模块化生产加工单元实训.doc

设备故障诊断与维修综合实训
项目技术总结

目录
第一章、任务描述 2
1. 意义 2
2. 任务 2
3. 实施 2
第二章 调研 3
1. 国内外概况 3
2. 调研结论 3
3. 技术参数 3
第三章、方案设计 5
1、机械结构方案 5
2、气动方案 6
3.2.1 传感器的简介以及分类 6
3.2.2传感器工作原理及应用 7
3.2.3 气动部件的选用 9
3.2.4气动部件的简要分析 10
3、控制设计 10
第四章、技术设计 11
1、气动元件选型 11
2、电气元件选型 14
3、重要部件描述 15
第五章、硬件设计 16
1、I/O地址表 16
2、电源 17
第六章、软件设计 17
1、顺序功能图 17
2、PLC程序图 18
第七章、调试 28
1、测试设计 28
2、过程 28
3、故障 28
第八章、体会 28
1、存在的问题 28
2、致谢 29

第一章、任务描述
1. 意义
模块化生产培训系统(MPS，Modular Production training System)是一种模拟自动化生产加工单元。它可以大量代替单调往复或高精度的工作，用以满足前沿产品和自动化设备更新的需要。基于MPS 装置即模块化加工系统，其典型应用就是物料分拣过程，所涉及的内容包括传感器技术，自动控制原理，气动和电气控制，电气安装和机械安装以及PLC人机界面。一个适合的物料分拣系统可以减轻工人的劳动强度，提高分拣的质量，提高劳动生产率。通过MPS控制系统的研究与开发，进一步熟悉电子、机械、气动、传感器和PLC等方面的知识，达到了知识巩固与提高的目的，有增强了学生的动手能力。

通过本系统的训练，将理论与实际相结合，可以掌握自动化生产系统的设计、制造、运行、维护维修等技能。可以获得气动、电气动、工程控制、传感器和电子方面的知识；使我们将所学到的专业知识得到了充分的综合应用的同时，我们的学习能力、独立思考能力、组织能力等综合能力及创新精神和团队合作精神得到了全面的锻炼和提高。

2. 任务
熟悉加工单元结构组成，制定程序编写计划，根据控制任务的要求在考虑安全、效率、工作可靠性的基础上，选择合适的编程语言，在PC机上进行加工单元PLC控制程序的编写，下载，完成调试，并对程序进行综合评价。
知识方面：掌握机电一体化系统常用控制形式；STEP7并行程序机构设计方法；掌握定时器、计数器指令的使用方法等
技能方面：根据控制要求制定控制方案，编制工艺流程；熟悉STEP7软件，能够正确设置语言、通信接口、PLC等技术参数；根据控制要求，正确编写并控制程序；编制程序设计报告等。

3. 实施
工件通过机械手搬入四工位转台机构；四工位转分别设置为一号待料工位、二号钻孔工位、三号深度检测工位、四号卸料工位，分别间隔90°转角。当工件被机械手搬进检测待料工位后，转台机构逐次旋转90°，钻孔机构模拟钻孔，深度检测机构检测孔深。当工件转至第四工位时通知下搬运单元的机械手实施卸料工作。
分析系统的整体功能部分，将系统按工位分为，第一工位进料检测部分，第二工位钻孔部分，第三工位钻孔检测部分，第四工位卸料部分。仔细分析各个部分，每个部分再细分为机械部分和电气（包括控制）部分。然后根据要求绘制各部分的机械图，电气原理图，I/O端子接线图。然后，对各种传感器，气缸，阀等气动元件进行选型。
第二章 调研
1. 国内外概况
模块化生产加工系统又叫MPS，该系统是从德国费斯托公司引进的一套实训装置，用以模拟实际工业生产中大量复杂控制工程，包括供料单元，检测单元，加工单元，操作手单元，组装单元，成品分装单元，机械手单元，传送带单元，立体仓库单元。具有模块化、综合性和易扩充等特点。目前各大高校都引入了该系统，明显提高了教学质量，学生通过不同的角度对该系统深入了解，同时结合生产实际对专业领域有更进一步的学习。
国内的该方面的厂商主要有亚龙教育装备，天煌教仪，济南首创电子设备有限公司等。济南首创电子设备有限公司生产的模块化生产加工系统该柔性生产线实训系统是为提高学生动手能力和实践技能而设计、生产的一套实用性实验设备。该装置由多个各自独立而又紧密相连的工作站组成，适用于机电一体化、自动化、自动控制等相关专业的实训与实习。该实验装置具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制。将各个模块分开培训可以容纳较多的学员同时学习。在基本单元模块培训完成以后，又可以将相邻的两站、三站…直至八站连在一起，学习复杂系统的控制、编程、装配和调试技术，配合一定数量的电脑，可同时开展约20个工位的实习实训。

