WUHAN TEXTILE UNIVERSITY 《机电一体化模块化控制系统》
课程设计名：机电一体化模块化控制系统
指导老师：张智明
班级：机械11201班
姓名：程志超
学号：1202281102
供料单元的结构与控制
一、供料单元功能
供料单元可作为起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其它单元提供原料的作用。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，并将其传送到下个工作单元。
二、供料单元的结构组成
供料单元的结构组成如上图所示。其主要结构组成为：工件推出与支撑，漏斗，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。
2.1 工件推出与支撑及漏斗部分
该部分如图所示。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物料台上。它主要由大工件装料管、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。
为了使气缸的动作平稳可靠，气缸的作用气口都安装了限出型气缸截流阀。气缸截流阀的作用是调节气缸的动作速度。截流阀上带有气管的快速接头，只要
将合适外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。
A 气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置，这两个极限位置都分别
装有一个磁感应接近开关，如下图所示。磁感应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及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。在传感器上设置有LED显示用于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亮；
传感器不动作时，输出信号“0”，LED不亮。传感器（也叫做磁性开关）的安装位置可以调整，调整方法是松开磁性开关的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。
磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC输入公共端，棕色引出线应连接到PLC输入端子。磁性开关的内部电路如图3-6虚线框内所示，为了防止实训时错误接线损坏磁性开关，YL-335A上所有磁性开关的棕色引出线都串联了电阻和二极管支路。因此，使用时若引出线极性接反，该磁性开关不能正常工作。
磁性开关内部电路
在底座和装料管第4层工件位置，分别安装一个漫射式光电开关。漫射式光电接近开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电接近开关。它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化结构。在工作时，光发射器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，接近开关处于常态而不动作；反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。图3-7为漫射式光电接近开关的工作原理示意图。
漫射式接近开关的工作原理
由此可见，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3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。在控制程序中，就可以利用该信号状态来判断底座和装料管中储料的情况，为实现自动控制奠定了硬件基础。
供料单元中，用来检测工件不足或工件有无的漫射式光电接近开关选用OMRON公司的E3Z-L型放大器内置型光电开关（细小光束型）。该光电开关的外形和顶端面上的调节旋钮和显示灯如图3-8所示。图3-9给出该光电开关的内部电路原理框图。
E3Z-L光电开关电路原理图
被推料缸推出的工件将落到物料台上。物料台面开有小孔，物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物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。该光电开关选用OTS41型。
2.2电磁阀组
阀组，就是将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成，而每个阀的功能是彼此独立的。供料单元的阀组只使用两个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，两个阀集中安装在汇流板上，汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。阀组的结构如图3-10所示。本单元的两个阀分别对顶料气缸和推料气缸进行控制，
以改变各自的动作状态。
