教學型FMS控制系統(tǒng)的研究與設計畢業(yè)設計論文

1、摘 要隨著科技飛速進步，柔性制造系統(tǒng)（fms）已成為現(xiàn)代制造業(yè)自動化前進的源動力，在許多工業(yè)領域被廣泛運用。我國在fms領域起步較晚，應用不足。國內高?，F(xiàn)有的先進的fms實驗設備偏少，缺少相關的研究與設計人才。本文嘗試設計基于plc與profibus-dp總線的教學型fms系統(tǒng)，該系統(tǒng)由立體倉庫與碼垛機、ccd形狀識別、cnc加工、上下料搬運機器人、ccd尺寸檢測及顏色識別、條碼掃描檢測、傳輸系統(tǒng)、分揀機器人等單元組成。對系統(tǒng)構建與組成，主要硬件的設計與選取，尤其是各部分的性能參數(shù)指標等進行了探索。設計中采用plc控制可實現(xiàn)邢臺可靠穩(wěn)定，。其次通過profibus-dp現(xiàn)場總線將各個功能單元鏈

2、接，構成一個完整整體，在中央控制臺的統(tǒng)一控制下協(xié)調各單元工作。設計對主要功能模塊的硬件構建進行了探索，對基于plc控制和profibus-dp現(xiàn)場總線的控制機理進行了初步研究，最后進行了相關系統(tǒng)的調試與運行試驗。設計達到了預期目標。關鍵詞：教學型fms，plc，profibus-dp， ccd，中央控制臺abstractwith the rapid progress of science and technology, the flexible manufacturing system (fms) has become a driving force source of modern manu

3、facturing automation and is widely used in many industrial fields. in the field of fms in china starts late, lack of application. college of the existing advanced fms experimental equipment, the lack of related research and design talents. this paper tries to design teaching model based on plc and p

4、rofibus-dp bus fms system, the system consists of stereoscopic warehouse and stacker crane, ccd shape recognition, cnc machining, up-down material handling robot, ccd size detection and color identification, bar code scanning, transmission system, sorting robots and other units. on the system constr

5、uction and composition, main hardware design and the selection, especially the performance parameters of the parts, etc. plc control can be realized in the design of xingtai, reliable, stable. secondly by profibus-dp field bus will each functional unit links, constitute a complete whole, in the cent

6、ral console coordination under the unified control of each work unit. design of main function module of hardware to construct has carried on the exploration, based on plc and profibus-dp fieldbus control mechanism is studied, finally has carried on the related system debugging and running test. the

7、design has reached the expected goal. key words： plc，fms, profibus-dp, ccd, cnc摘 要1abstract2第一章 緒 論41.1柔性制造系統(tǒng)概述41.2柔性制造系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀613 本文主要研究內容814課題研究目的及意義8第2章 系統(tǒng)介紹與總體方案設計921教學型fms系統(tǒng)工作流程922系統(tǒng)的布局及各組成模塊923系統(tǒng)的實現(xiàn)技術11第3章 教學型柔性制造系統(tǒng)硬件設計143.1自動化立體倉庫、碼垛機單元143.2 傳輸單元設計1533 ccd形狀顏色識別單元173.4搬運機器人單元183.5條碼打印掃描檢測單元2

8、036氣動搬運機器人單元21第4章 教學型fms系統(tǒng)控制部分設計234.2 控制系統(tǒng)軟件設計2443 profibus-dp現(xiàn)場總線的實現(xiàn)25第5章 系統(tǒng)運行與調試295.1 串聯(lián)機器人控制試驗與調試295.2 碼垛機控制試驗與調試31第6章 設計小結33致謝34參考文獻35第一章 緒 論1.1柔性制造系統(tǒng)概述1.1.1 柔性制造系統(tǒng)概述柔性制造系統(tǒng)一般為具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)、工件工件倉儲與傳輸系統(tǒng)和一系列數(shù)控加工單元組成，能適應加工目標調整的自動化智能制造系統(tǒng)，英文簡寫即fms。自上世紀八十年代以來，在主要發(fā)達國家中，柔性制造系統(tǒng)（fms）做為實現(xiàn)企業(yè)制造和加工自動化的契機，在諸多領域得到

9、廣泛運用。fms采用中央計算機進行集成管理和控制，可以高效地生產加工中小批量、多類型工件的自動化生產統(tǒng)，它的廣泛運用很好地實現(xiàn)了生產自動化與生產線高柔性度要求之間的協(xié)調。一般來說，只有單一品種、大批量、專用設備、穩(wěn)定的工藝、高效率的生產，才會形成規(guī)模，產生更高經濟效益；反過來，品種多、批量小的生產，設備的專用性越低，在加工環(huán)境類似的情況下，頻繁更換夾具，工藝難度增大，生產效率將受到影響。為了兼顧生產線的柔性和高效率，使之在確保產品質量的前提下減少產品制造周期，縮小產品成本，兼顧中小批量生產能和大批量生產的優(yōu)點，所以產生了柔性自動化系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)具有以下特點：（1）設備利用率高。一系列機床進

10、入柔性制造系統(tǒng)后，其效率比這些機床分散、單獨作業(yè)時的效率提高多倍；（2）減少在制品。數(shù)據(jù)顯示，采用柔性制造系統(tǒng)可使在制品減少約80%；（3）實現(xiàn)相對穩(wěn)定的生產；（4）系統(tǒng)配置和構建靈活；（5）產品對市場的適應能力更強。1.1.2 柔性制造系統(tǒng)結構典型的柔性制造系統(tǒng)由對應的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、工件倉儲與傳輸系統(tǒng)和一系列數(shù)控加工單元等組成。系統(tǒng)為了達到制造的高柔性,fms一般須包括以下組成部分：（1）加工部分柔性制造系統(tǒng)連接的設備與待加工零部件的類型有關,一般連接的設備有車削中心、數(shù)控(cnc)車銑磨、加工中心或齒輪加工機床等,可自動完成不同工序，不同部件的加工。（2）儲運系統(tǒng)儲運系統(tǒng)用以實現(xiàn)零部件及工

