自动化生产线之装配站设计毕业设计论文

1、毕 业 设 计 （论 文）课题名称：自动化生产线之装配站设计 指导教师： 沈丽娜 系 别： 电子信息系 专 业： 机电一体化技术 班 级： 11机电4班 姓 名： * 摘 要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

2、动生产设备中，担负着生产线的大脑微处理单元的角色。系统控制方式采用每一工作单元有一台plc承担任务，各plc之间通过rs485串行通讯实现互联的分布式控制方式，因此，综合应用了许多知识，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、和变频技术等。由于时间仓促以及编者水平有限，书中错误和不足之处在所难免，欢迎读者提出批评和建议。关键词：plc;装配站目 录第一章 绪论11.1设计背景11.2设计的内容和结构1第二章 方案论证2第三章 硬件设计43.1装配单元的结构与工作过程43.2装配单元的气动元件83.3传感器113.4 plc的i/o分配及

3、系统安装接线15第四章 软件设计174.1编写程序的思路17结束语19致 谢20附 录21参考文献27第一章 绪论1.1设计背景随着plc技术的普及，企业对plc技术人才的需求明显增加。目前，很多企业为了提高生产效率，自动化生产线越来越普及，它有效的加快了工作的效率，提高生产速度和生产质量。当工人按下按钮，生产线就会自动运行，以此来满足企业的需求。由于传送带的广泛应用使得，原材料均可在使用机械装置搬运的移动中，加工成为各种零件而部件。而装配和汽车总装配原则，采用移动装配法完成。由于把生产工序分细，大大提高了操作熟练程度和劳动生产率。作业的速度也为传送带的速度所规定，借助于传送带的应用，使生产过

4、程的各项作业能在同一时间进行并且各种零部件在各条流水线的投入和产出互相衔接配合，不至于发生在制品过多或不足的现象恰能保证总装配线的需要形成同步化的流水生产体系。本文介绍的是以plc控制自动化生产线装配站系统的设计。1.2设计的内容和结构设计的内容共分为五章：第一章“绪论”概括了课题的设计背景和设计的内容和结构；第二章“方案论证”介绍三种控制中心的设计方案，结合多方面的原因，选择其中的一种方案作为本次设计的方案；第三章“硬件设计”主要分析了系统的构成以及基本工作原理；第四章“软件设计”介绍了软件流程图和部分关键程序；最后的总结对本次完成的工作进行总结，并对今后的工作提出建议。第二章 方案论证下面

5、介绍两种不同plc为控制核心的设计方案。一、三菱系列的plc三菱plc英文名又称：mitsubish power line communication，是三菱电机在大连生产的主力产品。三菱plc在中国市场常见的有以下型号：fr-fx1n fr-fx1s fr-fx2n fr-fx3ufr-fx2nc fr-afr-q，下面我们主要介绍fx1n和fx2n系列。fx1n系列:是三菱电机推出的功能强大的普及型plc。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱plc。fx2n系列:是三菱plc是fx家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的

6、特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。1.编程语言在fx系列可编程控制器控制器中，除基本的指令表变成方式外，还可以采用在图形画面上进行阶梯符号作图的梯形图编程方式，以及对应机械动作流程进行顺控设计的sfc（顺序功能图）方式，而且，这些程序可以相互转换换。指令表及梯形图程序如果按一定的规则编写，也可以实现到sfc图的逆变换。2.高速处理三菱系列plc可以实现高速处理，fx系列可编程控制器内置的高速计数器，对来自特定的输入继电器的高速脉冲进行中断处理，因此与扫描时间无关，可以进行高达60khz/h的高速脉冲。在可编程控制器中设置了c-r滤波器，以防止输入信号的震动和噪音的

7、影响。可以对脉冲进行捕捉，在脉冲捕捉中可以监视来自特定输入的脉冲信号，也可以在输入时采用中断处理设置特殊辅助继电器。3.fx的plc支持顺序控制。可编程控制器的扫描周期是恒定模式，采用次模式可以以固定的周期处理和运算同步执行的指令。在设备不停机的情况下也可以对运行过程中的程序进行改变的功能。4.应用指令fx系列plc基于追求“基本功能、高速处理、便于使用”的规范理念，fx可编程控制器具有数据的传送和比较，四则运算及逻辑运算、数据的循环和位移等基本指令，还有输入输出刷新、中断、高速计算器专用比较指令、高速脉冲输出等高速处理指令，以及在sfc控制方面，将机械控制的标准动作封袋化的状态初始化指令等。

