自動生產(chǎn)線供料單元及其PLC控制程序設計

自動生產(chǎn)線供料單元及其PLC控制程序設計,自動生產(chǎn)線供料單元及其PLC控制程序設計,自動生產(chǎn)線,供料,單元,及其,plc,控制程序,設計 摘 要 亞龍YL-335B 型自動生產(chǎn)線實訓考核裝備由安裝在鋁合金導軌式實訓臺上的送料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元5個單元組,供料單元是YL-335B 中的起始單元，在整個系統(tǒng)中，起著向系統(tǒng)中的其他單元提供原料的作用。具體的功能是：工件垂直疊放在料倉中，推料缸處于料倉的底層并且其活塞桿可從料倉的底部通過。當活塞桿在退回位置時，它與最下層工件處于同一水平位置，而頂料氣缸則與次下層工件處于同一水平位置。在需要將工件推出到物料臺上時，首先使夾緊氣缸的活塞桿推出，壓住次下層工件；然后使推料氣缸活塞桿推出，從而把最下層工件推到物料臺上。在推料氣缸返回并從料倉底部抽出后，再使夾緊氣缸返回，松開次下層工件。這樣，料倉中的工件在重力的作用下，就自動向下移動一個工件，為下一次推出工件做好準備。 關鍵詞：自動，PLC，供料 Abstract Automatic production line training and testing equipment by the installation in the aluminum alloy guide training and send feeding unit, processing unit, assembly unit, conveying and sorting unit 5 unit group of Yalong YL-335B type, feeding unit is the starting unit YL-335B. In the whole system and play a role to other units in the system to provide raw materials. Specific functions: workpiece vertically stacked in silo, pushing cylinder is at the bottom of the silo and the piston rod can be passed from the bottom of the silo. When the piston rod is retracted, it is at the same level as the lower part of the piston rod, while the top cylinder is in the same horizontal position with the sub layer. When the workpiece to the launch of the material on the stage, first of all, make the clamping cylinder piston rod out of, time press and hold the underlying workpiece; then the pushing cylinder piston rod out, to the bottom of the workpiece is pushed to the material. The pushing cylinder return and withdrawn from the bottom of the bin, then the clamping cylinder return time, loosen the lower workpiece. So bin in the workpiece under the action of gravity automatically move downwards a workpiece, as a introduction of the workpiece to prepare. Keywords: automatic feeding, PLC,feeder. 目錄 摘 要 1 Abstract 2 目錄 3 第1章 了解現(xiàn)代化自動生產(chǎn)線 4 1.1 自動生產(chǎn)線的概念 4 1.2 認知YL-335B型自動化生產(chǎn)線 5 第2章 供料單元的結(jié)構(gòu)設計 15 2.1 供料單元的結(jié)構(gòu)設計方案 15 2.1.1工件推出與支撐及漏斗部分設計 15 2.1.2 支撐架設計 16 2.2 氣路設計與選型 17 2.2.1 氣動回路設計 17 2.2.2 供料單元的氣動元件選擇 17 2.2.2.1 標準雙作用直線氣缸 17 2.2.2.2 單電控電磁換向閥、電磁閥組 18 2.2.2.3 傳感器的選擇 20 第3章 供料單元控制系統(tǒng)設計 26 3.1 工作任務 26 3.2 PLC的I/O 接線 26 3.3 供料單元單站控制的編程思路 27 3.4 調(diào)試與運行 35 第4章 結(jié)論 37 參考文獻 38 第1章 了解現(xiàn)代化自動生產(chǎn)線 1.1 自動生產(chǎn)線的概念 自動生產(chǎn)線由自動執(zhí)行裝置(包括各種執(zhí)行器件、機構(gòu)，如電機，電磁鐵，電磁閥，氣動，液壓等)，經(jīng)各種檢測裝置(包括各種檢測器件，傳感器，儀表等)，檢測各裝置的工作進程，工作狀態(tài)，經(jīng)邏輯，數(shù)理運算，判斷，按生產(chǎn)工藝要求的程序，自動進行生產(chǎn)作業(yè)的流水線。