基于Automate200设备培训方案设计及实现毕业设计论文Word格式.docx
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近十年来，世界主流生产企业正逐年加大员工设备培训的投资比例，国外每名员工平均每年接受培训1-2次，大约是中国的10倍。
而在我国，只有5%左右的企业（大多数是国企，外资企业）愿意加强员工的相关培训经费投入。
主要生产企业对员工培训的认知度不高，甚至有些企业根本没有系统的员工培训培养方案，只要求员工能够生产。
这就造成许多员工生产素质低下，积极性差，生产效率不高，带来企业效益逐年下滑。
1.3研究目标和内容
本论文以实际工厂化生产过程中的设备培训为标准，旨在论述工厂化条件下对员工进行初级的设备培训和设备操作及人员管理规范。
论文将以Automate-200这套设备为研究平台，简述设备原理、结构和功能，根据自动化及设备管理相关理论向操作者详细阐述如何进行设备规范化的使用，人机的协调分配以及设备的日常管理和维护，研究出一套适合于生产实际的最有效的设备培训方案和管理方法。
第2章AUTOMATE-200系统基础
2.1系统概述
如图2-1所示，Automate-200系统是由SMC公司为满足在教育产业和工程制造领域日益增长的技术需求所设计的一套国际标准化的自动化培训设备。
SMC的Automate-200系统的所有的部件均为工业级构件，让受训者参与的项目具有真实的工业上的应用。
受训者将在学术（数学、物理……）理论和技能（组装、分析、故障排除、编程……）两大领域得到充分的发展。
此系统能够让学生以一种轻松直观的方式全面的了解到在气缸、传感器、电机、可编程逻辑控制器（PLC）等专业领域的一些理论技术，着重培养受训者如何组装自动化的生产平台，如何运行各种各样的可以真实实现自动化生产的应用程序以及如何对日常生产设备正确地进行使用、调试和维护。
图2-1Automate-200系统全图
Automate-200系统是对一个固体规则物料分类循环工厂的模拟。
系统中未加工的物料按不同颜色（黑色/白色）、不同材质（塑料/金属）、不同形状（有/没有孔）来分类，在整个过程的最后一步，零件被分别储存到固定容器中。
系统被分为由许多的气缸、传感器、电机等组件构成的功能块和控制模块，其中包括垂直供料块、物料检测块、传送推进块、性状检测块、旋转机械手、物料分类块、仓储、控制面板模块和可编程逻辑控制器（PLC）模块。
系统的完全模块化设计使实现设备的多种多样的工作方式成为可能，允许AUTOMATE-200建立一系列不同的结构，演示不同的过程。
在整个系统中，一些部件可以合并成更加复杂的系统，也可以进行不同团队间的性能设计和编程方面的演示，鼓励发展良好的团队协作能力。
本系统可采用PLC控制和逻辑线控制两种工作方式。
PLC控制方式主要采用自动和手动两种工作模式。
在自动模式时，当“开始”按钮按下时，系统将自动完成一个工作循环。
在手动模式时，整个工作循环是一步一步执行的。
为了完成一整个工作循环，每一个动作都需要按下“开始”按钮才能完成。
2.2系统基本结构及原理
AUTOMATE-200系统中包含基板上六个功能块和两大控制模块。
系统中，两大控制模块分别被独立出来，所有的功能块都被安放在由铝合金嵌板做成可扩展的基础板上。
三个组要部分可以通过电线和连接器连接使用，实现具有实际功能的自动化生产线。
2.2.1功能块
AUTOMATE-200设备基础板上包含以下六个功能块：
图2-2垂直供料模块图2-3物料检测模块
图2-4性状检测模块
图2-5传送推进模块
图2-6旋转机械手图2-7分类仓储模块
基础板上的六个功能块主要由以下基本结构元件组成：
1.传感器
传感器（Transducer/Sensor）是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感应（或响应）与检测功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。
当然,这里的信息的形式应包括电量或非电量的。
传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以结构、组成差异很大。
但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还加上辅助电源。
其框架图如图2-1所示：
标准信号
基本转换电路
敏感元件
转换元件
辅助电路
图2-8传感器组成框图
敏感元件（sensingelement）是指传感器中能直接感受（或响应），并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。
转换元件（transductionelement）是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分。
测量电路（measuringcircuit）又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行进辅助电路通常包括电源、即交、直流供电系统。
通常，传感器输出的信号一般都很弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式，随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。
表征传感器特性的参数主要有：
线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移、分辨率、阈值等。
（1）线性度：
指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。
定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。
（2）灵敏度：
灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。
其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。
（3）迟滞：
传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。
对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号的大小不相等，这个不相等的差值称为迟滞差值。