8、此外，还提供了可适应更复杂的控制的浮点运算及pid运算等。二、西门子系列plc西门子股份公司（siemens ag fwb：sie, nyse：si）是世界最大的机电类公司之一，1847年由维尔纳 冯 西门子建立。西门子siamtic模块化控制器有着很大的优势，它可以即买即用，长期兼容性和可用性，可以在恶劣环境下工作，模块还可以扩展和升级。西门子的产品十分的抗震动，通过集中式和分布式i/o控制。所以西门子在最近的一些年内能够很有力的打进中国的市场并能在中国的市场牢牢的扎根。这和西门子产品的质量和性能有着十分大的关系.其中就有s7-200、s7-300、s7-400。s7-200它适用于一系列机

9、械设备的制造或用作独立的解决方案，微型自动化系统的组成部分，step 7 micro/win工程组态软件应用于它，应用于性能要求较低的自动化任务。它是低成本的微型系统。西门子s7-300它设计紧凑，安装在din导轨上，在cpu中集成了许多功能，通过在微型存储器上保持数据实现免维护，profibus上的等时模式，属于故障。安全类型。西门子s7-400具有多种机架类型的机架系统，优异的高速处理能力和通讯性能，可以在运行中更改组态，profibus上的等时模式，还支持profibus连接分布式i/o，属于故障安全和容错类型，热插拔。s7-400的三个h cpu，支持硬件同步,功能强大的解决方案，不会

10、发生任何信息损失，且可对工程任务提供高级支持，无需额外的编程费用,可以为安全应用轻松扩展h系统。西门子plc现在不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，risc(reduced instruction set computer)精简指令系统cpu等高级cpu，而且在一台plc中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代plc产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。三菱的优势在于离散控制和运动控制，三菱的指令丰富，有专用的定位指令，控制伺服和步进容易实现，要实现某

11、些复杂的动作控制也是三菱的强项，而西门子在这块就较弱，没有专用的指令，做伺服或步进定位控制不是不能实现，而是程序复杂，控制精度不高。过程控制与通信控制西门子是强项，西门子的模拟量模块价格便宜，程序简单，而三菱的模拟量模块价格昂贵，程序复杂，西门子做通信也容易，程序简单，三菱在这块功能较弱。所以针对不同的设备不同的控制方式，我们要合理的选用plc，用其长处，避其短处。例如某设备只是些动作控制，如机械手，可选择三菱的plc，某设备有伺服或步进要进行定位控制，也选三菱的plc;像中央空调，污水处理，温度控制等这类有很多模拟量要处理的就要选西门子的plc比较合适，某设备现场有很多仪表的数据要用通信进行

12、采集，选西门子的好控制。通过以上比较我们选用三菱plc为主机控制装配站系统。第三章 硬件设计3.1装配单元的结构与工作过程装配单元的功能是完成将该单元料仓内的黑色或白色小圆柱工件嵌入到放置在装配料斗的待装配工件中的装配过程。 装配单元的结构组成包括：管形料仓，供料机构，廻转物料台，机械手，待装配工件的定位机构，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。其中，机械装配图如图3-1所示：图3-1装配单元机械装配图1、管形料仓 管形料仓用来存储装配用的金属、黑色和白色圆柱小零件。

13、它由塑料圆管和中空底座构成。塑料圆管顶端放置加强金属环，以防止破损。工件竖直放入料仓的空心圆管内，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。 为了能对料仓供料不足和缺料时报警，在塑料圆管底部和底座处分别安装了2个漫反射光电传感器（e3z-l型），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。2、落料机构 图3-2给出了落料机构剖视图。图中，料仓底座的背面安装了两个直线气缸。上面的气缸称为顶料气缸，下面的气缸称为挡料气缸。 系统气源接通后，顶料气缸的初始位置在缩回状态，挡料气缸的初始位置在伸出状态。这样，当从料仓上面放下工件时，工件将被挡料气缸活塞杆

