汽车发动机缸盖装配检测生产线的总体流程设计与PLC控制系统设计

1、 汽车发动机缸盖装配检测生产线的总体流程设计与PLC控制系统设计学生姓名：指导教师：所在院系：工程学院所学专业：机械设计制造及其自动化研究方向：生产线自动化 中国 · 哈尔滨 2016 年 5 月 OVERALL PROCESS OF AUTOMOBILE ENGINE CYLINDER HEAD ASSEMBLY TESTING LINE DESIGN AND DESIGN OF PLC CONTROL SYSTEMStudent Name: Supervisor: Department and faculty: Engineering CollegeMajor: Mechanic

2、al Design and Manufacture andAutomationOrientation: The production line automation Harbin·ChinaMay 2016摘要摘要 随着科技的进步发展、生产力的不断提高，手工装配生产线已经满足不了市场的需求，PLC的出现使工业自动化成为了可能，自动化生产线提高了生产效率，减轻了人的工作负担。自动化生产线支持技术的不断发展，使得自动化程度提高，能够满足生产装配中更高的工艺要求。 本文根据生产线的设计原则，设计了发动机缸盖组装检查生产线的总体工艺布置设计。根据生产中的实际情况设计生产线，使得发动机缸盖装配

3、生产线占用生产面积最小 。生产线的布置使装配、检测效率最高，成为经得住推敲的最优化方案设计。生产线采用三菱PLC-机控制，同时根据发动机缸盖装配、检查生产线的各个工位的工艺要要求、按照生产节拍每件60秒设计PLC控制系统。编程所用软件为GX Developer，编程方法为步进梯形图编写。步进梯形图编写使程序逻辑控制简化、程序简单易懂、易于更改、程序设计简单、对于初学者更易上手。本设计中涉及到的工艺要求较为复杂，所以采用步进梯形图。在本文设计的PLC控制系统中的驱动功能是气缸、电动机、机械手执行机构，通过这些执行部件来实现各个工位的工艺要求。关键词： 生产线；自动化；PLC；梯形图 IAbstr

4、actOverall Process Of Automobile Engine Cylinder Head Assembly Testing Line Design And Design Of PLC Control SystemAbstract With the progress of science and technology development, manual assembly line have already can't satisfy the demand of the market, the appearance of the PLC industrial auto

5、mation possible,automated production line to improve production efficiency, reduce the burden on people.Automated production line development of support technology, increased automation, to meet higher technological requirements in the production and Assembly. In this paper, according to the design

6、principle of production line,design of the engine cylinder head assembly check the overall layout design of production line.According to the actual situation of production design line, cylinder head assembly line occupies the smallest areaProduction line layout to make the assembly, the detection ef

7、ficiency is highest, be withstood scrutiny of optimization design. Production line adopts Mitsubishi PLC-control, and according to the engine's cylinder head Assembly, check the line of each station processes to request, in accordance with the production cycle every 60 seconds design of PLC cont

8、rol system. Programming software used for GX Developer, compiled for the step ladder diagram programming method.Step ladder to write program logic control simplification, the procedure is simple and easy to understand, easy to change, simple programming and easier for beginners. In the design of the

9、 driving function of PLC control system is cylinder, motor, mechanical actuators, through these operating components to achieve the technological requirement of each station.Key words: Production Line;Automation;PLC;Ladder Diagram目录目录中文摘要IAbstractII1前言11.1自动化生产线发展现状11.2研究本课题的目的和意义12生产线的总体方案设计32.1设计原

10、则32.2生产线可选方案32.3确定生产线方案32.4总体方案设计33 PLC控制系统设计63.1 PLC类型选择63.2 I/O分配表63.3 PLC的I/O接线示意图73.4 PLC工作流程图83.5 控制梯形图工艺要求93.5.1一工位工艺要求及梯形图93.5.2二工位工艺要求及梯形图123.5.3三工位工艺要求及梯形图143.5.4四工位工艺要求及梯形图204 PLC仿真与调试245 结论38附录 PLC梯形图及指令表39参考文献51致谢52 汽车发动机缸盖装配检测生产线总体流程设计与PLC控制系统设计1 前言 可编程控制器（PLC）的产生，为生产线的自动化提供了强有力的技术支持。PL

