基于PLC控制的自动化生产线系统的研制

1、江苏大学硕士学位论文基于PLC控制的自动化生产线系统的研制姓名：孙怀荣申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：李天博2012-12-23江苏大学工程硕士学位论文摘要自动生产线是先进制造技术的重要组成部分，是能实现产品生产过程自动化的一种机器体系。随着自动化生产线支持技术的飞速发展，自动生产线得到了大力发展，使得其可以实现技术更加复杂的生产和操作以及装配工艺要求更高的流程。它的发展趋势是提高可调性，扩大工艺范围，提高加工精度和自动化程度，同计算机结合实现整体自动化车间与自动化工厂。本文根据装备制造业生产和发展的需要，综合运用传感器技术、技术、电子技术、计算机辅助设计技术、自动控制理论以及网络信

2、息技术等多种知识，设计制作了一种具有供料、深度检测、热处理、输送、分拣等工作单元的自动化生产线，以满足产品加工的自动化、规模化、高效率的需要。本文对自动生产线的结构组成和系统控制方案进行了研究，对自动生产线的各个单元及主要硬件设备的原理、功能、作用作了比较细致的研究，对系统的各个单元的控制要求进行了分析，阐明其程序编写要点，并提供了部分程序。重点研究了自动生产线的系统架构、各工作单元的构成、通讯网络构建、触摸屏控制技术等。本文的自动化生产线在结构上采用模块化设计，每一个工作单元都可自成一个独立的系统，可以分别分析、独立设计，自由组合实现不同系统功能；控制上使用分散控制的方式，通过多台系列组成网

3、络，实现自动化生产线各个单元及整个系统的工作控制。该生产线是一个机、电、气集合的综合体，仓造出二个非常接近于实际的教学设备环境。在教学和培训中使用，能够促进学生对自动生产线的结构原理的理解，提高学生对控制、交流调速和传感器技术、人机界面控制的应用能力，能够达到缩短理论教学与实际应用之间的距离的。该生产线能够满足了职业学校学生实训教学和企业员工培训的需要，对于社会急需的高技能人才的培养具有重要意义。关键词：自动生产线，传感器，基于控制的自动化生产线系统的研制，；，；，曲：，江苏大学工程硕士学位论文第一章绪论课题研究背景一自动生产线制造业是国家国民经济发展的支柱，制造业的发展对一个国家的经济、社会

4、、文化诸多方面的发展具有深刻的影响。传统制造技术不断吸收计算机、信息、网络通信、自动化、新材料、新能源和现代管理科学技术的最新成果，并应用于产品的研究与开发、设计、生产、管理和开拓等方面，从而形成了现代化的先进制造技术。自动生产线是先进制造技术的重要组成部分，是能实现产品生产过程自动化的一种机器体系。它通过采用一套能自动进行加工、检测、装卸、运输的机器设备，组成高度连续的、完全自动化的生产线，来实现产品的生产，从而提高工作效率、降低生产成本、提高加工质量、快速更换产品，是机械制造业竞争和发展的基础，也是机械制造业技术水平的标志。国内外自动生产线的现状与发展前景乜¨自动化生产线支持技术

5、的飞速发展，驱动了自动生产线的大力发展，使得其可以实现技术更加复杂的生产和操作以及装配工艺要求更高的流程。首先，由于可编程控制器的出现，它是一种以顺序控制为主，回路调节为辅的工业控制机。不仅能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算等功能，而且能大规模地控制开关量和模拟量，克工业控制计算机用于开关控制系统所存在的编程复杂、非标准外部接口的配套复杂、机器资源未能充分利用而导致功能过剩、造价高昂、对工程现场环境适应性差等缺点。由于可编程控制器具有一系列优点，因而替代了许多传统的顺序控制器，如继电器控制逻辑等，并广泛应用于自动线的控制。其次，是机器手、机器人技术的飞速发展。机器手在自动线中的装卸工件