14、终端的挡块阻挡而不能落下。需要进行落料操作时，首先使顶料气缸伸出，把次下层的工件夹紧，然后挡料气缸缩回，工件掉入廻转物料台的料盘中。之后挡料气缸复位伸出，顶料气缸缩回，次下层工件跌落到挡料气缸终端挡块，为再一次供料作准备。3-2落料机构示意图3、廻转物料台 该机构由气动摆台和两个料盘组成，气动摆台能驱动料盘旋转180度，从而实现把从供料机构落下到料盘的工件移动到装配机械手正下方的功能。见图3-3。图中的光电传感器1和光电传感器2分别用来检测左面和右面料盘是否有零件。两个光电传感器均选用cx-441型。图3-3廻转物料台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廻转物料

15、台料盘上有小园柱零件，且装配台侧面的光纤传感器检测到装配台上有待装配工件的情况下，机械手从初始状态开始执行装配操作过程。装配机械手整体外形如图3-4所示。 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个导向气缸和气动手指组成。图3-4装配机械手的整体外形装配机械手的运行过程如下：plc驱动与竖直移动气缸相连的电磁换向阀动作，由竖直移动带导杆气缸驱动气动手指向下移动，到位后，气动手指驱动手爪夹紧物料，并将夹紧信号通过磁性开关传送给plc，在plc控制下，竖直移动气缸复位，被夹紧的物料随气动手指一并提起，离开当廻转物料台的料盘，提升到最高位后，水平移动气缸在与之对应的换向

16、阀的驱动下，活塞杆伸出，移动到气缸前端位置后，竖直移动气缸再次被驱动下移，移动到最下端位置，气动手指松开，经短暂延时，竖直移动气缸和水平移动气缸缩回，机械手恢复初始状态。 在整个机械手动作过程中，除气动手指松开到位无传感器检测外，其余动作的到位信号检测均采用与气缸配套的磁性开关，将采集到的信号输入plc，由plc输出信号驱动电磁阀换向，使由气缸及气动手指组成的机械手按程序自动运行。5、装配台料斗输送单元运送来的待装配工件直接放置在该机构的料斗定位孔中，由定位孔与工件之间的较小的间隙配合实现定位，从而完成准确的装配动作和定位精度。如图3-5所示。图3-5装配台料斗为了确定装配台料斗内是否放置了待

17、装配工件，使用了光纤传感器进行检测。料斗的侧面开了一个m6的螺孔，光纤传感器的光纤探头就固定在螺孔内。6、警示灯本工作单元上安装有红、橙、绿三色警示灯，它是作为整个系统警示用的。警示灯有五根引出线，其中黄绿交叉线为”地线”；红色线：红色灯控制线；黄色线：橙色灯控制线、绿色线：绿色灯控制线；黑色线：信号灯公共控制线。接线如图3-6所示。图3-6警示灯及其接线3.2装配单元的气动元件1、气动摆台回转物料台的主要器件是气动摆台，它是由直线气缸驱动齿轮齿条实现回转运动，回转角度能在090度和0180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3-7所示。

18、图3-7气动摆台气动摆台的摆动回转角度能在0180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，应首先松开调节螺杆上的反扣螺母，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。当调整好摆动角度后，应将反扣螺母与基体反扣锁紧，防止调节螺杆松动。造成回转精度降低。 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，图3-8是调整磁性开关位置的示意图。磁性开关安装在气缸体的滑轨内，松开磁性开关的紧定螺丝，磁性开关就可以沿着滑轨左右移动。确定开关位置后，旋紧紧定螺丝，即可完成位置的调整。图3-8磁性开关位置调整示意2、导

