工程应用柔性制造系统设计报告

电气工程学院

专业综合实验

设计报告

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设计题目：柔性制造生产线搬运安装站

控制系统的设计

评定成绩：

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模块式柔性自动化生产线实训系统是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品，它是为职业院校、技工学校、教育培训机构等而研制的，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、自动化工程、控制工程、测控技术、计算机控制、自动控制、机械电子工程、机械设计与理论、等相关专业的教学和培训。它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计，强化了各种控制技术和工程实践能力。

柔性自动化实训系统由六个单元组成，分别为上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元，每个单元由一套PLC控制器单独控制，这使得柔性自动化生产实训装置可以分成若干完全独立的工作机构。

在设计过程中，不断参阅相关电气设计规范的资料，在设备现场观摩整个系统运作的流程以及控制方式，并借鉴其控制方法和设计思路，通过现场设计和编写控制程序，并反复进行调试和运行找出更合理的控制方法。

关键字：柔性制造；PLC；人机界面；安装搬运单元。

摘要 (Ⅰ)

第一章绪论 (1)

1.1柔性制造概念和特点 (1)

1.2柔性制造与柔性制造系统 (1)

1.3 本次课题的主要内容 (2)

第二章总体方案设计 (3)

2.1 柔性制造系统—安装搬运站 (3)

2.2柔性制造系统工作结构图 (3)

2.3步进电机的选型 (4)

2.4传感器的选型 (5)

第三章系统硬件设计 (7)

3.1主要组成与功能 (7)

3.2器件参数及选型 (7)

3.3硬件实物图 (8)

3.4气动原理 (8)

3.5可编程控制器P L C (9)

3.6硬件I/O分配 (10)

3.7触摸屏 (11)

第四章系统软件设计 (12)

4.1 工作流程图 (12)

4.2 PLC控制程序SFC框图 (13)

4.3 人机界面设计 (13)

4.4 系统通信 (14)

第五章实验步骤设计与调试 (16)

5.1 硬件接线图 (16)

5.2 系统仿真 (16)

5.2.1 软件仿真 (17)

5.2.2 调试过程 (17)

5.2.3实验中可能遇到的问题和解决方法 (17)

参考文献 (18)

附录 (19)

第一章绪论

1.1柔性制造概念和特点

柔性制造的模式其实广泛存在，比如定制，这种以消费者为导向的，以需定产的方式对立的是传统大规模量产的生产模式。在柔性制造中，考验的是生产线和供应链的反应速度。比如目前在电子商务领域兴起的“C2B”“C2P2B”等模式体现的正是柔性制造的精髓所在。

柔性可以表述为两个方面，一个方面是指生产能力的柔性反应能力，也就是机器设备的小批量生产能力，另一个方面，指的是供应链的敏捷和精准的反应能力。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。在柔性制造中，供应链系统对单个需求做出生产配送的响应。从传统“以产定销”的“产——供——销——人——财——物”，转变成“以销定产”，生产的指令完全是由消费者独个触发，其价值链展现为“人——财——产——物——销“这种完全定向的具有明确个性特征的活动。

柔性制造的特点包括：(1) 机器柔性，系统的机器设备具有随产品变化而加工不同零件的能力；(2) 工艺柔性，系统能够根据加工对象的变化或原材料的变化而确定相应的工艺流程；(3) 产品柔性，产品更新或完全转向后，系统不仅对老产品的有用特性有继承能力和兼容能力，而且还具有迅速、经济地生产出新产品的能力；(4) 生产能力柔性，当生产量改变时，系统能及时作出反应而经济地运行；(5) 维护柔性，系统能采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行；(6) 扩展柔性，当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大的制造系统。

1.2柔性制造系统概念和发展趋势

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(Flexible Manufacturing System)，英文缩写为FMS。一组按次序排列的机器，由自动装卸及传送机器连接并经计算机系统集成一体，原材料和代加工零件在零件传输系统上装卸，零件在一台机器上加工

完毕后传到下一台机器，每台机器接受操作指令，自动装卸所需工具，无需人工参与。

柔性制造系统类型可分为：

（1）柔性制造单元。柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。

（2）柔性制造系统。柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。

（3）柔性自动生产线。柔性自动生产线是把多台可以调整的机床（多为专用机床）联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。

柔性制造系统发展趋势大致有两个方面：一方面是与计算机辅助设计扣辅助制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。另一方面是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。在这个大系统中，柔性制造系统只是它的一个组成部分。

