工程應(yīng)用柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

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電氣工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)報(bào)告 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 設(shè)計(jì)題目： 柔性制造生產(chǎn)線搬運(yùn)安裝站 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 評(píng)定成績(jī)： 評(píng)定教師： 摘 要 模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是一種最為典型的機(jī)電一體化、自動(dòng)化類(lèi)產(chǎn)品，它是為職業(yè)院校、技工學(xué)校、教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等而研制的，它適合機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)電一體化、電氣工程及自動(dòng)化、自動(dòng)化工程、控制工程、測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)控制、機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)與理論、等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)。它在接近工業(yè)生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)上又針對(duì)教學(xué)進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化了各種控制技術(shù)和工程實(shí)踐能力。 柔性自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由六個(gè)單元組成，分別為上料檢測(cè)單元、搬運(yùn)單元、加工與檢測(cè)單元、安裝單元、安裝搬運(yùn)單元和分類(lèi)單元，每個(gè)單元由一套 PLC 控制器單獨(dú)控制，這使得柔性自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)裝置可以分成若干完全獨(dú)立的工作機(jī)構(gòu)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不斷參閱相關(guān)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范的資料，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)觀摩整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的流程以及控制方式，并借鑒其控制方法和設(shè)計(jì)思路，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和編寫(xiě)控制程序，并反復(fù)進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行找出更合理的控制方法。 關(guān)鍵字：柔性制造；PLC；人機(jī)界面；安裝搬運(yùn)單元。 目 錄 摘要……………………………………………………………… ………… ……………Ⅰ 第一章 緒論…………………………………………………………………… ……… …1 1.1柔性制造概念和特點(diǎn)……………………… ……………………………………1 1.2柔性制造與柔性制造系統(tǒng)…………………………………………… …………1 1.3 本次課題的主要內(nèi)容……………………………………………………………2 第二章 總體方案設(shè)計(jì)…………………………………………………………………3 2.1 柔性制造系統(tǒng)—安裝搬運(yùn)站……………………………………………………3 2.2柔性制造系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖…………………………………………… …………3 2.3步進(jìn)電機(jī)的選型…………………………………………………………………4 2.4傳感器的選型……………………………………………………………………5 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)…………………………………………………………… ………7 3.1 主要組成與功能………………………………………………………7 3.2 器件參數(shù)及選型………………………………………………………7 3.3 硬件實(shí)物圖……………………………………………………………8 3.4 氣動(dòng)原理………………………………………………………………8 3.5可編程控制器PLC………………………………………………9 3.6硬件I/O分配………………………………………………………10 3.7觸摸屏………………………………………………………………11 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)………………………………………………………………12 4.1 工作流程圖……………………………………………………………12 4.2 PLC控制程序SFC框圖………………………………………………13 4.