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山西工程技術學院
畢業(yè)設計說明書
畢業(yè)生姓名
：
王雷
專業(yè)
：
18機電專升本1班
學號
：
180533030
指導教師
：
劉愛萍
所屬系（部）
：
機械電子工程
二〇二〇年五月
山西工程技術學院
畢業(yè)設計（指導教師）評閱書
題目：
自動安裝線設計
機械電子工程系 機械電子工程 專業(yè) 姓名 王雷
設計時間：2020年2月17日~ 2020年4月26日
評閱意見：
成績：
指導教師： ?。ê炞郑?
職 務：
2020年 月 日
山西工程技術學院
畢業(yè)設計（同行教師）評閱書
題目：
自動安裝線設計
機械電子工程 系 機械電子工程 專業(yè) 姓名 王雷
設計時間：2020年2月17日~2020年4月26日
評閱意見：
評分內(nèi)容
具體要求
分值
得分
說明書工作量
字數(shù)2.5萬字以上得20分；2萬字以上，不足2.5萬字得15分；2萬字以下的10分。
20
圖紙工作量
圖紙折合4張A0及以上得20分；不足4張A0，達3張以上，得15分；3張以下得10分。
20
說明書質(zhì)量
內(nèi)容完整，裝訂順序正確，結(jié)構(gòu)合理，文字通順；目錄、字體、字號、行距等符合要求，公式、插圖、表格使用合理；文獻翻譯質(zhì)量、篇幅符合規(guī)定要求。存在0—2處錯誤得30分；3—5處錯誤得20分；5處以上得15分。
30
圖紙質(zhì)量
圖紙組成元素完整，表達方式合理，圖框、標題欄、線型、線寬及字體字號符合相關標準。存在0—2處錯誤得30分；3—5處錯誤得20分；5處以上得15分。
30
總分（百分制）
100
成績：
評閱教師： ?。ê炞郑?
職 務：
2020年 月 日
山西工程技術學院
畢業(yè)設計答辯記錄及成績評定表
機械電子工程 系 機械電子工程 專業(yè) 姓名 王雷
答 辯 內(nèi) 容
問題摘要
答辯情況
記錄員： （簽名）
成 績 評 定
指導教師成績
評閱教師成績
答辯組評定成績
綜合成績
注：評定成績?yōu)?00分制，指導教師為20%，評閱教師為30%，答辯組為50%。
專業(yè)答辯組組長： （簽名）
2020年 月 日
自動安裝線設計
摘 要
自動生產(chǎn)線的最大特點是它的綜合性和系統(tǒng)性，綜合性主要涉及機械技術、微電子技術、電工電子技術、傳感測試技術、接口技術、信息變換技術、網(wǎng)絡通信技術等多種技術有機地結(jié)合，并綜合應用到生產(chǎn)設備中；而系統(tǒng)性指的是生產(chǎn)線的傳感檢測、傳輸與處理、控制、執(zhí)行與驅(qū)動等機構(gòu)在微處理單元的控制下協(xié)調(diào)有序地工作，有機地融合在一起。本系統(tǒng)完成一個工件的拆卸、分揀工作，模擬一個生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)過程。首先由供料站提供原料，運輸站將其送至加工站加工，然后送至裝配站進行安裝，最后由分揀站進行分揀。
設計以送料、加工、裝配、輸送、分揀等工作單元作為自動生產(chǎn)線的整體設計，構(gòu)成一個典型的自動生產(chǎn)線的機械平臺，系統(tǒng)機構(gòu)采用了氣動驅(qū)動、變頻器驅(qū)動和步進（伺服）電機位置控制等技術。系統(tǒng)的控制方式采用每一工作單元由一臺PLC承擔其控制任務，各PLC之間通過RS485串行通訊實現(xiàn)互連的分布式控制方式。所以，本設計綜合應用了多種技術知識，如氣動控制技術、機械技術（機械傳動、機械連接等）、傳感器應用技術、PLC控制和組網(wǎng)、步進電機位置控制和變頻器技術等。
關鍵詞：變頻器；PLC；電機
Design of automatic installation line
Abstract
The biggest characteristic of automatic production line is a comprehensive and its system, comprehensive mainly relates to the mechanical technology, microelectronics technology, electrical and electronic technology, sensor technology, interface technology, information transformation technology, network communication technology and other technology organically, and applied to production equipment and systems; that is production line of sensing, processing and transmission, control, execution and driving mechanism in the control of the micro processing unit of work coordinately, organically fuses in together. The system completed the demolition, sorting a work piece, the production process simulation of a production line. First by the feeding station to provide raw materials, transport station will be sent to the processing station for processing, and then sent to the assembly station for installation, and finally by the sorting station sorting.
Design work to feed, processing, assembling, transporting, sorting unit as the overall design of automatic production line, forming a mechanical platform is a typical automatic production line, the mechanism of the system adopts pneumatic drive, inverter drive and stepper (servo) motor position control technology. Control system adopts each work unit is composed of a PLC for the control task, the PLC through the RS485 serial communication to achieve the interconnection of distributed control mode. So, the design of integrated application of a variety of technical knowledge, such as pneumatic control technology, mechanical technology (mechanical transmission, mechanical connections), sensor technology, PLC control and networking, stepping motor position control and inverter technology.
