基于PLC的分类存储站设计

基于 PLC 的分类存储站设计目 录前 言 .1摘 要 .2ABSTRACT.3第 1 章 绪 论 .11.1 概述 .11.2 特点 .21.2.1 模块化的具体特点 .21.2.2 模块化结构的优点 .31.3 组成 .51.4 构建模块化生产系统 .51.4.1 模块化生产系统构建前的准备 .61.4.2 模块化生产系统构建的条件 .6第 2 章 模块化分类分拣站 .82.1 概述 .82.2 分类分拣站结构与功能 .82.3 分类分拣站气动控制设计 .92.4 步进电机选择 .112.4.1 步进电机的控制和驱动方法简介 .122.4.2 常见的步进电机的工作方式 .132.4.3 步进电机控制方式 .142.4.4PLC 控制步进电机 .162.5 滚珠丝杆设计 .172.6 工件推出装置 .21第 3 章 可编程序控制器（PLC） .313.1 可编程控制器概述 .313.1.1 PLC 的由来和定义 .313.1.2 PLC 的发展概况和发展趋势 .323.1.3 PLC 的主要功能和特点 .353.1.4 PLC 的分类 .373.2 PLC 的基本组成和工作原理 .393.2.1 PLC 的基本组成和各部分的作用 .393.2.2 PLC 的工作原理 .413.3 PLC 程序设计 .433.3.1 工件与设备选择 .433.3.2 PLC 编程 .44第 4 章 组态编程 .494.1 组态概述 .494.1.1 组态的定义 .494.1.2 组态软件 .494.2 亚控组态王简介 .554.3 组态程序编写 .594.3.1 组态程序 .594.3.2 组态变量设置 .594.3.3 组态王联机运行动画截图 .60第 5 章 结论与展望 .645.1 结论 .645.2 展望 .64致 谢 .65参考文献 .66附 录 .67前 言模块化并不是一个新的概念，早在 20 世纪初期其就被引入了机械制造业。人们将模块与物理产品联系到了一起，明确了模块的功能和特征。20 世纪 60 年代以来，随着生活水平的提高和科技的发展，当今的市场已成为买方市场，随着市场的国际化，企业间的竞争也越加激烈。由于技术的飞速发展，产品的寿命周期逐渐缩短，从而导致客户的需求呈现多样化和个性化，所要定制的产品数量变少，同时还要求较短的交货期、较低的成本、较好的质量等。这些因素也促使企业不断的改变原有的生产模式，寻求更新更好的生产模式。模块化生产技术的基本方法是将产品的制造问题通过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量制造问题，即提供给用户的是全新的、定制的个性化产品，而实际产品则主要由标准的模块组成。模块化制造的思想也来源于人们长期的生产实践。在机床制造业，德国于 1930年首先提出了“模块化构造”(MOdular Construction)的设计方法。由于用这种方法设计制造的机床具有很好的经济效益，因而采用模块化构造在世界上得到迅速发展。日本通产省在 1977 年开始研制柔性加工单元(FMC)，明确地引进了模块化构造的概念。随着先进制造技术的发展和计算机技术的广泛应用，使传统的模块化设计技术发生了深刻的变化。模块化是现代制造业发展的要求，是对传统标准化形式的发展。模块化与成组技术、柔性生产技术、计算机辅助技术等现代制造技术之间的关系是相辅相成、互相支持的，只有在生产中密切配合才能发挥最大效益。 模块化生产系统作为一种现代制造环境下的制造哲理和方法论早就引起了人们的注意。Rogers 等就针对模块化生产系统(MPS)的有关问题进行了深入的研究。通过建立模块标准，建立有限的部件级的基本生产加工单元(标准模块)。把基本模块分为四类：加上单元、运动单元、 模块化刀具装卡单元以及可配置的控制系统。通过从模块目录中选取适当的模块就能建立适应范围宽的自动化、集成化的生产系统。Rogers等针对中、低档消费品的生产，如儿童玩具、厨房用具等，研究了实现模块化生产系统(MPS)的合理性。把 MPS 作为产品和生产系统并行设计的一种技术，在产品设计和制造系统设计之间建立了联系，通过制造特定的产品对制造系统进行再设计。同时还提出了模块化生产系统的两个基本工作原理，分析了建立设备模块标准和面向并行工程的 MPS 设计支持工具的重要性。并把 MPS 总体设计过程分为三个阶段：产品分析、面向 MPS 的产品建模和 MPS 综合。从模块化生产概念的形成可以看出，模块化制造是符合当今制造业发展潮流、具有广泛实践基础、可具体执行和操作的一种实用型先进制造模式和技术体系。模块化生产系统是根据特定模块化产品的制造要求设计而成的，产品的性能和质量得到了提高，生产的周期缩短，响应了市场的需求；与其相适应的生产系统易于重组，以适应产品的快速变换。而产品结构的模块化和生产系统装备的模块化恰恰正能满足这样的要求。模块化生产系统是企业和产品重组的基础，是产品及其生产系统持续更新和并行开发的最佳基础。随着中国加入 WTO，中国经济进一步融入世界经济，中国在世界经济中扮演着越来越重要的角色。