柔性制造系統(tǒng)中加工單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文) 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 課 題 柔性制造系統(tǒng)中加工單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 王周讓 2011 年 11月4日 畢業(yè)論文任務(wù)書 機(jī)電工程 系 機(jī)電一體化專業(yè)學(xué)生姓名 唐亞娟 學(xué)號(hào) 58 1、 畢業(yè)論文題目： 柔性制造系統(tǒng)中加工單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、畢業(yè)論文時(shí)間 2011 年10月20日至2011年 12 月 20日三、畢業(yè)論文地點(diǎn)： 陜 西 航 空 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 四、畢業(yè)論文的內(nèi)容要求：1、論文中包括具體實(shí)例，理論知識(shí)和相關(guān)圖標(biāo)并存。2、字?jǐn)?shù)不少于10000字。3、論文內(nèi)容與格式按照要求完成。 指導(dǎo)教師 王周讓 2011年11月 0

2、4 日 目錄 緒論第一章 加工單元的概述 1、加工單元的基本功能2、加工單元的基本結(jié)構(gòu)2.1旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)模塊2.2鉆孔模塊2.3檢測(cè)模塊3、繼電器4、CP閥組5、加工單元的主要技術(shù)數(shù)據(jù)6、加工單元的功能第二章 加工單元的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 PLC的基本概念和基本結(jié)構(gòu)2、 PLC控制的總體設(shè)計(jì)方案3、選型4、接線第三章 參考程序1、編程要點(diǎn)2、加工單元的編程要點(diǎn)第四章 結(jié)束語 緒 論柔性制造系統(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)，英文縮寫為FMS。FMS的工藝基礎(chǔ)是成組技術(shù)，它按照成組的加工對(duì)象確定工藝過程，選擇相適應(yīng)的數(shù)控加工設(shè)備

3、和工件、工具等物料的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。故能自動(dòng)調(diào)整并實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)多種工件的成批高效生產(chǎn)，并能及時(shí)地改變產(chǎn)品以滿足市場(chǎng)需求。FMS兼有加工制造和部分生產(chǎn)管理兩種功能，因此能綜合地提高生產(chǎn)效益。FMS的工藝范圍正在不斷擴(kuò)大，包括毛坯制造、機(jī)械加工、裝配和質(zhì)量檢驗(yàn)等。 加工單元主要組成機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)工作模塊、鉆孔模塊、鉆孔檢測(cè)模塊等構(gòu)成。加工單元可以模擬鉆孔加工及鉆孔質(zhì)量檢測(cè)的過程，并通過工作臺(tái)模擬物流傳送的過程。本設(shè)計(jì)目的則是熟悉MPS系統(tǒng)中加工單元的結(jié)構(gòu)組成，查明加工單元中的PLC的I/O借口地址，進(jìn)一步了解加工單元的結(jié)構(gòu)、觀察氣動(dòng)控制回路的組成情況，了解繼電器的作用、傳感器技術(shù)在加工

4、單元的應(yīng)用，各電控閥的電控信號(hào)、繼電器線圈所對(duì)應(yīng)的PLC接口地址（輸出地址）。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：加工單元的組成、加工單元的結(jié)構(gòu)、加工單元?dú)鈩?dòng)控制回路、加工單元的順序編程等。第一章 加工單元的結(jié)構(gòu)與控制一、加工單元的結(jié)構(gòu)1.加工單元的基本功能 加工單元可以模擬鉆孔加工及鉆孔質(zhì)量檢測(cè)的過程，并通過工作臺(tái)模擬物流傳送的過程。2、加工單元的基本結(jié)構(gòu)加工單元主要組成機(jī)構(gòu)有：旋轉(zhuǎn)工作模塊鉆孔模塊鉆孔檢測(cè)模塊等2.1旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)模塊 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)模塊主要由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、工作臺(tái)固定底盤、傳動(dòng)齒輪、直流電動(dòng)機(jī)、定位凸塊、電感式接近開關(guān)傳感器、滿反射式光電傳感器、支架等組成。在轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)上有四個(gè)工位，用于存放文件。

