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太原理工大学硕士研究生学位论文 f e s t o 模块化生产系统的柔性化研究 摘要 m p s ( 模块化生产系统) 是一种工业自动化生产系统。通过模块化的 思想将生产系统分成功能各异的模块，这些模块都可独立完成生产工艺中 的某一个流程。所有模块都安装有标准通信装置，可以在生产过程中进行 实时通信。通过分析工件的生产工艺流程，结合每个模块的功能和特点， 按照稳定、简便的原则选择需要的模块，组合成一个系统，完成生产任务。 这就是模块化生产系统。模块化生产系统的标准化、柔性化这两个特点使 得该生产系统在现代制造业中的应用越来越广泛。 德国f e s t o 公司生产的m p s 系统共有九个模块，根据工件的生产流 程，可完成供料、传输、加工、检测等工艺过程。该系统为单一工件供料 模式，可对不同颜色的工件进行识别。供料模块是m p s 中的第一个模块， 它由料仓、推送机构、摆臂机构组成，主要完成为下一单元输送工件的工 作。整个工作的完成以气泵提供的气压为动力源，通过p l c 控制阀岛来完 成各个部件的动作。 经过分析，原m p s 系统有一定的局限性，如对零件尺寸、形状的变化 要求范围小、柔性差等，若对御s 进行柔性化、扩大零件尺寸范围，并且 对后续的几个模块进行适当调整，即可使m p s 的功能改进，系统的利用率 和效率得到提高。因此，本文根据生产和柔性化的要求，针对供料模块的 功能，设计了圆形料盘结构、楔形传送结构，将料盘内部用隔板成相对独 太原理工大学硕士研究生学位论文 立的空间。圆形料盘内的隔板推动工件运动，实现了模块工作连续性；隔 板之间的角度可调整，实现了系统柔性化；楔形传送结构实现了不同尺寸 工件最后停至不同位置，便于机械臂提取。同时，本文还进行了上位机和 p l c 联接与通讯的研究，利用组态王软件设计人机窗口和监控界面，构建 供料模块监控系统，通过上位机中的监控界面，工作人员可观察模块的运 行情况。 总之，改进后的m p s 系统其柔性得到提高，随着工件尺寸的改变，系 统只需根据工件直径调节料盘中隔板间的夹角，并在监控界面输入相关尺 寸，即可实现后续工序内容；通过监控系统则可以观察模块运行是否正常， 在故障时及时停止模块运行，满足了m p s 的自动化要求。 关键词：p l c ，模块化，m p s ，组态王，自动控制 1 1 f l e x 珏；l es m yo nf e s t 0 m o d u l e rp r o d u c t i o ns y s t e m a b s t r c t m p s ( m o d u l a rp r o d u c t i o ns y s t e m ) i sak i n d o fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n s y s t e m t h es y s t e mw a ss e p a r a t e da c c o r d i n gt om o d u l a r i z a t i o nm e t h o di n t o d i f f e r e n tm o d u l ew i t hd i f f e r e n tf u n c t i o n t h e s em o d u l e sc a nf i n i s hat a s kb y i t s e l f a no ft h em o d u l e sh a v ec o m m u n i c a t i o nd e v i c ew h i c hc a l lc o m m u n i c a t e w i t he a c ho t h e r b ya n a l y z i n gt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，ap r o d u c t i o ns y s t e m w o u l db em a d eu pa c c o r d i n gt os t a b l ea n de x p e d i e n tp r i n c i p l e t h i si st h em e a n o fm p s s t a n d a r d i z a t i o na n df l e x i b i l i t ya r et w of e a t u r e so fm p sw h i c hm a k e m p s w i d e l yu s e di nm o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h em p so ff e s t oc o n t a i nn i n em o d u l e s f e s t on i p sc a nb o a r dp a r t ， m a c h i n i n gp a r ta n dd e t e c t i o np a r ta n ds oo n t h em o d eo fs u p p l y i n gp a r t si s s i n g l e t h i ss y s t e mc a r ld i s t i n g u i s ht h ec