Key Words : transducer ;PLC ;motor
ii
目 錄
摘要 i
Abstract ii
1 引言 1
2 YL-335B自動生產(chǎn)線 3
2.1 YL-335B的基本組成 3
2.2 YL-335B的基本功能 4
2.3 YL-335B的控制系統(tǒng) 8
3 供料單元控制系統(tǒng) 10
3.1 供料單元的PLC控制系統(tǒng) 10
3.1.1 工作任務 10
3.1.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線 10
3.1.3 供料單元單站控制的編程思路 12
4 加工單元控制系統(tǒng) 15
4.1 加工單元PLC控制系統(tǒng)設計 15
4.1.1 工作任務 15
4.1.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線 15
4.2 編寫和調(diào)試PLC控制程序 17
4.2.1 編寫程序的思路 17
5 裝配單元控制系統(tǒng) 18
5.1 裝配單元PLC控制系統(tǒng)設計 18
5.1.1 工作任務 18
5.1.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線 18
5.2 編寫和調(diào)試PLC程序 20
5.2.1 編寫程序的思路 20
6 分揀單元控制系統(tǒng) 24
6.1 分揀單元的PLC控制及編程 24
6.1.1 工作任務 24
6.1.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線 24
6.2 程序結(jié)構(gòu) 26
7 輸送單元控制系統(tǒng) 28
7.1 使用位控向?qū)Ь幊滩襟E 28
7.1.1 使用位控向?qū)傻捻椖拷M件 32
7.2 輸送單元的PLC控制與編程 35
7.2.1 工作任務 35
7.2.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線 37
7.3 編寫和調(diào)試PLC控制程序 39
7.3.1 主程序編寫的思路 39
7.3.2 初態(tài)檢查復位子程序和回原點子程序 40
7.3.3 急停處理子程序 41
7.3.4 傳送功能測試子程序的結(jié)構(gòu) 42
8 用組態(tài)王控制供料單元的運行 45
8.1 建立應用工程的一般過程 45
8.2 供料單元組態(tài)建立過程 45
9 YL-335B的整體控制 54
9.1 自動生產(chǎn)線的工作目標是： 54
9.2 程序編制及調(diào)試 54
9.2.1 單站運行模式測試 55
9.2.2 系統(tǒng)正常的全線運行模式測試 57
9.2.3 異常工作狀態(tài)測試 59
附錄 61
參考文獻 126
外文文獻 127
中文翻譯 132
致謝 136
山西工程技術學院----畢業(yè)設計說明書
1 引言
現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設備（自動生產(chǎn)線）的最大特點是它的綜合性和系統(tǒng)性，在這里，機械技術、微電子技術、電工電子技術、傳感測試技術、接口技術、信息變換技術、網(wǎng)絡通信技術等多種技術有機地結(jié)合，并綜合應用到生產(chǎn)設備中；而系統(tǒng)性指的是，生產(chǎn)線的傳感檢測、傳輸與處理、控制、執(zhí)行與驅(qū)動等機構(gòu)在微處理單元的控制下協(xié)調(diào)有序地工作，有機地融合在一起。
可編程序控制器（PLC）以其高抗干擾能力、高可靠性、高性能價格比且編程簡單而廣泛地應用在現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設備中，擔負著生產(chǎn)線的大腦——微處理單元的角色。因此，培養(yǎng)掌握機電一體化技術，掌握PLC技術及PLC網(wǎng)絡技術的技術人材是當務之急。
亞龍YL-335B型自動生產(chǎn)線裝備在鋁合金導軌式實訓臺上安裝送料、加工、裝配、輸送、分揀等工作單元，構(gòu)成一個典型的自動生產(chǎn)線的機械平臺，系統(tǒng)各機構(gòu)的采用了氣動驅(qū)動、變頻器驅(qū)動和步進（伺服）電機位置控制等技術。系統(tǒng)的控制方式采用每一工作單元由一臺PLC承擔其控制任務，各PLC之間通過RS485串行通訊實現(xiàn)互連的分布式控制方式。因此，YL-335B綜合應用了多種技術知識，如氣動控制技術、機械技術（機械傳動、機械連接等）、傳感器應用技術、PLC控制和組網(wǎng)、步進電機位置控制和變頻器技術等。
YL-335B采用模塊組合式的結(jié)構(gòu)，各工作單元是相對獨立的模塊，并采用了標準結(jié)構(gòu)和抽屜式模塊放置架，具有較強的互換性?？筛鶕?jù)實訓需要或工作任務的不同進行不同的組合、安裝和調(diào)試，達到模擬生產(chǎn)性功能和整合學習功能的目標。
組態(tài)王組態(tài)軟件具有強大的功能，并且操作簡單，易學易用，普通工程人員經(jīng)過短時間的培訓就能迅速掌握多數(shù)工程項目的設計和運行操作。同時使用組態(tài)王組態(tài)軟件能夠避開復雜的計算機軟、硬件問題，而將精力集中于解決工程問題本身，根據(jù)工程作業(yè)的需要和特點，組態(tài)配置出高性能、高可靠性和高度專業(yè)化的工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)。
