柔性制造系统.docx

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柔性制造系统

柔性制造／自动化物流系统方案

一、概述

随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也随之增加，而产品的市场寿命日益缩短，更新换代加速，中、小批量生产占有越来越重要的地位。

面临这—新的局面，必须大幅度提高制造柔性和生产效率，缩短生产周期，保证产品质量，降低能耗，从而降低生产成本，以获得更好的经济效益。

柔性制造系统正是在这种形势下应运而生的。

柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。

它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，以适宜于多品种、中小批量生产。

它通过简单地改变软件的方法能够制造出多种零件中任何一种零件。

系统主要由八个单元模块组成：

Ø自动化立体仓库、码垛机单元

ØCCD形状识别单元；

Ø柔性制造加工单元；

Ø上下料搬运机器人单元；

ØCCD工件尺寸检测及颜色识别单元；

Ø气动分拣及条码打印扫描检测单元；

Ø自动化输送线系统单元；

Ø气动分拣搬运机器人单元。

所有模块单元通过工业总线控制联接。

即还包含系统总控单元。

为了促进相关专业的学生对机器人、柔性制造系统等先进制造技术有一个全面的深入了解和体会，我们立足于自己的技术优势，结合实际教学的需求，开发了一套完全模拟工业现场实际应用的柔性制造教学实训系统，并配备了相应的实验指导书。

通过该系统，使学生可通过实验了解柔性制造系统的基本组成和基本原理，为学生提供一个开放性的，创新性的和可参与性的实验平台，让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术，帮助学生从系统整体角度去认识系统各组成部分，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理。

可以促进学生在机械设计、电气自动化、自动控制、机器人技术、计算机技术、传感器技术等方面的学习,并对电机驱动及控制技术、PLC控制系统的设计与应用、计算机网络通信技术和现场总线技术、高级语言编程等技能得到实际的训练，激发学生的学习兴趣，使学生在机电系统的设计、装配、调试能力等方面均能得到综合提高。

该系统设计有漏电保护、短路保护、急停保护、限位保护、隔离保护等多种保护功能。

二、系统特点

●高度集成

通过Profibus-DP工业现场总线及开发型组态软件等网络通讯技术将系统中的所有单机模块设备进行高度的集成。

与工业现场形式完全相同。

●标准化

按工业标准设计，并可全面兼容标准工业级设备。

●单元模块化

系统中的单元设备具有“联机/单机”两种操作模式。

所有的单元设备的软硬件均可以脱离系统独立操作，可用单机设备为平台，进行单项技术的研发，易扩展。

即方便教学又最大程度的满足了教师进行科研、学生进行创新的需要。

●机器人嵌入式系统控制

六自由度串联机器人及六自由度并联机器人等关键设备采用嵌入式系统控制。

系统紧凑小巧，对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间。

具有功能很强的存储区保护功能，便于学生动手操作和系统维护。

●开放性

开放具有自主知识产权的软件源代码。

此外，系统中以运动控制技术为主的单元装备需具有良好的硬件开放性，可以和工业上众多装备接口，进行系统集成。

软件系统采用开放式源代码和通用软件开发平台（MSVC++和BorlandC++），用户可以进行深层次的软件系统二次开发，以便于开发出适合用户需求的系统调度程序和单机运行程序，很大程度上方便了老师和同学课题研究工作。

●网络化视频监控（选配）

系统提供网络化视频监控模块，使操作者在操作系统的同时，也可通过电脑屏幕实时观看系统的实际运行状况。

同时对于有条件的学校，可将控制计算机与校园网相连解，使更多的学生和老师通过网络观看现场实验过程，提高系统利用率，也可实现远程教学。

●可扩展性

系统软、硬件部分预留扩展空间，用户可在原有系统基础上增添设备模块，并可轻松集成到系统中，为二次开发和扩展教学学科创造了极为有利条件。

●机器人种类

为了真正实现教学与工业结合，本系统中需应用直角坐标类型机器人、串联关节型机器人、并联加工机器人、气动机器人（注：

以上机器人均需国产，以便保证良好的开放性）等工业上常用到的机器人类型，并且设计上完全按照工业标准和结构对机器人本体进行设计，可以完全了解工业上机器人的特点和结构。

