MPS生产系统的总体方案的设计和总体布局.docx
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MPS生产系统的总体方案的设计和总体布局
1绪论
经过各种制造系统的不断发展和演替,目前最主流的制造系统是融合了机械控制和电气控制技术为一体的综合性自动化控制系统-MPS系统。
该系统运用了电机驱动、气动、PLC、传感器等多种技术,实现了机电一体化技术在工业控制中的实际应用。
通常该系统有6个工作站,为供料、检测、加工、搬运、分拣和分类存储。
MPS系统一般由多个可单独编程的工作单元组成,每个单元之间的握手信号可以通过I/O方式实现,也可以通过总线方式实现。
PLC是在电气控制技术和计算机技术的基础上,专门为工业过程控制而设计的控制设备,在工业控制领域中应用非常广泛,被公认为现代工业自动化的三大支柱(PLC﹑机器人﹑CAD/CAM)之一。
本课题的研究将采用应用广泛的西门子S7-200系统作为模块化生产线的控制系统。
1.1课题研究背景及意义
在全球机械行业竟争日益激烈的大背景下,国外的发达国家纷纷将柔性制造系统作为发展的重要战略,全球的制造业正在进入模块化生产的时代,我国应顺应制造业的潮流,在制造业中大力发展及应用模块化系统。
因此,模块化系统在机械行业中越来越显得尤为重要。
MPS综合应用了气动控制、机械、电工电子、传感器、PLC控制技术等。
它可以模拟出跟实际生产相似的控制过程。
该系统还可以用于自动化生产线教学仿真,国际机电一体化技能大赛的考核设备,全国高职高专职业技能大赛自动生产线项目的考核设备等等。
所以,对MPS系统的设计有助于我国机械工业的良好发展。
1.2MPS系统整体介绍
1.2.1模块化生产系统
模块化生产系统的组成部分具有一定的独立功能,子系统能按照一定的规则相互关联组成更复杂的系统。
模块化制造系统是针对技术难度一般的产品的新的制造系统,是在标准化和模块化的系统下建立起来的柔性制造系统。
其模块化可以迅速的组装成为制造系统,在制造方面具有高效率和高柔性的特点。
1.2.2模块化生产系统的关键技术
MPS生产系统采用了电感应式、光电式、漫射式光电传感器,这些元件用来采集开关数字信号。
然后把这些数字信号输入核心部件PLC的印象寄存器,通过里面的程序处理输入信号,最后把处理的结果送给输出印象寄存器,来驱动电机、气动控制元件、气动执行元件和机械手等。
PLC直接与MPS自动线相连,接收自动线上的位置信号和检测元件输入的信号,将其进行处理,从而输出各种控制信号,控制各种气缸的工作,进而控制电机的起停,吸盘的吸放等。
1.2.3MPS系统较其它制造系统的显著特点
(1)融合了机械结构、液压技术、气动技术、电气控制技术、传感技术以及PLC技术等。
(2)各个单元之间的控制具有相对的独立性及相关联性。
(3)系统的各个单元间的控制模块具有很强的扩展性
(4)该系统的各个单元可以相对独立的工作,相关单元之间又可以关联起来实现复杂的系统功能。
(5)该系统具有灵活性、集成性、专业性、模块化等特性
(6)具有很好的安全性
1.3课题研究方向
本设计研究的内容主要涉及下几个方面:
(1)完成MPS生产系统的总体方案设计和信号流程图设计;
(2)完成系统硬件系统设计;
(3)完成接线板PCB制版设计;
(4)给出编程定义地址并配合软件设计人员完成系统整合。
1.4课题研究的目标
根据课题要求,应用已学过的理论知识及所查阅的相关资料,结合实验室已有设备,进行基于PLC控制的MPS硬件系统设计。
通过本次毕业设计,掌握模块化生产的实际应用,掌握PLC在系统控制方面的应用及其优势,进一步提高理论联系实际的能力,提高自己解决问题时可以制定整体方案的能力。
