1、基于PLC的分類存儲站設計目 錄前 言1摘 要2ABSTRACT3第1章 緒 論11.1 概述11.2 特點21.2.1 模塊化的具體特點21.2.2 模塊化結構的優點31.3 組成51.4 構建模塊化生產系統51.4.1 模塊化生產系統構建前的準備61.4.2 模塊化生產系統構建的條件6第2章 模塊化分類分揀站82.1 概述82.2 分類分揀站結構與功能82.3 分類分揀站氣動控制設計92.4 步進電機選擇11121314162.5 滾珠絲桿設計172.6 工件推出裝置21第3章 可編程序控制器（PLC）313.1 可編程控制器概述313.1.1 PLC的由來和定義313.1.2 PLC的發

2、展概況和發展趨勢323.1.3 PLC的主要功能和特點353.1.4 PLC的分類373.2 PLC的基本組成和工作原理393.2.1 PLC的基本組成和各部分的作用393.2.2 PLC的工作原理413.3 PLC程序設計433.3.1 工件與設備選擇433.3.2 PLC編程44第4章 組態編程494.1 組態概述494.1.1 組態的定義494.1.2 組態軟件49554.3 組態程序編寫594.3.1 組態程序594.3.2 組態變量設置594.3.3 組態王聯機運行動畫截圖60第5章 結論與展望645.1 結論645.2 展望64致 謝65參考文獻66附 錄67前 言模塊化并不是一個

3、新的概念，早在20世紀初期其就被引入了機械制造業。人們將模塊與物理產品聯系到了一起，明確了模塊的功能和特征。20世紀60年代以來，隨著生活水平的提高和科技的發展，當今的市場已成為買方市場，隨著市場的國際化，企業間的競爭也越加激烈。由于技術的飛速發展，產品的壽命周期逐漸縮短，從而導致客戶的需求呈現多樣化和個性化，所要定制的產品數量變少，同時還要求較短的交貨期、較低的成本、較好的質量等。這些因素也促使企業不斷的改變原有的生產模式，尋求更新更好的生產模式。模塊化生產技術的基本方法是將產品的制造問題通過產品重組和過程重組轉化為或部分轉化為批量制造問題，即提供給用戶的是全新的、定制的個性化產品，而實際產

4、品則主要由標準的模塊組成。模塊化制造的思想也來源于人們長期的生產實踐。在機床制造業，德國于1930年首先提出了“模塊化構造”(MOdular Construction)的設計方法。由于用這種方法設計制造的機床具有很好的經濟效益，因而采用模塊化構造在世界上得到迅速發展。日本通產省在1977年開始研制柔性加工單元(FMC)，明確地引進了模塊化構造的概念。隨著先進制造技術的發展和計算機技術的廣泛應用，使傳統的模塊化設計技術發生了深刻的變化。模塊化是現代制造業發展的要求，是對傳統標準化形式的發展。模塊化與成組技術、柔性生產技術、計算機輔助技術等現代制造技術之間的關系是相輔相成、互相支持的，只有在生產中

5、密切配合才能發揮最大效益。 模塊化生產系統作為一種現代制造環境下的制造哲理和方法論早就引起了人們的注意。Rogers等就針對模塊化生產系統(MPS)的有關問題進行了深入的研究。通過建立模塊標準，建立有限的部件級的基本生產加工單元(標準模塊)。把基本模塊分為四類：加上單元、運動單元、 模塊化刀具裝卡單元以及可配置的控制系統。通過從模塊目錄中選取適當的模塊就能建立適應范圍寬的自動化、集成化的生產系統。Rogers等針對中、低檔消費品的生產，如兒童玩具、廚房用具等，研究了實現模塊化生產系統(MPS)的合理性。把 MPS作為產品和生產系統并行設計的一種技術，在產品設計和制造系統設計之間建立了聯系，通過

6、制造特定的產品對制造系統進行再設計。同時還提出了模塊化生產系統的兩個基本工作原理，分析了建立設備模塊標準和面向并行工程的MPS設計支持工具的重要性。并把 MPS總體設計過程分為三個階段：產品分析、面向 MPS的產品建模和MPS綜合。從模塊化生產概念的形成可以看出，模塊化制造是符合當今制造業發展潮流、具有廣泛實踐基礎、可具體執行和操作的一種實用型先進制造模式和技術體系。模塊化生產系統是根據特定模塊化產品的制造要求設計而成的，產品的性能和質量得到了提高，生產的周期縮短，響應了市場的需求；與其相適應的生產系統易于重組，以適應產品的快速變換。而產品結構的模塊化和生產系統裝備的模塊化恰恰正能滿足這樣的要

