柔性制造系统加工单元设计

毕业设计（论文）

专业机电一体化

班级_________________

学生姓名________________

学号_______________

课题柔性制造系统加工单元设计

指导教师_____________

2010年10月8日

目录

绪论

第一章加工单元的基本结构

1、加工单元的基本功能

2、加工单元的基本结构

2.1旋转工作台模块

2.2钻孔模块

2.3检测模块

3、继电器

4、CP阀组

5、加工单元的主要技术数据

6、加工单元的功能

第二章物料台及滑动机构

滑动物料台的工作原理

第三章加工（冲压）机构

冲压台的工作原理

第四章PLC控制系统

1、PLC的基本概念

2、PLC的基本结构

3、扫描技术

3.1输入采样阶段

3.2用户程序执行阶段

3.3输出刷新阶段

4、PLC内部

5、PLC接入方式运作方式

6、PLC的I/O接线图

第五章顺序功能图

第六章参考程序

1、编程要点

2、加工单元的编程要点

第七章结束语

绪论

加工单元主要组成机构由旋转工作模块、钻孔模块、钻

孔检测模块等构成。加工单元可以模拟钻孔加工及钻孔质量

检测的过程，并通过工作台模拟物流传送的过程。本设计目

的则是熟悉MPS系统中加工单元的结构组成，查明加工单元

中的PLC的I/O借口地址，进一步了解加工单元的结构、观

察气动控制回路的组成情况，了解继电器的作用、传感器技

术在加工单元的应用，各电控阀的电控信号、继电器线圈所

对应的PLC接口地址（输出地址）。本设计的主要内容包括：

加工单元的组成、加工单元的结构、加工单元气动控制回路、

加工单元的顺序编程等。

第一章加工单元的结构与控制

一、加工单元的结构

1.加工单元的基本功能

加工单元可以模拟钻孔加工及钻孔质量检测的过程，并

通过工作台模拟物流传送的过程。

2、加工单元的基本结构

加工单元主要组成机构有：

旋转工作模块

钻孔模块

钻孔检测模块等

2.1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、

传动齿轮、直流电动机、定位凸块、电感式接近开关传感器、

满反射式光电传感器、支架等组成。

在转动工作台上有四个工位，用于存放文件。

在每个工位的下面都有一个圆孔，用于光电传感器对工

件的识别。

电感式接近开关传感器用于判断工作台的转动位置，以

便于进行定位控制。

2.2钻孔模块

钻孔模块主要由钻孔气缸、钻孔电机导向装置、夹紧气

缸、钻孔模块支架等组成。

钻孔模块用于实现钻孔加工，在钻孔气缸的两端、夹紧

气缸的两端都安装有磁感应式接近开关，分别用于判断两个

气缸运动的两个极限位置。

2.3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。

气缸杆能下降到位一一孔深度加工合格：

气缸不能下降到位---孔加工不合格。

气缸的位置通过安装在气缸两端的磁感应式接近开关来

判断。

3、继电器

继电器KI、K2,分别用于控制钻孔电机和工作台驱动电

机。

4、CP阀组

本单元的CP阀组由3个电磁阀组成，其中一个为带手控

开关的双侧电磁先导控制阀，其余2个均为带手控开关的单

侧电磁先导控制阀。

各个阀的结构类型（几位几通），请同学们通过实际操作

设备，根据各个执行机构的动作特征判断出来。

5、加工单元的主要技术数据

气源工作压力最小6bar,最大8bar

I/O接口开关量：8个输入/6个输出。

6、加工单元的功能

加工单元的功能是完成把待加工工件从物料台移送到加

工区域冲压气缸的正下方；完成对工件的冲压加工，然后把

加工好的工件重新送回物料台的过程。

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滑块

气虹

加工单元的结构组成

加工单元主要结构组成为：物料台及滑动机构，加工（冲

压）机构，电磁阀组，接线端口，PLC模块，急停按钮启动/

停止按钮，底板等。

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第二章物料台及滑动机构

物料台用于固定被加工件，并把工件移到加工（冲压）

机构正下方进行冲压加工，它主要由手爪气功‘手指‘物料

台伸缩气缸’线性导轨及滑块’磁感应接近开关’漫射式光

电传感器组成。

光中「传感器

滑动物料台的工作原理：

滑动物料台在系统正常工作后的初始状态为伸缩气缸伸

出，物料台气动手爪张开的状态，当输送机构把物料送到物

料台上，物料检测传感器检测到工件后，PLC控制程序驱动机

械手指将工件夹紧一物料台回到加工区域冲压气缸下方一冲

压气缸活塞杆向下伸出冲压工件一完成冲压动作后向上缩回

一物料台重新伸出一到位后机械手指松开的顺序完成工件加

工工序，并向系统发出加工完成信号，并为下一次工件到来

加工作准备。在移动物料台上安装一个漫射式光电接近开关,

若物料台上没有工件，则漫射式光电接近开关均处去常态：

若物料台上有工件，则光电接近开关动作，表明物料台上已

有工件。该光电传感器的输出信号送到加工单元PLC的输出

端，用以判别物料台上是否有工件需进行加工，当加工过程

结束，物料台被伸出的活塞杆推到外端指定位置，PLC通过通

信网络，并恢复初始状态。把加工完成信号回馈给系统，以

协调控制。

第三章加压（冲压）机构

加工机构用于对工件进行冲压加工。它主要由冲压气缸、

冲压头、安装板等组成。

气缸

冲压台的工作原理:

当工件到达冲压位置并且伸缩气缸活塞杆缩回到位，冲

压缸伸出对工件进行加工，完成加工动作后，冲压气缸缩回,

为下一次冲压作准备。冲头根据工件的要求，对工件进行冲

压加工，冲头安装在冲压气缸头部。安装板用于安装冲压气

缸，对冲压气缸进行固定。

第四章PLC控制

PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制

器，用于控制机械的生产过程。也是公共有限公司、电源线

车等的名称缩写。

PLC=ProgrammablelogicController,可编程逻辑控制

器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用

而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储

程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作

等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各

种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分

PLC=ProgrammableLogicController,可编程控制

器

另外PLC还有以下几个名称：

PLC=PowerLineCommunication,电力线通信，即

我们俗称的“电力线上网”。

PLC=PublicLimitedCompany,公共有限公司，股

票上市公司。

PLC=Power-1ineCarrier,输电线载波，电力线载

波，电源线车。

PLC=PowerLoadingControl,动力负载控制。

PLC=PreparativeLayerChromatography,制备层

色谱法。

PLC=ProgrammingLanguageCommittee,程序设计

语言委员会［美

1、PLC的基本概念

可编程控制器(ProgrammableController)是计算机

家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的

可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable

LogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实

现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大

超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程

控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal

Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,plc

自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优

良，功能强大。

2、PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结

构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

a、电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果

没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因

此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交

流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而

将PLC直接连接到交流电网上去

b.中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系

统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和

数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，

并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首

先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并

分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取

用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数

运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用

户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或

输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运

行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还

采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

c、存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

d、输入输出接口电路

1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口

电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和

中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现

场的执行部件输出相应的控制信号。

e、功能模块

如计数、定位等功能模块

f、通信模块

如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等

3、扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，

即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上

述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的

CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

3.1输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方

式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映

象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序

执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和

数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也

不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的

宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该

输入均能被读入。

3.2用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依

次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又

总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按

先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行

逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在

系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在

I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形

图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有

输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其

他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状

态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其

程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的

梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻

辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其

上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直

接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存

器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程

影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

3.3输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新

所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这

时，才是PLC的真正输出。

4、PLC内部运作方式

虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电

器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有

这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，

并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大

大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程

式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入

CPU中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大

步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更

新”说明如下:

步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件

所连接之各点开关或传感器状态（1或0代表开或关），

并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”:

将阶梯图程式逐行取入CPU中运算，若程式执行中需要输

入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运

算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。

步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至

PLC输出部接点，并且重回步骤一。此三步骤称为PLC之

扫描周期，而完成所需的时间称为PLC之反应时间，PLC

输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。

每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会

被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结

束再生”。

5、PLC接入方式

电力线通信技术，英文简称PLC,是指利用电力线传

输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息

的高频加载于电流，然后用电线传输，接受信息的调制解

调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话

上，以实现信息传递。该技术在不需要重新布线的基础上,

在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载，也

就是实现四网合一。终端用户只要插上电源插头，就可以

实现因特网接入。

PLC利用1.6M到30M频带范围传输信号。在发送时，

利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在

电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号

滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。目前可达到的

通信速率依具体设备不同在4.5M〜45M之间。PLC设备分

为局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的

通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进

入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设

备，局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。

6、PLC的I/O接线图

传感器信号占用6个输入点，留出2个点提供给急停按钮

和启/停按钮作本地主令信号，则所需PLC/O点数为8点输

入、3点输出。选用西门子S7-222AC/DC/RLY主单元，共8

点输入和6点继电器输出，加工单元的I/O接线原理如图

8-11所示。

第五章顺序功能图

(附后)

第六章参考程序

1、编程要点

(1).料台伸出气缸在未得电时是伸出的。

(2).在检测到有料时，应延时一段时间再夹紧，否则

可能会造成物料还没有到位就夹紧而夹不住物料。

(3).在一个循环结束时，等物料被机械手拿走之后，

再让程序回到初始等待步，否则程序会因为仍检测物料而循

环加工。

2、加工单元的编程要点

2.1在加工单元中，提供一个启动/停止按钮和一个急停按

钮。与供料单元同样，如果需要有启动和停止2种主令信号,

只能由软件编程实现，实现方法在第三章中已经阐述，这里

不再重复。本单元的急停按钮是当本单元出现紧急情况下提

供的局部急停信号，一旦发生，本单元所有机构应立即停止

运行，直到急停解除为止；同时，急停状态信号应回馈到系

统，以便协调处理

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图4-8加工单元PLC的I/O接线原理图

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图8-10加工单元的顺序功能图

2.2加工单元的工艺过程也是一个顺序控制：物料台的物

料检测传感器检测到