11、C技术不断的发展创新，使得自动化生产线飞速发展，并且得到了广泛的应用，它提高了我们的生产过程中装配、检查、加工的质量，改善了人们的工作环境，节约了成本。自动化生产线综合了多方面的技术如驱动技术、传感技术、计算机技术等。自动化生产线不仅要求在生产线上能够准确的驱动机械装置自动的完成指定的加工工序，生产出合格的产品，达到相应的加工工艺，因此在加工中我们经常采用一些辅助加工装置，通过这些装置和其它电气制动系统相结合，使生产线能够自动的完成加工工序。不仅PLC的设计能够提高生产中装配、检查、加工效率，而且生产线的布置方式也能够实现同样的效果。生产线的布置方式需要根据生产中的实际情况和生产线的布置原则来

12、设计，尽量的满足加工工序中的加工工艺，提高生产效率。 1.1 自动化生产线发展现状 自动化生产线是能够实现产品的生产、加工、组装、检查、运输、拆卸等过程的自动化机械系统，这个自动化机械系统能够完全实现自动化即不需人的参与。实现自动化可以提高生产加工效率、降低成本、提高加工质量、最大程度的减轻人类工作负担同时自动化生产线生产量大可以提高使用者行业的竞争力和发展基础。自动化生产线是综合了多种技术和学科发展起来的，这是一个独立而完整的自动化机械系统。自动化生产线是在生产线的基础上发展而来的，它要求能在各个工序上完成指定的动作并达到一定的质量标准，为了实现这个目的，生产线常采用自动化运输装置和辅助加工

13、装置，根据工艺要求和顺序把机械加工装置组成一个完整的机械加工体系，各个装置之间通过机械连接和电气制动系统相互配合起来，使它能够按规定的顺序和程序自动工作，这种自动的按照人的意愿进行工作的机械加工系统我们称为自动化生产线。技术的发展和科学的进步在一定程度上为自动化生产线提供了技术的支持，使生产线的自动化飞速发展进步。生产线的飞速发展可以使生产线实现更加复杂的生产操作和装配工艺同时也使自动化程度提高生产效率降低成本。目前国内的自动化生产线技术在近几年内虽有大幅度提升，但相对于日本和欧美国家仍然落后上世纪70年代日本和欧美国家就开始采用柔性工作系统。柔性生产线是与多台能够调整机床，并配合自动化组装生

14、产线，这种生产线有着很高的信息化和自动化水平，能通过计算机进行操作管理，还能配合其他的生产模式同时进行工作，大大的节约生产成本提高生产效率。但是我国国内对于汽车装配制造的生产线仍然多数为刚性生产线，柔性装配制造生产线较少。对于我国来说柔性自动化生产线仍处于起步阶段，对于我国未来生产线应该趋向于发展柔性化生产线。 1.2 研究本课题的目的和意义 可编程控制器以其抗干扰能力强、可靠性高、性能强、价格低、编程简单、易与计算机接口而在自动化生产线中普遍使用，并且充当生产线的大脑微处理单元。现在的大多数装配生产流水线的PLC控制系统当中，依然存在一些不完善的地方。换个说法就是可编程控制器功能没有完全的开

15、发利用。因此，只有更好的应用和改进装配流水线的工艺流程，充分挥其自动、连续、高效率等优势，我们企业的生产效率才能提升，才能增强我们企业的产品竞争力，才能更好的造福社会。本课题将对发动机缸盖装配检测生产线的自动化进行设计，从而设计出通用于其它生产线的通用设计方案。2生产线的总体方案设计 2.1 设计原则 流水线的设计应该保证零件在运输线路上运输尽量的短，同时还要考虑其它流水生产线的安放位置。如果不是全自动生产线有人参与的生产线，应当使技术人员操作方便，当有多个工位不仅有工艺顺序关系而且有一定反馈关系时，我们应该还考虑到工作区间是否合理。除了考虑人的因素，我们还应该考虑生产效率的问题，并且最有效的