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)…………………………………………………………13 4.4 系統(tǒng)通信……………………………………………………………………14 第五章 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)與調(diào)試……………………………………………………………16 5.1 硬件接線圖…………………………………………………………………16 5.2 系統(tǒng)仿真……………………………………………………………………16 5.2.1 軟件仿真……………………………………………………………17 5.2.2 調(diào)試過(guò)程……………………………………………………………17 5.2.3 實(shí)驗(yàn)中可能遇到的問(wèn)題和解決方法……………………………17 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………18 附錄……………………………………………………………………………………19 第一章 緒 論 1.1柔性制造概念和特點(diǎn) 柔性制造的模式其實(shí)廣泛存在，比如定制，這種以消費(fèi)者為導(dǎo)向的，以需定產(chǎn)的方式對(duì)立的是傳統(tǒng)大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)模式。在柔性制造中，考驗(yàn)的是生產(chǎn)線和供應(yīng)鏈的反應(yīng)速度。比如目前在電子商務(wù)領(lǐng)域興起的“C2B”“C2P2B”等模式體現(xiàn)的正是柔性制造的精髓所在。 柔性可以表述為兩個(gè)方面，一個(gè)方面是指生產(chǎn)能力的柔性反應(yīng)能力，也就是機(jī)器設(shè)備的小批量生產(chǎn)能力，另一個(gè)方面，指的是供應(yīng)鏈的敏捷和精準(zhǔn)的反應(yīng)能力。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率很高,由于設(shè)備是固定的,所以設(shè)備利用率也很高,單件產(chǎn)品的成本低。但價(jià)格相當(dāng)昂貴,且只能加工一個(gè)或幾個(gè)相類(lèi)似的零件,難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。隨著批量生產(chǎn)時(shí)代正逐漸被適應(yīng)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)所替換,一個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)的生存能力和競(jìng)爭(zhēng)能力在很大程度上取決于它是否能在很短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi),生產(chǎn)出較低成本、較高質(zhì)量的不同品種產(chǎn)品的能力。柔性已占有相當(dāng)重要的位置。在柔性制造中，供應(yīng)鏈系統(tǒng)對(duì)單個(gè)需求做出生產(chǎn)配送的響應(yīng)。從傳統(tǒng)“以產(chǎn)定銷(xiāo)”的“產(chǎn)——供——銷(xiāo)——人——財(cái)——物”，轉(zhuǎn)變成“以銷(xiāo)定產(chǎn)”，生產(chǎn)的指令完全是由消費(fèi)者獨(dú)個(gè)觸發(fā)，其價(jià)值鏈展現(xiàn)為“人——財(cái)——產(chǎn)——物——銷(xiāo)“這種完全定向的具有明確個(gè)性特征的活動(dòng)。 柔性制造的特點(diǎn)包括：(1) 機(jī)器柔性，系統(tǒng)的機(jī)器設(shè)備具有隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的能力；(2) 工藝柔性，系統(tǒng)能夠根據(jù)加工對(duì)象的變化或原材料的變化而確定相應(yīng)的工藝流程；(3) 產(chǎn)品柔性，產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后，系統(tǒng)不僅對(duì)老產(chǎn)品的有用特性有繼承能力和兼容能力，而且還具有迅速、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；(4) 生產(chǎn)能力柔性，當(dāng)生產(chǎn)量改變時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)作出反應(yīng)而經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行；(5) 維護(hù)柔性，系統(tǒng)能采用多種方式查詢(xún)、處理故障，保障生產(chǎn)正常進(jìn)行；(6) 擴(kuò)展柔性，當(dāng)生產(chǎn)需要的時(shí)候，可以很容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加模塊，構(gòu)成一個(gè)更大的制造系統(tǒng)。 