6、、定位夹紧、工件在工序间的输送、加工余料的排除、加工操作和包装等部分得到广泛使用。现在正在研制的智能机器人但具有运动操作技能，而且还有视觉、听觉等感觉的辨别能力。具有判断、决策能力、能掌握自然语言的自动装置也正在逐渐应用到自动线中。第三，是传感技术的形成。传感技术随着材料科学的发展和固体物理效应的不断出现，形成并建立一个完整的独立科学体系一传感器技术。在应用上出现了带微处理器的“智能传感器”，它在使用自动线的生产过程中监视着各种复杂的自动控制程序，起着极重要的作用。和便于集中供应和长距离输送等优点，而引起人们的普遍重视。第四，就是液压和气压传动技术。特别是气动技术，由于使用的是取之不尽的空基于

7、控制的自动化生产线系统的研制气作为介质，具有传动反应快、动作迅速、气动元件制作容易、成本小气动技术已经和便于集中供应和长距离输送等优点，而引起人们的普遍重视。气动技术已经发展到一个独立的技术领域。在各行业，特别是在自动线中得到迅速发展和广泛地应用。第五，就是网络技术的飞跃，无论是现场总线还是工业以太网络，使得自动线中的各个控制单元构成一个谐调运转的整体。总之，所有这些支持自动线的机电一体化技术的进一步发展，使得自动线功能更加齐全、完善、先进，从而能完成技术性更加复杂的操作和生产线装配工艺要求更高的产品。现在信息时代已经到来，从技术发展前沿来看，（一一计算机集成制造系统）将是自动生产线发展的一个

8、理想状态。课题的研究意义课题的提出自动化技术在二十世纪得到迅速发展，进入二十一世纪来更是势头不减，并且对于现代生产和生活的影响在日益扩大。现在，自动化控制技术在向更深的领域发展，尤其是微电子技术向超大规模和超超大规模集成电路方向的发展，实现了计算机的小型化、高速化和智能化，完善了自动化设备的功能，提高了生产的效率以及产品的质量。现代自动化技术作为一种完全新型的生产力，已经成为直接创造社会财富的主要手段之一，对人类的生产活动和物质文明起着极大的推动作用。因此，自动化技术受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。如今，在柔性自动化领域，美国、日本、德国一直占据世界领先位置。美、日一条柔性自动化生产线

9、加工零件品种数一般为种以上，最多达到种，多用于大企业：德国的柔性加工生产线加工零件品种多数可达种，是世界上柔性最强的系统，大部分用于中型企业【】。就行业应用方面来看，到目前为止，柔性自动化技术已经在化工、机械制造等多个行业内得到应用，而又以航空、汽车、机床工业等方面应用的最为广泛。我国现阶段，在产品数量较大的同类产品连续流水作业的切削加工生产中，自动化设备仍然是半自动机床、自动机床、组合机床及其组成的自动线、回转体零件加工自动线等。而在大批量的铸造、锻造、冲压、焊接、热处理和装配等生产中，采用刚性自动化（自动单机或自动线）则是合理可行的，能取得较好的经济效益；对于品种稍多的成批生产，应采用由快

10、速重新调整的设备组成成组工段或流水线、可更换主轴箱组合机床自动线、短自动线和复合制造单元，实现成组自动化。只有建立了自动化生产线，生产过程才能全盘自动化，才能使生产率全面提高，达到自动化的高级理想阶段。在自动生产线备受各国重视，相应的职业技术人才培养江苏大学工程硕士学位论文纳入了各国的教育体系的情况下，需要各种适合技术培训并且具有典型工业控制元素的自动化生产线实训平台，在此平台上进行教学与训练。由此，本文提出了基于控制的自动化生产线系统的研制的课题，制造一个仿真实训平台。课题的研究内容和研究意义针对职业学校机电类专业学生和在职职工的专业技能和实践应用能力的培养，国外在上个世纪年代就出现了相应的

11、培训设备，其中最著名的就是德国公司的系统。但是由于其价格昂贵，使得不少学校、企业培训中心望而却步。因此，课题组在参考国际设备的基础上，进行本设备的研究与创新。首先，结构上采用大平台小模块的组合式结构，各工作单元有自己的控制器和控制对象，是相对独立的模块，并采用标准结构和抽屉式模块放置架，具有较强的互换性：其次，在技术内容上本设备把传感器应用技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、气动控制技术、控制和组网、步进和伺服电机位置控制和变频器技术等各种技术进行组织，并且力求达到使实验者通过实验平台熟悉企业中实际生产线的传感检测、传输与处理、执行、控制与驱动等机构在这个微处理单元的控制下协调有序地工作的