11、裝、夾具的自動化供給和裝卸,以及實現(xiàn)不同工序之間的自動輸送、調配和倉儲工作,包括各型傳送帶、工業(yè)機器人、agi及分揀單元等。（3）中央控制系統(tǒng)中央控制系統(tǒng)可處理柔性制造系統(tǒng)產生的各種數(shù)據(jù)和信息,連接控制各類自動化機床、工件供給、成品檢測等各類操作所需要的數(shù)據(jù)。一般采用3級(設備級、工作站級、單元級)的分布式中央控制系統(tǒng),這其中單元級控制類系統(tǒng)是柔性制造系統(tǒng)的重點。（4）控制程序控制程序可實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)對中小批量、多品種生產的有效控制、管理及調度工作。包括設計算法、過程分析類程序、生產過程優(yōu)化程序、運行管理與監(jiān)控程序。1.1.3 柔性制造系統(tǒng)分類，效用與發(fā)展方向按照規(guī)模大小,柔性制造系統(tǒng)可分為

12、以下三類：（1）柔性制造單元(fmc)，fmc由單臺帶多托盤系統(tǒng)的加工中心或3臺以下的cnc機床組成,具有適應加工多品種產品的靈活性，fmc的柔性相對最高。（2）柔性制造線(fml)，fml是處于非柔性自動線和fms之間的生產線,對物料系統(tǒng)的柔性要求低于fms，但生產效率更高。（3）柔性制造系統(tǒng)(fms)，fms通常包括3臺以上的cnc機床(或加工中心),由集中的控制系統(tǒng)及物料系統(tǒng)連接起來,可在不停機情況下實現(xiàn)多品種、中小批量的加工管理。fms是使用柔性制造技術最具代表性的制造自動化系統(tǒng)。采用fms的主要技術經濟效果是：按照裝配作業(yè)配套需要，實現(xiàn)安排所需零件的加工，進行及時生產，從而降低毛坯和

13、半成品的庫存量，加快資金流動，縮短生產周期；提高設備利用效率，降低設備數(shù)量和減少廠房面積；節(jié)約勞動力，在較少人操作條件下實現(xiàn)連續(xù)24小時的“無人化生產”；提高產品質量的一致性。柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展方向將是：（1）加快發(fā)展各類加工對象的柔性制造單元以及小型fms。由于 fmc的投入比fms少得多，而效果類似，更適于投入有限的中小類企業(yè)。多品種、大批量生產中運用fml的發(fā)展趨勢是用價格更低的專用機床取代價格高昂的加工中心。（2）完善fms的自動化功能。fms完成的作業(yè)內容擴大，由早期單純的機械加工型向裝配、檢驗、焊接和鈑材加工乃至鑄鍛等更高領域發(fā)展，此外，fms還要與cad、cam進行結合，向全廠范

14、圍的自動化方向發(fā)展。1.2柔性制造系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀1.2.1國外柔性制造系統(tǒng)研究現(xiàn)狀主要工業(yè)發(fā)達國家在fms領域長期占據(jù)領先地位。以美國為代表，1952年麻省理工學院設計出的第一臺數(shù)控銑床可看做是柔性自動化生產的開端，它初步實現(xiàn)了多品種、小批量的自動化生產。1963年，美國mehose設計并制造了首套數(shù)控自動化生產線，可加工不同類型的柴油機零部件，人類首次實現(xiàn)了柔性化的自動生產。1967年，美國奧姆里萊公司、英國莫斯林公司實現(xiàn)了完全意義上的，可適用多種類型零部件加工、生產的生產線，并將之稱為柔性制造系統(tǒng)。亞洲國家中日本在柔性制造系統(tǒng)的研究和應用中處在領先地位。1970年日本首套柔性制造生產線

15、在日立精機公司研制成功。日本開始真正注重柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展以1977年在日本發(fā)起的“無人化制造方法”規(guī)劃為代表。1984到1989年的幾年間，日本的柔性制造單元數(shù)量迅速增加。1991年日本實施“智能制造系統(tǒng)”國際性開發(fā)項目，fms的發(fā)展開始逐漸發(fā)展并完善。據(jù)統(tǒng)計，1974年世界各國實現(xiàn)柔性自動化生產線17條，1981年達到87條， 1985年達到349條，1990年達到1500余條，1994年初增加至三千余條，年增長達30以上，并有逐步增加的趨勢。統(tǒng)計表明柔柔性制造越來越受重視，使用柔性制造系統(tǒng)提高生產線的柔性化已成為一種趨勢。世界上主要工業(yè)發(fā)達體對柔性制造系統(tǒng)的應用日趨成熟。目前處于應用的柔

16、性制造系統(tǒng)中，近一半由美國制造商提供，其他基本上由德國、日本和其他工業(yè)化程度較高的國家公司制造。目前主要的fms制造商包括：美國的kbamey&trecker，cincinnati milac 、ktuild、hlgersou milling，日本的三菱、日立精機、法拉克、山崎，德國的西門子、huller hille等?？傊嵝灾圃旒夹g已成為國際制造業(yè)發(fā)展的潮流，國外對柔性制造系統(tǒng)的研究與應用越來越成熟，當前正在向第二代柔性制造系統(tǒng)(即智能柔性制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。第二代柔性制造系統(tǒng)借助于專家系統(tǒng)，將人工智能融入制造中代替人的部分腦力勞動，系統(tǒng)具備一定的自協(xié)調能力。該類系統(tǒng)在工作時如果受到外界

