基于PLC的教学用自动装配生产线研究与开发_图文

1、 摘要   I西安理工大学工程硕士学位论文   II目录  目 录  1.3本章小结 . 4 2.4 本章小结 . 17 I 西安理工大学工程硕士学位论文  II 3.6 本章小结 .36 4.4本章小结 .46 5.4本章小结 .52 6.3本章小结 .60 7 结论 .61 7.1 总体评价 .61 7.2 前景展望 .61 致 谢 .62 参考文献 .63第 1 章 绪论

2、  1 1 绪论随着科技的进步和装配制造业的快速发展, 自动化装配已经成为当今世界装配业发展 的主流, 人力手工装配已被取代。 自动生产线能够实现自动装配测量、 分类及上下料自动 化,还能获得各工位的工作状态,提高生产效率,降低劳人类动强度,克服人为不稳定因 素造成的产品品质的不稳定性,自动装配技术具有促进产品制造系统的整体优化的重要 性,自动装配有很高的生产质量和稳定性, 不受操作人员疲劳、疏忽等因素影响。实践表 明, 当产品数量和批量较大时, 自动化装配与手工装配和半自动化装配相比, 生产效率大 大提高、成本明显降低。同时, 在大多数场合, 装配自动化所占用的

3、生产面积比手工装配完成同样生产任务的工作面积要小的多 【 1】 。  1.1 课题意义与研究现状  2012年 5 月 7日,工业和信息化部印发了高端装备制造业 “ 十二五 ” 发展规划 。该 规划明确指出航空装备、 卫星及应用、轨道交通装备、海洋工程装备、智能制造等装备的 发展是我国现阶段高端装备制造业发展的重点方向。 与国外先进水平相比, 我国在高端装 备制造业仍存在一点差距, 且国内该方面人才培养与企业实际需求存在较大缺口。 国内高 校普遍缺乏该领域的先进教学设备, 学生在校阶段缺乏足够的感性认识, 实践操作能力与 企业要求存在较大差距。 因此,

4、开发类似功能的生产线教学装置, 学生能在接近工程实际 的设备上进行安装、 编程、 调试和维护, 为培养学生的实践操作能力提供了一个非常有效 的平台 【 2】。 随着生产过程的智能化、 网络化, 国内外对自动生产线相关技术的研究十分重视。 多 方面采取措施加速我国传统工业设备的自动化改造, 大力发展我国生产自动化技术己成为 当务之急,其中培养高水平工业复合型人才成为一个促进工业化发展的重要渠道。故此, 对自动生产线教学装置的研究与开发具有十分重要的意义, 该设备开发成功后, 能够满足 自动生产线技术教学的需要, 创立接近企业实际的工作情境来培养学生的工程意识、 工程实践技能以及团结协作精神 【

5、3】 【 4】 。此外,生产线平稳运转以及适应生产工艺的多样化是其重要特点, 工控智能化、 自动化是满足这些条件的必要保障, 上位机监控及通讯系统是 自动装配生产线的关键技术, 是生产线稳定运行的保障, 为使培训学员学习环境更符合实 际工业生产过程, 课题采用可编程控制器, 对教学用自动装配生产线监控系统、 通讯系统 进行更进一步的研究与开发, 使其功能更加综合、 全面, 便于更多贴近工业实际的实训项 目的开发是十分有必要的。本课题研究开发的自动装配生产线适用于机电及自动化等相关专业培训人员进行操 作实践,它涵盖了工业中所用到总线技术、机械传动技术、 PLC 技术以及电气控制技术 等多项技术。

6、能够模拟零件的上下料、装配、检测、分类,能显示各工位的工作状态,使西安理工大学工程硕士学位论文  2 学员处于一个与企业生产实际非常接近的情境,促进学员自动生产线设备的应用、装配、 调试及维护能力得到全面提高。  目前,机械制造、电子行业、石油化工、食品、制药、轻工等行业都离不开自动化生 产线的主导和支撑, 可以说, 自动化生产线是现代工业的生命线。 自动化生产线可以改变 原来需要人工与自动化专机共同参与才能完成工作的情况, 减少了整个生产过程所需要的人力物力,降低了生产成本,保证了产品质量 【 7】 【 8】 。自动装配生产线教学装置将工业实际过程展现给学生,学

7、员可以对设备直接实践操作, 学习可编程控制器编程、接线,传感 器应用, 生产管理、 工艺流程设计等机电一体化相关课程的学习, 并能在装置上进行生产 线检测、传动等各方面故障诊断与排除的练习。(1以德国 FESTO 为代表的教学仪器制造公司大都对自动生产线教学装置进行了 开发和研制, 德国 FESTO 结合工业实际使用模块化结构将气压传动、 电气控制、 传感器、 控制技术以及机械技术融合起来,为自动生产线教学装置的实现提供了技术上有利的借鉴,也为培训者获得专业综合知识、锻炼机电技术综合能力提供了良好的平台 【 5】 。(2 在国内大量厂商均开发有各具特点的基于 PLC 的教学用自动装配生产线。

