基于PLC控制的自动化生产线实训设备的设计.pdf

第 2期 总第 1 9 5期 2 O I 6年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAI E NG1 NEERI NG AUT MATI N No． 2 Apr ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 6 0 2 0 1 7 6 0 2 基于 P L C控制 的 自动化生产线实训设备 的设计米 李宽元 ，王 中任 ，陈十力 ， 1 ． 湖北 文理学院 机械与汽车工程 学院，湖北 襄阳 创新 中心 ，湖北 襄 阳4 4 1 o 5 3 汪洋洋 ，王 琪 ，董袖青 4 4 1 0 5 3 ；2 ．汽车零部件 制造装备 数字化 湖北省协 同 摘要 设 计 了基于 P I C控 制的 自动化生产线实训设备 ，开发 了具有冲压 、钻 孔、传送、分拣 等功能 的系统， 实现 了工件 的 自动加工 与分拣 。介 绍 了其电气 、液压和 气压 系统的设 计。该设备 可作 为 P I c课 程 的实验教 学设备和项 目，具有 一定 的推广价值 。 关键 词 P I C；自动化 ；生产线 ；实训设备 中图分 类号 TP 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 随着科技 的进步 ， 社会生产 的 自动化程度 越来越 高 ， 各 种 自动化 生 产 线 得 到 了广 泛 应 用 。为培 养 机 械 自动化专业学生的动手能力以适 应社会发展 的要求 ， 高等院校提供优质 、 全面的实训设备至关重要 。 目前有一些教学设备生产厂家 已经供应了类似的 设备 ， 但这一类设备往往价格较贵 ， 而且实验训练 的内 容不一定能满足各校专业特色教 育的需要 ， 功 能单一 固化 】 j 。因此 ， 本文 提出了一条集机 电液气一体化 以 及视觉检测功能的 自动化加工线， 在实时工况下 ， 通过 对工件的传送 、 加工、 检测 、 分拣和收集以实现 工件加 工的几个步骤， 使学生们既锻炼 了动手能力 ， 又学到了 课本以外的知识。 1 实训设 备 的 总体 结构设 计 本文根据 目前 国内装备制造市场和普通高等院校 机械 自动化专业教学 的实 际需 要 ， 运用 P L C控制编 程 、 电机 驱动 、 液 压气 压驱 动 、 光学检 测 、 机械 手分 检 以 及传感器等多种知识 ， 设计 了一 台实用型 自动线 实训 设备 ， 以实现产品加工的 自动化 、 规模化 ， 满足 高效率 加工的需要。根据设想 ， 本文使用 I n v e n t o r三维软件 对 自动化生产线实训设备进行实体建模 ， 如图 1所示 。 图 2为 自动化 生 产线 实训 设备 的工 艺流 程 图 。该 自动化生产线 由上 料单元、 传送 与夹紧单元 、 冲压单 元、 钻孑 L 单元和分拣单元 5个单元组成 。其中每一个 单元都可构成独立 的系统 ， 同时也是一个机电一体化 的系统。其 中上料单元采用人工叠料 ， 传送 、 夹紧及分 拣单元的执行机构为气压驱动 ， 冲压及钻孔单元 的执 行机构为液压驱动。 系统启动后 ， 推料气缸推出最底层物料 ， 物料的到 位与否由各极限位置 的传感器 检测 ， 各气缸动作相互 联系， 完成上料工作 。上料单元完成上料动作并发 出 信号 ， 由导轨导向的上拖板在夹紧气缸 的带 动下前进 到指定位置 ， 配合固定气缸夹紧物料 。首次加工时 ， 冲 压液压缸动作 ， 完成冲压加工 ， 然后由夹紧气缸后退带 动上拖板松开， 当松开到位后 ， 移料气缸也后退带动上 拖板 、 下拖板及夹紧气缸后退到初始位置 ， 此时上料单 元又送出 一块物料 ， 同时本单元又将 重复该工序 ， 此 时 ， 先前在冲压工位的工件被移至钻孔工位， 新工件又 被移 至 冲压工 位 ， 然后 由 冲压 液 压 缸 与钻 孔 液 压 缸 分 别完成各 自的加工后 ， 再重复工作 ， 当经过 三次动作 后 ， 工件被传送带送到转盘上 ， 采用基于计算机视觉技 术的测量方法对加工后的工件进行检测 ， 剔 除不合格 的工件 ； 最后利用传感器区别不同物料， 并驱动分拣气 缸将各物料送入相应的料槽 内， 待槽内物料积满， 机械 手将 料槽 取走 。 图 1 自动 化生产线实训设备的三维模型 系统启动H 上料H 冲压H 钻孔H 检测、分拣H 结束 图 2 自动化 生产 线实训设备的工艺流程图 2 实训设 备控 制 系统设 计 湖北省高等学校省级大学生创新创业训练计划项 目 2 0 1 4 1 0 5 1 9 0 1 4 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 0 1 ；修订 日期 2 0 1 6 0 2 0 6 作 者简介 李宽元 1 9 9 3 ，男 ，N g N,N人 ，在读本科生 ，专业 为机械制造及其 自动化 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 2期 李 宽元 ， 等 基 于 P I C控制 的 自动化 生产线 实训设备的设计 1 7 7 P L C是整个控制系统 的核心， 主要实现信号 的采 集和处理、 伺服定位控制 、 气动系统控制和系统运行状 态指示等功能 。本文的控制系统 由逻辑控制 电路和 液动 、 气动回路 3部分组成 。液压缸驱动及动力输出由 液动回路完成 ， 气缸驱动及动力输 出由气动 回路完成 ， 而信号处理、 转换、 逻辑功能的实现由控制电路完成 。 2 。 