【论文】基于PLC控制的自动生产线检测系统设计.pdf

基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 i 摘 要 本文首先介绍了 fms 柔性制造系统 的背景 定义 发展现状及发展趋势 柔性加工系统 fms50 就是气动技术融合现场总线技术和控制技术的典型代表 它根 据系统的不同运行状态 可实现对生产加工过程的改变和控制 它的出现标志着加工制 造行业新的突破 克服了传统的刚性自动线只适用于大量生产的局限性 表现出了对多 品种 中小批量生产制造自动化的适应能力 本文详细介绍了 fms50 柔性生产线分检系统的设计 设计的主要内容包括机械部 分设计和控制部分设计 机械部分包括一些零件的计算和选择及利用 solid edge 软件 进行三维建模 控制部分包括传感器和 plc 选取及控制程序的编写 最后通过对 fms50 分检系统的技术经济分析 显示了其诸多优势如利用柔性生产 系统可以降低生产成本提高生产效率并能改善人的劳动环境 充分体现了研究的意义 关键词 fms50 柔性生产线 solid edge plc 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 ii abstract this text has introduced the background and definition of the flexible manufacturing system with its advantage flexible manufacturing system fms50 pneumatic technology is the integration of field bus technology and control technology the typical representation it different depending on system operations to be able to achieve production process changes and control it marks the emergence of new processing and manufacturing industries breakthrough overcome the traditional rigid lines automatically applies only to the mass production of the limitations of the show more variety small batch production manufacturing automation adaptability this paper describes a flexible production line fms50 sorting system design the main design elements include machinery solid edge 3d modeling control system design part it also includes a number of components such as the choice of sensors and plc control by analyzing fms50 flexible production line of classifying and detecting system s technological economic analysis it shows its advantages of performance of the system and its research meaning key words flexible manufacturing system fms solid edge plc 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 iii 第一章 前 言 1 1 1 选题背景 1 1 2 fms 的研究意义 2 第二章 fms50 柔性生产线分检系统总体设计 4 第三章 机械部分设计 7 3 1 提取站机械部分 7 3 1 1 提取站工作方式 7 3 1 2 提取站传动方式设计 7 3 1 3 提取站气动机械部分 7 3 1 4 汽缸行程计算 9 3 2 分检站站机械部分设计 9 3 2 1 分检站工作流程 9 3 2 2 分检站传动方式设计 9 3 2 3 分检站机械部分 10 3 2 4 分检站电机及平带相关计算选型 11 第四章 系统三维建模 14 4 1 系统三维建模软件 14 4 2 零件建模的设计 14 4 2 1 传感器固定件设计过程 14 4 2 2 扁平气缸固定板设计过程 15 4 2 3 固定板设计过程 15 4 2 4 传感器固定架设计过程 16 4 3 钣金零件建模的设计 17 4 3 1 反射板的设计过程 17 4 3 2 支撑板设计 17 4 4 装配零件设计 18 19 4 4 1 分检部分装配 19 4 5 总体装配 20 第五章 控制部分设计 21 5 1 plc 选型 21 5 2 系统控制说明 22 5 2 2 分检站需检测的信号及其控制对象 24 5 3 系统传感器 26 5 3 1 检测用传感器 27 5 3 2 行程控制用传感器 28 5 4 plc 控制执行元件 29 5 5 控制程序 29 第六章 分检系统技术经济分析报告 41 6 1 项目成果直接经济效益分析 41 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 iv 6 2 