o l o ro fp a r t s b o a r d sm o d u l ei st h ef i r s t o n ei nt h em p s i tc o n t a i n ss i l o ，p u s hm e c h a n i s m ，r o c k e ra r m t h em a i njo bo f t h i sm o d u l ei so f f e r i n gp a r tf o rt h en e x tm o d u l e t h ep o w e ro ft h es y s t e mi sa n a u p u m p t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，m p sh a v e al i m i t a t i o no nt h es i z ea n ds h a p e i f e x p a n s i o nt h em a c h i n i n gr a n g ea n da d j u s to t h e rm o d u l e s ，m p sc a l lm a c h i n e m o r ek i n d so f p a r t sa n di m p r o v et h ea v a i l a b i l i t ya n de f f i c i e n c y s o ，o nb a s i st h e i i i r e q u i r e m e n ti o fp r o d u c t i o na n df l e x i b i l i t y , t h et r a yw a sd e s i g n e dt ob er o u n d e d a n dt h ec o n v e y o rw a sd e s i g n e dt ob ew e d g e t h eb a f f l es e p a r a t et h et r a yt oa n u m b e ro fp l r t t h eb a f f l ep u s hw o r kt ot h ea s s i g n e dp l a c e b ya d j u s t i n gt h e a n g l e b e t w e e nb a f f l e s ，m p s i m p r o v ef l e x i b i l i t y i n t h e m e a n t i m e ，t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s t c o m p u t e r a n dt h ep l cw a ss t u d i e d t h e m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ew a sm a d e u p w i t h c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h e n s u p e r v i s o r ys y s t e mw a $ b u i l t t h er e a l t i m ec o n d i t i o nc a t lb er e a c t e di nt h a t i n t e r f a c e i naw o r d ，t h ef l e x i b i l i t yo ft h em o d i f i e dm p sw a si m p r o v e d w h e nt h e s i z eo f p a r tc h a n g e d ，t h ef o l l o w - u pp r o c e s sc a nb ec o m p l e t e db ya d j u s t i n gt h e a n g l eb e t w e e nb a f f l e sa n di n p u tt h es i z ei n t os u p e r v i s o r yi n t e r f a c e t h ew o r k i n g c o n d i t i o nc a r lb es e e ni nt h es u p e r v i s o r ys y s t e m t h es y s t e mc a nb es t o p p e d w h e nt h e r ei sa b u g s o ，t h ea u t o m a t i o no f m p sw a sf u l f i l l e d k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , m o d u l e ，m o d u l a rp r o d u c t i o n s y s t e m ，k i n g - v i e w , a u t o m a t i cc o n t r o l i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 模块化生产系统概述 第1 章绪论 1 1 1 模块化的概念 模块化的概念最初是作为一种产品设计方法提出的，其主要出发点是将产品分解为 一 多个模块进行设计与生产，优点是可以降低产品的研发与制造成本；而且可以采用模块 之间的平行开发与制造方式( 同步工程) ，大大地缩短产品上市时间，提高生产系统的敏 捷性；同时，标准的模块化分解与组合，可以形成产品的多种选配，为大规模定制生产 提供基础。