基于PLC亞龍自動化安裝與調(diào)試設(shè)計

1、1 緒 論1.1研究背景及意義自世界第一臺PLC在美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司誕生后，德日美等國將微處理器作為控制器的中央處理單元應(yīng)用到PLC中并且去掉磁心存儲器改用了集成電路的存儲器，結(jié)合了微型計算機的技術(shù)與電控制技術(shù)，從而使PLC進入實用階段。隨著科技的進步，PLC的性能也飛速增強，其控制規(guī)模擴大；組成模塊增多；開放性和互操作性大大發(fā)展；對系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制；聯(lián)網(wǎng)能力增強等。目前，國內(nèi)的生產(chǎn)線大多數(shù)停留在低水平階段，都還是通過一些常用的接觸器、繼電器、按鈕、開關(guān)等來控制。這些常規(guī)的控制自動化程度，低動態(tài)控制精度差，已經(jīng)不能滿足日益發(fā)展的工藝技術(shù)要求，但采用PLC控制技術(shù)來控制生產(chǎn)線能有效的解決上述問題。

2、基于這種現(xiàn)狀，本課題研究的自動生產(chǎn)線實驗平臺中的加工和裝配單元是利用PLC控制技術(shù)自動將供料單元料倉內(nèi)的工件送往加工單元的物料臺，完成加工操作后，把加工好的工件送往裝配單元的物料臺，然后把裝配單元料倉內(nèi)的工件嵌入到物料臺上的工件中完成裝配，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。1.2研究內(nèi)容及方法本課題的研究不要出現(xiàn)本課題等字眼，用本設(shè)計等代替，就是用PLC來控制生產(chǎn)線自動的完成加工及裝配這兩個環(huán)節(jié)的工作，且均設(shè)置一臺PLC承擔(dān)起控制任務(wù)，PLC之間通過RS485串行通信實現(xiàn)互連，構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)。根據(jù)課題的基本要求設(shè)想這兩個單元的基本功能建立個大體的框架；選擇合適的硬件，規(guī)劃出控制硬件基本原理圖，合

3、理分配PLC的輸入與輸出；分析可能存在的情況，畫出軟件流程設(shè)計，完成各單元程序的編寫；然后在計算機中用GX Developer Version7.0仿真使其達(dá)到基本的預(yù)期效果。1.3主要創(chuàng)新點本文設(shè)計的自動生產(chǎn)線實驗平臺中的加工和裝配單元是利用PLC控制技術(shù)自動將供料單元料倉內(nèi)的工件送往加工單元的物料臺，完成加工操作后，把加工好的工件送往裝配單元的物料臺，然后把裝配單元料倉內(nèi)的工件嵌入到物料臺上的工件中完成裝配，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。主要有以下創(chuàng)新點：1、每個單元各有一臺PLC獨立控制，具有良好的柔性。2、通過組建PLC網(wǎng)絡(luò)，可以將多個工作站連在一起實現(xiàn)復(fù)雜的控制。3、可以對系統(tǒng)實現(xiàn)實時控

4、制。2 加工單元和裝配單元的結(jié)構(gòu)2.1加工單元的結(jié)構(gòu)2.1.1加工單元的基本結(jié)構(gòu)功能加工單元主要包括：工件搬運裝置和工件加工裝置。主要配置有：導(dǎo)軌、直線汽缸、薄型氣缸、工件夾緊裝置等。加工單元的基本功能：把該單元物料臺上的工件（工件由輸送單元的抓取機械手裝置送來）送到?jīng)_壓機構(gòu)下面，完成一次沖壓加工動作，然后再送回到物料臺上，待輸送單元的抓取機械手裝置取出。其外觀如圖2-1所示。圖2-1加工單元的裝配外觀圖物料臺用于固定被加工工件，并把工件移動到加工（沖壓）機構(gòu)正下方進行沖壓加工。其主要由氣動手爪、氣動手指、物料臺伸縮氣缸、線性導(dǎo)軌及滑塊、磁感應(yīng)接近開關(guān)、漫射式光電傳感器等組成。移動物料臺在系統(tǒng)

5、正常工作后的初始狀態(tài)為伸縮器缸伸出，物料臺氣動手爪張開的狀態(tài)，當(dāng)輸送機構(gòu)把物料送到物料臺上，物料檢測傳感器檢測到工件后，PLC控制程序驅(qū)動氣動手指將工件夾緊物料臺回到加工區(qū)域沖壓氣缸下方?jīng)_壓氣缸活塞桿向下伸出沖壓工件完成沖壓動作后向上縮回物料臺重新伸出到位后氣動手指松開，最后完成工件加工工序，并向系統(tǒng)發(fā)出加工完成信號，為下一次工件到來加工做準(zhǔn)備。在物料臺上安裝一個漫射式光電開關(guān)。若物料臺上沒有工件，則漫射式光電開關(guān)均處于常態(tài)；若物料臺上有工件，則光電開關(guān)動作，表明物料臺上已有工件。該光電傳感器的輸出信號送到加工單元的PLC輸入端，用以判別物料臺上是否有工件需要加工；當(dāng)加工過程結(jié)束后，物料臺伸出