8、其中 浙江亚龙教育装备股份有限公司开发的自动生产线加工培训系统是目前国内起步较早, 且内容较完善的集机、光、电、气等技术于一体的机电综合实训系统 【 5】 。应用组态及触摸屏技术解决了人机交互的问题, 设备现场工作情况将以生动形象的动 画形式显示出来, 企业人员可以在控制室就能看到现场工作情况及设备运行参数, 轻点触 摸屏上相应图符或文字便能实现远程控制。而工业网络通信技术使整套设备实时性更好,生产线上各功能构件间信息传递更加可靠及时 【 6】 。  a .教学用自动装配生产线控制器使用现状经调研发现, 目前国内生产的自动生产线常采用单片机、 工控机、 可编程控制器 (PLC 三种模

9、式。 80 年代,单片机这种模式在国内被广泛使用,但由于单片机可靠性及其它方 面的限制,目前大多在仪表上仍然采用,工业现场的应用慢慢被  PLC 所替代。工控机对 操作人员的专业能力有很高的要求, 一般工人看到计算机便产生畏惧心理, 但对于不熟悉 计算机的人来说,仍然不够简便易学。 因此, 目前在企业生产控制中电子产品、汽车的自 动装配生产线;制衣及造纸等轻工和化工企业的自动生产线大规模使用  PLC 控制。 PLC 具有响应快速、抗干扰能力强、 结构简单、应用灵活、易与上位机连接等优点。同时 PLC 编程能按照控制要求灵活

10、改变的接线网络 【 9】 。  b .教学用自动装配生产线监控系统使用现状计算机在工业控制领域的广泛应用, 促进了工业信息化水平的快速发展, 工业信息化 的进程要求生产设备更为智能化、人性化。目前,自动生产线监控技术在 ” 生产过程自动 化 ” 及 “ 制造自动化 ” 两大领域被广泛应用。包括航天、水利、国防、钢铁、冶金、石油化 工、水泥、工业水处理、食品制造加工、包装业、电力等各个行业。基于现场总线的自动第 1 章 绪论  3 线监控系统应用数字化网络通信技术, 使控制系统与现场设备加入企业信息网络, 使企业 信息覆盖到生产现场。随着自动控制系统和过程监控系统广

11、泛应用于工业中。 传统的工业控制软件, 被控对 象的工作流程要改变就必须修改系统的源程序,这就对工程人员要求有很强的编程功底, 程序的重复利用率也很低, 因此开发成本很高; 当开发程序或修改监控系统源程序时, 如 果原编程人员因故不能继续进行此项工作,需要由其他人员或新手替代进行源程序修改, 这是非常困扰工控软件开发公司的事情, 这成为新型软件开发工具组态软件发展的强大推动力 【 10】 。 对于一个具有实用价值的可编程控制器控制系统而言, 除了基础的硬件和软件 外,还应配置适合用户操作、观测现场工作状况的操作平台。这时,组态监控软件的优点 便体现出来,它用户界面友好直观、组态形式灵活多样,在

12、某些应用场合甚至不可或缺。当前, 生产线监控系统上常用的便是触摸屏及组态软件, 采用组态软件具有以下优点 : 专为工业控制定制、专业性强、学习使用容易;方便组态动态画面,缩短开发周期,从而 降低开发成本; 受编程人员变动影响小, 维护修改相对简单。 因而获得了工控人员的青睐。目前组态软件逐步向以下方向发展 【 10】 :目前组态软件发展迅速, 企业上层管理系统、 管理控制一体化、 远程诊断和维护以及 与互联网上的一系列的数据整合都可以在组态上实现。 随着传感器、 数据采集装置及控制 器智能化程度的不断提高, 实时数据的存储与管理需求的不断提高, 企业甚至可以在办公 室里监督订货、 制

13、造过程。因此, 部分组态软件直接内嵌了网页服务器,用户可以通过网 络就可以直接访问控制过程实时数据。嵌入式组态软件可有效解决工业 PC 机监控系统的 工作效率、维护和升级等问题,使工业 PC 机监控系统向自动化领域的高端市场发展。目前组态软件大多用于工业过程控制, 多数功能未考虑化验分析、 虚拟仪器、 计算机 集成制造系统等领域的需求, 这些领域仍主要使用专用软件。 因此, 这些领域也将是组态 监控软件的开拓空间,逐步提高系统的开放程度是组态软件的发展需要。  1.2本文主要工作和研究内容本文从剖析自动装配生产线工艺流程着手,详细论述基于西门子  S7­300、

14、S7­200 系 列  PLC 及组态王监控软件的自动装配生产线控制及监控系统的实现方法。该设计主要实 现模块结构、 硬件选型、 系统软件及监控界面的设计。 根据自动装配生产线教学装置的生 产工艺,采用  PLC 控制现场设备,应用上位机对自动生产线教学装置进行监控,显示自 动线运行情况、 运行记录, 操作者可通过上位机对生产线发运行指令。 论文模拟工厂轴承 自动装配生产线的工作过程,设计一套基于西门子  PLC 的自动生产线教学装置,在此基 础上采用组态王软件实现教学装置的上位机监控系统。主要工作及研究内容如下:

15、(1现场调研自贡市东方机械厂轴承自动装配生产线。参考该生产线,设计完成基 于  PLC 的教学用自动装配生产线的总体控制方案。设计中将整个生产线分为五个模块: 上料模块、加工模块、安装模块、输送模块、立体仓库模块,模拟实现工件的加工、装配 与入库过程。西安理工大学工程硕士学位论文  4  (2利用  STEP7 软件对硬 件进行组态,设计各工作模块控制程序,并组建  PROFIBUS­DP现场总线通讯网络,在各模块间传递工件信息及各模块工作状态,实现自 动生产线教学装置的协调控制。(3论文着重点在于根据自动生产线教

