YL-335A升级YL-335B1 - 图文

论文编号____________

鹤壁职业技术学院

毕业论文

自动线YL-335A升级为YL-335B改造设计

学号 1002312007 姓名 李星宇 学院 机电工程学院 专业 机电一体化技术 导师 董慧敏 时间 2012 年 9 月 日

目 录

自动线YL-335A升级为YL-335B改造设计 ................................................................................... 3 摘要 .................................................................................................................................................. 3 一、前言........................................................................................................................................... 4 二、 方案论证 ................................................................................................................................. 4 三、亚龙YL-335A及亚龙YL-335B的技术分析 ........................................................................... 5

（一）亚龙YL-335A的结构及功能 ....................................................................................... 5 （二）亚龙YL-335B的结构及功能 ....................................................................................... 7 （三）亚龙YL-335A和亚龙YL-335B的区别及升级方案 ................................................... 9 四、亚龙YL-335A升级亚龙YL-335B的详细方案 ....................................................................... 9

（一）电气控制方面 ............................................................................................................... 9 （二） 供料单元 ................................................................................................................... 15 （三）加工单元 ..................................................................................................................... 18 （四）装配单元 ..................................................................................................................... 21 （五）分拣单元 ..................................................................................................................... 24

1、传送和分拣机构 ....................................................................................................... 25 2、传送带驱动机构 ....................................................................................................... 25 3、分拣单元的动作过程 ............................................................................................... 28 （六）输送单元 ..................................................................................................................... 28

1、 抓取机械手 ............................................................................................................. 29 2、 直线运动传动组件 ................................................................................................. 30 3、驱动部分 ................................................................................................................... 32 4、 输送单元的正常运动过程 ..................................................................................... 35

五、 项目小结 ............................................................................................................................... 36 六、 致谢....................................................................................................................................... 37

自动线YL-335A升级为YL-335B改造设计

李星宇

摘要

随着自动化控制技术的发展，由机械手代替人工的自动化生产线技术不断更新，早期的亚龙YL-335A设备在近年来的技能大赛中也逐渐被更新换代，对于原有设备的改造一方面能节省资金，另一方面也能培养动手能力与创新能力。为了更好理论与实践的结合，进行了这一课题项目，在亚龙YL-335A的基础上，增加适当的传感器和伺服驱动系统，将其升级为亚龙YL-335B。本文详细介绍了对亚龙YL-335A电气部分的优化改造和输送站伺服驱动技术的应用，另外也涉及机械部分的一些具体优化改造。

关键词：自动化生产线 更新换代 优化升级

一、前言

现代化的自动化生产线最大特点是它的综合性和系统性，在这里，机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；而系统性指的是，生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制 下协调有序地工作，有机地融合在一起。

可编程序控制器（PLC）以其高抗干扰能力、高可靠性、高性能价格比且编程简单而广泛地应用在现代化的自动生产设备中，担负着生产线的大脑——微处理单元的角色。因此，本项目将基于可编程序控制器（PLC），对现有的亚龙YL-335A的各个传感器及执行机构进行优化改造。

二、方案论证

YL-335A和亚龙YL-335B均采用模块组合式的结构，各工作单元是相对独立的模块，并采用了标准结构和抽屉式模块放置架，具有较强的互换性。可根据实训需要或工作任务的不同进行不同的组合、安装和调试。因此具有在原有基础上升级改造的可能。

优化亚龙YL-335A的电气线路；并在供料站和分拣站上增加金属传感器，以及分拣站的金属分拣料仓、气缸；在分拣站的三相减速电机上增加旋转编码器；改进输送站的驱动方式为伺服驱动，将原有的三相步进电机换成伺服电机，将原有的三相步进电机驱动器改为伺服驱动器；就可以将亚龙YL-335A改装成亚龙YL-335B，因所有模块均具有可塑性，因此本方案具有可行性。

