模块化生产加工单元实训.doc

设备故障诊断与维修综合实训项目技术总结目录第一章、任务描述21. 意义22. 任务23. 实施2第二章 调研31. 国内外概况32. 调研结论33. 技术参数3第三章、方案设计51、机械结构方案52、气动方案63.2.1 传感器的简介以及分类63.2.2传感器工作原理及应用73.2.3 气动部件的选用93.2.4气动部件的简要分析103、控制设计10第四章、技术设计111、气动元件选型112、电气元件选型143、重要部件描述15第五章、硬件设计161、I/O地址表162、电源17第六章、软件设计171、顺序功能图172、PLC程序图18第七章、调试281、测试设计282、过程283、故障28第八章、体会281、存在的问题282、致谢29第一章、任务描述1. 意义模块化生产培训系统(MPS，ModularProduction training System)是一种模拟自动化生产加工单元。它可以大量代替单调往复或高精度的工作，用以满足前沿产品和自动化设备更新的需要。基于MPS装置即模块化加工系统，其典型应用就是物料分拣过程，所涉及的内容包括传感器技术，自动控制原理，气动和电气控制，电气安装和机械安装以及PLC人机界面。一个适合的物料分拣系统可以减轻工人的劳动强度，提高分拣的质量，提高劳动生产率。通过MPS控制系统的研究与开发，进一步熟悉电子、机械、气动、传感器和PLC等方面的知识，达到了知识巩固与提高的目的，有增强了学生的动手能力。通过本系统的训练，将理论与实际相结合，可以掌握自动化生产系统的设计、制造、运行、维护维修等技能。可以获得气动、电气动、工程控制、传感器和电子方面的知识；使我们将所学到的专业知识得到了充分的综合应用的同时，我们的学习能力、独立思考能力、组织能力等综合能力及创新精神和团队合作精神得到了全面的锻炼和提高。2. 任务熟悉加工单元结构组成，制定程序编写计划，根据控制任务的要求在考虑安全、效率、工作可靠性的基础上，选择合适的编程语言，在PC机上进行加工单元PLC控制程序的编写，下载，完成调试，并对程序进行综合评价。知识方面：掌握机电一体化系统常用控制形式；STEP7并行程序机构设计方法；掌握定时器、计数器指令的使用方法等技能方面：根据控制要求制定控制方案，编制工艺流程；熟悉STEP7软件，能够正确设置语言、通信接口、PLC等技术参数；根据控制要求，正确编写并控制程序；编制程序设计报告等。3. 实施工件通过机械手搬入四工位转台机构；四工位转分别设置为一号待料工位、二号钻孔工位、三号深度检测工位、四号卸料工位，分别间隔90转角。当工件被机械手搬进检测待料工位后，转台机构逐次旋转90，钻孔机构模拟钻孔，深度检测机构检测孔深。当工件转至第四工位时通知下搬运单元的机械手实施卸料工作。分析系统的整体功能部分，将系统按工位分为，第一工位进料检测部分，第二工位钻孔部分，第三工位钻孔检测部分，第四工位卸料部分。仔细分析各个部分，每个部分再细分为机械部分和电气（包括控制）部分。然后根据要求绘制各部分的机械图，电气原理图，I/O端子接线图。然后，对各种传感器，气缸，阀等气动元件进行选型。第2章 调研1. 国内外概况模块化生产加工系统又叫MPS，该系统是从德国费斯托公司引进的一套实训装置，用以模拟实际工业生产中大量复杂控制工程，包括供料单元，检测单元，加工单元，操作手单元，组装单元，成品分装单元，机械手单元，传送带单元，立体仓库单元。具有模块化、综合性和易扩充等特点。目前各大高校都引入了该系统，明显提高了教学质量，学生通过不同的角度对该系统深入了解，同时结合生产实际对专业领域有更进一步的学习。国内的该方面的厂商主要有亚龙教育装备，天煌教仪，济南首创电子设备有限公司等。济南首创电子设备有限公司生产的模块化生产加工系统该柔性生产线实训系统是为提高学生动手能力和实践技能而设计、生产的一套实用性实验设备。该装置由多个各自独立而又紧密相连的工作站组成，适用于机电一体化、自动化、自动控制等相关专业的实训与实习。该实验装置具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制。将各个模块分开培训可以容纳较多的学员同时学习。在基本单元模块培训完成以后，又可以将相邻的两站、三站直至八站连在一起，学习复杂系统的控制、编程、装配和调试技术，配合一定数量的电脑，可同时开展约20个工位的实习实训。2. 调研结论该实验装置的一大显著特点是：具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制。几个站可以分开单独运行，又可以将相邻的两站、三站直至8站连在一起，学习复杂系统的控制、编程、装配和调试技术。本系统采用敞开式安装、模块化形式，各模块便于教学、易于搭建、拆卸和维护。通过本系统的学习，学生可以获得气动、电气动、工程控制、传感器和电子方面的知识。 