为今后踏入职场做好应有的准备。
2MPS生产系统的总体方案设计
2.1生产线总体设计方案
根据产品的特性,生产线的设计方案会有多种,其中有转台式生产线,直线式生产线等多种工艺生产线。
转台式生产线应用于大批量,同规格的产品生产。
但是,我们要设计适合多品种,数量少的生产系统。
考虑本校实验室现有的设备以及考虑设计需要等方面,我们采用直线式生产线。
采用直线式生产线,它的工件加工顺序为供料检测单元、机械手搬运单元、加工单元、安装单元、机械手搬运单元、分类单元,实物布局图如下图2.1所示。
图2.1直线式生产线的实物布局图
2.1.1供料检测单元信号流程
供料检测单元是MPS系统的起始模块,由进料模块和传输带模块构成,其功能就是提供工件,并对自动线上的工件进行检测.对射式光电传感器发出料仓有料的信号时,若按动启动开关,双作用气缸驱动推料杆推料,当推到极限位置时,磁感应85式接近开关因工件的靠近而动作,摆臂开始摆向推料仓的位置,然后,真空开启保证吸取工件后,摆臂再摆向下一站的位置,即检测单元,最后关闭真空,工件就被从供料单元转运到了下一单元,供料单元任务完成。
同时气缸上升到位后进行颜色的检测,最后输出颜色信号和到位信号,并将信号保存。
根据与之前设定的要求比较,将符合要求的工件流出,不合格的则回收处理。
最后执行机构返回原来位置。
如下图2.2为第一站工作流程图:
图2.2第一站工作流程图
2.1.2搬运单元信号流程
搬运单元主要完成供料检测单元提供工件的提取和搬运,即将工件运输到加工单元。
该单元可以实现水平,垂直,以及旋转三个方向的加工要求,因此,本单元最重要的是提取模块。
按下启动按钮后,机械手前臂伸出开始运动,如果前站有工件流出,机械手下降夹工件,夹完工件机械手上升前臂收回,随后右转到位,检测后站位置是否有工件,如果没有工件机械手前臂伸出,机械手下降并且放下工件,然后机械手上升前臂缩回,机械手左转回到原位。
如下图2.3为第二站工作流程图:
图2.3第二站工作流程图
2.1.3加工单元
YES
信号流程
本单元主要包括三部分:
旋转工作台、钻孔和钻孔检测。
本单元共有四个工位,由直流电机驱动工作台的移动,首先将合格的工件放置1号工位,按下启动按钮时,旋转工作台转动1号工位,并通过传感器对其位置是否正确测量,对工件在2号工位进行加工,加工完成后,旋转工作台再转动到3号工位进行质量的检测,并将检测的结果储存起来,接下来检测后的工件被送到4号工位,同时检测结果被转存到另一个存储单元中,4号工位的工件由人工取走并放置于储藏库内。
如下图2.4为第三站流程图:
图2.4为第三站流程图
2.1.4安装单元信号流程
本单元有两个储存桶,可以用来放置黑、白颜色的小工件。
首先会对大工件检测,合格后运到安装工作台上,同时第4站将加工好的小工件安装在加工好的大工件上,接下来将信号发送到第5站,通过机械手将组合后的大小工件集合体运走。
下图2.5第4站的工作的流程图:
图2.5第四站的工作的流程图
2.1.5搬运单元信号流程
在搬运单元中将废品运到废料桶储存,将合格的组合工件放到另一个储存库,分类包装储存。
下图2.6第五站的工作流程图:
图2.6第五站的工作流程图
2.1.6分类单元信号流程
将成品按颜色进行分类,分类后运送到相应的传送带,然后包装并运入立体仓库中。
如下图2.7第六站(立体仓库)工作流程图:
图2.7第六站(立体仓库)工作流程图
2.2各单元的系统硬件设计
2.2.1供料站的硬件设计
供料检测单元的结构:
输入/输出接线端口、传感器、发生器、接近开关、阀组、气源处理组件、进料模块等等。
(1)接线端口
输入/输出接线端口与PLC连接用来进行通信。
