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电气自动化业设计论文
毕业设计报告(论文)
题目:
基于N:
N网络的自动化生产线的组态与实现
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摘要
自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性,综合性主要涉及机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合,并综合应用到生产设备中;而系统性指的是生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作,有机地融合在一起。
本系统完成一个工件的拆卸、分拣工作,模拟一个生产流水线的生产过程。
首先由供料站提供原料,运输站将其送至加工站加工,然后送至装配站进行安装,最后由分拣站进行分拣。
设计以送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元作为自动生产线的整体设计,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。
所以,本设计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。
关键字:
网络组态自动化PLC电机
第一章概述
二十世纪以来,为了实现自动化,人们研究和制造了成千上万种自动控制系统,极大地推动了生产劳动、社会服务、军事工程和科学研究等活动。
随着自动化技术的发展,这是机械化、电气化和自动控制相结合的结果,处理的对象是离散工件。
早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。
20世纪60年代以后,由于电子计算机的应用,出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。
研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统(FMS)。
以柔性制造系统为基础的自动化车间,加上信息管理、生产设备自动化,出现了采用计算机集成制造系统(CIMS)的工厂自动化(FA)。
现代生产和科学技术的发展,对自动化技术提出越来越高的要求,同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。
70年代以来,自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展,并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域,实现更大规模的自动化,例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。
自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展,如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。
自动化将在更大程度上模仿人的智能,机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用,专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。
工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容,并得到迅速发展。
本系统模拟一个生产流水线的生产过程,完成一个工件的拆卸、分拣工作。
首先由供料站提供原料,运输站将其送至加工站加工,然后送至装配站进行安装,最后由分拣站进行分拣。
整个过程要充分考虑生产过程中所出现的情况,对各种生产要求进行处理,系统分成五个操作站:
供料站、安装站、加工站、运输站、分拣站。
整个系统基于三菱PLC的N:
N网络,包括变频控制、伺服控制等,是各种电气控制的综合应用。
本课题由我和朱廷同学共同完成,在项目实施过程中,朱廷同学主要负责程序的编制,我主要负责机械部分的安装、电气原理图和气路的设计和连接、变频器和伺服放大器的参数设置。
第二章自动生产线的组成及基本功能
2.1基本组成
自动生产线由安装在铝合金导轨式台面上的供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。
其外观如图2-1所示。
图2-1自动生产线外观图
其中,每一工作单元都可自成一个独立的系统,同时也都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,但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异步电动机的交流传动装置。
位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。
设计中应用了多种类型的传感器,分别用于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。
2.2基本功能
各工作单元在台面上的分布如图2-2的俯视图所示。
310
430
350
560
图2-2自动生产线设备俯视图
各个单元的基本功能如下:
1、供料单元的基本功能:
供料单元是本次设计中的起始单元,在整个系统中,起着向系统中的其他单元提供原料的作用。
具体的功能是:
按照需要将放置在料仓中待加工工件(原料)自动地推出到物料台上,以便输送单元的机械手将其抓取,输送到其他单元上。