7、求。模塊化生產系統是企業和產品重組的基礎，是產品及其生產系統持續更新和并行開發的最佳基礎。隨著中國加入WTO，中國經濟進一步融入世界經濟，中國在世界經濟中扮演著越來越重要的角色。在這樣的大背景下作為中國經濟增長引擎的制造行業中蘊藏著巨大的市場機遇，但同時競爭也越來越慘烈，中國的制造業同時也會面臨巨大的挑戰。要想贏得未來競爭的勝利，中國的制造企業必須通過優化整個產品生命周期的業務鏈來縮短產品上市時間、提高產品質量、降低成本，同時還要不斷通過研發創新來滿足客戶的變化需求。技術的飛速進步，引起產品工程越來越復雜，企業必須在不斷變化的環境中應付越來越復雜的工程技術，隨著客戶對產品個性化需求程度的增加，

8、也導致產品定制化趨勢越來越明顯，企業必須創建數量龐大的產品系列來滿足客戶不斷變化的需求。而模塊化生產系統的優點是：對于新產品而言，由于標準的模塊化而帶來的生產系統的簡化，并和自動化相結合，將顯著縮短生產周期。模塊化生產系統由于其建立方便、模塊的適應范圍廣、可重構性強等特點，可以建立一個模塊化制造系統的租賃市場。在這一市場中，建立一個模塊化制造系統租賃公司，該公司準備了大量的各種不同的制造系統標準模塊。可以向需要建立新產品制造系統(設備、生產線、裝配線)的企業提供各種加工基本模塊、模塊化驅動單元、模塊化的刀具和夾具以及可重構的控制系統。企業可以迅速在幾天內建立起支持新產品生產的系統。當該產品不再

9、生產時，該模塊化制造系統可以容易地拆除，并將各模塊退回給租賃公司。由于模塊化生產系統的設計是高度自動化的，硬件是模塊的，能很快地設計和重構低成本的生產系統。因此，將企業產品平臺化、模塊化的管理創新成果與信息系統的建設結合起來將大大的提高企業的競爭力。這次設計的主要任務是對模塊化分類分揀站的控制部分進行設計，主要包括：模塊化分類分揀站的可編程控制器（PLC）程序設計；組態程序設計；說明工作原理并編寫設計說明書；利用實體模型完成組態程序和可編程控制器（PLC）程序的運行調試工作。說明書介紹了基于模塊化的分類分揀站的工作原理、PLC程序設計與控制、以及組態程序的設計等內容，重點是關于模塊化分類分揀站

10、的PLC控制程序的設計和組態實時監控程序（動畫）的設計，并在實體模型上完成調試運行。摘 要模塊化并不是一個新的概念，早在20世紀初期其就被引入了機械制造業。人們將模塊與物理產品聯系到了一起，明確了模塊的功能和特征。模塊化生產技術的基本方法是將產品的制造問題通過產品重組和過程重組轉化為或部分轉化為批量制造問題，即提供給用戶的是全新的、定制的個性化產品，而實際產品則主要由標準的模塊組成。模塊化生產系統由于其建立方便、模塊的適應范圍廣、可重構性強等特點，在國內外得到了廣泛的運用。模塊化分類分揀站是模塊化生產系統（MPS）的一部分。它既可以作為一個獨立的部分單獨使用，同時也可以與供料站、檢測站、加工站

11、、安裝站、存儲站等組合成一個整體的自動化生產系統。本文介紹基于模塊化的分類分揀站的工作原理、PLC程序設計與控制、以及組態程序的設計等內容，重點是關于模塊化分類分揀站的PLC控制程序的設計以及與組態程序的配合調試。關鍵詞：模塊化，可編程控制器，組態ABSTRACTModular is not a new concept, as early as the beginning of the 20th century was the introduction of the mechanical manufacturing industry. People with physical products

12、 will be linked modules together, defined the functions and characteristics of modules. Modular production technology is the basic method of manufacture of the product through the process of restructuring and reorganization of product into or part of the problem into volume manufacturing, which is a

13、vailable to users new, personalized custom product, but the actual products mainly by the standard module. Modular production system to establish because of its convenience, modules to adapt to a wide range of strong, such as reconfigurable characteristics, both at home and abroad has been widely us

14、ed.Sorting handling modular station is modular production system (MPS) as part of. It can be used as part of an independent used alone, but also can feed station, detection stations, processing stations, the installation of stations, storage stations combined into an overall automated production sys

15、tems. This article describes the removal based on the modular principle of sorting stations, PLC programming and control, as well as the configuration of the design process and so on, with a focus on handling the sorting station modular PLC control procedures, as well as the design and configuration

16、 process with debugging.Keywords:Modular, Programmable controller, The configuration第1章 緒 論1.1 概述隨著現代化工業生產的發展，氣動技術、液壓技術、傳感器技術、PLC技術、網絡及通訊技術等技術的緊密結合而形成的機電液、機電氣、機電光一體化的自動化控制技術在工業生產中正起著越來越重要的作用，自動化生產系統已成為當今工業生產的重要組成部分。模塊化生產系統就是一個工業自動化生產系統，是基于機電氣(液)一體化技術、PLC控制與機器人結合的全自動加工裝配系統。模塊是構成產品的一部分，具有獨立功能，具有一致的幾何連

