6.1 概述
6.2 直线型自动化生产线
6.2.1 Festo MPS系统概述
模块化生产加工系统（MPS，Modular Production System）是由德国FESTO公司出品的教学设备。MPS体现了机电一体化技术的实际应用。MPS设备是一套开放式的设备，用户可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，最多可由9个单元组成，最少时一个单元即可自成一个独立的控制系统。由多个单元组成的系统可以体现出自动生产线的控制特点。
MPS设备一般由PLC（Programmable Logic Contoller,可编程程序逻辑控制器）控制。PLC是专为工业过程控制而设计的控制设备，在工业控制领域中应用非常广泛。
在由5个单元组成的MPS系统中，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）、电工电子技术、传感器应用技术、PLC控制技术等。利用该系统，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学习者在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学习者在学习过程中很自然的就将理论应用到实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。 0.2.2 MPS的基本组成及基本功能
5个单元组成的MPS系统可以较为真实的模拟出一条自动生产加工流水线的工作过程。 1.基本组成
MPS由供料单元、监测单元、加工单元、操作单元和分拣单元等5个单元组成。其中，每个工作单元都可以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主要是气动执行机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。
在MPS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、物体的通过状态、物体的颜色和材质等。传感器技术是机电一体华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，MPS设备采用PLC进行控制，用户可根据需要选择不同厂家的PLC。MPS设备的硬件结构是相对固定的，但学习者可以根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS设备的控制。
2.基本功能
MPS设备给学习者提供了一个半开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS作为一条自动生产流水线具有怎样的操作运行模式等，学习者都可以根据自己的理解，运用所学的理论知识，设计出PLC控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。
但MPS设备的每个单元都具有最基本的功能，学习者只能在这些基本功能的基础上进行设计与发挥。
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的待加工工件（毛坯料）自动
地取出，并将其传送到第二个工作单元——检测单元。
(2) 检测单元的基本功能：将供料单元传来送来的待加工工件进行颜色及材质的识
别，并进行高度检测，将符合要求的工件通过上滑槽分流到下一个工作单元——加工单元；将不符合要求的工件从下滑槽剔除。
(3) 加工单元的基本功能：将检测单元传送过来的待加工工件进行模拟钻孔加工，
并可以对加工结果进行检测。
（4）操作手单元的基本功能。将加工单元加工后的工件从加工单元取走，取出的工件可以有两个流向：对符合要求的工件，送往下一个单元——分拣单元；对不符合要求的 工件，则放到本单元的滑槽中剔除。
（5）分拣单元的基本功能：可以将上一单元传送过来的工件按颜色或材质的不同，分别从不同的滑槽中分流。
第6章 供料单元的结构与控制
6.1 供料单元的结构
6.1.1 供料单元的功能
供料单元是MPS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。相当于实际生产加工系统（生产线）中的自动上料系统。
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，并将其传送到第二个工作单元——检测单元。如图6-1所示为供料单元实物的全貌。
图6-1 供料单元实物的全貌
6.1.2 供料单元的结构组成
供料单元的结构组成如图6-2所示。其主要结构组成为：I/O接线端口，真空发生器，真空检测传感器，对射式光电传感器，磁感应式接近开关，CP阀组，消声器，气源处理组件，进料模块，转运模块，走线槽，铝合金板等。
