机电设备故障诊断与维修 第3版 教案 第6章自动化生产线的安装与维修

授课教案20-20学年第学期学院系（部）课程名称机电设备故障诊断与维修任课教师授课形式理论教学R课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2序号01授课日期授课班级教学内容：6.1概述6.1.1自动化生产线的基本概念6.1.2自动化生产线的条件6.1.3自动化生产线的特点6.1.4自动化生产线的类型6.1.5自动化生产线的发展趋势教学目标：知识目标：了解自动化生产线的作用，掌握自动化生产线的组成单元结构、工作过程。能力目标：能够熟悉自动化生产线的控制系统结构和基本功能，能够排除机电设备常见机械、电器等故障。素质目标：培养学生自动化设备理论素养;培养学生不断自我学习、自我提高品质的能力。重点难点及解决方法：重点：自动化生产线的作用难点：自动化生产线的控制系统结构和基本功能授课地点：教室教学媒体：课件设备及材料：资源：学习效果评价方式：小组互评课后作业评分作业和思考题：课后习题课后小结：教学内容及过程6.1概述6.1.1自动化生产线的基本概念自动化生产线是指按照工艺过程,把一条生产线上的机器联结起来,形成包括上料、下料、装卸和产品加工等全部工序都能自动控制、自动测量和自动连续的生产线。自动化生产线的任务就是实现自动生产,怎样才能达到这一要求呢?自动化生产线综合应用机械技术、控制技术、传感技术、驱动技术及网络技术等,通过一些辅助装置按工艺顺序将各种机械加工装置连成一体,并控制液、气压系统和电气控制系统将各个部分动作联系起来,完成预定的生产加工任务。6.1.2自动化生产线的条件1)很高的产品需求量。要求有很高的生产量。2)稳定的产品设计。自动化生产线很难应对设计的频繁变更。3)较长的产品寿命。在大多数情况下产品寿命至少是几年。4)多种加工工艺。产品制造过程中需要使用多种加工工艺。6.1.3自动化生产线的特点1)产品或零件在各工位的工艺操作和辅助工作以及工位间的输送等均能自动进行,具有较高的自动化程度。2)生产节奏性更为严格,产品或零件在各加工位置的停留时间相等或成倍数。3)产品对象通常是固定不变的,或在较小范围内变化,而且在改变品种时要花费许多时间进行人工调整。4)全线具有统一的控制系统,普遍采用机电一体化技术。5)自动化生产线初始投资较多。6.1.4自动化生产线的类型自动化生产线的类型多种多样,可按其不同的特征进行分类。根据工作性质不同可以分为切削加工自动线、装配自动线及综合性自动线(即具有不同性质的工序,如机械加工、装配检验、热处理、防锈包装等工艺范围);根据工件输送方式可分为料槽输送自动线、机械手输送自动线、传送带输送自动线以及带随行夹具的自动线等;根据生产批量的大小又可分为大批量生产的专用自动线和多品种成批生产的可变自动线。按生产线所用加工装备和节拍特性对机械加工自动线作如下分类。1.按所用加工装备类型分类(1)通用机床自动线这类自动线多数是在流水线的基础上,利用现有的通用机床进行自动化改装后连接而成,有时也根据需要配置少量专用机床。这类自动线建线周期短、成本低,多用于加工盘类、环类、轴、套等中小尺寸旋转类工件。(2)专用机床自动线这类自动线以专用自动机床为主要加工装备,因而设计、制造周期长、投资较大、专用性强、产品改变后使用的灵活性小,但生产效率高、产品质量稳定,适用于大批量生产类型。此类生产线建线前必须进行充分的市场预测和分析,不能盲目建线。(3)组合机床自动线组合机床不仅具有专用机床的结构简单、生产率和自动化程度高的特点,而且由于大部分部件是通用部件,还具有设计制造周期短、成本低等优点。以这种通用化程度高的组合机床为主要装备,加上工件输送、转位和排屑等辅助设备所组成的自动线称为组合机床自动线。此类自动线主要适用于箱体和杂类工件的大批量生产,设计制造简单、使用可靠、生产效率高。其应用较专用机床生产线更为普遍。(4)柔性制造自动线(FlexibleManufacturingLine,FML)“柔性”是指生产组织形式和自动化制造设备对加工任务的适应性。前述三类机械加工自动线主要适用于单一品种(或少量品种)的大批量生产,难以满足产品向多品种、中大批量生产方向发展的需求。为了解决这一矛盾,便出现了以数控机床或由数控操作的组合机床为主要加工装备组成的自动线,它具有一定的柔性。实现柔性化的关键是其基本组成设备—加工单元的柔性。FML一般由自动化加工设备、托板(工件)输送系统和控制系统组成。2.