mps搬运站控制教学试题

南通纺织职业技术学院毕业设计（论文）模拟生产系统搬运站的设计陈 权班 级 09 机电三 专 业 机电一体化 教 学 系 机 电 系 指导老师 鲍 燕 伟 完成时间 2011 年10月16日至 2011年10月2日教学#类别摘 要本论文所研究的内容是模块化加工系统搬运站的工作过程，并基于可编程控制器的理解和分析，采用日本三菱公司生产的FX2N系列可编程控制器对机械手进行运动控制。阐述了自动生产线搬运站的设计步骤，着重对搬运机械手的动作控制介绍。根据机械手的运动规律进行编程，使用传感器进行位置控制。本设计共分为三部分，第一部分对模块化加工生产线系统做了简要的介绍，结合自动化生产教学系统的考察对本次设计做了简要的分析和设想；第二部分对自动化生产教学系统搬运站的软件设计以及传感器的介绍与应用；第三部分介绍了机械手的气动控制系统以及整个搬运站系统的PLC控制设计。关键词：搬运机械手；PLC；传感器；气动系统目 录摘 要I1 前 言11.1 MPS模块化加工系统简介11.2 MPS的基本组成21.3 MPS的基本功能32 搬运站单元的控制硬件42.1 可编程控制器（PLC）42.1.1 PLC的概况及特点42.1.2 PLC结构及基本配置52.1.3 PLC的应用领域52.2 传感器52.2.1 传感器的组成52.2.2电感式接近开关简介63 机械手73.1机械手的简介73.1.1机械手的概念73.1.2机械手的分类83.1.3机械手主要组成83.1.4 机械手的特点93.2MPS系统中搬运站的结构功能93.2.1搬运站组成93.2.2搬运站气动回路图103.3搬运站单元的控制要求113.3.1 搬运站动作过程123.3.2 气动部件的选用133.4搬运站单元的I/O分配表133.5搬运站单元顺序功能流程图163.6搬运站单元梯形图18结束语22致 谢23参考文献24教学#类别1 前 言1.1 MPS模块化加工系统简介模块化加工系统(MPS, Modular Production System)体现了机电一体化的技术实际应用。MPS设备是一套开放式的设备，用户可根据身产需要选择设备组成单元的数量、类型，最少时一个单元亦可自成一个独立的控制系统，而由多个单元组成的生产系统可以体现自动生产线的控制特点。在由多个MPS工作单元组成的系统中，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）、电工电子技术、传感应用技术、PLC控制技术、组态控制技术、信息技术等。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，使学员在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学员在学习过程中很自然地就将理论应用到了实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。MPS控制系统搬运站简介：搬运单元在系统中，可以从前一单元上提取工件并输出到下一单元上的输入工位。本设计是以MPS系统中搬运站单元为研究，采用日本三菱公司生产的FX2N系列可编程控制器对机械手进行运动控制，根据机械手的运动规律进行编程，使用传感器进行位置控制。1.2 MPS的基本组成 图1-1 六站拼合在一起的实物照片多个单元组成的MPS系统可以较为真实地模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。其中，每个工作单元都可以自成一个独立系统，同时也都是一个机电一体化的系统。各个单元的执行机构主要是气动执行机构和电机驱动机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。在MPS设备上应用多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色、物体的材质、物体的高度等。传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工作实现高度自动化的前提之一。在控制方面，MPS设备采用PLC进行控制，用户可根据需要原则不同厂家的PLC(例如三菱公司的FX2N系列PLC、西门子公司的S7-200系列PLC和S7-300系列PLC)。MPS设备的硬件结构是相对固定的，但学员可以根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS设备的控制。1.3 MPS的基本功能MPS设备给学员提供了一个开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS作为一条自动生产流水线具有怎么样的操作运行模式等，可以根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。MPS系统中每个单元都具有最基本的功能，我们可在这些基本功能的基础上进行流程编排设计和发挥。基本描述： 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了。