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2.2供料单元的结构组成4

2.3进料模块和物料台5

2.4料仓的选择6

第三章气动元件设计6

3.1气动技术概况6

3.2气动元件简介7

3.3供料单元气动元件设计7

3.3.1气动控制回路设计7

3.3.2气缸的选择8

3.3.3电磁阀的分类及选用8

3.3.4节流阀的选择10

第四章传感器的设计与选择11

4.1传感器的介绍11

第五章PLC与触摸屏的设计14

5.1西门子S7-PLC介绍14

5.2供料站的工艺流程14

5.3PLC的设计15

5.4PLC程序的编写16

5.4.1供料单元PLC主程序17

5.4.2供料控制PLC程序20

5.4.3状态指示PLC程序23

5.5遇到的问题及解决方案25

第一章任务描述

1.1自动机与自动线

自动线能实现产品生产过程自动化的一种机器体系。

即通过采用一套能自动进行加工、检测、装卸、运输的机器设备，组成高度连续的、完全自动化的生产线，来实现产品的生产。

是在连续流水线基础上进一步发展形成的，是一种先进的生产组织形式。

它的发展趋势是：

提高可调性，扩大工艺范围，提高加工精度和自动化程度，同计算机结合实现整体自动化车间与自动化工厂。

自动机一般具有以下五个系统：

（1）驱动系统,它是自动机的动力来源，可以是电动机驱动、液压驱动、气压驱动等。

（2）传动系统，它的功能是将动力和运动传递给各执行机构或辅助机构。

（3）执行机构，它是实现自动化操作与辅助操作的系统。

（4）检测系统，它的功能是对自动机动作的位置、行程、速度、力及介质的压力、流量进行检测并反馈给控制系统。

（5）控制系统，它的功能是控制自动机的驱动系统、传动系统、执行机构，将运动分配给各机构，使它们按时间、顺序协调工作，由此实现自动机的工艺职能，完成自动化生产。

品种多，生产率高，自动化程度高，结构和动作复杂以及震动问题突出。

自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。

机械制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线，也有包括不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合自动线。

切削加工自动线在机械制造业中发展最快、应用最广。

主要有：

用于加工箱体、壳体、杂类等零件的组合机床自动线；

用于加工轴类、盘环类等零件的，由通用、专门化或专用自动机床组成的自动线；

旋转体加工自动线；

用于加工工序简单小型零件的转子自动线等。

1.4亚龙YL-335B

现代化的自动生产设备（自动生产线）的最大特点是它的综合性和系统性，在这里，机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；

而系统性指的是，生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。

可编程序控制器（PLC）以其高抗干扰能力、高可靠性、高性能价格比且编程简单而广泛地应用在现代化的自动生产设备中，担负着生产线的大脑——微处理单元的角色。

因此，培养掌握机电一体化技术，掌握PLC技术及PLC网络技术的技术人材是当务之急。

亚龙YL-335B型自动生产线实训考核装备在铝合金导轨式实训台上安装送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进（伺服）电机位置控制等技术。

系统的控制方式采用每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。

因此，YL-335B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、步进电机位置控制和变频器技术等。

利用YL-335B，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学习者得到一个非常接近于实际的教学设备环境，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。

YL-335B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，达到模拟生产性功能和整合学习功能的目标，十分适合教学实训考核或技能竞赛的需要。

1.5供料单元的动作过程

工件垂直叠放在料仓中，推料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压住次下层工件；

然后使推料气缸活塞杆推出推到物料台上。

在推料气缸返回并从料仓底部抽出后缸返回，松开次下层工件。

这样就自动向下移动一个工件，为下一次推出工件做好准备推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处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，然后使推料气缸活塞杆推出，从而把最下层工件在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气这样，料仓中的工件在重力的作用下，为下一次推出工件做好准备。

在底座和装料管第4层工件位置层工件位置，分别安装一个漫射式光电开关。

它们的功能是检测料仓中有无储料或储料是否足够。

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第4层处光电接近开关常态

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。

推料缸把工件推出到物料台上推料缸把工件推出到物料台上。

物料台面开有小孔，物料台下面设有一个园柱形漫射式光电接近开关台下面设有一个园柱形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。

图1.1缺少供料单元的YL-335B图

任务描述：

由上图可知，全套自动线中缺少物料进给装置，我们小组的任务就是设计出能够运行供料单元的PLC以及触摸屏的设置。

第二章供料单元机械结构部分设计

2.1供料单元的元件认知

供料单元是YL-335A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。

如图2.1所示为供料单元实物的全貌。

图2.1供料单元实物的全貌

2.2供料单元的结构组成

供料单元的结构组成如图1.2所示。

供料单元的主要结构组成为：

工件装料管，工件推出装置，支撑架，阀组，端子排组件，PLC，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。