三、亚龙YL-335A及亚龙YL-335B的技术分析

亚龙YL-335型自动生产线实训考核装备在铝合金导轨式实训台上安装送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进电机位置控制（伺服驱动）等技术。系统的控制方式采用每一工作单元由一台PLC 承担其控制任务，各PLC 之间通过 RS485 串行通讯实现互连的分布式控制方式。因此，YL-335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）、传感器应用技术、PLC 控制和组网、步进电机（伺服电机）位置控制和变频器技术等。因此利用 YL-335，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程。

（一）亚龙YL-335A的结构及功能

YL-335A 采用模块组合式的结构，各工作单元是相对独立的模块，并采用了标准结构和抽屉式模块放置架，具有较强的互换性。可根据实训需要或工作任务的不同进行不同的组合、安装和调试，达到模拟生产性功能和整合学习功能的目标，如图1。

图1

本自动生产线实训考核装备由安装在铝合金导轨式实训台上的送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元 5 个单元组成。其中，每一工作单元都可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

机构基本上以气动执行机构为主，但输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、精密定位的位置控制，该驱动系统具有长行程、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱 动三相异步电动机的交流传动装置。位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。在YL-335A 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、物体通过的状态、物体的颜色等。传感器技术是机电一体化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，YL-335A 采用了基于RS485 串行通信的PLC 网络控制方案，即每一工作单元由一台PLC 承担其控制任务，各PLC 之间通过RS485 串行通讯实现互连的分布式控制方式。用户可根据需要选择不同厂家的 PLC 及其所支持的RS485 通信模式，组建成一个小型的 PLC 网络。

YL-335A 各工作单元在实训台上的分布如图2的俯视图所示。

图2

其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待加工的工件自动送出到物料台上，以便输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往其他工作单元。

2、加工单元的基本功能：把该单元物料台上的工件（工件由输送单元的抓取机械手装置送来）送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的抓取机械手装置取出。

3、装配单元的基本功能：完成将该单元料仓内的黑色或白色小圆柱工件嵌

入到已加工的工件中的装配过程。

4、分拣单元的基本功能：完成将上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣，使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。

5、输送单元的基本功能：该单元通过到指定单元的物料台精确定位，并在该物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点然后放下的功能。

（二）亚龙YL-335B的结构及功能

亚龙YL-335B型自动生产线实训考核装备和亚龙YL-335A一样由安装在铝合金导轨式实训台上的送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。其外观如图3所示。

图3

其中，每一工作单元也都可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基本以气动执行机构为主，但输送单元的机械手装置整体运动则采取伺服电机驱动，比亚龙YL-335A的定位更加精确。分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三相异步电动机的交流传动装置。在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、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。和亚龙YL-335A相比增加了金属传感器，用于检测金属工件。

在控制方面，亚龙YL-335B和亚龙YL-335A一样采用了基于RS485串行通信的PLC网络控制方案，即每一工作单元由一台 PLC 承担其控制任务，各 PLC 之

间通过 RS485 串行通讯实现互连的分布式控制方式。

亚龙YL-335B的各工作单元在实训台上的分布如图4所示的俯视图

图4

各个单元的基本功能如下：

1、供料单元的基本功能： 供料单元是亚龙YL-335B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。具体的功能是：按照需要将放置在料仓中待加工工件（原料）自动地推出到物料台上，以便输送单元的机械手将其抓取，输送到其他单元上。本单元和亚龙YL-335A相比增加了金属传感器，用于检测料仓中的金属工件。

2、加工单元的基本功能：把该单元物料台上的工件（工件由输送单元的抓取机械手装置送来）送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的抓取机械手装置取出。

3、装配单元的基本功能：完成将该单元料仓内的黑色或白色或金属小圆柱工件嵌入到已加工的工件中的装配过程。

4、分拣单元的基本功能：完成将上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣，使不同颜色、和材质的工件从不同的料槽分流的功能。本单元和亚龙YL-335A相比也增加了金属传感器，增加了金属分拣的料槽。