该工作单元中的各种电信号通过的线路都接在该端口上,通过传输总线连接到PLC上。
此端口配备有24个输入接线端子和24个输出接线端子,并且各个端子上都有LED显示,用于显示相应的I/O信号状态,作为系统的调试信号。
并且,每个端子用数字标号,来表示端子的位地址。
(2)气源处理组件
气源处理组件用来给系统提供恒定的压力值。
(3)进料模块
进料模块存储工件原料,根据需求进料模块将工件原料放置转运模块。
该模块主要有料仓、推料杆、推料气缸、接近开关及相应的传感器等组成。
进料模块结构图
电感式接近开关
图2.8电感式接近开关的工作原理图
图2.9红外线光电开关及其原理图
位移传感器能够反映料仓中有无储料。
图2.10位移传感器
(4)阀组
将多组阀集成为一个阀称之为阀组,当进行设备调试时,可以采用手控开关对阀组进行控制,进而实现对气路的控制,改变执行机构的状态,得到需要的调试结果。
(5)电器通信接口地址
模块化生产系统中的所有单元都是采逻辑编程器控制的,每个单元与PLC之间的通信电路连接是通过上面介绍的输入/输出接线端口实现的。
在MPS系统中,各单元与PLC的通信可以采用总线的方式来实现。
当采用总线时,这些在PLC模板上的地址就相应的固定了。
位地址的确定是很容易的,只需知道各期间是接到I/O接线端口的哪一位便可,因为这种电器通信接口的I/O接线端口的位与PLC模板的位是相互对应的。
(6)识别模块
由不同功能的传感器组成,其中有电感、电容和漫射式光电传感器等组成,功能为识别工件的颜色,检测工件的材质,并且不限于识别金属材质,其它材质的工件同样可以识别。
传感器信号的真值表如表2.1所示。
表2.1识别模块传感器信号的真值表
传感器
金属银白色
非金属红色
非金属黑色
电感式接近开关
1
0
0
光电式接近开关
1
1
0
电容式接近开关
1
1
1
(7)供料单元的主要技术数据
气源工作压力:
最小0.3Mpa,最大0.5Mpa。
I/O接口:
开关量,6个输入/5个输出。
输入用于传感器信号的传输,输出用于执行机构的控制信号的传输。
2.2.2搬运站的硬件设计
搬运单元主要实现提取工件、按照要求将工件分流的功能。
本单元主要由提取模块、滑槽模块、气源处理组件、输入/输出接线端口、阀组、真空发生器、真空检测传感器组成。
(1)接线端口
接线端口输入/输出接线端口与PLC连接用来进行通信。
该工作单元中的各种电信号通过的线路都接在该端口上,通过传输总线连接到PLC上。
此端口配备有24个输入接线端子和24个输出接线端子,并且各个端子上都有LED显示,用于显示相应的I/O信号状态,作为系统的调试信号。
并且,每个端子用数字标号,来表示端子的位地址。
(2)提取模块
提取模块相当于“气动机械手”,由提取气缸、摆臂气缸、一个转动气缸及支架等构成。
提取气缸安装在摆臂气缸的气缸杆的前端,以垂直运动的方式提取工件。
同时该气缸在结构上为空心结构,兼做气路使用;活塞位于气缸杆的中间,这样可以使气缸的两端都能露在缸体的外侧。
气缸杆的上端装有导气管,气缸杆的下端装有机械手,这样机械手可以提取工件。
在提取气缸的两个极限位置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(极限位置)。
摆臂气缸安装在转动气缸的输出转轴上。
转动气缸用于实现摆臂气缸的转动,活动范围为180°。
同样在气缸的两个极限位置装有磁感应式接近开关,来判断气缸的动作是否到位(极限位置)。
值得注意的是该转动气缸的结构与供料单元的转动气缸的结构有着明显的区别。
(3)阀组
此处的阀组机构由4个电磁阀构成,当中3个为带手控开关的双侧电磁先导控制阀,剩下的一个为带手控开关的单侧电磁先导阀。
(4)搬运单元的主要技术数据
