MPS05模块化自动化生产线设计.docx

毕业设计（论文）题目 ： MPS05 模块化自动化生产线设计-III 站专业：机械电子工程指导教师：李明颖学生姓名：周世鹏班级 -学号：机电 112-232015 年06 月大连工业大学本科毕业设计（论文）MPS05模块化自动化生产线设计III站The design of MPS05 modular automatic production line control system-III station设计（论文）完成日期2015 年06 月05 日学院：机械工程与自动化学院专业：机械电子工程学生姓名：周世鹏班级学号：机电 112-23指导教师：李明颖评阅教师：丁金华2015 年06 月大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）摘要可编程控制器 (PLC)作为以自动控制技术为基础通信技术发展起来的新一代工业控制装置，目前已被广泛应用于各个领域。凭借其优越的性能，PLC 问世以后得到快速发展。本论文理论与实践相结合， 详细阐述了 PLC 在自动化生产线领域中的应用，首先通过对 MPS05 模块化自动化生产线 -III 站的各个动作的了解来设计加工的过程，然后按照加工的要求来设计梯形图，最后调试和应用。以达到了解自动化生产线在现代生活中的重要性。 在设计过程中包括 PLC 机型的选择， I/O 端口的分配， I/O 硬件接线图的绘制， PLC 梯形图程序的设计。对 PLC 控制 MPS05模块化自动化生产线的工作过程作了详细阐述，论述了采用 PLC 的控制系统来设计生产线的好处。关键字：可编程控制器；自动化；生产线- I -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）AbstractPLC is gradually developed into a new generation industrial control device, which is based on basic communication control technology as automatic control technology. At present, it has been widely used in various fields. Because of its superior performance. PLC develops at a very fast speed since it came out.The thesis is blended with theory and practice, which illustrates concretely the application of the PLC in automatic production line. First it is designed and processed by understanding each motion of MPS05 module automatic production line-III station. Then, design echelon chart according to the requirements of processing. Debugging and application are the last two steps. The aim is to know the importance of the automatic production line in module life. It includes the option of the PLC model number the allocation of the I/O ports, the drawing of the I/O hardware wiring diagram, the design of the PLC ladder chart program. There are some concrete introductions for the working process of the MPS05 modularization automatic production line which is control by the PLC, and it also expounds, the advantages of designing production line by using PLC control system.The keywords: Programmable logic control ；automation ；production line-II-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）目录摘要.IAbstract.II引言.1第一章 自动化生产线简介 .21.1自动化生产线的发展历史 .21.2 MPS 模块化自动化生产线 .2第二章 模块化自动化生产线 III 站的概述 .42.1模块化自动化生产线 III 站控制要求 .42.2模块化自动化生产线 III 站的总体设计 .42.3模块化自动化生产线 III 站的结构 .52.4模块化自动化生产线 