自動化生產線之裝配站――論文

1、 畢 業(yè) 設 計 （論 文）課題名稱：自動化生產線之裝配站設計指導教師： 沈麗娜系 別： 電子信息系專 業(yè)： 機電一體化技術班 級： 11機電4班姓 名： 李 任 當摘 要現代化的自動生產設備（自動生產線）的最大特點是它的綜合性和系統(tǒng)性，在這里，機械技術、微電子技術、電工電子技術、傳感測試技術、接口技術、信息變換技術、網絡通信技術等多種技術有機地結合，并綜合應用到生產設備中；而系統(tǒng)性指的是，生產線的傳感檢測、傳輸與處理、控制、執(zhí)行與驅動等機構在微處理單元的控制下協(xié)調有序地工作，有機地融合在一起?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC ）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代化的自

2、動生產設備中，擔負著生產線的大腦微處理單元的角色。系統(tǒng)控制方式采用每一工作單元有一臺PLC 承擔任務，各PLC 之間通過RS485串行通訊實現互聯的分布式控制方式，因此，綜合應用了許多知識，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 控制和組網、步進電機位置、和變頻技術等。由于時間倉促以及編者水平有限，書中錯誤和不足之處在所難免，歡迎讀者提出批評和建議。 關鍵詞：PLC; 裝配站目 錄第一章 緒論 . . 11.1設計背景 . . 11.2設計的內容和結構 . 1第二章 方案論證 . . 2第三章 硬件設計 . . 43.1裝配單元的結構與工作過程 . 43.2裝

3、配單元的氣動元件 . 83.3傳感器 . .113.4 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線 . 15第四章 軟件設計 . . 174.1編寫程序的思路 . . 174.2狀態(tài)流程圖 . . 18結束語 . . 20致 謝 . . 21附 錄 . . 22參考文獻 . . 28第一章 緒論1.1設計背景隨著PLC 技術的普及，企業(yè)對PLC 技術人才的需求明顯增加。目前，很多企業(yè)為了提高生產效率，自動化生產線越來越普及，它有效的加快了工作的效率，提高生產速度和生產質量。當工人按下按鈕，生產線就會自動運行，以此來滿足企業(yè)的需求。由于傳送帶的廣泛應用使得，原材料均可在使用機械裝置搬運的移動中，加工成為各

4、種零件而部件。而裝配和汽車總裝配原則，采用移動裝配法完成。由于把生產工序分細，大大提高了操作熟練程度和勞動生產率。作業(yè)的速度也為傳送帶的速度所規(guī)定，借助于傳送帶的應用，使生產過程的各項作業(yè)能在同一時間進行并且各種零部件在各條流水線的投入和產出互相銜接配合，不至于發(fā)生在制品過多或不足的現象恰能保證總裝配線的需要形成同步化的流水生產體系。本文介紹的是以PLC 控制自動化生產線裝配站系統(tǒng)的設計。1.2設計的內容和結構設計的內容共分為五章：第一章“緒論”概括了課題的設計背景和設計的內容和結構；第二章“方案論證”介紹三種控制中心的設計方案，結合多方面的原因，選擇其中的一種方案作為本次設計的方案；第三章“

5、硬件設計”主要分析了系統(tǒng)的構成以及基本工作原理；第四章“軟件設計”介紹了軟件流程圖和部分關鍵程序；最后的總結對本次完成的工作進行總結，并對今后的工作提出建議。第二章 方案論證下面介紹兩種不同plc 為控制核心的設計方案。一、三菱系列的PLC三菱PLC 英文名又稱：Mitsubish Power Line Communication，是三菱電機在大連生產的主力產品。三菱PLC 在中國市場常見的有以下型號：FR-FX1N FR-FX1S FR-FX2N FR-FX3UFR-FX2NC FR-AFR-Q，下面我們主要介紹FX1N 和FX2N 系列。FX1N 系列:是三菱電機推出的功能強大的普及型PL