16、学装置工艺流程编制控制程序,实现自动生 产线的协调控制。主要工作如下:输入及输出信号的统计; PLC 、步进电机及驱动器、伺 服电机及驱动器等设备的选型;模块间通讯系统的设计; 设备信号接线;硬件组态;设备 部分顺控功能流程图及程序的编制;程序调试。(4根据自动生产线教学装置控制要求,利用组态王软件设计上位机组态界面,实 现对整套自动生产线教学装置各模块执行机构和工件信息的实时监控。(5现场安装、接线、调试自动生产线教学装置,满足课题的设计目标和实际生产 目的,模块间能可靠通讯,设备可靠平稳运行。  1.3本章小结本章分析了国内外自动生产线控制以及监控等相关技术的现状及发展情况,并且

17、对教 学用自动装配生产线的研究背景与意义进行了分析, 明确了课题的研究内容, 并对论文的 总体结构进行了规划。第 2 章 基于 PLC 控制的自动装配生产线总体方案设计  2 基于  PLC控制的自动装配生产线总体方案设计伴随着汽车、拖拉机、自动加工机床等方面技术的发展,机械行业中普遍采用了自动 生产线。 组合机床自动线是最早出现的自动生产线, 在第二次世界大战后得到了快速的发 展。 自动加工生产线实质是将一组自动机床和辅助设备由工件加工、 传送系统和控制系统 协调起来, 自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统, 简称自动生产线, 是现代生产 技术发展的主要趋势

18、之一。 社会生产力发展, 工人体力劳动的减轻都离不开生产线技术的 发展,生产线适用于大批量生产,具有加工精度高、生产效率高、占地面积小、能缩短生 产周期和降低成本等优点, 并能保证生产的均衡。 整个生产线可以使用专用、 多功能机床 等来最大程度的实现生产过程自动化。  2.1 方案设计目前工业实际中对自动线的需求越来越多, 少量小尺寸的相似的工件甚至是不同工件 的加工都可用自动生产线实现, 可增强生产线的柔性。 通过更改设备的摆放顺序, 可实现 生产经营的快速转换。 自动生产线发展方向主要是提高生产率和增强多功能、 灵活性, 即 设备重新布置和互换加工设备的能力。企业生产产

19、品不同, 所需的生产线类型及功能也大相径庭。 为适应不同产品生产的需 要,将发展能快速可调的多功能自动生产线, 例如工业机器人、多功能组合机床、成组技 术以及上位机等技术的加入。 这都使得生产线技术更加灵活、 更智能化。 但在自动生产线 核心技术及功能的实现方式上原理却几乎是相同的。 因此, 为便于各高校及企业进行自动 生产线的培训、 学习及训练, 很多公司根据实际自动生产线开发出了多种自动生产线教学 装置 【 12】 。根据调研结果,课题组确定所开发的基于教学用的自动装配生产线将综合应用 PLC 、 气压传动、 传感检测、 组态监控及通信等多种技术, 充分体现自动化生产线技术的系统性 及融合

20、性强等特点; 在结构上采用开放式模块化结构, 每个模块结构固定, 具有相应的生 产功能。 根据企业实际情况, 能够通过对生产线不同模块摆放位置的调整及配合, 模拟实 现不同的生产流程, 这更符合企业的需求。 自动生产线教学装置为理论与实践一体化教学 提供了非常好的一个平台,可以有效缩短教学与实际工程应用的距离。  课题所设计的自动装配生产线综合体现了气动、传感器、 PLC 等多方面技术的综合 应用, 设备可以达到与企业实际工作流程接近的程度。 调研发现, 目前国内外教学用自动 生产线设备大部分采用模块化的设计思路, 由多个模块实现相应的生产功能, 各模块经过 各种组合还可实现不同的生

21、产功能, 不仅能单站运行, 还能多模块或全线联机运行。 根据 所开发的自动装配生产线机械结构及布局将系统划分为五个模块:上料模块、加工模块、 安装模块、 输送模块、 立体仓库模块, 模拟实现工件的钻孔加工、 装配与入库过程。 其中,5 西安理工大学工程硕士学位论文   6 各模块能单独工作, 也可以与其它模块配合, 模拟实现生产线上部分或全部工作过程。 系 统结构组成过程如图 2­1所示。图  2­1 系统组成  Fig.2­1  Structure of syst

22、em 该生产线各模块分别实现以下功能:上料模块作为整个自动装配生产线的起始站, 向生产线提供所需的原材料, 按生产需 要将料仓中待装配的工件自动取出,并检测工件颜色,等待下一模块搬运。加工模块中,物流传送过程的模拟是采用四工位工作台实现的,该模块可分为四步: 上料、钻孔、检测、卸料,具备待加工工件的模拟钻孔、对工件钻孔质量的检测等功能, 从而达到模拟实际工件钻孔加工过程的效果。安装模块用于提供装配用的 2号小零件, 并将该工件装配到大工件的孔中。 它能自动 地取出料仓中放置的 2号小零件(黑色、白色 ,并将其装配到安装模块物料平台上 1号 大工件空腔中,实现大、小零件的装配。输送模块