1.3 本次课题的主要内容

本次课题研究的柔性制造系统分为6个单元，分别为：上料检测站、搬运站、加工站、安装搬运站、安装站、分类站，控制系统选用三菱FX 3U系列PLC为核心，配备步进电机、电磁阀、光电开关、磁性传感器、电感传感器、单杠气缸、限位开关等传感器执行器件。完成从模型建立、方案确定、参数仿真、软硬件、通信、组态的设计到硬件安装、程序编写、界面设计、系统调试等步骤过程的训练，完成柔性制造控制系统设计与调试任务。

第二章总体方案设计

2.1柔性制造系统—安装搬运站

2.1.1安装搬运站设计目标

安装搬运单元为整个网络型模块式柔性自动化生产线的第四部分，负责根据总站发出的要求将不同的物料搬运到指定的安装位置。设计要求将上站工件拿起放入安装平台，等待安装站将小工件安装到位后，将装好工件拿起放下站。

2.1.2系统结构设计

模块式柔性自动化生产线搬运安装单元主要由平移工作台、塔吊臂、机械手、齿轮齿条传动、工业导轨、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀及气缸等结构组成。

2.1.3系统建模

系统建模过程如下：首先应该对被控制对象有明晰深入的了解，为此需要进行对象建模，常用的方法有两种方法：（1）根据物理力学动力学及电机、电力拖动等原理建立相关数学模型，必要时需要在工作点附近近似线性化；（2）基于实验方法确定系统模型参数，给定控制量，记录加工刀具、分类托盘的位置、速度响应曲线，用相应的方法确定被控对象的特征参数，得到对象的传递函数。要求学生综合运用上述方法，建立系统的数学模型。

由于网络型模块式柔性自动化生产线中的安装模块使用气动方案，其控制部件为开关信号驱动的电磁阀，相对于步进电机和伺服电机较为容易驱动，且采用数字信号的电磁接近开关传感器，因此无需建立执行机构的数学模型以优化操作性能，即可很好完成预期动作。

2.2柔性制造系统工作结构图

图2.1 柔性制造系统工作过程结构图

由上图可知，本系统的工作流程为：上料检测单元将大工件按顺序排好后提升送出；搬运站将大工件从上料检测单元搬至加工站；加工站将大工件加工后送出工位；安装搬运站将大工件从传输站搬至安装工位放下；安装站再将对应的小工件装入大工件中；安装搬运站再将安装好的工件送分类站，分类站再将工件送入相应的料仓。

2.3步进电机的选型

本次实验选用的步进电机型号为42J1834-810，步进电机驱动器为EZM552。本次实验步进电机的作用主要是分别控制X、Y 两轴滚珠丝杆完成仓储位置选择。步进电机实物图如图2.2所示。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程

序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。非超载的情况下，电机的转速、停止

的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和距离，从而达到速度调节和距离调节的目的。

2.4传感器的选型

本次分类站的设计的传感器种类主要有电感传感器，磁性传感器，单杆气缸以及限位开关。

1）电感传感器的选型

本次电感传感器选择的型号为GKB-M0524NA。电感传感器的实物图如图 2.3所示。

图2.3 电感传感器实物图

带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式控制位置偏差的电子信号发生器，其用途非常广泛。例如：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。

电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测，齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等。本次设计中电感传感器的主要作用是用于滚珠丝杆的X轴限位。

2）磁性传感器的选型

本次设计磁性传感器的型号为D-C73L。磁性传感器的实物图如图2.4所示。

图2.4 磁性传感器实物图

磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。它的温度稳定性相比于其他同类型的传感器更好，灵敏度更高，线性范围更宽，测量的更加准确。本次设计中磁性传感器主要用于气缸位置的检测。当气缸到达位置准确之后将会给PLC发送一个到位信号。

第三章系统硬件设计

3.1 主要组成与功能

柔性制造控制系统由上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元6个部分组成，其中搬运安装单元主要由平移工作台、塔吊臂、机械手、齿轮齿条传动、工业导轨、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成将上站工件拿起放入安装平台，等待安装站将小工件安装到位后，将装好工件拿起放下站。

（1）机械手：与塔吊臂结合一起，用于夹取工件。

（2）齿轮齿条传动：完成平移工作台左右移动。

（3）工业导轨：辅助平移工作台左右移动。

（4）电磁阀组：用于控制各个气缸的升出、缩回动作。

（5）磁性传感器：用于气缸的位置检测。当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个到位信号。（磁性传感器接线时注意蓝色接“-” ，棕色接“PLC输入端” ）。

