自动化生产线安装站设计.docx
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自动化生产线安装站设计
1研究的目的及意义
1.1研究的目的及意义
机电一体化是将机械、电子与信息技术进行有机的结合，以实现工业产品和生产过程整体最优化的一种新技术。
机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业发展的必由之路。
模块生产系统（ModularProductionSystem）设计训练，为我们学习掌握机电一体化技术提供了极好的训练平台。
我们的主要任务是剖析模块生产系统中各机械部分的工作原理及功能、机械结构和传动方式，绘制工作原理图、主要部件图及其装配图，并在此基础上加以改进。
剖析模块生产系统的气压传动过程，熟悉气压传动的基本元件和回路，绘制各工作站气压传动回路工作原理图，在理论分析的基础上能正确的选择各组成元件。
运用可编程序控制器编程软件，核对各站控制程序及控制端口，剖析原设计编程原理，论述控制过程。
剖析模块生产系统的结构和控制程序，论述该设计的优缺点，提出新的设计方案。
我们通过对模块生产系统的实际参观、操作、测绘、制图、编程设计和运行工作，同时对该生产线进行适当改进，掌握模块生产系统各部分的功能、结构、工作原理和设计方法。
模块生产系统的设计训练是综合性的系统工程设计，是机械、气压和电子技术各专业协同合作的结晶，也是培养我们团队精神的训练。
1.2自动化生产线系统概况
该自动化生产线是由独立的六个工作站相互连接而成。
它们分别是上料检测站、搬运站、加工检测站、安装站、安装搬运站和分类站。
这六个站连接成生产线后可完成工件类别的检测、加工、搬运、安装和分类。
上料检测站：
回转上料台将工件依次送到检测工位——提升装置将工件提升并检测工件颜色；
搬运站：
将工件从上站搬运至下一站；
加工站：
用回转台将工件在四个工位间转换——钻孔单元打孔——检测单元检测正、次品；
安装站：
选择要安装工件的料仓——将工件从料仓中推出——将工件安装到位；
安装搬运站：
正品：
将上站正品工件拿起放入安装工位——将安装好工件拿起放下站；
次品：
将上站次品工件拿起放人堆放次品处；
分类站：
按工件类型分类——将工件推入库房。
工件在生产线上的物流加工的传递过程：
上料检测站将大工件按顺序排好后提升传送，搬运站将大工件从上料检测站搬至加工站，加工站将大工件加工并检测被加工的工件，产生成品或废品信息，通知下站，安装搬运站将成品送至安装工位，安装站再将小工件装入大工件中，最后，由安装搬运站再将安装好的工件送至分类站，分类站将工件按类送入相应的料仓并统计工件的数量和总量，如加工站有废品产生，则安装搬运站将废品直接送入废品收料站。
图1自动化生产线
各工作站工艺流程如下：
2安装站总体方案设计
2.1安装站总体机构设计与论证
安装站功能：
1.选择要安装工件的料仓；2.将工件从料仓中堆出；3.将工件安装到位。
安装站由2个红外传感器、6个磁性开关、4个气压缸和7个电磁阀组成。
安装站上有两个料筒，里面装有黑、白两种小工件，当加工后的工件被检测合格后，第五站将其搬运到安装台上，此时第四站通过同步带带动吸嘴，将小工件安装到加工后工件钻好的孔内，安装好后，恢复到原位，同时给第五站一个信号，让机械手将安装好的组合件搬走。
安装站机构简图如右：
图中所示：
装配气缸
同步带
吸盘
物料
推料气缸
送料气缸
图3安装站机构简图
2.2安装站工作流程图
如下流程图图示，在接收前站的信息后，根据PLC给出的控制信号，先让汽缸一动作，使滚轮向上运动检测3秒是否到位。
若没到位则报警；若是则进行下一工作。
下一工作让汽缸三动作使小工件处于合理抓取位。
接着推料汽缸二动作使工件位于正确位置。
再接着让汽缸一动作下降抓取小工件（真空发生器作用吸盘吸附小工件）并送至五站进行装配将小工件装入大工件中。
图4安装站工作流程图
2.3传动方案论证与改进
方案一：
自动化生产线安装站的主要机械传动部分是齿轮齿条—同步带。
方案二：
自动化生产线安装站的主要机械传动部分是钢丝绳滚筒机构—同步带。
方案三：
自动化生产线安装站的主要机械传动部分是钢丝绳滚筒机构—四杆机构。
方案论证：
在总体方案设计中，首先需要一个机构将装配气缸推杆输出的直线运动转化为转动，钢丝绳滚筒机构和齿轮齿条都可以实现此目的。
各自特点如下：