圖1.1給出了一些自動生產(chǎn)線的例子。 自動生產(chǎn)線不僅要求線體上各種機械加工裝置能自動地完成預定的各道工序及其工藝過程，使產(chǎn)品成為合格的制品，而且要求在裝卸工件、定位夾緊、工件在工序間輸送、工件的分揀甚至包裝等都能自動地進行，使其按照規(guī)定的程序自動地進行工作。例如在圖1.1 (a) 汽車小冰箱組裝線和 (b)的彩電總裝線中，為了使產(chǎn)品在不同工位進行組裝，產(chǎn)品的輸送和定位都是重要的一環(huán)。 （1）汽車小冰箱組裝線 （2）彩電總裝線 圖1.1 自動生產(chǎn)線例子 簡單的說，自動生產(chǎn)線是由工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，將一組自動機床和輔助設備按照工藝順序聯(lián)結(jié)起來，自動完成產(chǎn)品全部或部分制造過程的生產(chǎn)系統(tǒng)，簡稱自動線。 2、自動生產(chǎn)線的發(fā)展概況 自動線所涉及的技術領域是很廣泛的，它的發(fā)展、完善是與各種相關技術的進步及互相滲透緊密相連的。各種技術的不斷更新推動了它的迅速發(fā)展。 可編程控制器是一種以順序控制為主，網(wǎng)路調(diào)節(jié)為輔的工業(yè)控制器。它不僅能完成邏輯判斷、定時、記數(shù)、記憶和算術運算等功能，而且能大規(guī)模地控制開關量和模擬量?；谶@些優(yōu)點，可編程控制器取代了傳統(tǒng)的順序控制器，開始廣泛應用于自動化生產(chǎn)中的控制系統(tǒng)。 機器人技術由于微機的出現(xiàn)，內(nèi)裝的控剃器被計算機代替而產(chǎn)生了工業(yè)機器人，以工業(yè)機械手最為普遍。各具特色的機器人和機械手在自動化生產(chǎn)中的裝卸工件、定位夾緊、工件傳輸、包裝等部分得到廣泛使用?，F(xiàn)在正在研制的新一代智能機器人不僅具有運動操作技能，而且還有視覺、聽覺、觸覺等感覺的辨別能力，具有判斷、決策能力。這種機器人的研制成功，將把自動化生產(chǎn)帶入到一個全新的領域。 液壓和氣動技術，特別是氣動技術，由于使用的是取之不盡的空氣作為介質(zhì)，具有傳動反應快、動作迅速、氣動元件制作容易、成本小和便于集中供應和長距離輸送等優(yōu)點，而引起人們的普遍重視。氣動技術已經(jīng)發(fā)展成為一個獨立的技術領域。在各行業(yè)，特別是自動線中得到迅速的發(fā)展和廣泛的使用。 此外，傳感技術隨著材料科學的發(fā)展和固體效應的不斷出現(xiàn)，形成了一個新型的科學技術領域。在應用上出現(xiàn)了帶微處理器的“智能傳感器”，它在自動化生產(chǎn)中監(jiān)視著各種復雜的自動控制程序，起著極其重要的作用。 進入二十一世紀，自動化的功能在計算機技術、網(wǎng)絡通信技術和人工智能技術的推動下，將生產(chǎn)出智能控制的設備，使工業(yè)生產(chǎn)過程有一定的自適應能力。所有這些支持自動化生產(chǎn)的相關技術的進一步發(fā)展，使得自動化生產(chǎn)技術功能更加齊全、完善、先進，從而能完成技術性更復雜的操作和生產(chǎn)或裝配工藝更高的產(chǎn)品。 1.2 認知YL-335B型自動化生產(chǎn)線 亞龍YL-335B型自動生產(chǎn)線實訓考核裝備由安裝在鋁合金導軌式實訓臺上的供料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元5個單元組成。其外觀如圖1.2所示。 圖1.2 YL-335B自動生產(chǎn)線實訓考核裝置外觀圖 其中，每一工作單元都可自成一個獨立的系統(tǒng)，同時也都是一個機電一體化的系統(tǒng)。各個單元的執(zhí)行機構(gòu)基本上以氣動執(zhí)行機構(gòu)為主，但輸送單元的機械手裝置整體運動則采取伺服電機驅(qū)動、精密定位的位置控制，該驅(qū)動系統(tǒng)具有長行程、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。分揀單元的傳送帶驅(qū)動則采用了通用變頻器驅(qū)動三相異步電動機的交流傳動裝置。位置控制和變頻器技術是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)應用最為廣泛的電氣控制技術。 在YL-335B設備上應用了多種類型的傳感器，分別用于判斷物體的運動位置、物體通過的狀態(tài)、物體的顏色及材質(zhì)等。傳感器技術是機電一體化技術中的關鍵技術之一，是現(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)高度自動化的前提之一。 在控制方面，YL-335B采用了基于RS485串行通信的PLC網(wǎng)絡控制方案，即每一工作單元由一臺PLC承擔其控制任務，各PLC之間通過RS485串行通訊實現(xiàn)互連的分布式控制方式。