机电设备故障诊断与维修 第3版 课件 第6章　自动化生产线的安装与维修

6.1概述6.1.1自动化生产线的基本概念自动化生产线是指按照工艺工程，把一条生产线上的机器联结起来，形成包括上料、下料、装卸和产品加工等全部工序都能自动控制、自动测量和自动连续的生产线。自动化生产线的任务就是实现自动生产,怎样才能达到这一要求呢?自动化生产线综合应用机械技术、控制技术、传感技术、驱动技术及网络技术等,通过一些辅助装置按工艺顺序将各种机械加工装置连成一体,并控制液、气压系统和电气控制系统将各个部分动作联系起来,完成预定的生产加工任务。6.1.2自动化生产线的条件1)很高的产品需求量。要求有很高的生产量。2)稳定的产品设计。自动化生产线很难应对设计的频繁变更。3)较长的产品寿命。在大多数情况下产品寿命至少是几年。4)多种加工工艺。产品制造过程中需要使用多种加工工艺。6.1.3自动化生产线的特点1)产品或零件在各工位的工艺操作和辅助工作以及工位间的输送等均能自动进行，具有较高的自动化程度。2)生产节奏性更为严格，产品或零件在各加工位置的停留时间相等或成倍数。3)产品对象通常是固定不变的，或在较小范围内变化，而且在改变品种时要花费许多时间进行人工凋整。4)全线具有统一的控制系统，普遍采用机电一体化技术。5)自动化生产线初始投资较多。6.1.4自动化生产线的类型自动化生产线的类型多种多样，可按其不同的特征进行分类。根据工作性质不同可以分为：切削加工自动线、装配自动线及综合性自动线(即具有不同性质的工序，如机械加工、装配检验、热处理、防锈包装等工艺范围)；根据工件输送方式可分为：料槽输送自动线、机械手输送自动线、传送带输送自动线以及带随行夹具的自动线等；根据生产批量的大小又可分为大批大量生产的专用自动线和多品种成批生产的可变自动线。按生产线所用加工装备和上作节拍特性对机械加工自动线作如下分类。1.按所用加工装备类型分类（1）通用机床自动线这类自动线多数是在流水线的基础上，利用现有的通用机床进行自动化改装后连接而成，有时也根据需要配置少量专用机床。这类自动线建线周期短、成本低，多用于加工盘类、环类、轴、套等中小尺寸旋转类工件。（2）专用机床自动线这类自动线以专用自动机床为主要加工装备，因而设计、制造周期长、投资较大、专用性强、产品改变后使用的灵活性小，但生产效率高、产品质量稳定，适用于大批量生产类型。此类生产线建线前必须进行充分的市场预测和分析，不能盲目建线。

（3）组合机床自动线组合机床不仅具有专用机床的结构简单，生产率和自动化程度高的特点，而且由于大部分部件是通用部件，还具有设计制造周期短、成本低等优点。以这种通用化程度高的组合机床为主要装备，加上工件输送、转位和排屑等辅助设备所组成的自动线称为组合机床自动线(如图5-2所示)。此类自动线主要适用于箱体和杂类工件的大批量生产，设计制造简单、使用可靠、生产效率高。其应用较专用机床生产线更为普遍。（4）柔性制造自动线(FlexibleManufacturinLine——FML)“柔性”是指生产组织形式和自动化制造设备对加工任务的适应性。前述三类机械加工自动线主要适用于单一品种(或少量品种)的大批量生产，难以满足产品向多品种、中大批量生产方向发展的需求。为了解决这一矛盾，便出现了以数控机床或由数控操作的组合机床为主要加工装备组成的自动线(FML)，它具有一定的柔性。实现柔性化的关键是其基本组成设备——加工单元的柔性。FML一般由自动化加工设备、托板(工件)输送系统和控制系统组成。

2.按自动线生产节拍特性分类自动线完成一个工作循环所需要的时间称为自动线的生产节拍。按其生产节拍特性可分为固定节拍和非固定节拍两种形式。

（1）固定节拍自动线固定节拍是指自动线中所有单元设备的丁作节拍等于或成倍于自动线的生产节拍。在这类自动线上工序间没有储料装置，机床按照工件工艺顺序依次排列，工件由输送装置严格地按生产线的生产节拍强制性地沿固定路线从一个工位送到下一个工位，直到加工完毕。（2）非固定节拍自动线非固定节拍自动线是指自动线中各设备的工作节拍不同，各设备的工作周期是其完成各自工序所需要的实际时间。6.1.5自动化生产线的发展趋势1)继续向大型化发展。大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。水力输送装置的长度已达440km以上。带式输送机的单机长度已近15km,并已出现由若干台组成联系甲乙两地的“带式输送道”。不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。2)扩大输送机的使用范围。发展能在高温、低温条件下,有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的,以及能输送炽热、易爆、易结团、黏性的物料的输送机。3)使输送机的构造满足物料搬运系统自动化控制对单机提出的要求。如邮局所用的自动分拣包裹的小车式输送机,应能满足分拣动作的要求等。4)降低能量消耗以节约能源,已成为输送技术领域内科研工作的一个重要方面。已将1t物料输送1km所消耗的能量作为输送机选型的重要指标之一。5)减少各种输送机在作业时所产生的粉尘、噪声和排放的废气。6.2自动化生产线的组成自动化生产线由基本工艺设备及各种辅助装置、控制系统和工件的传输系统组成，根据产品或零件的具体情况、工艺要求、工艺过程、生产率要求和自动化程度等因素不同，自动线的结构及其复杂程度，往往有很大差别，但一般自动化生产线都由以下几个基本部分组成，如图所示。对于具体的自动化生产线，其组成并非完全相同，按照结构特点，可分为通用设备自动线、专用设备自动线、无储料装置自动线和有储料装置自动线等。常用的元器件包括传感器、开关、PLC、工控机、输送机等。6.2.1控制系统

高度自动化生产线中,能够根据实际情况实现自动开关的传感器无疑是至关重要的。在自动化生产线中常用的开关有光电开关、接近开关及行程开关等。自动化生产线中常用到的传感器有光敏传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器、超声波测距传感器、压阻式传感器、电阻式传感器、电阻应变式传感器和热电阻传感器等。1.传感器传感器就是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,如图所示。或者说是接受物理或化学变量(输入变量)形式的信息,并按一定规律将其转换成相同或其他性质的输出信号的装置。国家标准GB/T7665—2005对传感器下的定义是:能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等。人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。2.开关开关是用来接通和断开电路的元件。开关应用在各种电子设备和家用电器中。(1)光电开关1)概述。光电开关是传感器大家族中的成员,它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝),所以它可以在许多场合得到应用。采用集成电路技术和SMT(表面安装)工艺而制造的新一代光电开关器件,具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关,它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等,可非接触、无损伤地迅速控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点,而晶体管接近开关的作用距离短,不能直接检测非金属材料。