23、功能是伺服电机驱动操作手到指定模块的物料台, 在该物料台上抓取所需工 件,将其输送到指定模块的物料台。立体仓库模块是 4*4的仓库, 用于存储加工完毕的工。 件在生产线上该模块按照检测 到的工件信息, 自动将装配好的工件运送至相应仓位。 它是自动生产线教学装置的最后单 元。  根据课题要求, 所设计开发的基于教学用自动装配生产线以完成零件钻孔加工及装配 功能为主, 其中该系统要实现零件从上料到加工, 再到入库的一系列生产过程, 经过对该 过程进行分解, 确定该系统主要完成零件上料、 加工前检测毛坯是否合格、 零件钻孔加工、 加工后检测、装配,最终分类入库等各项功能。  a

24、.上料模块上料模块是自动装配生产线的起始单元, 在生产线上向其它模块提供待加工零件。 主 要由料盘机构、提升机构、工件颜色及到位检测传感器等部件实现功能。如图 2­2所示。第 2 章 基于 PLC 控制的自动装配生产线总体方案设计   7 图  2­2 上料模块结构图  Fig.2­2  Structure of feeding mechanism 设计中料盘机构存放黑白两种颜色的 1号零件毛坯。 零件存在料盘中, 当生产线需要 提供零件毛坯时, 电动机驱

25、动料盘顺时针转动, 零件便通过工件分隔条顺序排列输出至滑 槽, 顺着滑槽被推到工件提取平台中去。 工件提取平台由一个气缸驱动其上下运动, 气缸 初始状态是缩回, 用于接收从料盘送来的大工件, 当气缸伸出时, 工件提升到输送模块能 够到达的位置。 该机构主要由输出工位、 提升导向装置和双作用气缸组成。 双作用气缸带 动输出工位进行上下往复运动; 提升导向装置保证了输出工位不偏转。 零件检测机构包含 工件颜色及到位检测两个传感器。 该部分由两个光电接近开关构成; 反射式光电传感器安 装在工件提取平台底部, 检测工件是否从料盘到达工件提取平台; 漫反射式光电传感器安 装在工件提取平台顶部,用于检测工

26、件是黑色还是白色。  b .加工模块加工模块旋转工作台上具有四个工位,分别实现上 /下料、钻孔、检测四个功能。由 一直流电机旋转驱动工作台转动模拟实现工件的物流传送, 图 2­3所示为加工模块的整体 结构。 图  2­3 加工模块结构图  Fig.2­3  Structure of processing module西安理工大学工程硕士学位论文  8  (1旋转工作台模块旋转工作台模块用于准确地将零件输送至钻孔、 检测、 卸料等工序位置处。 该模块主要设置

27、有四工位旋转工作台、 定速比直流电动机、 电感式接近开关、 光电式接近开关及支 架等完成相应功能。定速比直流电机用于驱动工作台转动, 转盘上具有 4个用于输送工件的圆形工位, 每 个工位底部中心均有一个通孔, 漫反射式光电接近开关所发出的光线通过该通孔, 如果被 工件阻挡,则发出信号;如果没有工件,所发出光线不能被反射回来,不发出信号;以此 来判断上料工位是否有工件传送到位。电感式接近开关反馈信号给控制器对工作台进行定位,在转盘四个工位下各自有一金 属凸台定位块, 当电感式接近开关检测到该凸台定位块时, 给控制器反馈 1信号指示已转 过 90度,以便于进行旋转工作台的定位控制。(2钻孔模块由工

28、件夹紧定位和工件钻孔加工两大部分构成了钻孔模块,用于模拟零件钻孔加工过 程。工件夹紧定位部件包含直线气缸(顶料气缸 、直线气缸固定板、支撑架和磁感应式 接近开关等元器件。 为了保证零件的加工质量, 使用一直线气缸固定夹紧工位上到达加工 位置的待钻孔零件, 使零件在钻孔时不会出现位置偏移。 直线气缸安装在直线气缸固定板 中部, 为了能准确判断工件是否被夹紧或完全放松, 在直线气缸前后两端的运动位置均安 装有磁感应式接近开关进行限位检测。工件钻孔加工部件包含导杆气缸、 直流电机、 直流电机安装板、 支撑架和磁感应式接 近开关等元器件。直流电机带动旋转执行机构旋转来模拟工件钻孔加工的旋转执行机构过

29、程, 将其安装在直流电动机安装板上, 通过继电器对其进行启停控制。 直流电动机在竖直 方向上下移动, 模拟钻头工进与返回的动作, 该动作由安装于两支撑架之间的导杆气缸伸 出、 缩回实现。 为准确判定钻头上下极限位置, 在该气缸上下两个位置各安装一干簧管式 接近开关。(3钻孔检测模块该模块设计有钻孔检测模块, 这部分主要由检测气缸、 检测气缸固定架、 检测模块支 架及两个干簧管接近开关构成, 以此模拟生产线钻孔加工结果检测的生产过程。 若检测气 缸活塞杆能下降到极限位置, 则认为该工件钻孔质量合格; 否则认为该工件钻孔质量不合 格。  c .安装模块安装模块用于储存 2号小零件,并在需