通过实训，使学生所学到的专业知识得到了充分的综合应用的同时，学生的学习能力、独立思考能力、组织能力等综合能力及创新精神和团队合作精神得到了全面的锻炼和提高。 系统能自动完成自动供料、取料、装配的功能。3. 技术参数整体尺寸500(W)X750(D)X1216(H)电源AC220V,50Hz过载或短路保护工作电压DC24V,2A气动元件工作压力4.04.5bar组件工作台尺寸500750825mm材质铝型材架体、T型槽铝板带脚轮空气单元压力范围0.40.8MPa空气过滤器,润滑器、压力调节阀、关闭阀过滤精度5联结器尺寸G1/4额定流量550/min钻孔部分升降气缸行程50mm电磁接近开关流量控制旋钮缸径16mm模拟电机DC24V夹紧气缸直径10mm带接近开关行程15mm检测气缸直径10mm带接近开关和流量控制行程45mm带电机旋转台工作电源DC24V旋转速度10RPM电容传感器工作电源DC24V尺寸M18感应距离8mm电感传感器工作电源DC24V尺寸M8感应距离1.4mm电磁阀组二位五通单控电磁阀2个三位五通双控电磁阀1个控制方式PLC控制 第三章、方案设计1、机械结构方案旋转工作台旋转工作台模块主要是由旋转工作台、工作 台固定底盘、定速比直流电动机、定位块、电感式接近开关传感器、漫反射式光电传感器、支架等组成。在转动台上有四个工位，用于存放工件。每个工位下面都有一个圆孔，用于光电传感器对工件的识别。电感式接近开关传感器用于判断工作台的转动位置，以便于进行定位控制。钻孔部分钻孔部分主要由钻孔气缸、钻孔电机、夹紧气缸等组成。钻孔部分用于实现钻孔加工过程。在钻孔气缸的两端、夹紧气缸的两端都安装由磁感应式接近开关，分别用于判断两个气缸运动的两个极限位置检测部分检测部分用于实现对钻孔加工结束的模拟检测过程。检测模块主要由检测气缸、检测气缸固定架、检测部分支架及磁感应式接近开关组成。继电器继电器k1、k2，分别用于控制钻孔电机和工作台电机。（如图1.3所示）2、气动方案 3.2.1 传感器的简介以及分类人是靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这些感觉器官来接受外界信息的，而一台光机电一体化的自动设备在运行中也有大量的信息需要准确地被“感受”，以使设备能按照设计要求实现自动化控制，自动化设备用于“感受”信息的装置就是传感器。传感器是实现自动化的关键技术之一。1)传感器的组成传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件、转换元件和转换电路及辅助电源部分组成。a、敏感元件，是传感器中能直接感受或响应被测量的部分。b、转换元件，是传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适用于传输或测量的电信号的部分。c、转换电路，是将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。d、辅助电源，是用于提供传感器正常工作能源的电源。传感器的组成如图2.6所示图2.6 传感器的组成2）常用传感器的分类作为实现传感功能的基本器件，传感器的分类方法很多，a、按传感器能量变换关系进行分类按能量变换关系，传感器分为发电型传感器和参量型传感器。b、按传感器输入量(即被测参数)进行分类按输人量分类，传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等。c、按传感器的输出量进行分类按输出量分类，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量，数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。d、按传感器工作原理进行分类按传感器的工作原理为依据分类，可分为电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。3.2.2传感器工作原理及应用1）电感式接近开关a、电感式接近开关的基本工作原理 电感式传感器为信号发生器，它被用于在加工机械，机器人，生产线 以及传送带系统中检测和功能相关 的动作,并将检测结果转换成电信号。它是以非接触的方式工作的。当有金属物体接近规定的感应距离时，传感器会发出一个电信号。电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。（1）高频振荡型电感式接近开关它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。（2）差动线圈型电感式接近开关它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。b、电感式接近开关的分类（1）按工作电源的性质进行分类流型：采用交流电源供电，用于交流控制回路。