但是,新型光电开关则克服了它们的上述缺点,而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。目前,这种新型的光电开关已被用于物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外,利用红外线的隐蔽性,还可在银行、仓库、商店、办公室以及其他需要的场合作为防盗警戒之用。2)光电开关的分类。①按检测方式分类:可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。②按结构分类:可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。3)光电开关的工作原理。图所示是反射式光电开关的工作原理框图。图中,由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后,由发光二极管辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时,被反射回来的光脉冲进入光敏晶体管,并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号,再经放大器放大和同步选通整形,然后用数字积分或RC积分方式排除干扰,最后经延时(或不延时)触发驱动器输出光电开关控制信号。光电开关一般都具有良好的回差特性,因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态,从而可使其保持在稳定工作区。同时,自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区,以随时监视光电开关的工作。4)光电开关的特点。MGK系列光电开关是现代微电子技术发展的产物,是HGK系列红外光电开关的升级换代产品。与以往的光电开关相比具有其显著的特点:①具有自诊断稳定工作区指示功能,可及时告知工作状态是否可靠。②对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能,安装方便。③对ES外同步(外诊断)控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否正常工作,并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令,外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化。④响应速度快,高速光电开关的响应速度可达到0.1ms,每分钟可进行30万次检测操作,能检出高速移动的微小物体。⑤采用专用集成电路和先进的SMT(表面安装)工艺,具有很高的可靠性。⑥体积小(最小仅20mm×31mm×12mm)、重量轻,安装调试简单,并具有短路保护功能。(2)接近开关1)接近开关的工作原理。接近开关是一种无须与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关,当物体接近开关的感应面到动作距离时,不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作,从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是一种开关型传感器(即无触头开关),它即有行程开关及微动开关的特性,同时具有传感性能,且动作可靠,性能稳定,频率响应快,使用寿命长,抗干扰能力强,并具有防水、防振及耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式和交及直流型。接近开关又称无触头接近开关,是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域,开关就能在无接触、无压力、无火花的情况下迅速发出电气指令,准确反映出运动机构的位置和行程,即使用于一般的行程控制,其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力,是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪声、抗振能力强等特点。因此到目前为止,接近开关的应用范围日益广泛,其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。2)接近开关的主要功能。①检验距离。检测电梯等升降设备的停止、起动、通过位置;检测车辆的位置;检测两物体的位置,防止两物体相撞;检测工作机械的设定位置和移动机械或部件的极限位置;检测回转体的停止位置和阀门的开或关位置;检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。②尺寸控制。金属板冲剪的尺寸控制装置;自动选择、鉴别金属件长度;检测自动装卸时堆物高度;检测物品的长、宽、高和体积。③检测物体是否存在。检测生产包装线上有无产品包装箱;检测有无产品零件。④转速与速度控制。控制传送带的速度;控制旋转机械的转速;与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。⑤计数及控制。检测生产线上流过的产品数;高速旋转轴或盘的转数计量;零部件计数。⑥检测异常。检测瓶盖有无;进行产品合格与不合格判断;检测包装盒内的金属制品是否缺乏;区分金属与非金属零件;进行产品有无标牌检测;起重机危险区报警;安全扶梯自动起停。⑦计量控制。产品或零件的自动计量;检测计量器、仪表的指针范围而控制数量或流量;检测浮标控制测面高度和流量;检测不锈钢桶中的铁浮标;进行仪表量程上限或下限的控制;进行流量控制和水平面控制。⑧识别对象。根据载体上的码识别是与非。⑨信息传送。ASI(总线)连接设备上各个位置上的传感器在生产线(50~100m)中的数据往返传送等。3)接近开关的分类。接近开关的作用是当某物体与接近开关接近并达到一定距离时,能发出信号。它不需要外力施加,是一种无触头式的主令电器。它的用途已远远超出行程开关所具备的行程控制及限位保护。接近开关可用于高速计数、检测金属体的存在、测速、液位控制、检测零件尺寸以及用作无触头式按钮等。①目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为以下几种类型。高频振荡型:用以检测各种金属体。电容型:用以检测各种导电或不导电的液体或固体。光电型:用以检测所有不透光物质。超声波型:用以检测不透过超声波的物质。电磁感应型:用以检测导磁或不导磁金属。②接近开关按其外形可分为圆柱形、方形、沟形、穿孔(贯通)型和分离型。圆柱形比方形安装方便,但其检测特性相同;沟形的检测部位是在槽内侧,用于检测通过槽内的物体;贯通型在我国很少生产,而日本则应用较为普遍,可用于小螺钉或滚珠之类的小零件和浮标组装成水位检测装置等。③接近开关按供电方式可分为直流型和交流型;按输出形式又可分为直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制和交流三线制。两线制接近开关。两线制接近开关安装简单,接线方便;应用比较广泛,但有残余电压和漏电流大的缺点。