17、接接口和一致的輸入、輸出接口的單元，相同種類的模塊在產品族中可以重用和互換，相關模塊的排列組合就可以形成最終的產品。模塊化的產品設計可以達到以下幾個目的：模塊的組合配置，可以創建不同需求的產品，滿足客戶的定制需求 ；相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有設計經驗，也可以重用整個產品生命周期中的采購、物流、制造和服務資源；減少產品工程復雜程度，因為模塊是產品部分功能的封裝，產品設計人員使用具體模塊時根本不用關心內部實現，可以使研發人員更加關注頂層邏輯，提高產品工程管理質量和產品的可靠性。產品平臺就是描述產品系列的模塊化結構及模塊的功能、模塊間的幾何連接接口和輸入輸出接口。產品平臺是不同目標市場

18、需求的抽象表達，是企業劃分模塊的基礎，產品平臺和模塊是相輔相成、相互依存的。因此，從以上論述和觀點來看，產品的平臺化、模塊化是連接產品研發和大規模定制生產的橋梁。模塊化產品是達到大規模定制和不斷的持續改進企業商業能力的首要前提。 模塊化生產系統通過標準化的、基本的制造系統模塊進行重構，快速得到面向定制產品的制造系統，是一種高生產率和高柔性的制造系統。該制造系統具有以下幾類模塊：加工基本模塊、模塊化驅動單元、模塊化的存儲單元以及可重構的控制系統。模塊化生產系統中的各部分不僅可以組合成一條高度自動化的生產線，同時模塊化的功能單元也可以獨立運轉。整個控制系統是由各模塊組成的多級系統。模塊化生產系統涉

19、及諸如電機驅動、氣動、PLC（可編程控制器）、傳感器等多種技術。一般包括：電氣系統，氣動系統，機械系統等。一、電氣系統電氣系統是指的在傳輸過程中的控制系統。電氣其外延涵蓋了微電子，光子學，以及微機應用技術等。電氣的概念相當的廣泛，只要是用電的就是電氣，只要是用電控制的就是電氣控制。其主要特點是強弱電結合、電工技術與電子技術相結合、軟件與硬件結合、元件與系統結合。具體解決電氣系統的控制問題。 二、氣動系統氣動系統是通過氣體的壓強或膨脹產生的力來做功，即將壓縮空氣的能量轉換為動能的機件。三、機械系統機械系統是執行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料、信息等。1.2 特點模塊化生產系統是一種針對

20、技術難度一般的產品的一種新的生產系統，是一種在標準化和模塊化系統基礎上建立的“柔性”生產系統。其主要特點是：當有一個新產品投產時，標準化的模塊可以快速組成一個新的生產系統，當產品生產完成后，組成制造系統的模塊可以拆下來用于其它新產品的生產系統中。而這些標準化的模塊可從一個貯備有大量模塊的租貨公司租賃。對于技術難度一般、批量較小或中等的產品，模塊化生產系統能滿足大批量定制生產的需要，具有高生產率和高柔性的特點。 模塊化的具體特點1、模塊具有獨立的功能模塊的功能是整個產品功能的組成部分，且這個功能是自我包含，自我實現的。在集成化的產品結構中，零部件的功能與產品功能是多對多的關系，這樣導致某個零部件

21、的設計更改會影響到產品的多個功能，也就會導致不確定范圍的零部件的修改，同樣為了實現產品的某項功能改善，也會導致很多零部件的修改。隨著產品復雜程度和產品零部件重用度的提高，管理這樣的產品結構和相關信息就會變得十分困難，尤其是在產品為系列化、批量生產模式的企業中，隨著不可互換的相似零部件種類的增加，銷售、采購、物流、生產和服務等業務領域中的管理困難會成倍增加！在模塊化的產品結構中，零部件的功能與產品功能是一對一的關系，這樣對于零部件的更改和產品功能的改善不會造成其他零部件和功能的調整，也就是將產品的功能抽象與產品零部件的具體實現分離，模塊自身的單獨發展不會影響其他模塊。 2、標準的幾何連接和一致的

22、輸入、輸出接口 為了實現同類模塊之間的互換，嚴格的尺寸接口和輸入輸出接口的定義是必須的。幾何連接接口，可以是機械領域的銷、面、鍵和螺栓等，也可以是電器領域的信號、能量等。著名的玩具供應商Lego樂高公司通過積木模塊的不同組合可以拼成幾乎無盡數量的形狀，于是在市場上取得了巨大的成功。Lego樂高公司的積木模塊的定義主要就是幾何連接接口。當然，在實際的制造業中隨著產品復雜度的增加，模塊的幾何連接接口要比這復雜得多。輸入、輸出接口，是模塊功能的抽象，此類接口可以是能量、信息、物質（液體、氣體）等，是定義該模塊功能的輸出標準和能夠保證輸出特定功能所必須的輸入條件標準。例如，如果發電機對于發動機廠來講是