17、干擾和內部激勵時，可自動調節(jié)運行狀態(tài)，以適應更復雜的工作環(huán)境 。 1.2.2國內柔性制造系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 中國在柔性制造系統(tǒng)的研究與制造方面滯后于國外1020年。早期國內企業(yè)技術有限，在柔性制造系統(tǒng)的設計與應用方面基本上提留在引進和試用階段。上世紀末，在國家政策的扶持下，一部分科研院所和高校才得以設計、研制柔性自動化生產線 。1986年中國首套柔性制造系統(tǒng)在北京機床研究所設計制造完成并投入運行，該系統(tǒng)采用部分進口與自主研發(fā)相結合的方式，采用5臺國產加工中心、1臺富士電機生產的agv小車以及4臺日本產的機器人構建，可實現(xiàn)數(shù)控機床直流伺服電機中的法蘭盤、端蓋、主軸等回轉類部件的加工。1990年，58研

18、究所、機電研究所、華東工學院共同努力，設計和開發(fā)的fms在長春通過鑒定并投入生產運行。2001年，沈陽自動化研究所設計制造了中國首條，可實現(xiàn)摩托車車架焊接的柔性生產線。 2004年，中科院力學研究的“集成化激光智能制造及柔性加工系統(tǒng)”項目通過中科院的鑒定與驗收，該項目可實現(xiàn)激光機器人制造與加工過程的智能化、柔性化、數(shù)字化、集成化與模塊化，為汽車車身的加快研制提供了很好的技術支持，使汽車沖壓模具激光強化的需求得到了更好滿足。 2009年，江蘇新瑞公司與中科院沈陽計算機研究所聯(lián)合設計制造的fms系統(tǒng)實現(xiàn)了多品種的混流無人加工。1.2.3國內外教學型fms研究與應用現(xiàn)狀國外較多高校目前已廣泛購置了較

19、先進的fms實驗系統(tǒng)和設備。這些fms實驗系統(tǒng)和設備可讓學生近距離了解現(xiàn)代工業(yè)生產流程，初步熟悉較復雜和大型的現(xiàn)代工業(yè)生產線，提高了學生的操作能力，開闊了視野。學生在該類設備上的操作與學習，對今后的工作很有幫助。目前國內以清華大學為代表的眾多工科院校從引進國外柔性制造系統(tǒng)到自研柔性自動化生產線，對教學型fms實驗系統(tǒng)和設備的投入在逐漸加大，也取得了不少的成績。本校的機電工程學院在2012年與蘇州博實機器人有限公司聯(lián)合研制了一套柔性制造系統(tǒng)，在實際的教學和科研中發(fā)揮了較好的效果。13 本文主要研究內容 教學型柔性制造系統(tǒng)是一條柔性加工生產線，由立體倉庫與碼垛機、ccd形狀識別、cnc加工、搬運機

20、器人、ccd尺寸檢測及顏色識別、條碼掃描檢測、傳輸系統(tǒng)和工件廢品分揀等功能模塊組成。本文主要研究內容包括：(1) 對教學型柔性制造系統(tǒng)進行總體設計，包括系統(tǒng)的布局、系統(tǒng)各功能模塊設計、系統(tǒng)的控制方案等。(2) 研究系統(tǒng)各工位的功能，提出各工位的解決方案，給出各工位控制器硬件、軟件設計等，畫系統(tǒng)控制流程圖。（3）在系統(tǒng)理論設計進行論證后，對系統(tǒng)進行試驗與調試，以確保系統(tǒng)按照設計要求。14課題研究目的及意義國內fms系統(tǒng)研究經歷表明，在fms制造與應用領域，我國雖起步時間較晚，但仍然取得了長足進步。國內設計和制造成功的fms系統(tǒng)，正在不斷縮小我國與主要發(fā)達國家在該領域的差距。不過我們也要注意到，當

21、前我國在該領域的科研單位和院所不夠多，研究力量不夠強，目前正在設計和制造的各類fms系統(tǒng)以仿制為主，擁有自主知識產權的系統(tǒng)極少，加快fms系統(tǒng)的研究、加大相關人才與資金投入的壓力很大。所以當前加快高校和科研院所教學型fms系統(tǒng)的研究具有重大意義。近年來，plc由于其具有的可靠性、穩(wěn)定性以及易維護性特點等，plc技術在眾多工業(yè)領域的機電設備控制中得到普遍運用，其在柔性制造系統(tǒng)研制中也得到了大量應用。對于柔性制造系統(tǒng)，基于現(xiàn)場總線技術對系統(tǒng)鏈接起來的設備進行組態(tài)和控制，能改善傳統(tǒng)fms系統(tǒng)控制的不足，降低維護費用，節(jié)約安裝成本，改良生產環(huán)境。因而，現(xiàn)場總線技術與柔性制造系統(tǒng)相結合在工業(yè)應用上具有實

22、際意義。 本文嘗試設計基于plc與profibus-dp的教學型柔性制造系統(tǒng)具有較好的現(xiàn)實意義。第2章 系統(tǒng)介紹與總體方案設計21教學型fms系統(tǒng)工作流程工件或毛坯由四自由度碼垛機器人從自動化立體倉庫單元的毛坯庫中取出，送到自動化輸送系統(tǒng)單元輸送線上。皮帶運輸機將工件或毛坯送至ccd形狀識別單元處停止，由高速ccd工業(yè)相機對工件進行形狀識別。形狀識別結束，工件向下運送至橫向輸送機氣推處，氣推裝置將工件送至暫存區(qū)，再由上下料搬運機器人抓取工件，送入相應的柔性加工單元（并聯(lián)加工中心或數(shù)控車床）進行加工。加工完成后，由上下料搬運機器人取出工件，將工件放回到輸送線上。工件被運送到ccd尺寸檢測單元，對