1.2 柔性制造系統(tǒng)概念和發(fā)展趨勢(shì) 柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System)，英文縮寫(xiě)為FMS。一組按次序排列的機(jī)器，由自動(dòng)裝卸及傳送機(jī)器連接并經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成一體，原材料和代加工零件在零件傳輸系統(tǒng)上裝卸，零件在一臺(tái)機(jī)器上加工完畢后傳到下一臺(tái)機(jī)器，每臺(tái)機(jī)器接受操作指令，自動(dòng)裝卸所需工具，無(wú)需人工參與。 柔性制造系統(tǒng)類(lèi)型可分為： （1）柔性制造單元。柔性制造單元由一臺(tái)或數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床或加工中心構(gòu)成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動(dòng)更換刀具和夾具，加工不同的工件。柔性制造單元適合加工形狀復(fù)雜，加工工序簡(jiǎn)單，加工工時(shí)較長(zhǎng)，批量小的零件。它有較大的設(shè)備柔性，但人員和加工柔性低。 （2）柔性制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)是以數(shù)控機(jī)床或加工中心為基礎(chǔ)，配以物料傳送裝置組成的生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，能在不停機(jī)的情況下，滿(mǎn)足多品種的加工。柔性制造系統(tǒng)適合加工形狀復(fù)雜，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料傳送柔性大，但人員柔性仍然較低。 （3）柔性自動(dòng)生產(chǎn)線。柔性自動(dòng)生產(chǎn)線是把多臺(tái)可以調(diào)整的機(jī)床（多為專(zhuān)用機(jī)床）聯(lián)結(jié)起來(lái)，配以自動(dòng)運(yùn)送裝置組成的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線可以加工批量較大的不同規(guī)格零件。柔性程度低的柔性自動(dòng)生產(chǎn)線，在性能上接近大批量生產(chǎn)用的自動(dòng)生產(chǎn)線；柔性程度高的柔性自動(dòng)生產(chǎn)線，則接近于小批量、多品種生產(chǎn)用的柔性制造系統(tǒng)。 柔性制造系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)大致有兩個(gè)方面：一方面是與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)扣輔助制造系統(tǒng)相結(jié)合，利用原有產(chǎn)品系列的典型工藝資料，組合設(shè)計(jì)不同模塊，構(gòu)成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統(tǒng)。另一方面是實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷(xiāo)售的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，特別是管理層次自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。在這個(gè)大系統(tǒng)中，柔性制造系統(tǒng)只是它的一個(gè)組成部分。 1.3 本次課題的主要內(nèi)容 本次課題研究的柔性制造系統(tǒng)分為6個(gè)單元，分別為：上料檢測(cè)站、搬運(yùn)站、加工站、安裝搬運(yùn)站、安裝站、分類(lèi)站，控制系統(tǒng)選用三菱FX 3U系列PLC為核心，配備步進(jìn)電機(jī)、電磁閥、光電開(kāi)關(guān)、磁性傳感器、電感傳感器、單杠氣缸、限位開(kāi)關(guān)等傳感器執(zhí)行器件。完成從模型建立、方案確定、參數(shù)仿真、軟硬件、通信、組態(tài)的設(shè)計(jì)到硬件安裝、程序編寫(xiě)、界面設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等步驟過(guò)程的訓(xùn)練，完成柔性制造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試任務(wù)。  