自动化生产线实训基地产学研结合建设模式研究.doc
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自动化生产线实训基地产学研结合建设模式研究
毕
业
设
计
职业技术学院毕业论文任务书
题目：
自动化生产线实训基地产学研结合建设模式研究
指导教师：
…………
专业及班级：
通过撰写毕业论文，学生应将所学的机、电方面专业知识应用到生产时间中去，从而教全面了解机电一体化系统设计的实际工作过程；并撰写毕业论文，将所学的课程知识加以汇总、归纳、总结，使所学的机、电专业知识和应用能力得到进一步的巩固和提高，达到将所学理论知识和实践项目结合，以实践促进理论知识提高的目的。
通过撰写毕业论文，学生应熟悉搜集机电专业图书资料的过程，掌握检索和查阅资料方法，提高发现、分析、研究和解决问题的能力，为今后从事机电工程工作打下坚实的基础。
同学们在撰写毕业论文时，可就题目的某一方面展开论述，应将所学的专业理论知识、工程项目、毕业论文要求有机结合，字数不少于10000字。
毕业论文
自动化生产线实训基地产学研结合建设模式研究
指
导
书
2011年11月
1、意义与目的：
毕业论文（或毕业设计）是机电类专业的必要教学环节之一。
根据毕业论文教学大纲的要求，在完成各门基础和专业课程的学习后，每位学生都必须完成反映毕业实习收获的毕业论文。
由于毕业论文的撰写是一次综合性的理论联系实际的教学环节，学生通过本次实践必然会将所学专业理论知识联系到生产实际，从而能较全面地了解和熟悉机电一体化系统的实际工作过程及其技术要点。
学生通过边实践边撰写毕业论文，可将所学的课程知识加以汇总、归纳、总结，使所学的机、电专业知识和应用能力得到进一步的巩固和提高，达到将所学理论知识和实践项目结合，以实践促进理论知识提高的目的，将自己培养成为社会需要的高技能应用人才。
通过撰写毕业论文，学生应熟悉搜集机电专业图书资料的过程，掌握检索和查阅资料方法，提高发现、分析、研究和解决问题的能力，为今后从事机电工程工作打下坚实的基础。
2、设计内容：
1、自动化生产线系统原理。
2、控制原理程序图、I/O图。
3、控制系统软件设计，用PLC编制。
4、完成软件的调试。
5、材料的编制及整理。
3、要求和步骤
3.1要求
（1）学生对毕业论文的撰写应引起足够的重视，并仔细认真完成。
20名同学分2小组，每小组设立组长一名，负责总体分工。
（2）撰写毕业论文时，可就题目的某一方面展开论述，应将所学理论知识和毕业设计内容有机结合。
（3）论据必须充分、有说服力，符合逻辑要求和客观事实。
（4）文理通顺，语句简练，书面整洁，数据准确，结合图表进行说明。
（5）严格遵守毕业论文的规定格式，必须包括以下内容：
首页、标题、关键词、摘要和正文，总结，参考文献等。
（6）可参考教材和文献，但不允许抄袭。
（7）字数不少于10000字。
（8）论文要求最后打印、装订成册装订时必须有首页，首页格式见附件。
（9）在规定的时间内将毕业论文交给指导老师。
3.2撰写毕业论文可按下列步骤进行：
（1）通过各种方法，广泛收集有关资料、数据，并随时加以分类和整理。
（2）根据收集的资料，结合毕业设计题目，开展具体设计工作。
（3）将所做工作整理，汇总，修正，根据毕业设计格式要求完成初稿。
（4）进一步对初稿内容进行整理，校对，请指导老师审阅，每组最后交一份电子文档，打印并装订。
3.3内容与时间分配
序号
内容
时间（天）
备注
1
动员、准备、确定论题
1
第一周开始
2
收集、整理资料
5
3
项目设计
10
4
计算机输入、编辑
4
5
校对，打印
5
6
论文答辩
5
合计
30
共六周
自动化生产线实训基地产学研结合建设模式研究
摘要
二十世纪以来，为了实现自动化，人们研究和制造了成千上万种自动控制系统，极大地推动了生产劳动、社会服务、军事上程和科学研究等活动。
随着自动化技术的发展，这是机械化、电气化和自动控制相结合的结果，处理的对象是离散土件。
早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。
20世纪60年代以后，由一于电子计算机的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。
现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。
70年代以来，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，井广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的白动化。
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，模拟整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，构成二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85485串行通讯实现互连的分布式控制方式。
关键词：
自动化PLC电子传感
目录
摘要 6
目录 7
第一章概述 10
1.1前 言 10
1.2课题的现状及发展前景 10
1.3自动化生产线系统的主要特点与应用 11
第二章设计方案的选择与确定 12
2.1控制方案的确定 12
2.1.1继电器控制 12
2.1.2微机控制 12
2.1.3可编程序控制器（PLC）控制 13
2.2设计思路 13
第三章硬件设计 14
3.1PLC基本结构和工作原理 14
3.2自动化生产线系统 16
3.3设备选型 17