市场前景分析 41 6 3 社会效益分析 41 第七章 结论及展望 42 7 1 结论 42 7 1 设计展望 43 参 考 文 献 44 致 谢 45 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 1 第一章 前 言 第一章 前 言 1 1 选题背景 柔性制造系统 fms 是指具有高自动化程度的制造系统 目前所谈及的柔性制造系 统通常是指在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统 随 着社会对产品多样化 低制造成本以及短制造周期等需求日趋迫切 fms 发展颇为迅 速 并且微电子技术 计算机技术 通信技术 机械与控制设备的发展也促使柔性制 造技术日趋成熟 20 世纪 80 年代后 制造业自动化进入基于计算机的集成制造 cims 时代 fms 已成为各国机械制造自动化的发展重点 1 fms标志着传统的机械制造行业进入了一个发展变革的新时代 自其诞生以来就 显示出强大的生命力 它克服了传统的刚性自动线只适用于大量生产的局限性 表现出 了对多品种 中小批量生产制造自动化的适应能力 随着社会对产品多样化 低制造 成本 短制造周期要求的日趋迫切 由于微电子技术 计算机技术 通信技术 机械与 控制设备的进步 柔性制造技术发展迅猛并日臻成熟 自1967年英国molins公司建造了 世界上首条fms 20世纪80年代后 制造业自动化进入了基于计算机集成制造 cim 时代 fms已成为各工业化国家机械制造自动化的研制和发展重点 并由实验阶段进入实用 阶段 从最初单纯的机械加工领域向焊接 装配及无屑加工等综合性领域发展 迄今 世界上已有大量的fms在运行 仅日本就有175套完整的fms 美国是最早将 fms用于生产的国家 也是fms硬 软件技术最高的国家 德 英 意等西方国家都在 大力开发与应用fms 并制订了短 长期的发展规划 国际上以柔性生产方式生产的产 品产值已占制造业总产值的75 以上 且有不断增长的趋势 柔性可以表述为两个方面 第一方面是系统适应外部环境变化的能力 可用系统满 足新产品要求的程度来衡量 第二方面是系统适应内部变化的能力 可用在有干扰 如 机器出现故障 情况下 系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量 柔 性 是相对于 刚性 而言的 传统的 刚性 自动化生产线主要实现单一品种的大批量生 产 其优点是生产率很高 由于设备是固定的 所以设备利用率也很高 单件产品的成本 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 2 低 但价格相当昂贵 且只能加工一个或几个相类似的零件 难以应付多品种中小批量的 生产 随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的 生产所替换 一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它 是否能在很短的开发周期内 生产出较低成本 较高质量的不同品种产品的能力 柔性 已占有相当重要的位置 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的 总和 柔性制造技术是技术密集型的技术群 我们认为凡是侧重于柔性 适应于多品种 中小批量 包括单件产品 的加工技术都属于柔性制造技术 柔性制造系统 fms flexible manufacturing system 简单地说 fms是由若干数控 设备 物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅 速进行调整的自动化制造系统 柔性制造技术是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势 是决定制造企业 未来发展前途的具有战略意义的举措 届时 智能化机械与人之间将相互融合 柔性地全 面协调从接受订货单到生产 销售这一企业生产经营的全部活动 近年来 柔性制造作 为一种现代化工业生产的科学 哲理 和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认 可 以这样认为 柔性制造技术是在自动化技术 信息技术及制造技术的基础上 将以往企业 中相互独立的工程设计 生产制造及经营管理等过程 在计算机及其软件的支撑下 构成 一个覆盖整个企业的完整而有机的系统 以实现全局动态最优化 总体高效益 高柔性 并进而赢得竞争全胜的智能制造技术 它作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科 技 为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图 将成为21世纪机构制造业的主要生产 模式 2 1 2 fms 的研究意义 fms 的规模差别较大 功能不一 但都包含 3 个基本部分 加工系统 运储及管理系 统和计算机控制系统 在此基础上 可以根据具体需求选择不同的辅助工具 如监控工作 站 测量工作站等 应用柔性制造系统可以获得明显的制造优势 1 设备利用率高 由于采用计算机对生产进行调度 一旦有机床空闲 计算机便分 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 3 配给该机床加工任务 在典型情况下 采用柔性制造系统中的一组机床所获得的生产量 是单机作业环境下同等数量机床生产量的3倍 2 减少生产周期 由于零件集中在加工中心上加工 减少了机床数和零件的装卡次 数 采用计算机进行有效的调度也减少了周转的时间 3 具有维持生产的能力 