在这样的大背景下作为中国经济增长引擎的制造行业中蕴藏着巨大的市场机遇，但同时竞争也越来越惨烈，中国的制造业同时也会面临巨大的挑战。要想赢得未来竞争的胜利，中国的制造企业必须通过优化整个产品生命周期的业务链来缩短产品上市时间、提高产品质量、降低成本，同时还要不断通过研发创新来满足客户的变化需求。技术的飞速进步，引起产品工程越来越复杂，企业必须在不断变化的环境中应付越来越复杂的工程技术，随着客户对产品个性化需求程度的增加，也导致产品定制化趋势越来越明显，企业必须创建数量庞大的产品系列来满足客户不断变化的需求。而模块化生产系统的优点是：对于新产品而言，由于标准的模块化而带来的生产系统的简化，并和自动化相结合，将显著缩短生产周期。模块化生产系统由于其建立方便、模块的适应范围广、可重构性强等特点，可以建立一个模块化制造系统的租赁市场。在这一市场中，建立一个模块化制造系统租赁公司，该公司准备了大量的各种不同的制造系统标准模块。可以向需要建立新产品制造系统(设备、生产线、装配线)的企业提供各种加工基本模块、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。企业可以迅速在几天内建立起支持新产品生产的系统。当该产品不再生产时，该模块化制造系统可以容易地拆除，并将各模块退回给租赁公司。由于模块化生产系统的设计是高度自动化的，硬件是模块的，能很快地设计和重构低成本的生产系统。因此，将企业产品平台化、模块化的管理创新成果与信息系统的建设结合起来将大大的提高企业的竞争力。这次设计的主要任务是对模块化分类分拣站的控制部分进行设计，主要包括：模块化分类分拣站的可编程控制器（PLC）程序设计；组态程序设计；说明工作原理并编写设计说明书；利用实体模型完成组态程序和可编程控制器（PLC）程序的运行调试工作。说明书介绍了基于模块化的分类分拣站的工作原理、PLC 程序设计与控制、以及组态程序的设计等内容，重点是关于模块化分类分拣站的 PLC 控制程序的设计和组态实时监控程序（动画）的设计，并在实体模型上完成调试运行。摘 要模块化并不是一个新的概念，早在 20 世纪初期其就被引入了机械制造业。人们将模块与物理产品联系到了一起，明确了模块的功能和特征。模块化生产技术的基本方法是将产品的制造问题通过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量制造问题，即提供给用户的是全新的、定制的个性化产品，而实际产品则主要由标准的模块组成。模块化生产系统由于其建立方便、模块的适应范围广、可重构性强等特点，在国内外得到了广泛的运用。模块化分类分拣站是模块化生产系统（MPS）的一部分。它既可以作为一个独立的部分单独使用，同时也可以与供料站、检测站、加工站、安装站、存储站等组合成一个整体的自动化生产系统。本文介绍基于模块化的分类分拣站的工作原理、PLC 程序设计与控制、以及组态程序的设计等内容，重点是关于模块化分类分拣站的 PLC 控制程序的设计以及与组态程序的配合调试。关键词：模块化，可编程控制器，组态ABSTRACTModular is not a new concept, as early as the beginning of the 20th century was the introduction of the mechanical manufacturing industry. People with physical products will be linked modules together, defined the functions and characteristics of modules. Modular production technology is the basic method of manufacture of the product through the process of restructuring and reorganization of product into or part of the problem into volume manufacturing, which is available to users new, personalized custom product, but the actual products mainly by the standard module. Modular production system to establish because of its convenience, modules to adapt to a wide range of strong, such as reconfigurable characteristics, both at home and abroad has been widely used.Sorting handling modular station is modular production system (MPS) as part of. It can