23、一個模塊的話，發電機與發動機的連接尺寸等幾何連接接口需要標準化和規范化。同時，發電機的輸入轉速、功率，以及輸出的電流等輸入、輸出接口同樣需要規范。 3、模塊是依賴產品平臺的存在而存在的 雖然模塊的功能是自我包含、自我實現的，但是模塊的存在和劃分必須以產品平臺的整體功能為前提。比如某一個收音機由接收器(Ra)、放大器(Aa)和電源(Pa)三個組件構成，當該收音機只有這樣一種產品配置的時候，這里不存在任何模塊，接收器(Ra)、放大器(Aa)和電源(Pa)是一個整體，不用區分。但是，當有另外一種收音機使用了另外一種電源(Pb)，這個電源(Pb)又與前一個電源(Pa)可以互換時，那么電源在沒有任何變化

24、的情況下，就會成為一個模塊。因此，模塊的功能和互換性都是依賴于產品平臺的功能和配置變化而存在的，失去產品平臺的定義和產品平臺的配置需求，模塊的存在是沒有意義的。 4、模塊是有層次的，并且受觀察角度和范圍的影響 模塊可以包含子模塊，因為模塊的功能是整個系統功能的組成部分，所以子模塊的功能應該是父模塊的基本功能，所以能否稱為模塊是受觀察角度和定義范圍的影響而變化的。同樣，模塊層次越多管理難度越大，當模塊層次劃分過多，就與非模塊化的產品結構沒有什么差異了。例如，就模塊的層次而言，柴油機是整車的一個模塊，發電機又是柴油機的一個模塊。站在不同的角度，模塊的劃分也會不同。發電機對于發電機生產商來講是一個產

25、品，對于柴油機生產商來講是一個模塊，而對于整車生產商來講只是一個總成件了。整車廠的模塊化產品平臺中不需要定義發電機模塊。 模塊化結構的優點 模塊化生產系統的優點是：對于新產品而言，由于標準的模塊化而帶來的生產系統的簡化，并和自動化相結合，將幫助顯著縮短生產周期。由于模塊化生產系統的設計是高度自動化的，硬件是模塊的，因此能很快地設計和重構低成本的生產系統。模塊化生產系統由于其建立方便、模塊的適應范圍廣、可重構性強等特點，可以建立一個模塊化生產系統的租賃市場。在這一市場中，建立一個模塊化生產系統租賃公司，該公司準備了大量的各種不同的制造系統標準模塊。可以向需要建立新產品制造系統(設備、生產線、裝配

26、線)的企業提供各種加工基本模塊、模塊化驅動單元、模塊化的刀具和夾具以及可重構的控制系統。企業可以迅速在幾天內建立起支持新產品生產的系統。當該產品不再生產時，該模塊化生產系統可以容易地拆除，并將各模塊退回給租賃公司。當然還需要一個設計和制造這些模塊的公司。模塊化的產品結構對企業的貢獻可以從產品研發、提高效率、降低成本和改進企業管理等幾個方面考慮。 1、對企業產品研發的貢獻 模塊是產品知識的載體，模塊的重用就是設計知識的重用，大量利用已有的經過試驗、生產和市場驗證的模塊，可以降低設計風險，提高產品的可靠性和設計質量。模塊實現產品功能的分配和隔離，使問題的發現和設計的改進變得容易。模塊實現功能的抽象

27、和實現分離，使設計人員容易掌握產品全局，同時設計人員可以屏蔽掉與自身領域無關的細節，從而關注更高層次的設計邏輯。模塊功能的獨立性和接口的一致性，使模塊研究更加專業化和深入，可以不斷通過升級自身性能來提高產品的整體性能和可靠性，而不會影響到產品其他模塊。模塊功能的獨立性和接口的一致性，使各個模塊可以相對獨立的設計和發展，可以進行并行設計、開發和并行試驗、驗證。模塊的不同組合能滿足用戶的多樣性需求，易于產品的配置和變型設計，同時又能保證這種配置變型可以滿足企業批量化生產的需求。 2、對企業工作效率和節省時間的貢獻 設計和零部件的重用可以大大縮短設計周期；并行的產品開發和測試可以大大縮短設計周期；利

28、用已有成熟模塊可大大縮短采購周期、物流周期和生產制造周期，從而加快產品上市時間；如果劃分模塊時考慮到企業售后服務的特定需求，同樣可以縮短服務周期和耗費資源時間。 3、對企業成本控制的貢獻 模塊和知識的重用可以大大降低設計成本；采用成熟的經過驗證的模塊，可以提高采購批量，降低采購和物流成本；采用成熟的經過生產驗證的模塊，可以大大減少由于新產品的投產對生產系統調整的頻率，使新產品更容易生產制造，可以降低生產制造成本；產品平臺中及平臺之間存在大量的互換模塊，可以降低售后服務成本。 4、對企業組織的貢獻 有利于企業研發團隊分工，規范不同團隊間的信息接口，進行更為深入的專業化研究和不同模塊系統的并行開發