16、利用生产面积使流水线更加的紧凑、简单、零件输送顺畅、维修设备更加方便等。因此我们应该充分的考虑流水线的输送形式，布置方式及辅助设备的安装位置。 2.2 生产线可选方案 （1）直通式 生产流水线布置成为直线形式即直通式，按照生产工艺依次将设备安装在流水线上。 （2）封闭式 生产流水线为环形并且封闭，加工设备按照一定的安全距离和工艺安装在生产线上，工作人员位于生产线外侧。 （3）半封闭式 主要生产线为直通式辅助工序采取封闭式，加工设备按照一定工艺和安全距离安装在生产线上，工作人员位于生产线外侧。 2.3 确定生产线方案 经过我们对上述三种方案的分析论证，我们认为方案一：直通式方案省去了工件托盘换向

17、的困扰，但是根据工作环节中第二工位为第一工位的检查环节，如果第二工位不合格将会把工件运送回第一工位重新进行操作，因此采取直通式方案并不能够充分考虑到工作中的实际情况。方案二：如果采用封闭式流水线可以解决方案一中的不足，使第一工位和第二工位之间的关系顺畅，但是采取封闭流水线致使流水线占地面积过大不符合最有效利用生产面积的原则同时采用全封闭式流水线安装和维修都比较困难。方案三：流水线按照工艺顺序安排成直线形式优点是减少了托盘换向的困扰并且节约了换向的时间，设备占用面积小，零件运送较为顺畅，在处理第一工位和第二工位之间的关系时采用封闭式流水线即封闭式流水和直通式流水线部分相结合解决了全封闭式流水线占

18、地面 积过大的问题，所以我们选择了第三个方案。 2.4总体方案设计 图1 工序操作程序框图输送滚筒输送生产线共有4个工位，工件从一号位进入依次进入下几个工位，其中一工位为气门吹气即将气门周边灰尘等杂物吹干净。二工位为一工位的检查，即检查一工位有没有将灰尘等杂物吹干净，如果未吹干净将工件送回一工位重新进行吹气操作。三工位为上螺栓，在发动机缸盖上有十个螺孔，在此工位需将螺栓放入到螺孔内。第四工位是检查是否每个螺孔内都有螺栓，如果都有螺栓则结束操作，而当个别工位缺螺栓时报警处理。图2 流水线总体方案设计图 一工位和二工位，三工位与四工位之间距离分别为1983mm、2225mm。此设计主要考虑生产线上

19、装配、检查机械加工设备的大小，其距离也方便加工维修。二工位与三工位之间距离为3272mm，这个距离是根据加工工序中的工艺要求决定的，在二工位需要有一个不合格品重新操作的生产线。生产线的宽度是由工件托盘大小设计出来的，而生产线高度为880mm，托盘高度为20mm,工件高度为176mm，总高度为1076mm符合人体工程学最佳观测区域850mm1325mm，如图3。 图3人体最佳工作台高度图3.PLC控制系统设计 3.1 PLC类型选择 本篇文章设计所采用的PLC可编程控制器是,系列是三菱电机公司的产品，并且系列是三菱产品中具有代表性的小型PLC。三菱PLC的FX系列吸收了模块式和整体式PLC的优点

20、，它的扩展单元、扩展模块和基本单元的深度和高度相同，但宽度不同。各部分之间用扁平的电缆相连接，拼装后组成一个整齐的长方体。同时它也具备其它公司PLC产品的优点比如可靠性高、结构小巧、运行速度快等这使三菱的FX系列接近小型PLC的完美控制要求。 3.2 I/O分配表 表1 I/O分配表输入点对应信号输出点对应信号 X0一工位光电传感器Y0一工位托盘升降气缸 X1一工位托盘上限行程开关Y1推动吹气机构运动的气缸 X2吹气机构行程限位开关Y2吹气机构 X3一工位托盘下限行程开关Y3二工位托盘升降气缸 X4二工位光电传感器Y4推动气缸移动的气缸 X5二工位托盘上限行程开关Y5充气机构 X6气缸水平限位