6、C 。具有擴展輸入輸出，模擬量控制和通訊、鏈接功能等擴展性。是一款廣泛應用于一般的順序控制三菱PLC 。FX2N 系列:是三菱PLC 是FX 家族中最先進的系列。具有高速處理及可擴展大量滿足單個需要的特殊功能模塊等特點，為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。1. 編程語言在FX 系列可編程控制器控制器中，除基本的指令表變成方式外，還可以采用在圖形畫面上進行階梯符號作圖的梯形圖編程方式，以及對應機械動作流程進行順控設計的SFC （順序功能圖）方式，而且，這些程序可以相互轉換換。指令表及梯形圖程序如果按一定的規(guī)則編寫，也可以實現到SFC 圖的逆變換。2. 高速處理三菱系列PLC 可以實現高速

7、處理，FX 系列可編程控制器內置的高速計數器，對來自特定的輸入繼電器的高速脈沖進行中斷處理，因此與掃描時間無關，可以進行高達60kHz/h的高速脈沖。在可編程控制器中設置了C-R 濾波器，以防止輸入信號的震動和噪音的影響?？梢詫γ}沖進行捕捉，在脈沖捕捉中可以監(jiān)視來自特定輸入的脈沖信號，也可以在輸入時采用中斷處理設置特殊輔助繼電器。3.FX 的PLC 支持順序控制?？删幊炭刂破鞯膾呙柚芷谑呛愣Ｊ剑捎么文Ｊ娇梢砸怨潭ǖ闹芷谔幚砗瓦\算同步執(zhí)行的指令。在設備不停機的情況下也可以對運行過程中的程序進行改變的功能。4. 應用指令FX 系列PLC 基于追求“基本功能、高速處理、便于使用”的規(guī)范理念，FX

8、 可編程控制器具有數據的傳送和比較，四則運算及邏輯運算、數據的循環(huán)和位移等基本指令，還有輸入輸出刷新、中斷、高速計算器專用比較指令、高速脈沖輸出等高速處理指令，以及在SFC 控制方面，將機械控制的標準動作封袋化的狀態(tài)初始化指令等。此外，還提供了可適應更復雜的控制的浮點運算及PID 運算等。二、西門子系列PLC西門子股份公司（SIEMENS AG FWB：SIE, NYSE：SI ）是世界最大的機電類公司之一，1847年由維爾納 馮 西門子建立。西門子SIAMTIC 模塊化控制器有著很大的優(yōu)勢，它可以即買即用，長期兼容性和可用性，可以在惡劣環(huán)境下工作，模塊還可以擴展和升級。西門子的產品十分的抗震

9、動，通過集中式和分布式I/O控制。所以西門子在最近的一些年內能夠很有力的打進中國的市場并能在中國的市場牢牢的扎根。這和西門子產品的質量和性能有著十分大的關系. 其中就有S7-200、S7-300、S7-400。S7-200它適用于一系列機械設備的制造或用作獨立的解決方案，微型自動化系統(tǒng)的組成部分，STEP 7 Micro/WIN工程組態(tài)軟件應用于它，應用于性能要求較低的自動化任務。它是低成本的微型系統(tǒng)。西門子S7-300它設計緊湊，安裝在DIN 導軌上，在CPU 中集成了許多功能，通過在微型存儲器上保持數據實現免維護，PROFIBUS 上的等時模式，屬于故障。安全類型。西門子S7-400具有多

10、種機架類型的機架系統(tǒng)，優(yōu)異的高速處理能力和通訊性能，可以在運行中更改組態(tài)，PROFIBUS 上的等時模式，還支持PROFIBUS 連接分布式I/O，屬于故障安全和容錯類型，熱插拔。S7-400的三個H CPU ，支持硬件同步, 功能強大的解決方案，不會發(fā)生任何信息損失，且可對工程任務提供高級支持，無需額外的編程費用, 可以為安全應用輕松擴展H 系統(tǒng)。西門子plc 現在不僅全面使用16位、32位高性能微處理器，高性能位片式微處理器，RISC(reduced instruction set computer 精簡指令系統(tǒng)CPU 等高級CPU ，而且在一臺PLC 中配置多個微處理器，進行多通道處理，

