柔性制造系统试验指导书

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机械制造自动化技术

试验指导书

李菊丽伍文进赵恩兰编

徐州工程学院机电学院

机械制造及其自动化教研室

2023.9

试验一小型柔性制造系统

一、试验目的

1.熟悉柔性制造系统的功能特点、基本组成、控制原理和工作过程；2.把握自动导向小车的特点及工作原理。

二、试验设备

小型柔性制造系统试验装置（组成单元如图1所示，含加工检测系统、物流系统、控制系统等）。

加工检测系统

FMS系统

物流系统控制系统

图1小型柔性制造系统的组成

三、试验原理及内容

该试验装置是集先进制造系统的物料供给、加工检测、物流系统、无线通讯、生产监控与管理等为一体的柔性制造系统，可实现从原料供给、加工运输，到组合装配，最终分类存储的自动化加工过程。试验装置如图2所示，都是模块化设计，带有很强的扩展功能，各个模块都能独立运行，能够进行不同自动控制相关检测、控制策略及算法研究，还可组成多种完整的自动生产流水线，满足自主设计和开发功能。当接收到上层控制系统的加工信号后，由立体仓库向系统输出所需的工件，放入AGV小车或传送带物流平台，工件到

达各个加工、检测或组装工位进行相应的加工或处理，最终通过分类工作单元输出工件或将完成加工的工件返回存储立体仓库模块中去。当立体仓库模块无法提供系统所需的工件后，由供料单元与检测单元完成向系统继续供料的任务。

图2机器人柔性制造系统试验装置

该试验装置具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制，便于学习繁杂的控制、编程、装配和调试技术。该试验装置将各单元模块组合在一起，围绕在物流平台周边固定稳固，形成柔性生产教学系统。

（一）供料单元结构与功能

供料单元起着向FMS系统供应原料的作用。它的具体功能是：依照订单需求由双作用气缸从料仓中逐一推出待加工工件（原料），转运模块上的真空吸盘将工件吸起，在旋转缸的驱动下将工件传送到下个工作单元。1．I/O接线端口

它是该工作单元与PLC之间进行通讯的线路联接端口。该工作单元中的所有电信号（直流电源、输入、输出）线路都接到该端口上，再通过信号电缆线连接到PLC上。2．进料模块

该模块用于储存工件原料并在需要时将料仓中的工件分开出来，为转送模块取走一个工件作好准备。该模块主要由料

仓、双作用气缸、推料块、工件检测传感器等组成。

进料模块工作时，工件垂直叠放在料仓中，推料杆位于料仓的底层并可从料仓的底部通过，推料杆与最下层的工件处于同一水平位置。当气缸驱动推料杆前进时，推料杆便把最下层的工件水平推到预定位置，从而把工件移出料仓；而当推料杆返回时，料仓中的工件在重力的作用下，就自动下落，向下移动一个工件，为下次工作作好了准备。

在推料缸的两个极限位置分别装有一个磁感应式接近开关，分别用于识别推料缸运动的两个极限位置。

在该模块料仓的底层位置，安装有对射式光电传感器的探头，用于检测料仓中存储料的状况（有无料）。该对射式光电传感器由光纤（探头）和光电传感器主体组成。

对射式光电接近开关是指光发射器与光接收器处于相对的位置工作的光电接近开关。其工作

原理是：当物体通过传感器的光路时，光路被遮断，光接收器接收不到发射器发出的光，则接近开关的“触点〞不动作；当光路上无物体遮断光线时，则光接收器可以接收到发射器传送的光，因而接近开关的“触点〞动作，输出信号将被改变。

3．转运模块

它的功能是吸取工件，并将工件传送到下一个工作单元。转运模块主要由旋转气缸、摆臂、真空吸盘、真空压力检测传感器、真空吸盘方向保持装置等组成。

旋转气缸是摆臂的驱动装置，其转轴的最大转角为180°，转角可以根据需要进行调整。在转动气缸的两个极限位置上各装有一个磁感应式的接近开关，利用接近开关的信号状态来标识两个极限位置。

真空吸盘用于抓取工件。吸盘内腔的负压（真空）是靠真空发生器产生的。真空检测传感器是具有开关量输出的真空压力检测装置。当进气口的气压小于一定的负压值时，传感器动作，输出开关量1，同时LED点亮，否则，输出信号0，LED熄灭。