5、输送单元的基本功能：该单元通过直线运动传动机构驱动抓取机械手装置到指定单元的物料台上的精确定位，并在该物料台上抓取工件，把抓取到的工

件输送到指定地点然后放下，实现传送工件的功能。本单元和亚龙YL-335A相比增加伺服驱动系统，以获得更加精确的传输。

（三）亚龙YL-335A和亚龙YL-335B的区别及升级方案

亚龙YL-335B相对于亚龙YL-335A的升级主要体现在电气部分的优化、驱动系统的改进和对金属工件检测功能的增加。

电气部分：

亚龙YL-335A系统供电采用统一的电源模块，然后通过端子台分别引入各个单元，接线端子台设在试验台前面，造成电路复杂、导线混乱，给后期使用造成不便。而亚龙YL-335B各个单元均采用电源模块单独供电，所有导线均嵌入线槽内，电路互不干扰、简单明了，给维修带来了方便，因此对于原有亚龙YL-335A试验考核设备的电气优化应取消试验台前面的接线端子台，增加各单元的供电模块，将所有导线嵌入线槽。

机械部分：

亚龙YL-335A仅采用了光纤传感器检测黑白工件并分拣，而亚龙 YL-335B增加了对金属工件的分拣，因此应在供料单元和分拣单元设立金属传感器的安装位置，并在分拣单元增加金属物料的料仓及检测分拣设备。

亚龙YL-335A输送单元所选用的步进电机是Kinco 3S57Q-04056三相步进电机，与之配套的驱动器为Kinco 3M458 三相步进电机驱动器。 而亚龙YL-335B 的输送单元上中，采用了松下 MHMD022P1U 永磁同步交流伺服电机，以及与其配套的 MADDT1207003全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为运输机械手的运动的控制装置。因此对于原有的亚龙YL-335A型设备应改进其输送站，增加伺服驱动器的安装位置，并改进程序。

四、亚龙YL-335A升级亚龙YL-335B的详细方案

（一）电气控制方面

亚龙YL-335B设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电气控制部分的相对分离。每一工作单元机械装置整体安装在底板上，而控制工作单元生产过程的PLC 装置则安装在工作台两侧的抽屉板上。因此，工作单元机械装置与PLC 装置之间的信息交换是一个关键的问题。亚龙YL-335B 的解决方案是：机械装置上的各电磁阀和传感器的引线均连接到装置侧的接线端口上。PLC 的I/O 引出线则连接到PLC侧的接线端口上。两个接线端口间通过多芯信号电缆互连。

装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接DC24V

电源的+24V端，底层端子用以连接DC24V电源的0V端，中间层端子用于连接各信号线，PLC侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信号线，其端子号与装置侧的接线端口的接线端子相对应。底层端子用以连接DC24V电源的+24V端和0V端。装置侧的接线端口和 PLC侧的接线端口之间通过专用电缆连结。其中25针接头电缆连接PLC的输入信号，15针接头电缆连接PLC的输出信号。如图5所示，而原来的亚龙YL-335A则如图6所示。

图5 装置侧接线端口 PLC侧接线端口

图6

亚龙YL-335B的每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也可以通过网

络互连构成一个分布式的控制系统。

1、当工作单元自成一个独立的系统时，其设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显示信号，来源于该工作单元按钮指示灯模块。按钮指示灯模块如图7所示，模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。

图7

模块盒上器件包括：

⑴指示灯(24VDC)：黄色(HL1) 、绿色(HL2) 、红色(HL3)各一个。 ⑵主令器件：绿色常开按钮SB1一个。 红色常开按钮SB2一个。 选择开关SA（一对转换触点）。 急停按钮QS（一个常闭触点）。

2、当各个工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时，对于采用西门子S7-200系列PLC的设备，亚龙YL-335B的标准配置是采用 PPI 协议的通信方式，设备的控制方案如图8所示。