因此这种技术取得了巨大的成功，并且其影响已经超出了产品结构设计的范 畴，对产品的研究开发、生产制造、企业之间的分工协作，直至产业结构都产生了重要 的影响。尤其是随着电子信息产业的迅猛发展，模块化的优势得到充分的显示，特别是 在p c 产业的成功应用以及美国的硅谷现象，被认为是模块化思想得到了彻底的发挥， 对于推动美国经济起到了重要作用，从而引起产业界和学术界广泛的关注【1 ) - 1 。 所谓模块化是指产品的高度相关性和结构之间的独立性。从产品设计的角度看，产 品的功能可以分解为若干子功能，以及更下位的子功能，可以将这种功能的构成模式 称为功能结构；同样，构成产品实体( 物理构成) 的各种零部件，也可以分解为不同层级 的、相对独立的各组成部分，可将其称为产品的物理结构。因此，根据功能结构与物理 结构的对应关系，产品的构建模式可分为一体化( 或称集成化) 和模块化两种。其中，一 体化产品是功能结构与物理结构为多对多的关系，而模块化的产品两者之间是一对一的 关系。如果产品的某项功能完全由一个物理结构完成的话，则可认为它是典型的模块化 结构。例如，可以比较清楚地将计算机产品分解为运算、控制、存储等独立的子功能， 各项功能对应地由c p u 、主板、硬盘等物理结构来实现。所以，计算机是典型的模块 化产品【3 4 1 。 1 1 2 模块化生产系统 m p s ( m o d u l a rp r o d u c t i o ns y s t e m ) 模块化制造系统通过对标准的、基本的制造系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 模块进行重构快速得到面向定制产品的制造系统，是一种高生产率和高柔性的制造系 统。生产系统具有以下几类模块：加工基本模块、模块化驱动单元、模块化的刀具和夹 具以及可重构的控制系统。 模块化生产系统的特点是：当有一个新产品投产时，标准化的模块可以快速组成一 个新的制造系统，当产品生产完成后，组成制造系统的模块可以拆下来用于其它新产品 的制造系统5 ，6 1 。 模块化生产系统由于可以以较低的成本实现很大一类产品的大批量定制生产，因此 对于我国的制造业发展、提高我国制造企业的竞争能力和大批量定制生产的能力具有重 要意义。企业可以通过对模块化制造系统的快速重构，迅速转产生产出满足市场需求的 产品。企业也可以由制造模块的租赁公司帮助建立模块化生产线，快速将新产品推上市 场【7 1 。 1 1 3 模块化生产系统中的关键技术 1 ) 检测传感技术 通过专用的的设备检测生产中出现的各种物理量，例如位置、温度、湿度、压力、 流量，利用某些材料的特性将测得的物理量为在度量范围内的可识别的电信号，接着输 送至信息处理装置。传感器是检测部分的核心，相当于人的耳、眼等感觉器官。在工业 中使用的传感器种类繁多，可通过识别的物理量或传感器原理进行分类。 2 ) 信息处：哩技术 信息处理的过程包括了从外部输入信息，然后进行相应的交换、运算后，将结果存 储至指定的存储器中或将结果输入进下一级设备之中。微机，单片钒、单板机、可编程 控制器等都可以实现信息处理的功能。这些设备就想相当于人类的大脑，负责接收耳、 眼发送的信息，通过解读之后发出身体各部位的动作指令。在众多信息处理设备之中， 可编程控制器以其优越的性能在工业生产中得到广泛的应用。 3 ) 伺服传动技术 伺服传动就是执行系统发出的指令完成相应动作。其中包括电动机、气缸、阀岛、 液缸等类型的传动设备。这部分相当于人的手足，接到大脑的指令完成规定动作。 4 ) s c a d a s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与监控系统。主 要功能是监测系统中的各种数据、指标，通过对比这些数据指标来判断系统中各个设备 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的工作是否正常，并且附带有信息记录功能，为后期的生产分析提供原始数据资料。如 可编程控制器p l c 在运行时，将采集到的实时信息通过通信网络传至监控计算机，监 控计算机处理信息后，再与管理层进行沟通，实现监控。针对目前生产的自动化产品都 呈现出小型化、p c 化和网络化的发展趋势，能实现数据采集与监控的各种监控组态软 件已经成为工业生产中不可缺少的关键部分3 1 。 1 2 模块化生产系统的研究现状 模块化生产系统的研究是基于大批量定制生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 技术进行的。美 国乔治华盛顿大学于9 0 年代初成立的由4 5 位著名的未来学家和技术专家组成的新兴技 术预测委员会预测，从可以预见到的最重要的技术进步中挑选8 5 项将要出现的技术， 其中就有大批量定制生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 技术。它们预计未来五十年内，汽车、电 器等3 0 以上的产品将广泛实现大批量定制生产【9 1 。同时，他们对大批量定制型制造装 备提出以下要求： 1 ) 制造装备的可重构性。