齿轮齿条，优点：
承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高；缺点：
若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。
钢丝绳滚筒机构，传动精度较低，容易发生绕绳、咬绳故障，安全性较差，并且占据空间比较大，结构复杂。
同步带，同步带传动综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。
转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力，传动准确，工作时无滑动，传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低，维护保养方便，不需润滑，维护费用低，相对于V型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小。
考虑到自动化生产线安装站的实际情况，我们对传动机构进行改进，把原来的钢丝绳滚筒—同步带传动改为齿轮齿条—同步带机构传动方案，即选用方案一的传动方式既可以实现传动要求，也可以使结构变得简单。
2.4气压驱动方案设计
第四站主要是控制各气缸的位置来完成工件的安装，通电后，打开空气压缩机，将产生的压缩空气经过空气过滤器（主要清除其中的固态杂质，水滴，油圬等），再经过电磁阀（双向电磁阀、单向电磁阀）控制各气缸的运动。
气缸的极限位控制主要是同过传感器产生的电信号控制，经过PLC处理后输出，完成一个机械动作，气缸的排气是通过电磁阀处的排气设备排出，在此处安排了消声器，可以减少排气时的噪音。
这样就完成了一个电气回路过程。
气压动作传动回路原理示意图（图5）
图5安装站气动图
各动作过程所用传感器原理及工作过程介绍：
传感器：
安装站主要是对气缸的运动位置的控制，所用传感器均为电感磁吸位移传感器，型号均为D-C73。
当接通电源后，在磁性开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
工作过程：
它产生的主要是电信号，电信号通过通信端子排或控制面板端子排，经过数据总线将信号传递给PLC可编程序控制器，可编程控制器进一步将信号传递给执行连接端子排，通过它来激活驱动部分来完成操作。
传感器产生的电信号也可以直接传递给执行连接端子排，然后激活驱动部分来完成操作。
动作过程所用个别元件介绍：
真空发生器：
ZH05B（喷嘴直径为5mm）
汽缸：
CDJ2B10-60-B（缸径为10mm，行程为60mm，开关环带安装）
CDJ2B16-60-B（缸径为16mm，行程为60mm，开关环带安装）
CDJ2B20-45（缸径为20mm，行程为45mm，开关环带安装）
电磁阀：
SY3120-5LZD-M5（二位五通电磁阀）
电磁换向阀的基本工作原理：
通过电磁铁控制滑阀阀芯的不同位置，以改变形油液的流动方向。
当电磁铁断电时，滑阀由弹簧保持在中间位置或初始位置（脉冲式阀除外）。
2.5传感检测部分改进
通过观察生产线系统的运行工作情况，发现安装站在工作中存在以下问题：
当转动杆上的吸嘴未成功将料移走时，在下一工作循环开始后，推料气缸未能判断料的有无，继续动作，推动推料块向前运动，由于挡料块中有料，发生卡死，使气缸动作无法到位，4B2传感器接收不到信号，系统出现故障。
解决方案：
在下图6所示部位增加一个红外传感器，可以检测挡料块中物料的有无，并通过修改PLC程序，当料块中有料时，推料气缸不动作；当挡料块中无料时，推料气缸发生动作，从而保障系统正常运行。
图6安装站俯视图
红外传感器的选型：
E18-D80NK-N
这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。
有效的避免了可见光的干扰。
透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同；白色物体最远，黑色物体最近）。
检测物料的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以适用于自动化生产线。
检测到目标是低电平输出，正常状态是高电平输出，输出外加一个1K欧姆左右上拉电阻即可连接到IO口上。
其特点是：