直流三线式接近开关。直流三线式接近开关的输出型有NPN和PNP两种。PNP输出接近开关较多应用在PLC或计算机作为控制指令;NPN输出接近开关较多应用于控制直流继电器。在实际应用中要根据电路的特性选择其输出形式。3.PLCPLC(可编程序控制器)是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。自20世纪60年代美国推出可编程序控制器(PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。同时,PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术和网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。现在,PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。可编程序控制器在问世初期被称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,最初的目的是取代继电器,执行继电器逻辑及其他计时或计数等功能的顺序控制为主,所以也称为顺序控制器,其结构也像一部微型计算机,所以也可称为微型计算机可编程序控制器(MCPC)。直到1976年,美国电机制造协会正式给予命名为ProgrammableController,即可编程序控制器,简称PC。由于目前个人计算机(PersonalComputer)极为普遍,加上常与可编程序控制器配合使用,为了区分两者。所以一般都称可编程序控制器为PLC以加以分别,目前市面上之PLC种类繁多,依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异,但是每种品牌可依机组复杂度分为大、中、小型。可编程序控制器的内部基本结构包括CPU、输入模块、输出模块三大部分。PLC的CPU会经由输入模块取得输入元件所产生的信号,再从存储器中逐一取出原先输入的控制指令,经由运算部分逻辑运算后,再将结果通过输出模块来驱动外在的输出元件。(1)PLC内部结构1)程序输入装置:负责提供操作者输入、修改、监视程序用作的功能。2)中央处理单元(CPU):负责PLC管理、执行、运算及控制等功能。3)程序存储器:负责存储使用者设计的顺序程序参数及注解等。4)数据存储器:负责存储输入、输出装置的状态及顺序程序的转换数据。5)系统存储器:存储PLC执行顺序控制所需的系统程序。6)输入回路:负责接收外部输入元件信号。7)输出回路:负责接收外部输出元件信号。(2)PLC的工作原理当PLC投入运行后,其工作过程一般分为3个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述3个阶段称为一个扫描周期。在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。1)输入采样阶段。在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O(输入/输出)映像区中的相应的单元内。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映像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。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头构成的控制电路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触头构成的控制电路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM(存储器)中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映像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映像区或系统RAM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且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。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映像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部设备。这时,才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图,其排列次序不同,执行的结果也不同。另外,采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然,如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略,那么二者之间就没有什么区别了。一般来说,PLC的扫描周期包括自诊断、通信等,即一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。(3)PLC的应用领域目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,大致可归纳为如下几类。1)开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线,如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线及电镀流水线等。2)模拟量控制。在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程序控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A-D转换及D-A转换。PLC厂家都生产配套的A-D和D-A转换模块,使可编程序控制器用于模拟量控制。3)运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人及电梯等场合。4)过程控制。过程控制是指对温度、压力及流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID(比例-积分-微分)调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理及锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5)数据处理。现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表及位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金及食品工业中的一些大型控制系统。6)通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制技术的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。4.