从可重构的角度看，组合机床及组合机床生产线已初步 体现了大批量定制生产的思想。 2 ) 制造装备的柔性。为了降低制造成本、满足大批量的要求，制造装备还需要有 制造一些专用零部件的能力。 国内的许多模块化生产系统的研究都针对系统中制造装备的可重构性展开。北京机 床研究所的唐华教授针对市场的复杂性和动态性对制造企业的发展，建立了可重构性的 基本定理和推论体系；盛伯浩提出，可重构的研究应主要解决生产效率同柔性间的矛盾， 缩短生产系统重组所需周期，充分利用自身资源重组三个问题；河南理工大学的梁睦则 根据可重构性的特点提出在开放式数控系统的基础上研究可重构数控系统的设想，并阐 述了可重构数控系统的关键技术【1o 】。 1 3f e s t o 模块化生产系统 1 3 1f e s t o 模块化生产系统概述 德国f e s t o 公司是世界先进的自动化技术供应商，为许多知名企业提供工业自动 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 化解决方案，其生产的工业化培训系统在世界上有较高的知名度。最早的i m p s 系统在 1 9 8 9 年研发成功，随着计算机通信、监控、电气等工业自动化技术的飞速发展，m p s 技术亦获得很大进步。 f e s t o 公司生产的n i p s 系统是一套工业自动化的模拟系统。其最新的r i p s 系统包 含了九个模块，称为标准九站m p s 系统，见图1 1 。该加工系统完整模拟了工业实际生 产中的传送、加工、识别、装配等环节。系统中的传感器、阀岛、气缸等元件都是按照 工业化标准制造和安装；生产流程的设计也参照实际生产的流程。该系统是集机械、通 信、电子为一体的高度集成系统，通过对该模拟系统的学习还可以掌握很多有关控制器 的基础知识以及使用监控系统、网络技术的知识，也可以在这套玉f 台上完成新的自动化 生产项目实践和运行。 图1 - 1m p s 标准系统 f i g 1 - 1s t a n d a r d m p s 1 3 2f e s t o 模块化生产系统工作站简介 九个模块分别为按照顺序排列可以实现生产工序。具体的加工流程见图1 2 。 1 ) 供料站 供料站的主要功能是为将放在贮存结构中的加工工件加工提供给系统。工件存放于 料筒之中，双作用气缸从料仓中退出工件，摇臂机构上的真空吸盘将工件吸起，摆臂机 构将工件送到下一站位置。 2 ) 检测站 检测站可以通过传感器检测工件的特性，已达到区分工件的目的。分别由系统中配 置的光电式、电容式、模拟量三种传感器完成区分工件颜色、以及高度。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 加工站 加工站完成对工件的加工过程。本站只使用电气驱动器。通过驱动盛放工件的旋转 平台，并利用传感器可以检测平台的准确位置，使得钻头可以在工件上指定的位置处钻 孔。 供料站一检测站 推入废料仓 加工站 啦 站一操作手站 成品分装站 图卜2m p s 系统生产流程 f i g 1 2p r o d u c t i o nf l o wc h a r to f m p s 4 ) 操作手站 操作手站是将工件按照颜色进行区分。操作手在指定位置加工将工件提起，同时用 于区分颜色的光电式传感器要对工件的颜色进行识别，然后按照要求将工件放置于不同 的滑槽上，完成区分。 5 ) 缓冲站 f e s t o m p s 的缓冲工作站的容量为五。缓冲站的有很强的适用性，工件完成加工后 就会进入缓冲站排队，等待下一个工作站的信号，下一个工作站做好接收准备时，缓冲 站就将工件传送至下一站。 6 ) 机械臂站 工件通过滑槽进入机械臂站，机械臂抓取工件将工件移至下一站。机械臂共有5 个 自由度，伸出长度为1 0 m m ，最：大速度达到2 1 0 0 m m s 。 7 ) 组装站 组装站需与机械臂站共同完成最后的组装工作。该站为工件的组装提供元件，首先 双作用气缸将端盖从端盖料仓中退出，气缸放置在活塞托盘中，气缸弹簧由另一气缸推 出。 8 ) 冲压站 工件进入本站前，汽缸盖上没有活塞杆通孔。本站主要工作是对工件上盖进行冲孔。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 双作用气缸将工件推至冲床，完成冲孔后，再将工件推出。 9 ) 成品分装站 电感及光电式传感器检测工件颜色、材质等特性。进入成品分装工作站的工件按不 同特性被分别放置于不同滑槽上【l l 】。 1 4 课题的主要任务 1 4 1 结构的改进 通过研究f e s t o 的m p s ，发现该系统仅对一种规格的工件进行传送、加工、检测。 为了提高系统的柔性，提出改进m p s 中供料模块的方案。改进的方法是扩大工件的尺 寸规格范围。 首先设定加工工件的尺寸范围，参考m p s 中配套工件尺寸的直径，将范围扩大： 然后按照柔性化的要求设计供料模块的整体结构，将供料模块分为贮存、分离、传送三 个部分；接下来逐个设计三个部分，并且对系统动力传动进行设计。 1 4 2 设计监控系统 f e s t o m p s 的供料模块上配置了一台西门子公司生产的s 7 3 0 0 型p l c ，通过编程 用p l c 来控制模块内的气缸、阀岛等电气元件。另外有一个控制面板，上面设置了“开 始”“停止”“复位”等按钮，通过这些按钮启动和停止模块工作。