6、到初始位置。移動物料臺上安裝的漫射式光電開關(guān)選用CX-441型放大器內(nèi)置型光電開關(guān)（細(xì)小光束型）。移動物料臺伸出和返回到位的位置是通過調(diào)整伸縮氣缸上兩個磁性開關(guān)位置來定位的。要求縮回位置位于加工沖頭正下方；伸出位置應(yīng)與整體狀態(tài)下的輸送單元的抓取機械手裝置配合，確保輸送單元的抓取機械手能順利的把待加工工件放到物料臺上。加工機構(gòu)用于對工件進行沖壓加工。其主要由沖壓氣缸、沖壓頭、安裝板、鋁合金支架等組成。當(dāng)工件到達(dá)沖壓位置，即伸縮氣缸活塞桿縮回到位，沖壓頭伸出對工件進行加工，完成加工動作后沖壓頭縮回，為下一次沖壓做準(zhǔn)備。沖壓頭根據(jù)工件的要求對工件進行沖壓加工，沖壓頭安裝在沖壓缸頭部。安裝板用于安裝沖

7、壓氣缸，對沖壓氣缸進行固定。2.1.2 加工單元的氣動控制回路加工單元的氣動手爪、物料臺伸縮氣缸和沖壓氣缸均用3個二位五通的帶手控開關(guān)的單電控電磁閥控制，3個控制閥集中安裝在帶有消聲器的匯流板組成。沖壓氣缸控制電磁閥所配的快速接頭口徑較大，這是由于沖壓氣缸對氣體的壓力和流量要求較高，沖壓氣缸的配套氣管較粗的緣故。這三個閥分別對沖壓氣缸、物料臺手爪氣缸和物料臺伸縮氣缸的氣路進行控制，以改變各自的動作狀態(tài)。電磁閥所帶手控開關(guān)有鎖定(LOCK)和開啟(PUSH)兩種位置在進行設(shè)備調(diào)試時，使手控開關(guān)處于開啟位置，可以使用手控開關(guān)對閥進行控制，從而實現(xiàn)對相應(yīng)氣路的控制，以改變對沖壓氣缸等機構(gòu)的控制，以達(dá)

8、到調(diào)試的目的。氣動控制回路的工作原理如圖2-2所示。1B1和1B2為安裝在沖壓氣缸的兩個極限工作位置的磁感應(yīng)接近開關(guān)，2B1和2B2為安裝在加工臺伸縮氣缸的兩個極限工作位置的磁感應(yīng)接近開關(guān)，3B1和3B2為安裝在手爪氣缸工作位置的磁感應(yīng)接近開關(guān)。1Y1、2Y1和3Y1分別為控制沖壓氣缸、物料臺伸縮氣缸和手爪氣缸的電磁閥的電磁控制端。圖2-2氣動控制回路的工作原理圖2.2裝配單元的結(jié)構(gòu)2.2.1裝配單元的基本結(jié)構(gòu)功能裝配單元主要包括：裝配工件庫和裝配工件搬運裝置。裝配裝置主要配置有：工件庫、擺臺、導(dǎo)桿氣缸、氣動手指、直線汽缸、光電傳感器等。裝配單元的基本功能：完成將該單元料倉內(nèi)的白色或黑色小圓柱

9、工件嵌入到已加工的工件中的裝配過程。其外觀如圖2-3所示。圖2-3裝配單元裝配外觀圖1.結(jié)構(gòu)組成裝配單元的結(jié)構(gòu)組成：簡易料倉，供料機構(gòu)，回轉(zhuǎn)物料臺，機械手，半成品工件的定位機構(gòu)，氣動系統(tǒng)及其閥組，信號采集及其自動控制系統(tǒng)，以及用于電器連接的端子排組件，整條生產(chǎn)線狀態(tài)指示信號燈和用于其他機構(gòu)安裝的鋁型材支架及底板，傳感器安裝支架等其他附件。2.簡易料倉簡易料倉是由塑料圓棒加工而成，它直接插裝在供料機構(gòu)的連接孔中，并在頂端放置加強金屬環(huán)，用以防止空心塑料圓棒的破損。物料豎直放入料倉的空心圓柱內(nèi)，由于兩者之間有一定的間隙，使其能在重力作用下自由下落。為了能在簡易料倉缺料時及時報警，在料倉的外部安裝漫