2. 调研结论
该实验装置的一大显著特点是：具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制。几个站可以分开单独运行，又可以将相邻的两站、三站…直至8站连在一起，学习复杂系统的控制、编程、装配和调试技术。本系统采用敞开式安装、模块化形式，各模块便于教学、易于搭建、拆卸和维护。通过本系统的学习，学生可以获得气动、电气动、工程控制、传感器和电子方面的知识。 通过实训，使学生所学到的专业知识得到了充分的综合应用的同时，学生的学习能力、独立思考能力、组织能力等综合能力及创新精神和团队合作精神得到了全面的锻炼和提高。 系统能自动完成自动供料、取料、装配的功能。
3. 技术参数
整体尺寸 500(W)X750(D)X1216(H)㎜  
电源 AC 220V, 50Hz 
过载或短路保护 
工作电压 DC 24V, 2A  
气动元件工作压力 4.0～4.5bar  
组件 
工作台 尺寸 500×750×825mm 
材质 铝型材架体、T型槽铝板 带脚轮 
空气单元 
压力范围 0.4～0.8MPa 
空气过滤器,润滑器、压力调节阀、关闭阀 
过滤精度 5㎛ 联结器尺寸 G1/4 
额定流量 550 ℓ/min 
钻孔部分 
升降气缸 行程 50 mm 
电磁接近开关流量控制旋钮 
缸径 16 mm 
模拟电机 DC 24V 
夹紧气缸 直径 10mm 带接近开关 行程 15mm 
检测气缸 直径 10mm 带接近开关和流量控制 行程 45mm 
带电机旋转台 
工作电源 DC 24V  
旋转速度 10RPM 
电容传感器 工作电源 DC 24V  尺寸 M18 感应距离 8mm 
电感传感器 工作电源 DC 24V  尺寸 M8 感应距离 1.4mm 
电磁阀组 二位五通单控电磁阀 2个 
三位五通双控电磁阀 1个 
 控制方式 
PLC控制
第三章、方案设计
1、机械结构方案

旋转工作台
旋转工作台模块主要是由旋转工作台、工作 台固定底盘、定速比直流电动机、定位块、电感式接近开关传感器、漫反射式光电传感器、支架等组成。
在转动台上有四个工位，用于存放工件。每个
工位下面都有一个圆孔，用于光电传感器对工件的
识别。电感式接近开关传感器用于判断工作台的转
动位置，以便于进行定位控制。
钻孔部分
钻孔部分主要由钻孔气缸、钻孔电机、夹紧气缸等组成。
钻孔部分用于实现钻孔加工过程。在钻孔气缸的两端、夹紧气缸的两端都安装由磁感应式接近开关，分别用于判断两个气缸运动的两个极限位置
检测部分
检测部分用于实现对钻孔加工结束的模拟检测过程。检测模块主要由检测气缸、检测气缸固定架、检测部分支架及磁感应式接近开关组成。
继电器
继电器k1、k2，分别用于控制钻孔电机和工作台电机。（如图1.3所示）
2、气动方案
3.2.1 传感器的简介以及分类
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。
1)传感器的组成
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2.6所示
图2.6 传感器的组成