如图2-3所示为供料单元实物的全貌。
图2-3供料单元实物的全貌
2、加工单元的基本功能:
把该单元物料台上的工件(工件由输送单元的抓取机械手装置送来)送到冲压机构下面,完成一次冲压加工动作,然后再送回到物料台上,待输送单元的抓取机械手装置取出。
如图2-4所示为加工单元实物的全貌。
图2-4加工单元实物的全貌
3、装配单元的基本功能:
完成将该单元料仓内的黑色或白色小圆柱工件嵌入到已加工的工件中的装配过程。
装配单元总装实物图如2-5。
图2-5装配单元总装实物图
4、分拣单元的基本功能:
完成将上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣,使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。
如图2-6所示分拣单元实物的全貌。
图2-6分拣单元实物的全貌
5、输送单元的基本功能:
该单元通过直线运动传动机构驱动抓取机械手装置到指定单元的物料台上精确定位,并在该物料台上抓取工件,把抓取到的工件输送到指定地点然后放下,实现传送工件的功能。
输送单元的外观如图2-7所示。
图2-7输送单元外观图
直线运动传动机构的驱动器可采用伺服电机或步进电机,视工作目的而定。
本次任务配置为伺服电机。
第三章电气控制
3.1接线端子及主令部件
3.1.1接线端子
本次任务的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。
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3-1和图3-2分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。
图3-1装置侧接线端口
图3-2PLC侧接线端口
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PLC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。
3.1.2控制系统
任务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。
按钮指示灯模块如图3-3所示。
模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。
图3-3按钮指示灯模块
模块盒上器件包括:
⑴指示灯(24VDC):
黄色(HL1)、绿色(HL2)、红色(HL3)各一只。
⑵主令器件:
绿色常开按钮SB1一只
红色常开按钮SB2一只
选择开关SA(一对转换触点)
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,对于采用三菱FX系列PLC的设备,
各工作站PLC配置如下:
⑴输送单元:
FX1N-40MT主单元,共24点输入,16点晶体管输出。
⑵供料单元:
FX2N-32MR主单元,共16点输入,16点继电器输出。
⑶加工单元:
FX2N-32MR主单元,共16点输入,16点继电器输出。
⑷装配单元:
FX2N-48MR主单元,共24点输入,24点继电器输出。
⑸分拣单元:
FX2N-32MR主单元,共16点输入,16点继电器输出。
3.2能源部件
3.2.1供电电源
外部供电电源为三相五线制AC380V/220V,图3-4为供电电源模块一次回路原理图。
图中,总电源开关选用DZ47LE-32/C32型三相四线漏电开关。
系统各主要负载通过自动开关单独供电。
其中,变频器电源通过DZ47C16/3P三相自动开关供电;各工作站PLC均采用DZ47C5/2P单相自动开关供电。
此外,系统配置4台DC24V6A开关稳压电源分别用作供料、加工和分拣单元,及输送单元的直流电源。
图3-4供电电源模块一次回路原理图
图3-5配电箱设备安装图
3.2.2气源处理装置
本次任务的气源处理组件及其回路原理图分别如图3-6所示。
气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件,它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水,调节并保持恒定的工作压力。
在使用时,应注意经常检查过滤器中凝结水的水位,在超过最高标线以前,必须排放,以免被重新吸入。
气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关,用于启/闭气源,当把气路开关向左拔出时,气路接通气源,反之把气路开关向右推入时气路关闭。
图3-6气源处理组件
气源处理组件输入气源来自空气压缩机,所提供的压力为0.6~1.0MPa,输出压力为0~0.8MPa可调。
输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元。
3.3RS485总线的电气连接
3.3.1安装和连接N:
N通信网络
网络安装前,应断开电源。
各站PLC应插上485-BD通信板。
它的LED显示/端子排列如图3-7所示。
图3-7485-BD板显示/端子排列
在N:
N链接网络,各站点间用屏蔽双绞线相连,如图3-8所示,接线时须注意终端站要接上110欧姆的终端电阻(485BD板附件)。
图3-8PLC链接网络连接
第四章供料与加工单元控制系统
4.1供料单元的结构和工作过程
供料单元的主要结构组成为:
工件装料管,工件推出装置,支撑架,阀组,端子排组件,PLC,急停按钮和启动/停止按钮,走线槽、底板等。
其中,机械部分结构组成如图4-1所示。
图4-1供料单元的主要结构组成
其中,管形料仓和工件推出装置用于储存工件原料,并在需要时将料仓中最下层的工件推出到出料台上。