在当今的工业自动化 系统中，数字采集和监控系统已经成为一个必要的组成部分。通过数字采集和监控系统 我们可以对生产进行实时的监控，快速解决系统故障，提高生产效率；监控系统的记录 信息功能也可以节约很多的人力物力，简便的完成对于生产数据的分析等工作。 但是f e s t o 的m p s 系统中并没有设置监控系统。考虑到供料模块配置了一台p l c ， 而p l c 正是构成监控系统的必要组成部分，使用组态王软件在上位机中组建监控界面， 然后连接上位机、传感器和p l c 就可以组建成为供料模块的监控系统，实现模块的实 时监控。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第2 章供料模块的结构与工作流程设计 供料模块按照提前设定好的系统工作节拍将工件从料仓有序地运进系统内部。供料 模块是模块化生产系统的第一模块，是工件在系统中流通的第一站，这就要求设计的供 料模块必须保证多种尺寸的工件都能通过供料模块进入系统，并且流通的环节简单，否 则将会影响到整个系统工作效率。 2 1 供料模块生产规格范围设计 f e s t o 的m p s 系统只加工柱状的工件。在改进时设计供料模块只加工四种同为柱 状但尺寸不同的工件。四种工件的尺寸、材料等参数见表3 1 。 表2 - 1 加工工件参数表 t a b 3 1p a r a m e t e r so fm a c h i n i n gw o r k - p i e c e s 工件直径密度体积 高度( i m )材料个数 质量( g ) ( 1 1 1 i n ) ( g c m 3 ) ( c m 3 ) 5 03 0a b s1 0 562 3 5 6 l7 4 2 1 7 4 03 0a b s1 0 571 5 0 7 96 3 3 3 l 3 0 3 0a b s1 0 588 4 8 25 3 4 3 6 2 03 0a b s1 0 5l o3 7 6 93 9 5 7 4 2 2 供料模块的结构设计 首先根据生产流程将供料模块分成三个部分：贮存部分、分离部分、传送部分，然 后对三个部分分别进行结构设计。 1 ) 贮存部分 贮存部分由料筒和支撑臂两部分组成。 生产工件的形状为柱状，根据这一特点，设计一个两端开口的直筒结构作为工件的 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 贮存器。工人可以将工件逐个堆叠在料筒中，系统运行时，工件便会在自身重力的作用 力下逐个地下落。用支撑臂将料筒联接到箱体之上，支撑臂和料筒之间采用滑块结构联 接，当工件尺寸变化时可以便捷地更换料筒。见图2 1 。 2 ) 分离部分 分离部分的作用是把堆叠在一起的工件分离开，处于相互独立的空间之中。为保证 生产连续性，将分离部分设计成一个无盖的圆盘，圆盘中设置一定数量的隔板，这些隔 板是均匀的分布在圆盘内并将圆盘分隔成数个扇形区域。从料筒中落下的工件分别落入 这些相互独立的扇形区域内，完成分离工作。见图2 1 。 3 ) 传送部分 传送部分主要是将分离开的工件运输到传送带上设定好的位置，以便于下一站中的 机械臂抓取。按照柔性化的开发思想，扩大供料模块的加工范围，所以设计的传送部分 要适宜于传送不同尺寸的工件传送。还需考虑下一站的机械臂抓取时，工件应处于一个 确定的位置，而且要保证工件稳定，防止在机械臂的触碰下发生工件移动的现象，导致 机械臂无法抓取工件的故障。在传送部分共安装7 个压力传感器，见图2 2 。分别位于 起始端和侧壁之上。起始端传感器是用来检测工件是否到位的，侧壁上安装的传感器叫 做就位传感器，用于检测工件是否被两侧壁夹住。见图2 1 。 1 支撑臂，2 料筒3 隔板4 箱体5 中心柱6 轴承7 压紧螺母8 侧壁9 起始传感器1 0 - 传送减速器 i1 传送带壳1 2 传送带1 3 隔板电机1 4 套筒1 5 一支撑脚 图2 - 1 供料模块结构示意图 f i g 2 - ls t r u c t u r eo f b o a r d sm o d u l e 支撑臂通过螺栓连接固定于箱体之上。隔板端部圆孔套在中心柱上，中心柱顶端加 工螺纹，压紧螺母旋紧后将隔板固定在要求位置。中心柱和减速器通过键连接传递动力。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 传送带、传送电机、传送减速器和侧壁分别固联在传送机架上，机架下端设计支撑脚。 1 料盘2 起始传感器6 一传送电机3 、4 、5 、7 、8 、9 就位传感器 - _ - - _ _ _ _ _ _ _ - i i _ 一 图2 - 2 供料模块结构示意图( 俯视图) f i g 2 2s t r u c t u r eo fb o a r d sm o d u l e 侧壁上的就位传感器成对设计，3 和9 、4 和8 、5 和7 的位置关于中心线对称，工 件运动过程中，工件被卡住后，就会同时触碰3 和9 位置的就位传感器，传送电机停止。 2 3 供料模块的动力分配 在供料模块中有两台动力设备：隔板电机和传送电机。隔板电机是料盘之中隔板的 动力源。隔板电机的动力通过减速器和中心柱传至隔板上，带动隔板转动。传送电机通 过减速器带动传送带运动。动力分配见图2 3 。 2 4 供料模块工作流程设计 图2 - - 3 动力分配示意图 f i g 2 3d i s t r i b u t i o no f p o w e r 工作流程的设计是以模块的结构进行为依据。