工柔性制造单元的开发及运用维修电工高级技师论文.doc

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1、山东省“金蓝领”维修电工高级技师论文壳体加工柔性制造单元的开发利用姓名: 指导教师：二零壹二年九月目 录第一章 绪论第二章 课题方案总概第三章 二维码标号激光打标系统的设计3.1 系统的概述3.2 系统的电器硬件部分3.3 系统的软件和控制第四章 VS130控制器组成的视觉系统设计4.1 硬件电路的设计4.2 控制方式设计4.3 控制软件设计第五章 MOBY控制器构成的信息读/系统的设计 5.1 信息读出写入系统组成和原理 5.2 信息读出写入系统控制方法 5.3 信息读出写入系统控制程序设计第六章 物料传输的设计第七章 中心控制单元与各工位的加工中心控制 7.1 控制单元与加工中心间控制原理

2、 7.2 控制单元的硬件及网络 7.3 控制单元的软件的设计第八章 结论感谢辞参考文献摘要：针对公司变扭器壳体线加工类型单一，加工中心对于不同的类型工件无法自动识别，不同的类型工件不能混线生产的问题，研究国外柔性控制理念，设计增加二维码打标系统，信息读写系统，物流传送系统，实现加工中心对于不同的类型工件能够自动识别，自动选择加工程序进行加工，能够不同的类型工件混线生产，实现柔性制造关键词：柔性制造 二维码 视觉传感器 射频识别系统 接口信号Flexible manufacture Data matrix codes Vision Sensor Radio Frequency Identific

3、ation Interface signal第一章 绪论由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展,制造业自动化进入一个崭新的时代。柔性制造技术已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。工业发达国家已普遍采用数控机床、加工中心，实现了柔性自动化。目前国外柔性制造技术，通常包括多台全自动数控机床,由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来,可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。是将工艺系统、物流系统、信息系统集成为制造单元或流水生产线。而中国尚处在单机自动化、刚性自动化的阶段。国内柔性制造技术多集中在大型的外资，合资企业，由于西方技术的垄断和资金成本，外资合资企业

4、使用比当今西方国家的柔性制造技术落后，缺乏将工艺系统、物流系统、信息系统集成为制造单元或流水生产线的技术。公司变扭器壳体线加工类型单一，加工中心对于不同的类型工件无法自动识别，不同的类型工件不能混线生产，无法满足根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整，不能实行柔性生产。根据公司的现状，研究并采用较先进的控制理论，使公司的变扭器壳体线加工类型多元化，加工中心对于不同的类型工件能够自动识别，根据识别的工件类型自动选择加工程序进行加工。同时也能够不同的类型工件混线生产，并且能够记忆储存加工状态和生产数据。最终实现满足根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整，实行柔性生产。第二章壳体加工柔性制造单元

5、的开发方案总概公司变扭器壳体线加工类型单一，加工中心对于不同的类型工件无法自动识别，不同的类型工件不能混线生产，无法满足根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整，不能实行柔性生产。研究参考国内外的柔性制造单元的理论和相关的控制原理，分析相关的控制案例，结合生产现场的情况，增加标号系统，视觉系统，工件信息储存及读出写入系统，物料传输系统，并由中心PLC控制协调各个系统工作，各个工位的加工中心利用读出写入系统完成工件类型的读出，并选择加工程序加工，加工结束将工件相关信息写入工件信息储存器，最后由下线读出系统读取工件信息，经INTERNET的网线传给公司的信息库，以利于产品质量追溯。壳体加工线柔性制

6、造单元的开发方案，见图21图21 壳体加工线柔性制造单元的开发方案壳体加工自动线设计方案，在加工线的辊道的开始端的托盘上料，（托盘下带有信息载体的存储块）托盘载着工件毛坯到探针工位，探针动作，探测工件类型，与中心的预选型号比较，相同则放行托盘，不同则报警。当托盘到达打标工位，打标机在中心PLC的控制下接收中心PLC传来的工件信息（含毛坯类型，供应商，生产日期），打标机的工控机根据工件信息控制激光在工件毛坯打标，打标完成，托盘进入VS130拍照工位，读取工件上打标的二维码，并由中心PLC控制MOBY将工件信息，工位，工位完成信息，托盘号等写入托盘下的信息存储块中。然后托盘到OP10工位入口的读取