每种机器人都配有详细介绍和实验指导书。

●交互式图形化操作界面

系统控制软件采用WINDOWS操作系统，具有交互式和图形化特点，操作简单易学，自动化程度高，使教师和学生在很短的时间之内就可以掌握对系统的操作。

●丰富的状态反馈功能

通过计算机与各单元及传感器的通讯，将系统中各环节的状态显示在操作界面上，使操作者通过计算机随时了解系统各环节的工况、状态、运行数据，掌握系统运行状态。

●完善的生产及物料存储统计功能

根据现代柔性制造系统的特点及发展动向，不但在工作过程和原理上仿真实际生产过程，而且开发了生产及物料存储数据库，根据系统的运行随时记录和分析生产过程和存储数据。

●教材齐备

本柔性制造系统，除提供相应的教学大纲外，还应提供系统整体的实验指导书，包括机械篇、电控篇及软件篇。

详细介绍各设备特点、原理、设计思想、计算方法。

并拓展介绍工业上常用的相关元件及设备。

在此基础上，还应提供单独关键设备如机器人等提供机械本体装配说明书、实验指导书、软件使用说明书等。

便于独立模块教学和实验。

●完善的保护功能

该系统设计有漏电保护、短路保护、急停保护、限位保护、隔离保护等多种保护功能。

保证安全有效的进行教学演示和授课。

三、可开设的实验内容

Ø柔性制造系统的认识实验

Ø机器人技术和应用实验

Ø传感器技术的应用实验

ØPLC控制系统应用实验

ØProfibus-DP工业总线技术实验

Ø视觉识别技术的应用实验

Ø交流伺服、步进的电机应用实验

Ø交流变频技术的应用实验

Ø多轴运动控制器实验；

Ø气动技术实验；

Ø数控加工工艺技术实验

Ø嵌入式控制系统的应用实验

各单机运行模块还可以开设各相关专业技术实验，将在下列模块单元中介绍。

四、适用范围

本系统包含多种学科专业知识，具有开放性、创新性、可操作性等特点，可用于各类中专、大专、本科和研究生的实验教学和科研工作。

一般适用于以下专业的学生和老师：

Ø机械设计制造及其自动化

Ø机电一体化

Ø机械电子工程

Ø机械设计及理论

Ø电气工程及其自动化

Ø电子科学与技术

Ø测控技术与仪器

Ø计算机科学与技术

Ø计算机应用技术

Ø

五、可完成的总学时

各单元学时数见各模块单元介绍部分，系统方案中为推荐的学时数，用户方可根据自身专业教学特点和重点进行适当的的调整。

六、柔性制造系统图

如图所示：

图6-1系统效果图标注；

图6-2系统实物照片（含单元标注）；

图6-3系统平面布局图；

图6-4系统房间布置图；

图6-5系统工艺流程图。

七、柔性制造系统流程简介

工件或毛坯由四自由度码垛机器人从自动化立体仓库单元的毛坯库中取出，送到自动化输送系统单元输送线上。

皮带运输机将工件或毛坯送至CCD形状识别单元处停止，由高速CCD工业相机对工件进行形状识别。

形状识别结束，工件向下运送至横向输送机气推处，气推装置将工件送至暂存区，再由上下料搬运机器人抓取工件，送入相应的柔性加工单元（并联加工中心或数控车床）进行加工。

加工完成后，由上下料搬运机器人取出工件，将工件放回到输送线上。

工件被运送到CCD尺寸检测单元，对已加工的工件进行尺寸及位置偏差检测。

检测结束，工件被运送到分拣单元，不合格的产品由气推装置送到废品存放处。

合格的产品将继续传送至条码打印及粘贴处，由人工贴上条码再放回到输送线上。

工件经条码扫描后，码垛机根据条码及工件的形状、尺寸将工件从输送机上取下并送至自动化立体仓库单元的成品库，完成一个工作流程。

七、柔性制造系统流程简介

工件或毛坯由四自由度码垛机器人从自动化立体仓库单元的毛坯库中取出，送到自动化输送系统单元输送线上。

皮带运输机将工件或毛坯送至CCD形状识别单元处停止，由高速CCD工业相机对工件进行形状识别。