按自动线生产节拍特性分类自动线完成一个工作循环所需要的时间称为自动线的生产节拍。按其生产节拍特性可分为固定节拍和非固定节拍两种形式。(1)固定节拍自动线固定节拍是指自动线中所有单元设备的工作节拍等于或成倍于自动线的生产节拍。在这类自动线上工序间没有储料装置,机床按照工件工艺顺序依次排列,工件由输送装置严格地按生产线的生产节拍强制性地沿固定路线从一个工位送到下一个工位,直到加工完毕。(2)非固定节拍自动线非固定节拍自动线是指自动线中各设备的工作节拍不同,各设备的工作周期是其完成各自工序所需要的实际时间。6.1.5自动化生产线的发展趋势(1)智能化和集成化随着人工智能和机器人技术的发展,自动化生产线将变得更加智能和高效。生产线将具备自我学习和优化能力,能够适应不同的生产环境和需求。(2)柔性化未来的自动化生产线将变得更加灵活,适应性强,能够快速响应市场变化和客户需求。(3)环保和可持续发展自动化生产线将采用更加环保的生产工艺和材料,减少能源消耗和废物排放,以应对日益严峻的环境问题。(4)人机协作协作机器人和人机协作将成为自动化生产线的重要趋势,机器人与人类员工共同工作,提高生产线的灵活性和适应性。(5)虚拟现实和增强现实技术应用通过虚拟现实技术,生产线管理人员可以实时监控和调整生产过程,而增强现实技术则提供更直观、智能的操作界面,帮助操作员更好地完成生产任务。(6)工业互联网和智能制造自动化生产线可与计算机之间通过互联网进行数据交互,实现生产线的自我诊断和优化,形成完整的生产网络。(7)扩展应用到新行业自动化生产线不仅仅局限于传统的制造业,还将扩展到医疗、教育、金融等行业,并推动智能制造、绿色制造等领域的发展。授课教案20-20学年第学期学院系（部）课程名称机电设备故障诊断与维修任课教师授课形式理论教学R课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2序号02授课日期授课班级教学内容：6.2自动化生产线的组成6.2.1控制系统6.2.2输送系统教学目标：知识目标：了解自动化生产线的作用，掌握自动化生产线的组成单元结构、工作过程。能力目标：能够熟悉自动化生产线的控制系统结构和基本功能，能够排除机电设备常见机械、电器等故障。素质目标：培养学生自动化设备理论素养;培养学生不断自我学习、自我提高品质的能力。重点难点及解决方法：重点：自动化生产线的组成单元结构、工作过程难点：自动化生产线的控制系统结构和基本功能授课地点：教室教学媒体：课件设备及材料：资源：学习效果评价方式：课堂练习及其互评作业和思考题：课后习题课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。教学内容及过程6.2自动化生产线的组成自动化生产线由工艺设备、辅助系统、控制系统和工件的输送系统组成,根据产品或零件的具体情况、工艺要求、工艺过程、生产率要求和自动化程度等因素不同,自动线的结构及其复杂程度,往往有很大差别,但一般自动化生产线都由以下几个基本部分组成,如图6-1所示。6.2.1控制系统高度自动化生产线中,能够根据实际情况实现自动开关的传感器无疑是至关重要的。在自动化生产线中常用的开关有光电开关、接近开关及行程开关等。自动化生产线中常用到的传感器有光敏传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器、超声波测距传感器、压阻式传感器、电阻式传感器、电阻应变式传感器和热电阻传感器等。1.传感器传感器就是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,如图6-2所示。或者说是接受物理或化学变量(输入变量)形式的信息,并按一定规律将其转换成相同或其他性质的输出信号的装置。2.开关开关是用来接通和断开电路的元件。开关应用在各种电子设备和家用电器中。3.PLCPLC(可编程序控制器)是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。4.工控机工控机(IndustrialPersonalComputer,IPC)是一种加固的增强型个人计算机,它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。6.2.2输送系统输送系统通常采用各种输送线,其作用一方面是自动输送工件,另一方面是将各种自动化装配专机连接成一个协调运行的系统。