（6）单杆气缸：由单向气动电控阀控制。当气动电控阀得电，气缸缩回，同时塔吊臂下降与机械手爪组合完成工件的夹取。

（7）警示灯：系统上电、运行、停止信号指示。

（8）安装支架：用于安装提升气缸及各个检测传感器。

（9）控制按钮板：用于系统的基本操作、单机控制、联机控制。

（10）电气网孔板：主要安装PLC主机模块、空气开关、开关电源、I/O接口板、各种接线端子等。

3.2 器件参数及选型

（1）控制电源：直流24V/4.5A

（2）PLC控制器:三菱FX2N-32MR，16个输入输出点，继电器输出

（3）电磁阀：4V110-06、4V120-06、4V130C-06

（4）调速阀：出气节流式

（5）磁性传感器：D-C73L

（6）单杆气缸：CDJ2B16-75

（7）气缸：CDM2B20-30 CDU20-50D CDU20-90D

（8）气动手指：MHZ2-16D

（9）人机界面：MCGS TPC7062K

（10）PLC拓展模块：FX2N-32CCL现场总线从站特殊功能模块。

3.3 硬件实物图

搬运安装单元硬件实物如下图所示：

图3.1搬运安装单元实物图

3.4 气动原理

气动控制系统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。气动控制回路的工作原理见下图：

图3.2气动回路原理图

图中，1B1、1B2为安装在自由安装型前气缸的两个极限工作位置的磁性传感器。1Y1、1Y2为控制自由安装型前气缸的电磁阀。2B1、2B2为安装在自由安装型后气缸的两个极限工作位置的磁性传感器。2Y1、2Y2为控制自由安装型后气缸的电磁阀。3B1为安装在气爪的极限工作位置的磁性传感器。3Y1、3Y2 为控制自由安装型后气缸的电磁阀。4B1、4B2为安装在标准气缸的极限工作位置的磁性传感器。4B1、4B2 为控制自由安装型后气缸的电磁阀。

3.5 可编程控制器PLC

从PLC诞生至今，PLC的更新革新很快，到现在PLC的种类已经很多且功能齐全。不同的制造产商的PLC在形状、功能上可能存在着少许的差异，但是PLC的基本组成是相同的，其基本的工作原理也大致相同。PLC硬件基本组成如图3.3所示。

图3.3 PLC的硬件系统基本结构图

由图可以直观地看到，PLC主要有以下几个组成部分：①微处理器（CPU）②存储器③输入/输出模块④通信接口及电源⑤外设I/O。以下为对PLC的组成各部分具体介绍：

（1）中央处理单元（CPU）

FX2N-32MR实物图如图3.4所示。PLC的CPU是整个PLC的控制中枢，负责接收与保存用户程序，不断扫描数据，将数据及状态信息保存到存储器中，同时，PLC 的微处理器CPU会执行监控程序和用户程序，快速准确地响应外部设备的需求。

图3.4 主站CPU

（2）存储器

一般市场上流行的PLC的存储器分为两种，一种为系统存储器（EPROM），它被用来存放系统的管理程序，系统存储器里的数据无法被用户擅自修改。另外一种是用户存储器（RAM）。用户存储器存储的内容为系统工作时的数据状态，与系统存储器不同，这部分的存储内容允许用户更改。

（3）输入/输出模块

输出模块的作用简单说即为信号的转换传输，它将CPU运行用户程序所产生的TTL电平的这种控制信号转化成生产现场所需要的电压信号，从而驱动相应的执行机构动作。

3.6硬件I/O分配

系统I/O分配方案具体如下表：

表3-1硬件I/O分配

3.7 触摸屏

系统采用三菱触摸屏，型号为GS2107-WTBD。如图3.5所示。

图3.5触摸屏正、反面图

触摸屏的出现使得工业生产更加方便快捷，触摸屏开发出来之前，工业生产监控需要更多的人员监视，且实际操作会更加复杂。而触摸屏的出现使得整个工业制造过程更加具体化，每个过程的控制都可以通过触摸屏进行，减少了人力与时间的浪费。

三菱触摸屏GOT Simple内置串口通讯、以太网通讯、SD卡槽、USB通信，满足不同PLC的接线需求。通过GT Designer3软件，可以在触摸屏上关联大量信息，如开关、指示灯、数据等。通过查看或改变这些参数，可以实现触摸屏监视与控制的功能。

