自动生产线输送单元控制系统.docx

1、自动生产线输送单元控制系统摘 要传统的机械设备与产品多以机械为主，是电气、液压和气动控制的机械设备，随着工业水平的不断发展，机械设备已逐步的由手动控制改为自动控制，设备本身也发展成为机电一体化的综合体，可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合计算机、自动化技术和通讯技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过30多年的发展，目前可编程控制器已经成为自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）首位。其广泛的深度和广度成为衡量一盒国家工业自动化程度高低的标志。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

2、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。本文对YL-335B进行了的系统介绍，详细的介绍了输送单元的基本结构、工作过程、基本功能及工艺功能，机械手作为输送单元的重要组成部分，也对抓取机械手装置构成、工作方

3、式及相关原理进行了分析，并且对输送单元当中运用到的相关知识点进行阐述。关键词：机械手、可编程控制器(PLC)Key Words:Manipulators Extraman；Programmable Logic Controller；第一章 绪论 31.1 PLC的发展历程 31.2 PLC在现代工业生产中的作用和应用 41.3现代工业生产中常用到的PLC类型和品牌 41.4.现代工业中自动生产线的种类 41.5研究本课题的重要意义、目的 5第二章 YL-335B的系统介绍 62.1 YL-335B的组成 62.1.1 供料单元控制系统 62.1.2 加工单元控制系统 92.1.3 装配单元控制

4、系统 92.1.4 分拣单元控制系统 112.1.5 输送单元控制系统 122.2 YL-335B的电气控制 122.2.1 工作单元的结构特点 122.2.2 YL-335B的控制系统 12第三章YL-335B输送单元的抓取和机械手的简介 143.1 输送单元的基本结构与工作过程 143.1.1 输送单元的基本功能 143.1.2 输送单元工艺功能 143.2.1 抓取机械手具体构成 143.2.2 抓取机械手的工作过程 153.2.3 直线运动传动组件 153.3 气动控制回路 163.3.1 相关的知识点 17第四章 输送单元的PLC控制及编程 184.1 工作任务 184.2 PLC的

5、地址分配194.3 PLC的顺序功能图194.4 PLC的二次接线图204.5 PLC的时序图214.6 PLC的主程序224.7 自动生产线加工单元仿真符号表及仿真地址 27总结与体会 28谢辞 29参考文献 30绪论 随着计计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着重要的作用。作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场

6、容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步

7、存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。 相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有

8、专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。1.1 PLC的发展历程 1968年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与

9、生产发展的需要，提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。要实现这个战略决策，依靠原有的工业控制装置显然不行，而必须有一种新的工业控制装置，它可以随着生产品种的改变，灵活方便地改变控制方案以满足对控制的不同要求。1969年，著名的美国数字设备公司（DEC）根据GM的功能要求，研制出了这种新的工业控制装置，并在GM公司的一条汽车自动化生产线上首次运行取得成功。根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑控制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。从1968年到现在，PLC经

10、历了四次换代：第一代PLC大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只有逻辑控制功能。在第二代PLC产品中换成了8位微处理器及半导体存储器，PLC产品开始系列化。第三代PLC产品随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展。第四代PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC（Reduced instruction set computer）精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个处理器，进行多通道处理。同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制

11、功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。同一时期，由PLC组成的PLC网络也得到飞速发展。PLC与PLC网络成为工厂企业中首选的工业控制装置，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS（computer-integrated manufacturing system）系统不可或缺的基本组成部分。人们高度评价PLC及其网络的重要性，认为它是现代工业自动化的三大支柱之一。1.2 PLC在现代工业生产中的作用和应用随着计算机技术的飞速发展，PLC（即可编程逻辑编程器的简称）已经进入日常生产、生活的各个方面，PLC的应用在各行各业已成为必不可少的内

12、容。PLC作为通用的工业计算机，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。PLC 从诞生至今，仅有30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。在现代工业中生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现在生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的