（4）重复性：
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线的一致性程度。
（5）漂移：
传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间产生的变化，这种现象称之为漂移。
产生漂移的原因有两个方面：
一是传感器自身结构参数发生变化；
二是周围环境（如温度、湿度等）导致传感器特性发生变化。
（6）分辨率：
当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。
（7）阈值：
当传感器的输入从零值开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入值称传感器的输入阈值，是传感器能测量到的最小信号。
AUTOMATE-200系统中主要应用以下5种传感器，分别是电感式传感器、光电传感器、光纤传感器、真空开关、磁簧开关。
图2-8电感传感器图2-9光电传感器
图2-10光纤传感器器
图2-11真空开关
图2-12两种型号磁簧开关
2.气缸
气缸（cylinder）是一种引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。
气缸主要包括用在发动机中将燃烧的热能转换为机械能的气缸和工业机械中将压缩空气转换为机械能的气缸两种。
涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称为气缸。
气缸的基本构造如下：
（1）缸筒：
一般缸筒内表面的粗糙度应达Ra0.8μm，对于钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减少摩擦阻力和磨损。
其材质除了高碳钢外，还使用高强度铝合金、黄铜和不锈钢管。
（2）端盖：
端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。
杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。
通常端盖过去常用可段铸铁，现常用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材质的。
（3）导向套：
提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸的使用寿命。
通常使用烧结含油合金、铅青铜铸件。
（4）活塞：
活塞是受压力零件，活塞上设有密封圈、耐磨环。
耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力，通常材料使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材质。
活塞的材质通常用铝合金和铸铁，小型缸有用黄铜制成的。
（5）活塞杆：
通常使用高碳钢、表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，提高密封圈的耐磨性。
气缸是在传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。
气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类。
做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。
（1）单作用气缸：
仅从活塞一侧供气产生气压，产生的气压将活塞推出后，靠弹簧或自重返回。
（2）双作用气缸：
从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向产生推力或拉力。
（3）膜片式气缸：
用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。
它的密封性好，体积小，但行程较短。
（4）冲击气缸：
这是一种新型元件。
它依靠把压缩气体的压力能转换为活塞高速（10～20米/秒）运动的动能来做功。
冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。
中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三个腔。
它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。
（5）摆动气缸：
做往复摆动的气缸，由叶片将内腔一分为二，向两腔交替供气，输出轴做摆动运动，摆动角一般小于280°
。
此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。
在本系统中，我们所应用的气缸主要是单缸双作用气缸、双联双作用气缸和叶片式双作用摆动气缸三种。
（1）单缸双作用气缸。
如图2-13所示，双作用气缸执行气缸的动作和复位，是靠红色和蓝色两根供气管的交替供气实现的。
在气缸上同时有二根管子，当红色管口进气，蓝色管口出气时，气压力驱动活塞，克服摩擦力，活塞杆伸出，推动物体出去；
反之，气压力使得活塞杆收回，完成复位动作。
活塞杆二端固定，气缸的缸筒随工作台运动，刚性增强，导向性好。
图2-13单缸双作用气缸
（2）双联双作用气缸。
如图2-14所示，双作用气缸是将两个单杆气缸并联成一体，用于有导向要求的搬送动作。
能够承受较大的横向力矩和负载。
如图2-14所示，该缸有两个进气口，两个排气口。
使用时，根据需要，可堵死一个进气口。
两缸并联，比单缸的推力大一倍。
端板将两活塞杆连成一体，故活塞杆回转精度较高。
由于活塞杆的支撑部分比较长，故能承受一定的横向负载。
两个活塞杆，使承载均匀，动作平滑，寿命长。
在安装缸体时，在其顶面、底面或侧面都使用了螺钉固定，同时磁性开关安装在缸体沟槽内，既节约空间，又美观。
图2-14双联气缸
在系统分类存储模块中还大量使用两个双活塞杆气缸串联形式，使位置精度更高，如图2-15所示。
图2-15双联气缸串联形式
（3）叶片式双作用摆动气缸。
如图2-16所示，叶片式双作用摆动气缸是用内部止动块或外部挡块来改变其摆动角度，止动块与缸体固定在一起，叶片与转轴连在一起。
气压作用在叶片上，带动转轴回转，并输出力矩.