23、已加工的工件進行尺寸及位置偏差檢測。檢測結束，工件被運送到分揀單元，不合格的產品由氣推裝置送到廢品存放處。合格的產品將繼續(xù)傳送至條碼打印及粘貼處，由人工貼上條碼再放回到輸送線上。工件經條碼掃描后，碼垛機根據(jù)條碼及工件的形狀、尺寸將工件從輸送機上取下并送至自動化立體倉庫單元的成品庫，完成一個工作流程。22系統(tǒng)的布局及各組成模塊221系統(tǒng)的布局 柔性制造系統(tǒng)的布局，即物料傳輸線路的布局，主要有三種方式：直線型、環(huán)型和網(wǎng)格型。直線型是一種應用比較廣泛的自動生產線布局方式，各站連接在一條直線上,工件采用小車或者傳送帶進行傳送，可達到高效率的要求，適合工件品種較少且生產批量較大的情況；環(huán)型布局方式的傳輸

24、線是按照環(huán)型的方式布置的，機床等設備沿著環(huán)外布置，這種布局方式可提高設備的利用率，且系統(tǒng)的容錯能力比較強；網(wǎng)絡型布局方式，柔性強、設備利用率和容錯能力最高，但運送小車的控制調度較為復雜.根據(jù)實際情況，考慮到工件的品種比較少而且實驗室的空間有限等因素的影響，選用環(huán)型布局方式。如圖2-1所示：圖2-1 教學型fms系統(tǒng)布局示意圖222系統(tǒng)組成模塊該系統(tǒng)由8個模塊組成，包括立體倉庫與碼垛機，ccd形狀識別單元、柔性制造加工單元、上下料搬運機器人單元、ccd尺寸檢測及顏色識別單元、條碼掃描檢測單元、自動化輸送線系統(tǒng)單元、氣動分揀單元。各模塊既可以與其它模塊配合，共同完成自動化生產與物流傳輸，也可以獨立

25、工作。所有模塊單元通過工業(yè)總線控制聯(lián)接，即還包含系統(tǒng)總控單元。倉庫模塊用來存儲物品，由整體立體倉儲單元和移動小車單元組成。各單元均采用滾珠絲桿傳動、接近開關進行機械定位，通過步進電機及其驅動器實現(xiàn)較為精確的機械定位。移動小車在物品之間執(zhí)行原料的配送和工件的自動取放。碼垛機可以集成在任何生產線中，為生產現(xiàn)場提供智能化、機器人化、網(wǎng)絡化，可以實現(xiàn)啤酒、飲料和食品行業(yè)多種多樣作業(yè)的碼垛物流，廣泛應用于紙箱、塑料箱、瓶類、袋類、桶裝、膜包產品及灌裝產品等。配套于三合一灌裝線等，對各類瓶罐箱包進行碼垛。碼垛機自動運行分為自動進箱、轉箱、分排、成堆、移堆、提堆、進托、下堆、出垛等步驟。ccd形狀識別，cc

26、d是半導體器件，能夠把光學影像轉化為數(shù)字信號。將光信號轉變成電信號，經外部采樣放大及模數(shù)轉換電路轉換成數(shù)字圖像信號。cnc加工加工模塊。由cnc加工單元、工業(yè)機器人。機器人負責工件在傳輸線、數(shù)控銑床、之間的運轉。當機器人將工件送來時，銑削加工單元對工件進行自動卡緊與銑削加工。加工結束后，機器人將工件取出 。ccd尺寸檢測及顏色識別 對物品進行顏色分析檢測，檢測模塊由材料檢測單元與顏色檢測單元組成。材質檢測單元運用材質檢測傳感器識別物料的材質是否為金屬，并將非金屬材質的結果送至plc進行分揀處理。顏色檢測單元主要是采用色標傳感器區(qū)分零件上蓋的顏色，紅色為合格產品，白色為不合格產品，并將檢測結果送

27、至plc進行處理，以此作為工件入庫選擇的依據(jù)。從教學實訓的實際出發(fā)，以三菱px系列產品為主，設計的系統(tǒng)控制方案如圖22所示。 該系統(tǒng)包括一個狀態(tài)監(jiān)控單元、一個總控單元以及十個從站單元，并通過profibus-dp現(xiàn)場總線將系統(tǒng)各單元聯(lián)系起來，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸。 圖22系統(tǒng)控制方案23系統(tǒng)的實現(xiàn)技術221可編程控制器plc技術1可編程控制器的組成部分可編程控制器與計算機控制系統(tǒng)的組成相似，也是由中央處理器、存儲器、輸入 輸出模塊、編程器、電源等幾個部分組成。中央處理器由控制電路、運算器和寄存器等組成，作為plc系統(tǒng)的核心，起著總指揮的作用，指揮著pl有條不紊地進行工作。存儲器用于存放

28、系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)，分為系統(tǒng)程序存儲器，用戶程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器。輸入輸出模塊是plc與被控設備之間的連接部件，有數(shù)字量和模擬量兩種形式。編程器作為plc最重要的外圍設備，用來編寫、輸入、調試用戶程序，也可在線監(jiān)視plc的工作狀態(tài)。plc的電源一般為單相交流電源，也有用直流24v供電的。2可編程控制器的工作原理可編程控制器的工作原理與繼電接觸器控制裝置相同，只是工作方式不同。繼電器控制采用的是并行運行方式，一旦輸出線圈斷電或者上電，線圈觸點就立刻動作。而plc運行時，每一時刻只能執(zhí)行一個操作，用戶程序的執(zhí)行是用掃描的工作方式完成的。plc的整個掃描過程包括內部處理、通信服務、輸入處

29、理、程序執(zhí)行、輸出處理五個階段，掃描整個過程所需的時間稱為掃描周期。掃描周期與中央處理器的執(zhí)行速度和用戶程序的長短有關。(1) 內部處理：在該階段，plc檢查中央處理器的內部硬件和擴展模塊的狀態(tài)正常與否，將監(jiān)控定時器復位，并完成其他一些內部處理。(2) 通信服務：在該階段，中央處理器與智能模塊通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容。(3) 輸入處理：在該階段，順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)并存入輸入映像寄存器中，刷新輸入映像寄存器。(4) 程序執(zhí)行：plc進行用戶程序掃描，按照梯形圖從上到下，從左到右的順序逐步掃描。被執(zhí)行過的指令，其結果立刻就可被其后面的指令所利用。(5) 輸出處理