形状识别结束，工件向下运送至横向输送机气推处，气推装置将工件送至暂存区，再由上下料搬运机器人抓取工件，送入相应的柔性加工单元（并联加工中心或数控车床）进行加工。

加工完成后，由上下料搬运机器人取出工件，将工件放回到输送线上。

工件被运送到CCD尺寸检测单元，对已加工的工件进行尺寸及位置偏差检测。

检测结束，工件被运送到分拣单元，不合格的产品由气推装置送到废品存放处。

合格的产品将继续传送至条码打印及粘贴处，由人工贴上条码再放回到输送线上。

工件经条码扫描后，码垛机根据条码及工件的形状、尺寸将工件从输送机上取下并送至自动化立体仓库单元的成品库，完成一个工作流程。

八、系统单元介绍

8.1自动化立体仓库、码垛机单元

8.1.1设备组成

由铝合金型材搭建的双排立体化仓库,与四自由度码垛机及光电传感器组成，完成原料及成品件的取出和存放。

并由传感器完成库存信息的发送。

双排铝合金立体化仓库

四自由度码垛机

8.1.2技术参数

立体化仓库技术指标：

立体化仓库

仓位尺寸

220mm×280mm×220mm

仓位数量

7列4层28个

外形尺寸

3000mm×280mm×1800mm

四自由度码垛机技术参数：

机构形态

直角坐标式

自由度

4

负载

≥3kg

每轴重复定位精度

0.5mm

运动分辩率

0.2mm

动作范围

Ⅰ轴行程

2500mm

Ⅱ轴行程

500mm

Ⅲ轴行程

950mm

Ⅳ轴转动

-100°～+100°

最大速度

5m/min

本体重量

200kg

输入电压

AC220V50Hz

控制方式

二伺服电机二步进电机

运行模式

欧姆龙PLC控制，可独立运行

安装环境

温度

0～+45oC

湿度

20～80%不结露

振动

0.5G以下

其它

避免易燃、腐蚀性气体、液体

勿溅水、油、粉尘等

勿接近电器噪声源

8.1.3PLC可编程控制器及扩展单元技术参数

8.1.3.1PLC可编程控制器

型号：

CP1H-X40DT

输入：

24点

输出：

16点（晶体管）

高速计数器：

4点

脉冲输出：

100KHz2点30KHz2点

定时器：

4096位

计数器：

4096位

内部辅助继电器：

8192点

保持继电器：

8192点

输入中断：

8点

脉冲捕捉输：

8点

8.1.3.2PLC扩展单元

型号：

CPM1A-40EDR

输入：

24点

输出：

16点（继电器）

8.1.4可开设的实验内容

ØPLC控制系统应用实验

Ø步进或伺服电机控制特性实验；

Ø计算机网络通信技术；

ØVC、VB等高级语言编程。

Ø位置控制、速度控制等实验；

Ø多轴运动控制器实验；

8.1.5本单元系统配置

序号

名称

单位

数量

备注

1

原料库库

个

1

博实精密

2

成品库

个

1

博实精密

3

四自由度码垛机

台

1

博实精密

4

对射开关

对

1

国产

5

PLC及扩展单元

套

1

欧姆龙

6

控制系统

套

1

博实精密

8.1.6本单元可进行的学时数：

5学时

8.2CCD形状颜色识别单元

8.2.1组成及功能

镜头、图像处理器、图像处理软件和其它设备（支架、工作台等）能够组成一个相对完整的视觉检测开发系统，硬件之间应匹配。

图像处理软件能快速识别用户所规定工件的图形，所提供设备等同或优于参考型号产品的性能。

8.2.2技术参数

序号

技术描述

数量

型号

1

输出相机

1

WAT-231S

2

图像采集卡

1

CG400

3

相机电缆

1

/

4

镜头

1

/