7、信息的MOBY处，读取工件信息，该工位加工中心的PLC根据工件信息选择上料程序，和加工程序加工，加工结束下料，托盘到出口的MOBY写该工位加工完成信息到托盘的信息存储块中。这样每个工位都会加工前读工件信息，选择上料及加工程序，加工后，写完成信息。第三章 二维码标号激光打标系统的设计3.1 系统的概述3.1.1.激光打标系统选型选用济南中正金码科技的激光打标机，设备型号：JWL PF-20，激光打标软件WINJLB3.1.2.激光打标系统概述1.JWL PF-20型激光打标机的工作原理如图3-1：激光器能发出波长为1064nm，功率为20w，直径为10mm的不可见激光束。激光束进入激光标记头（扫

8、描振镜）。检流计式电机激光束X扫描振镜Y扫描振镜检流计式电机f-Theta平场透镜工件图3-1. 激光打标机工作原理图在激光标记头内装有X，Y扫描振镜，计算机控制着两个检流计式电机带动镜片把入射激光按所给信号进行反射偏转，同时计算机控制着激光器光束的关断与开通，经扫描振镜下面的f-theta平场透镜聚焦后，把高能量的激光光斑打在工件上，把工件表层瞬间汽化蒸发掉，从而标记出字符。要打印的字符、图形等预先在计算机的激光标记软件上编辑好。扫描振镜的偏转最终决定了在工件上打印出的图形，其偏转由工控机控制。本系统所用脉冲光纤激光器为级激光产品，属于第三代激光器。该激光器采用了最先进的光纤掺杂技术，泵蒲二

9、极管寿命为5万小时， 只需简单的风冷，是一款真正免维护的激光器。 3.2 系统的电器硬件部分3.2.1.激光打标系统电器硬件概述本次设备改造，是在GF6车间变速箱壳体生产线的上料工位和二维码照相工位之间增加两个工位：探针工位和二维码激光打标工位。探针工位用于对变速箱壳体上的凸台进行检测，以识别壳体的型号，并和操作者在上料处HMI输入的壳体型号进行对比校验。如果校验错误，HMI将进行报警，探针工位的停止器将挡住壳体。若校验正确，就把工件放行到激光打标工位。在激光打标工位，工件被顶升起来然后夹紧。夹紧到位后，生产线主控柜的PLC通过Profibus DP总线给激光控制柜内的-A42804器件发送打

10、标数据。器件-A42804的型号是AB7000。该器件是瑞典HMS工业网络有限公司生产的通讯转换模块，它的一个接口通过Profibus DP总线和生产线主控柜的PLC相连接，用于接收PLC发送的打标数据。AB7000模块还有一个RS232C串行接口，和激光打标机电柜的一体化工作站（工业控制计算机）的串口相连。一体化工作站通过串口接收到打标数据后，检查是否允许打标。若允许，则在壳体上进行标记。在探针工位和激光打标工位有多个检测托盘、工件和气缸位置的传感器和顶升、夹紧气缸。这些传感器信号和气缸的电磁阀的控制信号均连接到现场的ASI模块上。共有10块ASI模块，它们通过ASI总线连接到生产线主控柜的

11、PLC上。在上料处HMI上，有探针工位和打标工位执行机构，如：停止器、工件顶升和工件夹紧等手动动作的操作按钮。3.2.2设备主要技术参数整机最大功耗: 1000W 输入电压： 主断前220V,50HZ，用于一体化工作站；打标区域： 112 x 112mm x mm 激光波长： 1064 nm 激光脉冲频率： 20-100 kHz 最小光斑直径： 0.02 mm 通光孔径： 10 mm 激光输出功率： 20W可调 标记深度： 0.01-0.2mm 最小字符： 0.2mm 整体重复精度： 0.01mm 打印速度： 7米/秒 激光冷却方式： 强制风冷 激光级别： 4 级3.3 系统的软件控制 3.3