真空吸盘方向保持装置的作用是：使真空吸盘在摆臂转动的过程中始终保持垂直向下的神态，以使被运输的工件在运输过程中不致翻转。它的工作原理是：旋转气缸固定在支

架上，输出轴从固定齿轮的轴孔中穿过，并可自由转动，摆臂则固定在旋转气缸的转轴上；摆臂的另一端安装有一个可以自由转动带有齿轮的吸嘴，吸嘴的齿轮与旋转气缸输出轴外围的固定齿轮通过一个同步带相连。当旋转气缸驱动摆臂转动时，摆臂与固定齿轮之间形成相对运动，导致同步带的运动，通过同步带带动了吸嘴的转动；固定齿轮与活动齿轮的传动比为1：1，这样摆臂转动的角度等于吸嘴转动的角度，因此，保证了吸嘴在摆臂转动的过程中始终保持方向不变。

4．控制任务

当设备接通电源与气源、PLC运行后，首先执行复位动作，推料缸缩回到位，旋转摆臂摆回到位。然后进入工作运行模式，按启动按钮时，供料单元的执行机构将把存放在料仓中的工件取出并转送出去，然后各执行机构回到初始位置。即每执行一个新的工作循环都需按一次启动按钮。要求在启动前，供料单元的执行机构必需是处于初始位置，且料仓中有工件，否则不允许启动。

（二）检测单元结构与功能

检测单元的主要任务有两个，即：识别工件材料和检测工件的尺寸。在FMS系统中，它是将供料单元提供的工件进行材料识别及尺寸的检测，并根据要求将满足条件的工件通过滑槽送到下一个工作单元，对于不符合要求的工件在本单元中剔除。该单元模拟了实际生产中对原材料的检测状况。

检测单元主要组成为：I/O接线端口；识别模块；升降模块；测量模块；滑槽模块等。

1．识别模块

识别模块主要由3个传感器组成，即：电感传感器、反射式光电传感器和漫射式光电传感器；用于识别工件的材质及颜色。可以识别金属与非金属的材质，可以将金属、白、黑三种工件区分开。识别模块中的电感传感器、反射式光电传感器及漫射式光电传感器都属于接近开关类传感器，它们分别在以下状况下动作：

电感传感器在有金属物质接近它时动作；反射式光电传感器在任何物质接近它时都动作；

漫射式光电传感器在接近它的物体反射回来的光线达到一定程度时动作。

识别模块的工作原理见以下真值表

传感器类型材质及颜色

金属、红色电感式传感器1漫反射式光电传感器1反射式光电传感器1

（1）电感式传感器

尼龙、白色011尼龙、黑色001电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。

高频振荡型电感式接近开关：它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。

差动线圈型电感式接近开关：它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。

（2）反射式光电接近开关

反射式光电接近开关的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且光发射器与光接收器为一体化的结构，在其相对的位置上安置一个反光镜，光发射器发出的光经反光镜反射回来后由光接收器接收。

（3）漫射式（漫反射式）光电接近开关

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，故该种传感器称为漫射式光电接近开关。漫反射式光电接近开关，它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化的结构。在工作时，光发射器始终发射检测光，当接近开关的前方一定距离内没有物体时，则没有光被反射回来，接近开关就处于常态而不动作；假使在接近

开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光的强度足够，则接收器接收到足够的漫射光后就会使接近开关动作而改变输出的状态。

我们为什么会在日光下看到不同颜色的物体？这是由于物体对不同频率的光吸收作

用不同，假使物体将所有频率的光（白光）全部反射回来，则我们看到的物体就是白色；假使物体将所有频率的光全部吸收，则我们看到的物体就是黑色的。假使物体吸收一部分频率的光，而将其余部分的光反射出来，则我们看到的就是反射光的颜色。原则上黑色物体是不能被漫反射式光电开关检测到的，但由于物体表面粗糙度不同，一些表面光滑的黑色物体仍能反射一部分光，因此灵敏度高的漫反射光电接近开关仍能检测到这样的黑色物体。而我们的上料检测单元和检测单元上检测工件颜色就是利用这个原理来分辩出工件的黑与白的。

2．测量模块

测量模块的作用是测量工件的高度。它由一个模拟量传感器和传感器支架构成。该模拟量传感器实际上是一个由电位器构成的分压器。该传感器与变送器一起构成一个测量工件高度尺寸的传感系统，由电阻式传感器将测量杆的位移量转变为电位器电阻值的变化，再经变送器器转换为0～0V的直流电压信号输出。输出的电压值与测量杆位移量之间成正比例关系。