5、在每個(gè)工位的下面都有一個(gè)圓孔，用于光電傳感器對(duì)工件的識(shí)別。電感式接近開關(guān)傳感器用于判斷工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，以便于進(jìn)行定位控制。2.2鉆孔模塊鉆孔模塊主要由鉆孔氣缸、鉆孔電機(jī)導(dǎo)向裝置、夾緊氣缸、鉆孔模塊支架等組成。鉆孔模塊用于實(shí)現(xiàn)鉆孔加工，在鉆孔氣缸的兩端、夾緊氣缸的兩端都安裝有磁感應(yīng)式接近開關(guān)，分別用于判斷兩個(gè)氣缸運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)極限位置。2.3 檢測(cè)模塊檢測(cè)模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔加工結(jié)果的模擬檢測(cè)過程。檢測(cè)模塊主要由檢測(cè)氣缸、檢測(cè)氣缸固定架、檢測(cè)模塊支架及磁感應(yīng)式接近開關(guān)組成。氣缸桿能下降到位孔深度加工合格：氣缸不能下降到位孔加工不合格。氣缸的位置通過安裝在氣缸兩端的磁感應(yīng)式接近開關(guān)來判斷。3、繼電器繼

6、電器K1、K2，分別用于控制鉆孔電機(jī)和工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。4、CP閥組本單元的CP閥組由3個(gè)電磁閥組成，其中一個(gè)為帶手控開關(guān)的雙側(cè)電磁先導(dǎo)控制閥，其余2個(gè)均為帶手控開關(guān)的單側(cè)電磁先導(dǎo)控制閥。各個(gè)閥的結(jié)構(gòu)類型（幾位幾通），請(qǐng)同學(xué)們通過實(shí)際操作設(shè)備，根據(jù)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特征判斷出來。5、加工單元的主要技術(shù)數(shù)據(jù)氣源工作壓力 最小6bar， 最大8bar I/O接口 開關(guān)量：8個(gè)輸入/6個(gè)輸出。6、加工單元的功能加工單元的功能是完成把待加工工件從物料臺(tái)移送到加工區(qū)域沖壓氣缸的正下方；完成對(duì)工件的沖壓加工，然后把加工好的工件重新送回物料臺(tái)的過程。加工單元的結(jié)構(gòu)組成 加工單元主要結(jié)構(gòu)組成為：物料臺(tái)及滑動(dòng)機(jī)構(gòu)

7、，加工（沖壓）機(jī)構(gòu)，電磁閥組，接線端口，PLC模塊，急停按鈕啟動(dòng)/停止按鈕，底板等。第二章 加工單元的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC主要是指數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制器，用于控制機(jī)械的生產(chǎn)過程。也是公共有限公司、電源線車等的名稱縮寫。PLC = Programmable logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分 PLC = Programmabl

8、e Logic Controller，可編程控制器 另外PLC還有以下幾個(gè)名稱： PLC = Power Line Communication，電力線通信，即我們俗稱的“電力線上網(wǎng)”。 PLC = Public Limited Company，公共有限公司，股票上市公司。 PLC = Power-line Carrier，輸電線載波，電力線載波，電源線車。 PLC = Power Loading Control，動(dòng)力負(fù)載控制。 PLC = Preparative Layer Chromatography，制備層色譜法。 PLC = Programming Language Committee，

9、程序設(shè)計(jì)語言委員會(huì)美。1、PLC的基本概念和結(jié)構(gòu)可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC,plc自1966年出現(xiàn)，美國，日本，德國的可編程控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良，功能強(qiáng)大。 PL

10、C實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為： a、電源 PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 b. 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)

11、各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 c、存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 d、輸入輸出接口電路 1、現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由