29、；抽象平臺和模塊的建立，可以實現企業組織結構與產品模塊結構之間的交互，使并行工程擁有實施的根基，工藝、財務、采購和售后服務可以在產品研發早期就介入產品研發項目；標準規范的模塊接口有利于形成產品的供應商規范；有利于產業分工的細化（比如下圖的計算機行業，以及氣車行業）。目前，由于模塊化生產系統的卓越性能而被廣泛的運用于工業生產中。模塊化是企業發展壯大的基礎，是現代化工業的重要象征。1.3 組成模塊化生產系統由各個獨立的單元構成，每一個獨立的單元都有一套獨立的控制系統，可以單獨使用，同時也可也組合成整體。模塊化生產系統通常包括一下部分：1、加工基本模塊(PMP: Process Machine Pr

30、imilives) 主要用于加工和改變原材料的狀態，如擠壓、鉆孔、銑削等。基本模塊的功能是與現有的加工設備相類似，但對于模塊，最強調的是遵循精確、預定義、示范性和可控制的標準。2、模塊化驅動單元(MAE：Modular Actuator Elements)主要用于完成執行任務部件的運動。3、模塊化的刀具和夾具(MTJ：Modular Tooling and Jigging)：這是與加工基本模塊和模塊化驅動單元相匹配的刀具和夾具模塊。4、可重構的控制系統(CCS: Configurable Control System)：包括各種模塊化生產系統子系統的程序、指令和同步化的信息網絡。總而言之，模塊

31、化生產系統主要是軟、硬件的結合。由于其在產品設計階段就可精確地確定產品制造的可行性、成本和投資的回收等問題。大大提高了生產效率，節約了成本，因此廣泛的用于工業生產中。1.4 構建模塊化生產系統傳統的過程性系統的設計辦法傾向于使高層次的模塊依賴于低層次的模塊，抽象層次依賴于具體層次。抽象層次包含的是產品系統的頂層的功能邏輯和宏觀的、對整個系統來說重要的戰略性決定，是必然性的體現，而具體層次則含有一些次要的與功能實現有關的功能和邏輯，以及戰術性的決定，帶有相當大的偶然性選擇。具體層次的需求會經常改變，抽象層次依賴于具體層次，使許多具體層次的細節變化會立即影響到抽象層次的宏觀功能，導致微觀決定宏觀，

32、戰術決定戰略，偶然決定必然，這顯然是不對的。將產品模塊化，就是要把產品系統頂層的功能邏輯抽象成為模塊，使具體的產品零部件設計依賴于抽象的模塊層次邏輯。利用抽象的模塊化層次，將企業產品的底層邏輯數量眾多的零部件抽象成為可以重用的模塊，再利用模塊的排列組合形成企業豐富的富于創造性的滿足用戶特殊需求的產品配置。這樣，對于零部件組件層(底層邏輯)來講企業要盡量標準化，利用成組技術和Windchill系統中的WSF模塊功能對這些零部件進行分類重用；合理劃分模塊層(抽象層)邏輯，使企業可以用數量最少的模塊來配置生成數量眾多的富于創造性的滿足客戶特殊需求的產品；最后，企業要利用平臺化的戰略，分析企業產品的目

33、標市場，整合企業模塊資源，以最少的產品變型滿足最大范圍的目標市場需求。 模塊化生產系統構建前的準備模塊化生產系統的制造模式不可能在短時間內完成，在構建模塊化生產系統前，應進行如下一些準備工作： 1、根據最終用戶的需求，對模塊化生產系統中的各模塊進行分析和設計。 2、建立模塊性能、尺寸和控制的開放性標準。 3、在產品設計時就要考慮到模塊化生產系統方法帶來的約束要求。產品所有的生產操作盡量滿足“制造和裝配過程模塊集”規定的范圍來執行。同樣，應盡量避免具有長周期的制造過程，因為模塊化生產系統的目的是盡可能擴大模塊的利用率，以確保資金投入的高回報率； 4、開發先進的設計與分析工具，以便支持設計者進行與

34、模塊化生產系統相關的產品快速并行設計，確保產品設計滿足由模塊化生產系統帶來的約束。 模塊化生產系統構建的條件 1、過程選擇：所有的零部件必須能夠通過加工基本基元而加工出來。 2、周期需求：只要在可能的地方，所有的零部件必須“準時(JIT)”“準地(JIP)”進行制造。3、質量和可靠性：所有的作業和過程的選擇必須力爭具有幾乎100%的可靠性.4、操作和裝配：所有的零部件要使用根據模塊化驅動單元建立的簡單實用的單元進行處理和裝配。 5、原材料成本：堅決杜絕不必要的昂貴原材料。模塊化生產系統構建開始于從與模塊化生產系統有關的產品設計中“提取”信息。用于模塊化生產系統設計的產品描述主要是產品結構分析表

35、。在模塊化生產系統設計中首先要根據產品批量和產品的復雜程度確定加工機器基元的模塊數。這要求識別哪一種加工機器基元導致子裝配線的生產周期低于生產輸出速率所要求的周期。如果一個加工機器基元的生產周期太低，則增加加工機器基元單元的數量直至達到所要求的生產周期。模塊化生產系統的設計圖定義了從產品設計(即裝配命令)、裝配過程和模塊化生產系統生產周期需求得到的加工機器基元模塊的數量和排序的順序。第2章 模塊化分類分揀站2.1 概述模塊化分類分揀站是模塊化生產系統（MPS）的一部分。它既可以作為一個獨立的部分單獨使用，同時也可以與供料站、檢測站、加工站、安裝站、存儲站等組合成一個整體的自動化生產系統。由于其