12、原理。第三，在功能上本设备要能够方便根据实训需要或工作任务的不同进行不同的组合、安装和调试，能够设置实际工作中常见故障，能够根据需要实现模块扩展，由于本平台针对自动化生产线采用工业级的器件、按照工业现场的设备功能设计，具有很高的“仿真性”，能够满足学校与企业定单式培养，对于社会急需的高技能人才的培养具有重要意义。本课题研究的自动化生产线系统是具有供料、深度检测、模拟热处理、输送、分拣等工作单元的典型的自动生产线机械平台，在本实验平台上可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，创造出一个非常接近于实际的教学设备环境，力求达到缩短理论教学与实际应用之间的距离。本文研究的主要内容本文在自动生产线

13、的功能分析的基础上，阐述了构建一条自动化生产线系统的整个过程，本文涉及到的自动化生产线是一条柔性检测加工线，有五个单元组成，即供料单元、工件深度检测单元、热处理模拟单元、分拣单元、搬运单元。基于控制的自动化生产线系统的研制第一章：简要介绍了课题研究的内容、意义和背景，确定了本课题研究的主要内容。第二章：提出了生产线的总体框架和布局，分析了生产线的工作过程，确定控制系统的总体方案。第三章：控制系统相关硬件技术研究。第四章本章对系统的硬件设计进行详细的分析，设计出气动图和电路图，并对系统的软件进行了分析，并给出了部分程序。第五章：本章对系统的联机控制进行了分析，并提出了实现方法及部分程序。第六章对

14、本课题所做的工作做了一个总结，分析本系统的优点和缺点，并对进一步的工作做出展望。江苏大学工程硕士学位论文第二章自动生产线的总体设计总体框架自动生产线由供料单元、深度检测单元、搬运单元、热处理模拟单元、分类存储单元等五个模块组成，其中每一个单元均采用独立的控制，其控制器的型号为一和一，采用一串行通信的网络控制方案，任意一个单元的均可以作为主站，构成一个分布式控制的小型网络，以实现对自动生产线的数据传输和数据处理控制。自动生产线系统的总体框架结构如图所示。自动生产线供料单元深度检测热处理模拟分类存储输送单元单元单元单元通信（）图自动生产线系统的总体框架结构总体布局自动生产线采用模块式结构布置，布置

15、如图所示。铝型材平台上分布着个单元的机械部分，个抽屉式网孔板上则排布着控制部分的模块。具体有：电源模块：电源模块上配置有三相电源、直流电源、电压指示表及各种电源开关等。按钮模块：启动按钮：在满足原点条件下，按下启动按钮，系统开始运行：停止按钮：设备正常运行时，若按下停止按钮，系统在完成当前工作周期后，停止运行；复位按钮：在设备运行出现故障或报警时，按下复位按钮可停止和复位某单元的设备。（）模块共台，各自成一模块，其中输送单元的，为网络的主站。（）变频器模块基于控制的自动化生产线系统的研制分拣单元中异步电机的驱动器。（）伺服电机驱动器模块输送单元中伺服电机的驱动器。电源端千排按钮板端子排斟电源端

16、子排按钮板按钮板一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一变频器端子排芝电源端子榫电源触摸屏按钮板按钮板一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一图自动生产线的总体布局各单元基本功能供料单元基本功能：供料单元是本设备的起始单元，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。深度检测单元基本功能：把待加工工件从加工台，移送到深度检测区域的正下方，电子尺下压对内孔深度进行检测；检测完毕，检测

17、台重新伸出，并向系统发出检测完成信号。热处理模拟单元基本功能：完成将检测好的工件热处理的过程。分类存储单元基本功能：分类存储单元是控制系统中最末单元，完成对上一单元送来的已检测、热处理过的工件进行分类存储。使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。输送单元江苏大学工程硕士学位论文基本功能：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。自动生产线系统的整体功能供料单元（又称供料站，其余各单元类似）完成对随机存储在料仓中的工件进行分离推送，并通过电感传感器区分其材质（金属、非金属）。当上料检