8.2.3本单元系统配置

序号

技术描述

单位

数量

1

输出相机

台

1

2

图像采集卡

个

1

3

相机电缆

条

1

4

镜头

个

2

5

计算机

台

1

6

配套图像处理软件

套

1

7

自动定位阻挡装置

套

1

8

对射开关

对

1

8.2.4可开设的实验内容

Ø图象识别系统的应用实验

Ø计算机网络通信技术

ØVC、VB等高级语言编程

Ø位置控制、速度控制等实验

8.3柔性制造加工单元

8.3.1设备组成

柔性加工单元包括六自由度并联加工中心和数控车床。

8.3.2六自由度并联加工中心

8.3.2.1组成

六自由度并联加工中心包括六自由度并联加工中心主体、变频加工电主轴、底座及其配套气动夹具、配套转铣刀、传感器等组成。

8.3.2.2功能

六自由度并联加工通过控制系统控制可以完成无人参与的自动化加工过程。

并联机器人作为一种新型的机器人形式得到了越来越多的应用，与串联机器人相比该型机器人具有结构简单、刚度大、承载能力强、误差小等特点，与串联机器人形成了良好的互补关系。

可用于六自由度数控加工中心、航天器对接机构、汽车装配线、运动模拟器、岩土挖掘、光学调整、医疗机械等领域。

8.3.2.3特点

Ø机构采用并联式结构，按工业标准要求设计，结构简单、速度快；

Ø控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验；

Ø提供教材、实验指导书等，内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等。

8.3.2.4技术参数

结构形式

并联式

驱动方式

全伺服电机驱动

运动自由度

6自由度

负载能力

20Kg

重复定位精度

±0.07mm

运动范围

X

Y

Z

θx

θy

θz

±150mm

±150mm

±150mm

±20°

±20°

±30°

每轴最大运动速度

X

100mm/S

Y

100mm/S

Z

100mm/S

θx

20°/S

θy

20°/S

θz

30°/S

本体重量

≤120Kg

操作方式

示教再现/编程

供电电源

单相220V、50Hz

8.3.2.5嵌入式控制系统

104-1541CLDN（B）是一款可单+5V供电工作的嵌入式应用型的All-in-oneGeode586的电脑主机板，104-1541CLDN（B）的GX1处理器和CS5530A芯片一起可以实现卓越的性能，它的外形设计紧凑仅96mmX90mm它高度集成了一个PCICRT/LCD/LVDS同时显示控制器，二个RS-232串口、一个多模式并口（ECP/EPP/SPP）、两个USB口、一个PS/2键盘鼠标接口、一个CompactFlash卡接口、一个硬盘接口、一个10/100M自适应以太PCI网卡、PC104接口和一个看门狗定时器，看门狗可以将终止的系统自动复位其内置高速PCIIDE控制器支持PIO，UDMA/33和总线主模式最多可连接两个IDE设备，包括大容量硬盘CD-ROM驱动器、DVD-ROM驱动器、104-1541CLDN（B）具有电源管理功能可以将电源消耗降至最小，你可以利用这个特点关闭显示器停止硬盘轴心马达。

8.3.3数控车床

数控车床CK0628

8.3.3.1型号：

CK0628

8.3.3.2技术参数

回转直径280mm 

行程：

Z:

320mmX:

135mm

主电机功率1.5KW

主轴转速100～2000（无级）

主轴锥孔：

M4  

通孔直径：

26mm

电动刀架：

六工位

滚珠丝杠、贴塑导轨，全防护，进口

数控系统:

西门子802C

8.3.5可开设的实验内容

1.并联机器人整体认识；

2.典型并联机器人的驱动、组成、结构形式及其特点；

3.并联器机器人机械系统介绍（图文介绍）；

4.电控系统介绍（图文介绍）；

5.工作空间描述；

6.了解并联机器人运动学坐标系的建立方法（坐标变换）；

7.运动学逆解方程的建立以及逆运动学分析的计算过程（反解推导过程与结果）；

8.插补与平面绘图实验；

9.插补原理与方法；

10.采用插补方法绘制直线、多边形、圆弧；

11.沟槽、钻孔加工实验；

12.示教再现实验；

13.编程控制实验；

14.学会使用高级语言VC、VB对机器人进行编程控制；

15.掌握高级语言调用动态链接库及接口函数的方法；

16.计算机网络通信技术；

17.计算机控制；

18.位置控制、速度控制等实验；

19.工件夹持与控制实验；

20.工件传输实验；

21.加工顺序控制实验；

22.数控加工仿真实验；

23.数控编程实验；

24.进行CAD、CAM编程实验；

25.实际加工实验；

26.通讯、故障诊断维修实验；

27.安装接线、调试参数设置实验。

8.3.6本单元系统配置

序号

名称

单位

数量

备注

1

六自由度并联加工中心

套

1

博实精密

2

数控车床

台

1

德西数控

3

嵌入式控制系统

套

1

博实精密

4

变频调速电主轴及冷却系统

套

1

博实精密

5

配套气动夹具

套

1

博实精密

8.3.7本单元可进行的学时数：

14学时

8.4上下料搬运机器人单元

8.4.1设备组成

上下搬运机器人单元由六自由度串联搬运机器人与移动轨道组成。

8.4.2六自由度串联搬运机器人

六自由度搬运机器人

8.4.2.1功能

在本系统中,六自由度搬运机器人采用关节式结构,按工业标准要求设计,速度快、柔性好；模块化结构，简单、紧凑，完全满足实验要求；控制系统采作Windows系列操作系统，二次开发方便于工作、快捷，适于教学实验；提供通用机器人语言编程系统，可通过图形示教自动生成机器人语言等程序；提供实验教材，内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等。

在工作过程中，运动平稳可靠，无燥声。

定位准确，运行精度高。

气动手爪夹持力大，工作不松动。

真正实现自动搬动与安装工件的无人操作的功能。

8.4.2.2技术参数

结构形式

串联式

负载能力

10kg

重复定位精度

±0.08mm

运动范围

θ1

θ2

θ3

θ4

θ5

θ6

300o

120o

120o

300o

180o

360o

每轴最大运动速度

腰转（关节1）

60o/S

大臂（关节2）

90o/S

小臂（关节3）

90o/S

臂转（关节4）

60o/S

腕摆（关节5）

60o/S

腕转（关节6）

60o/S

最大展开半径

1300mm

高度

1650mm

本体重量

≤150Kg

操作方式

示教再现/编程

供电电源

三相380V、50Hz

8.4.3嵌入式控制系统

EVOC104-1541CLDN（B）是一款可单+5V供电工作的嵌入式应用型的All-in-oneGeode586的电脑主机板104-1541CLDN（B）的GX1处理器和CS5530A芯片一起可以实现卓越的性能它的外形设计紧凑仅96mmX90mm它高度集成了一个PCICRT/LCD/LVDS同时显示控制器,二个RS-232串口一个多模式并口（ECP/EPP/SPP）两个USB口一个PS/2键盘鼠标接口一个CompactFlash卡接口,一个硬盘接口,一个10/100M自适应以太PCI网卡,PC104接口和一个看门狗定时器看门狗可以将终止的系统自动复位其内置高速PCIIDE控制器支持PIO,UDMA/33和总线主模式最多可连接两个IDE设备包括大容量硬盘CD-ROM驱动器DVD-ROM驱动器104-1541CLDN（B）具有电源管理功能可以将电源消耗降至最小你可以利用这个特点关闭显示器停止硬盘轴心马达。

