YL335B现代化的自动生产设备设计论文.docx
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YL335B现代化的自动生产设备设计论文
YL-335B现代化的自动生产设备设计
前言
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。
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，使我们得到一个非常接近于实际的教学设备环境，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。
1YL-335B的系统介绍
1.1YL-335B的组成
亚龙YL-335B型自动生产线实训考核装备由安装在铝合金导轨式实训台上的送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。
如图1-1所示。
图1-1YL-335B外观图
每一工作单元既可自成一个独立的系统，同时又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，输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、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交流异步电动机的传动装置。
位置控制和变频器技术是现代工业应用最为广泛的电气控制技术。
本设计中YL-335B应用传感器来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装备应用技术中的关键技术之一，也是现代工业实现高度自动化的前提之一。
在控制方面，YL-335B采用基于RS485串行通信的PLC网络控制方案，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型号及其所支持的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生产线上有着广泛的应用，在现代工业网络通信中占据相当的份额。
1.2YL-335B的电气控制
1.2.1YL-335B工作单元的结构特点
YL-335B设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电气控制部分的相对分离。
每
图1-2装置侧接线端口图1-3PLC侧接线端口
一工作单元机械装置整体安装在底板上，而控制工作单元生产过程的PLC装置则安装在工作台两侧的抽屉板上。
因此，工作单元机械装置与PLC装置之间的信息交换是一个关键的问题。
YL-335B的解决方案是：
机械装置上的各电磁阀和传感器的引线均连接到装置侧的接线端口上。
PLC的I/O引出线则连接到PLC侧的接线端口上。
两个接线端口间通过多芯信号电缆互连。
图1-2和图1-3分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。
装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接DC24V电源的+24V端，底层端子用以连接DC24V电源的0V端，中间层端子用以连接各信号线。
PLC侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信号线,其端子号与装置侧的接线端口的接线端子相对应。
底层端子用以连接DC24V电源的+24V端和0V端。
装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口之间通过专用电缆连结。
其中25针接头电缆连接PLC的输入信号，15针接头电缆连接PLC的输出信号。
1.2.2YL-335B的控制系统
YL-335B的每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也可以通过网络互连构成一个分布式的控制系统。
1、当工作单元自成一个独立的系统时，其设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显示信号，来源于该工作单元按钮指示灯模块。
模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。
模块盒上器件包括：
⑴指示灯（24VDC）：
黄色（HL1）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一个。
⑵主令器件：
绿色常开按钮SB1一个、红色常开按钮SB2一个、选择开关SA（一对转换触点）、急停按钮QS（一个常闭触点）
2、当各工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时，对于采用西门子S7-200系列PLC的设备，YL-335B的标准配置是采用PPI协议的通信方式。
设备出厂的控制方案如图1-4所示。
图1-4
各工作站PLC配置如下：
⑴输送单元：
S7-226DC/DC/DC主单元，共24点输入，16点晶体管输出。
⑵供料单元：
S7-224AC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。
⑶加工单元：
S7-224AC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。