18、测完毕后，通过一网络向下一单元发出信号，搬运机械手将工件从上料单元搬运至深度检测单元，深度检测单元根据检测结果确定工件是否合格，向主站发出信号，主站命令搬运机械手将工件送至相应的热处理模拟单元或废料槽中。若送至热处理模拟单元，待热处理完成后，热处理模拟单元向主站发送热处理己完成信息，由主站再命令存储搬运单元将热处理后的工件从工件热处理模拟单元传送到到分类存储单元进行分类存储。此时整个自动生产线系统的生产功能任务完成。整个自动生产线系统中的信息流分为数据流和逻辑流。其中数据流用来传输工件的材料属性信息，加工处理站将根据材料属性信息选择不同的加工程序和工艺，而分类存储站则材料属性信息选择不同的存储

19、工位。逻辑流信号则是用来传输工作站与工作站之间的协同信息，各从站要将本站功能完成状态信号和本站功能准备好状态信号传送到主站，再由主站根据各从站的状态信号来控制和命令各从站实现启动和停止，从而实现整个自动生产线系统的加工和存储功能，系统工作流程如图所示。圈圆圈镭日园日圈固圈嗡囡图自动生产线的工作流程基于控制的自动化生产线系统的研制第三章控制系统的硬件设计在各个不同的应用领域，不同种类的自动生产线的结构不同，大小也不同，功能也不同。它们基本都包含检测、机械本体、信息处理、（输入、输出）接口部分以及执行机构等五部分¨其关系如图所示。但是不论哪种自动化生产线，在功能上都必须能实现控制、运转、

20、驱动和检测等。一，塑叟垄旦陉制信号“！：“士唧“。芒！璺！：翌信息瓣处理小网蝴号厂磊田。一图自动生产线各部分联系图传感器检测生产线上位置、温度、压力、流量等信号，来让等信息处理部件分析处理。驱动功能是液压缸、电动机、电磁阀、气压阀、机械手等执行部件实现的。其机械部分是自动生产线的主体部分。由此可见，自动生产线的控制系统硬件就是由传感器、执行部件、网络通信系统等构成，它们就像人的感官系统、运动系统、大脑及神经系统一样，使自动生产线按照设定的轨迹运行。下面就从传感器检测、控制、执行机构等方面对控制系统的硬件进行介绍和设计。控制模块限在自动生产线中，作为信号的处理控制模块得到了广泛的应用。可编程控制

21、器（）简称为，但由于个人计算机（）也简称为，而早期的可编程控制器只具有逻辑控制功能，因此，为了区别，人们仍习惯称可编程控制器为（）。国际电工委员会（）于年颁布了可编程控制器的标准及其定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则可编程序控制器。既克服了继电接触控制系统中固有的机械触点的接线复杂、可靠性低、通用江苏大学

22、工程硕士学位论文性和灵活性差、功耗高的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，尤其是程序的编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电接触控制线路为基础的梯形图语言，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。的结构及各部分的作用的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、接口、电源、扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。的硬件系统结构如图所示：主机图的硬件系统结构主机部分包括中央处理器（）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。其中是的核心，其功能就是读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作

23、，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。的内部存储器分为系统程序存储器和用户程序及数据存储器两类，其中系统程序存储器，用于存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，由厂家固定，用户不能更改：用户程序及数据存储器，则用来存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。接口接口是用来与输入输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮等，如图所示）的控制信号。输出接口是将主机已经处理的结果通过功放电路去驱动输出设备（如图所示）。接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，提高设备可靠性。点数即输入输出端子数是的一项主要技术指标，通基于控制的自动

24、化生产线系统的研制常小型机有几十个点，中型机有上百个点，大型机将超过千点。电源图中电源是指为、接、存储器等内部电路工作所配置的直流开关稳压电源，也可以为输入设备提供直流电源。编程器编程器是用户用来输入、检查、修改、调试程序或监视的工作状况的设备。一般通过专用的编程电缆线将与电脑联接（或手持编程器），并利用专用的软件进行电脑编程和监控。扩展单元扩展接用于将扩充外部输入输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。外部设备接口此接口可将打印机、条码扫描仪，变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。本设备使用：。、。系列，该属于整体式，由主机和扩展模块组成。的工作原理工作方式采用循环扫描工