图2-16叶片式双作用摆动气缸
3.直流电机
如图2-17所示，直流电机（directcurrentmachine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。
它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；
作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
图2-17直流电机
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
直流无刷电机的控制原理。
要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器（inverter）中功率晶体管的顺序，inverter中之AH、BH、CH（这些称为上臂功率晶体管）及AL、BL、CL（这些称为下臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。
当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管（或只开下臂功率晶体管）；
要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
在Automate-200系统中使用双向24V直流电机完成带动传送带，运送物料，构成长距离传送，如图2-18所示。
图2-18长距离传送平台
4.真空发生器
如图2-19所示，真空发生器是利用压缩空气的流动而形成一定真空度的气动元件。
在本台系统中我们所用的真空发生器是直通型真空发生器。
它的原理是利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定的真空度。
图2-19真空发生器
5.单向节流阀、管道及管接头
单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，故常称为速度控制阀。
SMC速度控制阀在SMC气动元件产品的整个生产体系中有着不可或缺的作用，空气和流体等介质的进出排气孔的流量以及速度都是由SMC速度控制阀来控制盒操纵的。
Automate-200使用AS系列弯头型带快换接的速度控制阀，如图2-20所示。
本阀直接安装在气缸上，因此可节省接头和配管，节省工时，降低成本。
由于采用饺接结构，安装后，配管方向可自由设定，节流阀带有锁紧机构。
图2-20气体速度控制阀
在气动装置中，连接各种元件的管道采用聚酯软管，经济、轻便、拆装方便、易剪断，摩擦阻力小，弯曲半径小，适合狭窄空间使用。
系统采用快换接头，连接牢固、不漏气、装拆快速方便、流动阻力小。
插拔方法：
插管子时，只需要将连接管插到底便能连接牢固；
拔管子时，先用手将释放套均匀向里推到底，使弹簧夹头张开，管子便可拔出。
注意：
我们使用管接头时，必须保证把管子插到底，否则可能漏气。
2.2.2主控制面板模块
主控制面板模块由空气处理单元、控制按钮、各功能块气体连接部分、主连接头及开关、两组电磁阀、跳线（快速连接终端）等部件组成。
如图2-21所示,该模块是AOTOMATE-200系统的控制核心，是实现电气控制的枢纽，并为设备的人工控制和系统检测提供了良好平台。
图2-21主控制面板模块
1.空气处理单元
如图所示，空气处理单元主要包括空气过滤器、减压阀和油雾器。
此装置主要用于将较高的进口压力，调节并降低到符合使用要求的出口压力，并保证调节后出口压力稳定在0.4MPa;
清除压缩空气中的水分、油分及杂质等，以得到清洁干燥的压缩空气。
利用手轮直接调节调压弹簧的压缩量来改变阀的出口压力的阀，称为直动式减压阀。
图2-22空气处理单元
使用方法：
把压力P1降到合适的工作压力0.4MPa，压力P1可以通过固定在调压阀上的压力表调节。
在调节压力之前，需要把调压阀旋钮向上拔起，以便能够转动按钮，顺时针旋转调压旋钮，使压力P1减小到0.4MPa，压力设定好之后，压力调压按钮，即可实现锁定。
2.电磁阀
电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件。
电磁阀主要的控制方式是继电器控制。
电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，常用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。
电磁阀里有密闭的腔，在不同的位置开有通孔，每个孔连接不同的管道，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电活塞就会被吸引到哪边，通过控制活塞的移动来开启或关闭不同的通孔，而进孔是常开的，介质就会流向不同的管道，然后通过介质的压力来推动后续部分的机械装置。
这样就可以通过控制电流的通断去控制机械运动。
电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀，安全阀，方向控制阀，速度调节阀等。
电磁阀除单体形式的阀外，还有将多个电磁阀集中装在一起的形式，称为集装阀。
集装阀可以有集装板，也可以没有集装板（又称为盒式集装式）。
对集装板而言，可以是整块式集装板，也可以是由多个集装块组合起来的组合式集装板。
Automate-200系统中,其单个电磁阀属于自保持型分步直动式电磁阀，整体运用的是无集装板的盒式组合式集装阀，它是将相同阀体的空气通路直接连接下去的集装形式，如图2-23所示。
图2-23无集装板的盒式组合式集装阀
其主要特点是：