测量模块由一个缜密滑台气缸驱动，实现高度测量动作。

3．升降模块

升降模块的作用是将工件由下方运输到上方，准备检测和分流。它主要由一个无杆气缸、一个双作用直线气缸、一个工作平台组成。

4．滑槽模块

滑槽模块提供了两个物流方向。上滑槽可以将工件（合格工件）分流到下一个工作单元，上滑槽前段是由直流电机驱动的传送带；下滑槽可以用于模拟不合格工件的流向（即从本单元剔除）。

5．控制任务

当设备接通电源与气源、PLC运行后，首先执行复位动作，无杆缸驱动的工件托盘下降缩回到位，检测头缩回到位，工件托盘上无工件。然后进入工作运行模式，放入一个工件，按启动按钮时，检测单元首先对工件的颜色及材质进行识别，并将识别的结果储存起来；然后将工作平台升至上端，根据信号将工件从滑槽中推出去；最终各执行机构都返回到初始位置。

（三）加工单元结构与功能

加工单元可以模拟钻孔加工及钻孔质量检测的过程，并通过旋转工作台模拟物流传送的过程。加工单元主要组成机构有：旋转工作台模块、钻孔模块、钻孔检测模块及伺服驱动单元等。

1．旋转工作台模块

旋转工作台模块主要由旋转工作台、工作台固定底盘、交流伺服电动机、蜗轮蜗杆减速器、定位块、电感式接近开关传感器、漫反射式光电传感器、支架等组成。

在转动工作台上有六个工位，用于存放工件。在每个工位的下面都有一个定位块，电感式接近开关传感器感测这个定位块，用于判断工作台的转动位置,以便于进行定位控制。

2．钻孔模块

钻孔模块主要由钻孔气缸、钻孔电机、电磁夹紧器等组成。钻孔模块用于实现钻孔加工过程。在钻孔气缸的两端安装有磁感应式接近开关，用于判断两个气缸运动的两个极限位置。

3．检测模块

检测模块用于实现对钻孔加工结果的模拟检测过程。检测模块主要由检测气缸、检测气缸固定架、检测模块支架及磁感应式接近开关组成。

4．继电器

继电器K1、K2，分别用于控制钻孔电机和电磁夹紧器。

5．控制任务

当设备接通电源与气源、PLC运行后，首先执行复位动作，钻孔电机上升缩回到位，检测头缩回到位，夹紧头缩回到位，旋转工作台旋转到位。然后进入工作运行模式，在输入工位上有工件的状况下，当按触启动按钮时，旋转工作台转动，将工件传送到加工工位进行钻孔加工；钻孔加工后，旋转工作台再转动一个工位，将工件送到检测工位进行钻孔质量的检测；最终工件被送到输出工位。输出工位的工件由人工取走。

（四）安装搬运单元结构与功能

安装搬运单元可以模拟提取工件、依照要求将工件分流的过程，同时能提供一个安装工位，实现大、小工件的组装。

安装搬运单元主要由提取模块、工件平台、直线转圆周运动装置、气源处理组件、I/O接线端口、阀组等组成。

1．I/O接线端口

它是该工作单元与PLC之间进行通讯的线路联接端口。该工作单元中的所有电信号（直流电源、输入、输出）线路都接到该端口上，再通过信号电缆线连接到PLC上。

2．提取模块

该模块实际上也是一个“气动机械手〞，主要由一个直线气缸（上下摇摆）、摆臂和气动夹爪等组成。摆臂相当于了气动机械手的“手臂〞，只是在这时不能伸缩，只能上下摇摆，它由一个安装在下方的直线气缸驱动，在摆臂的前端安装有一个气动夹爪，用于抓取工件。

3．直线转圆周运动装置

提取模块的左右移动及旋转由两个直线气缸所控制，它通过一定的机械转换装，在实现直线运动的同时还能提供圆周运动，这样在本单元上可提供四个工位，分别为左工位（提取工位）、左上工位（安装工位）、右上工位（未用）

和右工位（输出工位）。

4．工件平台

工件平台安装在安装工位上，用于实现大、小工件的组装。

5．控制任务

当设备接通电源与气源、PLC运行后，首先执行复位动作，夹爪开启、摆臂上抬到位，

两个直线气缸驱动摆臂左转到最左端。进入工作运行模式，按启动按钮，摆臂下降夹取工件，抬起后转安装工位，摆臂下降后释放大工件，然后上抬等待小工件的安装（用计时器模拟安装好的信号），有信号后摆臂再次下降夹取工件，上抬后转输出工位；等待输出信号，按下启动按钮，摆臂下，放开工件，上抬后摆臂转左工位，再次等待下一个工作信号。

（五）安装单元结构与功能

安装单元在整个系统中，起着