当柔性制造系统中的一台或多台机床出现故障时 计算机 可以绕过出现故障的机床 使生产得以继续 4 生产具有柔性 可以响应生产变化的需求 当市场需求或设计发生变化时 在 fms的设计能力内 不需要系统硬件结构的变化 系统具有制造不同产品的柔性 并且 对于临时需要的备用零件可以随时混合生产 而不影响fms的正常生产 5 产品质量高 fms减少了卡具和机床的数量 并且卡具与机床匹配得当 从而保 证了零件的一致性和产品的质量 同时自动检测设备和自动补偿装置可以及时发现质 量问题 并采取相应的有效措施 保证了产品的质量 6 加工成本低 fms的生产批量在相当大的范围内变化 其生产成本是最低的 它 除了一次性投资费用较高外 其他各项指标均优于常规的生产方案 fms仍将迅速发展 fms在20世纪80年代末就已进入了实用阶段 技术已比较成 熟 由于它在解决多品种 中小批量生产上比传统的加工技术有明显的经济效益 因此 随着国际竞争的加剧 无论发达国家还是发展中国家都越来越重视柔性制造技术 fms 初期只是用于非回转体类零件的箱体类零件机械加工 通常用来完成钻 镗 铣及攻丝 等工序 后来随着fms技术的发展 fms不仅能完成其他非回转体类零件的加工 还可完 成回转体零件的车削 磨削 齿轮加工 甚至于拉削等工序 从机械制造行业来看 现在 fms不仅能完成机械加工 而且还能完成钣金加工 锻造 焊接 装配 铸造和激光 电火花等特种加工以及喷漆 热处理 注塑和橡胶模制等工作 从整个制造业所生产 的产品看 现在fms已不再局限于汽车 车床 飞机 坦克 火炮 舰船 还可用于计算 机 半导体 木制产品 服装 食品以及医药品和化工等产品生产 从生产批量来看 fms已从中小批量应用向单件和大批量生产方向发展 有关研究表明 凡是可采用数控 和计算机控制的工序均可由其完成 3 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 4 第二章 fms50 柔性生产线分检系统总体设计 fms50 是一套机电一体化培训系统 基于实际功能要求 整个系统可以划分为原 料输入单元 加工单元 质量检测单元 装配单元 暂存单元和成品输出单元六个功 能单元 与传统物流系统最大的差异在于 fms50 的组成单元都独立地具有运行 预备 和停止三种状态 所有功能单元不是简单地依次逐个进行动作 若某个单元处于停止 状态或运行状态 其它单元仍能够毫无影响地独自完成动作 基于此 fms50 可以归 纳为四种系统运行模式 原料输入到成品输出 原料输入到成品暂存 成品暂存到成品 输出以及原料输入和成品暂存到成品输出 fms50 柔性生产线分检系统由提取站和分检站两部分组成 本设计中 fms50 柔 性生产线分检系统的工作目的是检测工件的类型 对工件进行分类堆放 其中分检系 统的工件分为三种 第一种为红色工件 第二种为黑色工件 第三种为银色金属工件 分检系统将其从流水线传送带上提取过来进行检测分别出是哪一种工件 然后将其堆 放到对应的工件堆放滑槽里 要实现上述功能 设计 fms50 柔性生产线分检系统总体 结构组成如图 2 1 提取站气抓机 械手 检测部分传感 器 分检站 控制部分 plc 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 5 图 2 1 fms 柔性生产线分检系统组成框图 为了让系统能够按上述要求完整 有序地运行必须要有一个控制系统 在这个控 制系统的控制下使得整个分检系统正常 稳定地完成要求的运行 由于 plc 具有系统 可靠性高 控制功能强 系统便于维护和扩展等优点 能够简单方便地控制各个部件 的运行 因此本设计选用 plc 作为 fms50 柔性生产线分检系统工作站的控制器 控 制整个系统的运行 根据整个系统的组成情况以及工作要求确定本设计有以下三部分内容 第一部分 机械结构设计 包括机械部件的选择 主要的部件有 电机 汽缸 平带等 以及传动方式的设计 第二部分 控制部分设计 因为具有控制稳定方便等优点 常作为工作站的控制 器 所以在设计中系统采用 plc 控制 设计内容包括 plc 传感器等硬件的选择 以 及系统控制程序的编写 第三部分 系统三维建模 solid edge 是由美国 ugs 公司开发的新一代三维 cad 软件 ug 采用 流 技术开发 具有优异的软件性能和友好的用户界面 通过使用强 大流畅的设计工具 可以在完全的三维参数实体几何造型内完成对任何机械零件或装 配件的造型 因此选用 solid edge 作为系统三维建模软件 通过系统的三维模型 能 直观地体现出系统的各部分组成以及系统的结构 系统传感器 分 检 系 统 plc 气动执行元件执行动作 传送带电机启动 停止 检 测 到 的信号 控制 信号 控制 信号 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 6 图2 2 fms50柔性生产线分检控制原理框图 方案包含了整个系统的机械设计部分 控制部分设计 三维建模 机械部分设计 包含传动方式以及机械部件的设计 整个系统的硬件资源已经组建了出来 同时控制 部分的设计选用了合适的系统传感器采集各种信号 编制系统的控制程序 系统 plc 通过接受信号经过程序的运行 输出控制信号 控制各个执行部件的运行 分检系统 也具备了软件资源 因此方案能够组建出系统的软硬件资源 因而能够正常地运行 可以满足要求 方案是切实可行的 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 7 第三章 机械部分设计 3 1 提取站机械部分 3 1 1 提取站工作方式 提取站主要是由提取工件的机械手 各类传感器例如光电传感器 磁接近传感 器以及直线驱动单元组成 当工件由流水线传送带传送过来至提取站 其中的传感 