組態(tài)王采用全中文、可視化、面向窗口的開發(fā)界面，符合中國人的使用習慣和要求。實時性強、有良好的并行處理性能。組態(tài)王以圖像、圖符、報表、曲線等多種形式，豐富、生動的多媒體畫面。完善的安全機制完善的安全機制多樣化的報警功能。支持多種硬件設備，實現(xiàn)“設備無關”良好的可維護性。
可編程序控制器（PLC）以其高抗干擾能力、高可靠性、高性能價格比且編程簡單而廣泛地應用在現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設備中，擔負著生產(chǎn)線的大腦——微處理單元的角色。因此，本設計將組態(tài)技術與PLC技術，有機結(jié)合起來，運用組態(tài)技術，對自動生產(chǎn)線的各單元進行高仿真。達到模擬運行的目的。
7
2 YL-335B自動生產(chǎn)線
2.1 YL-335B的基本組成
亞龍YL-335B型自動生產(chǎn)線實訓考核裝備由安裝在鋁合金導軌式實訓臺上的送料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元5個單元組成。其外觀如圖1所示。
圖 1 YL-335B外觀圖
其中，每一工作單元都可自成一個獨立的系統(tǒng)，同時也都是一個機電一體化的系統(tǒng)。各個單元的執(zhí)行機構(gòu)基本上以氣動執(zhí)行機構(gòu)為主，但輸送單元的機械手裝置整體運動則采取步進電機驅(qū)動、精密定位的位置控制，該驅(qū)動系統(tǒng)具有長行程、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。分揀單元的傳送帶驅(qū)動則采用了通用變頻器驅(qū)動三相異步電動機的交流傳動裝置。位置控制和變頻器技術是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)應用最為廣泛的電氣控制技術。
在YL-335B設備上應用了多種類型的傳感器，分別用于判斷物體的運動位置、物體通過的狀態(tài)、物體的顏色及材質(zhì)等。傳感器技術是機電一體化技術中的關鍵技術之一，是現(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)高度自動化的前提之一。
在控制方面，YL-335B采用了基于RS485串行通信的PLC網(wǎng)絡控制方案，即每一工作單元由一臺PLC承擔其控制任務，各PLC之間通過RS485串行通訊實現(xiàn)互連的分布式控制方式。用戶可根據(jù)需要選擇不同廠家的PLC及其所支持的RS485通信模式，組建成一個小型的PLC網(wǎng)絡。小型PLC網(wǎng)絡以其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉的特點在小型自動生產(chǎn)線仍然有著廣泛的應用，在現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡通信中仍占據(jù)相當?shù)姆蓊~。另一方面，掌握基于RS485串行通信的PLC網(wǎng)絡技術，將為進一步學習現(xiàn)場總線技術、工業(yè)以太網(wǎng)技術等打下了良好的基礎。
2.2 YL-335B的基本功能
YL-335B各工作單元在實訓臺上的分布如圖2的俯視圖所示。
圖 2 YL-335B 俯視圖
各個單元的基本功能如下：
供料單元的基本功能：供料單元是本設計中的起始單元，在整個系統(tǒng)中，起著向系統(tǒng)中的其他單元提供原料的作用。具體的功能是：按照需要將放置在料倉中待加工工件（原料）自動地推出到物料臺上，以便輸送單元的機械手將其抓取，輸送到其他單元上。如圖3所示為供料單元實物的全貌。
圖3 供料單元實物的全貌
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。如圖4所示為加工單元實物的全貌。
裝配單元的基本功能：完成將該單元料倉內(nèi)的黑色或白色小圓柱工件嵌入到已加工的工件中的裝配過程。裝配單元總裝實物如圖5。
分揀單元的基本功能：完成將上一單元送來的已加工、裝配的工件進行分揀，使不同顏色的工件從不同的料槽分流的功能。如圖6所示分揀單元實物的全貌。
圖4 加工單元實物的全貌
圖 5 裝配單元總裝實物圖
圖6 分揀單元實物的全貌
輸送單元的基本功能：該單元通過直線運動傳動機構(gòu)驅(qū)動抓取機械手裝置到指定單元的物料臺上精確定位，并在該物料臺上抓取工件，把抓取到的工件輸送到指定地點然后放下，實現(xiàn)傳送工件的功能。輸送單元的外觀如圖7所示。
圖7 輸送單元外觀圖
直線運動傳動機構(gòu)的驅(qū)動器可采用伺服電機或步進電機。YL-335B的標準配置為伺服電機。
山西工程技術學院----畢業(yè)設計說明書
2.3 YL-335B的控制系統(tǒng)
YL-335B的每一工作單元都可自成一個獨立的系統(tǒng)，同時也可以通過網(wǎng)絡互連構(gòu)成一個分布式的控制系統(tǒng)。
當工作單元自成一個獨立的系統(tǒng)時，其設備運行的主令信號以及運行過程中的狀態(tài)顯示信號，來源于該工作單元按鈕指示燈模塊。按鈕指示燈模塊如圖8所示。模塊上的指示燈和按鈕的端腳全部引到端子排上。
圖8 按鈕指示燈模塊
模塊盒上器件包括：
⑴指示燈（24VDC）：黃色（HL1）、綠色（HL2）、紅色（HL3）各一個。
⑵主令器件：綠色常開按鈕SB1一個，紅色常開按鈕SB2一個，選擇開關SA（一對轉(zhuǎn)換觸點），急停按鈕QS（一個常閉觸點）
