动气缸用于实现摆臂气缸的转动，其转动角度为180°，在气缸的两个极限位置上分别安装有一个阻尼缸（用于缓冲旋转过来的冲击）和一个电感式接近开关（用于判断气缸旋转是否到位）。

气动夹爪则用于抓取工件。

2.滑槽模块

滑槽模块只有在带有组态操作的MPS系统上才会安装。

滑槽模块用于存放不合格的工件。

2.1.3操作手结构示意图，

如下图2.1：

图2.1

操作手单元的连线

连线表（Siemens）

一．电源线

1．24VNA（红）

1）P0（6）------------XK1

（1）5#

2）P0（8）------------XK1

（2）5#

3）XK1（A）------------1L+（Q侧）8#

4）XK1（B）------------2L+（Q侧）10#

2．24V（红）

1）24V电源-----------XK1（7）3#

2）24V电源-------L+（Q侧电源）9#

3）XK1（3）-------------P0（12）3#

4）XK1（4）-------------P0（11）3#

5）XK1（5）-------------P0（10）3#

6）XK1（6）-------------P0（9）3#

7）XK1（C）------------T01（24V）2#

8）XK1（E）------------C4（红）（9,10）

9）XK1（D）------------C4（橙）（21,22）

10）TI1（24V）----------L+（I侧）3#

3.地线（0V）（蓝）

1）电源0V-------------XK1（J）4#

2）电源0V-------M-（Q侧电源）9#

3）XK1（H）------------C4（黑）（11,12）

4）XK1（I）-------------C4（绿）（23,24）

5）TI1（0V）--------------M（I侧）3#

6）XK1（K）--------------T01（0V）2#

7）XK1（9）--------------P0（13）3#

8）TI1（0V）-------------------M（Q侧）6#

9）TI1（0V）-----------------2M（Q侧）6#

10）TI1（0V）------------------1M（I侧）1#

11）T01（0V）------------------2M（I侧）7#

二．信号线（黑）

1．PLC的输入

1）I0.0-----------------C4（13）（橙-）

2）I0.1-----------------C4（14）（橙色）

3）I0.2-----------------C4（15）（天蓝-）

4）I0.3---------------C4（16）（天蓝）

5）I0.4---------------C4（17）（白-）

6）I0.5---------------C4（18）（白色）

7）I0.6---------------C4（19）（黄-）

8）I0.7---------------C4（20）（黄色）

9）I1.0---------------TI1（I0）3#

10）I1.1---------------TI1（I1）3#

11）I1.2---------------TI1（I2）3#

12）I1.3---------------TI1（I3）3#

13）I1.4---------------TI1（I4）3#

14）I1.5---------------TI1（I5）3#

2.PLC的输出

1）Q0.0--------------C4

（1）（紫色）

2）Q0.1--------------C4

（2）（紫-）

3）Q0.2--------------C4（3）（咖啡）

4）Q0.3--------------C4（4）（咖啡-）

5）Q0.4--------------C4（5）（灰色）

6）Q0.5--------------C4（6）（灰-）

7）Q0.6--------------C4（7）（黑色）

8）Q0.7--------------C4（8）（黑-）

9）Q1.0-------TO1（O0）10#

10）Q1.1-------TO1（O1）10#

三．急停继电器连线

11）TI1（I7）----------PO（14）5#红

12）TO1（O6）----------PO（5）1#黑

13）TI1（I6）------------PO（7）4#红

注：

打阴影的线号先连线。

2.2操作手单元的控制

本操作手用于柔性生产线上工件的自动搬运，其结构如上图所示。

由1、2两个气缸缸完成工件的加紧和提升的动作。

1号气缸两个电磁阀控制工件的夹紧、放松，2号气缸通过电磁阀控制工件的上升、下降，由底盘电动机带动底盘旋转。

当工件在旋转带上运行时，并且到旋转带的端部的时候，接近开关检测到有物体存在的时候，旋