30、要时将料仓中黑、白两种小零件区分出来,为 转运机构提取符合颜色要求的 2号小零件,并将其装配到从加工模块传送过来的 1号大零 件空腔中。该模块主要由转运机构、小零件平台、推料气缸,推料块、阀组以及齿轮齿条 摆动缸等部件实现功能。第 2 章 基于 PLC 控制的自动装配生产线总体方案设计   9 (1 送料机构送料机构有两个料仓, 分别装着黑色、 白色两种 2号小零件, 根据生产需要选择符合 颜色要求的 2号小零件必须对两个料仓进行换位,该工作由一个双作用换向气缸实现。送料机构工作过程如下:在料仓换位气缸导向底座上方垂直安装有两个料仓, 分别堆 叠两种颜色的 2号小零件, 两

31、种颜色的选择由料仓换位气缸实现。 推料气缸的推料块从料 仓底部可垂直穿过, 推料块与最下层的零件处于同一高度。 当推料气缸驱动推料块伸出时, 推料块便会把最下面一层的 2号小零件水平推出到提取工件平台, 为转运机构吸取 2号小 零件做好准备工作; 而当推料块返回时, 料仓中高处的工件由于自重将自动下落一层, 为下次推料缸的工作做好准备【 14】 。 (2 转运机构转运机构的功能是吸取 2号小零件,并将其转运至 1号大零件的空腔中 (模拟加工完 毕的盲孔 。转运机构由齿轮齿条摆动气缸、摆臂、真空吸盘、真空发生器以及方向保持 装置等组成。转运机构结构设计如图 2­4所示。齿轮齿条摆动气缸

32、对摆臂进行驱动,该摆动气缸最大摆动角度为 180°,可以根据实 际机械部件的位置需要对摆动角度进行调整。 采用真空吸盘吸附的方式将 2号小零件从小 工件平台转运至 1号大零件空腔内,吸盘内腔负压(真空由真空发生器产生。图  2­4 转运机构  Fig.2­4 Structure ofTransport mechanism d .输送模块抓取机械手由伺服电机驱动并精准定位到指定物料台抓取工件, 将其工件运送到指定 模块后放下。 输送模块设计有抓取机械手装置和直线运动传动机构、 拖链装置、 伺服驱动

33、 装置等实现工件从头往后的传送功能。(1抓取操作手为了能够可靠抓取工件,课题所设计的操作手能够实现升降、伸缩、气爪夹紧 /松开 三自由度运动,并能沿垂直轴摆动 90度。该装置能够由传动机构驱动其直线往复运动。 气动手爪可在各个工作站物料台上抓取 /放下工件;手臂的伸出和缩回由伸缩气缸实现; 手臂正反向 90度旋转由回转气缸驱动;整个机械手提升与下降由提升气缸驱动。西安理工大学工程硕士学位论文  10 (3 直线运动传动机构该机构可使机械手做直线往返运动以完成精准定位。该部分传动组件由直线平面导 轨、伺服电动机及伺服驱动器、同步齿形带、滑动溜板、拖链、原点接近开关以及左、右极

34、限开关组成 【 14】 。伺服电机由伺服电机放大器驱动, 带动滑动溜板在同步轮和同步带的作用下沿直线导 轨作往返运动, 从而使滑动溜板上的机械手也往返运动。 同步轮共 12个齿, 齿距为 5mm ; 即电机旋转一周操作手位移 60mm 。在直线导轨的原点位置安装有接近开关, 原点接近开关采用无触点的电感式接近传感 器,用来提供直线运动的起始点信号。 在直线导轨的两侧安装有左、右两个极限开关,起 超程保护作用, 极限开关均采用有触点的微动开关, 当滑动溜板在运动中超出左或右极限 时向系统发出超程保护信号。  e .立体仓库模块立体仓库模块可以作为生产线最后一个模块, 在整个生产线上负责

35、接收并存储前方模 块处理后的工件。 它由两套步进驱动模块来实现水平方向和垂直方向的移动, 模拟堆垛机 的运行情况。 在接收到前一模块送来的工件时, 控制器按照工件信息将工件分类送往相应 仓位。该模块主要由 X­Y直线驱动机构、工件推料装置、立体仓库等部分组成。其结构 如图 2­5所示。图  2­5 立体仓库模块结构图  Fig.2­5  Structure of warehouse (1 直线驱动机构本设计中由步进电机及驱动器、 滚珠丝杠螺母副和直线导向杆等部件组成直线驱动机

36、 构,步进电机输出的旋转运动通过滚珠丝杠螺母副转换成直线往返运动。 立体仓库立体仓库第 2 章 基于 PLC 控制的自动装配生产线总体方案设计  11 立体仓库模块设计安装有两套直线驱动模块,两模块互成 90度垂直安装,形成一个  X­Y轴的平面运动系统,这样工件在按照不同类型存储时,可以实现水平和垂直两个方 向仓库位置的选择。 两个丝杠驱动模块都安装有电感式接近开关作为系统原点, 以校正位 置及提供一个位置参考点。 在两轴运动极限处均设计有行程保护开关, 用于两套直线驱动 模块的超程保护,以防止因超程而产生机械损伤。 PLC 高速脉冲端子发出的高速脉冲