第四章系统软件设计

4.1 工作流程图

图4.1系统工作流程图

具体工作流程为：系统启动后，摆台前臂抬起，上限位磁性传感器检测到位；工件搬运装置摆台向左移，左自由气缸左限位磁性传感器和右自由气缸右限位磁性传感器检测到位；摇臂导杆在搬运装置（转盘）工位上方。

变频传送单元将工件传送到位后工件搬运装置摆台前臂下降，导杆气缸下限位磁性传感器检测到位，延时0.5秒后气动手指动作抓取工件，摆台前臂抬起，导杆上限位磁性传感器检测到位后，摆台向右移，左自由安装型气缸右限位和右自由安装型气缸左限位传感器到位后，工件搬运装置摆台前臂下降，导杆下限位磁性传感器检测到位后，气动手指将工件放入安装工位，摆台前臂抬起，左移等待搬运。

待安装完成后，工件搬运装置运行到安装工位，工件搬运装置摆台前臂下降，导杆气缸下限位磁性传感器检测到位，延时0.5 秒后气动手指动作抓取工件，摆台前臂抬起，导杆上限位磁性传感器检测到位后，摆台向右移，左自由安装型气缸右限位磁性传感器和右有自由安装型左限位磁性传感器检测到位后，工件搬运装置摆台前臂

下降，导杆下限位磁性传感器检测到位后，气动手指将工件放入分类单元货台上，摆台前臂抬起，左移等待搬运。

4.2 PLC控制程序SFC框图

图4.2 SFC框图

4.3 人机界面设计

该单元的复位信号、开始信号、停止信号均从触摸屏发出，经过FX2N-32MR程序处理后，向各单元发送控制要求，以实现各站的复位、开始、停止等操作。各从站在运行过程中的状态信号，应存储到该单元PLC 规划好的数据缓冲区，以实现整个系统的协调运行。

人机界面MCGS TPC7062K由串口通讯读取PLC的内部数据，用于实时监控PLC 的运行状态和同步动画展示。

图4.3 系统仿真初始图

4.4 系统通信

网络型模块式柔性自动化生产线各个模块均使用三菱PLC，各个模块之间利用三菱CC-LINK现场总线进行通讯，PLC与人机界面之间使用RS232串口通讯。

图4.4 CC-LINK通信图

在各站与PLC之间是由一个标准电缆进行连接的，通过这个电缆可连接8个传感器信号和8个输出控制信号。通过该电缆各站的传感器和输出控制器可得到24V 电压。

各站都可通过一块控制面板来控制PLC的控制程序使各站按要求进行工作，一个控制面板上有5个按钮开关，二个选择开关和一个急停开关。

各开关的控制功能定义为：

表4-1 各开关控制功能

为保证系统中各站能联网运行，必须将各站的PLC连接在一起使独立的各站间能交换信息。而且加工过程中所产生的数据，如工件颜色装配信息等，也需要向下站传送，以保证工作正确。

联网后的各站运动可能会相互影响，为使系统安全、可靠运行，每一站与前后各站需要交换信息，而各站只有进行正常工作程序后，才能相互通讯，交换信息。每一站要开始工作运行，需前站给出信号，只有第一站（上料检测站）是通过“开始”按钮，启动工作的。这是因为第一站没有上站。

主从站信息交互CC-Link，英文名Control & Communication Link，即控制与通信链路。CC-Link是由三菱公司主导推出的一种现场总线，主要应用于监控层与设备层之间的信息交互，其总线具有复合性好、开放程度高、适应性强的特点。

主站与从站之间采用的是CC-Link现场总线的通信方式，下图为模块之间接线示意图：

图4.5主从站模块接线图

由图可知，FX系列主从站模块间的连线有以下几个特点：

①FX2N-32CCL从站模块均配置了一对DA端子和一对DB端子，这样的设计方便利用双绞线将各站的DA、DB、DG端子相连接。

②各站之间的连线可以从任意点开始，与所设站号无关。

③当FX2N-32CCL作为最终站时，DA与DB两个端子之间需接终端电阻。

第五章实验步骤设计与调试

5.1 硬件接线图

PLC与设备接线图如下：

图5.1安装搬运单元硬件接线图

5.2系统仿真

5.2.1软件仿真

使用MCGSE组态软件进行软件仿真，及通过对运行策略和数据变量的控制，模拟控制系统的一系列动作，通过对相关数据的监控可以清楚地看到系统中各个限位开关、电磁阀门的工作状态，通过动画效果模仿系统真实的工作状态，以便完成控制系统的功能调试和完善。

MCGSE仿真初始图如下：