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ) 落料 工人根据将要加工的工件的尺寸选择合适的料筒，将料筒连接到支撑臂上。然后将 工件按顺序放入料筒之中，第一个被放进料筒的工件落入料筒下方的空间。 2 ) 分离 按下启动按钮后，隔板电机带动隔板转动，第二个放入料筒的工件将落入料盘之中。 3 ) 传送 起始传感器检测到工件，传送带开始工作，带动传送带起始端的工运动，直至工件 被传送带两侧壁夹住，触压侧壁上的就位传感器，传送带停止工作。 4 ) 循环 供料模块向下一模块发送信号，下一模块中的机械臂将会启动并抓取工件。然后隔 板电机继续转动。 2 5 电动机的选用 2 5 1 隔板电机的选用 隔板电机是料盘中隔板的动力源。隔板的作用是要为每个工件提供一个相互隔离的 空间，另外一个作用就是克服工件与料盘之间的摩擦力推动工件在料盘中运动。运动的 规律是根据设计的生产流程确定的，要求隔板每次转动的角度都要使得工件正好能落入 两块隔板之间的空间内。所以就要为隔板设定一个转动的角度，这个角度就是相邻两块 隔板之间的夹角。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制电机。常用的电动机启动之后， 转子的旋转都是连续不问断的，但是步进电机启动后转子的转动是间断的，每次都转动 一个步距角。步：进电机在非超载的情况下，可以通过改变输入电机的脉冲信号的频率和 脉冲数来调整电机的转速和停止的位置，与电动机的负载无关， 通过以上的分析，决定选步进电动机。在选择步进电机的时的依据是步进电机的一 些主要技术参数。步进电机的主要参数是电压、相数和静力矩。 静力矩是通过计算电机的工作负载得出的。步进电机的工作负载可分为惯性负载和 摩擦负载二种。但在实际生产中，惯性负载和摩擦负载是同时存在的。当步进电机工作 时为直接起动，就是转速从零开始时两种负载均要考虑：在加速起动时则主要考虑惯性 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 负载；恒速运行只要考虑摩擦负载即可。 首先我们要根据模块工作流程和模块工作能力确定当料盘满载的时候，需要多大的 力矩才可以带动隔板转动起来。这样就可以确定隔板电机的转矩。在实际的计算中同门 会通过步进电机的静力矩来的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力 矩。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2 - ：3 倍，静力矩一旦选定，电机的机座及长度 便能确定下来。 步距角涉及到工作流程中对于隔板转动角度的精度要求，因为传送带的起始端是一 个较大的区域，就算有一定的偏差，也不会影响模块的运行，所以选择有较大步距角的 三相电机。 通过以上总结，我们需要的步进电机需要有5 n m 的静力矩的三相电机，选用金坛 市四海电机厂生产的9 0 b y g 3 5 0 1 型永磁感应子式步进电机。该电机的步距角为3 。， 其他参数见表2 - 2 。 表2 - 29 0 b y g 3 5 0 1 型步进电机参数 r t b 2 2p a m m e t e r so f9 0 b y ( 3 3 5 01 型号电压电流电阻电感静转矩机身长出轴长 单位vaqm hn m n 1 i nm m 9 0 b y g 3 5 012 42 51 49 26 o1 1 43 l 2 5 2 传送电机的选用 传送电机也同样选择性能出色的步进电机作为动力源。确定需要的力矩即可。 传送电机放置在传送带的末端，为传送带的运动提供动力。p l c 在接到信号之后，发送 运动指令给传送电机，传送电机带动传送带一起运动。传送带每次只运送一个工件，所 以选用静力矩较小的电机即可，选用4 2 b y g h 4 0 3 型步进电动机，该电动机为四相电机， 步距角为1 8 0 。具体参数见表2 3 。 表2 - 34 2 b y g h 4 0 3 型步进电机参数 t a b 2 3p a r a m e t e r so f4 2 b y g h 4 0 3 型号 电压电流电阻电感静转矩机身长出轴长 单位vaqm hn mi 姗m m 4 2 b y g h 4 0 32 41 42 51 6o 3 64 72 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 6 本章小结 本章完成了对供料模块结构的设计。设计结构的依据是模块的功能，通过分析将模 块的功能分为贮存、分离、传送三部分。针对三部分中各自的功能开展设计工作。然后 研究这三部分的功能中有什么特点，最后确定设计方案。改进后的供料模块中有两台电 动机作为动力源，通过对模块加工范围的分析选用了两台步进电动机作为模块中隔板板 和传送带的动力源。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第3 章供料模块控制系统的设计 供料模块的工作是由两个电动机提供动力完成的，所以控制系统的设计，就是p l c 对两个电动机的控制。电动机在接收到p l c 发出的指令后，按照设定好的参数运动， 完成工作要求。另外介绍传感器、p l c 和电动机三者之间的连接。 