工控机工控机(IndustrialPersonalComputer,IPC)是一种加固的增强型个人计算机,它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在20世纪80年代初期,美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机,随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。由于IPC性能可靠、软件丰富、价格低廉,因而在工控机中异军突起,后来居上,应用日趋广泛。(1)工控机的定义工控机即工业控制计算机,但现在,更时髦的叫法是产业计算机或工业计算机。工控机通俗地说就是专门为工业现场而设计的计算机。(2)主要结构1)全钢机箱。IPC的全钢机箱是按标准设计的,抗冲击,抗振动,抗电磁干扰,内部可安装同PC总线兼容的无源底板。2)无源底板。无源底板的插槽由ISA(工业标准结构)和PCI(外设部件互连标准)总线的多个插槽组成,ISA或PCI插槽的数量和位置根据实际需要有一定选择,该板为四层结构,中间两层分别为地层和电源层,这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡,包括CPU卡、显示卡、控制卡及I/O卡等。3)工业电源。为AT开关电源,平均无故障运行时间达到250000h。4)CPU卡。IPC的CPU卡有多种,根据尺寸可分为长卡和半长卡,根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII主板,用户可视自己的需要任意选配。其主要特点:工作温度为0~60℃;装有计时器;低功耗,最大为5V/2.5A。5)其他配件。IPC的其他配件基本上都与PC兼容,主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱及显示器等。(3)适用领域目前,IPC已被广泛应用于工业及人们生活的方方面面,例如,控制现场、路桥收费、医疗、环保、通信、智能交通、监控、语音、排队机、POS机、数控机床、加油机、金融、石化、物探、环保、军工、电力、铁路、高速公路、航天及地铁等。(4)工控机特点工控机通俗地说就是专门为工业现场而设计的计算机,而工业现场一般具有强烈的振动,灰尘特别多,另有很高的电磁场力干扰等特点,且一般工厂均是连续作业,即一年中一般没有休息。因此,工控机与普通计算机相比,必须具有以下特点:1)机箱采用钢结构,有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。2)机箱内有专用底板,底板上有PCI和ISA插槽。3)机箱内有专门电源,电源有较强的抗干扰能力。4)要求具有连续长时间工作能力。5)一般采用便于安装的标准机箱(4U标准机箱较为常见)。尽管工控机与普通的商用计算机相比,具有得天独厚的优势,但其劣势也是非常明显:1)配置硬盘容量小。2)数据安全低。3)存储选择性小。4)价格较高。6.2.2输送系统输送系统通常采用各种输送线，其作用一方面为自动输送工件，另一方面为将各种自动化装配专机连接成一个协调运行的系统。输送系统通常都采用连续运行的方式。1.输料装置（1）分类具有牵引件的输料装置一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。牵引件用以传递牵引力，可采用输送带、牵引链或钢丝绳；承载构件用以承放物料，有料斗、托架或吊具等；驱动装置给输料装置以动力，一般由电动机、减速器和制动器(停止器)等组成；张紧装置一般有螺杆式和重锤式两种，可使牵引件保持一定的张力和垂度，以保证输送机正常运转；支承件用以承托牵引件或承载构件，可采用托辊、滚轮等。具有牵引件的输料装置的结构特点是：被运送物料装在与牵引件连结在一起的承载构件内，或直接装在牵引件(如输送带)上，牵引件绕过各滚筒或链轮首尾相连，形成包括运送物料的有载分支和不运送物料的无载分支的闭合环路，利用牵引件的连续运动输送物料。这类的输料装置种类繁多，主要有带式输送、板式输送、小车式输送、自动扶梯、自动人行道、刮板输送、埋刮板输送、斗式输送、斗式提升、悬挂链输送和架空索道等。没有牵引件的输料装置的结构组成各不相同，用来输送物料的工作构件亦不相同。它们的结构特点是：利用工作构件的旋转运动或往复运动，或利用介质在管道中的流动使物料向前输送。例如，辊子输送机的工作构件为一系列辊子，辊子作旋转运动以输送物料；螺旋输送机的工作构件为螺旋，螺旋在料槽中作旋转运动以沿料槽推送物料；振动输送机的工作构件为料槽，料槽作往复运动以输送置于其中的物料等。（2）发展趋势输料装置的发展趋势是：1）继续向大型化发展。大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。水力输送装置的长度已达440公里以上。带式输送装置的单机长度已近15公里，并已出现由若干台组成联系甲乙两地的“带式输送道”。不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。2）扩大输送装置的使用范围。发展能在高温、低温条件下、有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性的物料的输送装置。3）使输送装置的构造满足物料搬运系统自动化控制对单机提出的要求。如邮局所用的自动分拣包裹的小车式输送装置应能满足分拣动作的要求等。4）降低能量消耗以节约能源，已成为输送技术领域内科研工作的一个重要方面。已将1吨物料输送1公里所消耗的能量作为输送装置选型的重要指标之一。5）减少各种输送装置在作业时所产生的粉尘、噪声和排放的废气。2.各种自动上下料装置由于主要的装配工序都是由各种自动化装配专机完成的，各种自动化装配专机自然也相应需要各自的自动上下料装置，应用最多的就是振盘及机械手。振盘用于自动输送小型零件，如螺钉、螺母、铆钉、小型冲压件、小型注塑件、小型压铸件等，而机械手抓取的对象更广，既可以抓取很微小的零件，也可以抓取具有一定尺寸和重量的零件。为了简化结构，在自动化专机的设计中，通常将自动上下料机械手直接设计成专机的一部分，而且通常的上下料操作只需要两个方向的运动即可实现。所以这种机械手采用配套的直线导轨机构与气缸组成上下、水平两个方向的直线运动系统，在上下运动手臂的末端假设吸盘或气动手指即可。对于某些简单的工艺操作，专机不需要将工件从输送线上移出，可以在工件在输送线上的输送过程中直接进行，例如喷码打标、条码贴标操作，这就使专机的结构大大简化；有些工艺需要使工件在静止状态下进行，这时就需要通过挡停机构使工件停留在输送线上，然后直接进行。而有些工序不仅需要工件在静止状态下进行，而且还需要一定的精度，例如激光打标操作，这时如果仅仅将工件挡停在输送线上还不够，因为输送线通常是连续运行的，在输送线的作用下工件仍然会产生轻微的抖动，需要设计气动机构将工件向上顶升一定距离，使工件脱离输送皮带或输送链板后再进行工序操作，完成工序操作后再将工件放下到输送皮带或输送链版上继续输送。6.3自动化生产线的安装与调试YL-335A型自动化生产线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。下面以YL-335A型自动化生产线为例介绍自动化生产线的安装与调试。6.3.1