10、反射光電傳感器（CX-441型），并在料倉塑料圓柱上縱向銑槽，以使光電傳感器的紅外光斑能可靠照射到被檢測的物料上。3.供料機構(gòu)其動作過程是由上下位置安裝，水平動作的兩直線氣缸在PLC的控制下完成的。其初始位置是：上面的氣缸處于活塞桿縮回位置，下面的氣缸處于活塞桿伸出位置，從而使因重力下落的物料被阻擋，因此稱為擋料氣缸。系統(tǒng)通電并正常運行后，當(dāng)回轉(zhuǎn)物料臺旁的光電傳感器檢測到回轉(zhuǎn)物料臺需要物料，上面的氣缸在電磁閥的作用下將活塞桿伸出，把次下層的物料頂住，使其不能下落，故上面的氣缸又稱為頂料氣缸。這時，擋料氣缸活塞桿縮回，物料掉入回轉(zhuǎn)物料臺的托盤中，然后擋料氣缸復(fù)位伸出，頂料氣缸縮回，次下層物料下落

11、，為下一次分料做好準(zhǔn)備。在兩直線氣缸上均裝有檢測活塞桿伸出與縮回到位的磁性開關(guān)，用于動作到位檢測，當(dāng)系統(tǒng)正常工作并檢測到活塞磁鋼的時候，磁性開關(guān)的紅色指示燈亮，并將檢測到的信號傳遞給控制系統(tǒng)的PLC。4.回轉(zhuǎn)物料臺該機構(gòu)由氣動擺臺和料盤構(gòu)成，氣動擺臺可驅(qū)動料盤旋轉(zhuǎn)180，并將擺動到位的信號通過磁性開關(guān)傳送給PLC，在PLC的控制下，實現(xiàn)有序、往復(fù)的動作?；剞D(zhuǎn)物料臺的主要器件是氣動擺臺，它是直線氣缸驅(qū)動齒輪齒條實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角度能在090和0180之間任意調(diào)整，而且可以安裝磁性開關(guān)，檢測旋轉(zhuǎn)到位信號，多用于方向和位置需要變換的機構(gòu)。5.裝配機械手裝配機械手是整個裝配單元的核心。當(dāng)裝配機械手正

12、下方物料臺上有物料，且半成品工件定位機構(gòu)檢測到該機構(gòu)有工件時，裝配機械手從初始狀態(tài)開始執(zhí)行裝配操作過程。當(dāng)裝配機械手裝置是一個三維運動的機構(gòu)，它由水平方向移動的2個導(dǎo)桿氣缸和氣動手指組成。導(dǎo)桿氣缸由直線運動氣缸、雙導(dǎo)桿和其他附件組成。待裝配機械手的運行過程如下：PLC驅(qū)動與豎直氣缸相連的電磁換向閥動作，由豎直移動帶導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動氣動手指向下移動完成，到位后，氣動手指驅(qū)動手爪夾緊物料，并將夾緊信號通過磁性開關(guān)傳遞給PLC，在PLC控制下，豎直移動氣缸復(fù)位，被夾緊的物料隨氣動手指一并提起，離開回轉(zhuǎn)物料臺的料盤，當(dāng)提升到最高位后，水平移動氣缸在與之對應(yīng)的換向閥的驅(qū)動下，活塞桿伸出，移動到氣缸前端位置后

13、，豎直移動氣缸再次被驅(qū)動下移，移動到最下端位置，氣動手指松開，經(jīng)短暫延時，豎直移動氣缸和水平移動氣缸縮回，裝配機械手恢復(fù)初始狀態(tài)。在整個裝配機械手動作過程中，除氣動手指松開到位無傳感器檢測外，其余動作的到位信號檢測均采用與氣缸配套的磁性開關(guān)，將采集到的信號輸入PLC，由PLC輸出信號驅(qū)動電磁換向閥換向，使由氣缸及氣動手指組成的裝配機械手按程序自動運行。6.半成品工件的定位機構(gòu)（物料臺）輸送單元運送來的半成品工件直接放置在該機構(gòu)的物料定位孔中，由定位孔與工件之間的間隙配合實現(xiàn)定位，從而完成準(zhǔn)確的裝配動作，以確保定位精度。7.電磁閥組裝配單元的閥組由6個二位五通單電控電磁換向閥組成，這些閥分別對物