be used as part of an independent used alone, but also can feed station, detection stations, processing stations, the installation of stations, storage stations combined into an overall automated production systems. This article describes the removal based on the modular principle of sorting stations, PLC programming and control, as well as the configuration of the design process and so on, with a focus on handling the sorting station modular PLC control procedures, as well as the design and configuration process with debugging.Keywords:Modular, Programmable controller, The configuration1第 1 章 绪 论1.1 概述随着现代化工业生产的发展，气动技术、液压技术、传感器技术、PLC 技术、网络及通讯技术等技术的紧密结合而形成的机电液、机电气、机电光一体化的自动化控制技术在工业生产中正起着越来越重要的作用，自动化生产系统已成为当今工业生产的重要组成部分。模块化生产系统就是一个工业自动化生产系统，是基于机电气(液)一体化技术、PLC 控制与机器人结合的全自动加工装配系统。模块是构成产品的一部分，具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。模块化的产品设计可以达到以下几个目的：模块的组合配置，可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求 ；相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有设计经验，也可以重用整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源；减少产品工程复杂程度，因为模块是产品部分功能的封装，产品设计人员使用具体模块时根本不用关心内部实现，可以使研发人员更加关注顶层逻辑，提高产品工程管理质量和产品的可靠性。产品平台就是描述产品系列的模块化结构及模块的功能、模块间的几何连接接口和输入输出接口。产品平台是不同目标市场需求的抽象表达，是企业划分模块的基础，产品平台和模块是相辅相成、相互依存的。因此，从以上论述和观点来看，产品的平台化、模块化是连接产品研发和大规模定制生产的桥梁。模块化产品是达到大规模定制和不断的持续改进企业商业能力的首要前提。 模块化生产系统通过标准化的、基本的制造系统模块进行重构，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。该制造系统具有以下几类模块：加工基本模块、模块化驱动单元、模块化的存储单元以及可重构的控制系统。模块化生产系统中的各部分不仅可以组合成一条高度自动化的生产线，同时模块化的功能单元也可以独立运转。整个控制系统是由各模块组成的多级系统。模块化生产系统涉及诸如电机驱动、气动、PLC（可编程控制器） 、传感器等多种技术。一般包括：电气系统，气动系统，机械系统等。一、电气系统电气系统是指的在传输过程中的控制系统。电气其外延涵盖了微电子，光子学，以及微机应用技术等。电气的概念相当的广泛，只要是用电的就是电气，只要是用电2控制的就是电气控制。其主要特点是强弱电结合、电工技术与电子技术相结合、软件与硬件结合、元件与系统结合。具体解决电气系统的控制问题。二、气动系统气动系统是通过气体的压强或膨胀产生的力来做功，即将压缩空气的能量转换为动能的机件。三、机械系统机械系统是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息等。1.2 特点模块化生产系统是一种针对技术难度一般的产品的一种新的生产系统，是一种在标准化和模块化系统基础上建立的“柔性”生产系统。其主要特点是：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生产系统，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生产系统中。而这些标准化的模块可从一个贮备有大量模块的租货公司租赁。对于技术难度一般、批量较小或中等的产品，模块化生产系统能满足大批量定制生产的需要，具有高生产率和高柔性的特点。1.2.1 模块化的具体特点1、模块具有独立的功能模块的功能是整个产品功能的组成部分，且这个功能是自我包含，自我实现的。