當各工作單元通過網(wǎng)絡互連構(gòu)成一個分布式的控制系統(tǒng)時，對于采用西門子S7-200系列PLC的設備，YL-335B的標準配置是采用PPI協(xié)議的通信方式。本設計的控制方案如圖9所示。
各工作站PLC配置如下：
⑴輸送單元：S7-226DC/DC/DC主單元，共24點輸入，16點晶體管輸出。
⑵供料單元：S7-224AC/DC/RLY主單元，共14點輸入和10點繼電器輸出。
⑶加工單元：S7-224AC/DC/RLY主單元，共14點輸入和10點繼電器輸出。
⑷裝配單元：S7-226AC/DC/RLY主單元，共24點輸入，16點繼電器輸出。
⑸分揀單元：S7-224XPAC/DC/RLY 主單元，共14點輸入和10點繼電器輸出。
圖9 YL-335B 的 PPI 網(wǎng)絡
3 供料單元控制系統(tǒng)
3.1 供料單元的PLC控制系統(tǒng)
3.1.1 工作任務
只考慮供料單元作為獨立設備運行時的情況，單元工作的主令信號和工作狀態(tài)顯示信號來自PLC旁邊的按鈕/指示燈模塊。并且，按鈕/指示燈模塊上的工作方式選擇開關SA應置于“單站方式”位置。具體的控制要求為：
①設備上電和氣源接通后，若工作單元的兩個氣缸均處于縮回位置，且料倉內(nèi)有足夠的待加工工件，則“正常工作”指示燈HL1常亮，表示設備準備好。否則，該指示燈以1Hz頻率閃爍。
②若設備準備好，按下啟動按鈕，工作單元啟動，“設備運行”指示燈HL2常亮。啟動后，若出料臺上沒有工件，則應把工件推到出料臺上。出料臺上的工件被人工取出后，若沒有停止信號，則進行下一次推出工件操作。
③若在運行中按下停止按鈕，則在完成本工作周期任務后，各工作單元停止工作，HL2指示燈熄滅。
④若在運行中料倉內(nèi)工件不足，則工作單元繼續(xù)工作，但“正常工作”指示燈HL1以1Hz的頻率閃爍，“設備運行”指示燈HL2保持常亮。若料倉內(nèi)沒有工件，則HL1指示燈和HL2指示燈均以2Hz頻率閃爍。工作站在完成本周期任務后停止。除非向料倉補充足夠的工件，工作站不能再啟動。
3.1.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線
供料單元裝置側(cè)的接線端口上各電磁閥和傳感器的引線安排如表1所示。接線時應注意，裝置側(cè)接線端口中，輸入信號端子的上層端子（+24V）只能作為傳感器的正電源端，切勿用于電磁閥等執(zhí)行元件的負載。電磁閥等執(zhí)行元件的正電源端和0V端應連接到輸出信號端子下層端子的相應端子上。
表1 供料單元裝置側(cè)的接線端口信號端子的分配
輸入端口中間層
輸出端口中間層
端子號
設備符號
信號線
端子號
設備符號
信號線
2
1B1
頂料到位
2
1Y
頂料電磁閥
3
1B2
頂料復位
3
2Y
推料電磁閥
4
2B1
推料到位
5
2B2
推料復位
6
SC1
出料臺物料檢測
7
SC2
物料不足檢測
8
SC3
物料有無檢測
9
SC4
金屬材料檢測
10#～17#端子沒有連接
4#～14#端子沒有連接
表2 供料單元 PLC的I/O分配表
輸入信號
輸出信號
序號
PLC輸入點
信號名稱
信號來源
序號
PLC輸出點
信號名稱
信號來源
1
I0.0
頂料氣缸伸出到位
裝置側(cè)
1
Q0.0
頂料電磁閥
裝置側(cè)
2
I0.1
頂料氣缸縮回到位
2
Q0.1
推料電磁閥
3
I0.2
推料氣缸伸出到位
3
Q0.2
4
I0.3
推料氣缸縮回到位
4
Q0.3
5
I0.4
出料臺物料檢測
5
Q0.4
6
I0.5
供料不足檢測
6
Q0.5
7
I0.6
缺料檢測
7
Q0.6
8
I0.7
金屬工件檢測
8
Q0.7
9
I1.0
9
Q1.0
正常工作指示
按鈕/指 示燈模塊
10
I1.1
10
Q1.1
運行指示
11
I1.2
停止按鈕
按鈕/指示燈模塊
12
I1.3
啟動按鈕
13
I1.4
14
I1.5
工作方式選擇
根據(jù)工作單元裝置的I/O信號分配（表1）和工作任務的要求，供料單元PLC選用S7-224AC/DC/RLY主單元，共14點輸入和10點繼電器輸出。PLC的I/O信號分配如表2所示，接線原理圖則見圖10。
圖10 供料單元 PLC 的 I/O 接線原理圖
3.1.3 供料單元單站控制的編程思路
1 程序結(jié)構(gòu)：有兩個子程序，一個是系統(tǒng)狀態(tài)顯示，另一個是供料控制。主程序在每一掃描周期都調(diào)用系統(tǒng)狀態(tài)顯示子程序，僅當在運行狀態(tài)已經(jīng)建立才可能調(diào)用供料控制子程序。
2 PLC上電后應首先進入初始狀態(tài)檢查階段，確認系統(tǒng)已經(jīng)準備就緒后，才允許投入運行，這樣可及時發(fā)現(xiàn)存在問題，避免出現(xiàn)事故。例如，若兩個氣缸在上電和氣源接入時不在初始位置，這是氣路連接錯誤的緣故，顯然在這種情況下不允許系統(tǒng)投入運行。
3 供料單元運行的主要過程是供料控制，它是一個步進順序控制過程。
4 如果沒有停止要求，順控過程將周而復始地不斷循環(huán)。常見的順序控制系統(tǒng)正常停止要求是，接收到停止指令后，系統(tǒng)在完成本工作周期任務即返回到初始步后才停止下來。
5 當料倉中最后一個工件被推出后，將發(fā)生缺料報警。推料氣缸復位到位，亦即完成本工作周期任務即返回到初始步后，也應停止下來。
由這些要素可確定主程序運行程序，如圖11所示。
圖11 主程序梯形圖
供料單元工藝流程則如下圖12所示。
圖12 供料單元工藝流程
4 加工單元控制系統(tǒng)
4.1 加工單元PLC控制系統(tǒng)設計
4.1.1 工作任務
只考慮加工單元作為獨立設備運行時的情況，本單元的按鈕/指示燈模塊上的工作方式選擇開關應置于“單站方式”位置。具體的控制要求為：