气源工作压力:
最小0.3Mpa,最大0.5Mpa。
I/O接口:
开关量,7个输入/7个输出。
输入用于传感器信号的传输,输出用于执行机构的控制信号的传输。
2.2.3加工站的硬件设计
加工单元可以对工件进行钻孔加工和钻孔质量检测。
加工单元主要由旋转工作台模块、钻孔模块、钻孔检测模块组成。
其结构图如下
(1)接线端口
输入/输出接线端口与PLC连接用来进行通信。
该工作单元中的各种电信号通过的线路都接在该端口上,通过传输总线连接到PLC上。
此端口配备有24个输入接线端子和24个输出接线端子,并且各个端子上都有LED显示,用于显示相应的I/O信号状态,作为系统的调试信号。
并且,每个端子用数字标号,来表示端子的位地址。
(2)旋转工作台模块
旋转工作台模块的旋转主要有工作台固定底盘,旋转工作台,传动齿轮及定位凸轮,直流电机,各种相应的传感器等组成。
直流电机作为驱动工作台旋转的动力源,工作台的转动可以实现工件在各个工位上的加工正确。
(3)钻孔模块
钻孔模块主要是对工件进行钻孔。
(4)检测模块
该检测模块用来校验钻探结果。
其工作原理是:
通过气缸的运动是否到位来判定加工是否合格。
其中气缸的位置可以通过安装在气缸两端的磁感应式接近开关来获得相应的测量数据。
(5)继电器
采用继电器的触点控制电机的供电电路的接通与断开,同时采用PLC的数字量输出信号来控制继电器的线圈,这样可以实现电机的逻辑化控制。
(6)阀组
阀组包括三个电磁阀,其中一个为带手控开关的双侧电磁先导控制阀,其余两个均为带手控开关的单侧电磁先导控制阀。
(7)加工单元的主要技术数据
气源工作压力:
最小0.3Mpa,最大0.5Mpa。
I/O接口:
开关量,8个输入/6个输出。
输入用于传感器信号的传输,输出用于执行机构的控制信号的传输。
2.2.4安装站的硬件设计
安装单元的功能为将大小不同的工件进行组装。
该单元主要由安装台、提取模块、滑槽模块、气源处理组件、I/O接线端口、阀组、真空发生器、真空检测传感器等组成。
(1)接线端口
接线端口输入/输出接线端口与PLC连接用来进行通信。
该工作单元中的各种电信号通过的线路都接在该端口上,通过传输总线连接到PLC上。
此端口配备有24个输入接线端子和24个输出接线端子,并且各个端子上都有LED显示,用于显示相应的I/O信号状态,作为系统的调试信号。
并且,每个端子用数字标号,来表示端子的位地址。
(2)提取模块
提取模块相当于“气动机械手”,由提取气缸、摆臂气缸、一个转动气缸及支架等构成。
(3)阀组
本单元的阀组有4个电磁阀组成,其中3个为带手控开关的双侧电磁先导控制阀,另一个为带手控开关的单侧电磁先导阀。
(4)安装单元的主要技术数据
气源工作压力:
最小0.3Mpa,最大0.5Mpa。
I/O接口:
开关量,7个输入/7个输出。
输入用于传感器信号的传输,输出用于执行机构的控制信号的传输。
2.2.5搬运站的硬件设计
搬运单元的功能为对工件进行搬运和分类。
该单元主要由提取模块、滑槽模块、气源处理组件、I/O接线端口、阀组、真空发生器、真空检测传感器组成。
(1)接线端口
接线端口输入/输出接线端口与PLC连接用来进行通信。
该工作单元中的各种电信号通过的线路都接在该端口上,通过传输总线连接到PLC上。
此端口配备有24个输入接线端子和24个输出接线端子,并且各个端子上都有LED显示,用于显示相应的I/O信号状态,作为系统的调试信号。
并且,每个端子用数字标号,来表示端子的位地址。
(2)阀组
本单元的阀组有4个电磁阀组成,其中3个为带手控开关的双侧电磁先导控制阀,另一个为带手控开关的单侧电磁先导阀。
(3)搬运单元的主要技术数据
气源工作压力:
最小0.3Mpa,最大0.5Mpa。
I/O接口:
开关量,7个输入/7个输出。
输入用于传感器信号的传输,输出用于执行机构的控制信号的传输。
2.2.6分类站的硬件设计
分类站的功能为依据工件材质或颜色进行分类。
依据照颜色将工件分送到3个滑槽中。
分类单元主要由分拣模块、滑槽模块、气源模块、起源处理组件、I/O接线端口、阀组、继电器、对射式光电传感器和反射式光电传感器组成。
(1)接线端口
接线端口输入/输出接线端口与PLC连接用来进行通信。
该工作单元中的各种电信号通过的线路都接在该端口上,通过传输总线连接到PLC上。
此端口配备有24个输入接线端子和24个输出接线端子,并且各个端子上都有LED显示,用于显示相应的I/O信号状态,作为系统的调试信号。
并且,每个端子用数字标号,来表示端子的位地址。
(5)阀组
本单元阀组由3个阀组组成,分别用于控制2个导向气缸和1个挡料气缸,在结构上,它们都是带手控装置的单控电磁阀。
(6)分类单元的主要技术数据
气源工作压力:
最小0.3Mpa,最大0.5Mpa。
I/O接口:
开关量,6个输入/4个输出。
输入用于传感器信号的传输,输出用于执行机构的控制信号的传输。
3MPS控制系统的设计
3.1总体控制系统方案的设计
本系统的各个单元都具有独立的PLC控制,要完成复杂的系统功能,需要将各个工作单元联系起来。
各个单元之间的信号可以采用I/O方式,也可以采用总线的方式来实现。
这样,前一个单元PLC的输出口与后一个单元PLC的输入口相连以达到相互通信的目的。
其中前一站向后一站发送控制信号是通过传感器来实现的。
3.2各单元控制系统设计
3.2.1供料单元控制系统设计
(1)该单元采用两个磁感应接近开关用于检测供料站有无工件和气缸是否到位、光电式传感器用于检测料仓是否有料;
(2)一个用于控制该单元的PLC;
(3)PCB接线板设计,用于连接各传感器,特制按钮输入信号以及PLC控制执行元件输出信号。
3.2.2搬运单元控制系统设计
(1)该单元采用两个磁感应接近开关用于检测机械手的两个极限位置;
(2)一个用于控制该单元的PLC;
(3)PCB接线板设计,用于连接各传感器,特制按钮输入信号以及PLC控制执行元件输出信号。
3.2.3加工单元控制系统设计
(1)电感式接近开关传感器用于判断工作台的转动位置、光电式传感器用于检测每个工位上是否有工件、电容式传感器用于检测工件的颜色;
(2)一个用于控制该单元的PLC;
(3)PCB接线板设计,用于连接各传感器,特制按钮输入信号以及PLC控制执行元件输出信号。
3.2.4安装单元控制系统设计
(1)磁感应式接近开关用于检测气缸的极限位置;
(2)一个用于控制该单元的PLC;
(3)PCB接线板设计,用于连接各传感器,特制按钮输入信号以及PLC控制执行元件输出信号。
3.2.5搬运单元控制系统设计
(1)该单元采用两个磁感应接近开关用于检测机械手的两个极限位置;
(2)一个用于控制该单元的PLC;
(3)PCB接线板设计,用于连接各传感器,特制按钮输入信号以及PLC控制执行元件输出信号。
3.2.6分类单元控制系统设计
(1)该单元中还安装了一个反射式光电接近开关,用于检测是否有工件进入到滑槽中存放的工件是否已满槽。
(2)一个用于控制该单元的PLC。
(3)PCB接线板设计,用于连接各传感器,特制按钮输入信号以及PLC控制执行元件输出信号。
3.3PLC的选型
S7-200系列PLC是针对简单控制系统而设计的小型PLC,采用集成式、紧凑型结构,一般适用于I/O接口点数为100点左右的单机设备或小型应用系统。
其中,S7-200CN实在S7-200的优良品质和卓越性能的基础上专为中国用户开发的本土化产品。