各工作站的PLC 配置如下：

⑴输送单元：S7-226 DC/DC/DC 主单元，共24点输入，16点晶体管输出。 ⑵供料单元：S7-224 AC/DC/RLY 主单元，共14点输入和10点继电器输出。 ⑶加工单元：S7-224 AC/DC/RLY 主单元，共14点输入和10点继电器输出。 ⑷装配单元：S7-226 AC/DC/RLY 主单元，共24点输入，16点继电器输出。⑸分拣单元：S7-224 XP AC/DC/RLY主单元，共 14点输入和10点继电器输出。

图8

3、人机界面

系统运行的主令信号（复位、启动、停止等）通过触模屏人机界面给出。同时，人机界面上也显示系统运行的各种状态信息。

人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁。使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC 控制器所需要的I/O点数，降低生产的成本。

亚龙YL-335B 采用了昆仑通态（MCGS）TPC7062KS 触摸屏作为它的人机界面。TPC7062KS是一款以嵌入式低功耗CPU为核心的高性能嵌入式一体化工控机。该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏 ，四线电阻式触摸屏，同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统 WINCE.NET（中文版）和 MCGS嵌入式组态软件（运行版）。

4、供电电源

外部供电电源为三相五线制AC 380V/220V，图9为供电电源模块一次回路原理图，图中，总电源开关选用DZ47LE-32/C32型三相四线漏电开关，系统各主要负载通过自动开关单独供电。其中，变频器电源通过DZ47C16/3P三相自动开关供电，各工作站PLC均采用DZ47C5/2P单相自动开关供电，此外系统置4台DC24V6A开关稳压电源分别用作供料、加工和分拣单元，及输送单元的直流电源。

图9

图10 配电箱设备安装图

而原来的亚龙YL-335A供电电源模块及电路原理如图 11 所示。外部供电电源为三相五线制 AC 380V/220V，三根相线经三相三线漏电保护开关后连接到三个安全导线插孔处，零线和接地线也连接到安全导线插孔处。另外，模块上尚提供二个单相电源插座，为 PLC 模块和按钮/指示灯模块提供AC220V电源。

图11

5、气源处理组件

气源处理组件及其回路原理图分别如图 12 和 13 所示。气源处理组件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。该气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于关闭气源。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。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa, 输出压力为0～0.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元。

图12

图13

（二）供料单元

供料单元的主要结构组成为：工件装料管，工件推出装置，支撑架，阀组，端子排组件，PLC ，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。其中，机械部分结构组成如图14所示。

其中，管形料仓和工件推出装置用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出到出料台上。它主要由管形料仓、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。

该部分的工作原理是：工件垂直叠放在料仓中，推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料仓的底部通过。当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处于同一水平位置，而夹紧气缸则与次下层工件处于同一水平位置。在需要将工件推出到物料台上时，首先使夹紧气缸的活塞杆推出，压住次下层工件；然后使推料气缸活塞杆推出，从而把最下层工件推到物料台上。在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气缸返回，松开次下层工件。这样，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工件，为下一次推出工件做好准备。

在底座和管形料仓第四层工件位置分别安装一个漫射式光电开关。它们的 功能是检测料仓中有无储料或储料是否足够。若该部分机构内没有工件，则处 于底层和第4层位置的两个漫射式光电接近开关均处于常态；若仅在底层起有 个工件，则底层处光电接近开关动作而第4层处光电接近开关常态，表明工件 已经快用完了。这样，料仓中有无储料或储料是否足够，就可用这两个光电接 近开关的信号状态反映出来。

推料缸把工件推出到出料台上。出料台面开有小孔，出料台下面设有一个园柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在，以便向系统提供本单元出料台有无工件的信号。在输送单元的控制程序中，就可以利用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。供料操作示意图如图15所示。

图14供料单元的主要结构组成

图15供料操作示意图

本单元与原有的亚龙YL-335A相比又增加了电感式传感器，电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。

利用这一原理，以高频振荡器（ LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。电感式接近传感器工作原理框图如图16所示。供料单元中，为了检测待加工工件是否金属材料，在供料管底座侧面安装了一个电感式传感器，如图17所示。