在集成化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是多对多的关系，这样导致某个零部件的设计更改会影响到产品的多个功能，也就会导致不确定范围的零部件的修改，同样为了实现产品的某项功能改善，也会导致很多零部件的修改。随着产品复杂程度和产品零部件重用度的提高，管理这样的产品结构和相关信息就会变得十分困难，尤其是在产品为系列化、批量生产模式的企业中，随着不可互换的相似零部件种类的增加，销售、采购、物流、生产和服务等业务领域中的管理困难会成倍增加！在模块化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是一对一的关系，这样对于零部件的更改和产品功能的改善不会造成其他零部件和功能的调整，也就是将产品的功能抽象与产品零部件的具体实现分离，模块自身的单独发展不会影响其他模块。 2、标准的几何连接和一致的输入、输出接口 为了实现同类模块之间的互换，严格的尺寸接口和输入输出接口的定义是必须的。几何连接接口，可以是机械领域的销、面、键和螺栓等，也可以是电器领域的信号、3能量等。著名的玩具供应商 Lego 乐高公司通过积木模块的不同组合可以拼成几乎无尽数量的形状，于是在市场上取得了巨大的成功。Lego 乐高公司的积木模块的定义主要就是几何连接接口。当然，在实际的制造业中随着产品复杂度的增加，模块的几何连接接口要比这复杂得多。输入、输出接口，是模块功能的抽象，此类接口可以是能量、信息、物质（液体、气体）等，是定义该模块功能的输出标准和能够保证输出特定功能所必须的输入条件标准。例如，如果发电机对于发动机厂来讲是一个模块的话，发电机与发动机的连接尺寸等几何连接接口需要标准化和规范化。同时，发电机的输入转速、功率，以及输出的电流等输入、输出接口同样需要规范。 3、模块是依赖产品平台的存在而存在的 虽然模块的功能是自我包含、自我实现的，但是模块的存在和划分必须以产品平台的整体功能为前提。比如某一个收音机由接收器(Ra)、放大器(Aa)和电源(Pa)三个组件构成，当该收音机只有这样一种产品配置的时候，这里不存在任何模块，接收器(Ra)、放大器(Aa)和电源(Pa)是一个整体，不用区分。但是，当有另外一种收音机使用了另外一种电源(Pb)，这个电源(Pb)又与前一个电源(Pa)可以互换时，那么电源在没有任何变化的情况下，就会成为一个模块。因此，模块的功能和互换性都是依赖于产品平台的功能和配置变化而存在的，失去产品平台的定义和产品平台的配置需求，模块的存在是没有意义的。 4、模块是有层次的，并且受观察角度和范围的影响 模块可以包含子模块，因为模块的功能是整个系统功能的组成部分，所以子模块的功能应该是父模块的基本功能，所以能否称为模块是受观察角度和定义范围的影响而变化的。同样，模块层次越多管理难度越大，当模块层次划分过多，就与非模块化的产品结构没有什么差异了。例如，就模块的层次而言，柴油机是整车的一个模块，发电机又是柴油机的一个模块。站在不同的角度，模块的划分也会不同。发电机对于发电机生产商来讲是一个产品，对于柴油机生产商来讲是一个模块，而对于整车生产商来讲只是一个总成件了。整车厂的模块化产品平台中不需要定义发电机模块。 1.2.2 模块化结构的优点 模块化生产系统的优点是：对于新产品而言，由于标准的模块化而带来的生产系统的简化，并和自动化相结合，将帮助显著缩短生产周期。由于模块化生产系统的设计是高度自动化的，硬件是模块的，因此能很快地设计和重构低成本的生产系统。模块化生产系统由于其建立方便、模块的适应范围广、可重构性强等特点，可以4建立一个模块化生产系统的租赁市场。在这一市场中，建立一个模块化生产系统租赁公司，该公司准备了大量的各种不同的制造系统标准模块。可以向需要建立新产品制造系统(设备、生产线、装配线)的企业提供各种加工基本模块、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。企业可以迅速在几天内建立起支持新产品生产的系统。当该产品不再生产时，该模块化生产系统可以容易地拆除，并将各模块退回给租赁公司。当然还需要一个设计和制造这些模块的公司。模块化的产品结构对企业的贡献可以从产品研发、提高效率、降低成本和改进企业管理等几个方面考虑。 1、对企业产品研发的贡献 模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用，大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量。模块实现产品功能的分配和隔离，使问题的发现和设计的改进变得容易。模块实现功能的抽象和实现分离，使设计人员容易掌握产品全局，同时设计人员可以屏蔽掉与自身领域无关的细节，从而关注更高层次的设计逻辑。模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模块。模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立的设计和发展，可以进行并行设计、开发和并行试验、验证。