图2.2供料单元的主要结构

2.3进料模块和物料台

图2.3进料模块和物料台

该部分的工作原理是：

工件垂直叠放在料仓中，推料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。

在底料和装料管第四层工件位置，分别安装料了一个漫反射式光电开关。

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第4层处光电接近开关常态，表明工件已经快用完了。

推料缸把工件推出到物料台上。

物料台面开有小孔，物料台下面设有一个园柱形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。

2.4料仓的选择

料仓在料仓式供料装置中起储料和送料两方面的作用，其主要形式有管式、槽式和斗式三种。

管式和槽式的储量较小，斗式的储量较大，选用时可根据物品的形状、尺寸大小和加工时的要求来决定。

由于待加工工件是圆柱形工件，工件数量也不多，所以料仓选择是圆柱直管，为了便于观察工件，料仓为透明塑料材质。

管式料仓是一种简单而方便的形式，它占的空间小且靠物品的自重送料，所以安装时可不受地点的限制而设置在任何地方。

对于加工周期较长的物品，可采用直立式管。

在设计或选用管子时，应使料管内径大于工件外径1/10～1/50，弯曲管道的最小曲率半径要保证不卡住工件。

另外，直径较大的管式料仓，可在管壁开有观察槽，以观察工件下落的情况，以及排除卡住、挤塞等故障。

第三章气动元件设计

3.1气动技术概况

气动（PNEUMATIC）是“气动技术”或“气压传动与控制”的简称.气动技术是以空气压缩机为动力源,以压缩空气为工作介质,进行能量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制,自动控制的重要手段。

3.2气动元件简介

　气动元件被用于工厂自动化、机械制造厂和其他工业应用程序。

它们在较低的功率输出条件下就可以运行，不需要大量的功率。

相比较液压系统它比较便宜，且不需要长期维护，也不需要将花费用在压力调节系统装置上。

气动元件包括哪些装置包括压缩、维护和调节空气压力的装置，运输能源的装置和推动装置的所有部件。

除了线和压力调节器，常见的气动元件包括：

气缸：

气缸是气动线性执行器。

在一个容器里，利用压差提供能量。

分为单作用（弹簧回位）或双作

节流阀：

节流阀装在系统中调节气流的流量

电磁阀：

换向或者通断作用，可以控制气缸的往复运动，可以控制气路的通断等。

3.3供料单元气动元件设计

3.3.1气动控制回路设计

气动控制回路是本工作单元的执行机构，由PLC控制推料和顶料功能。

气动控制回路控制回路的工作原理如下图所示。

图中1A和2A分别为推料气缸和顶料气缸。

1B1和1B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B1和2B2为安装在顶料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，1Y1和2Y1分别为控制推料缸和顶料缸的电磁阀的电磁控制端。

图3.1气动控制回路工作原理图

3.3.2气缸的选择

图3.2气缸工作原理示意图

由于供料站需要一个顶料缸以及一个推料缸，所以我们应该选择两个长度不一样的双作用气缸，根据设计的供料台和零件的直径来选择合适的气缸。

3.3.3电磁阀的分类及选用

电磁阀从原理上分为以下几大类：

一、直动式电磁阀 

：

原理：

通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开;

断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

特点：

在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。

二、分布 

直动式电磁阀 

它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。

当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开;

断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。

在零压差或真空、高压时亦能可动作，但功率较大，要求必须水平安装。

三、先导式电磁阀 

通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开;

断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。

流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件

如前所述，顶料或推料气缸，其活塞的运动是依靠向气缸一端进气，并从另一端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气来实现的。

气体流动方向的改变则由能改变气体流动方向或通断的控制阀即方向控制阀加以控制。

在自动控制中，方向控制阀常采用电磁控制方式实现方向控制，称为电磁换向阀。

电磁换向阀是利用其电磁线圈通电时，静铁芯对动铁芯产生电磁吸力使阀芯切换，达到改变气流方向的目的。

图2-7所示是一个单电控二位三通电磁换向阀的工作原理示意。

图3.3单电控电磁换向阀的工作原理

所谓“位”指的是为了改变气体方向，阀芯相对于阀体所具有的不同的工作位置。

“通”的含义则指换向阀与系统相连的通口，有几个通口即为几通。

图3-5中，只有两个工作位置，具有供气口P、工作口A和排气口R，故为二位三通阀。

图2-8分别给出二位三通、二位四通和二位五通单控电磁换向阀的图形符号，图形中有几个方格就是几位，方格中的“┯”和“┷”符号表示各接口互不相通。

图3.4部分单电控电磁换向阀的图形符号

YL-335B所有工作单元的执行气缸都是双作用气缸，控制它们工作的电磁阀需要有二个工作口和二个排气口以及一个供气口，故使用的电磁阀均为二位五通电磁阀。

供料单元用了两个二位五通的单电控电磁阀。

这两个电磁阀带有手动换向和加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。

用小螺丝刀把加锁钮旋到在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制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。

两个电磁阀是集中安装在汇流板上的。

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。

这种将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组，而每个阀的功能是彼此独立的。

3.3.4节流阀的选择

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。

截流阀上带有气管的快速接头，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。

图3.5是安装了带快速接头的限出型气缸截流阀的气缸外观。

图3.5安装上气缸节流阀的气缸

图3.6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，是调整气缸的伸出速度，而当调节节流阀B时，是调整气缸的缩回速度。