YL-335A型自动化生产线概述1.YL-335A型自动化生产线的基本组成YL-335A型自动化生产线由安装在铝合金导轨式实训台上的供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元组成。其外观如图所示。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动机驱动、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。在该自动化生产线上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。传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一,是现代工业实现高度自动化的前提之一。在控制方面,采用了基于RS485串行通信的PLC网络控制方案,即每一个工作单元由一台PLC承担其控制任务,各PLC之间通过RS485串行通信实现互连的分布式控制方式。用户可根据需要选择不同厂家的PLC及其所支持的RS485通信模式,组建成一个小型的PLC网络。小型PLC网络以其结构简单,价格低廉的特点在小型自动化生产线仍然有着广泛的应用,在现代工业网络通信中仍占据相当的份额。2.基本功能1)供料单元的基本功能:按照需要将放置在料仓中待加工的工件自动送出到物料台上,以便输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往其他工作单元。2)加工单元的基本功能:把该单元物料台上的工件(工件由输送单元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,待输送单元的抓取机械手装置取出。3)装配单元的基本功能: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的装配过程。4)分拣单元的基本功能:完成将上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣,使不同颜色的工件从不同的料槽分流。5)输送单元的基本功能:该单元具有精确定位到指定单元的物料台,在物料台上抓取工件,把抓取到的工件输送到指定地点然后放下。3.特点YL-335A型自动化生产线是一套半开放式的设备,用户在一定程度上可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型,最多可由五个单元组成,最少时一个单元即可自成一个独立的控制系统。由多个单元组成的系统,其PLC网络的控制方案可以体现出自动生产线的控制特点。总的来说,此生产线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、步进电动机位置控制和变频器技术等。利用该系统,可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程。6.3.2供料单元的结构与控制1.供料单元的功能与结构组成(1)供料单元的功能供料单元是自动化生产线中的起始单元,在整个系统中,起着向系统中的其他单元提供原料的作用。具体的功能是: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,输送到其他单元上。图所示为供料单元实物的全貌。(2)供料单元的结构组成供料单元的主要结构组成包括工件推出与支承装置、工件漏斗、阀组、端子排组件、PLC、急停按钮和起动/停止按钮、走线槽、底板等。1)工件推出与支承装置及漏斗部分。该部分如图6-8所示。用于储存工件原料,并在需要时将料仓中最下层的工件推出到物料台上。它主要由大工件、装料管、推料气缸、夹紧气缸(又称顶料气缸)、磁感应接近开关及漫射式光电传感器等组成。该部分的工作原理是:工件垂直叠放在料仓中,推料气缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料仓的底部通过。当活塞杆在退回位置时,它与最下层工件处于同一水平位置,而夹紧气缸则与次下层工件处于同一水平位置。在需要将工件推出到物料台上时,首先使夹紧气缸的活塞杆推出,压住次下层工件;然后使推料气缸活塞杆推出,从而把最下层工件推到物料台上。在推料气缸返回并从料仓底部抽出后,再使夹紧气缸返回,松开次下层工件。这样,料仓中的工件在重力的作用下,就自动向下移动一个工件,为下一次推出工件做好准备。为了使气缸的动作平稳可靠,气缸的作用气口都安装了限出型气缸截流阀。气缸截流阀的作用是调节气缸的动作速度。截流阀上带有气管快速接头,只要将合适外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了,使用时十分方便。如图是安装了带快速接头的限出型气缸截流阀的气缸外观。如图所示是一个双动气缸装有两个限出型气缸节流阀的连接和调节原理示意图,当调节节流阀A时,可以调整气缸的伸出速度;而当调节节流阀B时,可以调整气缸的缩回速度。从图上可以看到,气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置,这两个极限位置都分别装有一个磁感应接近开关,其实物图如图所示。磁感应接近开关的基本工作原理是:当磁性物质接近磁感应开关中的传感器时,传感器便会动作,并输出传感器信号。若在气缸的活塞(或活塞杆)上安装上磁性物质,在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应接近开关,就可以用这两个磁感应开关中的传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。当气缸的活塞杆运动到哪一端时,哪一端的磁感应式接近开关就动作并发出电信号。在PLC的自动控制中,可以利用该信号来判断推料及夹紧气缸的运动状态或所处的位置,以确定工件是否被推出或气缸是否返回。在磁感应开关中的传感器上设置有LED显示用于显示传感器的信号状态,供调试时使用。磁感应开关中的传感器动作时,输出信号“1”,LED亮;传感器不动作时,输出信号“0”,LED不亮。磁感应接近开关的安装位置可以调整,调整方法是松开磁性开关的紧定螺钉,让磁感应接近开关在气缸的滑轨里滑动,到达指定位置后,再旋紧紧定螺钉。在底座和装料管第4层工件位置,分别安装一个漫射式光电接近开关。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。在工作时,光发射器始终发射检测光,若接近开关前方一定距离内没有物体,则没有光被反射到接收器,接近开关处于常态而不动作;反之若接近开关的前方一定距离内出现物体,只要反射回来的光强度足够,则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。如图所示为漫射式光电接近开关的工作原理示意图。由此可见,若该部分机构内没有工件,则处于底层和第4层位置的两个漫射式光电接近开关均处于常态;若仅在底层起有3个工件,则底层处光电接近开关动作而次底层处光电接近开关常态,表明工件已经快用完了。这样,料仓中有无储料或储料是否足够,就可用这两个光电接近开关的信号状态反映出来。在控制程序中,就可以利用该信号状态来判断底座和装料管中储料的情况,为实现自动控制奠定了硬件基础。被推料气缸推出的工件将落到物料台上。物料台面开有小孔,物料台下面也设有一个漫射式光电接近开关,工作时向上发出光线,从而透过小孔检测是否有工件存在,以便向系统提供本单元物料台有无工件的信号。