3 1 控制系统设计 在工作流程的设计中，隔板和传送带的运动都靠隔板电机和传送电机的驱动来完 成。放置在传送带起始端和两侧壁的传感器则通过检测工件的位置并将信号发送给可编 程控制器p l c ，p l c 按照用户编制的程序，发出指令。将整个控制系统分为三部分， 图3 1 为控制系统结构图。 ：上位机： 编板电机：传送电机 图3 - 1 供料模块的控制系统 f i g 3 1c o n t r o ls y s t e mo f b o a r d sm o d u l e 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2p l c 的选用 3 2 1p l c 概述 p l c ( 可编程控制器) 是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。 它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算 术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产 过程采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，故 称为可编程控制器【1 2 】，所以人们仍习惯地用p l c 作为可编程控制器的缩写。可编程控 制器的历史只有近3 0 年，但发展极为迅猛【1 3 】。图3 2 所示为西门子公司生产的s 7 3 0 0 型p l c 。 图3 2 西门子s 7 - 3 0 0 外形 f i g 3 2a p p e a r a n c eo fs i e m e n ss 7 - 3 0 0 我们国家对可编程控制器的研制始于本世纪的七十年代，真正的在工业中大范围的 应用国产p l c 是在1 9 7 7 年。如今，各行各业中也涌现出一大批自主研制的应用可编程 控制器改造工业生产设备的实用性科技成果，特别是机械行业生产的设备中，越来越多 地采用p l c 作为生产系统的控制装置。所以，在各高校机电类专业的课程和工厂工作 人员培训中，熟知p l c 的基本工作原理已经作为必不可少的环节，同时要求具有构建 以p l c 为控制核心的生产控制系统，以及编程能力。 p l c 主要有如下几个特点： 1 ) 设备可靠性高，有很强的抗外界干扰性能 在继电器控制系统中，老化、触点抖动等现象是不可避免的，导致系统可靠性不高。 但在工业生产中，会对所有的设备有可靠性的要求，特别是控制设备，鉴于控制设备对 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论又 于电磁信号的敏感性，更是对设备的抗外界干扰性能有一定要求，这样才得以保证在恶 劣的环境中系统仍可以可靠地工作。p l c 通过在设计上对软件和硬件采取了很多特殊的 措施为其增加其可靠性； 2 ) 具备丰富的i 0 接口和各种功能的软件 p l c 具有针对不同类型的现场工业信号，例如交、直流电，开关或者模拟量，电压 或者电流，脉冲或者电位信号的接口。另外有相应i 0 模块和工业现场器件，例如按钮、 接近开关、行程开关、传感器、控制阀等直接连接。 p l c 内部包括时序电路、计数器、等各种存储设备，能方便的完成各种工程中需要 的动作。 3 ) 采用模块化的结构 模块化的思想在p l c 的结构中得到很好的应用。整个结构从大到小，从内到外都 是模块化的设计。首先是按照功能分成了各种模块，像c p u 、i 0 等；然后是功能模块 的内部设计都是模块形式。机架、电缆等将各个模块联接起来组成了一台完整的p l c 。 系统的功能和规模可以根据用户自己的需要自行组合，易于维修、实现分散式控制，可 缩短平均修复时间。 4 ) 编程简单易学 p l c 有多种编程语言。最常用的有梯形图，该语言与继电器控制线路的形式及其相 近，对于使用者来说，在不具备计算机专业知识，没有过编程经验的情况下，极易被一 般的工程技术人员理解和掌握。通常情况下，需要约一周的训练即可进行编程。现在， 许多p l c 还提供功能强大的其他编程手段，可以满足各种不同需要。另外，在实际生 产中，可以根据生产流程现场改编程序，使用起来非常的方便和灵活。 5 ) 安装步骤简单，有很强的通用性 p l c 的外壳将内部部件包裹的非常严实，外界的灰尘等物无法进入设备内部，安装 的时候只要有可固定的机架即可，不需用专门的机房。在实际工业生产中，将现场内的 各个设备与p l c 通过i 0 端口进行正确的连接，即可实现正常运行。所以，一旦某一个 模块发生故障，只需要更换故障模块，就可以使系统迅速恢复正常运行。当工艺流程改 变时，只需修改控制程序即可，不需要改动外部线路。有较强通用性。 6 ) 重量小、体积轻、速度快，是机电一体化”典型产品 由于p l c 是专门为工业生产控制而设计的专用的计算机，它的结构紧密、小巧， 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 有很强的抗干扰能力。易于装入机械设备的内部，因而成为“机电一体化”较理想的工 业控制设备，非常广泛的应用在当今数控、机器智能、过程流程控制领域1 4 l 。而且，因 为p l c 采用软件控制，其控制速度就完全取决于内部c p u 运行速度、扫描周期等数据， 比继电器的动作快了很多。 