36、卓越的自動化性能，在國內外工廠的生產流水線中得到了廣泛的應用。2.2 分類分揀站結構與功能分類分揀單元可以模擬提取工件、按照要求將工件分流的工程，同時能提供一個安裝工位，實現大、小工件的組裝。分類分揀站單元主要由提取模塊、工件平臺、直線轉圓周運動裝置、氣源處理組件、I/O接線端口、閥組等組成。1、 I/O接線端口 它是該工作單元與PLC之間進行通訊的線路聯接端口。該工作單元中的所有電信號（直流電源、輸入、輸出）線路都接到該端口上，再通過信號電纜連接到PLC上。2、 提取模塊該模塊實際上是一個“氣動機械手”，主要由一個直線氣缸（上下擺動）、擺臂和氣動夾爪等組成。擺臂相當于氣動機械手的“手臂”，只

37、是在這時不能伸縮，只能上下擺動，它由一個安裝在下方的直線氣缸驅動，在擺臂的前端安裝有一個氣動夾爪，用于抓取工件。3、 直線轉圓周運動裝置提取模塊的左右移動及旋轉由兩個直線氣缸所控制，它通過一定的機械轉換裝置，在實現直線運動的同時還能提供圓周運動，這樣在本單元上可以提供四個工位，分別為左工位（提取工位）、左上工位（安裝工位）、右上工位（未用）和右工位（輸出工位）。4 、工件平臺工件平臺安裝在安裝在安裝工位上，用于實現大、小工件的組裝。2.3 分類分揀站氣動控制設計1、氣動控制回路設計該工作單元的執行機構是氣動控制系統，其方向控制閥的控制方式為電磁控制或手動控制。各執行機構的邏輯控制功能是通過PL

38、C控制實現的。在分類分揀站單元的氣動控制原理圖中，1A為1號雙作用直線氣缸；1B1和2B2為磁感應式接近開關；2A為2號雙作用直線氣缸；2B1和2B2為磁感應式接近開關；3A為氣動夾爪；3B1為磁感應式接近開關；4A為控制手臂上、下的直線氣缸；4B1和4B2為磁感應式接近開關；1Y1和1Y2為1號雙作用氣缸的電磁閥的兩個控制信號；2Y1和2Y2為控制2號雙作用氣缸的電磁閥的兩個電磁控制信號；3Y1和3Y2為控制氣動夾爪開與閉的電磁閥的兩個電磁控制信號；4Y1為上、下擺動氣缸的電磁閥的電磁控制信號。控制電氣圖如2.1：圖2.1 氣動控制電氣圖2、電氣接口地址MPS中的每個部件上的輸入、輸出信號與

39、PLC之間的通訊電路連接是通過I/O接線端口實現的。各接口地址已經固定，各單元中需要與PLC進行通訊連接的線路（包括各個傳感器的線路、各個電磁閥的控制線路及電源線路）都已事先連接到了各自的I/O接線端口上，在與PLC連接時，只需要使用一根專用的電纜級可以實現快速連接。通常選用RS233連接線。具體的接口分配如表2.1：表2.1 電氣接口分配序號設備符號設備名稱設備用途信號特征11B1磁感應式接近開關判斷直線氣缸的位置信號為1：1號氣缸縮回到位21B2磁感應式接近開關判斷直線氣缸的位置信號為1：1號氣缸伸出到位32B1磁感應式接近開關判斷直線氣缸的位置信號為1：2號氣缸縮回到位42B2磁感應式接

40、近開關判斷直線氣缸的位置信號為1：2號氣缸伸出到位53B1磁感應式接近開關判斷夾爪開閉情況信號為1：夾爪已打開信號為0：夾爪夾緊64B1磁感應式接近開關判斷夾爪上下的位置信號為1：夾爪下降到位74B2磁感應式接近開關判斷夾爪上下的位置信號為1：夾爪上升到位81Y1電磁閥控制1號直線氣缸動作信號為1：1號氣缸伸出91Y2電磁閥控制1號直線氣缸動作信號為1：1號氣缸縮回102Y1電磁閥控制2號直線氣缸動作信號為1：2號氣缸伸出112Y2電磁閥控制2號直線氣缸動作信號為1：2號氣缸縮回123Y1電磁閥控制夾爪開閉的動作信號為1：夾爪打開133Y2電磁閥控制夾爪開閉的動作信號為1：夾爪閉合144Y1電