1）、MPS系统的基本组成单元：l上料检测站搬运站（如图1-2所示）l加工站l安装站l安装搬运站l分类站图1-2 搬运站单元2）、搬运站单元功能简介：该单元是一个六个关节的机械手，它可以用来完成抓取动作，将工件从上站搬至下一站。PLC 主机：三菱 FX2N 系列 扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus网络组成模块：伸出及提升模块、旋转模块、气动夹爪组件。2 搬运站单元的控制硬件2.1 可编程控制器（PLC）2.1.1 PLC的概况及特点可编程序控制器（PLC）是现代工业自动化领域中的一门先进控制技术，它已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，其应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。PLC具有可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网、易于与计算机接口、模拟量控制、高速计数及位控等一系列优异性能。1）整体式（箱体式）整体式PLC的基本组成框图如图2-1所示。图2-1 整体式PLC结构图图2.1 整体式PLC的基本组成框图一般而言，处理的I/O点数愈多，则控制关系愈复杂，用户要求的程序存储器容量愈加大、PLC指令及其他功能也愈加多、指令执行的速度也愈加快。按PLC的I/O点数可将PLC分为以下三类：小型PLC、中型PLC、大型PLC。2)PLC的特点：抗干扰能力强，可靠性高；编程方便；使用方便；维护方便；设计、施工调试周期短；易于实现机电一体化。2.1.2 PLC结构及基本配置一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。2.1.3 PLC的应用领域最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大，主要用于开关量控制；用于模拟量控制；用于数字量控制；用于数据采集；用于进行监控；用于联网、通讯。事实上，PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，几乎没有不用到它的。不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。农业的大棚环境参数调控，水利灌溉也用到它。PLC能有上述几个范围广泛的应用，是PLC自身特点决定的，也是PLC技术不断完善的结果。2.2 传感器 2.2.1 传感器的组成人是靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这些感觉器官来接受外界信息的，而一台光机电一体化的自动设备在运行中也有大量的信息需要准确地被“感受”，以使设备能按照设计要求实现自动化控制，自动化设备用于“感受”信息的装置就是传感器。传感器是实现自动化的关键技术之一。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件、转换元件和转换电路及辅助电源部分组成。a、敏感元件，是传感器中能直接感受或响应被测量的部分。b、转换元件，是传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适用于传输或测量的电信号的部分。c、转换电路，是将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。d、辅助电源，是用于提供传感器正常工作能源的电源。传感器的组成如图2-2所示图2-2 传感器的组成2.2.2电感式接近开关简介a、电感式接近开关的基本工作原理 电感式传感器为信号发生器，它被用于在加工机械，机器人，生产线 以及传送带系统中检测和功能相关 的动作,并将检测结果转换成电信号。它是以非接触的方式工作的。当有金属物体接近规定的感应距离时，传感器会发出一个电信号。电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。（1）高频振荡型电感式接近开关它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。（2）差动线圈型电感式接近开关它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。b、本文旋转气缸使用直流电感式接近开关接近开关通用符号如图2-3所示，电感式接近开关如图2-4所示。图2-3 接近开关通用符号图2-4 电感式接近开关图形符号c、电感式传感器在自动检测中的应用由于电感式传感只能对金属起作用，在自动控制的应用可以应用在上例中进行检测白色的金属或红色的塑料，又可以应用在流水生产线上检测金属工件是否到位。当工件到位后自动输出一个开关量信号。用以控制计数器计数或下一个加工步骤等。d、其他直线气缸使用磁感应式接近开关当有磁性物质靠近时在磁场磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，使两个引脚所接的电路连通。