图6-2 供料单元的结构组成
1. I/O接线端口
I/O接线端口1如图6-3所示。它是该工作单元与PLC之间进行通信的线路连接端口。该工作单元中的所有电信号（直流电源、输入、输出）线路都接到该端口上，再通过信号电缆线连接到PLC上。它有8个输入接线端子和8个输出接线端子，在每一路输入、输出上都有LED显示，用于显示相应的输入、输出信号状态，供系统调试使用。并且，在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铝合金板上。
图6-3 I/O接线端口
2. 气源处理组件
气源处理组件如图6-4所示，它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。在该气源处理组件的气路出口处安装一个气路开关，用于关闭气源，使之不再向工作气路送气。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。 图6-4 气源处理组件
3. 进料模块
进料模块如图6-5所示。该模块用于储存工件原料，并在需要时将料仓中的工件分离出来，为转送模块取走一个工件做好准备。
图6-5 进料模块
该模块主要由料仓、推料杆、双作用气缸（以下称为推料缸）、磁感应式接近开关、对射式光电传感器组成。其中，推料杆的作用是将工件从料仓的底部推出，它是固定在气缸的活塞杆上的，由气缸驱动它动作。
它的工作原理是：工件垂直叠放在料仓中，推料杆位于料仓的底层并可从料仓的底部通过，当推料杆在退回的位置时，它与最下层的工件处于同一水平位置。当气缸驱动推料杆推出时，推料杆便将最下层的工件推到预定位置，从而把工件移出料仓；而当气缸驱动推料杆返回并从料仓底部抽出时，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工件，为下一次的工件分离做好了准备。
在推料缸的两个极限位置分别装有一个磁感应式接近开关，如图6-6（a）所示。磁感应式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缸的运动状态或所处的位置，目的是间接判断工件是否从料仓中分离出来及是否送到预定的位置。在传感器上设置有LED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灯亮；传感器不动作时，输出信号0。LED不亮。传感器的安装位置可以调整，调整方法如图6-6（b）所示。
图6-6 磁感应式接近开关
在该模块料仓的底层位置，安装有对射式光电传感器的探头，用于检测料仓中存储料的情况（有无料）。
该对射式光电传感器2由光纤（探头）和光电传感器主体组成，如图6-7所示。
光纤（探头）共有两根，一根用于导出光线，一根用于导入光线，其作用只是传导光。 注意：光纤在安装和使用中，不能将其折成“死湾”或使其受到其他形式的损伤。 对射式光电传感器的工作原理如图6-7（b）所示。光电传感器在工作中其光发射头始终是有光发出的，光发射头与接受头相对而置，当光发射头与光接受头之间无障碍物时，光线可以到达接受端，使传感器动作而输出信号1；当光发射头与光接收头之间有障碍物时（如本工作单元料仓中的工件），则光线被遮挡住，不能到达接收端，从而使传感器不能动作，而输出信号0。在传感器上有输出信号1时，LED点亮；输出信号0时，LED熄灭。
图6-7 对射式光电传感器
由此可知，在该工作单元中，料仓中有无存储料的情况，可以通过安装在料仓底部的对射式光电传感器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料仓中有无存储料的情况，为实现自动控制奠定了硬件基础。 4. 转运模块
转运模块如图6-8所示。它的功能是抓取工件，并将工件传送到下一个工作单元。 转运模块主要由转动气缸、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和行程开关组成。
转动气缸是摆臂的驱动装置，其转轴的最大转角为180º，转角可以根据需要进行调整。转动气缸的外观如图6-9所示。
转动气缸的转角调整方法如下。 步骤1：松开凸轮固定螺栓；
图6-8 转运模块外观 图6-9 转动气缸
步骤2：移动相应的行程凸轮到预定停止位置； 步骤3：旋紧固定螺栓。
在转动气缸的两个极限位置上各装有一个行程开关，利用行程开关的信号状态来标识两个极限位置，其作用与传感器相同。在控制程序中，通过对该信号状态的判断来得知转动气缸是否处于或到达极限位置。行程开关的状态是通过行程凸块的挤压来实现的，如图6-10所示。
图6-10 行程开关的动作过程