用戶可根據(jù)需要選擇不同廠家的PLC及其所支持的RS485通信模式，組建成一個小型的PLC網(wǎng)絡。小型PLC網(wǎng)絡以其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉的特點在小型自動生產(chǎn)線仍然有著廣泛的應用，在現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡通信中仍占據(jù)相當?shù)姆蓊~。另一方面，掌握基于RS485串行通信的PLC網(wǎng)絡技術，將為進一步學習現(xiàn)場總線技術、工業(yè)以太網(wǎng)技術等打下了良好的基礎。 1、YL-335B的基本功能 YL-335B各工作單元在實訓臺上的分布如圖1.3的俯視圖所示。 圖1.3 YL-335B俯視圖 各個單元的基本功能如下： ⑴ 供料單元的基本功能：供料單元是YL-335B中的起始單元，在整個系統(tǒng)中，起著向系統(tǒng)中的其他單元提供原料的作用。具體的功能是：按照需要將放置在料倉中待加工工件（原料）自動地推出到物料臺上，以便輸送單元的機械手將其抓取，輸送到其他單元上。如圖1.4所示為供料單元實物的外觀圖。 圖1.4 供料單元外觀圖 ⑵ 加工單元的基本功能：把該單元物料臺上的工件（工件由輸送單元的抓取機械手裝置送來）送到?jīng)_壓機構(gòu)下面，完成一次沖壓加工動作，然后再送回到物料臺上，待輸送單元的抓取機械手裝置取出。如圖1.5所示為加工單元實物的全貌。 （a）正視圖 （b）左視圖 圖1.5 加工單元外觀圖 ⑶ 裝配單元的基本功能：完成將該單元料倉內(nèi)的金屬、黑色或白色小圓柱零件嵌入到已加工的工件中的裝配過程。裝配單元總裝實物圖如1.6。 （a）前視圖 （b）背視圖 圖1.6 裝配單元外觀圖 ⑷ 分揀單元的基本功能：完成將上一單元送來的已加工、裝配的工件進行分揀，實現(xiàn)不同屬性（顏色、材料等）的工件從不同的料槽分流的功能。圖1-7給出分揀單元實物的全貌。 圖1.7 分揀單元外觀圖 ⑸ 輸送單元的基本功能：該單元通過直線運動傳動機構(gòu)驅(qū)動抓取機械手裝置到指定單元的物料臺上精確定位，并在該物料臺上抓取工件，把抓取到的工件輸送到指定地點然后放下，實現(xiàn)傳送工件的功能。輸送單元的外觀如圖1.8所示。 圖1.8 輸送單元外觀圖 直線運動傳動機構(gòu)的驅(qū)動器可采用伺服電機或步進電機，視實訓目的而定。YL-335B的標準配置為伺服電機。 2、YL-335B電氣控制的結(jié)構(gòu)特點 YL-335B設備中的各工作單元的結(jié)構(gòu)特點是機械裝置和電氣控制部分的相對分離。每一工作單元機械裝置整體安裝在底板上，而控制工作單元生產(chǎn)過程的PLC裝置則安裝在工作臺兩側(cè)的抽屜板上。因此，工作單元機械裝置與PLC裝置之間的信息交換是一個關鍵的問題。YL-335B的解決方案是：機械裝置上的各電磁閥和傳感器的引線均連接到裝置側(cè)的接線端口上。PLC的I/O引出線則連接到PLC側(cè)的接線端口上。兩個接線端口間通過多芯信號電纜互連。圖1.9和圖1.10分別是裝置側(cè)的接線端口和PLC側(cè)的接線端口。 圖1.9 裝置側(cè)接線端口 圖1.10 PLC側(cè)接線端口 裝置側(cè)的接線端口的接線端子采用三層端子結(jié)構(gòu)，上層端子用以連接DC24V電源的+24V端，底層端子用以連接DC24V電源的0V端，中間層端子用以連接各信號線。 PLC側(cè)的接線端口的接線端子采用兩層端子結(jié)構(gòu)，上層端子用以連接各信號線,其端子號與裝置側(cè)的接線端口的接線端子相對應。底層端子用以連接DC24V電源的+24V端和0V端。 裝置側(cè)的接線端口和PLC側(cè)的接線端口之間通過專用電纜連結(jié)。其中25針接頭電纜連接PLC的輸入信號，15針接頭電纜連接PLC的輸出信號。 3、YL-335B的控制系統(tǒng) YL-335B的每一工作單元的工作都由一臺PLC控制。各工作單元的PLC配置如下： ? 輸送單元：FX1N-40MT主單元，共24點輸入，16點晶體管輸出。 ? 供料單元：FX2N-32MR主單元，共16點輸入，16點繼電器輸出。 ? 加工單元：FX2N-32MR主單元，共16點輸入，16點繼電器輸出。 ? 裝配單元：FX2N-48MR主單元，共24點輸入，24點繼電器輸出。 ? 分揀單元：FX2N-32MR主單元，共16點輸入，16點繼電器輸出。 每一工作單元都可自成一個獨立的系統(tǒng)，同時也可以通過網(wǎng)絡互連構(gòu)成一個分布式的控制系統(tǒng)。 ⑴ 當工作單元自成一個獨立的系統(tǒng)時，其設備運行的主令信號以及運行過程中的狀態(tài)顯示信號，來源于該工作單元按鈕指示燈模塊。按鈕指示燈模塊如圖1.11所示。模塊上的指示燈和按鈕的端腳全部引到端子排上。 圖1.11 按鈕指示燈模塊 模塊盒上器件包括： ①指示燈（24VDC）：黃色（HL1）、綠色（HL2）、紅色（HL3）各一只。 ②主令器件：綠色常開按鈕SB1一只 紅色常開按鈕SB2一只 選擇開關SA（一對轉(zhuǎn)換觸點） 急停按鈕QS（一個常閉觸點） ⑵ 當各工作單元通過網(wǎng)絡互連構(gòu)成一個分布式的控制系統(tǒng)時，對于采用三菱FX系列PLC的設備，YL-335B的標準配置是采用了基于RS485串行通信的N：N通信方式。