25、作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图所示。开始内部处理二二通信处理土是输入采样二：执行用户程序二二二二输出捌新图工作原理图江苏大学工程硕士学位论文程序的执行当方式开关置于（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于（停止）时，不执行图的后个阶段，此时可进行通信处理，如对联机或离线编程。可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图所示。执行的五个阶段，称为一个扫描周期，完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。按钮行程开关燹，笑器输接饕蹇鼋蠢蠢路图程序执行原理图应用现状及应用类型贼囤应用

26、现状。可编程控制器的出现，除了取代传统的继电器控制外，正在逐步占领和市场份额小。国际市场：当今世界的生产厂家约多家，生产多种。全球最大的家制造商，德国公司、美国公司、公司、日本的公司、公司约占全球市场销售额的。我国对可编程控制器的研制始于年，目前全国有几十个生产厂家，但产品多为个开关量点以下的小型机。国内市场几乎被国外的产品占领。应用类型。可编程控制器的应用面很广，各行各业都有用到，其应用范围通常分为五种类型。顺序控制：这是最广泛应用的领域，它取代了传统的继电器控制；运动控制：制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块；过程控制：能控制大量的物理参数，例如：温度、压力

27、、速度和流量，模块的提供使具有闭环控制功能，即一个具有控制能力的可用于过程控制；数据处理：通信和联网。基于控制的自动化生产线系统的研制传感器检测模块“¨检测部分由各种传感器组成，传感器能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成电信号输出，就像人的眼睛、耳朵、鼻子、皮肤等感官器官，是自动线中的检测元件。在本实训平台中，使用了光电开关、磁性开关、光纤传感器、电感传感器、旋转编码器等传感器。光电式接近开关“光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变为电信号的器件。利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。其中输出形式为开

28、关量的传感器为光电式接近开关。光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。按照接收器接收光的方式的不同，光电式接近开关可分为对射式、回归反射式和漫射式种，如图所示。叠）对射型置）回归反射型）漫射型（漫反射型）一参麓！麓图光电式接近开关的类型供料单元中，用来检测工件不足或工件有无的光电开关是一个圆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，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，光电开关处于常态不动作；反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度不够，则接

29、收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出状态。江苏大学工程硕士学位论文分拣单元中，当工件进入分拣输送带时，分拣站上光电开关发出的光线遇到工件反射回自身的光敏元件，光电开关输出信号启动输送带运转。光纤传感器光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。在生产线上，光纤传感器主要应用在分拣单元，对白色和黑色的工件进行区分。如图所示，通过调小光纤传感器灵敏度，使反射性较差的黑色物体，光纤传感器无法接到反射

30、信号；而同样的灵敏度，对于反射性较好的白色工件，光纤放大器的光电探测器就可以接收到反射信号。从而实现工件的自动分拣。整兜屯件嘲磁性开关投光元件图光纤传感器电路框图磁力式接近开关（简称磁性开关）是一种非接触式位置检测开关，这种非接触位置检测不会磨损和损伤检测对象物，响应速度高。磁性开关用于各类汽缸的位置检测。在自动生产线中，磁性开关主要用在分拣单元、输送单元、供料单元，用来检测机械手上气缸伸出和缩回到位的位置。图是带磁性开关气缸的工作原理图。当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。，了、动作指示灯；、保护电路、开关外

31、壳；、导线、活塞；、磁环（永久磁铁）、缸筒；、舌簧开关图带磁性开关的气缸工作原理图基于控制的自动化生产线系统的研制磁性开关是一种非接触式位置检测开关，这种非接触位置检测不会磨损和损伤检测对象物，响应速度高。磁性开关的内部电路如图所示，为了防止因错误接线损坏磁性开关，通常在使用磁性开关时都串联了限流开关和保护二极管。这样，即使引出线极性接反，磁性开关也不会烧毁，只是该磁性开关不能正常工作。电感式接近开关弘棕色线，：蘸色线图磁性开关内部电路电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种

32、物理效应。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。利用这一原理，以高频振荡器（振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。电感式接近传感器工作原理框图如图所示。供料单元中，为了检测待加工工件是否金属材料，在供料管底座侧面安装了一个电感式传感器，如图所示，、，图电感式传感器原理框图图供料单元上的电感式传感在接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上