流型：采用直流流电源供电，用于直流控制回路。（2）按接线方式进行分类二线制 三线制 四线制 五线制 六线制（3）按触点的性质分类 常开式 常闭式 常开与常闭混合式（4）按输出逻辑分类正逻辑型 负逻辑型 浮空逻辑型 混合型（5）按外形分类 螺纹型 圆柱型 长方体型 U型等（6）按防护方式分类 防水型 防爆型 耐高温型 耐高压型等c、电感式接近开关的图形符号 接近开关通用符号如图2.7所示，电感式接近开关如图2.8所示。图2.7 接近开关通用符号图2.8 电感式接近开关图形符号d、电感式传感器的特点无机械磨损和撕扯动作，因此使用寿命长；不会因灰尘或触点焊接在一起而出现故障；无触点反弹，因此无切换故障；切换频率高达3000Hz；抗震；安装位置随意；黄色LED显示切换状态；完全密闭，防护等级高。e、电感式传感器在自动检测中的应用由于电感式传感只能对金属起作用，在自动控制的应用可以应用在上例中进行检测白色的金属或红色的塑料，又可以应用在流水生产线上检测金属工件是否到位。如图2.9所示。当工件到位后自动输出一个开关量信号。用以控制计数器计数或下一个加工步骤等。图2.9 电感式传感器的应用检查有无物体通过3.2.3 气动部件的选用元件名称数量型号元件符号气源1集中供气检测气缸（带磁环）1 MGPL25-50可调单向节流阀6亚德客三位五通双控二联件1亚德客AFR2000M换向阀3亚德客4A400夹紧气缸（带磁环）1SC32*25*25提升气缸（带磁环）1MGPL25-50电容传感器2PR08-2DN电感传感器1LJ12A3-4磁感应式接近开关6CS1-F加工单元主要元器件3.2.4气动部件的简要分析1）加工检测站单元的结构及工作过程开始检测有无物料传感器，检测有旋转工作台电机工作台位置检测传感器检测到位加工机组气缸伸出同时M1动作加工完成加工机组气缸收回M1停止旋转工作台电机工作位置检测传感器检测到位检测气缸下降、上升旋转工作台电机工作位置检测传感器检测到位等待第五站取工件循环开始2）加工检测站单元气动元件种类及结构符号a、导向气缸导向气缸的外形、结构及符号如图所示，导向气缸的应用如图所示。双作用双活塞式气缸，行程长度250mm，用于机械手单元X轴的左右伸缩，双活塞气缸是由两个活塞进行驱动的，因此在相同高度的情况下能产生2倍于标准气缸的推力。双作用双活塞式气缸，行程长度80mm，用于机械手单元Y轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。图3.5 导向气缸的外形、结构及符号导向气缸图3.6 导向气缸在系统中的应用3、控制设计（1）上电时要求先点亮允许复位指示灯，按复位按钮，个工作部位应回到初始状态（电磁夹紧装置释放、孔深检测电磁装置复位、电磁拨叉复位、钻磨电机控制继电器释放、工作台电机控制继电器释放、钻磨装置下降控制继电器释放、钻孔装置上升控制继电器并设置本站忙标志）。（2）按复位按钮工作部件回到初始位置后应点亮允许启动指示灯，按启动按钮工作单元开始工作。（3）工作单元开始工作后，如果下游站处于空闲状态且本站工作输入位置有工件，则旋转工作台转动。旋转工作台转动过程中，如果定位传感器动作。则旋转工作台停止准备进行孔深检测机钻磨。（4）如果孔深检测工位有工件，则执行孔深检测；钻磨工位有工件，则执行钻磨；输出位置有工件，则由电磁拨叉将工件送到下游站。如果3个工位都有工件，则同时执行孔深检测、钻磨及输出操作，同时结束本次工作循环。在输出位置如果又合格工件，则点亮允许复位指灯。第四章、技术设计1、气动元件选型气动元件选择自动化模块化生产线加工站所使用的气动执行包括普通气缸和三轴气缸两种，三轴气缸选择的是SMC气缸MGPL25-50薄型带导杆三轴气缸，三轴气缸在精度以及安全上都要好于普通气缸。气缸工作时比较电磁阀安装在工作台导轨上，方便接线、接管调试。本设备使用到的气动控制元件包括两位五通单电控电磁阀、两位五通双电控电磁阀。提升气缸夹紧气缸检测气缸气动回路图2、电气元件选型直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时直流发电机，将机械能转换为电能。减速机在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。按照传动级数不同可分为单级和多级减速机；按照齿厂轮形状可分为圆柱齿轮减速机、圆锥齿轮减速机和圆锥圆柱齿引轮减速机；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同进轴式减速机。减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间的减速传动装置 。在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。