1 P L C的 I ／ 0 分 配与 外部接 线 根据该 自动化生产线工艺流程的分析， 结合该 自 动线的控制要求 ， 选用西 门子 S 7 2 0 0型号 的 P L C控 制器 ， 绘制出 P I C外部接线图如图 3 所示 。 X - CO M X - 24 V S7 2 0 0 C PU 2 2 6 ． 萋 蓁 蓁 ／／ ＼ 床 料 料 料 料 紧 色 下 动 动 动 动 动 灯 ＼ 钻 作 作 作 作 作 l。 ＼ 二 兰 E I O ． I O ． 1 0 ． I O ． 1 0 ． 1 0 ． I O ． I O ． I1 ． I1 ． I 1 ． I1 ． 霁 奠 蓓 缸退回 I 1 ． I 1 ． I 1 ． I 1 ． I 2． I 2． I 2． I 2 ． I 2 ． I 2． I 2． I 2． 图 3 P L C外部接 线图 2 ． 2 电气路 线设 计 根据该 自动线的控制要 求， 液压站 与主电源直接 相接 ， 为保证安全需接一个接触器， 并且接有相序保护 器 ； 钻床电机也与主电源相连接 ， 需要一个接触器 。变 频器要控制分拣单元传送带， 故将其接到传送 电机上 ， 系统 电气原理图如图 4所示 。 I t I 霜电断路器 床 电 图 4 系 统 电 气 原 理 图 2 ． 3液 压 系统 设 计 该 自动线 的冲压单元 和钻孔 单元都采 用液压驱 动， 需要选择一个液压站。根据本文的设计要求 ， 液压 驱动需控制冲压和钻孑 L 两个单元的前进 、 后退和停止， 因此本文分别选择 了一个 三位四通电磁阀来控制冲压 缸的动作 ， 一个两位 四通阀控制钻床缸的动作。液压 系统 回路 图如 图 5所示 。 2 ． 4 气压 系统 设计 该 自动线的传送及夹紧单元和分拣单元都采用气 压驱动 ， 故需要气压阀来实现 。由于系统 中只需控制 气压缸的前进和后退， 因此选择两位 电磁换向气压 阀 即可。气压系统回路图如图 6所示。 图 5液 压 系统 回 路 图 3 结论 利用机电液气一体化的 自动化加工线实验教具 ， 可以使学生更好地学习机 电液气等知识 ， 克服传统上 只参观、 不动手教学方式的缺点 。学习的内容主要包 括 P L C控制编程 、 电机驱 动、 液压 气压驱 动、 光学 检 测 、 机械手分检 以及传感器的运用等等， 老师可以根据 教学的实际情况进行实验的讲解 ， 灵活多变 ， 能很好地 满足普通高等院校机械 自动化专业学生的教学需求 ， 使学生不仅从理论上巩 固了知识 ， 而且从实际操作 中 体会 到了实验的乐趣 。 下转第 1 8 0页 4 冲 压 工 进 眦 3 冲压后退 2 冲 压 下 压蛾 l 油泵加载 Q 0 油泵启动 Q n L N 一 一 分分分分冲冲卷 ；} 钻钻分相 号 号号号 信 信信信 号位号位号位号位 昱 悟到号号信到信到信到 频停料料料简料料料料料料 变急推摊 坜料定定移移鲞 n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 6年 第 2期 力学性能检测样机采用 了高 、 中、 低速 3档 ， 并 且可以 任意转换 。由于采用 的控制模 式是位 置模式 ， 因此该 运动速度可以通过寄存器 P 5 6 0至 P 5 7 5 进行 内部 目 标速度的设定， 本文选用 P 5 - 6 0来设定运动过程中的 高、 中、 低速 ， 其对 应 的转 速值 分别 为 2 0 0 0 r ／ mi n 、 1 0 0 0 r ／ mi n和 2 0 0 r ／ mi n 。速 度 的转换 是通 过 向 目标 速度寄存器 P 5 - 6 0中输入不同的速度值来实 现， 其实 现程序如 图 7所示。该程序实现 的 x 轴高速 设定与 中、 低 速 的设 定相 同 。 4 总结 本 文介 绍 的基 于 P L C 的 人 造 板 力学 性 能 检 测样 机运 动控 制 系统 ， 完成 了 P L C对 电机 的初 始 化 、 启停 、 速度及转速写入等操作 ， 最终实现 了检测样机对人造 板的全 自动搬运。实践证明， 该平台具有界面友好、 操 作简单功能丰富 、 可扩展性强 、 可移植性强等优点 ， 能 够满足人造板的全 自动搬运要求。 图 7 x 轴高速设定 参考 文献 ] 郭 继龙 ． 南生 春 ， 杨 全 文． 木质材 料无 损检测 和评 价方 法 E J ] ． 木材加 工技术 ， 2 O 1 2 6 5 卜5 2 ． [ 2 ] 张希川． 台达 E S ／ E X／ S S系列 P I C应用技术[ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 9 ． De s i g n o f M a n m a d e Bo a r d M e c h a n i c s Pe r f o r m a n c e Te s t Pr o t o t y p e M o t i o n Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC ZHANG Z h i - mi n，LU Du n - mi n，Z HANG Ho u - j i a n g ，WANG Ti a n - we i S c h o o l o f Te c h n o l o g y ，B e i j i n g F o r e s t r y Un i v e r s i t y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t At p r e s e n t ，t h e d e t e c t i o n o f ma n - ma d e b o a r d a d o p t s a r t i f i c i a l s t a t i c d e s t r u c t i v e t e s t i n g me t h o d ，wh i c h h a s t h e s h o r t c o mi n g s o f 1 O W e f f i c i e n c y ，i n c o n v e n i e n t ，h e a v y wo r k l o a d，e t c ．