14、料分配、位置變換和裝配動作氣路進行控制，以改變各自的動作狀態(tài)。8.警示燈本工作單元上安裝有紅、黃、綠三色警示燈，起到為整個系統(tǒng)警示的作用。警示燈有五根引出線，其中黃綠交叉線為“地線”、紅色線為紅色燈控制線、黃色線為黃色燈控制線、綠色線為綠色燈控制線、黑色線為信號燈公共控制端。2.2.2裝配單元的氣動控制回路圖2-4是裝配單元氣動回路圖，在進行氣路連接時，應(yīng)注意各氣缸的初始位置，其中，擋料氣缸在伸出位置，手爪提升氣缸在提起位置。圖2-4裝配單元的氣動控制回路所有圖和表的編號都用2.4這樣的方式標(biāo)注，即把中間的短橫線換成點號3 加工單元和裝配單元的PLC控制3.1加工單元的PLC控制3.1.1加工

15、單元PLC的I/O接線原理圖本單元中，傳感器信號（1個光電開關(guān)信號、5個磁性開關(guān)信號）應(yīng)占用6個輸入點，留出2個點提供給急停按鈕和啟/停按鈕作為本地主令信號，則所需的PLC I/O點數(shù)為8點輸入/3點輸出，選用西門子S7-222 AC/DC/RLY主單元，共8點輸入和6點繼電器輸出加工單元的I/O接線圖如圖3-1所示。圖3-1加工單元PLC的I/O接線圖文中所有圖片必須清晰3.1.2加工單元的編程（1）加工單元控制要求在加工單元中，提供一個啟動/停止按鈕和一個急停按鈕。與供料單元同樣，如果需要有啟動和停止兩種主令信號，只能由軟件編程實現(xiàn)。本單元的急停按鈕是當(dāng)本單元出現(xiàn)緊急情況下提供的局部緊急信

16、號，一旦發(fā)生情況，本單元的所有機構(gòu)應(yīng)立即停止運行，直到急停解除為止，一旦急停解除則恢復(fù)工作，直到本周期工作完成后停止運行。再次運行需要重新啟動。加工單元的工藝過程也是一個順序控制：物料臺的物料檢測傳感器檢測到工件后，機械手指夾緊工作物料臺回到加工區(qū)域沖壓氣缸下方?jīng)_壓頭向下伸出沖壓工件完成沖壓動作后向上縮回物料臺重新伸出到位后機械手指松開，完成工件加工工序。（2）加工單元的PLC的I/O地址分配加工單元的PLC的I/O地址分配如表3.1所示。表3.1加工單元的PLC的I/O地址分配表格要求用三線格的格式序號地址設(shè)備編號設(shè)備名稱設(shè)備用途1I0.0B6光電傳感器物臺物料檢測2I0.13B1磁性開關(guān)物

17、臺夾緊檢測3I0.22B2磁性開關(guān)物臺伸出到位4I0.32B1磁性開關(guān)物臺縮回到位5I0.41B1磁性開關(guān)加工壓頭上限6I0.51B2磁性開關(guān)加工壓頭下限7I0.6START/STOP按鈕開關(guān)啟停/按鈕8I0.7SB按鈕開關(guān)急停9Q0.03Y1夾緊電磁鐵控制夾緊動作10Q0.12Y1物臺伸縮電磁鐵控制物臺伸縮動作11Q0.21Y1加工壓頭電磁鐵控制加工壓頭動作（3）加工單元流程圖加工單元作為獨立設(shè)備工作時，采用PLC控制。為了盡快熟悉設(shè)備，根據(jù)控制要求設(shè)計了單步控制方式。其流程如圖3-2所示圖3-2 單步控制流程3.2裝配單元的PLC控制3.2.1裝配單元PLC的I/O接線原理圖（1）PLC的

18、選型裝配單元使用了11個傳感器（4個光電開關(guān)、1個光纖傳感器、6個磁性開關(guān)）及6個電磁閥，故選用西門子S7-226AC/DC/RLY主單元，共24點輸入，16點輸出。實際使用為18點輸入（包括急停按鈕和啟動/停止按鈕信號），9點輸出。 （2）I/O接原理 PLC的輸入端和輸出端接線圖分別如圖3-3、3-4所示。圖3-3 裝配單元PLC的輸入端接線原理圖圖3-4裝配單元PLC的輸出端接線原理圖3.2.2裝配單元的編程（1）由裝配單元的工藝過程可以看出，控制程序可分為4個部分；響應(yīng)啟動、停止、急停等指令。實現(xiàn)把料倉內(nèi)小圓柱工件送到裝配機械手下面的下料控制。實現(xiàn)裝配機械手抓取小圓柱工件，放入大工件中的控制。裝配單元上安裝的紅、黃、綠三色警示燈，在整個系統(tǒng)中起警示作用，具體動作方式由本單元PLC程序控制輸出。（2）裝配單元的PLC的I/O地址分配 裝配單元的PLC的I/O地址分配如表3.3所示。表3.2裝配單元的PLC的I/O地址分配序號地址設(shè)備編號設(shè)備名稱設(shè)備地址1I0.0B1光電