21、行程开关Y6三工位托盘升降 X7气缸归位行程开关Y7机械手水平移动电机 X10托盘下限行程开关Y10机械手升降气缸 X11三工位光电传感器Y11机械手抓取松开螺栓机构 X12三工位托盘上限行程开关Y12四工位托盘升降气缸 X13行程限位开关Y13机械触头升降气缸 X14螺栓库位行程开关Y14机械触头水平移动的气缸 X15机械手下限行程开关Y15报警器 X16机械手上限行程开关Y16电动机 X17机械手水平原点位行程开关 X20三工位托盘下限行程开关 X21四工位光电传感器 X22托盘上限行程开关 X23触头下限行程开关 X24传感器 X25一工位气缸归位行程限位开关 X26触头上限行程开关 X

22、27触头右限位行程开关 X30触头左限位行程开关3.3 PLC的I/O接线示意图 图4 PLC的I/O接线示意图 3.4 PLC工作流程图3.5 控制梯形图工艺要求 3.5.1一工位工艺要求及梯形图 一工位：主要工艺流程为光电传感器S1接收到信号工件到位。 气缸YA1推动托盘上升碰触上行程开关SQ1到位后到下一步。 气缸YA2推动吹气装置移动碰触到行程开关SQ2装置到位。 吹气装置Y2和带动曲轴转动的电动机同时动作30秒。 计时结束后气缸YA2推动吹气装置Y2回到原点碰触行程开关SQ20气缸YA1使托盘下降碰触下行程开关SQ3到位后停止滚轮输送线带动工件到下一工位。 3.5.2二工位工艺要求及

23、梯形图 图5三工位动作示意图 二工位：件到位光电传感器S2发出信号气缸YA3推动托盘上升碰触行程开关SQ4后到位停止。 气缸YA4推动充气气缸移动碰触行程开关SQ5后到位停止。 气缸到位后气缸充气5秒钟。 5秒钟过后充气气缸停止充气开始保持发动机缸盖内的气压保压时长为20秒，保压20秒期间内由工人观察气压表表盘是否变化，如果有变化或气压为超过规定值则为气门未吹干净。 20秒过后气缸YA4往回移动碰触到行程开关SQ6后停止。 气缸推动托盘下降碰触下行程开关SQ7。3.5.3三工位工艺要求及梯形图 图6 机械手抓取螺栓示意图 三工位：工件到位后托盘上升碰触上行程开关SQ8。 机械手向右移动先碰触行

24、程开关SQ9由于计数器计数次数为四次行程开关不动作机械手继续移动。 电动机正转机械手向右水平移动到螺栓库碰触到螺栓库位上方的行程开关SQ10。 气缸推动机械手向下移动碰触下行程开关SQ11。 机械手抓取螺栓夹紧1秒钟。 后上升碰触行程开关SQ12。 机械手向左移动碰触到行程开关SQ13。 机械手向下移动碰触SQ11。 机械手松开螺栓1秒后。 机械手向上移动碰触行程开关SQ12。 机械手相右移动碰触到行程开关SQ10。 机械手下降碰触行程开关后SQ11后。 机械手抓取螺栓抓紧1秒钟。 机械手上升碰触行程开关SQ12。 机械手抓取完螺栓后机械手向左移动碰触到行程开关SQ9，此时计数器达到计数次数动

25、作机械手向下移动碰触到行程开关SQ11。 机械手松开1秒钟后上升碰触到上行程开关SQ12。 电动机反转碰触到行程开关SQ13后停止。 托盘下降碰触到托盘下行程开关SQ14。3.5.4四工位工艺要求及梯形图 图7 机械检测触头移动示意图 工件到位后托盘上升碰触上行程开关SQ15。 机械触头传感器下降碰触下行程开关SQ16触头发出信号如果信号为合格机械触头与工件接触2秒后上升如果不合格工件接触两秒报警处理。 机械触头传感器上升碰触上行程开关SQ17。 机械触头水平移动碰触行程开关SQ18。 机械触头下降接触下行程开关机SQ16机械触头与工件相接触如果信号为合格机械触头与工件接触2秒后上升如果不合格