图3.6节流阀连接和调整原理示意

第四章传感器的设计与选择

4.1传感器的介绍

YL-335B各工作单元所使用的传感器都是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接近开关。

接近传感器有多种检测方式，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕捉检测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利用磁石和引导开关的方式、利用光电效应和光电转换器件作为检测元件等等。

YL-335B所使用的是磁感应式接近开关（或称磁性开关）、电感式接近开关、漫反射光电开关和光纤型光电传感器等。

这里只介绍磁性开关、电感式接近开关和漫反射光电开关，光纤型光电传感器留待在装配单元实训项目中介绍。

图4.1传感器的种类、外型与符号

1、磁性开关

YL-335B所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。

这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。

在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。

而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。

有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。

舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。

带磁性开关气缸的工作原理。

当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；

当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。

触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料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。

在磁性开关上设置的LED显示用于显示其信号状态，供调试时使用。

磁性开关动作时，输出信号“1”，LED亮；

磁性开关不动作时，输出信号“0”，LED不亮。

磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。

2、电感式接近开关

电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。

电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。

如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。

利用这一原理，以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。

供料单元中，为了检测待加工工件是否金属材料，在供料管底座侧面安装了一个电感式传感器。

自动化中所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。

在非磁性体的活塞上安装一个永久磁（如图4.2所示）定工件是否被推出或气缸是否返回。

图4.2磁感应式接近开关

磁性开关没有动作时，输出信号“0”，LED不亮。

在接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上的传感器可靠动作。

3、漫射式光电接近开关

（1）光电式接近开关

“光电传感器”是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。

其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。

如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化。

光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。

大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。

（2）漫射式光电开关

漫射式光电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。

供料单元中，用来检测工件不足或工件有无的漫射式光电接近开关选用OMRON公司的E3Z-L61型放大器内置型光电开关（细小光束型，NPN型晶体管集电极开路输出）。

图中动作选择开关的功能是选择受光动作（Light）或遮光动作（Drag）模式。

即，当此开关按顺时针方向充分旋转时（L侧），则进入检测-ON模式；

，当此开关按逆时针方向充分旋转时（D侧），则进入检测-OFF模式。

距离设定旋钮是5回转调节器，调整距离时注意逐步轻微旋转，否则若充分旋转距离调节器会空转。

调整的方法是，首先按逆时针方向将距离调节器充分旋到最小检测距离（E3Z-L61约20mm），然后根据要求距离放置检测物体，按顺时针方向逐步旋转距离调节器，找到传感器进入检测条件的点；

拉开检测物体距离，按顺时针方向进一步旋转距离调节器，找到传感器再次进入检测状态，一旦进入，向后旋转距离调节器直到传感器回到非检测状态的点。

两点之间的中点为稳定检测物体的最佳位置。

用来检测物料台上有无物料的光电开关是一个园柱形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，该光电开关选用SICK公司产品MHT15-N2317型，其外形如图4.2所示。

图4.2 

MHT15-N2317光电开关外形

4、接近开关的图形符号：

部分接近开关的图形符号如图4.3所示。

图中（a）（b）（c）三种情况均使用NPN型三极管集电极开路输出。

如果是使用PNP型的，正负极性应反过来。

图4.3部分接近开关的图形符号

5、金属传感器

金属传感器又叫电感式接近开关。

为了检测物料是否为金属，在分拣工件导向件右侧装有一个电感传感器（2-7所示）

图2-7金属传感器实物图

其原理是利用电涡流原理制成的，利用电涡流效应制成的具有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生电涡流，这个涡流反过来作用于接近开关使接近开关振荡能力减弱，导致内部参数发生变化，由此来识别是否是金属物料，进而控制开关的开与断。

第五章PLC与触摸屏的设计

5.1西门子S7-PLC介绍 

西门子S7-200PLC在实时模式下具有速度快，具有通讯功能和较高的生产力的特点。

一致的模块化设计促进了低性能定制产品的创造和可扩展性的解决方案。

来自西门子的S7-200微型PLC可以被当作独立的微型PLC解决方案或与其他控制器相结合使用。

5.2供料站的工艺流程

要编写满足控制要求、满足安全要求的控制程序，单周期控制工艺流程和自动循环控制程序如下图。

图5.1供料站控制工艺流程和供料站自动循环控制工艺流程

5.3PLC的设计

在底座和装料管第4层工件位置，均安装了1个漫射式光电开关，分别用于判断料仓中有无储料和储料是否足够。

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，向系统提供物料台有无工件的信号。

传感器信号（4个传感器和4个磁性开关）占有8个输入点，启停和方式切换占4个输入点，输出有2个电磁阀和3个指示灯，则所需的输入、输出点数分别为12点输入和5点输出，如下表所示。

选用西门子S7-200-224主单元，共14点输入和10点继电器输出，供料单元的I/O原理图及接线如下图所示。

图5.2供料单元PLC的I/O信号表

图5.3供