其中S7-200有显著的特点,比如,具有功能强大的指令集,丰富强大的通讯功能,编程软件的易用性等特征。
其CPU的结构见下图3.1。
图3.1S7-200的结构
S7-200具有不同的CPU型号,例如,CPU221/CPU222/CPU224/CPU224XP/CPU226。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供选择使用。
PLC型号介绍,S7-200选用CPU224。
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
3.4MPS系统各单元的I/O地址表
3.4.1供料单元地址表
供料单元输入/输出地址分配
输入
功能
输出
功能
I0.0
START
Q0.0
STAR
I0.1
STOP
Q0.1
STOP
I0.2
手/自
Q0.2
自动
I0.3
单/联
Q0.3
联机
I0.4
复位
Q0.4
复位
I0.5
停止
Q0.5
故障报警
I0.6
检验有无工件
Q0.6
推料
I0.7
供料位置检测
I1.0
颜色检测
I1.1
上升到位
I1.2
下降到位
3.4.2搬运单元地址表
搬运单元输入/输出地址分配
输入
功能
输出
功能
I0.0
START
Q0.0
机械臂左转到位
I0.1
STOP
Q0.1
机械臂右转到位
I0.2
手/自
Q0.2
水平臂缩进到位
I0.3
单/联
Q0.3
水平伸出进到位
I0.4
复位
Q0.4
气爪松开
I0.5
停止
Q0.5
气爪抓紧
I0.6
机械臂左转到位
Q0.6
气爪下降到位
I0.7
机械臂右转到位
I1.0
水平臂缩进到位
I1.1
水平伸出进到位
I1.2
气爪松开
I1.3
气爪上升到位
I1.4
气爪下降到位
3.4.3加工单元地址表
加工单元输入/输出地址分配
I1.3
位移传感器下降到位
I1.4
小气缸缩进到位
I1.5
小气港伸出到位
3.4.4安装单元地址表
安装单元输入/输出地址分配
I0.0
START
Q0.0
STAR
I0.1
STOP
Q0.1
STOP
I0.2
手/自
Q0.2
自动
I0.3
单/联
Q0.3
联机
I0.4
复位
Q0.4
复位
I0.5
停止
Q0.5
故障报警
I0.6
机械臂安装到位
Q0.6
机械臂复位
I0.7
机械臂复位到位
Q0.7
机械臂安装
I1.0
料筒缩进到位
Q1.0
料筒缩进
I1.1
料筒伸出到位
Q1.1
料筒伸出
I1.2
推料缩进到位
Q1.2
抽真空
I1.3
推料伸出到位
Q1.3
推料伸出
3.4.5搬运单元地址表
搬运单元输入/输出地址分配表
输入
功能
输出
功能
I0.0
START
Q0.0
STAR
I0.1
STOP
Q0.1
STOP
I0.2
手/自
Q0.2
自动
I0.3
单/联
Q0.3
联机
I0.4
复位
Q0.4
复位
I0.5
停止
Q0.5
故障报警
I0.6
长缸缩进到位
Q0.6
长缸缩进
I0.7
长缸伸出到位
Q0.7
长缸伸出
I1.0
短缸缩进到位
Q1.0
短缸缩进
I1.1
短缸伸出到位
Q1.1
短缸伸出
I1.2
臂下降到位
Q1.2
气爪抓紧
I1.3
臂上升到位
Q1.3
气爪松开
I1.4
Q1.4
臂下降
3.4.6分类单元地址表
分类单元输入/输出地址分配
输入
功能
输出
功能
I0.0
START
Q0.0
STAR
I0.1
STOP
Q0.1
STOP
I0.2
手/自
Q0.2
自动
I0.3
单/联
Q0.3
联机
I0.4
复位
Q0.4
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