33、图炒母鬃。江苏大学工程硕士学位论文的传感器可靠动作。安装距离注意说明如图所示。旋转编码器（）检测距离图安装距离注意说明（）设定距离出旋转编码器是通过光电转换，将输出至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。一般来说，根据旋转编码器产生脉冲的方式的不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。其中增量式旋转编码器在自动线上应用十分广泛。其原理示意图如图所示。通过计算每秒旋转编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数（或数据变化速度）就能反映当前电动机的转速；通过确定每转一圈代表的位移量，测量出脉冲的个数（或当前

34、值），计算出位移。增量式光电编码器的组成光电码盘器在自动线上用于机械手或工作台的直线位置测量，常见的安装方式为伺服电动机同轴连接在一起，伺服电动机再和滚珠丝杠连接，编码器在传动链的前端。图旋转编码器原理示意图为了提供旋转方向的信息，增量式编码器通常利用光电转换原理输出三组方波脉冲、和相；、两组脉冲相位差。当相脉冲超前相时为正转方向，而当相脉冲超前相时则为反转方向。相为每转一个脉冲，用于基准点定位。如图所示。基于控制的自动化生产线系统的研制嘲：门妻点间距电气角毒目相相图增量式编码器的三组方波脉冲波形这种具有、两相相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置，使用于分拣单元。执行机构控制

35、模块在自生产动线中，有许多机械运动控制，如运动的顺序、速度的快慢以及运动的方向、行程大小控制等，是通过变频器、伺服驱动和电动机完成的。分拣单元传送带的运动控制就是由交流电动机拖动，它不仅可以改变速率，也可以改变方向。它们的速度和方向控制采用通用变频器控制；搬运单元机械手的控制由伺服驱动器来完成。下面简要介绍它们的使用。三相异步电动机与变频器三相异步电动机的使用三相异步电动机在自动生产线的分拣单元中使用。其工作原理是：当电动机的三相对称定子绕组（各相差。电角度），通入三相对称电流后，产生一个圆形旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在

36、定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。若改变旋转磁场的方向，则可以改变电机的转向。其转子转速如公式所示。力：（一（）力一其中，为电动机的磁极对数，为转差率。由公式可见，要改变电动机的转速有三种方法：改变磁极对数；改变转差率；改变频率。其中改变频率实现调速的方法应用尤其广泛。如图是变频器与异步电动机的接线。江苏大学工程硕士学位论文籀交流晦源变频调速原理¨盯图变频器与电动机的接线变频器控制输出正弦波的驱动电源是以恒电压频率比（）保持磁通不变为基础的，经过正弦波脉宽调制（）驱动主电路，产生、三相交流电。是先将工频（

37、）交流经变压器得到所需的电压后，经二极管整流桥和滤波，形成恒定的直流电压后，送入三组六个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的波（等效于正弦波的脉宽调制波），即可驱动三相异步电动机运转。如图。卜一图交一直一交变压变频器的框图所谓等效于正弦波的脉宽调制波，如图所示，就是把正弦半波分成等分，每一区间的面积用与其相等的等幅而不等宽的矩形面积代替，则矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效（正弦波的正负半周均如此处理）。图等效于正弦波的脉宽调制波基于控制的自动化生产线系统的研制如图中，该电路采用正弦波控制，三角波公用来调制。当控制电压高于三角波电压时，比较器输出电压。为“高”电平，否则

38、输出“低电平。若要产生如图的脉宽调制波，则正弦波的最大值低于三角波的幅值，从图中可以看出，若导通、截止则可得到相的脉宽调制波，以此类推，导通、截止和导通，截止可以分别得到相和相的脉宽调制波。三相调制时，三角波三相共用，每相都有一个输入正弦信号和调制波，其输出调制波分别为。、。、。因为输入的三相正弦信号相位相差，其频率和幅值可调，从而可改变输出的正弦波，以达到控制的目的。！调制波的功率较小，必须经过功率放大才能驱动电动机。在图（）所示变频器的功率放大主回路分为两部分，左侧的桥式整流器将工频交流电变成直流恒值电压，给图中右侧的逆变器供电。等效正弦脉宽调制波、送入的基极，则逆变器输出脉宽按正弦规律变