图16电感式传感器原理框图

图17供料单元上增加的电感式传感器

在接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上的传感器可靠动作。安装距离注意说明如图18所示。

图18

（三）加工单元

加工单元的功能是完成把待加工工件从物料台移送到加工区域冲压气缸的正下方；完成对工件的冲压加工，然后把加工好的工件重新送回物料台的过程。

加工单元装置侧主要结构组成为：加工台及滑动机构，加工（冲压）机构，电磁阀组，接线端口，底板等。其中，该单元机械结构总成如图19所示

图19

加工台及滑动机构如图20所示。加工台用于固定被加工件，并把工件移到加工（冲压）机构正下方进行冲压加工。它主要由手爪气动、手指、加工台伸缩气缸、线性导轨及滑块、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。

滑动加工台的工作原理：滑动加工台在系统正常工作后的初始状态为伸缩气缸伸出，加工台气动手指张开的状态，当输送机构把物料送到料台上，物料检测传感器检测到工件后，PLC 控制程序驱动气动手指将工件夹紧→加工台回到加工区域冲压气缸下方→冲压气缸活塞杆向下伸出冲压工件→完成冲压动作后向上缩回→加工台重新伸出→到位后气动手指松开的顺序完成工件加工工序，并向系统发出加工完成信号。为下一次工件到来加工做准备。

图20

移动料台上安装的漫射式光电开关仍选用E3Z-L61 型放大器内置型光电开关（细小光束型）。

移动料台伸出和返回到位的位置是通过调整伸缩气缸上两个磁性开关位置来定位的。要求缩回位置位于加工冲头正下方；伸出位置应与输送单元的抓取机械手装置配合，确保输送单元的抓取机械手能顺利地把待加工工件放到料台上。

加工（冲压）机构如图21所示。加工机构用于对工件进行冲压加工。它主要有冲压气缸、冲压头、安装板等组成。

冲压台的工作原理是：当工件到达冲压位置既伸缩气缸活塞杆缩回到位，冲压缸伸出对工件进行加工，完成加工动作后冲压缸缩回，为下一次冲压做准备。 冲头根据工件的要求对工件进行冲压加工，冲头安装在冲压缸头部。安装板用于 安装冲压缸，对冲压缸进行固定。

图21

加工单元所使用气动执行元件包括标准直线气缸、薄型气缸和气动手指，薄型气缸属于省空间气缸类，即气缸的轴向或径向尺寸比标准气缸有较大减小的 缸。具有结构紧凑、重量轻、占用空间小等优点。

气爪用于抓取、夹紧工件。气爪通常有滑动导轨型、支点开闭型和回转驱动型等工作方式。YL-335B 的加工单元所使用的是滑动导轨型气动手指，如图22所示。

爪松开放下工件→手臂缩回。

（4） 放下工件动作完成2秒后，抓取机械手装置执行抓取加工站工件的操作，抓取的顺序与供料站抓取工件的顺序相同。

（5）抓取动作完成后，伺服电机驱动机械手装置移动到装配站物料台的正前方。然后把工件放到装配站物料台上。其动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。

（6）放下工件动作完成2秒后，抓取机械手装置执行抓取装配站工件的操作，抓取的顺序与供料站抓取工件的顺序相同。

（7） 机械手手臂缩回后，摆台逆时针旋转90°，伺服电机驱动机械手装置从装配站向分拣站运送工件，到达分拣站传送带上方入料口后把工件放下，动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。

（8）放下工件动作完成后，机械手手臂缩回，然后执行返回原点的操作，伺服电机驱动机械手装置以400mm/s的速度返回，返回900mm后，摆台顺时针旋转90度，然后以100mm/s的速度低速返回原点停止。

若在工作过程中按下急停按钮 QS，则系统立即停止运行。在急停复位后应从急停前的断点开始继续运行。但是若急停按钮按下时，输送站机械手装置正在向某一目标点移动，则急停复位后输送站机械手装置应首先返回原点位置，然后再向原目标点运动。在急停状态，绿色指示灯HL2 以1Hz的频率闪烁， 直到急停复位后恢复正常运行时，HL2恢复常亮。