模块的不同组合能满足用户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。 2、对企业工作效率和节省时间的贡献 设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；并行的产品开发和测试可以大大缩短设计周期；利用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从而加快产品上市时间；如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩短服务周期和耗费资源时间。 3、对企业成本控制的贡献 模块和知识的重用可以大大降低设计成本；采用成熟的经过验证的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；采用成熟的经过生产验证的模块，可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，可以降低生产制造成本；产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以降低售后服务成本。 4、对企业组织的贡献 有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的专业化研究和不同模块系统的并行开发；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构与5产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和售后服务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；标准规范的模块接口有利于形成产品的供应商规范；有利于产业分工的细化（比如下图的计算机行业，以及气车行业）。目前，由于模块化生产系统的卓越性能而被广泛的运用于工业生产中。模块化是企业发展壮大的基础，是现代化工业的重要象征。1.3 组成模块化生产系统由各个独立的单元构成，每一个独立的单元都有一套独立的控制系统，可以单独使用，同时也可也组合成整体。模块化生产系统通常包括一下部分：1、加工基本模块(PMP: Process Machine Primilives) 主要用于加工和改变原材料的状态，如挤压、钻孔、铣削等。基本模块的功能是与现有的加工设备相类似，但对于模块，最强调的是遵循精确、预定义、示范性和可控制的标准。2、模块化驱动单元(MAE：Modular Actuator Elements)主要用于完成执行任务部件的运动。3、模块化的刀具和夹具(MTJ：Modular Tooling and Jigging)：这是与加工基本模块和模块化驱动单元相匹配的刀具和夹具模块。4、可重构的控制系统(CCS: Configurable Control System)：包括各种模块化生产系统子系统的程序、指令和同步化的信息网络。总而言之，模块化生产系统主要是软、硬件的结合。由于其在产品设计阶段就可精确地确定产品制造的可行性、成本和投资的回收等问题。大大提高了生产效率，节约了成本，因此广泛的用于工业生产中。1.4 构建模块化生产系统传统的过程性系统的设计办法倾向于使高层次的模块依赖于低层次的模块，抽象层次依赖于具体层次。抽象层次包含的是产品系统的顶层的功能逻辑和宏观的、对整个系统来说重要的战略性决定，是必然性的体现，而具体层次则含有一些次要的与功能实现有关的功能和逻辑，以及战术性的决定，带有相当大的偶然性选择。具体层次的需求会经常改变，抽象层次依赖于具体层次，使许多具体层次的细节变化会立即影响到抽象层次的宏观功能，导致微观决定宏观，战术决定战略，偶然决定必然，这显然是不对的。将产品模块化，就是要把产品系统顶层的功能逻辑抽象成为模块，使具6体的产品零部件设计依赖于抽象的模块层次逻辑。利用抽象的模块化层次，将企业产品的底层逻辑数量众多的零部件抽象成为可以重用的模块，再利用模块的排列组合形成企业丰富的富于创造性的满足用户特殊需求的产品配置。这样，对于零部件组件层(底层逻辑)来讲企业要尽量标准化，利用成组技术和 Windchill 系统中的 WSF 模块功能对这些零部件进行分类重用；合理划分模块层(抽象层)逻辑，使企业可以用数量最少的模块来配置生成数量众多的富于创造性的满足客户特殊需求的产品；最后，企业要利用平台化的战略，分析企业产品的目标市场，整合企业模块资源，以最少的产品变型满足最大范围的目标市场需求。1.4.1 模块化生产系统构建前的准备模块化生产系统的制造模式不可能在短时间内完成，在构建模块化生产系统前，应进行如下一些准备工作：1、根据最终用户的需求，对模块化生产系统中的各模块进行分析和设计。 2、建立模块性能、尺寸和控制的开放性标准。3、在产品设计时就要考虑到模块化生产系统方法带来的约束要求。产品所有的生产操作尽量满足“制造和装配过程模块集”规定的范围来执行。