30、：當所有指令執(zhí)行完畢后，輸出繼電器的狀態(tài)由輸出映像寄存器轉至輸出鎖存器中，再輸出以驅動外部負載。222 profibus-dp現(xiàn)場總線技術是一種國際化、數(shù)字化、開放式、不依賴于設備生產商的現(xiàn)場通信總線，已廣泛應用于制造業(yè)，工業(yè)過程控制、樓宇、電力、交通等自動化領域 (1)profibus-dp數(shù)據(jù)傳輸技術現(xiàn)場總線系統(tǒng)的性能很大程度上決定于傳輸技術。在工業(yè)中，面對不同的環(huán)境，必須要考慮傳輸距離、傳輸速度、傳輸可靠性以及經濟性等因素。第3章 教學型柔性制造系統(tǒng)硬件設計3.1自動化立體倉庫、碼垛機單元碼垛機是由三個直線電控工作臺以及一個旋轉工作臺外加貨叉組成。然后整體放置在底座上，用地腳螺栓固定在地

31、面。其中軸采用了鏈傳動，直線導軌支撐結構形式。外面采用柔性風琴防護罩進行保護。軸除行程不一致外，本身結構形式完全不同，采用了直線導軌支撐，滾珠絲杠傳動的結構。這種結構的特點是承載能力高，安裝方便。軸因為相對承載低，故此采用光軸直線導軌支撐，滾珠絲杠傳動的結構。三個軸互成直角組合搭建而成。也就是典型的直角坐標機器人。工業(yè)上經常用到這種結構。軸為旋轉軸，通過支架與軸活動平臺連接。結構為蝸輪蝸桿形式。所有直線工作臺在系統(tǒng)中可采用伺服電機或者步進電機驅動，通過聯(lián)軸器與絲杠端連接。碼垛機結構如圖3-1所示：圖3-1 四自由度碼垛機示意圖此次設計中，由鋁合金型材搭建的雙排立體化倉庫,與四自由度碼垛機及光電

32、傳感器組成，完成原料及成品件的取出和存放。并由傳感器完成庫存信息的發(fā)送。立體化倉庫和四自由度碼垛機技術參數(shù)如表3-1,3-2所示。表3-1立體化倉庫技術指標立體化倉庫倉位尺寸220mm280mm220mm倉位數(shù)量7列4層28個外形尺寸3000mm280mm1800mm表3-2 四自由度碼垛機技術參數(shù)機構形態(tài)直角坐標式自由度4負載3kg每軸重復定位精度0.5mm運動分辯率0.2mm動作范圍軸行程2500mm軸行程500mm軸行程950mm軸轉動-100 +100最大速度5m/min本體重量200kg輸入電壓ac220v50hz控制方式二伺服電機二步進電機運行模式歐姆龍plc控制，可獨立運行安裝環(huán)

33、境溫度0+45oc濕度2080%不結露振動0.5g以下其它避免易燃、腐蝕性氣體、液體勿濺水、油、粉塵等勿接近電器噪聲源3.2 傳輸單元設計輸送系統(tǒng)由7條皮帶輸送機和2臺90度轉角輸送機組成h型輸送系統(tǒng)，框架采用鋁合金框架,其結構簡單、重量輕，安裝、使用、維護方便。每條皮帶運輸機由鋁合金支架、皮帶、輥筒、電機與減速器組成，并且輸送機上裝有位置傳感器。轉角輸送部分由直流電機+減速器驅動，所有輸送機速度可調，系統(tǒng)中要有一條變頻調速輸送線。 本輸送系統(tǒng)由h型組成進行工件的輸送，鋁合金框架,其結構簡單、重量輕，安裝、使用、維護方便。皮帶輸送機和90度轉角輸送機如圖3-2，3-3所示：圖3-2皮帶輸送機及

34、附件圖3-3 90度轉角輸送機傳輸單元技術參數(shù)如表3-3所示：表3-3皮帶輸送機和90度轉角輸送機技術參數(shù)皮帶輸送機有效工作寬度300mm工作高度750mm工作長度19.8米運行速度5m/min10m/min電機1.5kw承載能力10kg90度轉角輸送機工作高度750mm旋轉角度90度傳輸單元系統(tǒng)配置如表3-4所示：表3-4皮帶輸送機和90度轉角輸送機系統(tǒng)配置序號名稱單位數(shù)量備注1皮帶輸送機（含電機、減速器、變頻器、支架等）套7套3米:6套1.8米:1套290度轉角輸送機臺2/4plc及擴展單元套1/33 ccd形狀顏色識別單元設計中采用鏡頭、圖像處理器、圖像處理軟件和其它設備（支架、工作臺等

35、）能夠組成一個相對完整的視覺檢測開發(fā)系統(tǒng)，硬件之間應匹配。圖像處理軟件能快速識別用戶所規(guī)定工件的圖形，所提供設備等同或優(yōu)于參考型號產品的性能。ccd形狀顏色識別單元工作示意圖如圖3-5所示：圖3-5 形狀顏色識別單元工作示意圖ccd形狀顏色識別單元主要硬件及參數(shù)指標如表3-5所示。表3-5 ccd形狀顏色識別單元主要硬件及參數(shù)指標序號技術描述數(shù)量型號1輸出相機1wat-231s2圖像采集卡1cg4003相機電纜1/4鏡頭1/3.4搬運機器人單元1、上下料搬運機器人設計上下搬運機器人單元由六自由度串聯(lián)搬運機器人與移動軌道組成。在設計中,六自由度搬運機器人采用關節(jié)式結構,按工業(yè)標準要求設計,速度快