1 初始狀態(tài)：設備上電和氣源接通后，滑動加工臺伸縮氣缸處于伸出位置，加工臺氣動手爪松開的狀態(tài)，沖壓氣缸處于縮回位置，急停按鈕沒有按下。若設備在上述初始狀態(tài)，則“正常工作”指示燈HL1常亮，表示設備準備好。否則，該指示燈以1Hz頻率閃爍。
2 若設備準備好，按下啟動按鈕，設備啟動，“設備運行”指示燈HL2常亮。當待加工工件送到加工臺上并被檢出后，設備執(zhí)行將工件夾緊，送往加工區(qū)域沖壓，完成沖壓動作后返回待料位置的工件加工工序。如果沒有停止信號輸入，當再有待加工工件送到加工臺上時，加工單元又開始下一周期工作。在工作過程中，若按下停止按鈕，加工單元在完成本周期的動作后停止工作。HL2指示燈熄滅。
3 在工作過程中，若按下停止按鈕，加工單元在完成本周期的動作后停止工作。HL2指示燈熄滅。
4.1.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線
裝置側(cè)接線端口信號分配如表3所示。
表3 加工單元裝置側(cè)的接線端口信號端子的分配
輸入端口中間層
輸出端口中間層
端子號
設備符號
信號線
端子號
設備符號
信號線
2
SC1
加工臺物料檢測
2
3Y
夾緊電磁閥
3
3B2
工件夾緊檢測
3
4
2B2
加工臺伸出到位
4
2Y
伸縮電磁閥
5
2B1
加工臺縮回到位
5
1Y
沖壓電磁閥
6
1B1
加工壓頭上限
7
1B2
加工壓頭下限
8#～17#端子沒有連接
6#～14#端子沒有連接
加工單元選用S7-224AC/DC/RLY主單元，共14點輸入和10點繼電器輸出。PLC的I/O信號表如表4所示，接線原理圖如圖13所示。
表4 加工單元 PLC的I/O信號表
輸入信號
輸出信號
序號
PLC輸入點
信號名稱
信號來源
序號
PLC輸出點
信號名稱
信號來源
1
I0.0
加工臺物料檢測
裝置側(cè)
1
Q0.0
夾緊電磁閥
裝置側(cè)
2
I0.1
工件夾緊檢測
2
Q0.1
3
I0.2
加工臺伸出到位
3
Q0.2
料臺伸縮電磁閥
4
I0.3
加工臺縮回到位
4
Q0.3
加工壓頭電磁閥
5
I0.4
加工壓頭上限
5
Q0.4
6
I0.5
加工壓頭下限
6
Q0.5
7
I0.6
7
Q0.6
8
I0.7
8
Q0.7
9
I1.0
9
Q1.0
正常工作指示
按鈕/指示燈模塊
10
I1.1
10
Q1.1
運行指示
11
I1.2
停止按鈕
按鈕/指示燈模塊
12
I1.3
啟動按鈕
13
I1.4
急停按鈕
14
I1.5
單站/全線
圖13 加工單元 PLC 的 I/O 接線原理圖
4.2 編寫和調(diào)試PLC控制程序
4.2.1 編寫程序的思路
加工單元主程序流程與供料單元類似，也是PLC上電后應首先進入初始狀態(tài)檢查階段，確認系統(tǒng)已經(jīng)準備就緒后，才允許接收啟動信號投入運行。但加工單元工作任務中增加了急停功能。為此，調(diào)用加工控制子程序的條件應該是“單元在運行狀態(tài)”和“急停按鈕未按”兩者同時成立，如圖14所示。
圖14 加工控制子程序的調(diào)用
這樣，當在運行過程中按下急停按鈕時，立即停止調(diào)用加工控制子程序，但急停前當前步的S元件仍在置位狀態(tài)，急停復位后，就能從斷點開始繼續(xù)運行。加工單元工藝流程圖如圖15所示。
圖15 加工單元工藝流程
5 裝配單元控制系統(tǒng)
5.1 裝配單元PLC控制系統(tǒng)設計
5.1.1 工作任務
1 裝配單元各氣缸的初始位置為：擋料氣缸處于伸出狀態(tài)，頂料氣缸處于縮回狀態(tài)，料倉上已經(jīng)有足夠的小園柱零件；裝配機械手的升降氣缸處于提升狀態(tài)，伸縮氣缸處于縮回狀態(tài)，氣爪處于松開狀態(tài)。設備上電和氣源接通后，若各氣缸滿足初始位置要求，且料倉上已經(jīng)有足夠的小園柱零件；工件裝配臺上沒有待裝配工件。則“正常工作”指示燈HL1常亮，表示設備準備好。否則，該指示燈以1Hz頻率閃爍。
2 若設備準備好，按下啟動按鈕，裝配單元啟動，“設備運行”指示燈HL2常亮。如果回轉(zhuǎn)臺上的左料盤內(nèi)沒有小園柱零件，就執(zhí)行下料操作；如果左料盤內(nèi)有零件，而右料盤內(nèi)沒有零件，執(zhí)行回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)操作。
3 如果回轉(zhuǎn)臺上的右料盤內(nèi)有小園柱零件且裝配臺上有待裝配工件，執(zhí)行裝配機械手抓取小園柱零件，放入待裝配工件中的操作。
4 完成裝配任務后，裝配機械手應返回初始位置，等待下一次裝配。
5 若在運行過程中按下停止按鈕，則供料機構(gòu)應立即停止供料，在裝配條件滿足的情況下，裝配單元在完成本次裝配后停止工作。
6 在運行中發(fā)生“零件不足”報警時，指示燈HL3以1Hz的頻率閃爍，HL1和HL2燈常亮；在運行中發(fā)生“零件沒有”報警時，指示燈HL3以亮1秒，滅0.5秒的方式閃爍，HL2熄滅，HL1常亮。
5.1.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線
裝配單元裝置側(cè)的接線端口信號端子的分配如表5所示。
裝配單元的I/O點較多，選用S7-226AC/DC/RLY主單元，共24點輸入，16點繼電器輸出。圖16是PLC接線原理圖。PLC的I/O分配如表6所示。。
注：警示燈用來指示YL-335B整體運行時的工作狀態(tài)，工作任務是裝配單元單獨運行，沒有要求使用警示燈，可以不連接到PLC上。
表5 裝配單元裝置側(cè)的接線端口信號端子的分配
輸入端口中間層