器检测到有工件后 机械手将其抓住实现提取动作 直线驱动单元带动机械手进行 直线运动实现运送动作 将工件运送到检测站 3 1 2 提取站传动方式设计 提取站传动方式主要采取气压传动 气动是以压缩空气为介质来传动和控制机 械的一门专业技术 气压传动技术发展很快 气动机械手 加工中心 生产自动线 自动检测和实验装置等已大量涌现 它们在提高生产效率 自动化程度 产品质量 工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性 这主要是因为气压传动与 机械 电气 液压传动相比有以下优点 1 工作介质是空气 与液压油相比可以节约能量 而且取之不尽 用之不竭 气体不易堵塞流动通道 用过后将其随时排入大气中 不污染环境 2 气动动作迅速 反应快 一般只需 0 02 0 3s 就可以达到工作压力和速度 3 气动元件可靠性高 寿命长 电气元件可以运行百万次 而气动元件可以运 行 2000 4000 万次 4 工作环境适应性好 特别是在易燃 易爆 多尘埃 强磁 辐射 振动等恶 劣环境中 比液压 电子 电气传动和控制优越 5 气动装置结构简单 成本低 维护方便 过载能自动保护 根据上述气压传动的优点 系统选择各种气动元件作为工件提取机械手的组 成部分 采用气动方式传动实现提取站的动作要求 将工件提取转移至分检站 3 1 3 提取站气动机械部分 第一步 将工件抓取并将其提取起来 选用平行气爪作为夹取工件的气动机械 部件 其作用能实现夹紧 松开工件的现工件提取 放置的动作 它们具有动作迅 速 响应快 结构简单 维护方便的优点 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 8 将平行气爪和双作用扁平汽缸安装组成机械手 其作用能实现工件的提取动作 第二步 将工件运送至分检站 选用无杆汽缸作为直线传送运动气动机械部件 无杆汽缸是直线驱动单元 能够实现直线运动 它具有动作迅速 响应快 直线移 动平稳 结构简单 维护方便等优点 将平行气爪和双作用扁平汽缸组成的机械手 连接在无杆汽缸上 无杆汽缸工作带动机械手实现了工件从放工件处传输到分检站 的动作 平行气爪双作用扁平汽缸如下图所示 图 3 1 平行气爪 图 3 2 双作用扁平汽缸 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 9 3 1 4 汽缸行程计算 如图所示 提取部分要将工件从工件摆放处传输到分检站传送带开始处 这两 个位置的水平距离为 l 620mm 因此必须汽缸最大行程 mmls620 max 选择无杆汽缸行程 s 650mm 3 2 分检站站机械部分设计 3 2 1 分检站工作流程 检测站主要由分检动作执行元件 传送部分 各种检测传感器例如光电传感器 磁接近传感器工件分类堆放滑槽等组成 当检测站接受到提取站传送来的工件 传 感器检测到有工件 便启动传送部分以及其中的一个执行元件挡杆将工件挡住让其 停留在被检测位置接受其它传感器的检测 其中有检测工件是否为金属的传感器以 及检测工件是什么颜色的传感器 检测完毕判断出工件为哪类工件时 相应的执行 元件带动拨板旋转挡在相应的工件分类堆放滑槽入口处 同时挡杆缩回 工件随着 传送部分运动并顺着拨板滑入相应的工件分类堆放滑槽中 最后拨板复位 传送部 分停止运动 3 2 2 分检站传动方式设计 分检站传送部分采取带传动 传输部分对精度 速度 要求不是很高 而且成 本要求要低 而带传动结构简单 成本低 维护方便 传动平稳及缓冲吸振 应用 普遍 因此传输部分采取带传动 选择直流电电动机作为传送带的驱动元件 工件 工件 分检站传送带 工件摆放处 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 10 分检站分检动作执行元件均采用气压传动 气压传动的优点前面已经介绍过 这里不再重复 3 2 3 分检站机械部分 第一步 工件在传送部分上向工件分类堆放槽方向移动 选用平带传动 带传 动结构简单 成本低 维护方便 传动平稳及缓冲吸振 应用普遍 选择直流电电 动机作为传送带的驱动元件 带传动能实现工件在传送带上向工件分类堆放槽移动 的要求 第二步 分检执行部件实现工件分类正确进入相对应的工件堆放槽 选用双作 用紧凑型汽缸作为分检站的气动执行元件 它具有响应快 结构简单 维护方便等 优点 如图 3 6 所示 它工作带动联结板向上运动同时带动滑杆向上运动 滑杆伸入拨板轴的斜槽里 与拨板轴组成类似螺旋副连接 此类螺旋机构实现滑杆的上下的直线运动转换成拨 板轴的旋转运动 使拨板旋转挡在相应工件堆放滑槽的入口处实现工件分类如图 3 7 3 8 所示 图3 6双作用紧凑型气缸 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 11 图3 7分检动作执行机构工作 图3 8 分检动作执行机构工作示意图 3 2 4 分检站电机及平带相关计算选型 直流电机电刷间的电动势常用下式表示 nkee 3 1 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 12 式中 e 电动势 v 一对磁极的磁通量 wb n 电枢转速 r min ke 与电机相关的常数 直流电机电枢绕组中的电流与磁通量 相互作用 产生电磁力和电磁转矩 直 流电机的电磁转矩常用下式表示 at ikt 3 2 式中 t 电磁转矩 n m 一对磁极的磁通量 wb ia 电枢电流 a kt 与电机相关的常数 kt 9 55ke 根据手册中的计算公式算出负载所需的功率 pl 再算一台额定功率为 pn的电 动机即可 ln pp 3 3 因为连续工作之电动机 这类电动机有些铭牌上没有特别标明工作制 的启动 转矩和最大转矩都大于额定转矩 