III 站的工作系统模拟图 .5第三章控制系统的硬件设计 .73.1控制系统设计的基本步骤 .73.2控制器的选择 .73.3编程软件选择 .83.4气动元件选择 .93.5步进电机和步进驱动器的选择 .103.6模块化自动化生产线 III 站 PLC 的符号分配表 .113.7模块化自动化生产线 III 站 PLC 的输入输出接线图 .113.8模块化自动化生产线 III 站步进驱动器接线原理 .133.9模块化自动化生产线 III 站气动回路图 .14第四章模块化自动化生产线 III 站的程序设计 .154.1模块化自动化生产线 III 站的程序流程简介 .154.2模块化自动化生产线 III 站 OB1 主程序块设计 .164.3模块化自动化生产线 III 站 FC1 函数块设计 .234.4模块化自动化生产线 III 站 FC3 函数块设计 .24-III-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）4.5 模块化自动化生产线 III 站 FC4 函数块设计264.6 模块化自动化生产线 III 站 FC5 函数块设计26结论28参考文献29附录30致谢35-IV-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）引言随着自动化生产线的问世，人们的生活得到了极大的改变。特别是PLC在工业领域等诸多领域得到了广泛的应用。在人们的的日产生活中，PLC 的应用也体现在很多方面。 目前，随着生产力的发张和科学技术的进步， 人们对现今的自动化技术提出了更新的要求。 在实际的生产中， 由于手动或者半自动的设备需求耗费大量的人力或者物力，在现代生产中已经不能满足人们的需求，所以自动化的发展就成了当下社会发展的主要技术之一。 在自动化技术中，由于 PLC 具有可靠性高、通用性强、程序设计简单交以及便于安装调试等优点1 ，在自动化生长线中国得到了广泛应用。 PLC 在自动化技术中的应用也被越来越多人所关注。MPS05模块化自动化生产线设计主要有机械部分、 电气部分和软件编程部分的设计 2 。机械部分的设计一般比较稳定，所以自动化生产线的主要部分还是在电气部分和软件编写的部分。 在电气部分，气源的输入给自动化生产线的运动提供了动作的能量， 所以气缸以及气阀的选择成为了重要的任务， 好的气阀可以达到更高的精度。 而软件编程部分尤为重要， 它需要给生产线下达运动的指令，作用相当于人的大脑， 可见其重要性。 本文通过对 MPS05模块化自动化生产线的设计，使得人们更够更加了解自动化在现在生活中的意义，以及PLC在自动化中的作用。对未来自动化技术的发展提供了可靠的依据。- 1 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）第一章自动化生产线简介1.1 自动化生产线的发展历史二十世纪初期， 汽车工业在为了扩大生产， 加快生产的同时减少工人的劳动力，逐渐出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。等到20 年代，由于工业革命的需求，机械制造业开始出现自动化生产线，最早出现的是组合机床自动线 3 。20 世纪 40 年代， 因为第二次世界大战的爆发，为了能够解决火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题， 各国科学家设计出各种精密的自动调节装置开创可防空火力系统和控制这一新的科学领域。 随着第二次世界大战的结束，工业在发达国家的机械制造业中得到了发展，自动化生产线在工业中得到广泛的发展与应用， 并且围绕着高速飞行、 核反应堆等设备的发展出现了新的控制问题，非线性系统、时滞系统、脉冲几采样系统、时变系统、分布参数系统和有随机信号输入的系统的控制问题的深入研究 4 。在 20 世纪 50 年代，经典控制理论也有了新的发张。与此同时，在工业上已广泛应用PID 调节器，并用电子模拟计算机来设计自动控制系统。20 世纪50 年代研制出了电动单元组合仪表，这些全都为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。20 世纪 60 年代，美、英等国的科学家们注意到人工智能的所有技术和机器人结合起来，研制出智能机器人 5 。智能机器人会在工业生产、核电站设备检查及维修、海洋调查、水下石油开采、宇宙探测等方面大显身手6 。从 20 世纪至今，自动化技术得到了巨大的发展。自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化技术的研究、应用和推广，对人类的生产、生活的方式将产生深远影响。1.2 MPS 模块化自动化生产线MPS 模块化自动化生产线实训系统，结合了现代工业生产制造技术并在此基础上又针对教学进行了专门的设计，强化了各种控制技术和工程实践能力,是气电完美结合的典型实训设备7 。- 2 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）系统包含了多种控制技术，适合相关专业学生进行工程实践、课程设计等，适用于广大中、高职院校等进行自动化方向的培训和教学等场合。该设备整体采用模块式结构设计，主体采用工业铝型材构建而成，配有工业标准接线端子和不锈钢按钮控制面板，整体美观大方。 