19、向气缸导向气缸是指具有导向功能的气缸。一般为标准气缸和导向装置的集合体。导向气缸具有导向精度高，抗扭转力矩、承载能力强、工作平稳等特点。装配单元用于驱动装配机械手水平方向移动的导向气缸外型如图3-9 所示。该气缸由直线运动气缸带双导杆和其它附件组成。图3-9 导向气缸安装支架用于导杆导向件的安装和导向气缸整体的固定，连接件安装板用于固定其它需要连接到该导向气缸上的物件，并将两导杆和直线汽缸活塞杆的相对位置固定，当直线气缸的一端接通压缩空气后，活塞被驱动作直线运动，活塞杆也一起移动，被连接件安装板固定到一起的两导杆也随活塞杆伸出或缩回，从而实现导向气缸的整体功能。安装在导杆末端的行程调整板用于调

20、整该导杆气缸的伸出行程。具体调整方法是松开行程调整板上的紧定螺钉，让行程调整板在导杆上移动，当达到理想的伸出距离以后，再完全锁紧紧定螺钉，完成行程的调节。3、气源处理的必要性从空压机输出的压缩空气，含有大量的水分、油和粉尘等污染物，空气质量不良是气动系统出现故障的主要因素，会使气动系统的可靠性和使用寿命大大降低，由此造成的损失会大大超过起源处理装置的成本和维护费用。压缩空气中，绝对不许含有化学药品、有机溶剂的合成油、盐分和腐蚀性气体等。气源处理包括 空气过滤：主要目的是滤除压缩空气中的水分、油滴以及杂质，以达到启动系统所需要的净化程度，它属于二次过滤器。 压力调节：调节或控制气压的变化，并保持

21、降压后的压力值固定在需要的值上，确保系统压力的稳定性减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。 油雾器：气压系统中一种特殊的注油装置，其作用是把润滑油雾化后，经压缩空气携带进入系统各润滑油部位，满足润滑的需要。4、气动三联件为得到多种功能,将空气过滤器、减压阀和油雾器等元件进行不同的组合，就构成了空气组合元件。各元件之间采用模块式组合的方式连接。图3-10 气动三联件有些品牌的电磁阀和气缸能够实现无油润滑（靠润滑脂实现润滑功能），便不需要使用油雾器。这时只须把空气过滤器和减压阀组合在一起，可以称为气动二联件。5、气源处理组件使用空气过滤器和减压阀集装在一起的气动二联件结构，组件及其回路原

22、理图分别如图3-11 (a)和(b)所示。图3-11 气源处理组件3.3传感器yl-335b各工作单元所使用的传感器都是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接近开关。1、磁性开关磁性开关用来检测气缸活塞位置的，即检测活塞的运动行程的。气缸的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，从而提供一个反映气缸活塞位置的磁场。而安装在气缸外侧的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。触点闭合或断开即提供了气缸活塞伸出或缩回的

23、位置。图3-12是带磁性开关气缸的工作原理图。图3-12 带磁性开关气缸的工作原理图图3-13 磁性开关及内部电路原理图磁性开关安装位置的调整方法是松开它的紧定螺栓，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。2、电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。工作原理框图如图3-14所示。图3-14 电感式传感器3、光电传感器和光纤传感器 光电传感器“光电传感器”是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化

24、等的传感器。其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。图3-15 光电式接近开关漫射式光电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。图3-16 e3z-l61型光电开关的外形和调节旋钮、显示灯光纤式传感器光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。光纤传感器组件及放大器的安装示意图如图3-17所示。图3-17 光纤传感器光纤传感器也是光电传感器的一种。光纤传感器具有

25、下述优点：抗电磁干扰、可工作于恶劣环境，传输距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在很小空间的地方。光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大。当光纤传感器灵敏度调得较小时，反射性较差的黑色物体，光电探测器无法接收到反射信号；而反射性较好的白色物体，光电探测器就可以接收到反射信号。反之，若调高光纤传感器灵敏度，则即使对反射性较差的黑色物体，光电探测器也可以接收到反射信号。图3-18给出了放大器单元的俯视图，调节其中部的8旋转灵敏度高速旋钮就能进行放大器灵敏度调节（顺时针旋转灵敏度增大）。调节时，会看到“入光量显示灯”发光的变化。当探测器检测到物料时，“动作显示灯”