11、同時生產了大量內含微處理器的智能模塊，使得第四代PLC 產品成為具有邏輯控制功能、過程控制功能、運動控制功能、數據處理功能、聯網通信功能的真正名符其實的多功能控制器。三菱的優(yōu)勢在于離散控制和運動控制，三菱的指令豐富，有專用的定位指令，控制伺服和步進容易實現，要實現某些復雜的動作控制也是三菱的強項，而西門子在這塊就較弱，沒有專用的指令，做伺服或步進定位控制不是不能實現，而是程序復雜，控制精度不高。過程控制與通信控制西門子是強項，西門子的模擬量模塊價格便宜，程序簡單，而三菱的模擬量模塊價格昂貴，程序復雜，西門子做通信也容易，程序簡單，三菱在這塊功能較弱。所以針對不同的設備不同的控制方式，我們要合理

12、的選用PLC ，用其長處，避其短處。 例如某設備只是些動作控制，如機械手，可選擇三菱的PLC ，某設備有伺服或步進要進行定位控制，也選三菱的PLC; 像中央空調，污水處理，溫度控制等這類有很多模擬量要處理的就要選西門子的PLC 比較合適，某設備現場有很多儀表的數據要用通信進行采集，選西門子的好控制。通過以上比較我們選用三菱PLC 為主機控制裝配站系統(tǒng)。第三章 硬件設計3.1裝配單元的結構與工作過程裝配單元的功能是完成將該單元料倉內的黑色或白色小圓柱工件嵌入到放置在裝配料斗的待裝配工件中的裝配過程。裝配單元的結構組成包括：管形料倉，供料機構，廻轉物料臺，機械手，待裝配工件的定位機構，氣動系統(tǒng)及其

13、閥組，信號采集及其自動控制系統(tǒng)，以及用于電器連接的端子排組件，整條生產線狀態(tài)指示的信號燈和用于其他機構安裝的鋁型材支架及底板，傳感器安裝支架等其它附件。其中，機械裝配圖如圖3-1所示： 圖3-1裝配單元機械裝配圖1、管形料倉管形料倉用來存儲裝配用的金屬、黑色和白色圓柱小零件。它由塑料圓管和中空底座構成。塑料圓管頂端放置加強金屬環(huán)，以防止破損。工件豎直放入料倉的空心圓管內，由于二者之間有一定的間隙，使其能在重力作用下自由下落。為了能對料倉供料不足和缺料時報警，在塑料圓管底部和底座處分別安裝了2個漫反射光電傳感器（E3Z-L 型），并在料倉塑料圓柱上縱向銑槽，以使光電傳感器的紅外光斑能可靠照射到被

14、檢測的物料上。 52、落料機構圖3-2給出了落料機構剖視圖。圖中，料倉底座的背面安裝了兩個直線氣缸。上面的氣缸稱為頂料氣缸，下面的氣缸稱為擋料氣缸。系統(tǒng)氣源接通后，頂料氣缸的初始位置在縮回狀態(tài)，擋料氣缸的初始位置在伸出狀態(tài)。這樣，當從料倉上面放下工件時，工件將被擋料氣缸活塞桿終端的擋塊阻擋而不能落下。需要進行落料操作時，首先使頂料氣缸伸出，把次下層的工件夾緊，然后擋料氣缸縮回，工件掉入廻轉物料臺的料盤中。之后擋料氣缸復位伸出，頂料氣缸縮回，次下層工件跌落到擋料氣缸終端擋塊，為再一次供料作準備。3-2落料機構示意圖3、廻轉物料臺該機構由氣動擺臺和兩個料盤組成，氣動擺臺能驅動料盤旋轉180度，從而

