柔性制造系統(tǒng)加工單元設計

畢業(yè)設計（論文）

專業(yè)機電一體化

班級_________________

學生姓名________________

學號_______________

課題柔性制造系統(tǒng)加工單元設計

指導教師_____________

2010年10月8日

目錄

緒論

第一章加工單元的基本結構

1、加工單元的基本功能

2、加工單元的基本結構

2.1旋轉工作臺模塊

2.2鉆孔模塊

2.3檢測模塊

3、繼電器

4、CP閥組

5、加工單元的主要技術數(shù)據(jù)

6、加工單元的功能

第二章物料臺及滑動機構

滑動物料臺的工作原理

第三章加工（沖壓）機構

沖壓臺的工作原理

第四章PLC控制系統(tǒng)

1、PLC的基本概念

2、PLC的基本結構

3、掃描技術

3.1輸入采樣階段

3.2用戶程序執(zhí)行階段

3.3輸出刷新階段

4、PLC內(nèi)部

5、PLC接入方式運作方式

6、PLC的I/O接線圖

第五章順序功能圖

第六章參考程序

1、編程要點

2、加工單元的編程要點

第七章結束語

緒論

加工單元主要組成機構由旋轉工作模塊、鉆孔模塊、鉆

孔檢測模塊等構成。加工單元可以模擬鉆孔加工及鉆孔質量

檢測的過程，并通過工作臺模擬物流傳送的過程。本設計目

的則是熟悉MPS系統(tǒng)中加工單元的結構組成，查明加工單元

中的PLC的I/O借口地址，進一步了解加工單元的結構、觀

察氣動控制回路的組成情況，了解繼電器的作用、傳感器技

術在加工單元的應用，各電控閥的電控信號、繼電器線圈所

對應的PLC接口地址（輸出地址）。本設計的主要內(nèi)容包括：

加工單元的組成、加工單元的結構、加工單元氣動控制回路、

加工單元的順序編程等。

第一章加工單元的結構與控制

一、加工單元的結構

1.加工單元的基本功能

加工單元可以模擬鉆孔加工及鉆孔質量檢測的過程，并

通過工作臺模擬物流傳送的過程。

2、加工單元的基本結構

加工單元主要組成機構有：

旋轉工作模塊

鉆孔模塊

鉆孔檢測模塊等

2.1旋轉工作臺模塊

旋轉工作臺模塊主要由旋轉工作臺、工作臺固定底盤、

傳動齒輪、直流電動機、定位凸塊、電感式接近開關傳感器、

滿反射式光電傳感器、支架等組成。

在轉動工作臺上有四個工位，用于存放文件。

在每個工位的下面都有一個圓孔，用于光電傳感器對工

件的識別。

電感式接近開關傳感器用于判斷工作臺的轉動位置，以

便于進行定位控制。

2.2鉆孔模塊

鉆孔模塊主要由鉆孔氣缸、鉆孔電機導向裝置、夾緊氣

缸、鉆孔模塊支架等組成。

鉆孔模塊用于實現(xiàn)鉆孔加工，在鉆孔氣缸的兩端、夾緊

氣缸的兩端都安裝有磁感應式接近開關，分別用于判斷兩個

氣缸運動的兩個極限位置。

2.3檢測模塊

檢測模塊用于實現(xiàn)對鉆孔加工結果的模擬檢測過程。檢

測模塊主要由檢測氣缸、檢測氣缸固定架、檢測模塊支架及

磁感應式接近開關組成。

氣缸桿能下降到位一一孔深度加工合格：

氣缸不能下降到位---孔加工不合格。

氣缸的位置通過安裝在氣缸兩端的磁感應式接近開關來

判斷。

3、繼電器

繼電器KI、K2,分別用于控制鉆孔電機和工作臺驅動電

機。

4、CP閥組

本單元的CP閥組由3個電磁閥組成，其中一個為帶手控

開關的雙側電磁先導控制閥，其余2個均為帶手控開關的單

側電磁先導控制閥。

各個閥的結構類型（幾位幾通），請同學們通過實際操作

設備，根據(jù)各個執(zhí)行機構的動作特征判斷出來。

5、加工單元的主要技術數(shù)據(jù)