13、产物，并以现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，受到机械工业和铁路部门的重视。1.3现代工业生产中常用到的PLC类型和品牌分类方式种类代表机型例举按控制规模小型机德国西门子公司的S7-200机、德维森公司的V80系列中型机德国西门子公司的S7300机、德维森公司的PPC11系列大型机德维森公司的PPC22系列超大型机美国GE公司的9070机按结构划分箱体式微型机模块式OMRON公司C20

14、系列、POMRON公司C20系列PLCLC按生产厂家分德国西门子公司S595U、100U、115U、135U及155U日本OMRON公司CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM日本三菱公司AIS、AZC、A3A等美国AB公司PLC5系列德维森公司V80、PPC11、PPC22和PPC31和利时公司FOPLC系列1.4.现代工业中自动生产线的种类 生产线是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产活动所构成的路线。狭义的生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的

15、各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。生产线的种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产线，按节奏快慢分为流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化生产线和非自动化生产线。生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量比例，决定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必需的机器设备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具有较大的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，采用生

16、产线能取得良好的经济效益。1.5研究本课题的重要意义、目的毕业设计是机电一体化技术专业十分重要的实践性教学环节，是培养学生实际动手能力和分析问题解决问题能力、理论与实践相结合的基本训练，提高综合应用电路、电机与拖动、电力电子技术、电力拖动自动控制系统、自动控制原理、传感器技术、计算机原理与接口技术、PLC等所学专业知识的系统应用能力，创新能力，工程开发中的协作精神；提高分析和解决实际问题的能力，以系统性地加深对所学理论知识的理解。第二章YL-335B的系统介绍2.1 YL-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

17、送单元和分拣单元 5 个单元组成。如图 1-1 所示。 图2-1 YL-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

18、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。2.1.1 供料单元控制系统2.1.1.1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

19、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。2.1.1.2气动

20、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 2-2 供料单元气动控制回路工作原理2.1.1.3 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

21、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

22、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 2-3 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 2-4 CX-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 2-4 CX-441（E3Z-L61

23、）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2-5所示。图 2-52.1.2 加工单元控制系统加工单元的功能是完成把待加工工件在加工台加紧，并移送到加工区域冲压气缸的正下方，完成对工件的冲压加工，然后把加工好的工件重新送出的过程。 表2-6 加工单元装置侧的接线端口信号端子的分配2.1.3 装配单元控制系统2.1.3 .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

24、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。2、光纤传感器图 2-7 警示灯及其接线 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 2-8所示。图2-9是放大器的安装示意图。图2-10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。2-8纤传感器组件图 2-9

25、 光纤传感器组件外形图 2-10 光纤传感器放大器单元的俯视图图 2-11 E3X-NA11 型光纤传感器电路框图图2-12 装配单元气动控制回路2.1.4 分拣单元控制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2-13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

26、磁控制端。图2-13 分拣单元气动控制回路工作原理图2.1.5 输送单元的气动系统输送单元的气动系统由：气动手爪、伸缩气缸、回转气缸、提升气缸、2个二位五通双向控阀、2个二位五通单向电控阀电组成。2.2 YL-335B的电气控制 2.2.1 YL-335B 工作单元的结构特点 图2-14 装置侧接线端口 图 2-15 PLC侧接线端口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-3

27、35B 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2-14和图2-15 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P

28、LC 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。2.2.2 YL-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： 指示灯（24VDC） ：黄色（HL1）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一个。 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

29、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2-16所示。图2-16各工作站PLC 配置如下： 输送单元：S7-226 DC/DC/DC 主单元，共24点输入，16点晶体管输出。供料单元：S7-224 AC/DC/RLY 主单元，共14点输入和10点继电器输出。加工单元：S7-224 AC/DC/RLY 主单元，共14点输入和10点继电器输出。装配单元：S7-226 AC/DC/RLY 主单元，共24点输入，16点继电器输出。分拣单元：S7-224 XP AC/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