12、.1系统程序控制的硬件组态在自动线中心控制PLC中的硬件组态中将打标机的通讯转换模块A42804组态到中心PLC的PROFIBUS的总线上，见图32。通讯转换模块A42804的型号是AB7000，选用瑞典HMS工业网络有限公司生产通讯转换模块，组态到中心PLC的PROFIBUS总线上称ANYBUS,组态时定义其I/O地址，及从站地址16。 图32打标机的通讯模块组态 3.3.2系统程序控制的结构通讯转换模块A42804接口通过Profibus DP总线和生产线主控柜的PLC相连接，用于接收PLC发送的打标数据。AB7000模块还有一个RS232C串行接口，和激光打标机电柜的一体化工作站（工业控

13、制计算机）的串口相连。一体化工作站通过串口接收到打标数据后，检查是否允许打标。若允许，则在壳体上进行标记。自动线中心PLC程序中FC180调用FC186探针工位控制，调用FC187激光工位控制。见图3-1。FC186主要设计工件到位后，探针工位各个探针探测工件上的类型辨别凸台，产生工件型号，并与中心控制的预选的类型比较，不同报警，相同则打开STOPPER放行工件等控制。FC187主要设计工件到位后，定位工件动作控制，自动线中心PLC发送打号数据给打标机的控制，及中心PLC与打标机的接口信号的控制。自动线中心PLC控制打号数据的设计，见图32。中心PLC与打标机的接口信号的控制，见图33。 图3

14、1自动线中心PLC调用FC186,FC187 图32自动线中心PLC控制打号数据的设计图32中，自动线中心PLC控制打号数据传送的设计是当激光打标机没有故障时即M232.6为0，打标工位进入门关闭I84.1为1，各个定位及支撑到位后即T312,T310置1，则将中心PLC的DB187DBX0.0开始的18字节的打标数据传送到Q161.0开始的18个字节，Q161.0在硬件组态定义的是与打标机接口地址。即打标数据是传送给打标机的。 图33中心PLC与打标机的接口信号的控制图33中I161.0 Laser no fault, I161.1 Laser software is running, I1

15、61.2 Laser start to mark, I161.3 laser finish,是打标机与中心PLC的接口信号，在硬件组态的定义的，是将打标机的状态信号给中心PLC，在利用这些状态信号进行逻辑控制。第四章 VS130控制器组成的视觉系统设计4.1 硬件电路的设计4.1.1硬件电路的组成和结构原理1. 硬件电路的组成壳体自动线是采用西门子自动化与驱动集团生产的SimaticVS130-2视频传感器产品，其包括PLC控制器Programmable controller，电源Powersupply，控制单元Processing Unit，传感器头Sensor head，照明单元Ring

16、flash。视觉系统硬件结构见图41 图41. 视觉系统结构图2. 视觉系统功能原理壳体自动生产线的要求在壳体侧面打印DMC代码即矩阵式二维码，然后对DMC码进行自动读取，并经MOBY控制器将工件的DMC的工件信息写入托盘的信息载体，在自动线辊道上，带有信息载体的托盘上装载的待加工的壳体分送至生产线上各个加工工位，并由加工中心完成各自工位的加工，从而提高生产效率。VS130-2视频传感器是由PLC经PROFIBUS控制的，来完成对壳体DMC码进行自动读取的工作。4.2 控制方式设计4.2.1视觉传感器的控制硬件组态 1.硬件组态的设计，见图4-2在对VS130进行硬件接线后，还要对其在PLC中

17、利用STEP7进行硬件组态，使PLC的硬件组态与实际的硬接线一致，同时将VS130控制器上显示PROFIBUS地址菜单中设置VS130控制器的PROFIBUS从站的地址为13，与其在PLC的硬件组态中设置的从站13一致。 图4-2 VS130硬件组态图2.设计方案用PROFIBUS总线将VS130的PROFIBUS总线接口与PLC的通讯模块CP343-5进行连接，使VS130成为PROFIBUS总线上的一个从站，并在STEP7的硬件组态中设定从站的地址为13，并设定I/Q的地址。4.3 VS130的PLC程序设计在主程序OB1调用FC356功能块，FC356主要控制实现对Siemens Cam