26、工件接触2秒后报警处理。 机械触头上升碰触上行程开关SQ17。 机械触头传感器水平移动碰触行程开关SQ19回到原点。 托盘下降碰触行程开关后正常行走。4. PLC程序的仿真与调试 本次课程设计所使用的仿真软件为GX Developer的功能组件GXSimulator6，其大致仿真步骤如下： （1）利用GX Developer编写程序检查无误后，将程序导入到GX Developer进行仿真操作 （2）点击梯形图逻辑测试启动/结束按钮 （3）将梯形图中的开关量逐个进行调试如点击开关量鼠标右键进行开关的强制执行，观看开关量所影响的执行部件是否按设定依次动作，其它开关量与执行部件关系也是同样检验。 本

27、设计仿真过程大致如下： 图8强制执行X0运行结果托盘升降气缸启动。 强制启动X1。 图9 强制执行X1 运行结果推动吹气气缸移动的气缸动作。 强制执X2运行结果Y2动作和Y16同时动作Y16带动曲轴转动计时开始30秒后Y1动作推动气缸归位。 强制执行X25运行结果一工位托盘下降。 强制执行X3与X4运行结果二工位托盘动作。 强制执行X5推动气缸移动的气缸Y4动作。 强制执行X6充气气缸Y5动作充气时长5秒钟计时结束后T1动作充气气缸Y5停止动作保压，计时开始保压时长为20秒计时结束后T2动作。 图10强制执行X6 气缸Y4推动气缸回到原位碰触X7后停止动作。 强制执行X7气缸Y3带动托盘下降。

28、 强制执行X10和X11三工位托盘Y6动作使工件上升强制执行X12带动机械手移动的电动机正转向右移动。 强制执行X13触发C0计数器动作一次 。 强制执行X14机械手Y10下降。强制执行X15机械手Y11抓取螺栓延迟1秒T3动作机械手Y10上升。 强制执行X16电动机Y7带动机械手水平移动。 强制执行X17机械手升降气缸Y10下降碰触X15机械手Y11松开螺栓计时1秒T4动作机械手升降气缸Y10带动机械手上升碰触上行程限位开关。强制执行X16电动机Y7带动机械收水平移动强制执行X14螺栓库位行程开关 X14限位机械手升降气缸Y10下降强制执行X15碰触下行程开关机械手抓取螺栓计时T3后机械手上

29、升。 三工位机械手运动与上述步骤重复不在赘述。 四工位与前三工位托盘上升操作相同托盘到位机械触头下降强制执行X23与X24第53步启动计时开始6秒后到下一工步。强制执行X23与第54步启动报警计时开始6秒后到下一工步。 强制执行X26气缸Y14推动机械触头移动碰触右限行程开关X27。 检查第二排螺栓时与第一排操作执行步骤相同不在赘述。 启动机械手最终归位操作为检查完螺栓之后机械手上升强制执行X26气缸Y14推动机械手回到原点位置碰触行程开关X30。 强制执行X30托盘收到信号托盘升降气缸Y12下降。 本次设计所设计PLC程序实现了各个工位的工艺操作要求，通过仿真操作验证了程序是正确的，达到了预

30、期的目的。6 结论 通过对汽车发动机缸盖装配检测生产线的总体设计与PLC控制系统设计课题的研究，本文运用了机械、液压、自动化等几门学科，通过设计，研究得出以下结论： 1.本文设计内容查阅了大量的国内外文献，参考了许多生产线的设计方法，从而设计出针对本设计最合理的设计方案。 2.本次针对生产线的总体设计采用AutoCAD绘图，完成了生产线的总体几何参数、总体运动参数和总体动力参数的设计。 3.本文的PLC设计采用的使MELSOFT系列GX Developer8.8.6版本，本文的编程满足了对各个工位工序工艺要求的详细设计编写，编程结果的仿真逻辑测试结论符合预期效果，完全的实现了各个工位工序的工艺