3.3.1气动装置选型 17
3.3.2传感器的选型 18
3.3.3供电电源 18
3.4PLC的选型 19
3.5自动化生产线系统的整个工作过程 19
3.6电磁阀组和气动控制回路 20
第四章软件设计 22
4.1供料单元 22
4.1.1工作任务 22
4.1.2PLC的I/O接线 22
4.1.3编写和调试PLC控制程序 23
4.2加工单元 24
4.2.1工作任务 24
4.2.2PLC的I/O接线 24
4.2.3编写和调试PLC控制程序 25
4.3装配单元 26
4.3.1工作任务 26
4.3.2PLC的I/O接线 27
4.3.3 编写和调试PLC控制程序 28
4.4输送单元 30
4.4.1工作任务 30
4.4.2PLC的I/O接线 32
4.4.3编写和调试PLC控制程序 33
4.5分拣单元 33
4.5.1工作任务 33
4.5.2PLC的I/O接线 33
4.5.3编写和调试PLC控制程序 34
第五章调试过程 34
第六章应用情况总结 36
6.1所开发的系统的教学和科研功能 36
6.1.1专利代理委托合同、委托书 36
6.1.2系统的教学科研功能 39
6.2系统在教学中的应用情况 40
6.3科研研究及成果 44
6.3.12010年技能大赛 44
6.3.22010广东省职业技能大赛（可编程序控制系统设计师） 46
6.4师资队伍建设成果 49
6.4.1师资培训通知 49
6.4.2师资培训推荐表 50
6.4.3发表刊物 53
6.4.4获奖证书 56
致谢 58
参考文献 58
附录A供料单元PLC控制程序 59
附录B加工单元PLC控制程序 63
附录C装配单元PLC控制程序 68
附录D输送单元PLC控制程序 74
附录E分拣单元PLC控制程序 84
第一章概述
1.1前 言
自动化生产线简称自动线，它由工件传送系统和控制系统组成，能实现产品生产过程自动化的一种机器体系。
即通过采用一套能自动进行加工、检测、装卸、运输的机器设备，组成高度连续的、完全自动化的生产线，来实现产品的生产。
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YL-335B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，YL-335B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-335B，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-335B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，本论文主要阐述亚龙YL-335B型自动生产线实训考核装备的基本结构、工作原理和工作过程。
力求采用项目教学的方法介绍本装备涉及的技术，使大家在知识的学习和综合应用，PLC的编程和组网能力，设备的安装与调试等方面能收到较好的效果。
1.2课题的现状及发展前景
自动化生产线作为大批量生产核心的组件将机械技术、电工电子技术、网络通信技术、传感器技术、信息技术等融为一体，是典型的机电一体化设备。
自动控制的研究对象是动态系统，其目的是在给定的指标函数下，利用所有能得到的信息，设计控制器使被控系统具有稳定性、最优性、鲁棒性和快速性，并尽可能简单和易于实现。
对于系统的自动控制问题，传统控制理论（包括经典控制理论和现代控制理论）解决问题的方法是，首先建立被控对象的数学模型；再根据数学模型和分析结果来设计出合适的控制器。
狭义的生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。
自动线的发展趋势是:
提高可调性，扩大工艺范围，提高加工精度和自动化程度，同计算机结合实现整体自动化车间与自动化工厂。
为了适应中小批量、多品种产品装配的要求，需要建立没有固定装配节拍、能够自动从装配一种零部件或机器转到装配另一种零部件或机器的柔性装配系统（FAS）。
在这种系统中，将采用各种有一定视觉、触觉和决策功能的多关节装配机器人和自动传送装置。
它在汽车制造、机械加工、食品加工、家用电器、建筑材料等领域有着广泛的应用。
如自动分拣控制系统的使用是现在工业自动化经常使用的控制系统之一，其主要组成部分自动分拣系统在二次大战后美国、日本的物流中心中广泛使用。
二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进的物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一，但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，因此，在发达国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。
他可以根据各种产品的加工需要，按照预定的控制程序动作，实现对不同的产品进行分类，减轻工人的劳动强度，完成自动化生产的控制要求。
1.3自动化生产线系统的主要特点与应用
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。
在大批、大量生户中采用自动化生户二线能提高劳动生产率，稳定和提高少业.异.质量，改善劳动条件，缩减生产占地而积，降低生产成.本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。
自动化生产线作为大批量生产核心的组件将机械技术、电工电子技术、网络通信技术、传感器技术、信息技术等融为一体，是典型的机电一体化设备。