36、、柔性好；模塊化結構，簡單、緊湊，完全滿足實驗要求；控制系統(tǒng)采作windows系列操作系統(tǒng)，二次開發(fā)方便于工作、快捷，適于教學實驗；提供通用機器人語言編程系統(tǒng)，可通過圖形示教自動生成機器人語言等程序；參考有關實驗教材，可對機器人運動學、動力學、控制系統(tǒng)的設計、機器人軌跡規(guī)劃等進行研究。上下搬運機器人單元示意圖如圖3-6。圖3-6 上下搬運機器人單元示意圖上下搬運機器人單元主要硬件及其技術指標如表3-6所示。表3-6 上下搬運機器人單元主要硬件及其技術指標結構形式串聯(lián)式負載能力10kg重復定位精度0.08mm運動范圍123456300o120o120o300o180o360o每軸最大運動速度腰轉

37、（關節(jié)1）60o /s大臂（關節(jié)2）90o /s小臂（關節(jié)3）90o /s臂轉（關節(jié)4）60 o /s腕擺（關節(jié)5）60o /s腕轉（關節(jié)6）60o /s最大展開半徑1300mm高度1650mm本體重量150kg操作方式示教再現(xiàn)/編程供電電源三相380v、50hz2、搬運機器人移動軌道設計機器人移動軌道由富士伺服電機驅動，滾柱絲杠加導軌滑塊結構形式；并需要安裝地腳螺栓；此移動軌道與六自由度機器人集成，使六自由度機器人并在直線軌道上移動、行走，如圖3-7所示。圖3-7 搬運機器人移動軌道示意圖機器人移動軌道主要參數(shù)和技術指標如表3-7所示：表3-7 機器人移動軌道主要參數(shù)和技術指標機構形態(tài)直角坐

38、標式自由度1負載180kg重復定位精度0.05mm動作范圍軸行程1600mm最大速度軸80 mm/s本體重量120kg外形尺寸2200x450x650 mm安裝環(huán)境溫度0+45oc濕度2080%不結露振動0.5g以下其它避免易燃、腐蝕性氣體、液體勿濺水、油、粉塵等勿接近電器噪聲源3.5條碼打印掃描檢測單元該單元由條碼打印機及條碼掃描器、二自由度氣動機器人、氣動定位裝置等組成，完成對工件的條碼粘貼及掃描分揀工作。工作示意圖如圖3-8所示。圖3-8 條碼掃描檢測工作示意圖argox獨特“即時溫控技術”可使打印質量在高速下仍然保持清晰整齊。卓越的“true speed”打印驅動方式可使任何windo

39、ws環(huán)境下的資料快速輸出。設計中條碼打印機型號選取argox os-214tt。其主要技術參數(shù)如表3-8所示。表3-8 argox os-214tt主要技術參數(shù)列印方式熱轉印/熱敏分辨率（解析度）203dpi（8點/mm）最大列印寬度105mm最快列印速度76mm/秒內存512k通信接口rs-232接口/標準并口體積長278x寬186x高153mm重量2.1kg字元字體標準字體/平滑字體圖形pcx bitmap，gdi graphic條碼各種一維條碼及maxicode，pdf417 datamatrix二維條碼條碼掃描器為美國symbol條形碼掃描器，型號為symbol ls-9208全方位激

40、光條碼描器，體積小巧，操作便捷，具有固定式和手持式兩種掃描方式，備有高速閃存，便于系統(tǒng)升級和定制。外形尺寸: 140mm高x88mm寬x75mm深（掃描部分）182.4 mm高x122.7mm寬x94.7mm深(帶可調整支架)，外形如圖3-9所示。圖3-9 條碼掃描器示意圖36氣動搬運機器人單元本單元由二自由度氣動搬運機器人、廢品槽、氣動定位裝置、對射開關組成。氣動搬運機器人多用于貨物較輕，潔凈的工作場合。實現(xiàn)工件在流水線上自動分揀功能。工作示意圖如圖3-10所示。圖3-10 氣動搬運機器人單元示意圖系統(tǒng)中氣動機器人采用進口高精度氣缸配合鋁合金型材搭建而成，精度較高。自動定位阻擋裝置采用進口汽

41、缸，設計美觀,與系統(tǒng)配套；實現(xiàn)工件的自動定位功能。氣動搬運機器人主要技術指標如表3-9所示。表3-9 氣動搬運機器人技術指標機構形態(tài)直角坐標式自由度2負載3kg動作范圍軸行程300mm軸行程50 mm最大速度軸200 mm /s（與使用的壓力有關）軸150 mm /s（與使用的壓力有關）本體重量10kg安裝環(huán)境溫度+5 oc +50oc濕度2080%不結露振動0.5g以下第4章 教學型fms系統(tǒng)控制部分設計4.1教學型fms總線控制系統(tǒng)1 總線控制系統(tǒng)組網(wǎng)圖控制系統(tǒng)由1臺主控計算機、3臺計算機、2臺嵌入式運動控制器、2臺plc組成。通過profibus-dp總線同主控計算機控制中心做數(shù)據(jù)交換。

42、控制系統(tǒng)結構如圖4-1所示。圖4-1 總線控制系統(tǒng)結構圖2 實驗安全保護系統(tǒng)設計由于該系統(tǒng)中的轉動、移動、自動化的設備多，這對于建設一個國內先進的實驗室來說，實驗的安全保護系統(tǒng)是非常重要的，系統(tǒng)中設計了多層次多重保護措施。a)機械保護：對存在危險性機械，碼垛機、六自由的機器人等設置有機械碰撞強行停止運行的措施。b)電氣停止保護：對存在危險性機械，設置有危險設置緊急電氣停止保護措施，如堆垛機上下限位、軌道起點、終點限位緊急電氣停止運行。c)電氣減速運行保護：對運動機械在上述危險位置前設置有緊急減速運行開關，以便使碼垛機、六自由度串聯(lián)機器人在危險位置就提前減速運行。d)區(qū)域性安全保護：碼垛機、六自