設備出廠的控制方案如圖1.12所示。 圖1.12 YL-335B的通信網(wǎng)絡 ⑶ 人機界面 系統(tǒng)運行的主令信號（復位、啟動、停止等）通過觸模屏人機界面給出。同時，人機界面上也顯示系統(tǒng)運行的各種狀態(tài)信息。 人機界面是在操作人員和機器設備之間做雙向溝通的橋梁。使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設備目前的狀況，使操作變的簡單生動，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設備。使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化，同時也能減少PLC 控制器所需的I/O 點數(shù)，降低生產(chǎn)的成本，同時由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設備的附加價值。 YL-335B采用了昆侖通態(tài)（MCGS）TPC7062KS觸摸屏作為它的人機界面。TPC7062KS是一款以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的高性能嵌入式一體化工控機。該產(chǎn)品設計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096），同時還預裝了微軟嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)WinCE.NET（中文版）和MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運行版）。TPC7062KS觸摸屏的使用、人機界面的組態(tài)方法，將在項目六（分揀單元控制系統(tǒng)實訓）中介紹。 4、供電電源 YL-335B要求外部供電電源為三相五線制AC 380V/220V，圖1.13為供電電源的一次回路原理圖。圖中，總電源開關選用DZ47LE-32/C32型三相四線漏電開關（3P+N結(jié)構(gòu)形式）。系統(tǒng)各主要負載通過自動開關單獨供電。其中，變頻器電源通過DZ47C16/3P三相自動開關供電；各工作站PLC均采用DZ47C5/2P單相自動開關供電。此外，系統(tǒng)配置4臺DC24V6A開關穩(wěn)壓電源分別用作供料、加工和分揀單元，及輸送單元的直流電源。 圖1.13 供電電源模塊一次回路原理圖 圖1-14 配電箱設備安裝圖 5、氣源處理裝置 ⑴ 氣源處理的必要性 從空壓機輸出的壓縮空氣中，含有大量的水分、油分和粉塵等級污染物。質(zhì)量不良的壓縮空氣是氣動系統(tǒng)出現(xiàn)故障的最主要因素，它會使氣動系統(tǒng)的可靠性和使用壽命大大降低。因此，壓縮空氣進入氣動系統(tǒng)前應進行二次過濾，以便濾除壓縮空氣中的水分、油滴以及雜質(zhì)，以達到啟動系統(tǒng)所需要的凈化程度。 為確保系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性，減小因氣源氣壓突變時對閥門或執(zhí)行器等硬件的損傷，進行空氣過濾后，應調(diào)節(jié)或控制氣壓的變化，并保持降壓后的壓力值固定在需要的值上。實現(xiàn)方法是使用減壓閥。 氣壓系統(tǒng)的機體運動部件需進行潤滑。對不方便加潤滑油的部件進行潤滑，可以采用油霧器，它是氣壓系統(tǒng)中一種特殊的注油裝置，其作用是把潤滑油霧化后，經(jīng)壓縮空氣攜帶進入系統(tǒng)各潤滑油部位，滿足潤滑的需要。 工業(yè)上的氣動系統(tǒng)，常常使用組合起來的氣動三聯(lián)件作為氣源處理裝置。氣動三聯(lián)件是指空氣過濾器、減壓閥和油霧器。各元件之間采用模塊式組合的方式連接。如圖1.15所示。這種方式安裝簡單，密封性好，易于實現(xiàn)標準化、系列化，可縮小外型尺寸，節(jié)省空間和配管，便于維修，便于集中管理。 圖1.15 氣動三聯(lián)件 有些品牌的電磁閥和氣缸能夠?qū)崿F(xiàn)無油潤滑（靠潤滑脂實現(xiàn)潤滑功能），便不需要使用油霧器。這時只須把空氣過濾器和減壓閥組合在一起，可以稱為氣動二聯(lián)件。YL-335B的所有氣缸都是無油潤滑氣缸。 ⑵ YL-335B的氣源處理組件 YL-335B的氣源處理組件使用空氣過濾器和減壓閥集裝在一起的氣動二聯(lián)件結(jié)構(gòu)，組件及其回路原理圖分別如圖1.16(a)和(b)所示。 圖1.16 YL-335B的氣源處理組件 圖中，氣源處理組件的輸入氣源來自空氣壓縮機，所提供的壓力要求為0.6～1.0MPa。組件的氣路入口處安裝一個快速氣路開關，用于啟/閉氣源。當把氣路開關向左拔出時，氣路接通氣源，反之把氣路開關向右推入時氣路關閉。組件的輸出壓力為0～0.8MPa可調(diào)。 輸出的壓縮空氣通過快速三通接頭和氣管輸送到各工作單元。進行壓力調(diào)節(jié)時，在轉(zhuǎn)動旋鈕前請先拉起再旋轉(zhuǎn)，壓下旋轉(zhuǎn)鈕為定位。旋轉(zhuǎn)鈕向右為調(diào)高出口壓力，向左旋轉(zhuǎn)為調(diào)低出口壓力。調(diào)節(jié)壓力時應逐步均勻地調(diào)至所需壓力值，不應一步調(diào)節(jié)到位。 