2）常用传感器的分类
作为实现传感功能的基本器件，传感器的分类方法很多，

a、按传感器能量变换关系进行分类
按能量变换关系，传感器分为发电型传感器和参量型传感器。
b、按传感器输入量(即被测参数)进行分类
按输人量分类，传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等。
c、按传感器的输出量进行分类
按输出量分类，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量，数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。
d、按传感器工作原理进行分类
按传感器的工作原理为依据分类，可分为电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。
3.2.2传感器工作原理及应用
1）电感式接近开关
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、电感式接近开关的分类
（1）按工作电源的性质进行分类
①流型：采用交流电源供电，用于交流控制回路。
②流型：采用直流流电源供电，用于直流控制回路。
（2）按接线方式进行分类
①二线制 ②三线制 ③四线制 ④五线制 ⑤ 六线制
（3）按触点的性质分类
①常开式 ②常闭式 ③ 常开与常闭混合式
（4）按输出逻辑分类
①正逻辑型 ②负逻辑型 ③浮空逻辑型 ④混合型
（5）按外形分类
① 螺纹型 ② 圆柱型 ③ 长方体型 ④ U型等
（6）按防护方式分类
① 防水型 ② 防爆型 ③ 耐高温型 ④ 耐高压型等
c、电感式接近开关的图形符号
接近开关通用符号如图2.7所示，电感式接近开关如图2.8所示。
图2.7 接近开关通用符号

图2.8 电感式接近开关图形符号

d、电感式传感器的特点
无机械磨损和撕扯动作，因此使用寿命长；不会因灰尘或触点焊接在一起而出现故障；无触点反弹，因此无切换故障；切换频率高达3000Hz；抗震；安装位置随意；黄色LED显示切换状态；完全密闭，防护等级高。
e、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。如图2.9所示。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。
图2.9 电感式传感器的应用

检查有无物体通过

10

3.2.3 气动部件的选用
元件名称
数量
型号
元件符号
气源
1
集中供气

检测气缸（带磁环）
1
  MGPL25-50

可调单向节流阀
6
亚德客三位五通双控

二联件
1
亚德客AFR2000M

换向阀
3
亚德客4A400

夹紧气缸（带磁环）
1
SC32*25*25

提升气缸（带磁环）
1
MGPL25-50

电容传感器
2
PR08-2DN

电感传感器
1
LJ12A3-4

磁感应式接近开关
6
CS1-F

加工单元主要元器件

3.2.4气动部件的简要分析
1）加工检测站单元的结构及工作过程
开始—→检测有无物料传感器，检测有—→旋转工作台电机工作台—→位置检测传感器检测到位—→加工机组气缸伸出同时M1动作—→加工完成—→加工机组气缸收回——→M1停止—→旋转工作台电机工作—→位置检测传感器检测到位—→检测气缸下降、上升—→旋转工作台电机工作—→位置检测传感器检测到位—→等待第五站取工件—→循环开始

2）加工检测站单元气动元件种类及结构符号
a、导向气缸
导向气缸的外形、结构及符号如图所示，导向气缸的应用如图所示。
双作用双活塞式气缸，行程长度250mm，用于机械手单元X轴的左右伸缩，双活塞气缸是由两个活塞进行驱动的，因此在相同高度的情况下能产生2倍于标准气缸的推力。
双作用双活塞式气缸，行程长度80mm，用于机械手单元Y轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。

图3.5 导向气缸的外形、结构及符号
导向气缸

图3.6 导向气缸在系统中的应用

3、控制设计
（1）上电时要求先点亮允许复位指示灯，按复位按钮，个工作部位应回到初始状态（电磁夹紧装置释放、孔深检测电磁装置复位、电磁拨叉复位、钻磨电机控制继电器释放、工作台电机控制继电器释放、钻磨装置下降控制继电器释放、钻孔装置上升控制继电器并设置本站忙标志）。
（2）按复位按钮工作部件回到初始位置后应点亮允许启动指示灯，按启动按钮工作单元开始工作。
（3）工作单元开始工作后，如果下游站处于空闲状态且本站工作输入位置有工件，则旋转工作台转动。旋转工作台转动过程中，如果定位传感器动作。则旋转工作台停止准备进行孔深检测机钻磨。
（4）如果孔深检测工位有工件，则执行孔深检测；钻磨工位有工件，则执行钻磨；输出位置有工件，则由电磁拨叉将工件送到下游站。如果3个工位都有工件，则同时执行孔深检测、钻磨及输出操作，同时结束本次工作循环。
在输出位置如果又合格工件，则点亮允许复位指灯。
第四章、技术设计
1、气动元件选型
气动元件选择 
自动化模块化生产线—加工站所使用的气动执行包括普通气缸和三轴气缸两种，三轴气缸选择的是SMC气缸MGPL25-50薄型带导杆三轴气缸，三轴气缸在精度以及安全上都要好于普通气缸。气缸工作时比较电磁阀安装在工作台导轨上，方便接线、接管调试。本设备使用到的气动控制元件包括两位五通单电控电磁阀、两位五通双电控电磁阀。
提升气缸