它在汽车制造、机械加工、食品加工、家用电器、建筑材料等领域有着广泛的应用。
第二章设计方案的选择与确定
2.1控制方案的确定
通常，物料的自动分拣控制系统（可选用的控制方案有三种）主要有继电器控制系统、微机和PLC控制系统。
三种控制系统都有各自的优缺点。
2.1.1继电器控制
控制系统中，所用继电器数量不多的情况下，可采用此方案，因为这样较经济。
但在实际控制中会面临许多问题。
从系统构成上来看，首先，继电器控制系统的接线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。
另外，继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
从控制速度上看，电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。
从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。
从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的接线多，所以可靠性和维护性较差。
有此分析得继电器控制系统不适合自动分拣的控制。
2.1.2微机控制
单片机具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展。
在家用电器中，单片机是控制核心，它是家用电器实现智能化的心脏和大脑。
由于家用电器体积小，故要求控制器体积更小，以便能嵌入其结构之中。
不过在设计方面有一定难度。
它的程序修改难度较大，可靠性比PLC要差，也需要设计专门的接口电路和抗干扰措施。
其需要设计和制作输入/输出接口电路、放大电路和印刷电路板，还需用汇编语言编写控制程序，所以设计制作工作量大，周期长，而且它抗扰能力很弱，对环境的适应性差。
在使用时要求有较好的工作环境，维护技术也较高，系统设计较复杂，调试技术难度大，需要有系统的计算机知识。
对于一般的设计师来说很难办到。
不过，现在的洗衣机绝大多数都采用此控制系统，无论从成本还是功能都是非常理想的。
2.1.3可编程序控制器（PLC）控制
从控制方法上来看，PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增强系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。
进入20世纪70年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了，它与PLC共同推动着传统工业的技术改造。
经过较长时间的实践，人们又发现，PLC与一般的工业控制计算机相比，PLC还是有着较强的优势，其原因是PLC专为在工业环境下的应用而设计，在PLC中采用了如下的硬件和软件措施：
（1）光电耦合隔离和R-C滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。
（2）内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。
（3）采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。
（4）具有良好的自诊断功能可对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。
随着构成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相应地提高。
一般PLC的平均无故障时间可达几万小时以上。
某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产的PLC不再标明可靠性这一指标，因为对PLC来讲这一指标已毫无意义了。
经过大量实践人们发现PLC系统在使用中发生的故障大多是由于PLC的外部开关、传感器、执行机构引起的，而不是PLC本身发生的。
抛开成本问题，PLC控制系统也是很适合自动分拣控制系统的。
因此本课题选用PLC控制方案。
2.2设计思路
本产品传送与分拣自动生产线用来完成对混杂在一起的三种不同的产品进行传送与分拣的工作，其中产品传送与分拣部分由气压传动系统拖动，传动带由电动机拖动。
本课题要求设计者以PLC为核心，为产品传送与分拣自动生产线设计一个电气控制系统。
具体要求如下：
该控制系统应能使产品传送与分拣自动生产线具有全线全自动和单机手动两四种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突；应能完成对产品的抓取→提升→旋转→退回→放下的循环动作的控制要求，并能完成对混杂在一起的三种高矮不同产品的分拣的控制要求；应具有启动、预停、紧急停止、紧急后退和计数功能。
并对拖动控制线路具有短路保护、过载保护、失压保护功能。
退回
旋转
提升
抓取
放下
第三章硬件设计
3.1PLC基本结构和工作原理
一、PLC基本结构
1、PLC的基本组成
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。
2、PLC的硬件结构
微处理器（CPU）——控制器的核心
存储器（RAM、ROM）
输入、输出部件（I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路
电源部件——为PLC内部电路提供能源
整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内