輸出端口中間層
端子號
設備符號
信號線
端子號
設備符號
信號線
2
SC1
零件不足檢測
2
1Y
擋料電磁閥
3
SC2
零件有無檢測
3
2Y
頂料電磁閥
4
SC3
左料盤零件檢測
4
3Y
回轉(zhuǎn)電磁閥
5
SC4
右料盤零件檢測
5
4Y
手爪夾緊電磁閥
6
SC5
裝配臺工件檢測
6
5Y
手爪下降電磁閥
7
1B1
頂料到位檢測
7
6Y
手臂伸出電磁閥
8
1B2
頂料復位檢測
8
AL1
紅色警示燈
9
2B1
擋料狀態(tài)檢測
9
AL2
橙色警示燈
10
2B2
落料狀態(tài)檢測
10
AL3
綠色警示燈
11
5B1
擺動氣缸左限檢測
11
12
5B2
擺動氣缸右限檢測
12
13
6B2
手爪夾緊檢測
13
14
4B2
手爪下降到位檢測
14
15
4B1
手爪上升到位檢測
16
3B1
手臂縮回到位檢測
17
3B2
手臂伸出到位檢測
圖16 裝配單元 PLC 接線原理
表6 裝配單元 PLC的I/O信號表
輸入信號
輸出信號
序號
PLC輸入點
信號名稱
信號來源
序號
PLC輸出點
信號名稱
信號來源
1
I0.0
零件不足檢測
裝置側(cè)
1
Q0.0
擋料電磁閥
裝置側(cè)
2
I0.1
零件有無檢測
2
Q0.1
頂料電磁閥
3
I0.2
左料盤零件檢測
3
Q0.2
回轉(zhuǎn)電磁閥
4
I0.3
右料盤零件檢測
4
Q0.3
手爪夾緊電磁閥
5
I0.4
裝配臺工件檢測
5
Q0.4
手爪下降電磁閥
6
I0.5
頂料到位檢測
6
Q0.5
手臂伸出電磁閥
7
I0.6
頂料復位檢測
7
Q0.6
紅色警示燈
8
I0.7
擋料狀態(tài)檢測
8
Q0.7
橙色警示燈
9
I1.0
落料狀態(tài)檢測
9
Q1.0
綠色警示燈
10
I1.1
擺動氣缸左限檢測
10
Q1.1
11
I1.2
擺動氣缸右限檢測
11
Q1.2
12
I1.3
手爪夾緊檢測
12
Q1.3
13
I1.4
手爪下降到位檢測
13
Q1.4
14
I1.5
手爪上升到位檢測
14
Q1.5
HL1
按鈕/指示燈模塊
15
I1.6
手臂縮回到位檢測
15
Q1.6
HL2
16
I1.7
手臂伸出到位檢測
16
Q1.7
HL3
17
I2.0
18
I2.1
19
I2.2
20
I2.3
21
I2.4
停止按鈕
按鈕/指示燈模塊
22
I2.5
啟動按鈕
23
I2.6
急停按鈕
24
I2.7
單機/聯(lián)機
5.2 編寫和調(diào)試PLC程序
5.2.1 編寫程序的思路
（1）進入運行狀態(tài)后，裝配單元的工作過程包括2個相互獨立的子過程，一個是供料過程，另一個是裝配過程。
供料過程就是通過供料機構(gòu)的操作，使料倉中的小園柱零件落下到擺臺左邊料盤上；然后擺臺轉(zhuǎn)動，使裝有零件的料盤轉(zhuǎn)移到右邊，以便裝配機械手抓取零件。
裝配過程是當裝配臺上有待裝配工件，且裝配機械手下方有小園柱零件時，進行裝配操作。
在主程序中，當初始狀態(tài)檢查結(jié)束，確認單元準備就緒，按下啟動按鈕進入運行狀態(tài)后，應同時調(diào)用供料控制和裝配控制兩個子程序。
圖17 調(diào)用供料控制和裝配控制子程序
（2）供料控制過程包含兩個互相聯(lián)鎖的過程，即落料過程和擺臺轉(zhuǎn)動、料盤轉(zhuǎn)移的過程。在小園柱零件從料倉下落到左料盤的過程中，禁止擺臺轉(zhuǎn)動；反之，在擺臺轉(zhuǎn)動過程中，禁止打開料倉（擋料氣缸縮回）落料。
實現(xiàn)聯(lián)鎖的方法是：當擺臺的左限位或右限位磁性開關動作并且左料盤沒有料，經(jīng)定時確認后，開始落料過程；當擋料氣缸伸出到位使料倉關閉、左料盤有物料而右料盤為空，經(jīng)定時確認后，開始擺臺轉(zhuǎn)動，直到達到限位位置。圖18給出了擺動氣缸轉(zhuǎn)動操作的梯形圖。
（3）供料過程的落料控制和裝配控制過程都是單序列步進順序控制。
（4）停止運行，有兩種情況。一是在運行中按下停止按鈕，停止指令被置位；另一種情況是當料倉中最后一個零件落下時，檢測物料有無的傳感器動作（I0.1OFF），將發(fā)出缺料報警。
對于供料過程的落料控制，上述兩種情況均應在料倉關閉，頂料氣缸復位到位即返回到初始步后停止下次落料，并復位落料初始步。但對于擺臺轉(zhuǎn)動控制，一旦停止指令發(fā)出，則應立即停止擺臺轉(zhuǎn)動。（見圖18梯形圖）
對于裝配控制，上述兩種情況也應在一次裝配完成，裝配機械手返回到初始位置后停止。
僅當落料機構(gòu)和裝配機械手均返回到初始位置，才能復位運行狀態(tài)標志和停止指令。停止運行的操作應在主程序中編制，其梯形圖如圖19所示。
圖18 擺動氣缸轉(zhuǎn)動操作的梯形圖
圖19 停止運行的操作
裝配單元設備上電和氣源接通后，若各氣缸滿足初始位置要求，且料倉上已經(jīng)有足夠的小園柱零件；工件裝配臺上沒有待裝配工件。若設備準備好，按下啟動按鈕，裝配單元啟動。如果回轉(zhuǎn)臺上的左料盤內(nèi)沒有小園柱零件，就執(zhí)行下料操作；如果左料盤內(nèi)有零件，而右料盤內(nèi)沒有零件，執(zhí)行回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)操作。如果回轉(zhuǎn)臺上的右料盤內(nèi)有小園柱零件且裝配臺上有待裝配工件，執(zhí)行裝配機械手抓取小園柱零件，放入待裝配工件中的操作。完成裝配任務后，裝配機械手應返回初始位置，等待下一次裝配。裝配單元工藝流程如圖20。
圖20 裝配單元工藝流程
6 分揀單元控制系統(tǒng)
6.1 分揀單元的PLC控制及編程
6.1.1 工作任務