本单元所采用的电磁阀，带手动换向、加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。只有在PUSH位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，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，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。
2.3 转运模块
它的功能是吸取工件，并将工件传送到下一个工作单元。转运模块主要由旋转气缸、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等组成。
旋转气缸是摆臂的驱动装置，其转轴的最大转角为180°，转角可以根据需要进行调整。在转动气缸的两个极限位置上各装有一个磁感应式的接近开关，利用接近开关的信号状态来标识两个极限位置。
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。
真空检测传感器，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。
真空吸盘方向保持装置，它的作用是：使真空吸盘在摆臂转动的过程中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。它的工作原理是：旋转气缸固定在支架上，输出轴从固定齿轮的轴孔中穿过，并可自由转动，摆臂则固定在旋转气缸的转轴上；摆臂的另一端安装有一个可以自由转动带有齿轮的吸嘴，吸嘴的齿轮与旋转气缸输出轴外围的固定齿轮通过一个同步带相连。当旋转气缸驱动摆臂转动时，摆臂与固定齿轮之间形成相对运动，导致同步带的
运动，通过同步带带动了吸嘴的转动；固定齿轮与活动齿轮的传动比为 1：1，这样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方向不变。
2.4电磁阀组
阀组，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。供料单元的阀组只使用两个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，两个阀集中安装在汇流板上，汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。本单元的两个阀分别对顶料气缸和推料气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。
本单元所采用的电磁阀，带手动换向、加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。只有在PUSH位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。
三、气动控制回路
3.1气动控制原理
供料单元气动控制回路工作原理图
该工作单元的执行机构是气动控制系统，其方向控制阀的控制方式为电磁控制或手动控制。各执行机构的逻辑控制功能是通过 PLC 控制实现的。
在供料单元的气动控制原理图中，1A 为旋转缸；1B1 和 1B2 为磁感应式接近开关；2A为真空发生器；2B1 为真空压力检测传感器； 3A 为双作用推料气缸；3B1、3B2 为磁感应式接近开关；1Y1、1Y2 为控制旋转气缸的电磁阀的两个控制信号； 2Y1、2Y2 为控制真空发生器的电磁阀的两个电磁控制信号；3Y1 为控制推料缸的电磁阀的电磁控制信号。
3.2 电气接口地址
系统中的每个部件上的输入、输出信号与 PLC 之间的通讯电路联接是通过I/O 接线端口实现的。
各接口地址已经固定。各单元中的需要与 PLC 进行通讯联接的线路（包括各个传感器的线路、各个电磁阀的控制线路及电源线路）都已事先联接到了各自的 I/O 接线端口上，在与 PLC 联接时，只需使用一根专用电缆即可实现快速连接。
四、供料单元的PLC控制及编程
4.1 供料单元的PLC工作任务
本章节只考虑供料单元作为独立设备运行时的情况，单元工作的主令信号和工作状态显示信号来自PLC旁边的按钮/指示灯模块。并且，按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关SA应置于“单站方式”位置。具体的控制要求为：
①设备上电和气源接通后，若工作单元的两个气缸均处于缩回位置，且料仓内有足够的待加工工件，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。
②若设备准备好，按下启动按钮，工作单元启动，“设备运行”指示灯HL2常亮。启动后，若出料台上没有工件，则应把工件推到出料台上。出料台上的工件被人工取出后，若没有停止信号，则进行下一次推出工件操作。
③若在运行中按下停止按钮，则在完成本工作周期任务后，各工作单元停止工作，HL2指示灯熄灭。
④若在运行中料仓内工件不足，则工作单元继续工作，但“正常工作”指示灯HL1以1Hz的频率闪烁，“设备运行”指示灯HL2保持常亮。若料仓内没有工件，则HL1指示灯和HL2指示灯均以2Hz频率闪烁。工作站在完成本周期任务后停止。除非向料仓补充足够的工件，工作站不能再启动。
4.2 PLC的I/O 接线
本单元中，传感器信号占用7个输入点，留出1个点提供给启/停按钮作本地主令信号，则所需的PLC I/O点数为8点输入/2点输出。选用西门子S7-222主单元，共8点输入和6点继电器输出，供料单元的I/O接线原理图如附录图一所示。