本組件的空氣過濾器采用手動排水方式。手動排水時當水位達到濾芯下方水平之前必須排出。因此在使用時，應注意經(jīng)常檢查過濾器中凝結(jié)水的水位，在超過最高標線以前，必須排放，以免被重新吸入。 第2章 供料單元的結(jié)構(gòu)設計 2.1 供料單元的結(jié)構(gòu)設計方案 供料單元是YL-335中的起始單元，在整個系統(tǒng)中，起著向系統(tǒng)中的其他單元提供原料的作用。具體的功能是：按照需要將放置在料倉中待加工工件（原料）自動地推出到物料臺上，以便輸送單元的機械手將其抓取，輸送到其他單元上。 供料單元的結(jié)構(gòu)組成如圖2.1所示。供料單元的主要結(jié)構(gòu)組成為：工件裝料管，工件推出裝置，支撐架，閥組，端子排組件，PLC，急停按鈕和啟動/停止按鈕，走線槽、底板等。 圖2.1 供料單元的主要結(jié)構(gòu) 2.1.1工件推出與支撐及漏斗部分設計 該部分如圖2.2所示。用于儲存工件原料，并在需要時將料倉中最下層的工件推出到物料臺上。它主要由大工件裝料管、推料氣缸、頂料氣缸、磁感應接近開關、漫射式光電傳感器組成。 底板：采用（290*340*15）mm的鋼板，保證了設備的穩(wěn)定行和水平度；底板上開有四個（30*8）mm的定位空，與桌面連接，保證了設備安裝的牢固，穩(wěn)定。 圖2.2 進料模塊和物料臺 該部分的工作原理是：工件垂直疊放在料倉中，推料缸處于料倉的底層并且其活塞桿可從料倉的底部通過。當活塞桿在退回位置時，它與最下層工件處于同一水平位置，而夾緊氣缸則與次下層工件處于同一水平位置。在需要將工件推出到物料臺上時，首先使夾緊氣缸的活塞桿推出，壓住次下層工件；然后使推料氣缸活塞桿推出，從而把最下層工件推到物料臺上。在推料氣缸返回并從料倉底部抽出后，再使夾緊氣缸返回，松開次下層工件。這樣，料倉中的工件在重力的作用下，就自動向下移動一個工件，為下一次推出工件做好準備。 在底座和管形料倉第4層工件位置，分別安裝一個漫射式光電開關。它們的功能是檢測料倉中有無儲料或儲料是否足夠。若該部分機構(gòu)內(nèi)沒有工件，則處于底層和第4層位置的兩個漫射式光電接近開關均處于常態(tài)；若僅在底層起有3個工件，則底層處光電接近開關動作而第4層處光電接近開關常態(tài)，表明工件已經(jīng)快用完了。這樣，料倉中有無儲料或儲料是否足夠，就可用這兩個光電接近開關的信號狀態(tài)反映出來。 推料缸把工件推出到出料臺上。出料臺面開有小孔，出料臺下面設有一個圓柱形漫射式光電接近開關，工作時向上發(fā)出光線，從而透過小孔檢測是否有工件存在，以便向系統(tǒng)提供本單元出料臺有無工件的信號。在輸送單元的控制程序中，就可以利用該信號狀態(tài)來判斷是否需要驅(qū)動機械手裝置來抓取此工件。 2.1.2 支撐架設計 供料單元支撐架：由截面為（20*20）mm的鋁型材搭建而成，由于鋁型材四面都有U型滑槽，因此可以提高設備的靈活性。 2.2 氣路設計與選型 2.2.1 氣動回路設計 氣動回路是本工作單元的執(zhí)行機構(gòu)，該執(zhí)行機構(gòu)的控制邏輯控制功能是由PLC實現(xiàn)的。氣動控制回路的工作原理如圖2.3所示。圖中1A和2A分別為推料氣缸和頂料氣缸。1B1和1B2為安裝在推料缸的兩個極限工作位置的磁感應接近開關，2B1和2B2為安裝在推料缸的兩個極限工作位置的磁感應接近開關。1Y1和2Y1分別為控制推料缸和頂料缸的電磁閥的電磁控制端。通常，這兩個氣缸的初始位置均設定在縮回狀態(tài)。 圖2.3 供料單元氣動控制回路工作原理圖 2.2.2 供料單元的氣動元件選擇 2.2.2.1 標準雙作用直線氣缸 標準氣缸是指氣缸的功能和規(guī)格是普遍使用的、結(jié)構(gòu)容易制造的、制造廠通常作為通用產(chǎn)品供應市場的氣缸。 雙作用氣缸是指活塞的往復運動均由壓縮空氣來推動。圖2.4是標準雙作用直線氣缸的半剖面圖。圖中氣缸的兩個端蓋上都設有進排氣通口，從無桿側(cè)端蓋氣口進氣時，推動活塞向前運動；反之，從桿側(cè)端蓋氣口進氣時，推動活塞向后運動。 雙作用氣缸具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出力穩(wěn)定，行程可根據(jù)需要選擇的優(yōu)點，但由于是利用壓縮空氣交替作用于活塞上實現(xiàn)伸縮運動的，回縮時壓縮空氣的有效作用面積較小，所以產(chǎn)生的力要小于伸出時產(chǎn)生的推力。 圖2.4 雙作用氣缸工作示意圖 為了使氣缸的動作平穩(wěn)可靠，應對氣缸的運動速度加以控制，常用的方法是使用單向節(jié)閥來實現(xiàn)。 單向節(jié)流閥是由單向閥和節(jié)流閥并聯(lián)而成的流量控制閥，常用于控制氣缸的運動速度，所以也稱為速度控制閥。 圖2.5給出了在雙作用氣缸裝上兩個單向節(jié)流閥的連接示意圖，這種連接方式稱為排氣節(jié)流方式。即當壓縮空氣從A端進氣、從B端排氣時，單向節(jié)流閥A的單向閥開啟，向氣缸無桿腔快速充氣；由于單向節(jié)流閥B的單向閥關閉，有桿腔的氣體只能經(jīng)節(jié)流閥排氣，調(diào)節(jié)節(jié)流閥B的開度，便可改變氣缸伸出時的運動速度。反之，調(diào)節(jié)節(jié)流閥A的開度則可改變氣缸縮回時的運動速度。這種控制方式，活塞運行穩(wěn)定，是最常用的方式。 