夹紧气缸

检测气缸

气动回路图

2、电气元件选型
直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时直流发电机，将机械能转换为电能。

减速机在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。按照传动级数不同可分为单级和多级减速机；按照齿厂轮形状可分为圆柱齿轮减速机、圆锥齿轮减速机和圆锥－圆柱齿引轮减速机；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同进轴式减速机。减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间的减速传动装置 。在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。

3、重要部件描述
可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制技术。目前已被广泛应用于各个领域。可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制而设计制造的，早期的可编程控制器被称为可编程逻辑控制器。后来的可编程控制器以微处理器为核心，功能不仅限于逻辑控制，所以又将其称为Programmable Controller，简称PLC。
PLC的应用广泛、功能强大，是现代工业自动化的主要设备之一。PLC在现代工业中使用十分广泛，随着科技的不断发展，其功能也越来越多，不仅仅用于逻辑控制。越来越多的生产厂家生产出性能优越的PLC。PLC已经应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。
所以MPS05模块化自动化生产线选择PLC来实现控制功能。本设备三站选用西门子可编程控制器S7-200型PLC，CPU型号为214C。PLC自带两路模拟量输入，集成PROFINET接口[11]，使得编程、调试过程以及控制器和人机界面的通信可以全面地使用工业以太网技术；同时集成高级功能，如脉冲输出、高速计数、运动控制等。它的设计具备可扩展性和灵活性，使其能够精确完成自动化任务对控制器的复杂要求。CPU本体可以通过嵌入输入/输出信号板完成灵活扩展，信号板嵌入在CPU模块的前端，可以提供两个数字量输入/数字量输出接口或者一个模拟量输出。
第五章、硬件设计
1、I/O地址表
名称
地址
功能
按钮开关
I1.0
启动按钮
按钮开关
I1.1
停止按钮
转换开关
I1.2
自动/手动转换
按钮开关
I1.3
复位按钮
电容传感器
I0.0
第一工位物料检测
电感传感器
I0.1
转台转动检测
磁感应式接近开关
I0.2
夹紧气缸前位检测
磁感应式接近开关
I0.3
夹紧气缸后位检测
磁感应式接近开关
I0.4
升降缸上位检测
磁感应式接近开关
I0.5
升降缸下位检测
磁感应式接近开关
I0.6
检测气缸上位检测
磁感应式接近开关
I0.7
检测气缸下位检测
继电器
Q0.0
钻孔电机启动
继电器
Q0.1
旋转台电机启动
电磁阀3Y1
Q0.2
控制升降气缸上升
电磁阀3Y2
Q0.3
控制升降气缸下降
电磁阀3Y4
Q0.4
夹紧气缸工作
电磁阀3Y3
Q0.5
检测气缸工作
分支电动机
Q0.6
工件传送到下一站
光电式传感器
Q0.7
向上一站发送信号
指示灯
Q1.0
启动指示灯
指示灯
Q1.1
复位指示灯

2、电源

主电路采用AC220V，控制电路采用DC24V。
第六章、软件设计
1、顺序功能图
第三站程序流程图如图1所示，按下上电按钮，上电灯亮，设备可以工作。按下复位按钮，分度转盘旋转，当定位检测传感器检测有信号，分度转盘停止。放置工件，按下开始按钮，开始灯亮，左检测传感器检测到有信号，气动分度盘转动，当定位检测传感器再次检测到信号存在，分度转盘停止旋转，夹紧气缸伸出固定工件，夹紧气缸伸出后将信号传递给三轴气缸，三轴气缸伸出，电动螺丝刀模拟加工，当扭矩达到标定值时，电机停止加工，三轴气缸缩回。夹紧气缸与三轴气缸都缩回时，将信号传递给分度转盘，分度转盘旋转，当定位传感器再次检测到信号存在，分度转盘停止旋转，右位置检测传感器检测是否有信号存在，如果有发信息给下一站前来取料，如果没有信号，工位停止不动。待下一工位将工件搬运走后，重复以上所述动作。