故一般不必校验启动能力和过载能力 仅在重载 启动时 才校验启动能力 由于电机带动传送带 其负载主要是摩擦负载 工件重量大约 1k 克 负载约为 5w 因此选择 m36 862 型电机 工作电压 24v 功率 6w 传送带的选择 传送带的选择采用 v 带传动 计算带传动功率 pkp ad 3 4 式中 d p 计算功率 a k 公况系数 p 传送功率 0066 0006 01 1kwpd 小带轮直径 1 d 25mm 大带轮直径 1 2 1 2 d n n d 带长 a dd ddal 42 2 2 12 21 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 13 式中 1 n 小带轮转速 2 n 大带轮转速 mmd5025 3000 6000 2 轴间距 21 2dda 且 2121 55 1ddadd mma15050252 因此轴间距为 mm150 带长 a dd ddal 42 2 2 12 21 mml078 340 1204 2550 60 2 202 2 因此选择带长 350mm 带宽 o d pkk p b 10 其中 d p 计算功率 k 包角修正系数 k 传动布置系数 o p 单位宽度的基本额定功率 cmb95 1 36 00 194 0 066 010 由于系统工件零件宽度为 3cm 选择带宽应大于零件宽度 所以选择带宽为 3 2cm 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 14 第四章 系统三维建模 4 1 系统三维建模软件 三维建模采用 solid edge是由美国 unigraphics ugs 公司开发的新一代三维 cad 软件 在机械零件设计 零件装配 板金设计 工程 图等方面具有强大的功能 包括建立曲面 相关零件族 旋转 扫描 放样和螺旋 除料和填料 孔特征 薄 壳 圆角和阵列 用于简化和加速造型或进行复杂操作 通过使用强大流畅的设计工 具 可以在完全的三维参数实体几何造型内完成对任何机械零件或装配件的造型 4 2 零件建模的设计 4 2 1 传感器固定件设计过程 首先 选择一平面做草图 在选择的平面内做圆 选择拉伸所做圆 最后利用 相似步骤拉伸一封闭图形 再利用除料命令挖一孔即可 如图 4 1 所示 图4 1 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 15 4 2 2扁平气缸固定板设计过程 首先 选定一平面 在平面上画草图 先画一个矩形 再画出一段弧线 完成 草图 拉伸后除料 所画图形如下 4 2 所示 图4 2 4 2 3固定板设计过程 首先 画出固定板轮廓 然后拉伸 接着除料 最后打孔 如图 4 3 所示 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 16 图 4 3 4 2 4传感器固定架设计过程 首先选择平面 画出轮廓 拉伸后除料 如图 4 4 所示 图4 4 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 17 4 3 钣金零件建模的设计 4 3 1反射板的设计过程 创建钣金模块 利用平板功能做一平板 在用凸缘命令即可 最后用除料命令 做出槽 如图 4 5 所示 图 4 5 4 3 2支撑板设计 在反射板的基础上 在挖几个孔 如图 4 6 所示 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 18 图 4 6 4 4 装配零件设计 4 4 1 提取部分装配 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 19 图 4 7 4 4 2分检部分装配 图4 8 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 20 4 3 总体装配 如图 4 9 所示 图4 9 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 21 第五章 控制部分设计 5 1 plc 选型 由于plc可实现同步 并发 协调等控制 且具有可靠性高 使用方便等优点 因而多采用plc作为工作站控制器 plc是一种数字式的电子装置 它使用可编程 序的存储器来存储指令 实现逻辑运算 顺序控制 定时 记数和算术运算等功能 用来对各种机械或生产过程进行控制 利用plc进行控制各个部件的工作 西门子的simatic s7系列是市场上流行的具有代表性的可编程序控制器 它包 括s7 200 s7 300 s7 400三大类 其中s7 200是小型可编程序控制器 可 以应用于各种小型自动化系统 具有紧凑的设计 良好的扩展性 安全可靠的通讯 界面有好的编程软件 高速的处理能力 强大的指令集 德国siemens 公司的可编程序控制器simatic系列产品在中国较早形成市 场 在大部分工业生产过程自动化控制领域 都得到过成功的应用 并开发了占有 世界市场的一些标准的硬件和软件 1996年siemens公司推出simantic s7系 列的plc 它包括小型plc s7 200 中型plc s7 300 大型plc s7 400 s7 系列plc产品的性能和使用范围各不相同 但具有以下特点 1 plc的核心cpu芯片已经升级到intel80486 甚至采用pentium处理器 2 采用模块化紧凑设计 可按积木式机构进行系统配置 功能扩展非常灵活方 便 3 以极快的速度处理自动化控制任务 s7 200和s7 300的扫描速度为0 37 s 指令 4 有很强的网络功能 利用plc 按照工艺或控制方式连接成工业网络 构成 完整的生产过程控制系统 