12、光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。 2、現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。 e、功能模塊 如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊 f、通信模塊 如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等 2. PLC的總體設(shè)計(jì)方案 功能要求 該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按鍵傳感器掃描，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，LED狀態(tài)顯示，數(shù)碼顯示以及鉆孔汽缸驅(qū)動(dòng)等功能。該控制系統(tǒng)有三個(gè)按鍵分別為開始按鍵，停止按鍵，清零按鍵。加工單元工件時(shí)有等待工件輸入，模擬鉆孔加工，模擬檢測(cè)已加工工件質(zhì)量等工作狀態(tài)。有三個(gè)LED狀態(tài)

13、指示燈顯示當(dāng)前加工單元的工作狀態(tài)。有四位八段數(shù)碼管，用于顯示加工的工件件數(shù)。當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 2.1 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周

14、期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2.2 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生

15、變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 2.3 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出

16、。 3. 選型雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實(shí)體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實(shí)體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實(shí)際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。在整個(gè)的掃描過程包括三大步驟，“輸入狀態(tài)檢查”、“程式執(zhí)行”、“輸出狀態(tài)更新”說明如下： 步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點(diǎn)開關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關(guān)），并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置Xn。步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯

17、圖程式逐行取入CPU 中運(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點(diǎn)狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕?。輸出線圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置，暫不反應(yīng)至輸出端Yn。步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部接點(diǎn)，并且重回步驟一。 此三步驟稱為PLC之掃描周期，而完成所需的時(shí)間稱為PLC 之反應(yīng)時(shí)間，PLC 輸入訊號(hào)之時(shí)間若小于此反應(yīng)時(shí)間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會(huì)被更新一次，因此稱此種運(yùn)作方式為輸出輸入端“程式結(jié)束再生”。 4.連線電力線通信技術(shù)，英文簡(jiǎn)稱PLC，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻加載于電流

18、，然后用電線傳輸，接受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計(jì)算機(jī)或電話上，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。該技術(shù)在不需要重新布線的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有電線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載，也就是實(shí)現(xiàn)四網(wǎng)合一。終端用戶只要插上電源插頭，就可以實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入。 PLC利用1.6M到30M頻帶范圍傳輸信號(hào)。在發(fā)送時(shí)，利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后在電力線上進(jìn)行傳輸；在接收端，先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號(hào)濾出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信號(hào)。目前可達(dá)到的通信速率依具體設(shè)備不同在4.5M45M之間。PLC設(shè)備分為局端和調(diào)制解調(diào)器，局端負(fù)責(zé)與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。在通

19、信時(shí)，來自用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過用戶的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端將信號(hào)解調(diào)出來，再轉(zhuǎn)到外部的Internet。6、PLC的I/O接線圖傳感器信號(hào)占用6個(gè)輸入點(diǎn)，留出2個(gè)點(diǎn)提供給急停按鈕和啟/停按鈕作本地主令信號(hào)，則所需PLC/O點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)輸入、3點(diǎn)輸出。選用西門子S7-222AC/DC/RLY主單元，共8點(diǎn)輸入和6點(diǎn)繼電器輸出，加工單元的I/O接線原理如圖8-11所示。第三章 參考程序1、編程要點(diǎn)（1）.料臺(tái)伸出氣缸在未得電時(shí)是伸出的。（2）.在檢測(cè)到有料時(shí)，應(yīng)延時(shí)一段時(shí)間再夾緊，否則可能會(huì)造成物料還沒有到位就夾緊而夾不住物料。（3）.在一個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，等物料被機(jī)械手拿走之后，再讓程序回到初始等待步，否則程序會(huì)因?yàn)槿詸z測(cè)物料而循環(huán)加工。2、加工單元的編程要點(diǎn)2.1 在加工單元中，提供一個(gè)啟動(dòng)/停止按鈕和一個(gè)急停按鈕。與供料單元同樣，如果需要有啟動(dòng)和停止2 種主令信