输送系统通常都采用连续运行的方式。1.输料装置具有牵引件的输料装置一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置和支承件等。牵引件用以传递牵引力,可采用输送带、牵引链或钢丝绳;承载构件用以承放物料,有料斗、托架或吊具等;驱动装置给输料装置以动力,一般由电动机、减速器和制动器(停止器)等组成;张紧装置一般有螺杆式和重锤式两种,可使牵引件保持一定的张力和垂度,以保证输送机正常运转;支承件用以承托牵引件或承载构件,可采用托辊、滚轮等。2.各种自动上下料装置由于主要的装配工序都是由各种自动化装配专机完成的,各种自动化装配专机自然也相应需要各自的自动上下料装置,应用最多的就是振盘及机械手。振盘用于自动输送小型零件,如螺钉、螺母、铆钉、小型冲压件、小型注塑件及小型压铸件等;而机械手抓取的对象更广,既可以抓取很微小的零件,也可以抓取具有一定尺寸和重量的零件。授课教案20-20学年第学期学院系（部）课程名称机电设备故障诊断与维修任课教师授课形式理论教学R课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2序号03授课日期授课班级教学内容：6.3自动化生产线的安装与调试6.3.1YL-335A型自动化生产线概述6.3.2供料单元的结构与控制6.3.3加工单元的结构与控制6.3.4装配单元的结构与控制6.3.5分拣单元的结构与控制6.3.6输送单元的结构与控制6.3.7公共模块和器件教学目标：知识目标：了解自动化生产线的作用，掌握自动化生产线的组成单元结构、工作过程。能力目标：能够熟悉自动化生产线的控制系统结构和基本功能，能够排除机电设备常见机械、电器等故障。素质目标：培养学生自动化设备理论素养;培养学生不断自我学习、自我提高品质的能力。重点难点及解决方法：重点：自动化生产线的控制系统结构和基本功能难点：自动化生产线的控制系统结构和基本功能授课地点：教室教学媒体：课件设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂练习及课后作业作业和思考题：课后习题课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。教学内容及过程6.3自动化生产线的安装与调试YL-335A型自动化生产线采用模块组合式的结构,各工作单元是相对独立的模块,并采用了标准结构和抽屉式模块放置架,具有较强的互换性。可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。下面以YL-335A型自动化生产线为例介绍自动化生产线的安装与调试。6.3.1YL-335A型自动化生产线概述1.YL-335A型自动化生产线的基本组成YL-335A型自动化生产线由安装在铝合金导轨式实训台上的供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元组成。其外观如图6-4所示。2.基本功能1)供料单元的基本功能:按照需要将放置在料仓中待加工的工件自动送出到物料台上,以便输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往其他工作单元。2)加工单元的基本功能:把该单元物料台上的工件(工件由输送单元的抓取机械手装置送来)送到冲压机构下面,完成一次冲压加工动作,然后再送回到物料台上,待输送单元的抓取机械手装置取出。3)装配单元的基本功能:完成将该单元料仓内的黑色或白色小圆柱工件嵌入到已加工的工件中的装配过程。4)分拣单元的基本功能:完成将上一单元送来的已加工、装配的工件的分拣,使不同颜色的工件从不同的料槽分流。5)输送单元的基本功能:该单元具有精确定位到指定单元的物料台,在物料台上抓取工件,把抓取到的工件输送到指定地点然后放下。3.特点YL-335A型自动化生产线是一套半开放式的设备,用户在一定程度上可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型,最多可由5个单元组成,最少时一个单元即可自成一个独立的控制系统。由多个单元组成的系统,其PLC网络的控制方案可以体现出自动生产线的控制特点。总的来说,此生产线综合应用了多种技术知识,如气动控制技术、机械技术(机械传动、机械连接等)、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电动机位置控制和变频器技术等。