既可实现总线联网也可实现点到点通讯 如果采用相同 的通讯协议 可同时并行使用simatic s5和s7系列plc 5 在软件方面 允许在windows操作平台下 使用相关的层序软件包 标准 的办公室软件和工业通讯网络软件 可使用c 等高级语言环境 编程工具更为 开放 可使用较普通计算机或笔记本电脑 人机界面十分友好 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 22 西门子公司的simatic s7 300型可编程控制器 包括cpu模块 a d与d a模 块和电源模块 cpu模块能实现复杂的实时控制功能 其指令执行时间仅为0 2 s 满足本系统的要求 同时有大量的算术和逻辑运算指令和电机控制指令信号输出 如将编程为pwm工作方式 可方便的实现直流电机调速 如将起编程为pto工作方 式 可实现步进电机调速 cpu模块还具有大量的位存储器 计算器与定时 可灵 活运用于程序控制 综合比较下 plc采用西门子公司的s7 300 其具有系统可靠性高 控制功能 强 系统便于维护和扩展等优点 8 5 2 系统控制说明 选用了s7 300作为工作站的控制器 plc需要检测各种信号作为输入 输入 的信号经过控制程序的运行调用输出控制信号控制整个系统的各个部件的工作实现 整个系统的控制 5 2 1 提取站需检测的信号及其控制对象 提取站当接受到工件时开始启动运行 因此需要一个启动信号 当plc检测 到此信号输入时 控制提取站开始工作 此启动信号作为输入i0 0 此外还需要检 测各执行汽缸工作位置的信号作为plc输入 以确认各执行部件是否已经完成动 作 这些工作位置信号包含无杆汽缸处在提取站取工件位置 中间位置以及运送至 分检站开始处位置的三个位置信号 依次分别作为提取站plc的i0 1 i0 2 i0 3 同时还有检测气抓机械手工作伸出位置和工作缩回位置的两个位置信号 依次分别 作为plc的i0 4 i0 5 最后还有确认气爪已抓取到工件的信号 作为工作站plc 的i0 6 如图5 1所示 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 23 图 5 1 提取站 plc 输入部分接线图 plc输出控制信号控制电磁阀的工作实现气路换向而间接控制各执行汽缸的 动作 plc输出q0 0 q0 1分别控制无杆汽缸带动机械手向提取站方向运动和向 分检站方向运动两个动作 q0 0为1时机械手向提取站方向运动 q0 1为1时向分 检站方向运动 输出q0 2 q0 3分别控制机械手伸出 缩回 气爪夹紧 张开的动 作 q0 2为1时 机械手伸出 q0 2清0时 机械手缩回 q0 3 为1时 气爪张 开 q0 3清0时 气爪夹紧 如图5 2 5 3所示 图 5 2 提取站 plc 输出部分接线图 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 24 图 5 3 提取站气路图 5 2 2 分检站需检测的信号及其控制对象 分检站当接受到从提取站传送过来的工件时开始启动运行 因此需要一个启动 信号 当plc检测到此信号输入时 控制提取站开始工作 此启动信号作为输入i0 0 此外分检站需要检测工件特征的信号来进行工件的分辨 因为工件有颜色和材料两 个特征 就得分别检测这两个特征的信号 所以这两个特征信号作为分检站plc的 i0 1 i0 2输入 此外还需要检测各执行汽缸工作位置的信号作为plc输入 以确 认各执行部件是否已经完成动作 这些工作位置信号包括1 分检动作执行汽缸的伸出及缩回两个工作位置 依次 分别作为plc的i0 4 i0 5 2 分检动作执行汽缸的伸出及缩回两个工作位置 依 次分别作为plc的i0 6 i0 7 最后系统需要一个结束信号 收到此信号 整个工 作站停止 此信号作为plc的i0 3 如图5 4所示 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 25 图 5 4 分检站输入部分电路图 plc 输出控制信号控制电机启动停止以及电磁阀的工作实现气路换向而间接控 制各执行汽缸的动作 plc 输出 q0 0 控制传送带电机的启停 当 q0 0 为 1 时 电 机启动 当 q0 0 清 0 时 电机停止 输出 q0 1 q0 2 控制 1 和 2 分检动作执行汽 缸以及暂停工件等待检测用汽缸的动作 当 q0 1 为 1 时 1 分检动作执行汽缸伸出 当 q0 0 清 0 时 1 分检动作执行汽缸缩回 当 q0 2 为 1 时 1 分检动作执行汽缸 伸出 当 q0 2 清 0 时 1 分检动作执行汽缸缩回 当 q0 3 为 1 时 暂停工件等待 检测用汽缸缩回 当 q0 0 清 0 时 暂停工件等待检测用汽缸伸出 如图 5 5 5 6 所示 图 5 5 分检站输出部分电路图 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 26 图 5 6 分检站气路图 5 3 系统传感器 传感器是一种具有检测某种变量并把检测结果传送出去的功能器件 它们广泛 地应用于工业生产和科学研究中 在检测和自动控制系统中 传感器的作用相当于人 的五官 自动化程序愈高 系统对传感器的依赖性越大 传感器对系统的功能起着决 定性作用 现代化工业生产由于应用场合越来越多 越来越复杂 所以对更精密 更可靠 的传感器的需求量也越来越大 颜色检测和颜色变化的识别等就是其中较为复杂的 应用之一 目前 用于颜色识别的传感器有两种基本类型 都属于光电式的 其一是色标 传感器 它使用一个白炽灯光源或单色 led 光源 其二是 rgb 红绿蓝 颜色传感器 它检测目标物体对三基色的反射比率 从而鉴别物体的颜色 9 