同样，应尽量避免具有长周期的制造过程，因为模块化生产系统的目的是尽可能扩大模块的利用率，以确保资金投入的高回报率；4、开发先进的设计与分析工具，以便支持设计者进行与模块化生产系统相关的产品快速并行设计，确保产品设计满足由模块化生产系统带来的约束。1.4.2 模块化生产系统构建的条件1、过程选择：所有的零部件必须能够通过加工基本基元而加工出来。2、周期需求：只要在可能的地方，所有的零部件必须“准时(JIT)”“准地(JIP)”进行制造。3、质量和可靠性：所有的作业和过程的选择必须力争具有几乎 100%的可靠性.4、操作和装配：所有的零部件要使用根据模块化驱动单元建立的简单实用的单元进行处理和装配。5、原材料成本：坚决杜绝不必要的昂贵原材料。7模块化生产系统构建开始于从与模块化生产系统有关的产品设计中“提取”信息。用于模块化生产系统设计的产品描述主要是产品结构分析表。在模块化生产系统设计中首先要根据产品批量和产品的复杂程度确定加工机器基元的模块数。这要求识别哪一种加工机器基元导致子装配线的生产周期低于生产输出速率所要求的周期。如果一个加工机器基元的生产周期太低，则增加加工机器基元单元的数量直至达到所要求的生产周期。模块化生产系统的设计图定义了从产品设计(即装配命令)、装配过程和模块化生产系统生产周期需求得到的加工机器基元模块的数量和排序的顺序。8第 2 章 模块化分类分拣站2.1 概述模块化分类分拣站是模块化生产系统（MPS）的一部分。它既可以作为一个独立的部分单独使用，同时也可以与供料站、检测站、加工站、安装站、存储站等组合成一个整体的自动化生产系统。由于其卓越的自动化性能，在国内外工厂的生产流水线中得到了广泛的应用。2.2 分类分拣站结构与功能分类分拣单元可以模拟提取工件、按照要求将工件分流的工程，同时能提供一个安装工位，实现大、小工件的组装。分类分拣站单元主要由提取模块、工件平台、直线转圆周运动装置、气源处理组件、I/O 接线端口、阀组等组成。1、 I/O 接线端口它是该工作单元与 PLC 之间进行通讯的线路联接端口。该工作单元中的所有电信号（直流电源、输入、输出）线路都接到该端口上，再通过信号电缆连接到 PLC 上。2、 提取模块该模块实际上是一个“气动机械手”，主要由一个直线气缸（上下摆动）、摆臂和气动夹爪等组成。摆臂相当于气动机械手的“手臂”，只是在这时不能伸缩，只能上下摆动，它由一个安装在下方的直线气缸驱动，在摆臂的前端安装有一个气动夹爪，用于抓取工件。3、 直线转圆周运动装置提取模块的左右移动及旋转由两个直线气缸所控制，它通过一定的机械转换装置，在实现直线运动的同时还能提供圆周运动，这样在本单元上可以提供四个工位，分别为左工位（提取工位）、左上工位（安装工位）、右上工位（未用）和右工位（输出工位）。4 、工件平台工件平台安装在安装在安装工位上，用于实现大、小工件的组装。92.3 分类分拣站气动控制设计1、气动控制回路设计该工作单元的执行机构是气动控制系统，其方向控制阀的控制方式为电磁控制或手动控制。各执行机构的逻辑控制功能是通过 PLC 控制实现的。在分类分拣站单元的气动控制原理图中，1A 为 1 号双作用直线气缸；1B1 和 2B2为磁感应式接近开关；2A 为 2 号双作用直线气缸；2B1 和 2B2 为磁感应式接近开关；3A 为气动夹爪；3B1 为磁感应式接近开关；4A 为控制手臂上、下的直线气缸；4B1 和4B2 为磁感应式接近开关；1Y1 和 1Y2 为 1 号双作用气缸的电磁阀的两个控制信号；2Y1 和 2Y2 为控制 2 号双作用气缸的电磁阀的两个电磁控制信号；3Y1 和 3Y2 为控制气动夹爪开与闭的电磁阀的两个电磁控制信号；4Y1 为上、下摆动气缸的电磁阀的电磁控制信号。控制电气图如 2.1：图 2.1 气动控制电气图2、电气接口地址MPS 中的每个部件上的输入、输出信号与 PLC 之间的通讯电路连接是通过 I/O 接线端口实现的。各接口地址已经固定，各单元中需要与 PLC 进行通讯连接的线路（包括各个传感器的线路、各个电磁阀的控制线路及电源线路）都已事先连接到了各自的I/O 接线端口上，在与 PLC 连接时，只需要使用一根专用的电缆级可以实现快速连接。通常选用 RS233 连接线。具体的接口分配如表 2.1：10表 2.1 电气接口分配序号设备符号设备名称 设备用途 信号特征1 1B1 磁感应式接近开关判断直线气缸的位置 信号为 1：1 号气缸缩回到位2 1B2 磁感应式接近开关判断直线气缸的位置 信号为 1：1 号气缸伸出到位3 2B1 磁感应式接近开关判断直线气缸的位置 信号为 1：2 号气缸缩回到位4 2B2 磁感应式接近开关判断直线气缸的位置 信号为 1：2 号气缸伸出到位5 3B1 磁感应式接近开关判断夹爪开闭情况 信号为 1：夹爪已打开信号为 0：夹爪夹紧6 4B1 磁感应式接近开关判断夹爪上下的位置 信号为 1：夹爪下降到位7 4B2 磁感应式接近开关判断夹爪上下的位置 信号为 1：夹爪上升到位8 1Y1 电磁阀 控制 1 号直线气缸动作信号为 1：1 号气缸伸出9 1Y2 电磁阀 控制 1 号直线气缸动作信号为 1：1 号气缸缩回10 2Y1 电磁阀 控制 2 号直线气缸动作信号为 1：2 号气缸伸出11 2Y2 电磁阀 控制 2 号直线气缸动作信号为 1：2 号气缸缩回12 3Y1 电磁阀 控制夹爪开闭的动作 信号为 1：夹爪打开13 3Y2 电磁阀 控制夹爪开闭的动作 信号为 1：夹爪闭合14 4Y1 电磁阀 控制提取缸上下的动作信号为 1：夹爪下降信号为 0：夹爪上升3、程序控制（1）控制任务当设备接通电源与气源、PLC 运行后，首先执行复位动作，夹爪打开、摆臂上抬到位，两个直线气缸驱动摆臂左转到最左端。