五、项目小结

亚龙YL-335A是上一代的自动化生产线实训考核设备，它的设计相对于亚龙YL-335B，有许多的不足之处。除了功能的单一，还有电气线路的杂乱。为了提升设备的性能，本方案在节约资源的前提下，基于亚龙YL-335A自动化生产线实训考核设备，对其进行了升级改造，加装了亚龙YL-335B型使用的一些传感器和机械零件，将其改造为亚龙YL-335B型。

在供料站增加金属传感器，所有的导线、气管均排入线槽中，并且用橙色的气管作为进气管、蓝色的气管作为回路。增加单独的供电模块，避免电源逐站连接的混乱。加工站和装配站也同样配有单独供电模块，气管颜色也和供料站设置相同。分拣站除了电气的优化又增加金属料仓、金属传感器以及旋转编码器。在保证传送带精度的同时也增加了对金属工件的检测。运输单元针对原有设备的步进电机容易失步，精度不高的问题。使用了伺服驱动技术，将原有的步进电机及其驱动器换为伺服电机及伺服驱动器，保证了输送单元的精度，同时也优化了电气线路，保证了整条生产线的一致性。

另外通过对各站的改造，除了帮助我了解亚龙YL-335系列生产线的动作过程外，也使我初步了解了基于PLC的工业自动化生产线的实现原理，以及传感器技术在工业生产的应用。

六、致谢

本文在撰写过程中，得到了鹤壁职业技术学院董慧敏老师的悉心指导和帮助，她对本论文的写作提出了非常宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。另外，在资料收集阶段，董慧敏老师也为我提供了许多关于亚龙系列生产线的重要技术资料；同时，本文还参考了一些机电一体化专业的著作，得到了同窗好友的帮助，在此一并表示真诚的感谢！

签名（要求手写）

20012年9月 日

图22

（四）装配单元

装配单元的功能是完成将该单元料仓内的黑色或白色小圆柱工件嵌入到放置在装配料斗的待装配工件中的装配过程。

装配单元的结构组成包括：管形料仓，供料机构，廻转物料台，机械手，待装配工件的定位机构，气动系统及其阀组，信号采集及其自动控制系统，以及用于电器连接的端子排组件，整条生产线状态指示的信号灯和用于其他机构安装的铝型材支架及底板，传感器安装支架等其它附件。其中，机械装配图如图23所示。

为了能对料仓供料不足和缺料时报警，在塑料圆管底部和底座处分别安装了2个漫反射光电传感器（E3Z-L型），并在料仓塑料圆柱上纵向铣槽，以使光电传感器的红外光斑能可靠照射到被检测的物料上。光电传感器的灵敏度调整应以能检测到黑色物料为准则。

在回转物料台两侧也安装有两个光电传感器，分别用来检测左面和右面料盘是否有零件。两个光电传感器均选用CX-441型。

另外为了确定装配台料斗内是否放置了待装配工件，在装配台料斗上使用了光纤传感器进行检测。料斗的侧面开了一个M6的螺孔，光纤传感器的光纤探头就固定在螺孔内。

图23

光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。光纤传感器组件如图24所示。

图24

光纤传感器也是光电传感器的一种。光纤传感器具有下述优点：抗电磁干扰、可工作于恶劣环境，传输距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在很小空间的地方。

光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大。当光纤传感器灵敏度调得较小时，反射性较差的黑色物体，光电探测器无法接收到反射信号；而反射

性较好的白色物体，光电探测器就可以接收到反射信号。反之，若调高光纤传感器灵敏度，则即使对反射性较差的黑色物体，光电探测器也可以接收到反射信号。 图25给出了放大器单元的俯视图 调节其中部的8旋转灵敏度高速旋钮就能进 行放大器灵敏度调节（顺时针旋转灵敏度增大）。调节时，会看到“入光量显示灯”发光的变化。当探测器检测到物料时，“动作显示灯”会亮，提示检测到物料。