⑷装配单元：
S7-226AC/DC/RLY主单元，共24点输入，16点继电器输出。
⑸分拣单元：
S7-224XPAC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。
3、人机界面
系统运行的主令信号（复位、启动、停止等）通过触模屏人机界面给出。
同时，人机界面上也显示系统运行的各种状态信息。
人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁。
使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。
使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产成本，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。
YL-335B采用了昆仑通态（MCGS）TPC7062KS触摸屏作为它的人机界面。
TPC7062KS是一款以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的高性能嵌入式一体化工控机。
该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096），同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统WinCE.NET（中文版）和MCGS嵌入式组态软件（运行版）。
1.3供电电源
外部供电电源为三相五线制AC380V/220V，图1-5为供电电源模块一次回路原理图。
图中，总电源开关选用DZ47LE-32/C32型三相四线漏电开关。
系统各主要负载通过自动开关单独供电。
其中，变频器电源通过DZ47C16/3P三相自动开关供电；各工作站PLC均采用DZ47C5/2P单相自动开关供电。
此外，系统配置4台DC24V6A开关稳压电源分别用作供料、加工和分拣单元，及输送单元的直流电源。
图1-5供电电源模块一次回路原理图
图1-7配电箱设备安装图
2供料单元控制系统
2.1供料单元的气动系统
2.1.1气动元件
供料站气动控制回路采用标准双作用直线气缸作为执行元件为了使气缸的动作平稳可靠，使用单向节流阀单对气缸的运动速度加以控制，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，也称为速度控制阀。
单电控电磁换向阀、电磁阀组。
YL-335B所有工作单元的执行气缸都是双作用气缸，因此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。
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。
2.1.2气动控制回路
气动控制回路是本工作单元的执行机构，该执行机构的控制逻辑与控制功能是由PLC实现的。
气动控制回路的工作原理如图2-1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为安装在推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。
通常，这两个气缸的初始位置均设定在缩回状态。
图2-1供料单元气动控制回路工作原理图
2.2传感器
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。
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。
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固定位螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧固定螺栓。
磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使
用时蓝色引出线应连接到PLC输入公共
端，棕色引出线应连接到PLC输入端。
磁
性开关的内部电路如图2-1中虚线框内
所示。
图2-1磁性开关内部电路
2、漫射式光电接近开关
漫射式光电接近开关供料单元中，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神视（OMRON）公司的CX-441（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），。
该光电开关的外形和顶端面上的调节旋钮与显示灯如图2-2所示。
图2-2CX-441（E3Z-L61）光电开关的外形和调节旋钮、显示灯
图2-3给出该光电开关的内部电路原理框图。
图2-3CX-441（E3Z-L61）光电开关电路原理图
用来检测物料台上有无物料的光电开关是一个圆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2-4所示。
图2-4MHT15-N2317光电开关外形
2.3供料单元的PLC控制系统
PLC的I/O接线
根据工作单元装置的I/O信号分配（表2-1）和工作任务的要求，供料单元PLC选用S7-224AC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。
PLC的I/O信号分配如表2-2所示，接线原理图则见图2-5。
表2-1供料单元装置侧的接线端口信号端子的分配