圖2.5 安裝上氣缸節(jié)流閥的氣缸 節(jié)流閥上帶有氣管的快速接頭，只要將合適外徑的氣管往快速接頭上一插就可以將管連接好了，使用時十分方便。圖2.6是安裝了帶快速接頭的限出型氣缸節(jié)流閥的氣缸外觀。 圖2.6 安裝上氣缸節(jié)流閥的氣缸 2.2.2.2 單電控電磁換向閥、電磁閥組 如前所述，頂料或推料氣缸，其活塞的運動是依靠向氣缸一端進氣，并從另一端排氣，再反過來，從另一端進氣，一端排氣來實現(xiàn)的。氣體流動方向的改變則由能改變氣體流動方向或通斷的控制閥即方向控制閥加以控制。在自動控制中，方向控制閥常采用電磁控制方式實現(xiàn)方向控制，稱為電磁換向閥。 電磁換向閥是利用其電磁線圈通電時，靜鐵芯對動鐵芯產(chǎn)生電磁吸力使閥芯切換，達到改變氣流方向的目的。圖2.7所示是一個單電控二位三通電磁換向閥的工作原理示意。 圖2.7 單電控電磁換向閥的工作原理 所謂“位”指的是為了改變氣體方向，閥芯相對于閥體所具有的不同的工作位置?！巴ā钡暮x則指換向閥與系統(tǒng)相連的通口，有幾個通口即為幾通。圖2.7中，只有兩個工作位置，具有供氣口P、工作口A和排氣口R，故為二位三通閥。 圖2.8分別給出二位三通、二位四通和二位五通單控電磁換向閥的圖形符號，圖形中有幾個方格就是幾位，方格中的“┯”和“┷”符號表示各接口互不相通。 圖2.8 部分單電控電磁換向閥的圖形符號 YL-335B所有工作單元的執(zhí)行氣缸都是雙作用氣缸，因此控制它們工作的電磁閥需要有二個工作口和二個排氣口以及一個供氣口，故使用的電磁閥均為二位五通電磁閥。 閥組，就是將多個閥集中在一起構(gòu)成的一組閥，而每個閥的功能是彼此獨立的。供料單元的閥組只使用兩個由二位五通的帶手控開關的單電控電磁閥，兩個閥集中安裝在匯流板上，匯流板中兩個排氣口末端均連接了消聲器，消聲器的作用是減少壓縮空氣在向大氣排放時的噪聲。閥組的組裝如圖2.9所示。本單元的兩個閥分別對頂料氣缸和推料氣缸的氣路進行控制，以改變各自的動作狀態(tài)。 圖2.9 電磁閥組 供料單元用了兩個二位五通的單電控電磁閥。這兩個電磁閥帶有手動換向和加鎖鈕，有鎖定（LOCK）和開啟（PUSH）2個位置。用小螺絲刀把加鎖鈕旋到在LOCK位置時，手控開關向下凹進去，不能進行手控操作。只有在PUSH位置，可用工具向下按，信號為“1”，等同于該側(cè)的電磁信號為“1”；常態(tài)時，手控開關的信號為“0”。在進行設備調(diào)試時，可以使用手控開關對閥進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路的控制，以改變推料缸等執(zhí)行機構(gòu)的控制，達到調(diào)試的目的。 2.2.2.3 傳感器的選擇 YL-335B各工作單元所使用的傳感器都是接近傳感器，它利用傳感器對所接近的物體具有的敏感特性來識別物體的接近，并輸出相應開關信號，因此，接近傳感器通常也稱為接近開關。 接近傳感器有多種檢測方式，包括利用電磁感應引起的檢測對象的金屬體中產(chǎn)生的渦電流的方式、捕捉檢測體的接近引起的電氣信號的容量變化的方式、利用磁石和引導開關的方式、利用光電效應和光電轉(zhuǎn)換器件作為檢測元件等等。YL-335B所使用的是磁感應式接近開關（或稱磁性開關）、電感式接近開關、漫反射光電開關和光纖型光電傳感器等。這里只介紹磁性開關、電感式接近開關和漫反射光電開關，光纖型光電傳感器留待在裝配單元實訓項目中介紹。 1、磁性開關 YL-335B所使用的氣缸都是帶磁性開關的氣缸。這些氣缸的缸筒采用導磁性弱、隔磁性強的材料，如硬鋁、不銹鋼等。在非磁性體的活塞上安裝一個永久磁鐵的磁環(huán)，這樣就提供了一個反映氣缸活塞位置的磁場。而安裝在氣缸外側(cè)的磁性開關則是用來檢測氣缸活塞位置，即檢測活塞的運動行程的。 有觸點式的磁性開關用舌簧開關作磁場檢測元件。舌簧開關成型于合成樹脂塊內(nèi)，并且一般還有動作指示燈、過電壓保護電路也塑封在內(nèi)。圖2.10是帶磁性開關氣缸的工作原理圖。當氣缸中隨活塞移動的磁環(huán)靠近開關時，舌簧開關的兩根簧片被磁化而相互吸引，觸點閉合；當磁環(huán)移開開關后，簧片失磁，觸點斷開。觸點閉合或斷開時發(fā)出電控信號，在PLC的自動控制中，可以利用該信號判斷推料及頂料缸的運動狀態(tài)或所處的位置，以確定工件是否被推出或氣缸是否返回。 圖2.10 帶磁性開關氣缸的工作原理圖 在磁性開關上設置的LED顯示用于顯示其信號狀態(tài)，供調(diào)試時使用。磁性開關動作時，輸出信號“1”，LED亮；磁性開關不動作時，輸出信號“0”，LED不亮。 磁性開關的安裝位置可以調(diào)整，調(diào)整方法是松開它的緊定螺栓，讓磁性開關順著氣缸滑動，到達指定位置后，再旋緊緊定螺栓。 圖2.11 磁性開關內(nèi)部電路 磁性開關有藍色和棕色2根引出線，使用時藍色引出線應連接到PLC輸入公共端，棕色引出線應連接到PLC輸入端。磁性開關的內(nèi)部電路如圖2.11中虛線框內(nèi)所示。 2、電感式接近開關 電感式接近開關是利用電渦流效應制造的傳感器。電渦流效應是指，當金屬物體處于一個交變的磁場中，在金屬內(nèi)部會產(chǎn)生交變的電渦流，該渦流又會反作用于產(chǎn)生它的磁場這樣一種物理效應。如果這個交變的磁場是由一個電感線圈產(chǎn)生的，則這個電感線圈中的電流就會發(fā)生變化，用于平衡渦流產(chǎn)生的磁場。 