在输送单元的控制程序中,就可以利用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。2)电磁阀组。阀组,就是将多个阀集中在一起构成的一组阀,而每个阀的功能是彼此独立的。供料单元的阀组包括两个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀,这两个阀集中安装在汇流板上,汇流板中两个排气口末端均连接了消声器。消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。阀组的组装如图所示。本单元的两个阀分别对夹紧气缸和推料气缸的气路进行控制,以改变各自的动作状态。本单元所采用的电磁阀,带手动换向、加锁钮,有锁定(LOCK)和开启(PUSH)2个位置。用螺钉旋具把加锁钮旋到在“LOCK”位置时,手控开关向下凹进去,不能进行手控操作。只有在“PUSH”位置,可用工具向下按,信号为“1”,等同于该侧的电磁信号为“1”;常态时,手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时,可以使用手控开关对阀进行控制,从而实现对相应气路的控制,以改变推料气缸等执行机构的控制,达到调试的目的。3)接线端口。接线端口采用双层接线端子排,用于集中连接本工作单元所有电磁阀、传感器等器件的电气连接线、PLC的I/O端口及直流电源。上层端子用于连接公共电源正、负极(Vcc和0V),连接片的作用是将各分散端子片进行电气短接,下层端子用于信号线的连接,固定端板是将各分散的组成部分进行横向固定,保险座内插装有2A的保险管。接线端口上的每一个端子旁都有数字标号,以说明端子的位地址。接线端口通过导轨固定在底板上。如图是本单元的接线端口外观图。(3)气动控制回路气动控制回路是本工作单元的执行机构,该执行机构的逻辑控制功能是由PLC实现的。气动控制回路的工作原理如图所示。图中1A和2A分别为推料气缸和夹紧气缸。1B1和1B2为安装在推料气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关,2B1和2B2为安装在顶料气缸的两个极限工作位置的磁感应2.供料单元的PLC控制及编程前面主要讨论的是组成供料单元的各部件(器件)。为了使工作单元按工艺要求正常运转,必须正确地编制PLC应用程序(简称编程)。(1)PLC的I/O接线本单元中,传感器信号占用7个输入点,留出1个点提供给启/停按钮作本地主令信号,则所需的PLCI/O点数为8点输入/2点输出。选用西门子S7-222主单元,共8点输入和6点继电器输出。(2)供料单元的本地控制和网络控制1)本地控制。YL-335A型自动化生产线允许各工作单元作为独立设备运行,但在供料单元中,主令信号输入点被限制为1个,如果需要有起动和停止2种主令信号,只能由软件编程实现。图6-16是由软件编程实现的用一个按钮产生起动/停止信号的程序。2)网络控制。自动化生产线着重考虑采用RS485串行通信实现的网络控制方案,系统的主令信号均从连接到输送站PLC(主站)的按钮/指示灯模块发出,经输送站PLC程序处理后,把控制要求存储到其发送缓冲区,通过调用NET—EXE子程序,向各从站发送控制要求,以实现各站的复位、起动、停止等操作。供料、加工、装配及分拣各从站单元在运行过程中的状态信号,应存储到该单元PLC规划好的数据缓冲区,等待主站单元的读取而回馈到系统,以实现整个系统的协调运行。3.供料单元的安装和调试(1)供料单元机械部分的安装步骤1)观察了解本单元结构。在实际观察结构时,不要用力扯导线、气管;不要拆卸元器件和其他装置。2)开始安装时,首先把传感器支架安装在落料支承板下方,把底座装在支承板上,然后安装两个传感器支架,把以上整体装在落料支承架上。注意底座出料口方向朝前,与挡料板方向一致,支承架的横架方向是在后面,螺钉先不要拧紧,安装气缸支承板之后再进行固定。3)先后在气缸支承板上安装两个气缸,装节流阀和推料头,最后把支承板固定在落料板支架上。4)把以上整体安装到底板上,将底板固定于工作台上,在工作台第4道、第10道槽沟安装螺钉固定。5)安装大工件装料箱(俗称料筒或料仓)。6)安装3个传感器和4个磁感应接近开关。(2)供料单元机械部分调试的注意事项1)推料位置要通过手动调整推料气缸或者挡料板位置,调整后再安装螺栓固定。否则,位置不到位将引起工件推偏。2)磁感应接近开关的安装位置可以调整,调整方法是松开磁感应接近开关的紧定螺栓,让它延着气缸滑动,在到达指定位置后,再旋紧紧定螺栓。注意夹紧气缸要把工件夹紧,行程很短,因此其上面的2个磁感应接近开关几乎靠近在一起。如果磁感应接近开关安装位置不当,会影响控制过程。3)底座及装料管安装光电接近开关,若该部分机构没有工件,光电接近开关上的指示灯不亮;若在底层起有3个工件,底层处光电接近开关亮,而第4层处光电接近开关不亮;若在底层起有4个工件或者以上,则2个光电接近开关都亮。否则,须调整光电接近开关位置或者光强度。4)物料台面开有小孔,物料台下面也设有一个光电接近开关,工作时向上发出光线,从而透过小孔检测是否有工件存在,以便向系统提供本单元物料台有无工件的信号。在输送单元的控制程序中,就可以利用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。该光电接近开关选用圆柱形的光电接近开关(MHT15-N2317型)。(3)供料单元的PLC的I/O地址分配供料单元的PLC的I/O地址分配见表6-1。(4)生产工艺流程与程序在自动连续控制模式下,在料仓中有工件,各个执行机构都在初始位置情况下,当按下启/停按钮时,供料单元执行机构的夹紧气缸的活塞杆推出,压住次下层工件,推料气缸将存放在料仓中的工件推出到挡料板。在推料气缸返回后,夹紧气缸返回,料仓中的工件下移。只要料仓中有工件,挡料板工件被取走,此工件就继续。在运行过程中,料仓中无工件或者挡料板工件没有用手取走时,停止运行;当再次按下起/停按钮时,供料单元应该在完成当前的工作循环后停止运行,并且各个执行机构应该回到初始状态。在起动前,供料单元的执行机构如果不在初始位置,料仓中无工件,不允许起动。料仓中工件少于4个时,可设计提示报警。在编写满足控制要求和安全要求的控制程序时,首先要了解设备的基本结构;其次要清楚各个执行结构之间的准确动作关系,也就是清楚生产工艺;再次要考虑安全、效率等因素;最后才是通过编程实现控制功能。(5)调试运行在编写、传输、调试程序过程中,进一步了解掌握设备调试的方法、技巧及注意点,培养严谨的作风。1)在下载、运行程序前,必须认真检查程序。在检查程序时,重点检查各个执行机构之间是否发生冲突,采用了什么样措施避免冲突,同一执行机构在不同阶段所做的动作是否区分开。2)只有在认真、全面检查程序,确认无误时,才可以运行程序并进行实际调试,不可以在不检查的情况下直接在设备上运行所编写的程序,如果程序存在问题,很容易造成设备损毁和人员伤害。3)在调试过程中,仔细观察执行机构的动作,并且做好实时记录(有动作填“1”,无动作填“0”),作为分析的依据,从而分析程序可能存在的问题。如果程序能够实现预期的控制功能,则应进行多次运行,检查运行的可靠性并进行程序优化。4)总结经验,把调试过程中遇到的问题、解决的方法记录下来。5)在运行过程中,应该时刻注意现场设备的运行情况,一旦发生执行机构相互冲突事件,应及时采取措施,如急停、切断执行机构控制信号,切断气源或切断总电源等,以避免造成设备的损毁。其他单元的调试过程与之类似,下面就不再介绍了。