氣源工作壓力最小6bar,最大8bar

I/O接口開關量：8個輸入/6個輸出。

6、加工單元的功能

加工單元的功能是完成把待加工工件從物料臺移送到加

工區(qū)域沖壓氣缸的正下方；完成對工件的沖壓加工，然后把

加工好的工件重新送回物料臺的過程。

手爪

氣動r?指

遷接座

滑塊

氣虹

加工單元的結構組成

加工單元主要結構組成為：物料臺及滑動機構，加工（沖

壓）機構，電磁閥組，接線端口，PLC模塊，急停按鈕啟動/

停止按鈕，底板等。

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第二章物料臺及滑動機構

物料臺用于固定被加工件，并把工件移到加工（沖壓）

機構正下方進行沖壓加工，它主要由手爪氣功‘手指‘物料

臺伸縮氣缸’線性導軌及滑塊’磁感應接近開關’漫射式光

電傳感器組成。

光中「傳感器

滑動物料臺的工作原理：

滑動物料臺在系統(tǒng)正常工作后的初始狀態(tài)為伸縮氣缸伸

出，物料臺氣動手爪張開的狀態(tài)，當輸送機構把物料送到物

料臺上，物料檢測傳感器檢測到工件后，PLC控制程序驅動機

械手指將工件夾緊一物料臺回到加工區(qū)域沖壓氣缸下方一沖

壓氣缸活塞桿向下伸出沖壓工件一完成沖壓動作后向上縮回

一物料臺重新伸出一到位后機械手指松開的順序完成工件加

工工序，并向系統(tǒng)發(fā)出加工完成信號，并為下一次工件到來

加工作準備。在移動物料臺上安裝一個漫射式光電接近開關,

若物料臺上沒有工件，則漫射式光電接近開關均處去常態(tài)：

若物料臺上有工件，則光電接近開關動作，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PLC的輸出

端，用以判別物料臺上是否有工件需進行加工，當加工過程

結束，物料臺被伸出的活塞桿推到外端指定位置，PLC通過通

信網(wǎng)絡，并恢復初始狀態(tài)。把加工完成信號回饋給系統(tǒng)，以

協(xié)調(diào)控制。

第三章加壓（沖壓）機構

加工機構用于對工件進行沖壓加工。它主要由沖壓氣缸、

沖壓頭、安裝板等組成。

氣缸

沖壓臺的工作原理:

當工件到達沖壓位置并且伸縮氣缸活塞桿縮回到位，沖

壓缸伸出對工件進行加工，完成加工動作后，沖壓氣缸縮回,

為下一次沖壓作準備。沖頭根據(jù)工件的要求，對工件進行沖

壓加工，沖頭安裝在沖壓氣缸頭部。安裝板用于安裝沖壓氣

缸，對沖壓氣缸進行固定。

第四章PLC控制

PLC主要是指數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制

器，用于控制機械的生產(chǎn)過程。也是公共有限公司、電源線

車等的名稱縮寫。

PLC=ProgrammablelogicController,可編程邏輯控制

器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用

而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲

程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作

等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各

種類型的機械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分

PLC=ProgrammableLogicController,可編程控制

器

另外PLC還有以下幾個名稱：

PLC=PowerLineCommunication,電力線通信，即

我們俗稱的“電力線上網(wǎng)”。

PLC=PublicLimitedCompany,公共有限公司，股

票上市公司。

PLC=Power-1ineCarrier,輸電線載波，電力線載

波，電源線車。

PLC=PowerLoadingControl,動力負載控制。

PLC=PreparativeLayerChromatography,制備層

色譜法。

PLC=ProgrammingLanguageCommittee,程序設計

語言委員會［美

1、PLC的基本概念

可編程控制器(ProgrammableController)是計算機

家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的

可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable

LogicController),簡稱PLC,它主要用來代替繼電器實

現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大

超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程

控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal

Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC,plc

自1966年出現(xiàn)，美國，日本，德國的可編程控制器質量優(yōu)

良，功能強大。

2、PLC的基本結構

PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結

構基本上與微型計算機相同，基本構成為：

a、電源

PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果

沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因

此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交

流電壓波動在+10%（+15%）范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而

將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去

b.中央處理單元（CPU）

中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系

統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和

數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，

并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首

先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并

分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取

用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)

運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用

戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或

輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運

行，直到停止運行。

為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還

采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。

這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。

c、存儲器

存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。

存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

d、輸入輸出接口電路

1、現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口

電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。

2、現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和

中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)