8.4.3.1性能指标：

微处理器CPU

Ø板上集成低功耗NSGX1200MHz到300MHz处理器无风扇；

Ø外部总线频率:

33MHz,BGA封装芯片组Chipset

ØNSGX1/CS5530A/W83977F-A二级Cache集成于GX1处理器内系统存储器SystemMemory

Ø一条SODIMM插槽最大可支持128M内存

Ø内存类型SDRAM（同步DRAM）

IDE功能

Ø一个EIDE接口最多可接两个设备支持PIO模式3/4或UltraDMA33IDE硬盘和ATAPICD-ROM/DVD-ROM

USB功能

Ø两个USB接口符合USB规格Rev.1.0

BIOS

ØAwardBIOS即插即用

Ø256KB（2Mbit）flash内存芯片

8.4.4搬运机器人移动轨道

8.4.4.1组成及参数：

机器人移动轨道由富士伺服电机驱动，滚柱丝杠加导轨滑块结构形式；并需要安装地脚螺栓；此移动轨道与六自由度机器人集成，使六自由度机器人并在直线轨道上移动、行走。

机构形态

直角坐标式

自由度

1

负载

180kg

重复定位精度

0.05mm

动作范围

Ⅰ轴行程

1600mm

最大速度

Ⅰ轴

80mm/S

本体重量

120kg

外形尺寸

2200X450X650mm

安装环境

温度

0～+45oC

湿度

20～80%不结露

振动

0.5G以下

其它

避免易燃、腐蚀性气体、液体

勿溅水、油、粉尘等

勿接近电器噪声源

8.4.5自动定位阻挡装置

采用进口汽缸，设计美观,与系统配套；实现工件的自动定位功能。

8.4.6可开设的实验内容

1．串联机器人的应用；

2．计算机网络通信技术应用与实验；

3．嵌入式控制系统的学习与实验；

4．位置控制、速度控制等实验；

5．串联机器人的认识实验；

6．串联机器人控制系统实验；

7．串联机器人正运动学分析实验；

8．串联机器人关节运动轨迹规划实验；

9．串联机器人的PTP（点到点）运动轨迹规划实验；

10．串联机器人的搬运装配实验；

11．VC、VB等高级语言编程；

12．串联机器人在柔性系统中的应用实验

8.4.7本单元系统配置

序号

名称

单位

数量

备注

1

六自由度串联搬运机器人

台

1

/

2

搬运机器人移动轨道

台

1

/

3

气动自动定位装置

套

1

/

4

对射开关

对

1

/

5

嵌入式控制系统

套

1

/

8.4.8本单元可进行的学时数：

20学时

8.5CCD工件尺寸检测及颜色识别单元

8.5.1设备组成

本系统由CCD颜色识别及尺寸检测系统、自动定位阻挡装置、对射开关等组成。

8.5.2CCD工件尺寸检测及颜色识别单元功能

通过图像识别功能，对已加工的工件进行颜色识别，便于产品的入库管理，同时可检测工件尺寸是否合格。

8.5.3技术参数

Ø光源、镜头、图像采集卡、图像处理软件和其它设备（支架、工作台等）能够组成一个相对完整的视觉检测开发系统，硬件之间应匹配。

Ø图像处理软件能快速检测用户所规定工件的尺寸和位置偏差，精度为0.05mm。

Ø所提供设备应等同或优于参考型号产品的性能。

序号

技术描述

数量

型号

1

输出相机

2

WAT-231S

2

图像采集卡

2

CG400

3

相机电缆

2

/

4

镜头

2

8.5.4自动定位阻挡装置

采用进口汽缸，设计美观,与系统配套