31、要求。 由于汽车行业的发展，与其相关的自动化生产线必然会被广泛的应用。本文设计的PLC程序在各个工序之间彼此独立又相互协调，通用性非常的广泛，可以应用到其它的生产线当中，因此本文所设计的生产线、PLC程序可以作为基础加以修改，移植到其他的生产线当中，具有一定的通用性和广泛性。 附录1 PLC梯形图及指令表 - 50 -参考文献 参考文献1袁其刚.气缸盖组装生产线的设计.内燃机车.2004.9-24.2陈延奎.浅谈PLC控制系统的设计方法.达州职业技术学院.2009.113-118.3王月芹.基于PLC的气动机械手控制系统设计.机电产品开发与创新.2012.133-135.4芦蔚瑶.基于PLC的

32、自动螺钉装配机械手控制系统设计.工业控制计算机.2014.144-1475周云水.跟我学PLC编程.中国电力出版社.2009.170-171.6付家才.工业控制工程实践技术.化学工业出版社.2003.1-4.7郭江涛.电气控制与PLC技术.中国地质大学出版社有限责任公司.2011.128-137.8栾广辰.A系列发动机组装生产线设计.内燃机工程.2000.67-70.9邓兴伟.旋压缸组装生产线的设计.机车车辆工艺.2003.32-3510廖常初.可编程控制器的编程方法与工程应用.重庆大学出版社11 张海根. 机电传动控制. 2001. 高等教育出版社, 北京, 5456.12 袁琦, 黄建清,

33、 王步来. 现代电气控制与PLC应用技术. 2011. 机械工业出版社, 北京, 134141.13Zammori, Francesco.Just-in-time parts feeding policies for paced assembly lines: possible solutions for highly constrained layouts.wiley-blackwell.2016.691-72414Sali, Mustapha.Line feeding optimization for Just in Time assembly lines: An application

34、to the automotive industry.International Jouranal Of Production Economics.2016.54-67.15Conant, John L.America's Assembly Line.Enterprise & Society.2016.217-22014 16Stefano Pozzato. PLC intelligence at the service of lifts. Elevatori. 2007, 131-135.17JohnW.Webb,RonaldA.Reis.ProgrammableLogicC

35、ontrollers;Principles and Applications (FifthEdition). Prentice Hall/Pearson .200518 Hydraulic press brake designed for various applications. The Fabricator. 2008,6374.19 Brad F. Kuvin. Press-Brake Bending Methods and Challenges. Metal Forming. 2008, 5359.20 Y. Altintas

36、A. J. Lane. Design of an electro-hydraulic CNC press brake. International Journal of Machine Tools & Manufacture: Design, research and application. 1997, 4552.致谢致 谢将近三个月的毕业设计结束了，这意味着我的大学生活也即将结束，感慨良多。通过这次毕业设计，使我学到了很多书本上学不到的知识，同时也让我感受到我们的知识能够真真切切的用到实际当中，让我受益匪浅。我这次设计的题目是发动机缸盖装配检测生产线的总体流程设计与PLC控

37、制系统设计，通过对这个课题的研究设计，将我在过去大学三年的知识重新系统性的学习了一遍。通过老师的细心教导，我学到了如机械系统设计，电气控制与PLC技术、机械制图、液压传动等很多专业知识，为我这次毕业设计奠定了良好的知识基础。通过这次毕业设计为我以后的学习和工作打下了坚实的基础，让我对未来的学习生活充满了自信。另外，我还要对辅导我本次毕业设计的老师表示由衷的感谢。从课程的教授，毕业设计课题的选定，设计方向的制定，到最后毕业论文的指导，每一步都与老师的辅导和关心是分不开的。自从毕业设计题目拟定以来，老师每次定期为我们答疑，当然除了定期的答疑我平时也常向老师问问题，每一次老师都耐心的回答，无论知识多么的简单，老师为我在今后的学习和生活中树立了一个榜样。在这次毕业设计中，同学们给我提供了很大的支持和帮助，给我提了很多宝贵的意见，帮助我圆满的完成学业。在此亦表示衷心的感谢。对于东北农业大学工程学院的全体教师给予本人的支持和指导，在此表达最崇髙的谢意！本人经验有限，在设计过程中不免有些不妥之处，望各位老师批评指正。论文题目汽车发动机缸