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开，在实际运用中，通常使用永久磁铁在控制这两根金属片的接通与否，所以又被称为“磁感应式接近开关”。3 机械手3.1机械手的简介3.1.1机械手的概念机械手是一种能模拟人的手臂的动作的部分动作，按预定的程序轨迹及其他要求，实现抓取，搬运工件或操作工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活的机械手。它是适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。3.1.2机械手的分类a、按驱动方式分：液压式、气动式、机械式；b、按适用范围分：专用机械手、通用机械手；c、按运动轨迹控制方式分：点位控制、连续轨迹控制；d、按臂部的运动形式分：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节式。3.1.3机械手主要组成机械手主要是由执行系统，驱动系统，控制系统三大部分组成。a、执行部分执行系统是机械手的机械传动结构部分。它包括手、手腕、手臂和机座等部件。b、驱动系统驱动系统是驱动系统的动力装置。驱动系统有液压驱动，气压驱动，电力驱动和机械驱动等方式。c、控制系统控制系统是支配执行系统按规定程序动作得到电气控制装置。控制系统所控制的因素包括执行系统各部的动作、动作顺序、位置、时间、和速度等。3.1.4 机械手的特点a、对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，火等危险环境中胜任工作。b、机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并扩大和延伸人的功能。c、由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。d、机械手的特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。3.2MPS系统中搬运站的结构功能3.2.1搬运站组成搬运站单元主要由提取模块、I/O接线端口等组成，如图3-1所示。 摆臂气缸 提取气缸 转动气缸 气动夹爪图3-1 机械手站结构图该单元主要为一气动机械手，此站完成提取工件、按要求将工件分流的过程。1）提取模块该模块主要由两个直线气缸（提取气缸和摆臂气缸）、一个转动气缸及手指气动夹爪组成。提取气缸安装在摆臂气缸的气缸杆的前端，垂直方向运动，以便于提取工件。该气缸是一个杆不回转型气缸，其活塞杆为六边形，这样杆就不能随便转动，便于气爪夹取工件。摆臂气缸构成了气动机械手的“手臂”，可以实现水平方向上的伸出、缩回动作。同时它还是一个双联气缸（有的地方叫倍力缸），它拥有两个压力腔和两个活塞杆，在同等压力下，双联气缸的输出力是一般气缸的两倍，所以有的地方亦叫它倍力缸。在气缸的两个极限位置上分别安装有磁感应式接近开关，用于判断气缸的动作是否到位。转动气缸用于实现摆臂气缸的转动，其转动角度为180，在气缸的两个极限位置上分别安装有阻尼缸（用于缓冲旋转冲击）和电感式接近开关（用于判断气缸旋转是否到位）。气动夹爪则用于抓取工件。3.2.2搬运站气动回路图图3-2 搬运站气动回路图1A为旋转气缸；1B1和1B2为电感式接近开关；2A为摆臂双联气缸；2B1、2B2为磁感应式接近开关；3A为气动夹爪；3B1为磁感应式接近开关；4A为杆不回转的提取气缸；4B1、4B2为磁感应式接近开关；1Y1、1Y2为旋转气缸的电磁阀的两个控制信号；2Y1、2Y2为控制摆臂气缸的电磁阀的两个电磁控制信号；3Y1、3Y2为控制气动夹爪开与闭的电磁阀的两个电磁控制信号；4Y1为提取气缸的电磁阀的电磁控制信号。在3-2图中，本站开始工作时，进行夹爪打开、横臂缩回和转上工位复位动作，均靠气缸复位来完成。等上站工作完成信号来后，首先使电磁阀线圈2Y2通电，使2号气缸动作，横臂缩回。当检测开关2B2有信号输出后，使控制4号气缸的电磁阀线圈4Y1通电，实现夹爪下降动作，准备抓工件，下降到位后，4B2输出，此时使3Y2通电，实现夹紧动作，延时后，使4Y1断电，夹爪上升，直到4B1有信号输出，此时令2Y1通电，横臂缩回；缩回到位后，2B1输出，使1Y2通电，横臂实现旋转，使操作手到达下一工位。等下工位有工件后，使2Y2通电，横臂伸出，到位后2B2输出，使4Y1得电，4号汽缸活塞杆伸出，夹爪下降，到位后，使3Y1通电，夹爪释放工件，完成后，使4Y1断电，夹爪上升，到最高位后，使2Y1通电，横臂缩回，到位后，2B2有信号输出，使1Y1通电，横臂转上工位，完成本站工作。3.3搬运站单元的控制要求当设备接通电源与气源、PLC运行后，首先执行复位动作，旋转气缸驱动的摆臂左转到最左端，摆臂缩回到位，夹爪打开，提取气缸上升到位。然后进入工作运行模式，按启动按钮，操作手单元先摆臂气缸后提取气缸依次伸出，提取气缸伸出到达下端后夹爪夹取工件，夹紧工件后，再按照先提取气缸后摆臂气缸的顺序依次缩回，然后摆臂气缸摆到右端，等待工件送出信号。