进入工作运行模式，按启动按钮，摆臂下降夹取工件，抬起后转安装工位，摆臂下降后释放工件（用计时器模拟安装好的信号） ，有信号后摆臂再次下降夹取工件，上抬后转输出工位；等待输出信号（用计时器模拟） ，摆臂下，放开工件，上抬后摆臂转左工位，再次等待下一个信号。各工位与两直线气缸的位置/状态表如表 2.2：11表 2.2 控制任务工位 1 号直线气缸状态 2 号直线气缸状态左工位（提取工位） 伸出 伸出左上工位（安装工位） 伸出 缩回右上工位（预留使用） 缩回 伸出右工位（输出工位） 缩回 缩回2.4 步进电机选择步进电机是将电脉冲信号转成角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。在数控机床、绘图机、打印机等方面应用广泛。它也可以看作是一种特殊的同步电机;它具有快速起停、精确步进及直接接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。电机的定子上有 6 个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为 60 度。磁极上装有控制绕组并联成 A, B, C 三相。转子上均匀分布 40 个齿，每个齿的齿距为 9 度。定子每段极弧上也有 5 个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。每个定子磁极的极距为 60 度，所以每个极距所占的齿距数不是整数。当 A 极下的定、转子齿对齐，B 极和 C 极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即为 3 度。这时若给 B 相通电，电机中产生沿B 极轴线方向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转距(磁阻转距)的作用而转动，直到转子齿和 B 极上的齿对齐为止。此时，A 极和 C 极下的齿又分别与转子齿相错三分之一的转子齿距。由此可见:错齿是促使步进电机旋转的根本原因。若断开 B 相控制绕组，而接通 C 相控制绕组，这时电机中产生沿 C 极轴线方向的磁场。同理，在反应转距(磁阻转距)的作用下，转子按顺时针方向转过 3 度，使定子 C 极下的齿与转子齿对齐。以此类推，当控制绕组按 A-B-C-A 顺序循环通电时转子就沿着顺时针方向以每个脉冲转动 3 度的规律转动起来。若改变通电顺序，即按A-C-B-A 顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动 3 度。这就是12单三拍通电方式。若采用三相单、双六拍通电方式运行，即 A-AB-B-BC-C-CA-A顺序循环通电，步距角将减小一半，即每个脉冲转过 1.5 度。图 2-5 反应式步进电机2.4.1 步进电机的控制和驱动方法简介步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种;按照控制结构可分为:硬脉冲生成器硬脉冲分配结构(硬-硬结构)、软脉冲生成器软脉冲分配器结构(软-软结构)、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构(软-硬结构)即：1 硬硬结;2 软软结构;3 软硬结构。具体的驱动控制情况在下面章节还将提到。132.4.2 常见的步进电机的工作方式常见的步进电机的工作方式有以下三种：（1） 、三相单三拍：A-B-C-A：图3-1 三相单三拍工作方式时序图（2） 、三相双三拍：AB-BC-CA-AB：图 3-2 三相双三拍工作方式时序图（3) 、三相六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A：图 3-3 三相六拍工作方式时序图14按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。这三种方式的主要区别是:电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为 3 度，六拍的工作方式时，分辨率是 1.5 度。所以，在本课题中，我们采用三相六拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辨率最高。2.4.3 步进电机控制方式典型的步进电机控制系统如图所示：图 3