6.3.3加工单元的结构与控制1.加工单元的功能与结构(1)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。如图所示为加工单元实物的全貌。(2)加工单元的结构组成加工单元主要结构组成: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、急停按钮和起动/停止按钮、底板等。1)物料台及滑动机构。物料台及滑动机构如图6-18所示。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。它主要由配套手爪、气动手指、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。滑动物料台的工作原理:滑动物料台原始位置是处于物料台伸缩气缸伸出和物料台配套手爪张开的状态,当输送机构把物料送到料台上,漫射式光电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→物料台回到加工区域冲压气缸下方→冲压气缸向下伸出冲压工件→完成冲压动作后向上缩回→物料台重新伸出→到位后机械手指松开,按此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做准备。在移动料台上安装一个磁感应接近开关。若物料台上没有工件,则磁感应接近开关均处于常态;若物料台上有工件,则磁感应接近开关动作,表明物料台上已有工件,需将工件输送到加工位置进行加工。漫射式光电传感器的输出信号送到加工单元PLC的输入端,用以判别物料台上是否有工件需要进行加工;当加工过程结束,已加工工件被送回到物料台后,PLC通过通信网络把加工完成信号回馈给系统,以协调控制。2)加工(冲压)机构。加工(冲压)机构如图所示。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、安装板和铝合金支架等组成。冲压机构的工作原理:当工件到达冲压位置时,冲压气缸伸出对工件进行加工,完成加工动作后冲压气缸缩回,为下一次冲压做准备。冲压头根据工件的要求对工件进行冲压加工,冲压头安装在冲压气缸头部。冲压台用于安装冲压气缸,对冲压气缸进行固定。3)电磁阀组。加工单元的手爪、物料台伸缩气缸和冲压气缸均用三个二位五通的带手控开关的单电控电磁阀控制,三个控制阀集中安装在带有消声器的汇流板上,如图所示。由于冲压气缸对气体的压力和流量要求比较高,故冲压气缸的配套气管较粗。这三个阀分别对冲压气缸、物料台手爪气缸和物料台伸缩气缸的气路进行控制,以改变各自的动作状态。电磁阀所带手控开关有锁定(LOCK)和开启(PUSH)两种位置。在进行设备调试时,使手控开关处于开启位置,可以使用手控开关对阀进行控制,从而实现对相应气路的控制,以改变对冲压气缸等执行机构的控制,达到调试的目的。4)接线端口。如图是加工单元的接线端口外观图。(3)气动控制回路本工作单元气动控制回路的工作原理如图所示。1B1和1B2为安装在冲压气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关,2B1和2B2为安装在物料台伸缩气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关,3B1和3B2为安装在手爪气缸工作位置的磁感应接近开关。1Y1、2Y1和3Y1分别为控制冲压气缸、物料台伸缩气缸和物料夹紧气缸的电磁阀的电磁控制端。从图6-22可以看到,当气源接通时,物料台伸缩气缸的初始状态是在伸出位置。这一点,在进行气路安装时应予注意。2.加工单元的PLC控制及编程(1)PLC的I/O接线本单元中,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,则所需的PLCI/O点数为8点输入/3点输出,故选用西门子S7-222AC/DC/RLY主单元,共8点输入和6点继电器输出。(2)加工单元的编程要点1)在加工单元中,提供起动/停止按钮和急停按钮各一个作为该单元的主令信号。如果需要有起动和停止两种主令信号,则只能由软件编程实现,实现方法与供料单元同样,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。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工件后,按照“机械手指夹紧工件→物料台回到加工区域冲压气缸下方→冲压气缸向下伸出冲压工件→完成冲压动作后向上缩回→物料台重新伸出→到位后机械手指松开”的顺序完成工件加工,并向系统发出加工完成信号。读者可按上述工艺要求编写PLC程序。这里假设该单元用本地控制,按一下启/停按钮,单元起动,按上述顺序工作;再按一下启/停按钮,发出停止工作信号,加工单元在完成本周期的动作后停止工作,即使物料台的物料检测传感器检测到工件,也不再运行。3.加工单元安装与调试(1)加工单元机械部分的安装步骤1)对安装好的实物进行观察,培养自己的观察能力。例如,在观察气动控制回路的组成情况时,可通过观察到有无节流阀、气缸的进排气推断气动控制回路;通过手动操作控制阀,控制气缸动作,观察执行机构的动作特征;认识所使用的传感器的类型、安装位置、作用及其与PLC的接口地址;查明PLC的接口地址和输入/输出控制信号。2)在工作台上,先安装支架,再安装上下气缸的安装板,然后安装气阀安装板。3)将导轨固定在导轨滑板上后,再按顺序安装前后气缸、气爪、气缸支架后,整体连接到气缸滑块上,最后将传感器安装板安装到气爪气缸上。(2)调试注意点1)导轨一定要灵活,否则必须调整导轨固定螺钉或滑板固定螺钉。2)气缸位置要安装正确,否则必须进行调整。3)传感器位置和灵敏度要调整正确,以免产生误动作。(3)加工单元的PLC的I/O地址分配加工单元的PLC的I/O地址分配见表6-2。6.3.4装配单元的结构与控制1.装配单元的结构(1)装配单元的功能装配单元是将该生产线中分散的两种物料进行装配的过程。主要是通过对自身物料仓库的物料按生产需要进行分配,并使用机械手将其插入来自加工单元的物料中心孔的过程。装配单元总装实物如图所示。竖直的简易物料仓库中的物料在重力作用下自动下落,通过两导杆气缸的共同作用,分别对底层相邻两物料夹紧与松开,完成对连续下落的物料的分配,被分配的物料按指定的路径落入由气动摆台构成的物料位置转换装置,由气动摆台完成180°位置变换后,由前后导杆气缸和气动手指所组成的机械手夹持后位移,并插入已定位的半成品工件中。(2)装配单元的结构组成由于装配单元不仅要完成对分散物料的装配过程,而且配有自身的物料仓库,因此它的结构组成包括:简易物料仓库,物料分配机构,被分配物料位置变换机构,机械手,半成品工件的定位机构,气动系统及其阀组,信号采集及其自动控制系统,用于电气连接的端子排组件,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他附件。1)简易物料仓库。简易物料仓库是由塑料圆棒加工而成,它直接插装在物料分配机构的底座连接孔中,并在顶端放置加强金属环,用以防止空心塑料圆柱的破损。物料竖直放入料仓的空心圆柱内,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。为了能对料仓缺料时即时报警,在料仓的外部安装漫反射式光电传感器,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,如图所示。