3、重要部件描述可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制技术。目前已被广泛应用于各个领域。可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制而设计制造的，早期的可编程控制器被称为可编程逻辑控制器。后来的可编程控制器以微处理器为核心，功能不仅限于逻辑控制，所以又将其称为Programmable Controller，简称PLC。PLC的应用广泛、功能强大，是现代工业自动化的主要设备之一。PLC在现代工业中使用十分广泛，随着科技的不断发展，其功能也越来越多，不仅仅用于逻辑控制。越来越多的生产厂家生产出性能优越的PLC。PLC已经应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。所以MPS05模块化自动化生产线选择PLC来实现控制功能。本设备三站选用西门子可编程控制器S7-200型PLC，CPU型号为214C。PLC自带两路模拟量输入，集成PROFINET接口11，使得编程、调试过程以及控制器和人机界面的通信可以全面地使用工业以太网技术；同时集成高级功能，如脉冲输出、高速计数、运动控制等。它的设计具备可扩展性和灵活性，使其能够精确完成自动化任务对控制器的复杂要求。CPU本体可以通过嵌入输入/输出信号板完成灵活扩展，信号板嵌入在CPU模块的前端，可以提供两个数字量输入/数字量输出接口或者一个模拟量输出。第五章、硬件设计1、I/O地址表名称地址功能按钮开关I1.0启动按钮按钮开关I1.1停止按钮转换开关I1.2自动/手动转换按钮开关I1.3复位按钮电容传感器I0.0第一工位物料检测电感传感器I0.1转台转动检测磁感应式接近开关I0.2夹紧气缸前位检测磁感应式接近开关I0.3夹紧气缸后位检测磁感应式接近开关I0.4升降缸上位检测磁感应式接近开关I0.5升降缸下位检测磁感应式接近开关I0.6检测气缸上位检测磁感应式接近开关I0.7检测气缸下位检测继电器Q0.0钻孔电机启动继电器Q0.1旋转台电机启动电磁阀3Y1Q0.2控制升降气缸上升电磁阀3Y2Q0.3控制升降气缸下降电磁阀3Y4Q0.4夹紧气缸工作电磁阀3Y3Q0.5检测气缸工作分支电动机Q0.6工件传送到下一站光电式传感器Q0.7向上一站发送信号指示灯Q1.0启动指示灯指示灯Q1.1复位指示灯2、电源主电路采用AC220V，控制电路采用DC24V。第六章、软件设计1、顺序功能图第三站程序流程图如图1所示，按下上电按钮，上电灯亮，设备可以工作。按下复位按钮，分度转盘旋转，当定位检测传感器检测有信号，分度转盘停止。放置工件，按下开始按钮，开始灯亮，左检测传感器检测到有信号，气动分度盘转动，当定位检测传感器再次检测到信号存在，分度转盘停止旋转，夹紧气缸伸出固定工件，夹紧气缸伸出后将信号传递给三轴气缸，三轴气缸伸出，电动螺丝刀模拟加工，当扭矩达到标定值时，电机停止加工，三轴气缸缩回。夹紧气缸与三轴气缸都缩回时，将信号传递给分度转盘，分度转盘旋转，当定位传感器再次检测到信号存在，分度转盘停止旋转，右位置检测传感器检测是否有信号存在，如果有发信息给下一站前来取料，如果没有信号，工位停止不动。待下一工位将工件搬运走后，重复以上所述动作。程序流程图 顺序功能图2、PLC程序第七章、调试1、测试设计1.1、首先，在电脑上运行仿真PLC程序，看看程序编写是否有错误，功能是否完整，各部分是否按预期结果运行。1.2、观察机械部分，各执行机构安装是否正确。气动部分，气管接头处是否接紧，各顶杆伸出是否会互相干扰。1.3、待以上都准确无误，将PLC程序下载到PLC中，运行程序，并观察结果。2、过程2.1、按下上电按钮，上电灯亮，表示系统可以运行。2.2、在单站情况下，按下开始按钮，系统开始运行，人工将工件放置在工位I上，工位下方的传感器检测到工件的存在，夹紧气缸自动夹紧工件，并给步进电机一个信号使分度转盘自动旋转90度到工位II。2.3、然后三轴气缸伸出，加工电机旋转并拧紧螺丝。加工完成后电机停止旋转，气缸自动缩回。然后分度转盘再次旋转90度，到达工位III，工位III下方的传感器检-测到工件的存在后夹紧气缸自动解锁，拿下工件后一个循环结束。2.4、在联网的状态下，由二站将工件传送到工位I上，加工结束，由四站的机械手将工件取走即可。3、故障3.1、如果PLC程序仿真未按预期结果运行，则程序有错误，应仔细检查程序。3.2、如果执行机构安装不合理，应该重新安装，以便确定一个合理的安装方案。3.3、如果气缸运行不稳定，可能是气压不合理，应调节气压。3.4、如果气缸活塞杆未到指定位置就动作，可能是传感器位置安装不合理，应重新确定。第八章、体会1、存在的问题此次实验基本上完成了实验要求，但存在不少问题。首先，为保证MPS整个过程的顺利、安全运行，应当设立各个工作站衔接启动的次序，本站是否启动应该受到上一站完