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

班 级： 姓 名： 学 号：

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： 评定教师： I

摘 要 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。 II

目 录 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PLC………………………………………………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 II

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 1 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 2

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。 3

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