它主要由管形料仓、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。
该部分的工作原理是:
工件垂直叠放在料仓中,推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料仓的底部通过。
当活塞杆在退回位置时,它与最下层工件处于同一水平位置,而顶料气缸则与次下层工件处于同一水平位置。
在需要将工件推出到物料台上时,首先使夹紧气缸的活塞杆推出,压住次下层工件;然后使推料气缸活塞杆推出,从而把最下层工件推到物料台上。
在推料气缸返回并从料仓底部抽出后,再使夹紧气缸返回,松开次下层工件。
这样,料仓中的工件在重力的作用下,就自动向下移动一个工件,为下一次推出工件做好准备。
在底座和管形料仓第4层工件位置,分别安装一个漫射式光电开关。
它们的功能是检测料仓中有无储料或储料是否足够。
若该部分机构内没有工件,则处于底层和第4层位置的两个漫射式光电接近开关均处于常态;若仅在底层起有3个工件,则底层处光电接近开关动作而第4层处光电接近开关常态,表明工件已经快用完了。
这样,料仓中有无储料或储料是否足够,就可用这两个光电接近开关的信号状态反映出来。
推料缸把工件推出到出料台上。
出料台面开有小孔,出料台下面设有一个园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,以便向系统提供本单元出料台有无工件的信号。
在输送单元的控制程序中,就可以利用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。
4.2供料单元的PLC工作任务
本章节只考虑供料单元作为独立设备运行时的情况,单元工作的主令信号和工作状态显示信号来自PLC旁边的按钮/指示灯模块。
并且,按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关SA应置于“单站方式”位置。
具体的控制要求为:
①设备上电和气源接通后,若工作单元的两个气缸均处于缩回位置,且料仓内有足够的待加工工件,则“正常工作”指示灯HL1常亮,表示设备准备好。
否则,该指示灯以1Hz频率闪烁。
②若设备准备好,按下启动按钮,工作单元启动,“设备运行”指示灯HL2常亮。
启动后,若出料台上没有工件,则应把工件推到出料台上。
出料台上的工件被人工取出后,若没有停止信号,则进行下一次推出工件操作。
③若在运行中按下停止按钮,则在完成本工作周期任务后,各工作单元停止工作,HL2指示灯熄灭。
④若在运行中料仓内工件不足,则工作单元继续工作,但“正常工作”指示灯HL1以1Hz的频率闪烁,“设备运行”指示灯HL2保持常亮。
若料仓内没有工件,则HL1指示灯和HL2指示灯均以2Hz频率闪烁。
工作站在完成本周期任务后停止。
除非向料仓补充足够的工件,工作站不能再启动。
4.3加工单元的结构和工作过程
加工单元的功能是完成把待加工工件从物料台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回物料台的过程。
加工单元装置侧主要结构组成为:
加工台及滑动机构,加工(冲压)机构,电磁阀组,接线端口,底板等。
其中,该单元机械结构总成如图4-2所示。
图4-2加工单元机械结构总成
4.4加工单元PLC工作任务
加工单元作为独立设备运行时的情况,按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关应置于“单站方式”位置。
具体的控制要求为:
1、初始状态:
设备上电和气源接通后,滑动加工台伸缩气缸处于伸出位置,加工台气动手爪松开的状态,冲压气缸处于缩回位置,急停按钮没有按下。
若设备在上述初始状态,则“正常工作”指示灯HL1常亮,表示设备准备好。
否则,该指示灯以1Hz频率闪烁。
2、若设备准备好,按下启动按钮,设备启动,“设备运行”指示灯HL2常亮。
当待加工工件送到加工台上并被检出后,设备执行将工件夹紧,送往加工区域冲压,完成冲压动作后返回待料位置的工件加工工序。
如果没有停止信号输入,当再有待加工工件送到加工台上时,加工单元又开始下一周期工作。
3、在工作过程中,若按下停止按钮,加工单元在完成本周期的动作后停止工作。
HL2指示灯熄灭。
4.5PLC的I/O分配及系统安装接线
1、供料加工单元装置侧的接线端口上各电磁阀和传感器的引线安排如表4-1所示。
表4-1供料加工单元装置侧的接线端口信号端子的分配
输入端口中间层
输出端口中间层
端子号
设备符号
信号线
端子号
设备符号
信号线
2
1B1
顶料到位
2
1Y
顶料电磁阀
3
1B2
顶料复位
3
2Y
推料电磁阀
4
2B1
推料到位
4
3Y
夹紧电磁阀
5
2B2
推料复位
5
4Y
伸缩电磁阀
6
SC1
供料台物料检测
6
5Y
冲压电磁阀
7
SC2
物料不足检测
8
SC3
物料有无检测
9
SC4
金属材料检测
10
SC5
加工台物料检测
11
3B1
工件夹紧检测
12
4B1
加工台伸出到位
13
4B2
加工台缩回到位
14
5B1
加工压头上限
15
5B2
加工压头下限
16#~17#端子没有连接
7#~14#端子没有连接
2,根据工作单元装置的I/O信号分配(表4-1)和工作任务的要求,供料单元PLC选用FX2N-32MR主单元,共16点输入和16点继电器输出。
同时选用三菱FX2N-8ER扩展模块,共4点输入和4点继电器输出。
PLC的I/O信号分配如表4-2所示,接线原理图则见附录1。
表4-2供料加工单元PLC的I/O信号表
输入信号
输出信号
序号
PLC输入点
信号名称
信号来源
序号
PLC输出点
信号名称
信号来源
1
X0
顶料气缸伸出到位
装置侧
1
Y0
顶料电磁阀