39、化的等效矩形电压波，经过滤波变成正弦交流电用来驱动电动机。吣！王乖埋哩）控制信号正结波和载波”洲变频嚣主电路田图变频器工作原理伺服驱动器及伺服电机钉乜叫伺服电动机又称执行电机，在自控系统中用作执行元件，把所收集到的电信号转化成电动机轴上的角位移或角速度输出。在自动生产线中，采用列伺服电机来完成搬运机械手的运动控制。伺服系统的作用蔓：。蓦薹：置：伺服系统（）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置非常灵活方便地控制输出的力矩、速度和位置。伺服电机的工作原理伺服电机内部的

40、转子是永久磁铁，驱动器控制的三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，电机自带的编码器同时将反馈信号给驱动器，驱动器根据反江苏大学工程硕士学位论文馈值与目标值进行比较，相应地调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。在自动生产线的输送单元中，采用松下永磁同步交流伺服电机，及全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为运输机械手的运动控制装置。气动系统嵋气动系统是气体作为工作介质，依靠密封工作系统对气体挤压产生的压力能来进行能量转换、传递、控制和调节的一种传动方式。气动系统一般由动力部分（气泵）、执行部分、控制部分和辅助部分组成。气泵气泵由空气压缩机、后冷却器、除油器、储气罐、干燥器

41、、过滤器、输气管道组成。是用来产生足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及存储的一套装置。气动执行元件气动系统常用的执行元件为汽缸和气马达。气缸用于实现直线往复运动：气马达用于实现连续回转运动。生产线中只用到气缸，包括回转气缸、最常用的是普通型单活塞双作用气缸。双杆气缸、笔型缸、手指气缸等。所谓双作用是指活塞的往返运动均由压缩空气来推动。在单伸出活塞杆的动力缸中，因活塞右边面积比较大，当空气压力作用在右边时，提供的工作行程速度慢且作用大；返回行程时，由于活塞左边的面积较小，所以速度较快而作用力变小。气动控制元件（）压力控制阀压力控制阀主要用来控制系统中气体的压力，或在气体压力控制下接通或切断

42、气路。生产线中使用的压力阀是减压阀和溢流阀。减压阀的作用是降低由空气压缩机产生的压力，以适于不同气动设备的需要，并使这一部分压力保持稳定。溢流阀的作用是当系统压力超过调定值时，便自动排气，使系统的压力下降，以保证系统安全。（）流量控制阀自动生产线上的气压传动系统中，经常要求控制执行元件的运动速度，一般依靠调节压缩空气的流量来实现。自动生产线主要使用节流阀进行流量的控制。节流阀的作用是将空气的流通截面缩小以增加气体的流通阻力，而降低气体的压力和流量。（）方向控制阀基于控制的自动化生产线系统的研制。方向控制阀是用来改变气流流动方向或通断的控制阀，分为单向阀和换向阀。通常使用的是换向阀，其功能是改变

43、气体通道使气体流动方向发生变化从而改变启动执行元件的运动方向。通信模块现代的自动生产线中，不同的工作站控制设备并不是独立运行的，我们所讨论的自动生产线中的个单元是通过通信手段，相互之间进行信息交换，形成一个整体，从而提高了设备的控制能力、可靠性，实现了“集中处理、分散控制”。系列通信概况公司的系列装置采用的是半双工异步通信模式，主要功能特点有：主局功能、上位计算机通信功能、无协议条件下的自动串行通信功能、一对一的控制功能等，控制器通过这些功能达到对存储器和继电器的写入和读出的控制与对传送进程的有效监控。“蛆系列支持以下种类型的通讯跚：网络：用眦、刚、州等进行的数据传输可建立在的基础上。使用这种网络，能链接小规模系统中的数据。它适合于数量不超过个的（小州）之间的互连。并行链接：这种网络采用个辅助继电器和个数据寄存器在：的基础上来完成数据传输。计算机链接（用专用协议进行数据传输）：用（）单元进行的数据传输在：（）的基础上完成。无协议通讯（用指令进行数据传输）：用各种单元，包括个人计算机、条形码阅读器和打印机，来进行数据通讯，可通过无协议通讯完成，这种通讯使用指令或者一个：。一特殊功能模块。可选编程端口：对于孙批、，。系列的，当该端口连接在，、洲一、。、。上时，可以和外围设备（编程工具、数据访问单元、电气操作终端等）互连。本