26、会亮，提示检测到物料。图3-18 光纤传感器放大器单元的俯视图3.4 plc的i/o分配及系统安装接线装配单元装置侧的接线端口信号端子的分配如表3-19所示。表3-19 装配单元装置侧的接线端口信号端子的分配输入端口中间层输出端口中间层端子号设备符号信号线端子号设备符号信号线2sc1零件不足检测21y挡料电磁阀3sc2零件有无检测32y顶料电磁阀4sc3左料盘零件检测43y回转电磁阀5sc4右料盘零件检测54y手爪夹紧电磁阀6sc5装配台工件检测65y手爪下降电磁阀71b1顶料到位检测76y手臂伸出电磁阀81b2顶料复位检测8al1红色警示灯92b1挡料状态检测9al2橙色警示灯102b2落料

27、状态检测10al3绿色警示灯115b1摆动气缸左限检测11125b2摆动气缸右限检测12136b2手爪夹紧检测13144b2手爪下降到位检测14154b1手爪上升到位检测163b1手臂缩回到位检测173b2手臂伸出到位检测plc的i/o分配如表3-20所示。图3-21是plc原理图。表3-20 装配单元plc的i/o信号表输入信号输出信号序号plc输入点信号名称信号来源序号plc输出点信号名称信号来源1x000零件不足检测装置侧1y000挡料电磁阀装置侧2x001零件有无检测2y001顶料电磁阀3x002左料盘零件检测3y002回转电磁阀4x003右料盘零件检测4y003手爪夹紧电磁阀5x00

28、4装配台工件检测5y004手爪下降电磁阀6x005顶料到位检测6y005手臂伸出电磁阀7x006顶料复位检测7y006红色警示灯8x007挡料状态检测8y007橙色警示灯9x010落料状态检测9y010绿色警示灯10x011摆动气缸左限检测10y01111x012摆动气缸右限检测11y01212x013手爪夹紧检测12y01313x014手爪下降到位检测13y01414x015手爪上升到位检测14y015hl1按钮/指示灯模块15x016手臂缩回到位检测15y016hl216x017手臂伸出到位检测16y017hl317x02018x02119x02220x02321x024停止按钮按钮/指示

29、灯模块22x025启动按钮23x026急停按钮24x027单机/联机图3-21 装配单元plc原理图第四章 软件设计4.1编写程序的思路 进入运行状态后，装配单元的工作过程包括2个相互独立的子过程，一个是供料过程，另一个是装配过程。供料过程就是通过供料机构的操作，使料仓中的小园柱零件落下到摆台左边料盘上；然后摆台转动，使装有零件的料盘转移到右边，以便装配机械手抓取零件。装配过程是当装配台上有待装配工件，且装配机械手下方有小园柱零件时，进行装配操作。在主程序中，当初始状态检查结束，确认单元准备就绪，按下启动按钮进入运行状态后，应同时调用供料控制和装配控制两个程序。图 4-1 启动运行 供料控制过

30、程包含两个互相联锁的过程，即落料过程和摆台转动、料盘转移的过程。在小园柱零件从料仓下落到左料盘的过程中，禁止摆台转动；反之，在摆台转动过程中，禁止打开料仓（挡料气缸缩回）落料。实现联锁的方法是：当摆台的左限位或右限位磁性开关动作并且左料盘没有料，经定时确认后，开始落料过程；当挡料气缸伸出到位使料仓关闭、左料盘有物料而右料盘为空，经定时确认后，开始摆台转动，直到达到限位位置。 供料过程的落料控制和装配控制过程都是单序列步进顺序控制，具体编程步骤这里不再赘述，读者可参考附录光盘相关程序自行编制。 停止运行，有两种情况。一是在运行中按下停止按钮，停止指令被置位；另一种情况是当料仓中最后一个零件落下时，检测物料有无的传感器动作（x001 off），将发出缺料报警。对于供料过程的落料控制，上述两种情况均应在料仓关闭，顶料气缸复位到位即返回到初始步后停止下次落料，并复位落料初始步。但对于摆台转动控制，一旦停止指令发出，则应立即停止摆台转动。对于装配控制，上述两种情况也应在一次装配完成，装配机械手返回到初始位置后停止。仅当落料机构和装配机械手均返回到初始位置，才能复位运行