数字量输出，不需要进行AD转换，可直接接单片机的IO口，通过后面的可调电位器调整距离（3-80cm有效）。
尺寸：
直径：
17mm，
传感器长度：
45mm，
引线长度：
45cm。
图7红外传感器
3机构硬件设计
3.1安装站机械部分改进设计
控制传动杆转动的原机构为钢丝绳滚筒机构，由于其转动需要气缸提升整个机械部分来实现，功耗大，传动精度较低，容易发生绕绳、咬绳故障，安全性较差，并且占据空间比较大，结构复杂。
经过小组讨论，决定将钢丝绳滚筒机构改进为齿轮齿条机构，齿轮齿条机构具有如下优点：
消耗功率低，承载力大，安全性好，体积小，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高。
齿条的主要特点：
由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为20°。
与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。
与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。
结合实物测绘数据，我们给定模数m=2，齿轮齿数z=16，齿条齿宽
=13mm，齿条高度H=10mm，计算见表1。
表1齿轮齿条传动的几何尺寸计算：
项目名称
计算公式及代号
转
齿轮齿条数值
齿轮齿数
16
模数
2
螺旋角
基本齿廓
压力角
齿顶高系数
1
顶隙系数
0.25
齿轮变位系数
0.418
齿宽
齿轮
10
齿条
13
齿条长度
80
项目名称
计算公式及代号
转齿轮齿条数值
齿轮分度圆直径
32
齿顶高
齿轮
2.836
齿条
2
齿根高
齿轮
1.664
齿条
2.5
齿高
齿轮
4.5
齿条
齿轮中心到齿条中心距
16.8
齿距
6.283
齿条齿数
14
3.2安装站机械部分三维图
图8机械部分三维图
4控制系统硬件设计
4.1PLC选型
本模块的六个工作站都是采用PLC进行控制，而且PLC的型号均为S7-200，S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
极高的可靠性；
极丰富的指令集；
易于掌握；
便捷的操作；
丰富的内置集成功能；
实时特性；
强劲的通讯能力；
丰富的扩展模块。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用，CPU221～226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
此次课程设计采用了CPU226，该机集成24输入点，16输出点，共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统，CPU226的外形如图9所示。
图9CPU226的外形图
4.2I/O地址定义
在PLC接线及其编程中需要定义I/O地址，这样可以清晰简单的完成一系列所期望的工作台运作。
本工作站的公共I/O地址定义如下表1，安装站I/O地址定义如下表3。
表2公共I/O地址定义
地址
定义
I1.0
开始
I1.1
复位
I1.2
特殊
I1.3
手/自
I1.4
单/联
I1.5
停止
I1.6
继电器8
I2.0~I2.4
为通讯口
Q1.2~Q1.6
为通讯口
Q1.2，Q1.3，Q1.4，Q1.6
对应后站的I2.0，I2.1，I2.2，I2.3
Q1.5
对应前站I2.4
Q1.2
大工件颜色
Q1.3
小工件颜色
Q1.4
废品
Q0.0~Q0.6
PLC动作输入
Q0.7
开始灯
Q1.0
复位灯
B28
停止灯
表3安装站I/O地址定义
地址
定义
I0.0
机械臂安装到位
I0.1
机械臂复位到位
I0.2
装料缸后退到位
I0.3
装料缸前进到位
I0.5
推料缩进到位
I0.6
推料伸出到位
Q0.0
机械臂安装
Q0.1
机械臂复位
Q0.2
料桶缩进
Q0.3
料桶伸出
Q0.5
抽真空
Q0.6
推料伸出
4.3电路设计
4.3.1控制面板
控制面板有五个按钮开关、二个选择开关、一个急停开关和四个显示灯。
（1）表4按钮
按钮编号
功能含义
1
开始
2
复位
3
特殊功能按钮
4（两位旋钮）
自动／手动
5（两位旋钮）
单站／联网
6（两位旋钮）
停止／报警
7
上电
8
急停
（2）表5显示灯按钮
显示灯
