第6章自动化制造系统

第6章自动化制造系统6.1概述6.2直线型自动化生产线6.2.1FestoMPS系统概述模块化生产加工系统（MPS，ModularProductionSystem）是由德国FESTO公司出品的教学设备。MPS体现了机电一体化技术的实际应用。MPS设备是一套开放式的设备，用户可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，最多可由9个单元组成，最少时一个单元即可自成一个独立的控制系统。由多个单元组成的系统可以体现出自动生产线的控制特点。MPS设备一般由PLC（ProgrammableLogicContoller,可编程程序逻辑控制器）控制。PLC是专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。在由5个单元组成的MPS系统中，综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动，机械连接等）、电工电子技术、传感器应用技术、PLC控制技术等。利用该系统，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学习者在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学习者在学习过程中很自然的就将理论应用到实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。0.2.2MPS的基本组成及基本功能5个单元组成的MPS系统可以较为真实的模拟出一条自动生产加工流水线的工作过程。1.基本组成MPS由供料单元、监测单元、加工单元、操作单元和分拣单元等5个单元组成。其中，每个工作单元都可以自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统。各个单元的执行机构主要是气动执行机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。在MPS设备上应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色和材质等。传感器技术是机电一体华技术中的关键技术之一，是现代工业实现高度自动化的前提之一。在控制方面，MPS设备采用PLC进行控制，用户可根据需要选择不同厂家的PLC。MPS设备的硬件结构是相对固定的，但学习者可以根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS设备的控制。2.基本功能MPS设备给学习者提供了一个半开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS作为一条自动生产流水线具有怎样的操作运行模式等，学习者都可以根据自己的理解，运用所学的理论知识，设计出PLC控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。但MPS设备的每个单元都具有最基本的功能，学习者只能在这些基本功能的基础上进行设计与发挥。各个单元的基本功能如下.(1)供料单元的基本功能：按照需要将放置在料仓中的待加工工件（毛坯料）自动地取出，并将其传送到第二个工作单元——检测单元。(2)检测单元的基本功能：将供料单元传来送来的待加工工件进行颜色及材质的识别，并进行高度检测，将符合要求的工件通过上滑槽分流到下一个工作单元——加工单元；将不符合要求的工件从下滑槽剔除。(3)加工单元的基本功能：将检测单元传送过来的待加工工件进行模拟钻孔加工，并可以对加工结果进行检测。（4）操作手单元的基本功能。将加工单元加工后的工件从加工单元取走，取出的工件可以有两个流向：对符合要求的工件，送往下一个单元——分拣单元；对不符合要求的工件，则放到本单元的滑槽中剔除。（5）分拣单元的基本功能：可以将上一单元传送过来的工件按颜色或材质的不同，分别从不同的滑槽中分流。第6章供料单元的结构与控制6.1供料单元的结构6.1.1供料单元的功能供料单元是MPS中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供原料的作用。相当于实际生产加工系统（生产线）中的自动上料系统。它的具体功能是：按照需要将放置在料仓中的待加工工件（原料）自动地取出，并将其传送到第二个工作单元——检测单元。如图6-1所示为供料单元实物的全貌。图6-1供料单元实物的全貌6.1.2供料单元的结构组成供料单元的结构组成如图6-2所示。其主要结构组成为：I/O接线端口，真空发生器，真空检测传感器，对射式光电传感器，磁感应式接近开关，CP阀组，消声器，气源处理组件，进料模块，转运模块，走线槽，铝合金板等。图6-2供料单元的结构组成1.I/O接线端口I/O接线端口1如图6-3所示。它是该工作单元与PLC之间进行通信的线路连接端口。该工作单元中的所有电信号（直流电源、输入、输出）线路都接到该端口上，再通过信号电缆线连接到PLC上。它有8个输入接线端子和8个输出接线端子，在每一路输入、输出上都有LED显示，用于显示相应的输入、输出信号状态，供系统调试使用。并且，在每一个端子旁都有数字标号，以说明端子的位地址。接线端口通过导轨固定在铝合金板上。图6-3I/O接线端口2.气源处理组件气源处理组件如图6-4所示，它是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水、调节并保持恒定的工作压力。在该气源处理组件的气路出口处安装一个气路开关，用于关闭气源，使之不再向工作气路送气。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。图6-4气源处理组件3.进料模块进料模块如图6-5所示。该模块用于储存工件原料，并在需要时将料仓中的工件分离出来，为转送模块取走一个工件做好准备。图6-5进料模块该模块主要由料仓、推料杆、双作用气缸（以下称为推料缸）、磁感应式接近开关、对射式光电传感器组成。其中，推料杆的作用是将工件从料仓的底部推出，它是固定在气缸的活塞杆上的，由气缸驱动它动作。它的工作原理是：工件垂直叠放在料仓中，推料杆位于料仓的底层并可从料仓的底部通过，当推料杆在退回的位置时，它与最下层的工件处于同一水平位置。