利用该系统,可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程。6.3.2供料单元的结构与控制1.供料单元的功能与结构组成(1)供料单元的功能供料单元是自动化生产线中的起始单元,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。图6-5所示为供料单元实物的全貌。(2)供料单元的结构组成供料单元的主要结构组成包括工件推出与支撑装置、工件漏斗、电磁阀组、端子排组件、PLC、急停按钮和起动/停止按钮、走线槽、底板等。(3)气动控制回路气动控制回路是本工作单元的执行机构,该执行机构的逻辑控制功能是由PLC实现的。供料单元气动控制回路工作原理如图6-12所示。图中1A和2A分别为推料气缸和夹紧气缸。1B1和1B2为安装在推料气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关,2B1和2B2为安装在夹紧气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。1YA和2YA分别为控制推料气缸和夹紧气缸的电磁阀的电磁控制端。2.供料单元的PLC控制及编程前面主要讨论的是组成供料单元的各部件(器件)。为了使工作单元按工艺要求正常运转必须正确地编制PLC应用程序(简称编程)。3.供料单元的安装和调试6.3.3加工单元的结构与控制1.加工单元的功能与结构(1)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。图6-14所示为加工单元实物的全貌。(2)加工单元的结构组成加工单元主要由物料台及滑动机构、加工(冲压)机构、电磁阀组、接线端口、PLC模块、急停按钮和起动/停止按钮、底板等组成。(3)气动控制回路加工单元气动控制回路的工作原理如图6-17所示。1B1和1B2为安装在冲压气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关,2B1和2B2为安装在物料台伸缩气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关,3B1和3B2为安装在手爪气缸工作位置的磁感应接近开关。1YA、2YA和3YA分别为控制冲压气缸、物料台伸缩气缸和手爪气缸的电磁阀的电磁控制端。2.加工单元的PLC控制及编程(1)PLC的I/O接线本单元中,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起/停按钮作本地主令信号,则所需的PLCI/O点数为8点输入/3点输出,故选用西门子S7-222AC/DC/RLY主单元,共8点输入和6点继电器输出。(2)加工单元的编程要点3.加工单元安装与调试6.3.4装配单元的结构与控制1.装配单元的结构(1)装配单元的功能装配单元是将该生产线中分散的两种物料进行装配的装置。主要是通过对自身物料仓库的物料按生产需要进行分配,并使用机械手将其插入来自加工单元的物料中心孔的装置。装配单元总装实物如图6-18所示。(2)装配单元的结构组成由于装配单元不仅要完成对分散物料的装配过程,而且配有自身的物料仓库,因此它的结构组成包括简易物料仓库,物料分配机构,物料位置变换机构,机械手,半成品工件的定位机构,气动系统及其阀组,信号采集及其自动控制系统,用于电气连接的端子排组件,整条生产线状态指示的信号灯和用于其他机构安装的铝型材支架及底板、传感器安装支架等其他附件。2.装配单元的PLC控制及编程3.装配单元安装和调试6.3.5分拣单元的结构与控制1.分拣单元的结构(1)分拣单元的功能分拣单元是自动化生产线中的最末单元,完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣,使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。当输送站送来工件放到传送带上并被入料口光电传感器检测到时,即起动变频器,工件开始送入分拣区进行分拣。图6-25所示为分拣单元实物的全貌。(2)分拣单元的结构组成分拣单元的主要结构组成:传送和分拣机构、传动机构、变频器模块、电磁阀组、接线端口、PLC模块和底板等。2.