目前，可编程控制器在国内外己被广泛的应用于钢铁、石化、电力器材、工程建设、 机械制造、汽车制造、交通、运输、环境保护等各个行业。随着制造技术的不断进步， 可编程控制器成本的也在不断降低，它的应用范围将会越来越广。 p l c 的编程工具有很多种，广泛被使用的有以下几种【1 4 】： 1 ) 便携式编程器。它的体积很小、重量较轻、价格低廉、便于操作，多用于现场 调试。 2 ) 图形编辑器。可以直接用梯形图编写程序并且显示在屏幕上，而且还可与打印 机等设备连接，适用于大、中型p l c 的编程要求，有很强的文件管理功能。 3 ) 个人计算机。它可用多种语言编程，包括梯形图、c 语言、指令清单等，还可 以进行仿真、联网通信等，监控功能也很强大，使用日渐普及。 3 2 2s 7 3 0 0 概述 s i m a t i cs ：7 3 0 b p l c 是德国西门子公司较早推出的中型p l c ，在世界范围内广泛 应用，s 7 3 0 0 系列在中大型控制系统内用的较多。s 7 3 0 0 同其它可编程控制器一样，采 用的是循环扫描的工作方式，当开始工作后，先扫描输入模块的状态获得数据信息，并 把相关的数据更新至过程映像寄存器，然后按照程序执行用户程序，最后把计算后的数 值从输出过程映像寄存器输出至输出模块中，照此循环下去，直至停止【”】。 它的主要组成部分有导轨( r a c k ) 、电源( p s ) 、中央处理单元( c p u ) 、接口( i m ) 、 信号模块( s m ) 、功能模块( f m ) 等。这些模块通过m p i 网的接口与编程器p g 、操作 面板相连叩。组成结构见图3 3 。 1 ) 导轨是个机架模块，主要用来安装各类模块。导轨是不锈钢材质的，有各种 长度可供选择，在使用的时候根据控制系统大小选用。s 7 3 0 0 采用背板总线的方式将各 个模块从物理和电气上连接在一起，连接时候按照西门子公司提供的方法。其连接方 式见图3 - 4 ： 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 按钮 选择开关 限位开关 电源 图3 - 3 $ 7 - 3 0 0 的结构 f i g 3 - 3s t r u c t u r eo fs 7 - 3 0 0 接触器 电磁阀 指示灯 电源 图3 - 4s 7 3 0 0 中模块间的连接 f i g 3 - 4l i n kb e t w e e nb l o c k si ns 7 3 0 0 2 ) 中央处理器( c p u ) c p u 是可编程控制器的核心部分，它的工作就是不断地采集输入进去的外部信号， 执行用户编制好的运算程序，同时输出逻辑运算的结果。p l c 的c p u 一般构成中包括 控制电路、寄存器和运算器三部分，将这些构成电路集成到一片芯片之上。c p u 模块与 其他功能模块的连接通过地址总线、控制总线和数据总线三种方式实现，功能模块包括 存储器模块、输入模块和输出模块。p l c 生产厂家通过保存在c p u 内部的一套指令系 统来编写控制程序，编写完成后就将这些程序固化到c p u 内的只读内存r o m 中，供使 用时候执行。c p u 在运行的时候，按照出厂时候对c p u 的功能设定，首先通过连接的 电缆线接收用户用编程工具编号的各种程序和数据，将程序和数据存入c p u 内的随机 太原理工大学硕士研究生学位论文 存储器r a m 中，c p u 运行时按照的是扫描的方式工作，也就是从用户编制的第一条指 令开始，依次扫描，直到用户程序的最后一个指令，并且按此方式周期性地循环扫描， 这样每扫描一次，用户的程序就被执行一次。 s 7 。3 0 0 的中央处理单元c p u 模块有多种型号，如c p u 3 1 2 1 f m ，c p u 3 1 3 ，c p u 3 1 4 等等，具体分类见表3 1 。 衰3 - 1c p u 妁分类 鼹出3 1s o r t so f c p u 标准型紧凑型户外型故障安全型t _ c p i u c p u 3 1 2 c p u 3 1 2 cc p u3 1 2 i f mc p u3 1 5 f - 2d pc p u 3 1 5 t - 2 d p c p u3 1 4c p u 3 1 3 cc p u 3 1 4 i f mc p u3 1 7 f 一2d p c p u 3 1 7 t _ 2 d p 翻糖毓黼 c p u3 1 3 c - 2p 毋c p u3 1 4 c p i u 3 1 7 2 d pc p u3 1 4 c 艺d p c p u3 1 8 2 d pc p u3 1 4 c 2p l p c p u3 1 4 c 一2d p 标准型主要是应用在工业生产领域：紧凑型则集成了一定数量的通信模块和接口模 块，以及其他功能模块；故障安全型应用在对系统安全要求高的交通、传送等行业；t 系列是专门针对控制运动机构设计，可以实现多轴控制。f e s t o 生产的m p s 中都配备 了c p u 3 1 5 。2 d p 型号的c p u 核心，所以在改进后的供料单元中仍然选择这款c p u ， c p u 3 1 5 2 d p 的参数见表3 2 。 袁3 - 2c p u 3 1 5 2 d p 的参教 取洳3 - 2p a r a m e t e ro fc p u 315 2 d p 型号c p u 3 1 5 2 d p 用户内存k b 1 2 8 最大m m c 瓜嘎b 8