18、era-system VS130的控制信号的处理。例如VS130的开始，复位,初始化，及PLC与VS130的接口信号等的逻辑控制。VS130的开始的PLC逻辑控制，见图4-3图4-3 VS130的开始信号的控制程序中的T175是工件到STO2.2的停止器的延时，即工件到位延时后，给M449.0置位开始触发VS130，对工件进行拍照，读取二维码。VS130的与PLC的接口信号的PLC的逻辑控制，见图4-4图44 VS130与PLC 接口信号控制在图4-4中，屏幕上将VS130选择自动时M448.6置1，则Q128.0置1，PLC输出给VS130。当有工件在VS130的拍照位时，VS130的开始信

19、号M449.0置1，Q128.6就置1，PLC输出给VS130。当M16.6置1时，Q128.7就置1，PLC就输出复位错误。Q128字节即使VS130硬件组态时定义的VS130的PLC的输出地址,见图4-2。FC356中调用FB410，来实现DMC-read unit VS130-2与PLC的通讯，（Communication with DMC-read unit VS130-2 Siemens）见图4-5。 图4-5 VS130-2与PLC的通讯控制W#16#80与W#16#81，转换为十进制分别为128与129，这正是VS130的硬件组态定义的一个字节加十六个字的起始地址，其分别赋值给功

20、能块FB410的变量LADDR_STEUER和LADDR_STATUS以及LADDR_SEND和LADDR_RECV.FB410的变量RECV定义DB413.DBX0.0开始的50个字节的指针，即VS130拍照读取工件的DMC二维码经组态定义的输入地址传入PLC，经FB410处理，存入DB413.DBX0.0开始的50个字节。DB413.DBX0.0开始的50个字节内容见图4-6。 图4-6 工件DMC编码数据块DB413DB413的0,1字节设计定义是生产线的代码，2字节设计定义是工件的类型代码，3字节设计定义是工件毛坯厂家代码，4-11字节为毛坯生产日期。这样工件上的二维码就传入PLC中，

21、特别是DB413的2字节的工件类型将与屏幕已选的工件类型比较，如果二者不一样则会报警。VS130拍照读取工件的DMC二维码经组态定义的输入地址传入PLC，经FB410处理如果没有错误则FB410的输出变量#DONE会置1，如果处理VS130传来的二维码有错误则FB410的输出变量#ERROR会置1.PLC利用此两个输出变量做出控制或报警。具体PLC设计控制见图4-7。图47 V130报警PLC设计当VS130处理工件的DMC二维码有错误时，将#error_vs130置1，则在NW15中将DB16.DBX21.4置1，就触发703172号报警。第五章 MOBY控制器构成的信息读/系统的设计5.1

22、 信息读出写入系统组成和原理5.1.1信息读出写入系统组成 信息读出写入系统又称射频识别系统RFID（Radio Frequency Identification），其组成是由接口模块ASM，读写头SLG，数据存储器TAG接口模块ASM: Interface Module,接口模块。它是PLC和RFID之间的桥梁。读写头SLG: Read Write Device. SLG是德语的缩写，即通常所说的读写头。它和ASM相连接。数据存储器TAG: Mobile Date Storage. 又叫MDS，移动数据存储器，放在每个托盘下面。5.1.2信息读出写入系统结构 信息读出写入系统结构图见5-1图

23、5-1信息读出写入系统结构5.1.2信息读出写入系统原理 自动线选型为西门子的射频识别系统MOBY I系列，用于近距离、要求数据传送快的场合。MOBY I 的MDS 存储类型有RAMFRAM EEPROM。使用的MDS的存储是FRAM大小是32k。MOBY I 的MDS 存储器存取信息的原理图，见图5-2图5-2 MOBY I 的MDS 存储器存取信息的原理图MOBY I 的SLG是读写装置，是由ASM控制将信息写入MDS，或从MDS读出。SLG的结构原理图见图5-3。图5-3 SLG的结构原理图5.2 信息读出写入系统控制5.2.1信息读写系统硬件配置信息读写系统硬件配置，将ASM控制器的P

24、ROFIBUS的接口与中心PLC的PROFIBUS总线连接，使信息读写的ASM控制器是中心PLC的一个DP从站，并将ASM控制器的DP从站地址（由拨码开关设定）按硬件组态的设定地址一致，控制器ASM硬件的从站地址设定见图5-4 图5-4 控制器ASM的从站地址设定5.2.2信息读写系统硬件组态在中心PLC的组态中，设定ASM控制器的从站地址，I/O地址。控制器ASM的从站地址及组态设定见图5-5ASM控制器通过其PROFIBUS接口与中心控制PLC的PROFIBUS的通讯模块连接，构成PROFIBUS主从通讯控制。ASM控制器的从站地址为10，应与控制器的拨码开关所设定的地址一致I/O地址为3