I n t h i s p a p e r ，t h e mo t i o n c o n t r o l s y s t e m o f a ma n ma d e b o a r d s ’me c h a n i c a l p r o p e r t i e s t e s t s y s t e m b a s e d o n P I C i S d e s i g n e d ，wh i c h c a n r e a l iz e t h e a u t o ma t i c d e t e c t i o n t r a n s p o r t a t i o n o f ma n - ma d e b o a r d s ． Th e s y s t e m c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f ma n -一 ma d e b o a r d p e r f o r ma n c e t e s t ，s i g n i f i c a n t l y i mp r o v e t he e f f i c i e n c y o f ma n ma d e b o a r d t e s t ． Ke y wo r d s PI C；mo t i o n e o n t r o l ；ma n ma d e b o a r d；t e s t p r o t o t y p e 上 接第 1 7 7页 图 6气 压 系 统 回 路 图 参考 文献 l 1 6 1 ． [ 1 ] 潘正宫 ， 谢佑 国． 自行研制实 验设备创 建高水平示 范性实 [ 2 ] 周鸿杰 ， 罗敏舟 ， 李涛． 基于 P I c 的工 业取料 机械手 系统 验室 [ J ] ． 实验 室研 究 与 探 索 ， 2 0 0 6 ， 2 5 9 1 1 5 2 1 1 5 3 ， 没计[ J ] ． 工业仪表与 自动化装 置 ． 2 0 1 0 3 5 0 5 7 ． De s i g n o f Au t o m a t i c Pr o du c t i o n Li n e Tr a i ni ng Equ i p m e nt Ba s e d o n PLC Co nt r o l L I Ku a n - y u a n 。 。。 ，WANG Zh o n g - r e n 。 。。 ，C HE N S h i - l i 一，wANG Ya n g - y a n g ，WANG Qi ～，DONG Xi u - q i n g ’ 1 ． S c ho o l o f M e c h a ni c a l a n d Au t o mo t i v e En g i n e e r i n，H u b e i Un i v e r s i t y o f A r t s a n d S c i e nc e ，Xi a n g y a n g 4 4 1 0 5 3，Ch i n a；2 ．Pr o v i n c i a l Co op e r a t ion I nn o v a t i o n Ce n t e r ．H u b e i Uni v e r s i t y o f Ar t s a n d Sc i e n c e，Xi a ng y a n g 4 4 1 0 5 3，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，a n n o v e l a u t o m a t i c p r o d u c t i o n l i n e t r a i n i n g e q u i p me n t b a s e d o n PI C c o n t r o l wa s d e s i g n e d ，wh i c h h a s t h e f u n c t i o n s o f s t a mp i n g。d r i l l i n g，t r a n s mi s s i o n，s o r t i n g，e t c ． Th e e l e c t r i c s y s t e m ，h y d r a u l i c s y s t e m a n d p n e u ma t i c s y s t e m o I t h e。 ～ q u i p me n t we r e d e s i g n e d ．Th e d e v i c e c a n b e u s e d a s t h e e x p e r i me n t a l t e a c h i n g e q u i p me n t f o r P I C c o u r s e ，a n d h a s g o o d p o p u l a r i z a t i o n v a l u e Ke y wo r d s PI C；a u t o ma t i o n；p r o d u c t i o n I i n e ；t r a l n mg e q mp me n t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m