表2-2供料单元PLC的I/O信号表
图2-5供料单元PLC的I/O接线原理图
3加工单元控制系统
3.1加工单元的气动系统
加工单元所使用气动执行元件包括标准直线气缸、薄型气缸和气动手指。
加工单元的气动控制元件均采用二位五通单电控电磁换向阀，各电磁阀均带有手动换向和加锁钮。
它们集中安装成阀组固定在冲压支撑架后面。
气动控制回路的工作原理如图3-1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为安装在加工台伸缩气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，3B1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、加工台伸缩气缸和手爪气缸的电磁阀的电磁控制端。
图3-1加工单元气动控制回路工作原理图
3.2加工单元的PLC控制系统
PLC的I/O分配及系统安装接线，装置侧接线端口信号分配如表3-1所示
表3-1加工单元装置侧的接线端口信号端子的分配
2）加工单元选用S7-224AC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。
PLC的I/O信号表如表3-2所示，接线原理图如图3-2所示。
表3-2加工单元PLC的I/O信号表
图3-2加工单元PLC的I/O接线原理图
4装配单元控制系统
4.1示灯、传感器
1、警示灯
本工作单元上安装有红、橙、绿三色警示灯，它是作为整个系统警示用的。
警示灯有五根引出线，其中黄绿双色线：
黄绿双色线为”“地线”；红色线：
红色灯控制线；黄色线：
橙色灯控制线，绿色线：
绿色灯控制线；黑色线：
信号灯公共控制线。
接线如图4-1所示。
图4-1警示灯及其接线
2、光纤传感器
光纤型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。
光纤传感器组件如图4-2所示。
图4-3是放大器的安装示意图。
图4-4给出了放大器单元的俯视图，调节其中部的8旋转灵敏度高速旋钮就能进行放大器灵敏度调节（顺时针旋转灵敏度增大）。
调节时，会看到“入光量显示灯”发光的变。
图4-2光纤传感器组件图4-3光纤传感器组件外形
化。
当探测器检测到物料时，“动作显示灯”会亮，提示检测到物料。
图4-4光纤传感器放大器单元的俯视图
图4-5E3X-NA11型光纤传感器电路框图
4.2装配单元的气动系统
图4-6装配单元气动控制回路
4.3装配单元的PLC控制系统
装配单元的I/O点较多，选用S7-226AC/DC/RLY主单元，共24点输入，16点继电器输出。
PLC的I/O分配如表4-2所示。
图4-7是PLC接线原理图。
表4-1装配单元装置侧的接线端口信号端子的分配
表4-2装配单元PLC的I/O信号表
输入信号
输出信号
序号
PLC输
入点
信号名称
信号来源
序号
PLC输
出点
信号名称
信号来源
1
I0.0
零件不足检测
装置测
1
Q0.0
挡料电磁阀
装置测
2
I0.1
零件有无检测
2
Q0.1
顶料电磁阀
3
I0.2
左料盘零件检测
3
Q0.2
回转电磁阀
4
I0.3
右料盘零件检测
4
Q0.3
手抓加紧电磁阀
5
I0.4
装配台工件检测
5
Q0.4
手抓下降电磁阀
6
I0.5
顶料到位检测
6
Q0.5
手臂伸出电磁阀
7
I0.6
顶料复位检测
7
Q0.6
红色警示灯
8
I0.7
挡料状态检测
8
Q0.7
橙色警示灯
9
I1.0
落料状态检测
9
Q1.0
绿色警示灯
10
I1.1
摆动气缸左限位
10
Q1.5
HL1
指示灯模块
11
I1.2
摆动气缸右限位
11
Q1.6
HL2
12
I1.3
手抓加紧检测
12
Q1.7
HL3
13
I1.4
手抓下降到位检测
13
14
I1.5
手抓上升到位检测
14
15
I1.6
手臂缩回到未检测
15
16
I1.7
手臂伸出到位检测
16
17
I2.4
停止按钮
按钮模块
17
18
I2.5
启动按钮
按钮模块
18
19
I2.6
紧急停止按钮
19
20
I2.7
单机/联机
20
图4-7装配单元PLC接线原理
5分拣单元控制系统
5.1旋转编码器、超声波传感器
1、旋转编码器
YL-335B分拣单元使用了这种具有A、B两相90º相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。
编码器直接连接到传送带主动轴上。
该旋转编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率500线，工作电源DC12～24V。
本工作单元没有使用Z相脉冲，A、B两相输出端直接连接到PLC（S7-224XPAC/DC/RLY主单元）的高速计数器输入端。
计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。
分拣单元主动轴的直径为d=43mm,则减速电机每旋转一周，皮带上工件移动距离L=π•d=3.14×43=136.35mm。
故脉冲当量μ为μ=L/500≈0.273mm。
按如图1-6所示的安装尺寸，当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器约发出604个脉冲；移至第一个推杆中心点时，约发出945个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1282个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1546个脉冲。