43、由度串聯(lián)機器人、六自由度并聯(lián)機器人運行等區(qū)域，為避免產生危險后果，設置區(qū)域性報警、停止傳感器裝置，以便緊急停止運行中的設備。e)人工緊急停止：在現(xiàn)場管理人員附近設置人工緊急停止按鈕，一旦出現(xiàn)不安全預兆，可按下“緊停”按鈕，緊急停止運行設備。4.2 控制系統(tǒng)軟件設計1、系統(tǒng)單元構成與設計平臺軟件部分包括主控單元和各分站控制單元，其中主控單元由工業(yè)計算機及主控軟件組成，通過profibus-dp總線通訊采集各分站信息，并協(xié)調各個分站動作，同時實現(xiàn)人機交互界面接受用戶控制和操作。系統(tǒng)主要技術參數(shù)如表4-1所示。表4-1軟件系統(tǒng)主要技術參數(shù)硬件配置p4級計算機、內存1g、19寸純屏顯示器軟件運行平臺w

44、indows nt4.0、workstation 、windows 2000、windows xp軟件開發(fā)平臺windows nt4.0、workstation 、visual c+ 6.0，microsoft access或sql2000，組態(tài)王2、系統(tǒng)各部分功能介紹（1）連續(xù)控制系統(tǒng)提供可視化界面，模塊內部負責實現(xiàn)工作流邏輯配置與時序控制，操作員在此可以操作系統(tǒng)的初始化、運行、停止工作，并開始整個物流系統(tǒng)的連續(xù)工作，同時可以實時觀察到各個作業(yè)節(jié)點的工作狀況及工件信息。（2）立體倉庫信息監(jiān)視系統(tǒng)提供可視化界面，操作員對各個倉庫的物料儲存狀態(tài)可以實時進行監(jiān)控。（3）手動控制系統(tǒng)提供可視化界面，

45、操作員可將物流系統(tǒng)分為若干個作業(yè)完成，其中分別包括控制各個傳送帶裝置的運動、氣推裝置的控制、立體倉庫碼垛機的控制、六自由度并聯(lián)加工中心的控制、數(shù)控車床控制、六自由度搬運機器人的控制、氣動分揀條碼檢測單元的控制以及電源開關的控制。（4）六自由度并聯(lián)加工機器人控制系統(tǒng)提供可視化界面，操作員可以在此對并聯(lián)加工機器人進行運動控制，該模塊通過網(wǎng)絡通訊控制加工分站來實現(xiàn)動作。（5）六自由度串聯(lián)搬運機器人控制系統(tǒng)提供可視化界面，操作員可以在此對上下料搬運機器人進行運動控制，該模塊通過網(wǎng)絡通訊控制上下料搬運分站來實現(xiàn)動作。（6）四自由度碼垛機控制系統(tǒng)提供可視化界面，操作員可以在此對四自由度碼垛機進行運動控制，

46、該模塊通過網(wǎng)絡通訊控制四自由度碼垛機實現(xiàn)各軸動作。（7）安全管理設定操作員的不同權限，不同權限可以做不同的事情，例如：系統(tǒng)管理員可以使用所有功能而普通操作員只可以使用其中一項或幾項功能。（8）系統(tǒng)狀態(tài)系統(tǒng)提供可視化界面，操作員可以實時監(jiān)控各個設備的工作狀態(tài)。其中包括各個裝置是否正在運行，各個裝置是否已經通電。物流系統(tǒng)中正在分揀的各個物料的所在位置。43 profibus-dp現(xiàn)場總線的實現(xiàn)profibus-dp使用了iso/osi通信標準模型的第1層和第2層，可采用較低成本實現(xiàn)現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)高速，尤其適合與plc與現(xiàn)場分散i/o設備之間的連接與通信。因此本次設計選取profibus-dp作為現(xiàn)場

47、的通信總線。431 profibus-dp現(xiàn)場總線的主站設計 profibus-dp主站一般有一類dp主站(dpml)和二類dp主站(dpm2)之分。dpml為中央控制單元，可在規(guī)定時間內與dp從站通信，且可對總線數(shù)據(jù)進行調度和控制。dpm2在dp網(wǎng)絡中可實現(xiàn)診斷、管理和編程，除具有dpml的功能，還能讀取i/o數(shù)據(jù)與系統(tǒng)組態(tài)信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)組態(tài)與運行監(jiān)控。 一般profibus-dp系統(tǒng)結構上劃分為4種類型：(1) 選取plc為dpml，系統(tǒng)無監(jiān)控站，但在調試階段需設置一臺編程設備。該結構類型由plc完成從站遠程參數(shù)工作，從站數(shù)據(jù)讀寫和總線的數(shù)據(jù)管理。(2)選取plc為dpml，建立1臺監(jiān)控

48、站，二者一對一連接。這種結構類型，監(jiān)控站不是dpm2，它們在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡之外，無法直接讀取從站數(shù)據(jù)，只能從dpml間接地讀取獲得。 (3) 選取plc為dpml，監(jiān)控站連入到profibus網(wǎng)絡，成為dpm2。該結構具有在線監(jiān)控、遠程編程和參數(shù)化等功能特點。 (4) 選取具有profibus網(wǎng)卡的pc機充當dpml，將dpml與監(jiān)控站合為一體，可實現(xiàn)在線監(jiān)控、遠程編程和參數(shù)化等。 根據(jù)本次教學型fms系統(tǒng)的特點和功能要求，選擇第2種結構類型。采用s7-300作為教學型fms系統(tǒng)的dpml，實現(xiàn)總線的數(shù)據(jù)管理以及從站的數(shù)據(jù)讀寫。一臺pc機作為系統(tǒng)的監(jiān)控站讀取s7-300中的數(shù)據(jù)，采用cp5611