利用這一原理，以高頻振蕩器（LC振蕩器）中的電感線圈作為檢測元件，當被測金屬物體接近電感線圈時產(chǎn)生了渦流效應，引起振蕩器振幅或頻率的變化，由傳感器的信號調(diào)理電路（包括檢波、放大、整形、輸出等電路）將該變化轉(zhuǎn)換成開關量輸出，從而達到檢測目的。電感式接近傳感器工作原理框圖如圖2.12所示。供料單元中，為了檢測待加工工件是否金屬材料，在供料管底座側(cè)面安裝了一個電感式傳感器。 圖2.12 電感式傳感器原理框圖 在接近開關的選用和安裝中，必須認真考慮檢測距離、設定距離，保證生產(chǎn)線上的傳感器可靠動作。安裝距離注意說明如圖2.13所示。 圖2.13 安裝距離注意說明 3、漫射式光電接近開關 （1）光電式接近開關 “光電傳感器” 是利用光的各種性質(zhì)，檢測物體的有無和表面狀態(tài)的變化等的傳感器。其中輸出形式為開關量的傳感器為光電式接近開關。 光電式接近開關主要由光發(fā)射器和光接收器構(gòu)成。如果光發(fā)射器發(fā)射的光線因檢測物體不同而被遮掩或反射，到達光接收器的量將會發(fā)生變化。光接收器的敏感元件將檢測出這種變化，并轉(zhuǎn)換為電氣信號，進行輸出。大多使用可視光（主要為紅色，也用綠色、藍色來判斷顏色）和紅外光。 按照接收器接收光的方式的不同，光電式接近開關可分為對射式、反射式和漫射式3種，如圖2.14所示。 圖2.14 光電式接近開關 (2) 漫射式光電開關 漫射式光電開關是利用光照射到被測物體上后反射回來的光線而工作的，由于物體反射的光線為漫射光，故稱為漫射式光電接近開關。它的光發(fā)射器與光接收器處于同一側(cè)位置，且為一體化結(jié)構(gòu)。在工作時，光發(fā)射器始終發(fā)射檢測光，若接近開關前方一定距離內(nèi)沒有物體，則沒有光被反射到接收器，接近開關處于常態(tài)而不動作；反之若接近開關的前方一定距離內(nèi)出現(xiàn)物體，只要反射回來的光強度足夠，則接收器接收到足夠的漫射光就會使接近開關動作而改變輸出的狀態(tài)。圖2.13(b)為漫射式光電接近開關的工作原理示意圖。 供料單元中，用來檢測工件不足或工件有無的漫射式光電接近開關選用OMRON公司的E3Z-L61型放大器內(nèi)置型光電開關（細小光束型，NPN型晶體管集電極開路輸出），。該光電開關的外形和頂端面上的調(diào)節(jié)旋鈕和顯示燈如圖2.14所示。 圖中動作選擇開關的功能是選擇受光動作(Light) 或遮光動作 (Drag)模式。即，當此開關按順時針方向充分旋轉(zhuǎn)時（L側(cè)），則進入檢測-ON模式；，當此開關按逆時針方向充分旋轉(zhuǎn)時（D側(cè)），則進入檢測-OFF模式。 距離設定旋鈕是5回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器，調(diào)整距離時注意逐步輕微旋轉(zhuǎn)，否則若充分旋轉(zhuǎn)距離調(diào)節(jié)器會空轉(zhuǎn)。調(diào)整的方法是，首先按逆時針方向?qū)⒕嚯x調(diào)節(jié)器充分旋到最小檢測距離（E3Z-L61約20mm），然后根據(jù)要求距離放置檢測物體，按順時針方向逐步旋轉(zhuǎn)距離調(diào)節(jié)器，找到傳感器進入檢測條件的點；拉開檢測物體距離，按順時針方向進一步旋轉(zhuǎn)距離調(diào)節(jié)器，找到傳感器再次進入檢測狀態(tài)，一旦進入，向后旋轉(zhuǎn)距離調(diào)節(jié)器直到傳感器回到非檢測狀態(tài)的點。兩點之間的中點為穩(wěn)定檢測物體的最佳位置。 圖2.15 E3Z-L光電開關的外形和調(diào)節(jié)旋鈕、顯示燈 圖2.16給出該光電開關的內(nèi)部電路原理框圖。 圖2.16 E3Z-L61光電開關電路原理圖 用來檢測物料臺上有無物料的光電開關是一個園柱形漫射式光電接近開關，工作時向上發(fā)出光線，從而透過小孔檢測是否有工件存在，該光電開關選用SICK公司產(chǎn)品MHT15-N2317 型，其外形如圖2.17所示。 圖2.17 MHT15-N2317光電開關外形 4、接近開關的圖形符號： 部分接近開關的圖形符號如圖2.18所示。圖中(a)(b)(c)三種情況均使用NPN型三極管集電極開路輸出。如果是使用PNP型的，正負極性應反過來。 圖2.18 接近開關的圖形符號 第3章 供料單元控制系統(tǒng)設計 3.1 工作任務 本項目只考慮供料單元作為獨立設備運行時的情況，單元工作的主令信號和工作狀態(tài)顯示信號來自PLC旁邊的按鈕/指示燈模塊。并且，按鈕/指示燈模塊上的工作方式選擇開關SA應置于“單站方式”位置。具體的控制要求為： ① 設備上電和氣源接通后，若工作單元的兩個氣缸均處于縮回位置，且料倉內(nèi)有足夠的待加工工件，則“正常工作”指示燈HL1常亮，表示設備準備好。否則，該指示燈以1Hz 頻率閃爍。 ② 若設備準備好，按下啟動按鈕，工作單元啟動，“設備運行”指示燈HL2常亮。啟動后，若出料臺上沒有工件，則應把工件推到出料臺上。出料臺上的工件被人工取出后，若沒有停止信號，則進行下一次推出工件操作。 ③ 若在運行中按下停止按鈕，則在完成本工作周期任務后，各工作單元停止工作，HL2指示燈熄滅。 ④ 若在運行中料倉內(nèi)工件不足，則工作單元繼續(xù)工作，但“正常工作”指示燈HL1以1Hz的頻率閃爍，“設備運行”指示燈HL2保持常亮。若料倉內(nèi)沒有工件，則HL1指示燈和HL2指示燈均以2Hz頻率閃爍。工作站在完成本周期任務后停止。除非向料倉補充足夠的工件，工作站不能再啟動。 要求完成如下任務。 1、規(guī)劃PLC的I/O分配及接線端子分配。 2、進行系統(tǒng)安裝接線。 3、按控制要求編制PLC程序。 4、進行調(diào)試與運行。 3.2 PLC的I/O 接線 根據(jù)工作單元裝置的I/O信號分配和工作任務的要求，供料單元PLC選用S7-224 AC/DC/RLY主單元，共14點輸入和10點繼電器輸出。PLC的 I/O信號分配如表3.1所示，接線原理圖則見圖3.1。 表3.1 供料單元PLC的I/O信號表 輸入信號 輸出信號 序號 PLC輸入點 信號名稱 信號來源 序號 PLC輸出點 信號名稱 信號來源 1 I0.0 頂料氣缸伸出到位 裝置側(cè) 1 Q0.0 頂料電磁閥 裝置側(cè) 2 I0.1 頂料氣缸縮回到位 2 Q0.1 推料電磁閥 3 I0.2 推料氣缸伸出到位 3 Q0.2 4 I0.3 推料氣缸縮回到位 4 Q0.3 5 I0.4 出料臺物料檢測 5 Q0.4 6 I0.5 供料不足檢測 6 Q0.5 7 I0.6 缺料檢測 7 Q0.6 8 I0.7 金屬工件檢測 8 Q0.7 9 I1.0 9 Q1.0 正常工作指示 按鈕/指示燈模塊 10 I1.1 10 Q1.1 運行指示 11 I1.2 停止按鈕 按鈕/指示燈模塊 12 I1.3 啟動按鈕 13 I1.4 14 I1.5 工作方式選擇 圖3.1 供料單元PLC的I/O接線原理圖 3.3 供料單元單站控制的編程思路 1、程序結(jié)構(gòu)：有兩個子程序，一個是系統(tǒng)狀態(tài)顯示，另一個是供料控制。主程序在每一掃描周期都調(diào)用系統(tǒng)狀態(tài)顯示子程序，僅當在運行狀態(tài)已經(jīng)建立才可能調(diào)用供料控制子程序。 2、PLC上電后應首先進入初始狀態(tài)檢查階段，確認系統(tǒng)已經(jīng)準備就緒后，才允許投入運行，這樣可及時發(fā)現(xiàn)存在問題，避免出現(xiàn)事故。例如，若兩個氣缸在上電和氣源接入時不在初始位置，這是氣路連接錯誤的緣故，顯然在這種情況下不允許系統(tǒng)投入運行。通常的PLC控制系統(tǒng)往往有這種常規(guī)的要求。 3、供料單元運行的主要過程是供料控制，它是一個步進順序控制過程。 4、如果沒有停止要求，順控過程將周而復始地不斷循環(huán)。常見的順序控制系統(tǒng)正常停止要求是，接收到停止指令后，系統(tǒng)在完成本工作周期任務即返回到初始步后才停止下來。 5、當料倉中最后一個工件被推出后，將發(fā)生缺料報警。推料氣缸復位到位，亦即完成本工作周期任務即返回到初始步后，也應停止下來。 按上述分析，可畫出如圖3.2所示的系統(tǒng)主程序流程圖。 圖3.2 主程序梯形圖 供料控制子程序的步進順序流程則如下圖3.3所示。圖中，初始步S0.0在主程序中，當系統(tǒng)準備就緒且接收到啟動脈沖時被置位。 圖2-21 供料控制子程序流程圖 3.4 調(diào)試與運行 （1）調(diào)整氣動部分，檢查氣路是否正確，氣壓是否合理，氣缸的動作速度是否合理。 （2）檢查磁性開關的安裝位置是否到位，磁性開關工作是否正常。 （3）檢查I/O接線是否正確。 （4）檢查光電傳感器安裝是否合理，靈敏度是否合適，保證檢測的可靠性。 （5）放入工件，運行程序看供料單元動作是否滿足任務要求。 （6）調(diào)試各種可能出現(xiàn)的情況，比如在任何情況下都有可能加入工件，系統(tǒng)都要能可靠工作。 （7）優(yōu)化程序。 第4章 結(jié)論 可編程序控制器（PLC）以其高抗干擾能力、高可靠性、高性能價格比且編程簡單而廣泛地應用在現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設備中，擔負著生產(chǎn)線的大腦——微處理單元的角色。因此，培養(yǎng)掌握機電一體化技術，掌握PLC 技術及PLC 網(wǎng)絡技術的技術人材是當務之急。 亞龍YL-335B 型自動生產(chǎn)線實訓考核裝備在鋁合金導軌式實訓臺上安裝送料、加工、裝配、輸送、分揀等工作單元，構(gòu)成一個典型的自動生產(chǎn)線的機械平臺。系統(tǒng)的控制方式采用每一工作單元由一臺PLC 承擔其控制任務，各PLC 之間通過串行通訊實現(xiàn)互連的分布式控制方式。因此，YL-335B 綜合應用了多種技術知識，如氣動控制技術、機械技術（機械傳動、機械連接等）、傳感器應用技術、PLC 控制技術等。 參考文獻 [1]中國--亞龍科技集團.亞龍YL-335B型自動化生產(chǎn)線實訓考核裝備【M】.2008年5 月 [2]自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試 呂景泉.中國亞龍科技集團 中國鐵道出版社 (2010-09出版) [3]自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試 何用輝.機械工業(yè)出版社 (2011-09出版) [4]陳穎 自動化生產(chǎn)線考核 38