执行机构驱动和控制使用 DC24V 电源，在实践操作中保证了安全性。主要特点：灵活性：该设备以其模块化大大的提高了其灵活性， 更贴近现实生产实际过程。综合性：该设备综合了现代实际生产中较流行的较先进的各种很实用的技术知识点，其中包括 PLC 控制编程技术，电气控制技术，气动应用技术，传感器技术，机器人应用技术等几大主要知识点 8 。易扩展性： 由于采用了模块化的设计， 学生可以发挥自己的创新思维， 实现对设备的扩展改造 9 。- 3 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）第二章模块化自动化生产线III站的概述2.1 模块化自动化生产线III站控制要求根据自动化生产线的设计要求，对于 MPS05 模块化自动化生产线 -III 站的控制系统提出如下的要求：1.上电后 ,检测各工作机构的状态,控制各工作机构处于初始位置。2.开始后，通过传感器监测待加工工件是否存在并开始加工。3.加工的过程控制。4.加工前后的工件运输控制。5.对于加工分度转盘的私服电机的控制。6.能实现加工过程自动控制,加工参数显示 ,系统检测。7.保证加工的加工精度、加工效率和安全可靠性。2.2 模块化自动化生产线 III站的总体设计自动化生产线所需要的结构共分为三部分，分别是机械结构、电气结构、还有软件部分。总体的设计简图如下图 2.1 所示。图 2.1自动化生产线结构- 4 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）2.3 模块化自动化生产线III站的结构III 站作为自动化模块化生产线的加工站， 对于机械部分的要求相对较高，机械结构相对负责，精度要求极高，与电气部分的连接更是尤为重要。机械控制设计与机械设计需要紧密配合，以取得最好的效果。其结构图如图 2.2 所示。图 2.2 III 站整体机械图2.4 模块化自动化生产线III站的工作系统模拟图III 站加工流程如图 2.3 所示，按下上电按钮， 上电灯亮，表示系统可以运行。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 。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。 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。- 5 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）图 2.3工作系统模拟图- 6 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）第三章控制系统的硬件设计3.1控制系统设计的基本步骤在开始设计之前， 要详细了解哪些信号需输入控制器、 是模拟量还是数字量、采用什么方式等工艺过程和控制要求。1.设计的总体方案确定： 根据自己的需要或者设备的运动需求确定电气控制方案。2.确定输入 /输出元件以及控制器机型： 根据所需要的输入输出点选择合适的输入输出软件，然后根据输入输出选择合适的控制器。3.分配控制器的点数：明确输入设备与控制器输入点的对应关系，输出执行元件与各输出点之间的关系，合理的分配I/O 点。4.程序（梯形图）的编制：完成 I/O 点分配后，就可以根据自己的需要或者设备自动化的运动动作设计自己的程序， 设计程序需要根据设备的功能来考虑，思路要严谨，程序的质量将会影响设备运行的可靠性和稳定性。5.调试应用程序：对编好的程序进行模拟调试，以防止因编程考虑不周导致设备运行时会出现的问题。6.联机调试程序：联机调试可以发现程序的错误和不足，进行及时改正，调试前应该进行周密的计划，避免盲目地修改程序。7.编写技术文件：保存编好的程序，并写出详细的明细表，绘制电气原理图及主要电路图，编写控制系统说明书等。3.2 控制器的选择可编程控制器， 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 PLC10 。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- 7 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）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 S7-1200 型 PLC， CPU 型号为 1214C。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。 SIMATIC S7-1200 小型控制器是 S7-200 的替代品，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 12 。S7-1200 的样式如图 3.1 所示：图 3.1 S7-1200 图样3.3 编程软件选择编程设备一般在计算机上运行，主要作用是对PLC 的开发应用，测试运- 8 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）行、检测 CPU 的工作状态，以及根据个人需求运动来编写所需程序。