（1）外漏堵绝，内漏易控，使用安全；
内外泄漏是危及安全的要素。
其它自控阀通常将阀杆伸出，由电动、气动、液动执行机构控制阀芯的转动或移动。
这都要解决长期动作阀杆动密封的外泄漏难题；
唯有电磁阀是用电磁力作用于密封在电动调节阀隔磁套管内的铁芯完成，不存在动密封，所以外漏易堵绝。
电磁阀的结构形式决定其容易控制内泄漏。
所以，电磁阀使用特别安全，尤其适用于腐蚀性、有毒或高低温的介质。
（2）结构简单，易控制，价格低；
电磁阀本身结构简单，价格也低，比起调节阀等其它种类执行器易于安装维护。
由于电磁阀是开关信号控制，与工控计算机连接方便。
（3）动作快，功耗低，尺寸小；
电磁阀响应时间可以短至几个毫秒，即使是先导式电磁阀也可以控制在几十毫秒内。
由于自成回路，比其它自控阀反应更灵敏。
设计得当的电磁阀线圈功耗很低，属节能产品；
还可做到只需触发动作，自动保持阀位，平时不耗电，只在动作时耗电。
电磁阀外形尺寸小，节省安装空间。
（4）开度可调与手动兼容；
电磁阀在使用时常常还希望它兼具手动功能，作为停电或故障时备用。
一般手动装置只能手动开阀或手动关阀，二者齐备的称完全手动。
手动装置还能对阀门开度进行预置，一般手动只能对阀的最大或最小开度进行预置，而完全手动能分别对最大或最小开度进行预置。
3.消声器
众所周知，设备在实际生产过程中会产生很多噪声。
噪声有机械性噪声、电磁性噪声和气动力噪声。
由固体震动产生的噪声为机械性噪声。
在电磁线圈中，由于交流电所引起的动铁心振动，为电磁性噪声。
当气体流动时出现涡流或压力发生突变，引起气体的振动，为气动力噪声。
气缸排气侧的压缩空气，通常是经换向阀的排气口排入大气口。
由于余压较高，最大排气速度在声速附近，空气急剧膨胀，引起气体的振动，就产生了强烈的排气噪声，所以在在Automate-200系统中，距离电磁阀附近安装有消声器，如图2-24所示。
图2-24消声器
消声器是安装在空气动力设备的气流通道上或进、排气系统中的降低噪声的装置。
消声器能够阻挡声波的传播，允许气流通过，是控制噪声的有效工具。
好的消声性能是指在产生的噪声频率范围内，有足够大的消声量。
它可以分为吸收型和膨胀干涉型，在这台设备中我们所用到的为吸收型，它让压缩空气通过多孔的吸声材料，靠气流流动摩擦生热，使气体的压力能部分转化为热能，从而减少排气噪声。
吸收型消声器具有良好的消除中、高频噪声的性能。
一般可降低噪声25dB以上。
吸收材料大多使用的是聚氯乙烯纤维、玻璃纤维烧、烧结铜珠等。
所用的系列为快换接头型（AN203-KM），插杆为ADC（铝合金），消声材料为PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）和PVF（聚乙烯醇缩甲醛）。
流速是在进口压力0.4MPa的流量。
2.2.3PLC控制模块
PLC控制模块包括PLC（可编程逻辑器件）、必须的连线，主信号线等。
图2-25PLC控制模块
1.PLC可编程逻辑控制器
PLC（ProgrammableLogicController）可编程逻辑控制器，是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置,主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。
PLC在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字或模拟式的输入、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及其有关的外围设备都是按照易于扩展的原则设计的，所以易于与各种工业控制系统组合为一个整体。
PLC程序运行的过程分为以下三个阶段，分别为：
（1）输入采样阶段
在这一阶段中，PLC以扫描的方式读入所有输入端输入的信号，并将各输入端的状态存入对应的输入寄存器中。
此时，输入寄存器被刷断。
在程序执行阶段和输出刷新阶段中，输入寄存器与外界隔离其内容保持不变，直至下一个扫描周期的输入扫描阶段才被重新读入的输入信号刷新。
因此，PLC在执行程序和处理数据时，并不直接使用当时现场的输入信号，而使用的是本次采样时输入寄存器中的数据。
一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，否则可能会造成信号的丢失。
（2）程序执行阶段
在执行用户程序过程中，PLC按照梯形图程序规则进行扫描，一般情况下PLC按从左至右、从上到下的步骤逐行执行程序。
如遇到程序跳转指令，则根据跳转条件来决定程序跳转。
程序执行过程中，当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入寄存器中读入对应输入端状态，从输出寄存器读入对应元件（“软继电器”）的当前状态。
然后进行相应的运算，运算结果再存入输出寄存器中。
对输出寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而变化。
（3）输出刷新阶段
程序执行阶段的运算结果被存入输出寄存器，而不是送到输出端口上。
在输出刷新阶段，PLC将输出寄存器中的变量送入输出锁存器，然后由锁存器通过输出模块产生本周期的输出。
如果内部输出寄存器的状态为“1”，则输出继电器触点闭合，经过输出端驱动外部负载。
全部输出设备的状态要保持至少一个扫描周期。
PLC的基本结构包括电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、通信模块五大部分。
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