15、實現把從供料機構落下到料盤的工件移動到裝配機械手正下方的功能。見圖3-3。圖中的光電傳感器1和光電傳感器2分別用來檢測左面和右面料盤是否有零件。兩個光電傳感器均選用CX-441型。 6圖3-3廻轉物料臺4、裝配機械手裝配機械手是整個裝配單元的核心。當裝配機械手正下方的廻轉物料臺料盤上有小園柱零件，且裝配臺側面的光纖傳感器檢測到裝配臺上有待裝配工件的情況下，機械手從初始狀態(tài)開始執(zhí)行裝配操作過程。裝配機械手整體外形如圖3-4所示。裝配機械手裝置是一個三維運動的機構，它由水平方向移動和豎直方向移動的2個導向氣缸和氣動手指組成。圖3-4裝配機械手的整體外形裝配機械手的運行過程如下： 7PLC 驅動與豎

16、直移動氣缸相連的電磁換向閥動作，由豎直移動帶導桿氣缸驅動氣動手指向下移動，到位后，氣動手指驅動手爪夾緊物料，并將夾緊信號通過磁性開關傳送給PLC ，在PLC 控制下，豎直移動氣缸復位，被夾緊的物料隨氣動手指一并提起，離開當廻轉物料臺的料盤，提升到最高位后，水平移動氣缸在與之對應的換向閥的驅動下，活塞桿伸出，移動到氣缸前端位置后，豎直移動氣缸再次被驅動下移，移動到最下端位置，氣動手指松開，經短暫延時，豎直移動氣缸和水平移動氣缸縮回，機械手恢復初始狀態(tài)。在整個機械手動作過程中，除氣動手指松開到位無傳感器檢測外，其余動作的到位信號檢測均采用與氣缸配套的磁性開關，將采集到的信號輸入PLC ，由PLC

17、輸出信號驅動電磁閥換向，使由氣缸及氣動手指組成的機械手按程序自動運行。5、裝配臺料斗輸送單元運送來的待裝配工件直接放置在該機構的料斗定位孔中，由定位孔與工件之間的較小的間隙配合實現定位，從而完成準確的裝配動作和定位精度。如圖3-5所示。圖3-5裝配臺料斗為了確定裝配臺料斗內是否放置了待裝配工件，使用了光纖傳感器進行檢測。料斗的側面開了一個M6的螺孔，光纖傳感器的光纖探頭就固定在螺孔內。6、警示燈本工作單元上安裝有紅、橙、綠三色警示燈，它是作為整個系統(tǒng)警示用的。警示燈有五根引出線，其中黃綠交叉線為”地線”；紅色線：紅色燈控制線；黃色線：橙色燈控制線、綠色線：綠色燈控制線；黑色線：信號燈公共控制線

18、。接線如圖3-6所示。 8圖3-6警示燈及其接線3.2裝配單元的氣動元件1、氣動擺臺回轉物料臺的主要器件是氣動擺臺，它是由直線氣缸驅動齒輪齒條實現回轉運動，回轉角度能在090度和0180度之間任意可調，而且可以安裝磁性開關，檢測旋轉到位信號，多用于方向和位置需要變換的機構。如圖3-7所示。圖3-7氣動擺臺氣動擺臺的擺動回轉角度能在0180度范圍任意可調。當需要調節(jié)回轉角度或調整擺動位置精度時，應首先松開調節(jié)螺桿上的反扣螺母，通過旋入和旋出調節(jié)螺桿，從而改變回轉凸臺的回轉角度，調節(jié)螺桿1和調節(jié)螺桿2分別用于左旋和右旋角度的調整。當調整好擺動角度后，應將反扣螺母與基體反扣鎖緊，防止調節(jié)螺桿松動。造