不同的PLC需要用不同的编程软件来编写程序，例如本次设计选择了S7-1200 的PLC，所以编程软件为 TIA 博途 STEP 7 V13，博途软件可对S7-1200，S7-300， S7-1500，S7-400，及西门子触摸屏进行编程组态，是西门子公司近几年新推出的一款多功能编程软件 ,比较适合入门级的使用 13 。3.4 气动元件选择自动化模块化生产线III 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。具体型号如图3.2 所示：图 3.2 电磁阀组- 9 -大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）3.5 步进电机和步进驱动器的选择图 3.3步进驱动器根据设计的要求， 分度装盘在旋转运输工件的精度， 选择步进电机作为分度转盘的旋转电机， 因为步进电机相对比伺服电机价格便宜， 而且满足设计的需要，本次设计所采用的是富兴 DC2405M两相混合式步进电机， 至于步进驱动器，则是选择了两相四线细分驱动器适用机型： 4A 以下 42-86 系列两相混合式步进电机， DB 2 相 4 线，工作电压 6-36V，步距角 1.8 度 ,15 档细分，可通过拨码开关进行设置，最高 128 细分 14 。如图 3.3 所示，为步进驱动器。-10-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）3.6 模块化自动化生产线III站 PLC的符号分配表表 3.1 I/O 分配表输入输出符号分配表（I/O ）名称名称输入点（ I ）作用输出点（ Q）作用I0.0开始Q0.0步进 DUI0.1复位Q0.1步进 DRI0.2特殊Q0.21#伸I0.3手动 /自动Q0.32#伸I0.4单站 /联网Q0.4加工电机I0.5停止Q0.5步进释放I0.6上电Q0.6开始灯I0.71#伸Q0.7复位灯I1.01#缩Q1.0特殊灯I1.12#伸Q1.1停止灯I1.22#缩I1.3左位检测I1.4右位检测I1.5定位检测自动化模块化生产线 III 站一共用了 14 个输入点，输入信号 I 包括 7 个按钮的输入点， 4 个气缸的反馈信号，以及 3 个传感器的反馈信号。输出信号Q 包括控制步进电机的 3 个信号，控制气缸的 2 个信号，一个加工电机的信号以及 4 个按钮灯的输出信号。 I/O 分配如表 3.4 所示。3.7 模块化自动化生产线III站 PLC的输入输出接线图如图 3.4 所示，是 III 站的 I/O 点接线原理图。-11-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）图 3.4输入输出原理图-12-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）3.8 模块化自动化生产线III站步进驱动器接线原理如图 3.5 所示，是步进驱动器的接线原理图， Q0.0 是步进信号， Q0.1 是步进电机转动的方向信号， Q0.5 是使能释放信号。图 3.5步进电机接线图-13-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）3.9模块化自动化生产线III站气动回路图模块化自动化生产线 III 站气动回路如图 3.6 所示，包括步进电机， 三轴气缸 TCL ，夹紧气缸 PB 等结构。图 3.6 气动回路图-14-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）第四章模块化自动化生产线III站的程序设计4.1 模块化自动化生产线III站的程序流程简介第三站程序流程如图 4.1 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。图 4.1 程序流程图-15-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）4.2 模块化自动化生产线 III站 OB1主程序块设计如图 4.2 所示，按下对应的按钮，对应的常开触点接通，相对的临时线圈有信号，对应的按钮灯点亮。-16-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）图 4.2按钮程序-17-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）如图 4.3 所示程序 9、10 是利用接通延时指令形成电流的脉冲信号， 所对应的作用是当机器待加工时，开始灯连续闪烁以提示按下开始按钮。图 4.3 延时脉冲程序如图 4.4 所示，按下复位按钮，当定位检测传感器不在位置时，分度转盘旋转到定位处，并将步进驱动器信号清空，等待加工。-18-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）图 4.4复位程序如图 4.5 所示，当夹紧气缸和三轴气缸处于原位，定位传感器有信号，形成初始化信号。图 4.5初始化程序如图 4.6 所示，在初始化状态下，按下开始按钮，或者由II 站给 III 站一-19-大连工业大学2015 届本科生毕业设计（论文）个工件到位信号，工件开始加工，并将1 的地址传给临时变量MW40