图25

本单元采用的Z3Z-NA11型光纤传感器电路框图如图26所示。

图26

（五）分拣单元

分拣单元是工作是完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣。使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。当输送站送来工件放到传送带上并为入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，工件开始送入分拣区进行分拣。

分拣单元主要结构组成为：传送和分拣机构，传动带驱动机构，变频器模块，电磁阀组，接线端口，PLC模块，按钮指示灯模块及底板等。

本单元与亚龙YL-335A相比改动较大，增加了旋转编码器，用于检测传送带的转速、进而计算传送带的位置。同时增加了金属传感器，以及与其匹配的料槽、推料气缸等，对金属物料进行分拣。如图27所示。

亚龙YL-335B

亚龙YL-335A

图27

原有的亚龙YL-335A的分拣单元则没有旋转编码器，金属分拣的料槽及功能组件。

1、传送和分拣机构

传送和分拣机构主要由传送带、出料滑槽、推料（分拣）气缸、漫射式光电传感器、光纤传感器、磁感应接近式传感器组成。传送已经加工、装配好的工件，在光纤传感器检测到并进行分拣。

传送带是把机械手输送过来加工好的工件进行传输，输送至分拣区。导向器是用纠偏机械手输送过来的工件。三条物料槽分别用于存放加工好的黑色、白色工件或金属工件。

传送和分拣的工作原理：当输送站送来工件放到传送带上并为入料口的漫反射式光电传感器检测到时，传感器将信号输送给PLC ，通过PLC 的程序启动变频器，电机运转驱动传送带工作，把工件带进分拣区，如果进入分拣区的工件为金属工件，则安装在最前面的金属传感器检测到信号，并以此为1号气缸的启动信号，将工件推入1号料槽，如果进入分拣区工件为白色，则检测白色物料的光纤传感器动作，作为2号槽推料气缸启动信号，将白色料推到2号槽里，如果进入分拣区的工件为黑色，检测黑色的光纤传感器作为3号槽推料气缸启动信号，将黑色料推到3号槽里。自动生产线的加工结束。 2、传送带驱动机构

传动带驱动机构机构如图28所示。采用的三相减速电机，用于拖动传送 输送物料。它主要由电机支架、电动机、联轴器等组成。

图28

三相电机是传动机构的主要部分，电动机转速的快慢由变频器来控制，其作用是驱动传送带从而输送物料。电机支架用于固定电动机。联轴器由于把电动机的轴和输带送主动轮的轴联接起来，从而组成一个传动机构。

本单元在传送带主动轮的机轴上加装了旋转编码器，用于精确计算传送带的位置。旋转编码器是通过光电转换，将输出至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的旋转编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形狭缝。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图29所示；通过计算每秒旋转编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

图29

一般来说，根据旋转编码器产生脉冲的方式的不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。自动线上常采用的是增量式旋转编码器。

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、 B和Z相；A、 B两组脉冲相位差90，用于辩向：当A相脉冲超前B相时为正转方向，而当B 相脉冲超前A相时则为反转方向。 Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。如图30所示，分拣单元使用了这种具有A、B两相90度相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。编码器直接连接到传送带主动轴上。该旋转编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率500线，工作电源为DC12V~24V 。本工作单元没有使用Z相脉冲，A、B两相输出端直接连接到PLC

（S7-224XP AC/DC/RLY 主单元）的高速计数器输入端。

图30

计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。分拣单元主动轴的直径为d=43mm，则减速电机每转一周，皮带上工件的移动距离L=3.14×43=136.35mm,故脉冲当量为L/500，约为0.273mm。按如图31所示的安装尺寸，当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器约发出430个脉冲至第一个推杆中心点时，约发出614个脉冲。移至第二个推杆的中心点时，约发出963个脉冲；移至第三个推杆中心点时，约发出1284个脉冲。

图31

本单元减速电机的转速控制采用的是西门子MM420型变频器，西门子 MM420（MICROMASTER420）是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W 到三相电源电压，额定功率11KW 可供用户选用。