41、磁閥控制提取缸上下的動作信號為1：夾爪下降信號為0：夾爪上升3、程序控制（1）控制任務當設備接通電源與氣源、PLC運行后，首先執行復位動作，夾爪打開、擺臂上抬到位，兩個直線氣缸驅動擺臂左轉到最左端。進入工作運行模式，按啟動按鈕，擺臂下降夾取工件，抬起后轉安裝工位，擺臂下降后釋放工件（用計時器模擬安裝好的信號），有信號后擺臂再次下降夾取工件，上抬后轉輸出工位；等待輸出信號（用計時器模擬），擺臂下，放開工件，上抬后擺臂轉左工位，再次等待下一個信號。各工位與兩直線氣缸的位置/狀態表如表2.2：表2.2 控制任務工位1號直線氣缸狀態2號直線氣缸狀態左工位（提取工位）伸出伸出左上工位（安裝工位）伸出縮回

42、右上工位（預留使用）縮回伸出右工位（輸出工位）縮回縮回2.4 步進電機選擇步進電機是將電脈沖信號轉成角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數字脈沖相對應的增量式數字元件。在數控機床、繪圖機、打印機等方面應用廣泛。它也可以看作是一種特殊的同步電機;它具有快速起停、精確步進及直接接收數字量的特點，它的步距角和轉速不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環境條件如溫度、氣壓、沖擊、和振動等影響，僅與脈沖頻率有關，這些特點使它完全適用于數字控制的系統中作為伺服元件，并使整個系統大為簡化而又運行可靠。本課題選用了最常見的一種小步距角的三相反應式步進電機其剖面圖。電機的定子上有6個等分的磁極，相鄰兩個

43、磁極間的夾角為60度。磁極上裝有控制繞組并聯成A, B, C三相。轉子上均勻分布40個齒，每個齒的齒距為9度。定子每段極弧上也有5個齒，定、轉子的齒寬和齒距都相同。每個定子磁極的極距為60度，所以每個極距所占的齒距數不是整數。當A極下的定、轉子齒對齊，B極和C極下的齒就分別和轉子齒相錯三分之一的轉子齒距，即為3度。這時若給B相通電，電機中產生沿B極軸線方向的磁場，因磁通要按磁阻最小的路徑閉合，就使轉子受到反應轉距(磁阻轉距)的作用而轉動，直到轉子齒和B極上的齒對齊為止。此時，A極和C極下的齒又分別與轉子齒相錯三分之一的轉子齒距。由此可見:錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因。若斷開B相控制繞組，而

44、接通C相控制繞組，這時電機中產生沿C極軸線方向的磁場。同理，在反應轉距(磁阻轉距)的作用下，轉子按順時針方向轉過3度，使定子C極下的齒與轉子齒對齊。以此類推，當控制繞組按A-B-C-A順序循環通電時轉子就沿著順時針方向以每個脈沖轉動3度的規律轉動起來。若改變通電順序，即按A-C-B-A順序循環通電時，轉子便按逆時針方向同樣以每個脈沖轉動3度。這就是單三拍通電方式。若采用三相單、雙六拍通電方式運行，即A-AB-B-BC-C-CA-A順序循環通電，步距角將減小一半，即每個脈沖轉過1.5度。圖2-5 反應式步進電機步進電機的控制和驅動方法簡介步進電機的控制和驅動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分

45、為:普通集成電路控制、單片機控制、工業控制機控制、可編程控制器控制等幾種;按照控制結構可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結構(硬-硬結構)、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結構(軟-軟結構)、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結構(軟-硬結構)即：1 硬硬結;2 軟軟結構;3 軟硬結構。具體的驅動控制情況在下面章節還將提到。常見的步進電機的工作方式常見的步進電機的工作方式有以下三種：（1）、三相單三拍：A-B-C-A： 圖3-1三相單三拍工作方式時序圖（2）、三相雙三拍：AB-BC-CA-AB：圖3-2三相雙三拍工作方式時序圖（3) 、三相六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A： 圖3-3三相六拍工作方式時序圖按以

46、上順序通電，步進電機正轉，按相反方向通電，步進電機反轉。這三種方式的主要區別是:電機繞組的通電、放電時間不同。工作方式是單三拍時通電時間最短，雙三拍時允許放電時間最短，六拍時通電時間和放電時間最長。因此，同一脈沖頻率時，六拍的工作方式出力最大。而且，電機是三拍的工作方式時，其分辨率為3度，六拍的工作方式時，分辨率是1.5度。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進電機的運行特性好，步進電機分辨率最高。步進電機控制方式典型的步進電機控制系統如圖所示：圖3-4典型的步進電機控制系統 步進電動機是一種將數字脈沖信號轉換成機械角位移或者線位移的數模轉換元件。在經歷了一個

47、大的發展階段后，日前其發展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執行元件,每當對其施加一個電脈沖時,其輸出轉過一個固定的角度。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數成正比,其轉速與單位時間內輸入的脈沖數(即脈沖頻率)成正比,其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的脈沖順序有關。所以只要控制指令脈沖的數量、頻率及電機繞組通電的順序,便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉向。步進電機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據輸人的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態就前進一定角度或長度，若不改變勵磁狀態則保持一定位置而靜止的電動機:從廣義上講，步進電動機是一