第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1柔性制造系統(tǒng)—安裝搬運(yùn)站 2.1.1安裝搬運(yùn)站設(shè)計(jì)目標(biāo) 安裝搬運(yùn)單元為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)型模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的第四部分，負(fù)責(zé)根據(jù)總站發(fā)出的要求將不同的物料搬運(yùn)到指定的安裝位置。設(shè)計(jì)要求將上站工件拿起放入安裝平臺(tái)，等待安裝站將小工件安裝到位后，將裝好工件拿起放下站。 2.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)安裝單元主要由平移工作臺(tái)、塔吊臂、機(jī)械手、齒輪齒條傳動(dòng)、工業(yè)導(dǎo)軌、開(kāi)關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、通訊接口板、電氣網(wǎng)孔板、多種類(lèi)型電磁閥及氣缸等結(jié)構(gòu)組成。 2.1.3 系統(tǒng)建模 系統(tǒng)建模過(guò)程如下：首先應(yīng)該對(duì)被控制對(duì)象有明晰深入的了解，為此需要進(jìn)行對(duì)象建模，常用的方法有兩種方法：（1）根據(jù)物理力學(xué)動(dòng)力學(xué)及電機(jī)、電力拖動(dòng)等原理建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，必要時(shí)需要在工作點(diǎn)附近近似線性化；（2）基于實(shí)驗(yàn)方法確定系統(tǒng)模型參數(shù)，給定控制量，記錄加工刀具、分類(lèi)托盤(pán)的位置、速度響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法確定被控對(duì)象的特征參數(shù)，得到對(duì)象的傳遞函數(shù)。要求學(xué)生綜合運(yùn)用上述方法，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 由于網(wǎng)絡(luò)型模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線中的安裝模塊使用氣動(dòng)方案， 其控制部件為開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電磁閥，相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)較為容易驅(qū)動(dòng)，且采用數(shù)字信號(hào)的電磁接近開(kāi)關(guān)傳感器，因此無(wú)需建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型以?xún)?yōu)化操作性能，即可很好完成預(yù)期動(dòng)作。 2.2柔性制造系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖 安裝站 上料檢測(cè)站 搬運(yùn)站 加工站 安裝搬運(yùn)站 分類(lèi)站 圖2.1 柔性制造系統(tǒng)工作過(guò)程結(jié)構(gòu)圖 由上圖可知，本系統(tǒng)的工作流程為：上料檢測(cè)單元將大工件按順序排好后提升送出；搬運(yùn)站將大工件從上料檢測(cè)單元搬至加工站；加工站將大工件加工后送出工位；安裝搬運(yùn)站將大工件從傳輸站搬至安裝工位放下；安裝站再將對(duì)應(yīng)的小工件裝入大工件中；安裝搬運(yùn)站再將安裝好的工件送分類(lèi)站，分類(lèi)站再將工件送入相應(yīng)的料倉(cāng)。 2.3步進(jìn)電機(jī)的選型 本次實(shí)驗(yàn)選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為42J1834-810，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為EZM552。本次實(shí)驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)的作用主要是分別控制 X、Y 兩軸滾珠絲桿完成倉(cāng)儲(chǔ)位置選擇。步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖如圖2.2所示。 圖2.2 步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和距離，從而達(dá)到速度調(diào)節(jié)和距離調(diào)節(jié)的目的。 2.4傳感器的選型 本次分類(lèi)站的設(shè)計(jì)的傳感器種類(lèi)主要有電感傳感器，磁性傳感器，單桿氣缸以及限位開(kāi)關(guān)。 