37、信 号及方向电平信号由步进驱动器接收,驱动器将这些信号通过转换成步进电机的驱动信 号。步进电机,方向电平控制它的旋转方向,脉冲频率  f控制它的转速,脉冲数控制它的 转角。(2 工件推出装置工件推出装置由推料块、 一个双作用气缸和接收工件的推块导槽构成。 该装置整体安 装固定在 Y 轴丝杠螺母移动块的侧面上跟随着在 X­Y平面移动。它实现的功能是将放置 好的在推块导槽的工件通过推料块将工件推进对应仓库内。 同样, 为了保证推料块可靠运 行,直线气缸两端安装有干簧管接近开关进行限位检测。(3立体仓库仓库为一 4行  4列的镂空存储架(16个存储位置 ,每个存储位置间

38、距离为 40mm , 用于分类存放不同的工件。立体仓库平行安装在丝杆驱动模块 X­Y平面的一侧,用于接收工件推出装置送来的成品工件 【 1】 【 12】 【 13】 。  2.2功能需求及主要技术指标在进行控制系统设计时, 首先要熟悉设备各项功能, 清楚设备所实现的功能需求以及 机械、 电器等执行元件间的关系等, 认真分析被控对象工艺流程和要求, 明确各项任务要 求、联锁条件及控制方式,才能决定所需的软件支持及规模。 在本系统中,根据上节模块 功能的实现将控制任务分为独立的五部分,化繁为简,便于编程调试。  生产线能够稳定可靠运行、具备较强抗干扰能力、扩展及连接方

39、便、人机界面友好、 控制方法灵活多样、开放性好、管理功能丰富;系统人机界面友好,画面形象逼真、动感 强,对控制过程进行监控,能够生成报表并打印等;能够满足设计开关量控制、高速脉冲 输出工作,并能进行速度与位置的动态控制要求;保证工件信息传递过程的稳定性;根据生产线的工艺流程可看出,系统对实时性是有一定要求的,尤其是正常生产中, 要保证生产效率, 必须解决工艺的协调及时间匹配等问题, 当系统出现故障时, 还能够先 将系统各模块复位,然后再从头开始正常工作。为了保证一个功能的故障不会导致其他功能的故障或失效, 系统的控制、 报警、 监控 和保护按功能和实际情况可进行最大程度的分割, 以此保护系统的

40、独立性及人身和设备的 安全。系统有异常情况发生时,屏幕能及时弹出报警画面、画面颜色自动作相应变化。西安理工大学工程硕士学位论文  12  自动生产线教学装置为理论与实践一体化教学提供了非常好的一个平台,可以有效缩短教学与实际工程应用的距离。所设计开发的设备将具有以下特点:(1组合性整个生产线由相对独立又可相互通信连接的不同模块构成。该设备各工作模块不仅可 以作为单独的学习对象, 而且可以根据不同的学习难度及分组情况进行任意组合, 实现不 同的工作流程。各模块分别由一 PLC 独立控制,在单独的模块学习完成以后,还能将各 模块进行联网通信, 实现两站、 多站以及全线的调试,

41、最终可综合应用各项机电一体化技 术对整个控制系统编程、通信、装配以及调试维护等。(2 综合性设备包括机电控制技术所涉及的电气控制及 PLC 、电机、气动、组态以及传感器等 综合技术, 能够让学员在模拟生产实际的自动装配生产线上操作练习。 该系统通过 I/O通 信、 PPI 通信或 PROFIBUS 现场总线等通信模式, 将生产线上独立模块可高度、 高效的综 合。整个生产线能够满足教师由浅入深的指导学生从安装、 设计、编程、调试到设备检查 维护等不同难度的教学。(3 模块化从不同的单站到单站, 从各单站到整个生产线控制系统, 各模块间具有灵活的组合方 式;在各模块间设置了统一标准化的接口;可对当

42、前系统定期升级。(4安全性生产线设计有单站运行、全线运行工作模式,还具有联锁、短路、急停、限位等多种 保护功能,以确保设备及操作人员的安全 【 5】 【 6】 。  教学用自动装配生产线是小型零件、小型规模、快节拍的自动化加工、装配、检测、 入库一体的模拟化生产装置。生产线全长 3米,包含供料、类别检测、上料、钻孔、孔质 量检测、卸料、装配、分类入库等主要工位 9 个,能模拟两种零件的加工及装配过程。生 产节拍每零件 3分 25秒。装配精度为 0.1mm 。生产线按照功能划分为五个模块,各自的 被控对象占用 PLC 点数统计如下:上料模块共 11个输入、 4个输出点,用于为

43、整个自动装配生产线提供原材料。 加工模块共 15个输入、 7个输出点,模拟钻孔过程,并能够检测孔的深度。安装模块共 13个输入、  9个输出点, 用于给钻成的孔内安装小工件, 装配精度 0.1mm 。 立体仓库模块共 11个输入、 9个输出点。其中  Q0.0和 Q0.1两个输出点作为高速脉 冲输出端子使用, 分别为 X 、 Y 轴直线驱动模块的步进电机提供脉冲信号。 该模块用于存 储加工的成品。输送模块共 17个输入、 10个输出点。其中 Q0.0作为高速脉冲输出端子为伺服驱动 器提供脉冲信号, Q0.1为伺服驱动器提供方向信号。该模块用于搬运工件,从上料模块 到加工模块