設備的工作目標是完成對白色芯金屬工件、白色芯塑料工件和黑色芯的金屬或塑料工件進行分揀。為了在分揀時準確推出工件，要求使用旋轉(zhuǎn)編碼器作定位檢測。并且工件材料和芯體顏色屬性應在推料氣缸前的適應位置被檢測出來。
設備上電和氣源接通后，若工作單元的三個氣缸均處于縮回位置，則“正常工作”指示燈HL1常亮，表示設備準備好。否則，該指示燈以1Hz頻率閃爍。
若設備準備好，按下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，“設備運行”指示燈HL2常亮。當傳送帶入料口人工放下已裝配的工件時，變頻器即啟動，驅(qū)動傳動電動機以頻率固定為30Hz的速度，把工件帶往分揀區(qū)。
如果工件為白色芯金屬件，則該工件對到達1號滑槽中間，傳送帶停止，工件對被推到1號槽中；如果工件為白色芯塑料，則該工件對到達2號滑槽中間，傳送帶停止，工件對被推到2號槽中；如果工件為黑色芯，則該工件對到達3號滑槽中間，傳送帶停止，工件對被推到3號槽中。工件被推出滑槽后，該工作單元的一個工作周期結(jié)束。僅當工件被推出滑槽后，才能再次向傳送帶下料。如果在運行期間按下停止按鈕，該工作單元在本工作周期結(jié)束后停止運行。
6.1.2 PLC的I/O分配及系統(tǒng)安裝接線
分揀單元裝置側(cè)的接線端口信號端子的分配如表7所示。由于用于判別工件材料和芯體顏色屬性的傳感器只須安裝在傳感器支架上的電感式傳感器和一個光纖傳感器，故光纖傳感器2可不使用。
分揀單元PLC選用S7-224XPAC/DC/RLY主單元，共14點輸入和10點繼電器輸出。選用S7-224XP主單元的原因是，當變頻器的頻率設定值由HMI指定時，該頻率設定值是一個隨機數(shù)，需要由PLC通過D/A變換方式向變頻器輸入模擬量的頻率指令，以實現(xiàn)電機速度連續(xù)調(diào)整。S7-224XP主單元集成有2路模擬量輸入，1路模擬量輸出，有兩個RS-485通信口?？蓾M足D/A變換的編程要求。
表7 分揀單元裝置側(cè)的接線端口信號端子的分配
輸入端口中間層
輸出端口中間層
端子號
設備符號
信號線
端子號
設備符號
信號線
2
DECODE
旋轉(zhuǎn)編碼器B相
2
1Y
推桿1電磁閥
3
旋轉(zhuǎn)編碼器A相
3
2Y
推桿2電磁閥
4
SC1
光纖傳感器1
4
3Y
推桿3電磁閥
5
SC2
光纖傳感器2
6
SC3
進料口工件檢測
7
SC4
電感式傳感器
8
9
1B
推桿1推出到位
10
2B
推桿2推出到位
11
3B
推桿3推出到位
12#～17#端子沒有連接
5#～14#端子沒有連接
工作任務僅要求以30Hz的固定頻率驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，只須用固定頻率方式控制變頻器即可。選用MM420的端子“5”（DIN1）作電機啟動和頻率控制，PLC的信號表見表8，I/O接線原理圖如圖21所示。
表8 分揀單元 PLC的I/O信號表
輸入信號
輸出信號
序號
PLC輸入點
信號名稱
信號來源
序號
PLC輸出點
信號名稱
信號輸出目標
1
I0.0
旋轉(zhuǎn)編碼器B相
裝置側(cè)
1
Q0.0
電機啟動
變頻器
2
I0.1
旋轉(zhuǎn)編碼器A相
2
Q0.1
3
I0.2
光纖傳感器1
3
Q0.2
4
I0.3
光纖傳感器2
4
5
I0.4
進料口工件檢測
5
Q0.3
6
I0.5
電感式傳感器
6
Q0.4
7
I0.6
7
Q0.5
8
I0.7
推桿1推出到位
8
Q0.6
9
I1.0
推桿2推出到位
9
Q0.7
HL1
按鈕/指示燈模塊
10
I1.1
推桿3推出到位
10
Q1.0
HL2
11
I1.2
啟動按鈕
按鈕/指示燈模塊
12
I1.3
停止按鈕
13
I1.4
14
I1.5
單站/全線
為了實現(xiàn)固定頻率輸出，變頻器的參數(shù)應如下設置：命令源P0700=2（外部I/O），選擇頻率設定的信號源參數(shù)P1000=3（固定頻率）；DIN1功能參數(shù)P0701=16（直接選擇+ON命令），P1001=30Hz；斜坡上升時間參數(shù)P1120設定為1秒，斜坡下降時間參數(shù)P1121設定為0.2秒。
（注：由于驅(qū)動電動機功率很小，此參數(shù)設定不會引起變頻器過電壓跳閘。）
圖21 分揀單元 PLC 的 I/O 接線原理圖
6.2 程序結(jié)構(gòu)
分揀單元的主要工作過程是分揀控制，可編寫一個子程序供主程序調(diào)用，工作狀態(tài)顯示的要求比較簡單，可直接在主程序中編寫。
主程序的流程與前面所述的供料、加工等單元是類似的。但由于用高速計數(shù)器編程，必須在上電第1個掃描周期調(diào)用HSC_INIT子程序，以定義并使能高速計數(shù)器。
分揀控制子程序也是一個步進順控程序，編程思路如下：
①當檢測到待分揀工件下料到進料口后，清零HC0當前值，以固定頻率啟動變頻器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。梯形圖如圖22所示。
②當工件經(jīng)過安裝傳感器支架上的光纖探頭和電感式傳感器時，根據(jù)2個傳感器動作與否，判別工件的屬性，決定程序的流向。HC0當前值與傳感器位置值的比較可采用觸點比較指令實現(xiàn)。完成上述功能的梯形圖見圖23。
③根據(jù)工件屬性和分揀任務要求，在相應的推料氣缸位置把工件推出。推料氣缸返回后，步進順控子程序返回初始步。
圖22 分揀控制子程序初始步梯形圖
圖23 在傳感器位置判別工件屬性的梯形圖
7 輸送單元控制系統(tǒng)
7.1 使用位控向?qū)Ь幊滩襟E