YL-335B选用的MM420额定参数为：

电源电压：380V～480V，三相交流 额定输出功率：0.75KW 额定输入电流：2.4A 额定输出电流：2.1A

外形尺寸：A型 3、分拣单元的动作过程

相对于亚龙YL-335A，本单元采用的变频器与其相同。设定参数也相同，而增加的旋转编码器以及金属传感器则造成程序的不同。

设备的工作目的是对白色芯金属工件 、白色芯塑料工件和黑色芯的金属或 塑料工件进行分拣。为了在分拣时准确推出工件，要求使用旋转编码器作定位检测。并且工件材料和芯体颜色属性应在推料气缸前的适应位置被检测出来。

设备上电和气源接通后，若工作单元的三个气缸均处于缩回位置，则正常工 作”指示灯HL1 常亮，表示设备准备好。否则，该指示灯以1HZ频率闪烁。

若设备准备好，按下启动按钮，系统启动， “设备运行” 指示灯HL2常亮。当传送带入料口人工放下已装配的工件时，变频器即启动，驱动传动电动机以频率固定为30Hz的速度，把工件带往分拣区。

如果工件为白色芯金属件，则该工件对到达1号滑槽中间，传送带停止，工件被推到1号槽中；如果工件为白色芯塑料，则该工件对到达2号滑槽中间，传送带停止，工件被推到2号槽中；如果工件为黑色芯，则该工件到达3号滑槽中间，传送带停止，工件被推到3号槽中。工件被推出滑槽后，该工作单元的一个工作周期结束。仅当工件被推出滑槽后，才能再次向传送带下料。

如果在运行期间按下停止按钮，该工作单元在本工作周期结束后停止运行。 （六）输送单元

输送单元工艺功能是：驱动其抓取机械手装置精确定位到指定单元的物料台，在物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点然后放下的功能。

亚龙YL-335系列出厂配置时，输送单元在网络系统中担任着主站的角色，它接收来自触摸屏的系统主令信号，读取网络上各从站的状态信息，加以综合后，向各从站发送控制要求，协调整个系统的工作。

输送单元由抓取机械手装置、直线运动传动组件、拖链装置、PLC 模块和接线端口以及按钮/指示灯模块等部件组成， 本单元相对于亚龙YL-335A使用了伺服驱动技术，因此在台面上增加了伺服驱动器。

图32是安装在亚龙YL-335B工作台面上的输送单元装置侧部分以及原来使用步进电机驱动的亚龙YL-335A的输送单元。

亚龙YL-335B的输送单元

亚龙YL-335A的输送单元

图32

1、抓取机械手

抓取机械手装置是一个能实现三自由度运动（即升降、伸缩、气动手指夹紧/松开和沿垂直轴旋转的四维运动）的工作单元，该装置整体安装在直线运动传动组件的滑动溜板上，在传动组件带动下整体作直线往复运动，定位到其他各工

作单元的物料台，然后完成抓取和放下工件的功能。图33是该装置实物图。

图33

具体构成如下：

气动手爪：用于在各个工作站物料台上抓取/放下工件。由一个二位五通双向电控阀控制。

伸缩气缸：用于驱动手臂伸出缩回。由一个二位五通单向电控阀控制。 回转气缸：用于驱动手臂正反向90度旋转，由一个二位五通单向电控阀控制。

提升气缸：用于驱动整个机械手提升与下降。由一个二位五通单向电控阀控制。

2、直线运动传动组件

直线运动传动组件用以拖动抓取机械手装置作往复直线运动，完成精确定位的功能。

传动组件由直线导轨底板、伺服电机及伺服放大器、同步轮、同步带、直线导轨、滑动溜板、拖链和原点接近开关、左、右极限开关组成。

伺服电机由伺服电机放大器驱动，通过同步轮和同步带带动滑动溜板沿直线导轨作往复直线运动。从而带动固定在滑动溜板上的抓取机械手装置作往复直线运动。同步轮齿距为5mm，共12个齿，即旋转一周搬运机械手位移60mm。

直线传动组件如下图所示。

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