分拣单元的PLC控制及编程(1)分拣单元的PLC控制在分拣单元中,传感器信号占用5个输入点,留出2个点提供给急停按钮和起/停按钮作为本地主令信号,共需7点输入;输出点数为4个,其中2个输出点提供给变频器使用。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。(2)分拣单元的编程要点3.分拣单元的安装和调试6.3.6输送单元的结构与控制1.输送单元的功能和结构(1)输送单元的功能输送单元是生产线中最为重要同时也是承担任务最为繁重的工作单元。该单元主要功能:将驱动它的抓取机械手装置精确定位到指定单元的物料台,在物料台上抓取工件,把抓取到的工件输送到指定地点然后放下。同时,该单元在PPI网络系统中担任着主站的角色,它接收来自按钮/指示灯模块的系统主令信号,读取网络上各从站的状态信息,加以综合后,向各从站发送控制要求,协调整个系统的工作。(2)输送单元的结构输送单元由抓取机械手装置、步进电动机传动组件、PLC模块、按钮/指示灯模块和接线端子排等部件组成。2.输送单元的PLC控制(1)PLC的选型和I/O接线输送单元所需的I/O点较多。其中,输入信号包括来自按钮/指示灯模块的按钮、开关等主令信号和单元各构件的传感器信号等;输出信号包括输出到抓取机械手装置各电磁阀的控制信号和输出到步进电动机驱动器的脉冲信号和驱动方向信号;此外尚须考虑在需要时输出信号到按钮/指示灯模块的指示灯、蜂鸣器等,以显示本单元或系统的工作状态。(2)输送单元的控制要求如前所述,输送单元是YL-335A型自动化生产线最为重要同时也是承担任务最为繁重的工作单元,可以把该单元所需完成的工作任务归纳为如下三方面:6.3.7公共模块和器件1.供电电源模块供电电源模块如图6-40所示。外部供电电源为三相五线制AC380V/220V,三根相线经三相三线漏电保护开关后连接到三个安全导线插孔处,零线和接地线也连接到安全导线插孔处。另外,模块上还提供两个单相电源插座,为PLC模块和按钮/指示灯模块提供AC220V电源。2.气源处理组件气源处理组件及其气动原理图分别如图6-41和图6-42所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件,它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水,调节并保持恒定的工作压力。该气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关,用于关闭气源。在使用时,应注意经常检查过滤器中凝结水的水位,在超过最高标线以前,必须排放,以免被重新吸入。授课教案20-20学年第学期学院系（部）课程名称机电设备故障诊断与维修任课教师授课形式理论教学R课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2序号04授课日期授课班级教学内容：6.4生产线的检查、维修与保养6.4.1生产线的检查6.4.2生产线的维修6.4.3气动系统常见故障及其解决方法6.4.4生产线的保养教学目标：知识目标：了解自动化生产线的作用，掌握自动化生产线的组成单元结构、工作过程。能力目标：能够熟悉自动化生产线的控制系统结构和基本功能，能够排除机电设备常见机械、电器等故障。素质目标：培养学生自动化设备理论素养;培养学生不断自我学习、自我提高品质的能力。重点难点及解决方法：重点：排除机电设备常见机械、电器等故障难点：排除机电设备常见机械、电器等故障授课地点：教室教学媒体：课件设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问（课堂中）填写自评表（课堂末）作业分数（课堂后）作业和思考题：课后习题课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。教学内容及过程6.4生产线的检查、维修与保养生产线和其他机械设备一样在投入使用以后,要承受各种负荷以及工作环境的影响,各零部件会逐渐发生磨损、腐蚀。如果不能及时进行维护保养和修理,不仅会影响生产线的生产率和产品质量,而且会加快设备的损坏速度,缩短生产线的使用寿命。6.4.1生产线的检查1.静态检查静态检查主要是在生产线运行时进行的外观检查,目的是快速和全面地了解生产线中各个设备的大概情况。通过全面检查,如果发现一些致命的缺陷,可以及时修复,避免造成不必要的损失。2.动态检查动态检查c是指在生产线运行