場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。

e、功能模塊

如計數(shù)、定位等功能模塊

f、通信模塊

如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等

3、掃描技術

當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，

即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上

述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的

CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。

3.1輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方

式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映

象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉入用戶程序

執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和

數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也

不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的

寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該

輸入均能被讀入。

3.2用戶程序執(zhí)行階段

在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依

次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又

總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按

先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行

邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在

系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在

I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形

圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶程序執(zhí)行過程中，只有

輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其

他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀

態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其

程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的

梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏

輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其

上面的程序起作用。

在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直

接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存

器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程

影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。

3.3輸出刷新階段

當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。

在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新

所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這

時，才是PLC的真正輸出。

4、PLC內(nèi)部運作方式

雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電

器、計時器與計數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實體上具有

這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，

并借由輸出元件連接外部機械裝置做實體控制。因此能大

大減少控制器所需之硬件空間。實際上PLC執(zhí)行階梯圖程

式的運作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入

CPU中并最后執(zhí)行控制運作。在整個的掃描過程包括三大

步驟，“輸入狀態(tài)檢查”、“程式執(zhí)行”、“輸出狀態(tài)更

新”說明如下:

步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC首先檢查輸入端元件

所連接之各點開關或傳感器狀態(tài)（1或0代表開或關），

并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對應之位置Xn。步驟二“程式執(zhí)行”:

將階梯圖程式逐行取入CPU中運算，若程式執(zhí)行中需要輸

入接點狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕?。輸出線圈之運

算結果則存入內(nèi)存中對應之位置，暫不反應至輸出端Yn。

步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至

PLC輸出部接點，并且重回步驟一。此三步驟稱為PLC之

掃描周期，而完成所需的時間稱為PLC之反應時間，PLC

輸入訊號之時間若小于此反應時間，則有誤讀的可能性。

每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會

被更新一次，因此稱此種運作方式為輸出輸入端“程式結

束再生”。

5、PLC接入方式

電力線通信技術，英文簡稱PLC,是指利用電力線傳

輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式。該技術是把載有信息

的高頻加載于電流，然后用電線傳輸，接受信息的調(diào)制解

調(diào)器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計算機或電話

上，以實現(xiàn)信息傳遞。該技術在不需要重新布線的基礎上,

在現(xiàn)有電線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等多業(yè)務的承載，也

就是實現(xiàn)四網(wǎng)合一。終端用戶只要插上電源插頭，就可以

實現(xiàn)因特網(wǎng)接入。

PLC利用1.6M到30M頻帶范圍傳輸信號。在發(fā)送時，

利用GMSK或OFDM調(diào)制技術將用戶數(shù)據(jù)進行調(diào)制，然后在

電力線上進行傳輸；在接收端，先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號

濾出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信號。目前可達到的

通信速率依具體設備不同在4.5M?45M之間。PLC設備分

為局端和調(diào)制解調(diào)器，局端負責與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的

通信和與外部網(wǎng)絡的連接。在通信時，來自用戶的數(shù)據(jù)進

入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過用戶的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O

備，局端將信號解調(diào)出來，再轉到外部的Internet。

6、PLC的I/O接線圖

傳感器信號占用6個輸入點，留出2個點提供給急停按鈕

和啟/停按鈕作本地主令信號，則所需PLC/O點數(shù)為8點輸

入、3點輸出。選用西門子S7-222AC/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接線原理如圖

8-11所示。

第五章順序功能圖

(附后)

第六章參考程序

1、編程要點

(1).料臺伸出氣缸在未得電時是伸出的。

(2).在檢測到有料時，應延時一段時間再夾緊，否則

可能會造成物料還沒有到位就夾緊而夾不住物料。

(3).在一個循環(huán)結束時，等物料被機械手拿走之后，

再讓程序回到初始等待步，否則程序會因為仍檢測物料而循

環(huán)加工。

2、加工單元的編程要點

2.1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2種主令信號,

只能由軟件編程實現(xiàn)，實現(xiàn)方法在第三章中已經(jīng)闡述，這里

不再重復。本單元的急停按鈕是當本單元出現(xiàn)緊急情況下提

供的局部急停信號，一旦發(fā)生，本單元所有機構應立即停止

運行，直到急停解除為止；同時，急停狀態(tài)信號應回饋到系

統(tǒng)，以便協(xié)調(diào)處理

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圖4-8加工單元PLC的I/O接線原理圖

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圖8-10加工單元的順序功能圖

2.2加工單元的工藝過程也是一個順序控制：物料臺的物

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