1） 電感傳感器的選型 本次電感傳感器選擇的型號(hào)為GKB-M0524NA。電感傳感器的實(shí)物圖如圖2.3所示。 圖2.3 電感傳感器實(shí)物圖 帶有模擬輸出的電感式接近傳感器是一種測(cè)量式控制位置偏差的電子信號(hào)發(fā)生器，其用途非常廣泛。例如：可測(cè)量彎曲和偏移；可測(cè)量振蕩的振幅高度；可控制尺寸的穩(wěn)定性；可控制定位；可控制對(duì)中心率或偏心率。 　　電感傳感器還可用作磁敏速度開(kāi)關(guān)、齒輪齡條測(cè)速等，該類(lèi)傳感器廣泛應(yīng)用于紡織、化纖、機(jī)床、機(jī)械、冶金、機(jī)車(chē)汽車(chē)等行業(yè)的鏈輪齒速度檢測(cè)，鏈輸送帶的速度和距離檢測(cè)，齒輪齡計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)速表及汽車(chē)防護(hù)系統(tǒng)的控制等。另外該類(lèi)傳感器還可用在給料管系統(tǒng)中小物體檢測(cè)、物體噴出控制、斷線監(jiān)測(cè)、小零件區(qū)分、厚度檢測(cè)和位置控制等。本次設(shè)計(jì)中電感傳感器的主要作用是用于滾珠絲桿的X軸限位。 2） 磁性傳感器的選型 本次設(shè)計(jì)磁性傳感器的型號(hào)為D-C73L。磁性傳感器的實(shí)物圖如圖2.4所示。 圖2.4 磁性傳感器實(shí)物圖 磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量電流、位置、方向等物理參數(shù)。它的溫度穩(wěn)定性相比于其他同類(lèi)型的傳感器更好，靈敏度更高，線性范圍更寬，測(cè)量的更加準(zhǔn)確。本次設(shè)計(jì)中磁性傳感器主要用于氣缸位置的檢測(cè)。當(dāng)氣缸到達(dá)位置準(zhǔn)確之后將會(huì)給PLC發(fā)送一個(gè)到位信號(hào)。  第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 主要組成與功能 柔性制造控制系統(tǒng)由上料檢測(cè)單元、搬運(yùn)單元、加工與檢測(cè)單元、安裝單元、安裝搬運(yùn)單元和分類(lèi)單元6個(gè)部分組成，其中搬運(yùn)安裝單元主要由平移工作臺(tái)、塔吊臂、機(jī)械手、齒輪齒條傳動(dòng)、工業(yè)導(dǎo)軌、開(kāi)關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、通訊接口板、電氣網(wǎng)孔板、多種類(lèi)型電磁閥及氣缸組成，主要完成將上站工件拿起放入安裝平臺(tái)，等待安裝站將小工件安裝到位后，將裝好工件拿起放下站。 （1）機(jī)械手：與塔吊臂結(jié)合一起，用于夾取工件。 （2）齒輪齒條傳動(dòng)：完成平移工作臺(tái)左右移動(dòng)。 （3）工業(yè)導(dǎo)軌：輔助平移工作臺(tái)左右移動(dòng)。 （4）電磁閥組：用于控制各個(gè)氣缸的升出、縮回動(dòng)作。 （5）磁性傳感器：用于氣缸的位置檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到氣缸準(zhǔn)確到位后將給 PLC 發(fā)出一個(gè)到位信號(hào)。（磁性傳感器接線時(shí)注意藍(lán)色接“-” ，棕色接“PLC 輸入端” ）。 （6）單桿氣缸：由單向氣動(dòng)電控閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電控閥得電，氣缸縮回，同時(shí)塔吊臂下降與機(jī)械手爪組合完成工件的夾取。 （7）警示燈：系統(tǒng)上電、運(yùn)行、停止信號(hào)指示。 （8）安裝支架：用于安裝提升氣缸及各個(gè)檢測(cè)傳感器。 （9）控制按鈕板：用于系統(tǒng)的基本操作、單機(jī)控制、聯(lián)機(jī)控制。 （10）電氣網(wǎng)孔板：主要安裝 PLC 主機(jī)模塊、空氣開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源、I/O 接口板、各種接線端子等。 3.2 器件參數(shù)及選型 （1）控制電源：直流 24V/4.5A （2）PLC 控制器: 三菱FX2N-32MR，16個(gè)輸入輸出點(diǎn)，繼電器輸出 （3）電磁閥：4V110-06、4V120-06、4V130C-06 （4）調(diào)速閥：出氣節(jié)流式 （5）磁性傳感器：D-C73L （6）單桿氣缸：CDJ2B16-75 （7）氣缸：CDM2B20-30 CDU20-50D CDU20-90D （8）氣動(dòng)手指：MHZ2-16D （9）人機(jī)界面：MCGS TPC7062K （10）PLC拓展模塊：FX2N-32CCL現(xiàn)場(chǎng)總線從站特殊功能模塊。 3.3 硬件實(shí)物圖 搬運(yùn)安裝單元硬件實(shí)物如下圖所示： 圖3.1 搬運(yùn)安裝單元實(shí)物圖 3.4 氣動(dòng)原理 氣動(dòng)控制系統(tǒng)是本工作單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制功能是由 PLC 實(shí)現(xiàn)的。