当气缸驱动推料杆推出时，推料杆便将最下层的工件推到预定位置，从而把工件移出料仓；而当气缸驱动推料杆返回并从料仓底部抽出时，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工件，为下一次的工件分离做好了准备。在推料缸的两个极限位置分别装有一个磁感应式接近开关，如图6-6（a）所示。磁感应式接近开关的基本工作原理是：当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出传感器信号。若在气缸的活塞（或活塞杆）上安装上磁性物质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。当气缸的活塞杆运动到哪一端时，哪一端的磁感应式接近开关就动作并发出电信号。在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断推料缸的运动状态或所处的位置，目的是间接判断工件是否从料仓中分离出来及是否送到预定的位置。在传感器上设置有LED显示传感器的信号状态，供调试时使用。传感器动作时，输出信号1，LED灯亮；传感器不动作时，输出信号0。LED不亮。传感器的安装位置可以调整，调整方法如图6-6（b）所示。图6-6磁感应式接近开关在该模块料仓的底层位置，安装有对射式光电传感器的探头，用于检测料仓中存储料的情况（有无料）。该对射式光电传感器2由光纤（探头）和光电传感器主体组成，如图6-7所示。光纤（探头）共有两根，一根用于导出光线，一根用于导入光线，其作用只是传导光。注意：光纤在安装和使用中，不能将其折成“死湾”或使其受到其他形式的损伤。对射式光电传感器的工作原理如图6-7（b）所示。光电传感器在工作中其光发射头始终是有光发出的，光发射头与接受头相对而置，当光发射头与光接受头之间无障碍物时，光线可以到达接受端，使传感器动作而输出信号1；当光发射头与光接收头之间有障碍物时（如本工作单元料仓中的工件），则光线被遮挡住，不能到达接收端，从而使传感器不能动作，而输出信号0。在传感器上有输出信号1时，LED点亮；输出信号0时，LED熄灭。图6-7对射式光电传感器由此可知，在该工作单元中，料仓中有无存储料的情况，可以通过安装在料仓底部的对射式光电传感器的信号状态反映出来。在控制程序中，就可以利用该信号状态来判断料仓中有无存储料的情况，为实现自动控制奠定了硬件基础。4.转运模块转运模块如图6-8所示。它的功能是抓取工件，并将工件传送到下一个工作单元。转运模块主要由转动气缸、摆臂、真空吸盘、真空压力检测传感器、真空吸盘方向保持装置和行程开关组成。转动气缸是摆臂的驱动装置，其转轴的最大转角为180º，转角可以根据需要进行调整。转动气缸的外观如图6-9所示。转动气缸的转角调整方法如下。步骤1：松开凸轮固定螺栓；图6-8转运模块外观图6-9转动气缸步骤2：移动相应的行程凸轮到预定停止位置；步骤3：旋紧固定螺栓。在转动气缸的两个极限位置上各装有一个行程开关，利用行程开关的信号状态来标识两个极限位置，其作用与传感器相同。在控制程序中，通过对该信号状态的判断来得知转动气缸是否处于或到达极限位置。行程开关的状态是通过行程凸块的挤压来实现的，如图6-10所示。图6-10行程开关的动作过程真空吸盘用于抓取工件。吸盘内腔的负压（真空）是靠真空发生器产生的。真空发生器的基本工作原理是引射原理。引射原理如图6-11所示。图中C口、D口与大气相通，压缩空气以一定高速由A口进入，由于管道出口B处（喷嘴）的截面积急剧缩小，所以B口处气体的流速进一步升高，从而在B口的附近形成了一个负压区域，造成B口处的压力小于C口。B、C之间的压差使得C口附近的物体被吸向C口，若物体大于C口的截面积，则物体就被吸附在C口。B-C之间的管道内就会保持一定的负压（一定的真空压力），若在B-C之间接入一个真空压力检测传感器，则利用真空检测传感器的输出信号，就可以判断在C口是否有物体被吸住。真空发生器实物如图6-12所示。图6-12真空发生器真空检测传感器实物外观如图6-13所示。它是具有开关量输出的真空压力检测装置，当进气口的气压小于一定的负压（真空）值时，传感器动作，输出开关量1，同时LED点亮，否则，输出信号0，LED熄灭。图6-13真空检测传感器真空吸盘在摆臂转动的过程中，应始终保持垂直向下的姿态，以使被运送的工件在运送过程中不致翻转。真空吸盘方向保持装置就是用于实现这个目的，其结构如图6-14所示。真空吸盘方向保持装置采用的是简单的机械传动机构，非常实用有效。为了更清楚地了解其工作原理，首先对其结构作一个简要的说明。如图6-14（b）所示，转动气缸固定在支架上，输出轴从固定齿轮的轴孔中穿过，并可以自由转动，摆臂通过平键与转动气缸的转轴相连接；摆臂的另一端安装着吸嘴（架），吸嘴架的转轴超过摆臂与活动齿轮固定连接在一起，这样，活动齿轮就可以带动吸嘴转动了。如图6-14（a）所示，当转动气缸驱动摆臂向右转动时，则摆臂与固定齿轮之间形成相对运动，导致皮带的运动，通过皮带带动了活动齿轮的转动，而活动齿轮是与吸嘴固定在一起的，从而导致了吸嘴的转动，它们各自的运动方向在图中已清楚地标出，只要传动比为1：1（固定齿轮与活动齿轮的齿数相同），就可以做到：摆臂转动的角度等于吸嘴转动的角度，因此，保证了吸嘴在摆臂转动的过程中始终保持初始方向（垂直向下）不变。5.CP阀组阀组，顾名思义，就是将多个阀集中在一起构成的一组阀，而每个阀的功能是彼此独立的。CP阀组的外观如图6-15所示。该阀组由二位五通的带手控开关的单侧电磁先导控制阀、二位五通的带手控开关的双侧电磁先导控制阀和三位五通的带手控开关的双侧电磁先导控制阀组成。用它们分别对推料缸（推料杆）、真空发生器（真空吸嘴）和转动气缸（摆臂）的气路进行控制，以改变各自的动作状态。如图6-15所示，手控开关是向下凹进去的，须使用专用工具才可以进行操作，如图6-16所示。向下按时，信号为1，等同于该侧的电磁信号为1；常态下，手控开关的信号为0。在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料杆等执行机构的状态，达到调试的目的。注意：在阀的电磁控制信号为1时，不要使用手控开关，以免造成故障或设备损坏。图6-14真空吸盘方向保持装置图6-15CP阀组图