再次按下启动按钮，工件送出，摆臂气缸、提取气缸依次伸出，然后放下工件，再按照逆过程返回到初始位置。3.3.1 搬运站动作过程复位夹爪夹紧摆臂气缸伸出摆臂气缸缩回夹爪放工件提升气缸伸出上站信息到提伸气缸缩回摆臂气缸伸出横臂伸出到位提升气缸伸出提升气缸伸出到位夹紧一秒后缩回到位缩回到位转动气缸转到下一工位转位到位伸出到位夹爪下降到位返回图3-3 搬运站动作流程图3.3.2 气动部件的选用元件名称数量元件用途元件符号气源1为气动回路提供动力双作用缸3执行元件可调单向节流阀6调节气回路中的流量大小气动三联件1过滤调压换向阀4改变回路气体的流向表3.1 搬运单元气动部件的选用表3.4搬运站单元的I/O分配表I/O类型PLC端子连接对象含 义输入端子X01B11#回转气缸首端传感器（转向1#站）X11B21#回转气缸末端传感器（转向2#站）X22B12#上臂水平气缸末端传感器（气缸杆缩回）X32B22#上臂水平气缸首端传感器（气缸杆伸出）X43B1手爪传感器X54B14#前臂垂直气缸末端传感器（气缸杆缩回）X64B14#前臂垂直气缸首端传感器（气缸杆伸出）输出端子Y01Y11#气缸对应双电控电磁阀Y11Y2Y22Y12#气缸对应双电控电磁阀Y32Y2Y43Y13#气缸对应双电控电磁阀Y53Y2Y64Y14#气缸对应双电控电磁阀1)搬运站I/O端口分配表3.2 搬运站单元I/O端口分配说明表2)控制面板 各站都可通过一控制面板来控制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：带灯按钮，绿色 开始 X10 灯 Y10带灯按钮，黄色 复位 X11 灯 Y11按钮，黄色 特殊功能按钮 X12 两位旋钮，黑色 自动/手动 X13两位旋钮，黑色 单站/联网 X14按钮，红色 停止 X15带灯按钮，绿色 上电 X16 灯 Y16急停按钮，红色 急停 X173）通讯信息各站可通过4根I/O线与前后各站进行通信互相交换信息（向前两根通信线，一输出一输入：向后两根通信线，一输出一输入）。4）各站联网后操作过程：当系统上电后，需先按下“上电”按钮，这时复位灯和开始按钮灯开始一起闪动，如是第一次开机请将各站工件收到上料检测站或安装站中，而后由第一次开始依次按下“复位”按钮待各站完全复位后，各站开始灯闪动，再从第六站开始依次向前按下“按钮”，系统可开始工作。当任一站出现异常，按下该站“急停”按钮，该站立刻会停止运行，当排除故障后，按下“上电”按钮，复位灯和开始灯同时闪动，此时按下“开始”按钮，该站可接着从刚才的断点继续运行。如工作时突然断电，来电后可先按“上电”按钮，而后由第六站依次向前按下“开始”按钮，系统就可以从刚才的断点继续向下运行。当然也可全部复位，系统重新开始运行。3.5搬运站单元顺序功能流程图图3-4 搬运站单元顺序功能流程图3.6搬运站单元梯形图图3-5 搬运站运行梯形图结束语这次毕业论文，对我来说很有意义，在写论文的过程中我学到很多的关于机械手和PLC方面的知识，我以后会加强对它们的学习和应用。通过这一次设计，让我对MPS系统以及机械手站单元的功能和在系统中的作用都有了进一步的了解，同时让我熟悉了PLC的运作，对机械手的发展和应用有了很多认识。特别是对于机械手的控制，通过采用PLC控制机械手可以提高产品质量，降低工人的工作量。由于PLC控制具有机构简单、组合灵活、编程简单、功耗低和改造方便的特点，可以根据控制流程的不同，方便地改变控制顺序来满足工艺要求。采用电磁式感应开关对机械手的位置进行检测，使机械手在动作过程中实现精确定位。本次设计详细讲解了机械手站单元的控制系统设计过程。采用西门子S7-200系列的PLC作为控制器，进行编程，并采用气动装置进行气动设计，使用电感式接近开关对位置进行监控，实现机械手站单元的控制要求。致 谢本次毕业设计的完成，不仅在于最后一段时间的搜索和整理，更主要的是在三年中学习知识的积累，所以在此我首先重点感谢三年来为我授课的每一位老师，正因为他们严谨的作风和朴实的教学，最终让我出色完成学业。在此特别感谢我们组的指导老师张俊勇老师，他在我们做毕业设计期间做出了很大的努力，争取让组里的每一位同学精益求精的完成论文，提高答辩质量，这是论文可以顺利完成的最重要的原因。同学们的关心和帮助是我的动力，在我知识的缺憾上给予我很大的帮助，使得设计从刚开始的迷茫到越来越完善，最终帮助我完整的写完了毕业设计。在毕业设计的写作过程中虽然挫折居多，但是在修补的过程中，我不仅学到了以前自己不足之处的知识，更加体会到了一种学习所要具有的良好习惯和良好态度，一丝不苟和毅力是学习的关键，也是将来走向人生道路任何事成功的关键，所以我可以体会到的是做毕业设计部仅仅是做，更是对自己人生态度的一次感悟。对于在学习和生活中帮助我和鼓励我的老师和同学们，我再次表示衷心的感谢。参考文献1孙兵 气液动控制技术 科学出版社，20082郁汉琪，盛党红，邓东华，电气控制与可编程序控制器应用技术.东南大学出版社，2009.93章国华、苏东 典型生产线原理、安装与调试 北京理工大学出版社20094张俊勇 模块化生产加工系统应用技术 西安：陕西国防工业职业技术学院，20105胡学林 可编程控制器教程 北京电子工业出版社，2003教学#类别