氣動(dòng)控制回路的工作原理見(jiàn)下圖： 圖3.2 氣動(dòng)回路原理圖 圖中，1B1、1B2 為安裝在自由安裝型前氣缸的兩個(gè)極限工作位置的磁性傳感器。1Y1、1Y2為控制自由安裝型前氣缸的電磁閥。2B1、2B2 為安裝在自由安裝型后氣缸的兩個(gè)極限工作位置的磁性傳感器。2Y1、2Y2為控制自由安裝型后氣缸的電磁閥。3B1 為安裝在氣爪的極限工作位置的磁性傳感器。3Y1、3Y2 為控制自由安裝型后氣缸的電磁閥。4B1、4B2 為安裝在標(biāo)準(zhǔn)氣缸的極限工作位置的磁性傳感器。4B1、4B2 為控制自由安裝型后氣缸的電磁閥。 3.5 可編程控制器PLC 從PLC誕生至今，PLC的更新革新很快，到現(xiàn)在PLC的種類(lèi)已經(jīng)很多且功能齊全。不同的制造產(chǎn)商的PLC在形狀、功能上可能存在著少許的差異，但是PLC的基本組成是相同的，其基本的工作原理也大致相同。PLC硬件基本組成如圖3.3所示。 圖3.3 PLC的硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 由圖可以直觀地看到，PLC主要有以下幾個(gè)組成部分：①微處理器（CPU）②存儲(chǔ)器③輸入/輸出模塊 ④通信接口及電源 ⑤外設(shè)I/O。以下為對(duì)PLC的組成各部分具體介紹： （1）中央處理單元（CPU） FX2N-32MR實(shí)物圖如圖3.4所示。PLC的CPU是整個(gè)PLC的控制中樞，負(fù)責(zé)接收與保存用戶(hù)程序，不斷掃描數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息保存到存儲(chǔ)器中，同時(shí)，PLC的微處理器CPU會(huì)執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶(hù)程序，快速準(zhǔn)確地響應(yīng)外部設(shè)備的需求。 圖3.4 主站CPU （2）存儲(chǔ)器 一般市場(chǎng)上流行的PLC的存儲(chǔ)器分為兩種，一種為系統(tǒng)存儲(chǔ)器（EPROM），它被用來(lái)存放系統(tǒng)的管理程序，系統(tǒng)存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)無(wú)法被用戶(hù)擅自修改。另外一種是用戶(hù)存儲(chǔ)器（RAM）。用戶(hù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的內(nèi)容為系統(tǒng)工作時(shí)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，與系統(tǒng)存儲(chǔ)器不同，這部分的存儲(chǔ)內(nèi)容允許用戶(hù)更改。 （3）輸入/輸出模塊 輸出模塊的作用簡(jiǎn)單說(shuō)即為信號(hào)的轉(zhuǎn)換傳輸，它將CPU運(yùn)行用戶(hù)程序所產(chǎn)生的TTL電平的這種控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需要的電壓信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。 3.6 硬件I/O分配 系統(tǒng)I/O分配方案具體如下表： 表3-1 硬件I/O分配 器件 PLC 器件 PLC 前氣缸彈出電磁閥 Y00 后氣缸彈出限位傳感器 X02 前氣缸縮回電磁閥 Y01 后氣缸縮回限位傳感器 X03 后氣缸彈出電磁閥 Y02 手爪夾緊限位傳感器 X04 后氣缸縮回電磁閥 Y03 機(jī)械臂低下限位傳感器 X05 手爪松開(kāi)電磁閥 Y04 機(jī)械臂抬起限位傳感器 X06 手爪夾緊電磁閥 Y05 上電信號(hào) X07 手臂低下電磁閥 Y06 開(kāi)始按鈕 X10 開(kāi)始燈 Y10 復(fù)位按鈕 X11 復(fù)位燈 Y11 調(diào)試按鈕 X12 前氣缸彈出限位傳感器 X00 手動(dòng)/自動(dòng) X13 前氣缸縮回限位傳感器 X01 單機(jī)/聯(lián)機(jī) X14 停止按鈕 X15 3.7 觸摸屏 系統(tǒng)采用三菱觸摸屏，型號(hào)為GS2107-WTBD。如圖3.5所示。 圖3.5 觸摸屏正、反面圖 觸摸屏的出現(xiàn)使得工業(yè)生產(chǎn)更加方便快捷，觸摸屏開(kāi)發(fā)出來(lái)之前，工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控需要更多的人員監(jiān)視，且實(shí)際操作會(huì)更加復(fù)雜。而觸摸屏的出現(xiàn)使得整個(gè)工業(yè)制造過(guò)程更加具體化，每個(gè)過(guò)程的控制都可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行，減少了人力與時(shí)間的浪費(fèi)。 三菱觸摸屏GOT Simple內(nèi)置串口通訊、以太網(wǎng)通訊、SD卡槽、USB通信，滿(mǎn)足不同PLC的接線需求。