柔性制造系统中加工单元控制系统设计

1、 毕 业 设 计 (论 文) 专 业 机电一体化 班 级 学生姓名 学 号 课 题 柔性制造系统中加工单元控制系统设计 指导教师 王周让 2011 年 11月4日 毕业论文任务书 机电工程 系 机电一体化专业学生姓名 唐亚娟 学号 58 1、 毕业论文题目： 柔性制造系统中加工单元控制系统设计 二、毕业论文时间 2011 年10月20日至2011年 12 月 20日三、毕业论文地点： 陕 西 航 空 职 业 技 术 学 院 四、毕业论文的内容要求：1、论文中包括具体实例，理论知识和相关图标并存。2、字数不少于10000字。3、论文内容与格式按照要求完成。 指导教师 王周让 2011年11月 0

2、4 日 目录 绪论第一章 加工单元的概述 1、加工单元的基本功能2、加工单元的基本结构2.1旋转工作台模块2.2钻孔模块2.3检测模块3、继电器4、CP阀组5、加工单元的主要技术数据6、加工单元的功能第二章 加工单元的控制系统设计1、 PLC的基本概念和基本结构2、 PLC控制的总体设计方案3、选型4、接线第三章 参考程序1、编程要点2、加工单元的编程要点第四章 结束语 绪 论柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备

3、和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制。故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。 加工单元主要组成机构由旋转工作模块、钻孔模块、钻孔检测模块等构成。加工单元可以模拟钻孔加工及钻孔质量检测的过程，并通过工作台模拟物流传送的过程。本设计目的则是熟悉MPS系统中加工单元的结构组成，查明加工单元中的PLC的I/O借口地址，进一步了解加工单元的结构、观察气动控制回路的组成情况，了解继电器的作用、传感器技术在加工

4、单元的应用，各电控阀的电控信号、继电器线圈所对应的PLC接口地址（输出地址）。本设计的主要内容包括：加工单元的组成、加工单元的结构、加工单元气动控制回路、加工单元的顺序编程等。第一章 加工单元的结构与控制一、加工单元的结构1.加工单元的基本功能 加工单元可以模拟钻孔加工及钻孔质量检测的过程，并通过工作台模拟物流传送的过程。2、加工单元的基本结构加工单元主要组成机构有：旋转工作模块钻孔模块钻孔检测模块等2.1旋转工作台模块 旋转工作台模块主要由旋转工作台、工作台固定底盘、传动齿轮、直流电动机、定位凸块、电感式接近开关传感器、满反射式光电传感器、支架等组成。在转动工作台上有四个工位，用于存放文件。

5、在每个工位的下面都有一个圆孔，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。2.2钻孔模块钻孔模块主要由钻孔气缸、钻孔电机导向装置、夹紧气缸、钻孔模块支架等组成。钻孔模块用于实现钻孔加工，在钻孔气缸的两端、夹紧气缸的两端都安装有磁感应式接近开关，分别用于判断两个气缸运动的两个极限位置。2.3 检测模块检测模块用于实现对钻孔加工结果的模拟检测过程。检测模块主要由检测气缸、检测气缸固定架、检测模块支架及磁感应式接近开关组成。气缸杆能下降到位孔深度加工合格：气缸不能下降到位孔加工不合格。气缸的位置通过安装在气缸两端的磁感应式接近开关来判断。3、继电器继

6、电器K1、K2，分别用于控制钻孔电机和工作台驱动电机。4、CP阀组本单元的CP阀组由3个电磁阀组成，其中一个为带手控开关的双侧电磁先导控制阀，其余2个均为带手控开关的单侧电磁先导控制阀。各个阀的结构类型（几位几通），请同学们通过实际操作设备，根据各个执行机构的动作特征判断出来。5、加工单元的主要技术数据气源工作压力 最小6bar， 最大8bar I/O接口 开关量：8个输入/6个输出。6、加工单元的功能加工单元的功能是完成把待加工工件从物料台移送到加工区域冲压气缸的正下方；完成对工件的冲压加工，然后把加工好的工件重新送回物料台的过程。加工单元的结构组成 加工单元主要结构组成为：物料台及滑动机构

7、，加工（冲压）机构，电磁阀组，接线端口，PLC模块，急停按钮启动/停止按钮，底板等。第二章 加工单元的控制系统设计PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。PLC = Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分 PLC = Programmabl

8、e Logic Controller，可编程控制器 另外PLC还有以下几个名称： PLC = Power Line Communication，电力线通信，即我们俗称的“电力线上网”。 PLC = Public Limited Company，公共有限公司，股票上市公司。 PLC = Power-line Carrier，输电线载波，电力线载波，电源线车。 PLC = Power Loading Control，动力负载控制。 PLC = Preparative Layer Chromatography，制备层色谱法。 PLC = Programming Language Committee，

9、程序设计语言委员会美。1、PLC的基本概念和结构可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,plc自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。 PL

10、C实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场

11、各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由

12、光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块 f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等 2. PLC的总体设计方案 功能要求 该控制系统实现按键传感器扫描，直线电机驱动，LED状态显示，数码显示以及钻孔汽缸驱动等功能。该控制系统有三个按键分别为开始按键，停止按键，清零按键。加工单元工件时有等待工件输入，模拟钻孔加工，模拟检测已加工工件质量等工作状态。有三个LED状态

13、指示灯显示当前加工单元的工作状态。有四位八段数码管，用于显示加工的工件件数。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 2.1 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周

14、期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生

15、变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 2.3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出

16、。 3. 选型虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下： 步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯

17、图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。 4.连线电力线通信技术，英文简称PLC，是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频加载于电流

18、，然后用电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话上，以实现信息传递。该技术在不需要重新布线的基础上，在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载，也就是实现四网合一。终端用户只要插上电源插头，就可以实现因特网接入。 PLC利用1.6M到30M频带范围传输信号。在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5M45M之间。PLC设备分为局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通

19、信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。6、PLC的I/O接线图传感器信号占用6个输入点，留出2个点提供给急停按钮和启/停按钮作本地主令信号，则所需PLC/O点数为8点输入、3点输出。选用西门子S7-222AC/DC/RLY主单元，共8点输入和6点继电器输出，加工单元的I/O接线原理如图8-11所示。第三章 参考程序1、编程要点（1）.料台伸出气缸在未得电时是伸出的。（2）.在检测到有料时，应延时一段时间再夹紧，否则可能会造成物料还没有到位就夹紧而夹不住物料。（3）.在一个循环结束时，等物料被机械手拿走之后，再让程序回到初始等待步，否则程序会因为仍检测物料而循环加工。2、加工单元的编程要点2.1 在加工单元中，提供一个启动/停止按钮和一个急停按钮。与供料单元同样，如果需要有启动和停止2 种主令信