STEP7V4.0 軟件的位控向?qū)茏詣犹幚鞵TO 脈沖的單段管線和多段管線、脈寬調(diào)制、SM位置配置和創(chuàng)建包絡表。使用位控向?qū)Ь幊痰姆椒ê筒襟E。表9是實現(xiàn)伺服電機運行所需的運動包絡。
表9 伺服電機運行的運動包絡
運動包絡
站點
脈沖量
移動方向
1
供料站→加工站 470mm
85600
2
加工站→裝配站 286mm
52000
3
裝配站→分解站 235mm
42700
4
分揀站→高速回零前 925mm
168000
DIR
5
低速回零
單速返回
DIR
使用位控向?qū)Ь幊痰牟襟E如下：
1 為S7--200PLC選擇選項組態(tài)內(nèi)置PTO操作。
圖24 組態(tài)內(nèi)置PTO操作選擇界面
在STEP7V4.0軟件命令菜單中選擇工具→位置控制向?qū)?，即開始引導位置控制配置。在向?qū)棾龅牡?個界面，選擇配置S7-200PLC內(nèi)置PTO/PWM操作。在第2個界面中選擇“QO.0”作脈沖輸出。接下來的第3個界面如圖24所示，請選擇“線性脈沖輸出（PTO）”，并點選使用高速計數(shù)器HSC0（模式12）對PTO生成的脈沖自動計數(shù)的功能。單擊“下一步”就開始了組態(tài)內(nèi)置PTO操作。
2 接下來的兩個界面，要求設定電機速度參數(shù)，包括前面所述的最高電機速度MAX_SPEED和電機啟動/停止速度SS_SPEED，以及加速時間ACCEL_TIME和減速時間DECEL_TIME。
請在對應的編輯框中輸入這些數(shù)值。例如，輸入最高電機速度“90000”，把電機啟動/停止速度設定為“600”，加速時間ACCEL_TIME和減速時間DECEL_TIME分別為1000（ms）和200（ms）。完成給位控向?qū)峁┗拘畔⒌墓ぷ?。單擊“下一步”，開始配置運動包絡界面。
3 圖25是配置運動包絡的界面。該界面要求設定操作模式、1個步的目標速度、結(jié)束位置等步的指標，以及定義這一包絡的符號名。（從第0個包絡第0步開始）。
圖25 配置運動包絡界面
在操作模式選項中選擇相對位置控制，填寫包絡“0”中數(shù)據(jù)目標速度“60000”，結(jié)束位置“85600”，點擊“繪制包絡”，如圖26所示，注意，這個包絡只有1步。
包絡的符號名按默認定義(Profile0_0)。這樣，第0個包絡的設置，即從供料站→加工站的運動包絡設置就完成了?，F(xiàn)在可以設置下一個包絡,點擊“新包絡”，按上述方法將表10中上3個位置數(shù)據(jù)輸入包絡中去。
表10 包絡表的位置數(shù)據(jù)
站點
位移脈沖量
目標速度
移動方向
加工站→裝配站 286mm
52000
60000
裝配站→分解站 235mm
42700
60000
分揀站→高速回零前 925mm
168000
57000
DIR
低速回零
單速返回
20000
DIR
圖26 設置第0個包絡
表10中最后一行低速回零，是單速連續(xù)運行模式，選擇這種操作模式后，在所出現(xiàn)的界面中（見圖27），寫入目標速度“20000”。界面中還有一個包絡停止操作選項，是當停止信號輸入時再向運動方向按設定的脈沖數(shù)走完停止，在本系統(tǒng)不使用。
圖27 設置第4個包絡
4 運動包絡編寫完成單擊“確認”，向?qū)鬄檫\動包絡指定V存儲區(qū)地址（建議地址為VB75～VB300），可默認這一建議，也可自行鍵入一個合適的地址。圖28是指定V存儲區(qū)首地址為VB400時的界面，向?qū)詣佑嬎愕刂返姆秶?
圖28 為運動包絡指定V存儲區(qū)地址
5 單擊“下一步”出現(xiàn)圖29，單擊“完成”。
圖29 生成項目組件提示
7.1.1 使用位控向?qū)傻捻椖拷M件
運動包絡組態(tài)完成后，向?qū)樗x的配置生成四個項目組件（子程序），分別是：PTOx_CTRL子程序（控制）、PTOx_RUN子程序（運行包絡），PTOx_LDPOS和PTOx_MAN子程序（手動模式）子程序。一個由向?qū)Мa(chǎn)生的子程序就可以在程序中調(diào)用如圖30所示。
圖30 四個項目組件
它們的功能分述如下：
1 PTOx_CTRL子程序：（控制）啟用和初始化PTO輸出。請在用戶程序中只使用一次，并且請確定在每次掃描時得到執(zhí)行。即始終使用SM0.0作為EN的輸入，如圖31所示。
圖31 運行 PTOx_CTRL 子程序
輸入?yún)?shù)：I_STOP（立即停止）輸入（BOOL型）：當此輸入為低時，PTO功能會正常工作。當此輸入變?yōu)楦邥r，PTO立即終止脈沖的發(fā)出。D_STOP（減速停止）輸入（BOOL型）：當此輸入為低時，PTO功能會正常工作。當此輸入變?yōu)楦邥r，PTO會產(chǎn)生將電機減速至停止的脈沖串。
輸出參數(shù)：Done(“完成”)輸出（BOOL型）：當“完成”位被設置為高時，它表明上一個指令也已執(zhí)行。Error（錯誤）參數(shù)（BYTE型）：包含本子程序的結(jié)果。當“完成”位為高時，錯誤字節(jié)會報告無錯誤或有錯誤代碼的正常完成。C_Pos（DWORD型）：如果PTO向?qū)У腍SC計數(shù)器功能已啟用，此參數(shù)包含以脈沖數(shù)表示的模塊當前位置。否則，當前位置將一直為0。
2 PTOx_RUN子程序（運行包絡）：命令PLC執(zhí)行存儲于配置／包絡表的指定包絡運動操作。運行這一子程序的梯形圖如圖32所示。
圖32 運行 PTOx_RUN 子程序
輸入?yún)?shù)：EN位：子程序的使能位。在“完成”（Done）位發(fā)出子程序執(zhí)行已經(jīng)完成的信號前，應使EN位