绿色显示灯1
黄色显示灯
红色显示灯
绿色显示灯2
功能含义
开始指示
复位指示
停止指示
上电指示
4.3.2按钮电路
按钮电路如图10所示。
图10按钮电路图
4.3.3显示灯电路
显示灯电路如图11所示。
图11显示灯电路
4.3.4控制面板电路
控制面板电路如图12所示。
图12控制面板电路图
4.3.5传感器电路
安装站有六个传感器，六个电磁换向阀，一个红外传感器。
磁性开关：
接线图中的I0.0，I0.1，I0.2，I0.3，I0.5，I0.6接的磁性开关，磁性开关的型号为D-C73，接线原理如图13所示。
图13D-C73接线原理图
D-C73参数见表6。
表6D-Z73参数
名称
D—Z73
用途
继电器、程序控制器
负载电压
24VDC
100VAC
负载电流
5mA~40mA
5mA~0mA
泄漏电流
0mA
内部电压降
≤2.4V
指示灯
接通时发光二极管亮
安装形式
轨道安装
响应时间
≤1.2ms
绝缘电阻
500VDC时，≥50MΩ
绝缘耐压
1500VAC，1min不击穿
环境温度
-10℃~+60℃
保护构造
IEC规格IP67，防浸（JISC0920）以及防油构造
4.3.6气缸电路
Q0.0，Q0.1，Q0.2，Q0.3输出控制的是电磁换向阀，电磁换向阀控制气缸
，其接线原理图如图14所示。
图14气缸
的接线原理图图15气缸
的接线原理图
Q0.5，Q0.6输出控制的是电磁换向阀，电磁换向阀控制气缸
，其接线原理图如图15所示。
4.3.7真空发生器
真空发生器的工作原理是利用喷管喷射压缩空气，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，使吸腹腔内的压力降至大气压之下，形成一定真空度。
本实验选用型号为ZH05B型真空发生器。
原理图和实物图见图16和图17。
图16真空发生器原理图图17ZH05B型真空发生器
4.3.8安装站电气图
图18安装站电气图
图19安装站电气框图
4.4安装站接线端子图
4.4.1电源及电源供电端子排
供电：
交流AC220V，市电，送入PLC可便程序控制器和开关电源；控制电源：
直流DC24V，开关电源，送入PLC、各端子排、控制面板、传感器、驱动和伺服电路。
图20电源供电端子排
4.4.2控制面板连接端子排
连接控制面板各按钮控制信号及指示灯，C为24针连接插头，连接控制面板各按钮控制信号及指示灯，TI1为信号输入端子，TO1为信号输出端子。
图21控制面板连接端子排
4.4.3执行部分接线端子排
连接PLC编程器与传感器和驱动机构。
C4连接PLC可编程控制器；TI4传感器输入信号端子；TO4输出电磁阀和驱动机构控制信号。
图22执行部分接线端子排
4.5
安装站可编程序控制器（PLC）I/O端子
图23PLCI/O端子
5安装站控制系统软件设计
5.1主控PLC介绍
实验台的整个工作流程是通过一系列PLC程序来实现的，由电脑界面往PLC中输入，S7-200是用梯型图的方式来完成编程。
PLC是一种专为在工业环境下应用而设计的控制器，具有很高的抗干扰性和可靠性，是一种数字运算的电子系统，采用了可编程序存储器，并通过数字量或模拟量输入输出，用来监测、控制各种类型的生产过程。
PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入/输出部件（I/O单元）、电源和编程器几大部分组成，如图24所示。
中央处理器（CPU）：
中央处理器是PLC的核心，起着总指挥的作用。
将输入信号送入PLC中存储起来，按存放的先后顺序取出用户指令，进行编译；完成用户指令规定的各种操作；将结果送到输出端；响应各种外围设备（如打印机等）的请求；目前PLC中所用的处理器多为单片机，在高档机中现己采用16位甚至32位单片机作为处理器。
存储器（ROM/RAM）：
PLC内部存储器有两类：
一类是RAM（即随机存储器），可以随时由处理器对它进行读取、写入；另一类是ROM（即只读存储器），处理器只能从中读取而不能写入。
RAM主要用来存放各种暂存的数据，中间结果及用户程序。
ROM主要用来存放监控程序及系统内部数据，这些程序及数据出厂时固化在ROM芯片中。
输入/输出单元（I/O接口单元）：
它起着PLC和外围设备之间传递信息的作用，为了保证PLC可靠的工作，设计者在PLC的接口电路上采取了不少措施。