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 27 5 3 1 检测用传感器 1 启动信号用传感器 分检站或提取站检测到有工件后开始工作 工作站 plc 需要一个启动输入信号 这个信号由传感器提供 其输入信号为工作站 plc 的 i0 0 如图5 1光电传感器 光电开关 是通过把光强度的变化换成电信号的变化来 实现控制的一种接近开关 将发光器件与光电器件按一定的方向装在一个检测头内 当有反光面 被测物体 接近时 光电器件接收到反射光后便有信号输出 由此便感 知有物体接近 光电开关没有机械磨损 不产生电火花 是一种安全 可靠和寿命 长的无触点开关 根据以上特点选择这种光电传感器检测工件发送启动信号的 对 其命名为 part av 其信号作为两工作站plc的 i0 0 图 5 1 光电式接近传感器 2 分别工件类型用传感器 本设计中fms50柔性生产线分检系统检测的工件类型为三种 第一种为红色 工件 第二种为黑色工件 第三种为银色金属工件 因为工件的有颜色和材料两个 特征 因此设计选用两种传感器分别检测这两个特征 综合这两个传感器的信号来 分别这三种工件 如图5 2 5 3所示 电感式传感器主要是用来检测是金属元件的 传感器 因此选用一个检测金属的电感式传感器检测工件是否为金属 对其命名为 b2 其信号作为分检站plc的i0 1检测金属工件时信号为1 检测另外两种工件 时信号为0 选用一个漫反射传感器检测工件的颜色信息 对其命名为 b3 其信 号作为分检站plc的i0 2 因为黑色物体吸收光线 因此漫反射传感器检测黑色工 件时信号为0 检测另外两种工件时信号为1 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 28 图 5 2 电感式接近传感器 图 5 3 漫反射传感器 因此如表5 1所示 通过综合这两个传感器的信号就能分辨出工件类型 表 5 1 传感器综合信号分辨工件示意表 b2 传感器信号 i0 1 b3 感器信号 i0 2 工件类型 0 0 黑色工件 0 1 红色工件 1 1 金属工件 如图5 4所示 选择反射式传感器作为结束信号用传感器 命名为 b4 作为 分检站plc的i0 3 i0 3有信号则控制工作分检站运行结束 5 3 2 行程控制用传感器 如图5 5所式 电磁式接近传感器如舌簧式行程开关 用来控制气缸的行程 因此选择其作为两工作站中执行汽缸的行程控制开关 如提取站plc中的i0 1 i0 6 分检站plc中的i0 3 i0 6 3 结束信号用传感器 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 29 图 5 4 反射式传感器 图 5 5 电磁接近传感器 5 3 plc 控制执行元件 plc通过输出控制信号驱动执行元件执行系统要求的工作 如提取站的plc输 出q0 0 q0 3控制信号控制平行气爪及扁平汽缸等执行元件的工作 而分检站的 plc输出q0 0 q0 3控制信号控制电机以及执行汽缸的工作 详情见控制电路图 5 4 控制程序 step7是专门为s7 300设计的在个人计算机windows操作系统下运行的编程 软件 该标准软件功能强大 支持自动任务创建过程的各个阶段 一旦建立和管理 项目 对硬件和通讯作组态和参数赋值 管理符号 创建程序 下传程序序到可编 程控制器 测试自动化系统 诊断设备故障 step7软件的用户接口 基于当前最 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 30 新水平的人机控制工程设计 简单易学 用户能轻松使用 step7为用户提供了三种编程语言obt 语句表 fbd 功能块图 和 ladder 梯形图语言 其中梯形图语言与继电器电路图极为相似 其表达式是在 继电器控制系统中常用的接触器 继电器梯形图基础上演变而来的 他们的基本思 想是一致的 只是在使用符号和表达方式上有一定区别 便于工厂熟悉继电器控制 系统的非专业技术人员掌握 必须指出的是plc梯形图使用方便 修改灵活 这是 传统的继电器控制系统梯形图的硬件接线所无法比拟的 功能块图和梯形图语言符合国际电工委员会可编程控制器标准 具有一定的通 用性 另外 用户可以在这三种语言中随意切换 便于不同类型的用户使用 step7还给用户提供了丰富的指令集 可以对非常复杂的功能进行编程 其中 为梯形图语言就提供了一百多条指令 包括浮点数运算指令 程序控制指令 跳转 指令等 step 7除提供逻辑块ob 组织块 决定用户程序的结构 一般主程序放置在该 块内 fb 功能块 带有自己存储区域的块 fc 功能 包含经常使用的功能的例 行程序 可放置子程序 以及系统功能外 还提供数据块db用于存放用户数据 与 plc通信简单 只需将cpu通过pc于pl电缆或插在计算机中的cp56ll通讯卡与 计算机进行通信 就可上 下传程序 控制系统程序主要采用梯形图编程语言和流程图编程语言编制 5 4 1分检系统程序设计 1 提取站程序设计 提取站程序流程图以及程序如下 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 31 开始 检测机械手 初始位 有 工件 抓手张开 复位左移命令 检测机械手在出初 始位置 抓手伸出 检测机械手伸出到 位 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 32 抓手抓紧 检测抓手已经抓 到工件 机械手收回 检测机械手收回 到位 机械手右移 检测机械手右移 到位 抓手伸出 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 33 图 5 6 提取站程序流程图 检测机械手伸出 到位 