装置侧
2
X1
顶料气缸缩回到位
2
Y1
推料电磁阀
3
X2
推料气缸伸出到位
3
Y2
夹紧电磁阀
4
X3
推料气缸缩回到位
4
Y3
料台伸缩电磁阀
5
X4
出料台物料检测
5
Y4
冲压电磁阀
6
X5
供料不足检测
6
Y5
7
X6
缺料检测
7
Y6
8
X7
金属工件检测
8
9
X10
加工台物料检测
9
Y7
正常工作指示
按钮/指示灯模块
10
X11
工件夹紧检测
10
Y10
运行指示
11
X12
加工台伸出到位
12
X13
加工台缩回到位
13
X14
加工压头上限
14
X15
加工压头下限
15
X16
16
X17
17
X20
停止按钮
按钮/指示灯模块
18
X21
启动按钮
19
X22
急停按钮
20
X23
工作方式选择
4.6供料加工单元气动控制回路
供料单元气动控制回路的工作原理如图4-3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4-3供料单元气动控制回路工作原理图
加工单元的气动控制元件均采用二位五通单电控电磁换向阀,各电磁阀均带有手动换向和加锁钮。
它们集中安装成阀组固定在冲压支撑架后面。
气动控制回路的工作原理如图4-4所示。
1B1和1B2为安装在冲压气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关,2B1和2B2为安装在加工台伸缩气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关,3B1为安装在手爪气缸工作位置的磁感应接近开关。
1Y1、2Y1和3Y1分别为控制冲压气缸、加工台伸缩气缸和手爪气缸的电磁阀的电磁控制端。
图4-4加工单元气动控制回路工作原理图
第五章装配单元控制系统
5.1装配单元的结构与工作过程
装配单元的结构组成包括:
管形料仓,供料机构,回转物料台,机械手,待装配工件的定位机构,气动系统及其阀组,信号采集及其自动控制系统,以及用于电器连接的端子排组件,整条生产线状态指示的信号灯和用于其他机构安装的铝型材支架及底板,传感器安装支架等其它附件。
其中,机械装配图如图5-1所示:
图5-1装配单元机械装配图
5.2装配单元PLC工作任务
1、装配单元各气缸的初始位置为:
挡料气缸处于伸出状态,顶料气缸处于缩回状态,料仓上已经有足够的小园柱零件;装配机械手的升降气缸处于提升状态,伸缩气缸处于缩回状态,气爪处于松开状态。
设备上电和气源接通后,若各气缸满足初始位置要求,且料仓上已经有足够的小园柱零件;工件装配台上没有待装配工件。
则“正常工作”指示灯HL1常亮,表示设备准备好。
否则,该指示灯以1Hz频率闪烁。
2、若设备准备好,按下启动按钮,装配单元启动,“设备运行”指示灯HL2常亮。
如果回转台上的左料盘内没有小园柱零件,就执行下料操作;如果左料盘内有零件,而右料盘内没有零件,执行回转台回转操作。
3、如果回转台上的右料盘内有小园柱零件且装配台上有待装配工件,执行装配机械手抓取小园柱零件,放入待装配工件中的操作。
4、完成装配任务后,装配机械手应返回初始位置,等待下一次装配。
5、若在运行过程中按下停止按钮,则供料机构应立即停止供料,在装配条件满足的情况下,装配单元在完成本次装配后停止工作。
6、在运行中发生“零件不足”报警时,指示灯HL3以1Hz的频率闪烁,HL1和HL2灯常亮;在运行中发生“零件没有”报警时,指示灯HL3以亮1秒,灭0.5秒的方式闪烁,HL2熄灭,HL1常亮。
5.3PLC的I/O分配及系统安装接线
装配单元装置侧的接线端口信号端子的分配如表5-1所示。
表5-1装配单元装置侧的接线端口信号端子的分配
输入端口中间层
输出端口中间层
端子号
设备符号
信号线
端子号
设备符号
信号线
2
SC1
零件不足检测
2
1Y
挡料电磁阀
3
SC2
零件有无检测
3
2Y
顶料电磁阀
4
SC3
左料盘零件检测
4
3Y
回转电磁阀
5
SC4
右料盘零件检测
5
4Y
手爪夹紧电磁阀
6
SC5
装配台工件检测
6
5Y
手爪下降电磁阀
7
1B1
顶料到位检测
7
6Y
手臂伸出电磁阀
8
1B2
顶料复位检测
8
AL1
红色警示灯
9
2B1
挡料状态检测
9
AL2
橙色警示灯
10
2B2
落料状态检测
10
AL3
绿色警示灯
11
5B1
摆动气缸左限检测
11
12
5B2
摆动气缸右限检测
12
13
6B2
手爪夹紧检测
13
14
4B2
手爪下降到位检测
14
15
4B1
手爪上升到位检测
16
3B1
手臂缩回到位检测
17
3B2
手臂伸出到位检测
装配单元的I/O点较多,选用三菱FX2N-48MR主单元,共24点输入,24点继电器输出。
PLC的I/O分配如表5-2所示。
PLC接线原理图见附录2。
表5-2装配单元PLC的I/O信号表
输入信号
输出信号
序号
PLC输入点
信号名称
信号来源
序号
PLC输出点
信号名称
信号来源
1
X000
零件不足检测
装置侧
1
Y000
挡料电磁阀
装置侧
2
X001
零件有无检测
2
Y001
顶料电磁阀
3
X002
左料盘零件检测
3
Y002
回转电磁阀
4
X003
右料盘零件检测
4
Y003
手爪夹紧电磁阀
5
X004
装配台工件检测
5
Y004
手爪下降电磁阀
6
X005
顶料到位检测
6
Y005
手臂伸出电磁阀
7
X006
顶料复位检测
7
Y006
红色警示灯
8
X007
挡料状态检测
8
Y007
橙色警示灯
9
X010
落料状态检测
9
Y010
绿色警示灯
10
X011
摆动气缸左限检测
10
Y011
11
X012
摆动气缸右限检测
11
Y012
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