供料单元PLC的I/O接线是采用双层接线端子排连接的，端子排集中连接本工作单元所有电磁阀、传感器等器件的电气连接线、PLC的I/O端口及直流电源。上层端子用作连接公共电源正、负极（Vcc和0V），连接片的作用是将各分散端子片上层端子排进行电气短接，下层端子用作信号线的连接，固定端板是将各分
散的组成部分进行横向固定，保险座内插装有2A 的保险管。接线端口上的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底板上。
根据工作单元装置的I/O 信号分配（表4-1）和工作任务的要求，供料单元PLC 选用FX2N-32MR 主单元，共16点输入和16点继电器输出。同时选用三菱FX2N-8ER 扩展模块，共4点输入和4点继电器输出。PLC 的I/O 信号分配如表4-2所示，接线原理图则见附录图1。
表 供料加工单元PLC 的I/O 信号表
输入信号
输出信号
序号
PLC 输
入点 信号名称
信号来
源
序号
PLC 输
出点 信号名称
信号来源
1 X0 顶料气缸伸出到位 装置侧
1 Y0 顶料电磁阀 装置侧
2 X1 顶料气缸缩回到位 2 Y1 推料电磁阀
3 X2 推料气缸伸出到位 3 Y2 夹紧电磁阀
4 X3 推料气缸缩回到位 4 Y3 料台伸缩电磁阀
5 X4 出料台物料检测 5 Y4 冲压电磁阀
6 X5 供料不足检测 6 Y5
7 X6 缺料检测
7
Y6
8 X7 金属工件检测 8 9 X10 加工台物料检测 9 Y7 正常工作指示 按钮/指示灯模块
10 X11 工件夹紧检测 10 Y10 运行指示
11 X12 加工台伸出到位 12 X13 加工台缩回到位 13 X14 加工压头上限 14 X15 加工压头下限 15 X16 16 X17 17 X20 停止按钮 按钮/指示灯模块
18 X21 启动按钮 19
X22
急停按钮
20 X23 工作方式选择
4.3供料单元的手动控制程序框图
4.4供料单元的本地控制和网络控制
①、本地控制
YL-335允许各工作单元作为独立设备运行，但在供料单元中，主令信号输入点被限制为1个，如果需要有启动和停止2种主令信号，只能由软件编程实现。图3-15是软件实现用一个按钮产生启动/停止信号的一个方法。
图3-15 用一个按钮产生启动/停止信号程序
②、网络控制
YL-335A着重考虑采用RS485串行通信实现的网络控制方案，系统的主令信号均从连接到输送站PLC（主站）的按钮/指示灯模块发出，经输送站PLC程序处理后，把控制要求存储到其发送缓冲区，通过调用NET_EXE子程序，向各从站发送控制要求，以实现各站的复位、启动、停止等等操作。供料、加工、装配、分拣各从站单元在运行过程中的状态信号，应存储到该单元PLC规划好的数据缓冲区，等待主站单元的读取而回馈到系统，以实现整个系统的协调运行。
以第二章所举的例子为例，按表2-2的规划，主站单元发送的控制要求，存放在供料单元VB1000处，而供料单元运行过程中需要回馈到系统的状态信号则应写入到VB1010处。VB1000和VB1010的具体内容以及控制程序如何编制，取决于系统工艺过程的要求，下面以YL-335A出厂例程为实例说明。
例：在网络控制方式下供料单元的控制要求如下：系统启动后，供料站把待加工工件推到物料台上，向系统发出物料台有物料信号，并且推料气缸缩回，准备下一次推料。若供料站的料仓和料槽内没有工件或工件不足，则向系统发出报警或预警信号。物料台上的工件被输送站机械手取出后，须等待系统本工作周期结束，输送站机械手装置返回原点位置，才进行下一次推出工件操作。如果在工作过程中，系统曾发出停止信号，则不再进行下一次推料操作。
五、供料单元的编程思路
5.1、自动生产线工作过程的通常要求
⑴系统上电后检查是否准备就绪。只有准备就绪才允许启动系统，投入运行状态。
⑵主工艺控制过程是顺序控制过程。
⑶正常停止的要求——发出停止指令后，一般要求一个工作周期结束后才停止运行。
5.2、启动/停止子程序
图3-17启动/停止子程序梯形图
5.3送料子程序
图3-18 送料子程序梯
5.4、主工艺控制过程单序列的步进顺序程序
结论
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，培养掌握机电一体化技术，掌握PLC 技术及PLC 网络技术的技术人材是当务之急。
亚龙YL-335B 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 之间通过串行通讯实现互连的分布式控制方式。因此，YL-335B 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 控制技术等。利用YL-335B，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，缩短了理论教学与实际应用之间的距离。
参考文献
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[5]钟肇新，彭侃.可编程控制器原理及应用[M].北京：华南理工大学出版社出
[6]自动化生产线安装与调试何用辉.机械工业出版社 (2011-09出版)
附录一
PLC输入接线原理图
PLC输出接线原理图