19、成回轉精度降低。回轉到位的信號是通過調整氣動擺臺滑軌內的2個磁性開關的位置實現的，圖3-8是調整磁性開 9關位置的示意圖。磁性開關安裝在氣缸體的滑軌內，松開磁性開關的緊定螺絲，磁性開關就可以沿著滑軌左右移動。確定開關位置后，旋緊緊定螺絲，即可完成位置的調整。圖3-8磁性開關位置調整示意2、導向氣缸導向氣缸是指具有導向功能的氣缸。一般為標準氣缸和導向裝置的集合體。導向氣缸具有導向精度高，抗扭轉力矩、承載能力強、工作平穩(wěn)等特點。裝配單元用于驅動裝配機械手水平方向移動的導向氣缸外型如圖3-9 所示。該氣缸由直線運動氣缸帶雙導桿和其它附件組成。圖3-9 導向氣缸安裝支架用于導桿導向件的安裝和導向氣缸整

20、體的固定，連接件安裝板用于固定其它需要連接到該導向氣缸上的物件，并將兩導桿和直線汽缸活塞桿的相對位置固定，當直線氣缸的一端接通壓縮空氣后，活塞被驅動作直線運動，活塞桿也一起移動，被連接件安裝板固定到一起的兩導桿也隨活塞桿伸出或縮回，從而實現導向氣缸的整體功能。安裝在導桿末端的行程調整板用于調整該導桿氣缸的伸出行程。具體調整方法是松開行程調整板上的緊定螺釘，讓行程調整板在導桿上移動，當達到理想的伸出距離以后，再完全鎖緊緊定螺釘，完成行程的調節(jié)。3、氣源處理的必要性從空壓機輸出的壓縮空氣，含有大量的水分、油和粉塵等污染物，空氣質量不良是氣動系統(tǒng)出現故障的主要因素，會使氣動系統(tǒng)的可靠性和使用壽命大大

21、降低，由此造成的損失會大大超過起源處理 10裝置的成本和維護費用。壓縮空氣中，絕對不許含有化學藥品、有機溶劑的合成油、鹽分和腐蝕性氣體等。氣源處理包括 空氣過濾：主要目的是濾除壓縮空氣中的水分、油滴以及雜質，以達到啟動系統(tǒng)所需要的凈化程度，它屬于二次過濾器。 壓力調節(jié)：調節(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，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。 油霧器：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，經壓縮空氣攜帶進入系統(tǒng)各潤滑油部位，滿足潤滑的需要。4、氣動三聯件為得到多種功能, 將空氣過濾器、減壓閥和油霧器等元件進行不同的組合，就構

22、成了空氣組合元件。各元件之間采用模塊式組合的方式連接。圖3-10 氣動三聯件有些品牌的電磁閥和氣缸能夠實現無油潤滑（靠潤滑脂實現潤滑功能），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，可以稱為氣動二聯件。5、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件結構，組件及其回路原理圖分別如圖3-11 (a和(b所示。 11圖3-11 氣源處理組件3.3傳感器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。1、磁性開關磁性開關用來檢測氣缸活塞位置的，即檢測活塞的運動行程的

23、。氣缸的活塞上安裝一個永久磁鐵的磁環(huán)，從而提供一個反映氣缸活塞位置的磁場。而安裝在氣缸外側的磁性開關用舌簧開關作磁場檢測元件。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。觸點閉合或斷開即提供了氣缸活塞伸出或縮回的位置。圖3-12是帶磁性開關氣缸的工作原理圖。圖3-12 帶磁性開關氣缸的工作原理圖 12圖3-13 磁性開關及內部電路原理圖磁性開關安裝位置的調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。2、電感式接近開關是利用電渦流效應制造的傳感器，當被測金屬物體接近電感線圈時產生了渦

24、流效應，引起振蕩器振幅或頻率的變化，由傳感器的信號調理電路（包括檢波、放大、整形、輸出等電路）將該變化轉換成開關量輸出，從而達到檢測目的。工作原理框圖如圖3-14所示。圖3-14 電感式傳感器3、光電傳感器和光纖傳感器 光電傳感器“光電傳感器”是利用光的各種性質，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。 13圖3-15 光電式接近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位置，且為一體化結構。圖3-16 E3Z-L61型光電開關的外形和