49、網(wǎng)卡連接dp總線，以總線方式與s7-300進行數(shù)據(jù)通訊。采用wincc實現(xiàn)系統(tǒng)實時監(jiān)控。該結構類型下，若pc機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍然能夠正常運行，只是失去了監(jiān)控功能。432 profibus-dp現(xiàn)場總線的從站設計根據(jù)本次教學型fms系統(tǒng)的特點和功能要求，從站選用s7-200系列可編程控制器。該系列可編程控制器不具備profibus通信接口，可采用dp擴展模塊 em277連至profibus網(wǎng)絡。em277通過串行輸入輸出總線連到cpu-226，向cpu-226充當dp通信端口，并接收主站組態(tài)，實現(xiàn)主站數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，使其可與主站交換各種類型數(shù)據(jù)。em277以dp的從站模塊來運用，一般要設置跟主

50、站組態(tài)時地址一致的端口地址，實現(xiàn)各站總線地址的合理性和唯一性，確保通信的準確實現(xiàn)。從站地址采用em277上的旋轉式開關進行設定。各站在profibus現(xiàn)場總線中的地址分配如下圖4-2 ：圖4-2 profibus現(xiàn)場總線中的地址分配在profibus-dp鏈接網(wǎng)絡中，從主站通訊中需要采用特定通信地址，從站的地址通信分配如下圖4-3所示。組態(tài)硬件時從站的輸入輸出地址設置應與表中保持對應。圖4-3從站的輸入輸出地址分配43.3系統(tǒng)硬件組態(tài)設計主站外部地址的分配如圖4-4所示：圖4-4主站外部的地址分配主站控制按鈕盒中的按鈕對應生產線的總控按鈕，控制盒控制功能設計為： 啟動按鈕：先按復位，待各單元恢

51、復初始狀態(tài)后按啟動按鈕。按啟動按鈕之后，綠色的指示燈會亮,各分站依次有對應的動作。 停止按鈕：按下停止按鈕時各站的動作將均進入停止狀態(tài)，總站的紅色指示燈將亮。 急停按鈕：當發(fā)生事故時，應飛速拍下急停按鈕，系統(tǒng)會立刻強制性將全部設備設定為停止工作狀態(tài)，同時系統(tǒng)不再響應其他按鈕的輸入信號。直到排除故障后，松開急停按鈕，并通過復位按鈕讓其他機構恢復狀態(tài)后，再通過之前的啟動按鈕重新啟動系統(tǒng)運行狀態(tài)。 復位按鈕：按下復位按鈕時總站的黃色指示燈亮，系統(tǒng)對各分站進行重新初始化，各標志位以及內部計數(shù)器等清零，重新開始。為確保系統(tǒng)的使用安全，在編程時主站會以下一站的常閉信號作為其上一站正常工作的互鎖條件。 第5

52、章 系統(tǒng)運行與調試以系統(tǒng)中的串聯(lián)機器人以及碼垛機的profibus總線通訊與控制為例，進行系統(tǒng)運行與調試的介紹。5.1 串聯(lián)機器人控制試驗與調試系統(tǒng)運行步驟（1）關閉氣泵氣路開關，啟動氣泵到預定壓力，開啟氣路開關；（2）接通總控臺操作盒上的電源開關，按下啟動按鈕；（3）啟動計算機，運行控制軟件；（4）點擊“登錄開”按鈕進入登陸界面；（5）點擊“確定”按鈕（默認口令為空），進入系統(tǒng)主界面；（6）點擊“進入系統(tǒng)”按鈕，進入自動控制界面；（7）在分項控制界面中，點擊“串聯(lián)機器人”，進入串聯(lián)機器人控制界面，如圖5-1所示。圖5-1 串聯(lián)機器人啟動后界面 （8）在串聯(lián)機器人控制界面中，點擊“聯(lián)機”按鈕，

53、建立profibus主站與串聯(lián)機器人的通訊連接，當連接完后如圖5-2所示：圖5-2串聯(lián)機器人通訊連接后界面（9）點擊“復位”按鈕，進行機器人的復位操作，如圖5-3所示; 注意：復位時，請確保機器人處于安全位置，小心以免復位時機器人碰到其他物品。圖5-3 串聯(lián)機器人復位中界面（10）機器人復位完成后如圖5-4，機器人處于空閑，可以在示教選擇中選擇數(shù)字（可以選擇1-6），然后點擊再現(xiàn)按鈕，機器人再現(xiàn)示教1動作開始，當機器人示教完成后請點擊;相應的完成相應按鈕即可。5.2 碼垛機控制試驗與調試1、碼垛機控制試驗過程碼垛機由歐姆龍plc控制，通過歐姆龍plc的profibus通訊模塊與主站控制計算機進

54、行通訊。通過主控軟件的設定，控制碼垛機運行，從原料庫的倉格中把托盤和工件取出，放到出庫傳送帶上。碼垛機出庫運動由plc來完成，當碼垛機接收到出庫請求時，碼垛機由上至下，有左至右掃描原料庫的各個倉格，并對掃描到的第一個有工件的倉格進行出庫操作，出庫運行狀態(tài)位有效；碼垛機將取到的工件放入出庫傳送帶上后，碼垛機出庫完成，出庫完成狀態(tài)位有效；當碼垛機退回到安全位置后，碼垛機出庫運動完成，碼垛機出庫運行狀態(tài)位無效，至此碼垛機的出庫運動完成。如果原料庫中沒有檢測到工件，則原料庫空狀態(tài)位置1。2、系統(tǒng)運行步驟：（1）將工件和托盤放在原料庫中，擺放整齊；（2）關閉氣泵氣路開關，啟動氣泵到預定壓力后開啟氣路開關；（3）接通總控臺操作盒上的電源開關，按下啟動按鈕；圖5-4串聯(lián)機器人通訊連接后界面（4）啟動計算機，運行控制軟件，出現(xiàn)軟件啟動界面；（5）點擊“登錄開”按鈕,出現(xiàn)登陸界面；（6）點擊“確定”按鈕，進入主界面；（7）點擊“進入系統(tǒng)”按鈕，進入系統(tǒng)界面；（8）在系統(tǒng)分項控制界面中，點擊“碼垛機控制”，進入碼垛機控制界面，如圖5-4所示；（9）上電完成后，點擊“復位”按鈕，