通過(guò)GT Designer3軟件，可以在觸摸屏上關(guān)聯(lián)大量信息，如開(kāi)關(guān)、指示燈、數(shù)據(jù)等。通過(guò)查看或改變這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏監(jiān)視與控制的功能。  第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 工作流程圖 圖4.1 系統(tǒng)工作流程圖 具體工作流程為：系統(tǒng)啟動(dòng)后，擺臺(tái)前臂抬起，上限位磁性傳感器檢測(cè)到位；工件搬運(yùn)裝置擺臺(tái)向左移，左自由氣缸左限位磁性傳感器和右自由氣缸右限位磁性傳感器檢測(cè)到位；搖臂導(dǎo)桿在搬運(yùn)裝置（轉(zhuǎn)盤(pán)）工位上方。 變頻傳送單元將工件傳送到位后工件搬運(yùn)裝置擺臺(tái)前臂下降，導(dǎo)桿氣缸下限位磁性傳感器檢測(cè)到位，延時(shí)0.5秒后氣動(dòng)手指動(dòng)作抓取工件，擺臺(tái)前臂抬起，導(dǎo)桿上限位磁性傳感器檢測(cè)到位后，擺臺(tái)向右移，左自由安裝型氣缸右限位和右自由安裝型氣缸左限位傳感器到位后，工件搬運(yùn)裝置擺臺(tái)前臂下降，導(dǎo)桿下限位磁性傳感器檢測(cè)到位后，氣動(dòng)手指將工件放入安裝工位，擺臺(tái)前臂抬起，左移等待搬運(yùn)。 待安裝完成后，工件搬運(yùn)裝置運(yùn)行到安裝工位，工件搬運(yùn)裝置擺臺(tái)前臂下降，導(dǎo)桿氣缸下限位磁性傳感器檢測(cè)到位，延時(shí) 0.5 秒后氣動(dòng)手指動(dòng)作抓取工件，擺臺(tái)前臂抬起，導(dǎo)桿上限位磁性傳感器檢測(cè)到位后，擺臺(tái)向右移，左自由安裝型氣缸右限位磁性傳感器和右有自由安裝型左限位磁性傳感器檢測(cè)到位后，工件搬運(yùn)裝置擺臺(tái)前臂下降，導(dǎo)桿下限位磁性傳感器檢測(cè)到位后，氣動(dòng)手指將工件放入分類(lèi)單元貨臺(tái)上，擺臺(tái)前臂抬起，左移等待搬運(yùn)。 4.2 PLC控制程序SFC框圖 圖4.2 SFC框圖 4.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 該單元的復(fù)位信號(hào)、開(kāi)始信號(hào)、停止信號(hào)均從觸摸屏發(fā)出，經(jīng)過(guò)FX2N-32MR 程序處理后，向各單元發(fā)送控制要求，以實(shí)現(xiàn)各站的復(fù)位、開(kāi)始、停止等操作。各從站在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)信號(hào)，應(yīng)存儲(chǔ)到該單元 PLC 規(guī)劃好的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。 人機(jī)界面MCGS TPC7062K由串口通訊讀取PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC的運(yùn)行狀態(tài)和同步動(dòng)畫(huà)展示。 圖4.3 系統(tǒng)仿真初始圖 4.4 系統(tǒng)通信 網(wǎng)絡(luò)型模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線各個(gè)模塊均使用三菱PLC，各個(gè)模塊之間利用三菱CC-LINK現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊，PLC與人機(jī)界面之間使用RS232串口通訊。 圖4.4 CC-LINK通信圖 在各站與PLC之間是由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電纜進(jìn)行連接的，通過(guò)這個(gè)電纜可連接8個(gè)傳感器信號(hào)和8個(gè)輸出控制信號(hào)。通過(guò)該電纜各站的傳感器和輸出控制器可得到24V電壓。 各站都可通過(guò)一塊控制面板來(lái)控制PLC的控制程序使各站按要求進(jìn)行工作，一個(gè)控制面板上有5個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，二個(gè)選擇開(kāi)關(guān)和一個(gè)急停開(kāi)關(guān)。 各開(kāi)關(guān)的控制功能定義為： 序號(hào) 項(xiàng)目 說(shuō)明 序號(hào) 項(xiàng)目 說(shuō)明 1 帶燈按鈕，綠色 開(kāi)始 5 兩位旋鈕，黑色 單站/聯(lián)網(wǎng) 2 帶燈按鈕，黃色 復(fù)位 6 點(diǎn)動(dòng)按鈕，紅色 停止 3 點(diǎn)動(dòng)按鈕，黃色 調(diào)試按鈕 7 帶燈按鈕，綠色 上電 4 兩位旋鈕，黑色 自動(dòng)/手動(dòng) 8 急停按鈕，紅色 急停 表4-1 各開(kāi)關(guān)控制功能 為保證系統(tǒng)中各站能聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，必須將各站的PLC連接在一起使獨(dú)立的各站間能交換信息。