25、38-341,2 WORD的接口地址图5-5 控制器ASM的硬件组态 5.3 信息读出写入系统控制程序设计5.3.1信息读出写入系统的程序设计方案壳体自动线采用西门子开发好的块FC45来实现PLC与RFID的通信。在实际中的程序中FC45被命名为FC456 (FM_MOBY_ASM452). 配合它的DB块有DB450DB460.每个通道（SLG）调用FC456一次，DB453存放MDS中的所用到数据，即中心PLC与各个加工中心通信时交换的数据。5.3.2信息读出写入系统的程序设计结构 中心PLC控制ASM控制器的程序结构，见表5-1第一层 OB1主程序块第二层 FC82处理所有与相关的零件信

26、息，即处理所有与MDS存取内容的相关的控制第三层 FC450实现对MDS的读写第四层 FC455 FC456 FC457FC455 修改MOBY参数FC456 接口模块的处理FC457 控制MDS指令数据块表5-1 PLC控制ASM控制器的程序结构 5.3.3信息读出写入系统的程序设计 利用西门子编写好了一个模块专门处理MDS的读写，即FC456。这个模块只有两参数，但需要有DB块来支持它的运行，需要MOBY参数数据块和MDS指令数据块。FC456协调了整个读写过程。程序设计见图5-6图5-6 程序设计MOBY参数数据块：存放所有MOBY的参数，这些参数显示了整个MOBY的当前状态。有些参数需

27、要在程序配置时写好，如ASM_address，ASM_Channel; 有些参数是外部输入进行控制，如：command_start，init_run. 具体见图5-7图5-7 MOBY参数数据块 MOBY参数数据块和MDS指令数据块可以是同一个数据块,也就是说在一个块中既放参数又放指令。MOBY指令数据块的相关定义，见表5-2 表5-2 MOBY指令数据块相关指令 PLC对ASM控制器的具体控制设计，在FC450中调用了一次FC455，对MOBY参数进行付值。主要的参数有：ASM地址，ASM通道，指令DB块等。在FC450中调用了多次FC457，这样就可以在不同情况下对MDS进行灵活的操作。具

28、体见图5-8图5-8 调用FC457写信息数据控制这个程序实现了把DB451.DBB14开始的56个字节数据写入到MDS的从第14个字节开始56个地址中去。被写入的这些内容就是托盘的general information。实际上就是在上料后，把2维照相机读出的内容和HMI手动设定的信息，写入到托盘的Tag中去。第六章 物料传输的设计壳体自动线的物流传输是采用双层辊道，在中心PLC的控制下，传递工件托盘，在自动线的上下料的位置是采用升降提升机，来实现上下托盘的传递，上料处托盘载工件经打标，拍照写入工件信息，工件旋转台，分配到各个相应的加工工位上料入口STOPPER处，读取托盘信息，根据工件类型，

29、加工中心忙否，最后完成工位等信息，判断该工位是加工还是放行到下一个工位加工。各个工位有自己的上料装置-机械手，当托盘载工件到工位的上料位置，根据工件信息，上料装置执行不同的上料动作，将工件装载到加工中心的夹具上。这样，完成工件传递。 第七章中心单元与各工位的加工中心的控制7.1 控制单元与加工中心间控制原理7.1 控制单元与加工中心间控制原理控制单元与加工中心间控制是利用中心的控制单元的PLC与各个工位的PLC的实现PROFIBUS的总线连接，实现主站与主站的通讯（简称主主通讯），进行信号的交换的，实现自动线的自动控制。各个主站又和自身的从站通讯（简称主从通讯），这样构成一个完整的自动线的控制