模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成
I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）
另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内
图3-1PLC硬件系统结构框图
2.1中央控制处理单元（CPU）
可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。
通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。
FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。
2.2 存储器
可编程控制器配有两种存储器：
系统存储器和用户存储器。
系统存储器：
存放系统管理程序，用只读存储器实现。
用户存储器：
存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。
2.3 输入输出接口
作用：
连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。
对输入输出接口的要求：
良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。
PLC输入输出接口的类型：
模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。
用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。
二、PLC的工作原理
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
1．每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
2．输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
5．扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数
6．由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
3.2自动化生产线系统
自动生产线由安装在铝合金导轨式台面上的供料单元、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3-2所示。
3-2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。
设计中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。
3.3设备选型
3.3.1气动装置选型
YL-335B的气源处理组件及其回路原理图分别如图3-3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。
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。
图3-3气源处理组件
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。
3.3.2传感器的选型
气缸回位限位开关、气缸动作限位开关都选用D—C73型号的磁感应开关，控制功率高、作用距离大、结构简单、成本低、工作稳定可靠、寿命长。
适合用于自动控制系统中，进行自动检测、定位、保护等。
3.3.3供电电源
外部供电电源为三相五线制AC380V/220V，图3-4为供电电源模块一次回路原理图。
图中，总电源开关选用DZ47LE-32/C32型三相四线漏电开关。
系统各主要负载通过自动开关单独供电。
其中，变频器电源通过DZ47C16/3P三相自动开关供电；各工作站PLC均采用DZ47C5/2P单相自动开关供电。
此外，系统配置4台DC24V6A开关稳压电源分别用作供料、加工和分拣单元，及输送单元的直流电源。
图3-4供电电源模块一次回路原理图
图3-5配电箱设备安装图
3.4PLC的选型
各工作单元PLC配置如下：
⑴供料单元：
FX2N-32MR，共16点输入，16点继电器输出。
⑵加工单元：
FX2N-32MR，共16点输入，16点继电器输出。
⑶装配单元：
FX2N-48MR，共24点输入，24点继电器输出。
⑷输送单元：
FX1N-40MT，共24点输入，16点晶体管输出。
⑸分拣单元：
FX2N-32MR，共16点输入，16点继电器输出。
3.5自动化生产线系统的整个工作过程
系统的整个工作过程可以分为五大部分：
供料单元——加工单元——装配单元——输送单元——分拣单元。
在供料单元，系统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。
在加工单元，系统把该单元物料台上的工件（工件由输送带上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，待输送带的抓取机械手装置取出。
在装配单元，系统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。
在输送单元，系统工作的全过程供料单元作为系统的输送支持。
该单元通过直线运动传
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