25、調節(jié)旋鈕、顯示燈光纖式傳感器光纖型傳感器由光纖檢測頭、光纖放大器兩部分組成，放大器和光纖檢測頭是分離的兩個部分，光纖檢測頭的尾端部分分成兩條光纖，使用時分別插入放大器的兩個光纖孔。光纖傳感器組件及放大器的安裝示意圖如圖3-17所示。 14圖3-17 光纖傳感器光纖傳感器也是光電傳感器的一種。光纖傳感器具有下述優(yōu)點：抗電磁干擾、可工作于惡劣環(huán)境，傳輸距離遠，使用壽命長，此外，由于光纖頭具有較小的體積，所以可以安裝在很小空間的地方。光纖式光電接近開關的放大器的靈敏度調節(jié)范圍較大。當光纖傳感器靈敏度調得較小時，反射性較差的黑色物體，光電探測器無法接收到反射信號；而反射性較好的白色物體，光電探測器就可

26、以接收到反射信號。反之，若調高光纖傳感器靈敏度，則即使對反射性較差的黑色物體，光電探測器也可以接收到反射信號。圖3-18給出了放大器單元的俯視圖，調節(jié)其中部的8旋轉靈敏度高速旋鈕就能進行放大器靈敏度調節(jié)（順時針旋轉靈敏度增大）。調節(jié)時，會看到“入光量顯示燈”發(fā)光的變化。當探測器檢測到物料時，“動作顯示燈”會亮，提示檢測到物料。圖3-18 光纖傳感器放大器單元的俯視圖 153.4 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線裝配單元裝置側的接線端口信號端子的分配如表3-19所示。PLC 的I/O分配如表3-20所示。圖3-21是PLC 原理圖。表3-20 裝配單元PLC 的I/O信號表 16 圖3-21 裝

27、配單元PLC 原理圖 17第四章 軟件設計4.1編寫程序的思路 進入運行狀態(tài)后，裝配單元的工作過程包括2個相互獨立的子過程，一個是供料過程，另一個是裝配過程。供料過程就是通過供料機構的操作，使料倉中的小園柱零件落下到擺臺左邊料盤上；然后擺臺轉動，使裝有零件的料盤轉移到右邊，以便裝配機械手抓取零件。裝配過程是當裝配臺上有待裝配工件，且裝配機械手下方有小園柱零件時，進行裝配操作。 在主程序中，當初始狀態(tài)檢查結束，確認單元準備就緒，按下啟動按鈕進入運行狀態(tài)后，應同時調用供料控制和裝配控制兩個程序。圖 4-1 供料控制過程包含兩個互相聯鎖的過程，即落料過程和擺臺轉動、料盤轉移的過程。在小園柱零件從料倉

28、下落到左料盤的過程中，禁止擺臺轉動；反之，在擺臺轉動過程中，禁止打開料倉（擋料氣缸縮回）落料。實現聯鎖的方法是：當擺臺的左限位或右限位磁性開關動作并且左料盤沒有料，經定時確認后，開始落料過程；當擋料氣缸伸出到位使料倉關閉、左料盤有物料而右料盤為空，經定時確認后，開始擺臺轉動，直到達到限位位置。 供料過程的落料控制和裝配控制過程都是單序列步進順序控制，具體編程步驟這里不再贅述，讀者可參考附錄光盤相關程序自行編制。 停止運行，有兩種情況。一是在運行中按下停止按鈕，停止指令被置位；另一種情況是當料倉中最后一個零件落下時，檢測物料有無的傳感器動作（X001 OFF），將發(fā)出缺料報警。對于供料過程的落料控制，上述兩種情況均應在料倉關閉，頂料氣缸復位到位即返回到初始步后 18停止下次落料，并復位落料初始步。但對于擺臺轉動控制，一旦停止指令發(fā)出，則應立即停止擺臺轉動。對于裝配控制，上述兩種情況也應在一次裝配完成，裝配機械手返回到初始位置后停止。 僅當落料機構和裝配機械手均返回到初始位置，才能復位運行狀態(tài)標志和停止指令。停止運行的操作應在主程序中編制，其梯形圖如圖4-22所示。圖