30、系统。自动线PROFIBUS的通讯网络在控制中心的PLC硬件组态中实现。控制中心的PLC的组态见图7-1,7.2 控制单元的硬件及网络图7-1 控制中心的PLC的组态从控制中心的PLC状态设计中，中心控制PLC的CP342-5的通讯模块引出PROFIBUS的总线连接到各个工位的PLC，形成自动线的PROFIBUS通讯网络 。7.2.1 PROFIBUS-DP通讯特点：1) 在STEP7 HARDWARE 中组态DP 从站，（第三方产品需IMPORT GSD 文件）。2) S7-300 集成DP 口通讯地址对应CPU I/Q 区通讯等于3 字节/ 大于4 字节，需要调用SFC14(DPRD_DA

31、T) SFC15(DPWR_DAT)。3) CP342-5 作为DP-MASTER，对应通讯地址区需要通过调FC1(DP_SEND)，FC2(DP_RECV) 建立，而与SFC14/15无关。7.2.2 PROFIBUS-FDL主-主通讯特点1) 适用S7-300/400, S5 通讯.(CP342-5,CP343-5,CP443-5)2) 在连接表中建立通讯站FDL 连接, 并在每一CPU调用FC5(AG_SEND),FC6(AG_RECV) 建立通讯接口区最大240 字节. 并可以利用CP 诊断功能监控数据传输3) 如果不在一个项目中( 两个单位做同一项目), 可以灵利用映射的方式通讯,

32、以保证程序的安全性7.3 PLC控制的程序设计中心的控制单元的PLC与各个工位的PLC的实现PROFIBUS的总线连接，完成硬接线的连接，组态后还要在程序中进行编程才能实现主站与主站的通讯。具体的PROFIBUS接受数据程序设计结构是中心控制的PLC的OB1调用FC92，FC92再调用FC98，FC94，（FC98，FC94是采用西门子设计的功能块FC2，FC6分别为DP协议接受，FDL协议接受）自动线有几个工位就调用几次FC94。PROFIBUS-DP通讯的PLC程序见图7-2，PROFIBUS-FDL通讯的PLC程序见，图7-3图7-2 DP接受数据FC98的控制图7-3 FDL接受数据F

33、C94的控制具体的PROFIBUS发送数据程序设计结构是中心控制的PLC的OB1调用FC93，FC93再调用FC99，FC95，（FC99，FC95是采用西门子设计的功能块FC1，FC5分别为DP协议发送，FDL协议发送）DP发送数据FC99的控制见图7-4，FDL发送数据FC95的控制图7-5。图7-4 DP发送数据FC99的控制图7-5 FDL发送数据FC95的控制第八章 结论课题提出了柔性制造单元或流水生产线的控制方法。针对当前国内单机自动化的控制方法，其加工类型单一，加工中心对于不同的类型工件无法自动识别，不同的类型工件不能混线生产等缺点，提出了可行性方案。该应用项目的研究弥补了无法满

34、足根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整、不能实行柔性生产的缺点，可以最大的适应多品种、中小批量的加工及管理的柔性生产需求。该课题中二维码标号系统中激光打标应用，视觉系统中西门子的VS130视觉传感器的运用，信息读出写入系统中的西门子的MOBY控制运用，是具有先进的控制理念，为实现自动生产柔性制造奠定了基础。而PROFIBUS网络的运用，使得中心控制单元与各个加工中心能够进行有机的控制与协调，完成工件信息，控制信号的传递，实现自动选型，自动选择加工程序进行加工的柔性控制。致 谢感谢高鸣镝高级工程师，在论文的选题和方案的设计及撰写过程中给予的宝贵指导意见。导师在繁忙的工作之余，关心我的工作与学

35、习，精心指导、严格要求，为论文的完成打下良好的基础。高鸣镝高级工程师在工作中严谨认真的态度深深地影响着我，在此表示深深的感谢。感谢烟台工程职业技术学院给我们提供了宝贵的培训机会，感谢培训指导老师，老师认真、严谨、踏实的工作作风和科学态度，不懈的进取精神和学术的广阔眼界，令我一生受益菲浅。参考文献 冯勇 现代计算机数控系统 机械工业出版社廖常初 S7-300/400 PLC 应用技术 机械工业出版社阳宪恵 工业数据通信与控制网络 清华大学出版社SIEMENS Co.Ltd SIMATIC Vision Sensor VS130-2 manualSIEMENS Co.Ltd MOBY Configuration Installation and ServiceManual