2、超声波传感器
如5-1图所示：
左边绿色指示灯为电源和信号强度指示灯，右边黄色指示灯为信号输出指示灯，TEACH为调节按钮
参数设置
近限和远限手动设置
（1）进入编程模式：
长按TEACHPushButton直到OUT灯变红；
（2）设置低限：
短按TEACHPushButton，设置完成OUT灯闪烁；
（3）设置高限：
短按TEACHPushButton，设置完成退出编程模式，进入RUN模式OUT灯变回初始状态；图5-1
（4）低限或高限没有设置完成前，长按TEACHPushButton，退出编程模式；
（5）在编程模式下，低限设置前，如果时间超过120秒，退出编程模式
超声波传感器接线说明：
棕色（bn）：
+24v
蓝色（bu）：
0V（模拟量输出公共端）
白色（wh）:
模拟量输出端
黑色（bk）：
开关量信号端
灰色（gy）:
远程终端
屏蔽线（shiled）：
接地端
图5-2
PLC接线原理图：
图5-3
5.2变频器的选用
分拣单元输送皮带的速度由变频器控制，该单元选用的变频器型号为：
西门子MM420变频器。
该变频器额定参数为：
•电源电压：
380V～480V，三相交流
•额定输出功率：
0.75KW
•额定输入电流：
2.4A
•额定输出电流：
2.1A
•外形尺寸：
A型
•操作面板：
基本操作板（BOP）
图5-4变频器外形
图5-5MM420变频器的接线端子
MM420变频器的参数：
段固定频率控制参数：
步骤号参数号出厂值设置值说明
1P000311设用户访问级为标准级
2P000407命令组为命令和数字I/O
3P070022命令源选择“由端子排输入”
4P000312设用户访问级为扩展级
5P0701116DIN1功能设定为固定频率设定值（直接选择+ON）
6P07021216DIN2功能设定为固定频率设定值（直接选择+ON）
7P0703912DIN3功能设定为接通时反转
8P0004010命令组为设定值通道和斜坡函数发生器
9P100023频率给定输入方式设定为固定频率设定值
10P1001025固定频率1
11P1002515固定频率2
设置电动机参数：
参数号出厂值设置值说明
P000311设用户访问级为标准级
P001001快速调试
P010000设置使用地区，0=欧洲，功率以KW表示，频率为50Hz
P0304400380电动机额定电压（V）
P03051.900.18电动机额定电流（A）
P03070.750.03电动机额定功率（KW）
P03105050电动机额定频率（Hz）
P031113951300电动机额定转速（r/min）
5.3分拣单元的气动系统
分拣单元的电磁阀组使用了三个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。
这三个阀分别对金属、白料和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。
本单元气动控制回路的工作原理如图5-6所示。
图中1A、2A和3A分别为分拣一气缸、分拣二气缸和分拣三气缸。
1B1、2B1和3B1分别为安装在各分拣气缸的前极限工作位置的磁感应接近开关。
1Y1、2Y1和3Y1分别为控制3个分拣气缸电磁阀的电磁控制端。
图5-6分拣单元气动控制回路工作原理图
5.4分拣单元的PLC控制系统
分拣单元装置侧的接线端口信号端子的分配如表5-1所示。
表5-1分拣单元装置侧的接线端口信号端子的分配
输入端口中间层
输出端口中间层
端子号
设备符号
信号线
端子号
设备符号
信号线
2
DECODE
旋转编码器B相
2
1Y
推杆1电磁阀
3
旋转编码器A相
3
2Y
推杆2电磁阀
4
SC1
光纤传感器1
4
3Y
推杆3电磁阀
5
SC2
光纤传感器2
6
SC3
进料口工件检测
7
SC4
电感式传感器
9
1B
推杆1推出到位
10
2B
推杆2推出到位
11
3B
推杆3推出到位
分拣单元PLC选用S7-224XPAC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。
选用S7-224XP主单元的原因是，当变频器的频率设定值由HMI指定时，该频率设定值是一个随机数，需要由PLC通过D/A变换方式向变频器输入模拟量的频率指令，以实现电机速度连续调整。
S7-224XP主单元集成有2路模拟量输入，1路模拟量输出，有两个RS-485通信口。
可满足D/A变换的编程要求。
PLC的I/O信号表见表5-10，I/O接线原理图如图5-7所示。
表5-2分拣单元PLC的I/O信号表
图5-7分拣单元PLC的I/O接线原理图
6输送单元控制系统
6.1伺服电机及伺服放大器
YL-335B所使用的松下MINASA4系列AC伺服电机•驱动器，电机编码器反馈脉冲为2500pulse/rev。
缺省情况下，驱动器反馈脉冲电子齿轮分-倍频值为4倍频。
如果希望指令脉冲为6000pulse/rev，那末就应把指令脉冲电子齿轮的分-倍频值设置为10000/6000。
从而实现PLC每输出6000个脉冲，伺服电机旋转一周，驱动机械手恰好移动60mm的整数倍关系。
松下MINASA4系列AC伺服电机•驱动器
在YL-335B的输送单元上中，采用了松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服电机，及MADDT1
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