48、種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖頻率同步的同步電動機。步進電機的控制和驅動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通集成電路控制、單片機控制、工業控制機控制、可編程控制器控制等幾種;按照控制結構可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結構(硬-硬結構)、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結構(軟-軟結構)、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結構(軟-硬結構)。 1、硬硬結構： 如圖3-5所示，這種步進電機的控制驅動系統由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅動器組成。這種控制驅動方式運行速度比較快，但是電路復雜，功能單一。2、軟軟結構：如圖3-6所示，這種步進電機的控制驅

49、動系統由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅動器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過編程實現。用單片機、工業控制機、普通個人計算機、可編程序控制器控制步進電機一般均可采用這種結構。這種控制驅動方法電路結構簡單、可以實現復雜的功能，但是占用CPU時間多，給微處理器運行其他工作造成困難。3、軟硬結構：如圖3-7所示，這種步進電機的控制驅動系統由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅動器組成。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片(如8713芯片)來實現通電換相控制的。這種控制驅動方法電路結構簡單、可以實現復雜的功能，同時占用CPU時間較少，用可編程控制器全部實現了控制器和

50、驅動器的功能。在PLC中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對步進電機進行并行控制，并且由PLC輸出端口直接驅動步進電機。如圖3-6所示，這是一種軟-軟結構，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序實現。圖3-5 硬硬結構控制圖3-6 軟軟結構控制圖3-7 軟硬結構控制LC控制步進電機由以上步進電機的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進電機最重要的就是要產生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高速脈沖計數器和高速脈沖發生器，其發出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的要求，與硬件連接相比對于環形脈沖分配器和功率放大器的功能則對PLC提出兩個特性要求。一是在此應用的P

51、LC最好是具有實時刷新技術的PLC,使輸出信號的頻率可以達到數千赫芝或更高。其目的是使環形脈沖分配能有較高的分配速度,充分利用步進電機的速度響應能力,提高整個系統的快速性。二是PLC本身的輸出端口應該采用大功率晶體管,以滿足步進電機各相繞組數十伏脈沖電壓、數安培脈沖電流的驅動要求。如下圖所示：圖 3-8 PLC直接控制步進電機圖對輸入電機的相關脈沖控制從而達到對步進電機三相繞組的48V直流電源的依次通、斷,形成旋轉磁場,使步進電機轉動。步進電機的轉動，由于步進電機是電感性負載,直流電阻很小,故接限流電阻以免脈沖電流過大損壞，當步進電機的通電相序為：AABBBCCCAA次導通、斷開時,步進電機正

52、轉。按: AACCCBBBAA電機反轉，按三相六拍工作。每當步進電機走一步,環形脈沖分配程序的步數減一,當步數減為零時,停止環形脈沖分配,等待下一次的脈沖輸入。如下圖所示：圖2-4基本控制圖2.5 滾珠絲桿設計滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質：CrWMn鋼，HRC5860，導程：l0=5mm強度計算絲杠軸向力：(N) (4-3)其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數f=0.0030005；在車床車削外圓時：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz計算。取f=0.004,則:壽命值：，其中絲杠轉速(r/min) (4-4)最大動載荷：式中：fW

53、為載荷系數，中等沖擊時為1.21.5；fH為硬度系數，HRC58時為1.0。查表得中等沖擊時則:根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷的數值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。其基本參數如下:圖4-2其額定動載荷為14205N 足夠用.滾珠循環方式為外循環螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數的計算如下表表4-2名稱計算公式結果公稱直徑20mm螺距mm接觸角鋼球直徑螺紋滾道法向半徑偏心距螺紋升角螺桿外徑螺桿內徑螺桿接觸直徑螺母螺紋外徑螺母內徑（外循環）傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為： (4-5)式中：=10

54、，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。穩定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩定性驗算。剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm) (4-6)Y向所受牽引力大,故用Y向參數計算絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差為E級精度絲杠允許的螺距誤差 =15m/m。（五）齒輪計算、設計 因步進電機步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實現脈沖當量,在傳動系統中應加一對齒輪降速傳動.齒輪傳動比： ，步進電機步距角：/step。 (4-7) 取小齒輪齒數 則大齒輪齒數大小齒輪材料均為45鋼由于軟齒面齒輪工藝簡單、生產率高，故選擇軟齒面齒輪。因傳遞的扭距較小,取模數m=1mm則:分度圓直徑:

55、 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 分度圓壓力角: 大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯齒排列以消除間隙.2.6 工件推出裝置 機械手的驅動系統是驅動執行機構運動的傳動裝置。機械手的驅動系統根據動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機械、氣液聯合和電液聯合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅動方式。液壓驅動，功率重量比大，可實現頻繁平穩的變速和換向，容易實現過載保護，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。電氣驅動，控制精度高，驅動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應用。因此，人們尋求其他一些經濟適用的驅動方式。氣壓驅動具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強、在工業機械手中應用較多。另一方面，氣動技術作為“廉價的自動化技術”，由于其元器件性能的不斷提高，生產成本的不斷降低，被廣泛應用于現代化工業生產領域。在現代化的成套設備與自動化生產線上，幾乎都配有氣動系統。據統計：在工業發達國家中，全部自動化流程中約有30裝有氣動系統，有90的包裝機械，70的鑄造、焊接