而且加工過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如工件顏色裝配信息等，也需要向下站傳送，以保證工作正確。 聯(lián)網(wǎng)后的各站運(yùn)動(dòng)可能會(huì)相互影響，為使系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行，每一站與前后各站需要交換信息，而各站只有進(jìn)行正常工作程序后，才能相互通訊，交換信息。每一站要開(kāi)始工作運(yùn)行，需前站給出信號(hào)，只有第一站（上料檢測(cè)站）是通過(guò)“開(kāi)始”按鈕，啟動(dòng)工作的。這是因?yàn)榈谝徽緵](méi)有上站。 主從站信息交互CC-Link，英文名Control & Communication Link，即控制與通信鏈路。CC-Link是由三菱公司主導(dǎo)推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，主要應(yīng)用于監(jiān)控層與設(shè)備層之間的信息交互，其總線具有復(fù)合性好、開(kāi)放程度高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。 主站與從站之間采用的是CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式，下圖為模塊之間接線示意圖： 圖4.5 主從站模塊接線圖 由圖可知，F(xiàn)X系列主從站模塊間的連線有以下幾個(gè)特點(diǎn)： ①FX2N-32CCL從站模塊均配置了一對(duì)DA端子和一對(duì)DB端子，這樣的設(shè)計(jì)方便利用雙絞線將各站的DA、DB、DG端子相連接。 ②各站之間的連線可以從任意點(diǎn)開(kāi)始，與所設(shè)站號(hào)無(wú)關(guān)。 ③當(dāng)FX2N-32CCL作為最終站時(shí)，DA與DB兩個(gè)端子之間需接終端電阻。 第五章 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)與調(diào)試 5.1 硬件接線圖 PLC與設(shè)備接線圖如下： 圖5.1 安裝搬運(yùn)單元硬件接線圖 5.2 系統(tǒng)仿真 5.2.1 軟件仿真 使用MCGSE組態(tài)軟件進(jìn)行軟件仿真，及通過(guò)對(duì)運(yùn)行策略和數(shù)據(jù)變量的控制，模擬控制系統(tǒng)的一系列動(dòng)作，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控可以清楚地看到系統(tǒng)中各個(gè)限位開(kāi)關(guān)、電磁閥門(mén)的工作狀態(tài)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)效果模仿系統(tǒng)真實(shí)的工作狀態(tài)，以便完成控制系統(tǒng)的功能調(diào)試和完善。 MCGSE仿真初始圖如下： 圖5.2 系統(tǒng)仿真初始圖 5.2.2 調(diào)試過(guò)程 在MCGSE軟件仿真的界面中，通過(guò)對(duì)相關(guān)控制按鈕的操作，可以運(yùn)行相關(guān)的控制策略，即可實(shí)現(xiàn)向應(yīng)的動(dòng)作。通過(guò)單步調(diào)試等方法，可以逐漸檢查該設(shè)計(jì)的正確性，并從仿真中查找存在的問(wèn)題，并加以改正。 具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)總結(jié)報(bào)告相關(guān)描述。 5.2.3 實(shí)驗(yàn)中可能遇到的問(wèn)題和解決方法 問(wèn)題一：上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信出現(xiàn)問(wèn)題 解決辦法：查閱書(shū)籍、詢(xún)問(wèn)老師、也有可能是試驗(yàn)箱的問(wèn)題，更換實(shí)驗(yàn)箱即可解決。 問(wèn)題二：軟件運(yùn)行出錯(cuò) 解決辦法：此類(lèi)問(wèn)題在專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的軟件上經(jīng)常遇到?？梢酝ㄟ^(guò)：重啟軟件、重啟電腦、百度求助等方法解決。 參考文獻(xiàn) [1] 張茂軍.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2001 [2] 陶權(quán),韋瑞錄.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試第二版[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2011 [3] Gabriel Fedorko ,Vladimr 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