抓手伸出复位右移命令 检测机械手伸出 到位 抓手张开 机械手收回 检测机械手收回 到位 抓手夹紧 机械手左移 返回开始 结束 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 34 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 35 图 5 7 提取站程序 程序的地址表如下 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 36 图 5 8 提取站程序变量地址表 2 分检站程序设计 分检站程序流程图如下 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 37 图 5 9 分检站流程图 开始 检测到有工件 m1 传送带电机启动 检测到工件后延迟 4 秒 3y1 汽缸启动挡杆 缩回 检测到工件后延迟 2 秒开始检测传感器信 号 b2 传感器信号有 1 无 0 1 0 0 1y1 汽缸启动 2y1 汽缸启动 b4 传感器有信号 b3 传感器信号有无 1 0 1 置位的汽缸均复位 m1 传送带电机停 止程序结束 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 38 分检站程序如下 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 39 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 40 图 5 10 分检站程序 程序的变量地址表如 5 11 所示 图 5 11 分检站程序变量地址栏 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 41 第六章 分检系统技术经济分析报告 6 1 项目成果直接经济效益分析 德国 fms50 柔性生产线系统技术比较先进 但价格昂贵 而且从德国进口路途 遥远 因此我们要想节省成本 获取更大的利益 只有自己研发 本课题研究的柔性加工分检系统是在 fms50 的基础上进行研究的 在功能技术 上与德国产品基本一致 部分选用配件价格更低廉 因而缩减了价格 其生产价格 在成批生产后预计为 12 万元 小于德国的价格 由以上性能价格对比可见 本项目研究的柔性加工生产系统的直接经济效益是 很大的 所以很有研究价值 6 2 市场前景分析 随着我国经济发展 制造业的地位越来越重要 传统的制造业已经不能够满足 市场的需要 自动化生产已经越来越占据市场 据目前的增长率估计 柔性加工生 产线大中型企业中运用的多 它们的需求量每年约 1000 万台 柔性分检系统的市场 推广是可喜的 近期内柔性加工生产线的需求量是一个很大的潜在市场 一些中 小型企业也对柔性生产线有了一定的需求量 本项目成果的产品市场将会是相当大 的 本项目研制的这种柔性分检系统 目前在世界上尚属最先进的制造业生产线 如果可能打入国际市场 这样就能取得更大的经济效益与国际影响 此外本项目研究的成果 不仅仅可用于制造业 而且可以用于其它方面 6 3 社会效益分析 目前国内外的制造业方面虽然比以前有了比较大的进步 而且自动化的程度越 来越高 但相比柔性加工生产线来说 自动化的程度还是偏低的 制造速度满足不 了市场的需求速度 本项目推入市场后能明显改变社会目前的自动化水平 本项目的柔性加工生产线 在提高产品质量 改善工人的劳动环境 提高劳动 生率方面也有具有其明显优势 基于 plc 控制的自动生产线检测系统设计 42 第七章 结论及展望 7 1 结论 fms50是一套机电一体化培训系统 模拟工厂中短行程气缸生产流水线的运 作步骤 包括原材料输入 工件加工组装 成品输出等一系列过程 基于实际功能 要求 整个系统可以划分为原料输入单元 加工单元 质量检测单元 装配单元 暂存单元和成品输出单元六个功能单元 与传统物流系统最大的差异在于 fms50 的组成单元都独立地具有运行 预备和停止三种状态 所有功能单元不是简单地依 次逐个进行动作 若某个单元处于停止状态或运行状态 其它单元仍能够毫无影响 地独自完成动作 fms50柔性生产线分检系统设计对整个系统的机械结构进行了分析设计 分 检系统由提取站以及分检站两部分组成 提取站的功能是将工件提取到分检站 分 检站的功能是接受到提取站的工件对其进行检测并将其进行分类堆放 检测工件利 用了很多传感器技术例如光电传感器 磁接近传感器等 而执行这些提取 传送 分类堆放步骤的机械结构就应用了汽缸 气抓机械手等气动技术和运用传送带等机 械传动技术 在设计过程中 我对分检系统的气路 电路有了很深一步的理解 在 气路 电路图中能够将上述的气动 电动元件连接成比较完整能够运行的气路以及 电路 分检系统光有这些机械结构 电气元件还是不够的 还得有一个核心的控制 系统控制着整个系统正常有序的工作 而本设计中的控制系统采用西门子公司的 s7 300plc作为工作站控制器 利用了流程图编程语言以及梯形图编程语言编制了 提取站和分检站的控制程序 通过plc程序的编写调试过程 我对plc程序 的运行原理 其编写程序的思路以及利用程序监控来观察程序的毛病并修改调试有 了自己的一些心得 能够独立编写出控制程序来 在这过程中我也了解了用plc作 为工作站的控制器能够非常方便地控制各个站的运行 当工作站需要作其它动作的 运行时修改下载程序非常简单方便 这也非常适合柔性生产线的工作要求 最后 设计中利用solid edge软件对整个fms50柔性生产线分检系统进行了三维建模 将 其部分零件构建出三维模型并将其装配成整体的分检系统过程中我又对整个系统的 各个部件的组成以及其如何有机地组成一个整体有了更深入的了解 而在建模并装 配的过程中我对solid