程序流程图

顺序功能图
2、PLC程序

第七章、调试
1、测试设计
1.1、首先，在电脑上运行仿真PLC程序，看看程序编写是否有错误，功能是否完整，各部分是否按预期结果运行。
1.2、观察机械部分，各执行机构安装是否正确。气动部分，气管接头处是否接紧，各顶杆伸出是否会互相干扰。
1.3、待以上都准确无误，将PLC程序下载到PLC中，运行程序，并观察结果。
2、过程
2.1、按下上电按钮，上电灯亮，表示系统可以运行。
2.2、在单站情况下，按下开始按钮，系统开始运行，人工将工件放置在工位I上，工位下方的传感器检测到工件的存在，夹紧气缸自动夹紧工件，并给步进电机一个信号使分度转盘自动旋转90度到工位II。
2.3、然后三轴气缸伸出，加工电机旋转并拧紧螺丝。加工完成后电机停止旋转，气缸自动缩回。然后分度转盘再次旋转90度，到达工位III，工位III下方的传感器检-测到工件的存在后夹紧气缸自动解锁，拿下工件后一个循环结束。
2.4、在联网的状态下，由二站将工件传送到工位I上，加工结束，由四站的机械手将工件取走即可。
3、故障
3.1、如果PLC程序仿真未按预期结果运行，则程序有错误，应仔细检查程序。
3.2、如果执行机构安装不合理，应该重新安装，以便确定一个合理的安装方案。
3.3、如果气缸运行不稳定，可能是气压不合理，应调节气压。
3.4、如果气缸活塞杆未到指定位置就动作，可能是传感器位置安装不合理，应重新确定。
第八章、体会
1、存在的问题
此次实验基本上完成了实验要求，但存在不少问题。首先，为保证MPS整个过程的顺利、安全运行，应当设立各个工作站衔接启动的次序，本站是否启动应该受到上一站完成、下一站准备好的信号的双重作用。而此次实验未能达到要求，本站的启动只和本站工件准备好否、转盘是否在初始位置有关；其次，模拟的具体工艺有些未达到，比如在检测时，若工件合格，应设置相应的标志符，若不合格，则设置不合格标志符；并以此来判断是否进行下一步的打磨步骤，而此次实验未达到；还有，钻磨过程大大简化。
实验过程中，磨难颇多。先遇到的问题是怎样将编好的程序下载至相应的PLC单元中，涉及到硬件设置中的相关参数的设定，在老师的指导下顺利的解决了这个问题；再者，程序出现的问题，未实现相应的功能，复位、开始、停止按钮对应的功能实现等等，在编程的过程中一定要牢牢树立程序顺序执行、返回执行等的结合。
在调试时，应该有人守候在设备旁，时刻注意设备的运行情况，一旦发生执行机构相互冲突的事件应及时操作保护设施，如切断设备执行机构的控制信号回路、切断气源，以免造成设备的损伤。建议在调试时，先将安装在加紧气缸杆前端的夹紧装置和安装在检测气缸杆上的探测装置拆掉，以免在调试过程中由于程序错误而发生转动工作台和他们之间的冲突，从而避免设备的损坏。在程序调试完毕后，再将其恢复。
2、致谢

时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，这也是我们在大学期间做的最后一个实训。春梦秋云，聚散真容易，为期两周的实训也随之进入了尾声。从开始进入课题到技术报告的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！在此我向我的指导老师丁加军老师以及教过我的所有老师表示衷心的感谢，谢谢你们的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢四年里面你们孜孜不倦的教诲！
四年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这四年来我遇到了如此多的良师益友，无论在学习上、生活上，还是工作上，都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在一个充满温馨的环境中度过四年的大学生活。感恩之情难以用言语量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。

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