输入端采用光电偶合电路，可以大大减少电磁干扰。
输出也采用光隔离电路，并分为三种类型：
继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。
这使得PLC可以适应各种用户的不同要求，其中继电器输出型为有触点输出方式，可用于直流或低频交流负载回路；晶闸管输出型和晶体管输出型皆为无触点输出方一式，前者可用于高频大功率交流负载回路，后者则用于高频小功率交流负载回路。
而且有些输出电路被做成模块式，可插拔，更换起来十分方便。
电源：
PLC电源是指将外部交流电经整流，滤波，稳压转换成满足PLC中央处理器，存储器，输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电路或电源模块为避免电源间干扰，输入输出接口电路的电源回路彼此相互独立。
编程器：
编程器是PLC最重要的外围设备，它实现了人与PLC的联系对话。
用户利用编程工具不但可以输入，检查，修改和调试用户程序，还可以监视PLC的工作状态，修改内部系统寄存器的设置参数以及显示错误代码等。
编程工具分两种，一种是手持编程器，只需通过编程电缆与PLC相接，若PLC用的是RS422通信口，则须另加适配器。
输入/输出扩展接口：
若主机单元（带有处理器）的输入/输出点数不够用，可进行输入/输出扩展，即通过输入/输出扩展接口电缆与输入/输出扩展单元（不带有处理器）相接，以扩充输入/输出点数。
A/D，D/A单元一般也通过该接口与主机单元相接。
5.2安装站PLC编程
本站通过通信转换接口电缆将逻辑控制和顺序控制系统的编程程序载入PLC，PLC在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态，并将此状态存入输入映像寄存器，接着转入程序的执行阶段；PLC在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的次序，逐条执行程序指令，从输入映像寄存器和其他元件映像寄存器中读出有关元件的通/断状态。
通过它的通讯实现各站间数据传递和运动配合的控制。
5.2.1安装站PLC流程图
图25安装站PLC流程图
5.2.2安装站PLC顺序功能图
图26安装站PLC顺序功能图
5.2.3指令表程序
LDM8002
SETM0
LDM0
ANDX011
ANDX016
LDM1
ANDX001
ANDX003
ANDX005
ORB
LDM2
ANDX010
LDM3
LDX026
ANDX014
LDIX014
ANDX012
ORB
ANB
ORB
LDM4
ANDX000
ORB
LDM5
ANDX006
LDM6
ANDX001
ANDX005
ORB
LDM7
LDT1
ORX004
ANB
ORB
LDM10
ANDX001
LDY002
ANDX003
LDY003
ANDX002
ORB
ANB
ORB
LDM11
LDIX026
ORIX014
ANB
ORB
SFTLM50M0K20K1
LDM12
SETM3
LDM8
ANDX000
OUTTO
LDX020
OUTY020
LDX024
OUTY023
LDX023
OUTY024
LDM1
ORM6
ORM10
OUTY000
LDM4
ORM8
OUTY001
LDM1
ANDX006
SETY002
LDM3
RSTY002
LDPM10
ANDX002
ANIX003
SETY002
LDM3
RSTY003
LDPM10
ANDX003
ANIX002
SETY003
LDM1
ORM9
OUTY004
OUTT2
LDM7
OUTY005
OUTT1
LDM5
OUTY006
LDM2
ANDM8013
OUTY010
LDM0
ANDX016
ANDM8013
OUTY011
LDM4
MPS
ANDX002
RSTY021
LDM3
ORM11
SETY026
LDM4
RSTY026
LDX022
OUTY022
END
6收获和体会
这次课程设计是我们机械设计制造及其自动化学生实践部分中的重要环节，对我们很重要。
在以前，我们学的都是一些理论知识，而且我们光只注意一些理论知识，没有专门的练习来提高我们的实际操作能力。
这一次的课程设计没
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