44、,再到安装模块,直至成品入库。第 2 章 基于 PLC 控制的自动装配生产线总体方案设计   13 2.3 控制系统技术方案适应生产工艺多样化以及生产过程平稳运行是自动装配生产线的重要特征, 工控自动 化是满足这些条件的必要保障。 采用可编程控制器作为控制系统核心, 具有成本低、 稳定 性高,程序编写和调试方便的特征。但 PLC 也有不足之处,如人机对话、故障判断、在 线修改等方面,需要对 PLC 编程十分熟悉的专业人员操作。因此,为直观地了解生产过 程和监控信号动态,课题选用一个上位机来配合 PLC ,利用组态软件组态人机界面,组 成更直观的控制系统。自动生产线

45、在工业环境下要求抗干扰能力强、 易于功能拓展、 输入输出设备便于连接。 可编程序控制器(PLC 抗干扰能力强、可靠性高、性价比高且编程简单,被广泛的应用 于现代化自动生产设备。因此,以 PLC 作为该教学装置控制器非常实用。目前应用较广 的 PLC 品牌有西门子, A­B,三菱等。课题采用工业可编程序控制器(简称 PLC 和上位机两级控制的结构方式,完成自 动上料、零件钻孔、装配及入库等功能。系统逻辑功能全由 PLC 实现,代替以往硬接线 和特殊的开关或其他输入装置。整个系统设备数据的采集和控制由 PLC 实现,上位计算 机人机画面发出控制指令给现场设备, 同时还能直观、 动态的显示

46、各设备的运行状态、 报 警信息,设计还具有系统联锁、调节控制、运行程序、监控功能。课题首先根据装置要求 设计气动回路、电气控制回路,然后根据工作流程进行 PLC 软硬件以及 PROFIBUS 总线 通讯部分的设计,最终对设备进行监控系统的设计。  自动装配生产线五个模块可以根据需要进行组合, 课题所设计开发的五个模块的工作 顺序为:上料模块作为整个自动装配生产线的起始站, 向加工模块提供所需的原材料; 加 工模块四工位工作台旋转带动四个工位的转动, 模拟零件钻孔、 检测及物流传送过程; 安 装模块提供装配用的 2号小工件, 将其装配在  1号大工件钻好的孔中; 装配好的工件

47、组合 最后存入立体仓库模块。 其中工件在各站间的传输由输送模块实现。 整个系统工作流程如 图 2­6图  2­6 系统工作流程图  Fig.2­6 The work flow of system 课题所设计开发的自动装配生产线五个模块可独立作为一个自动化装置, 还可以模拟 工业现场状况, 通过不同组合构成工艺流程可变的自动化装配生产线。 从目前国内外常见西安理工大学工程硕士学位论文   14 的模块化生产制造系统、 柔性制造系统的系统功能来看, 不管是工业

48、实际设备还是教学用 演示型设备,大都具有以下六个控制功能:复位功能、停止功能、手动单循环控制功能、 自动连续运行功能、单 /联机功能、急停控制。生产线所加工的零件如图 2­7。图  2­7 工件外形图  Fig.2­7 The shape ofsystem 两工件具体信息见表 2­1所示。表  2­1 工件信息  工件信息在系统流程图中用两个二进制数表示:D0、 D1,当工件为白色时, PLC 接 收 1信号,当工件为黑色时, PLC 接收 0信

49、号。该生产线在开发时也同样设计以上功能,各功能详细介绍如下 : (1 复位功能 :当生产线各控制对象由于某种原因不在复位状态,不满足运行初始条 件时,就需要通过该功能 (如按下复位按钮 实现设备复位,使各执行机构返回工作初始状 态, 以满足运行初始条件。 单模块测试后或是在 “ 急停 ” 故障排除后等都会造成设备不满足 初始条件。(2 停止功能 :能够实现生产线正常运行时,间断生产过程的功能。在停止生产线时, 正在加工过程的零件应继续被加工直至整个生产过程完毕,生产线才能进入停止状态。(3 手动单循环控制功能 :能够完成零件加工过程中的某一道工序,实现生产单件零 件或进行试生产的功能

50、。 该功能无需各模块间的信息传送, 也不需要各模块的协作, 就可 独立实现。  (a零件  1 (b零件  2第 2 章 基于 PLC 控制的自动装配生产线总体方案设计   15 (4 自动连续控制 :能够实现零件自动不间断的生产, 在生产线满足正常运行初始条 件时, 按下启动按钮, 生产线将按照特定工作过程自动连续循环运行, 编程可实现工件某 道工序的批量加工。 该功能与手动单循环控制功能一样, 不需要各模块间的信息传送, 也 不需要各模块的协作,就可独立实现。(5单 /联机功能 :该功能有两个状态,联机状态可以使五个工作模块组合起

51、来全线 工作, 实现零件从毛坯到入库整个生产过程, 单机状态将使各模块处于独立状态。 实现联 机功能时需要模块间的协调工作, 必须进行通信, 将工件及各模块运行状态信息进行传递, 合理地设计信息传递过程能够优化工艺流程,降低程序设计的复杂性。(6 急停控制 :当设备在运行过程中出现了危及人身、设备安全或生产安全的突发事 件时, 通过急停控制可以人为的使设备立即停止。 当按下急停按钮时, 所有控制对象将立 即停止动作,无论它处于什么运行状态、运行位置,并保持不动。  a. 硬件结构本课题中将每个工作模块的控制由一个独立的可编程控制器实现, 将上料模块作为整个系统的主站,其余四个模块均设