简易物料仓库中的物料外形一致,颜色分为黑色和白色。2)物料分配机构。它的动作过程是由上下安装水平动作的两直线气缸在PLC的控制下完成的。当供气压力达到规定气压后,打开气路阀门,此时分配机构底部气缸在单电控电磁阀的作用下,恢复到初始状态,即该气缸活塞杆伸出,因重力下落的物料被阻挡,系统上电并正常运行后,当位置变换机构料盘旁的光电传感器检测到位置变换机构需要物料时,物料分配机构中的上部气缸在电磁阀的作用下活塞杆伸出,将与之对应的物料夹紧,使其不能下落,底部气缸活塞杆缩回,物料掉入位置变换机构的料盘中,底部气缸复位伸出,上部的气缸缩回,物料连续下落,为下一次分料做好准备。在两直线气缸上均装有检测活塞杆伸出与缩回到位的磁感应接近开关,用于动作到位检测,当系统正常工作并检测到活塞磁钢的时候,磁感应接近开关的红色指示灯点亮,并将检测到的信号传送给控制系统的PLC。物料分配机构的底部装有用于检测有无物料的光电传感器,使控制过程更准确可靠。3)物料位置变换机构。该机构由气动摆台和料盘构成,气动摆台驱动料盘旋转180°,并将摆动到位信号通过磁感应接近开关传送给PLC,在PLC的控制下,实现有序、往复循环动作,如图所示。4)机械手。机械手是整个装配单元的核心,变换机构有物料的信号传送至PLC,在半成品工件定位机构传感器检测到该机构有工件的情况下,机械手从初始状态执行装配操作过程。机械手外形如图所示。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,磁感应接近开关检测到下移到位后,气动手指驱动手爪夹紧物料,并将夹紧信号通过磁感应接近开关传送给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,离开位置变换机构的料盘,提升到最高位后,水平移动气缸在与之对应的换向阀的驱动下,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感应接近开关,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)半成品工件的定位机构。输送单元运送来的半成品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,如图所示。6)电磁阀组就是将多个阀集中在一起构成的一组阀,而每个阀的功能是彼此独立的。装配单元的阀组由6个二位五通单电控电磁换向阀组成,如图所示。这些阀分别对物料分配、位置变换和装配动作气路进行控制,以改变各自的动作状态。(3)气动控制回路(如图所示)1)警示灯。本工作单元上安装有红、黄、绿三色警示灯,但它是作为整个系统警示用的。警示灯有六根引出线,其中并在一起的两根粗线是电源线(红线接“+24V”,黑红双色线接“GND”),其余四根是信号控制线(棕色线为控制信号公共端,如果将控制信号线中的红色线和棕色线接通,则红灯亮;将控制信号线中的绿色线和棕色线接通,则绿灯亮;将控制信号线中的黄色线和棕色线接通,则黄灯亮)。2)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0°~180°之间任意可调,而且可以安装磁感应接近开关,检测旋转到位信号,多用于方向和位置需要变换的机构,如图所示。3)导杆气缸。该气缸由直线运动气缸带双导杆和其他附件组成。其外形如图所示。安装支架用于导杆导向件的安装和导杆气缸整体的固定,连接件安装板用于固定其他需要连接到该导杆气缸上的物件,并将两导杆和直线气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,活塞被驱动做直线运动,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,从而实现导杆气缸的整体功能。安装在导杆末端的行程调整板用于调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。2.装配单元的PLC控制及编程装配单元的控制过程均为逻辑控制,编程时不仅要注意网络数据的读取与写入,更要理清输入继电器与输出继电器之间的逻辑关系。让整个装配单元的动作过程稳定可靠,逻辑严谨,与其他单元的配合井然有序,满足该自动生产线的需要。3.装配单元安装和调试(1)装配单元机械部分的安装步骤1)仔细观察实物。2)在工作台上,先安装支架,在支架上安装小工件投料机构安装板后,安装物料仓库。3)把3个气缸安装成一体后,整体安装到支架上。4)把回转台安装在旋转气缸上后,整体安装到旋转气缸底板上。5)把以上整体装在底板上。(2)装配单元机械部分安装调试时的注意事项1)铝型材要对齐。2)导轨气缸行程要调整恰当。3)气动摆台要调整到180°,并且与回转物料台平行。4)挡料气缸和夹紧气缸位置要适当。5)传感器位置与灵敏度调整适当。(3)装配单元的PLC的I/O地址分配装配单元的PLC的I/O地址分配见表6-3。6.3.5分拣单元的结构与控制1.分拣单元的结构(1)分拣单元的功能分拣单元是自动化生产线中的最末单元,完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣,使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。当输送站送来工件放到传送带上并被入料口光电传感器检测到时,即起动变频器,工件开始送入分拣区进行分拣。如图所示为分拣单元实物的全貌。(2)分拣单元的结构组成分拣单元的主要结构组成:传送和分拣机构,传动机构,变频器模块,电磁阀组,接线端口,PLC模块,底板等。1)传送和分拣机构。传送和分拣机构如图所示。传送已经加工、装配好的工件,在光纤传感器检测到并进行分拣。它主要由传送带、料斗、物料槽、推料(分拣)气缸、漫射式光电传感器、光纤传感器、磁感应接近式传感器组成。传送带是把机械手输送过来加工好的工件进行传输,输送至分拣区。料斗是用于纠偏机械手输送过来的工件。两条物料槽分别用于存放加工好的黑色工件和白色工件。传送和分拣的工作原理:本站的功能是对从装配站送来的装配好的工件进行分拣。当输送站送来工件放到传送带上并被入料口漫射式光电传感器检测到时,将信号传输给PLC,通过PLC的程序起动变频器,电动机运转驱动传送带工作,把工件带进分拣区,如果进入分拣区的工件为白色,则检测白色物料的光纤传感器动作,作为1号槽推料气缸的起动信号,将白色料推到1号槽里;如果进入分拣区的工件为黑色,则检测黑色的光纤传感器作为2号槽推料气缸起动信号,将黑色料推到2号槽里。自动生产线的加工结束。在每个料槽的对面都装有推料(分拣)气缸,把分拣出的工件推到对号的料槽中。在两个推料(分拣)气缸的前极限位置分别装有磁感应接近开关,PLC的自动控制可根据该信号来判别分拣气缸当前所处位置。当推料(分拣)气缸将物料推出时磁感应接近开关动作输出信号为“1”,反之,输出信号为“0”。为了准确且平稳地把工件从滑槽中间推出,需要仔细地调整两个分拣气缸的位置和气缸活塞杆的伸出速度。在传送带入料口位置装有漫射式光电传感器,用以检测是否有工件输送过来进行分拣。当有工件时,漫射式光电传感器将信号传输给PLC,用户PLC程序输出起动变频器信号,从而驱动三相电动机起动,将工件输送至分拣区。在传送带上方分别装有两个光纤传感器如图所示,光纤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。