52、置为从站,自动装配生产线总体架构如图 2­8所示 【 6】。图  2­8 系统硬件架构图  Fig.2­8 Hardware architecture of the system 据 课 题 中 自 动 装 配 生 产 线 的 工 艺 与 被 控 设 备 数 量 , 上 料 模 块 选 用 西 门 子  CPU315­2DP,其它四模块均选用 CPU226 CN DC/DC/DC作为控制器,具有稳定性较强、西安理工大学工程硕士学位论文

53、  16 工艺更改方便等特点。 各模块间组建 PROFIBUS­DP现场总线控制网路实现整个系统数据 的传递与协调控制。 CPU315­2DP 的  DP 口可直接用于  PROFIBUS 通讯,而  CPU226CN 必须使用 EM277模块才可以进行 PROFIBUS 通讯。  PLC 的 I/O端口接收各模块传感器、面板按钮信号等,根据 PLC 内部程序运行结果, 发出信号控制各模块的换向阀、继电器、 步进电机驱动器、伺服电机驱动器等。步进电机 驱动

54、器控制立体仓库模块的步进电机的启动、 停止和方向, 步进电机的旋转可以驱动生产 线上堆垛机移动,实现工件的存储。伺服电机驱动器控制伺服电机的启动、停止及定位, 并能处理左右极限位置信号以及伺服电机编码器反馈的信号。  b. 软件结构整个系统软件设计流程如图 2­9所示, 根据该流程图细化每一工作模块顺序控制流程图,在此基础上可进行各模块工作程序的设计。图  2­9 系统软件设计流程图  Fig.2­9 flow chart ofsoftware design 图 2­

55、;9中,数据位 D0存储一号大工件的颜色信息,数据位 D1存储二号小工件的颜 色信息。当工件颜色为白色时,将相应的数据存储位置 1,否则清 0。第 2 章 基于 PLC 控制的自动装配生产线总体方案设计  17 编程时, 首先对设备各模块进行初始化, 若有加工需求, 上位机对上料模块发出命令, 上料模块工作,并检测 1号大工件的颜色信息存入 D0;然后输送模块将其送入加工模块 进行钻孔及孔的深度检测; 当孔加工并检测完毕, 输送模块再将 1号大工件送入安装模块, 进行安装 2号小工件的工作;最终将装配好的工件送入立体仓库模块分类存储。  根据生产线控制系统所需 I

56、/O点数、存储容量、运算功能、通讯功能、控制功能等选 择合适的 PLC 型号后进行 PLC 硬件设计及组态; 整个控制系统的职责实际上认为是在不 同时刻或在不同阶段去完成各步的控制, 在不同时段有不一样的工作任务。 而顺序控制流 程图是一种非常适合用于描述顺序控制功能的图解表示法, 编制设计复杂的顺序控制程序 非常合适。 考虑到设计的生产线工作流程规律性强、 顺序性强, 软件的设计采用步进顺序 控制法, 先画出顺序控制流程图, 步的划分将控制系统工作全过程按照状态的变换划分为 若干个步骤,再编程。根据自动装配生产线工作要求,如何将上料、搬运、加工、安装及 入库过程统筹协调起来, 使各模块快速、

57、 可靠的工作, 保证设备的正常运行。 通过 PC/PPI 电缆将计算机串口连接到主站上料模块的通信端口上,并通过各模块间的 PROFIBUS 网 络对其它各模块实时监控。 设计上位机监控管理系统画面时, 首先整套自动装配生产线各 模块的参考数据变量需要定义完毕, 其次熟悉各模块机构配合情况以及实际运行过程、 信息传递情况,然后设计各模块组态画面及生产管理监控画面等 【 10】 【 11】 。现场总线是一种国际现场总线通信协议标准, 具有高速, 开放的结构, 被广泛应用于 过程控制, 制造业, 现场总线是适合于西门子中等规模的网络解决方案。 在自动生产线总 体控制方案规划中,根据各模块

58、间衔接顺序,各模块联动效应时所需要的信息,选择  PROFIBUS­DP通讯协议,建议使用基于 PROFIBUS­DP现场总线通信控制方案,与 PLC 控制系统、组态监控系统共同组成高速、实时、可靠的网络化集成自动化控制系统 【 15】 。设计生产线上位机监控系统可提高控制系统可靠性及生产效率, 降低操作人员操作难 度及工作强度。故将操作台尽量简化,仅设置开始、停止、急停、复位等重要按钮,其他 功能均由监控系统实现, 这是监控系统设计的最终目标。 采用组态王软件, 利用上位机实 现良好的监控管理功能和人机界面。 生产线部分主要操作都可以通过上位机完成,

59、例如复 位、启动、停止等工作,这将减少外部元件,降低系统复杂度,提高系统集成度、安全度 和稳定性。最终使上位机能实现 PLC 对生产现场的直接监控,还能在组态王开发的监控 管理界面上直观地进行系统运行操作。  2.4 本章小结根据生产线设计要求, 对系统五个模块机械结构进行设计, 完成系统总体架构及工艺 流程的设计, 并对各模块所采用的控制器及监控系统开发软件进行了选择, 上料模块选用 西门子 S7­300 CPU315­2DP,其它四模块均选用 S7­200 CPU226CN DC/DC/DC作为控制西安理工大学工程硕士学位论文  器,系统采用 PROFIBUS 现场总线技术实现生产线各模块的协调控制,确定设计中使用 组态王开发上位机监控管理