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。真空发生器的基本工作原理是引射原理。引射原理如图6-11所示。图中C口、D口与大气相通，压缩空气以一定高速由A口进入，由于管道出口B处（喷嘴）的截面积急剧缩小，所以B口处气体的流速进一步升高，从而在B口的附近形成了一个负压区域，造成B口处的压力小于C口。B、C之间的压差使得C口附近的物体被吸向C口，若物体大于C口的截面积，则物体就被吸附在C口。B-C之间的管道内就会保持一定的负压（一定的真空压力），若在B-C之间接入一个真空压力检测传感器，则利用真空检测传感器的输出信号，就可以判断在C口是否有物体被吸住。真空发生器实物如图6-12所示。
图6-12 真空发生器
真空检测传感器实物外观如图6-13所示。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。
图6-13 真空检测传感器
真空吸盘在摆臂转动的过程中，应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。真空吸盘方向保持装置就是用于实现这个目的，其结构如图6-14所示。
真空吸盘方向保持装置采用的是简单的机械传动机构，非常实用有效。为了更清楚地了解其工作原理，首先对其结构作一个简要的说明。如图6-14（b）所示，转动气缸固定在支架上，输出轴从固定齿轮的轴孔中穿过，并可以自由转动，摆臂通过平键与转动气缸的转轴相连接；摆臂的另一端安装着吸嘴（架），吸嘴架的转轴超过摆臂与活动齿轮固定连接在一起，这样，活动齿轮就可以带动吸嘴转动了。如图6-14（a）所示，当转动气缸驱动摆臂向右转动时，则摆臂与固定齿轮之间形成相对运动，导致皮带的运动，通过皮带带动了活动齿轮的转动，而活动齿轮是与吸嘴固定在一起的，从而导致了吸嘴的转动，它们各自的运动方向在图中已清楚地标出，只要传动比为1：1（固定齿轮与活动齿轮的齿数相同），就可以做到：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初始方向（垂直向下）不变。 5. CP阀组
阀组，顾名思义，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。CP阀组的外观如图6-15所示。该阀组由二位五通的带手控开关的单侧电磁先导控制阀、二位五通的带手控开关的双侧电磁先导控制阀和三位五通的带手控开关的双侧电磁先导控制阀组成。用它们分别对推料缸（推料杆）、真空发生器（真空吸嘴）和转动气缸（摆臂）的气路进行控制，以改变各自的动作状态。
如图6-15所示，手控开关是向下凹进去的，须使用专用工具才可以进行操作，如图6-16所示。向下按时，信号为1，等同于该侧的电磁信号为1；常态下，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，以改变推料杆等执行机构的状态，达到调试的目的。
注意：在阀的电磁控制信号为1时，不要使用手控开关，以免造成故障或设备损坏。
图6-14 真空吸盘方向保持装置
图6-15 CP阀组
图6-16 CP阀组的手控操作 图6-17 消声器的实物外观
6. 消声器
消声器的外观实物如图6-17所示。消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。
6.1.3 气动控制电路
气动控制系统是该工作单元的执行机构，该执行机构的控制逻辑功能是由PLC实现的。气动控制回路的工作原理如图6-18所示。图中1A为推料缸；1B1和1B2为安装在推料缸的两个极限位置的磁感应式接近开关，用它们发出的开关量信号可以判断气缸的两个极限位置；2A为真空发生器，当其工作时实现吸取工件的动作；2B1为真空压力检测传感器，当吸住工件后，该传感器动作，可以用该传感器的信号来判断是否吸住了工件；3A为转动气缸；3S1、3S2是用于判断转动气缸运动的两个极限位置的行程开关；1Y1为控制推料缸的电磁阀的电磁控制端；2Y1、2Y2为控制真空发生器的电磁阀的两个电磁控制端；3Y1、3Y2为控制转动气缸的电磁阀的两个控制端；OZ为气源处理组件。注意，图中的3个电磁阀是集成在一个CP阀组上的。
图6-18 供料单元气动控制回路工作原理图
6.1.4 电气通信接口地址
MPS中的所有单元都是由PLC控制的，每个单元与PLC之间的通信电路连接是通过上面所介绍的I/O接线端口实现的。在MPS系统中，各单元的需要与PLC进行通信连接的线路（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）都已事先连接到了各自的I/O接线端口上，这样，当用通信电缆与PLC连接好时，这些器件在PLC模板上的地址就固定了。
要确定字节地址就要看通信电缆所接的是哪一个模板的接口，然后根据该模板所在的槽号来确定字节地址；位地址的确定是很简单的，只要知道个器件是接到I/O接线端口的一位（0~7）即可，因为I/O接线端口的位（标号）与PLC模板的位（标号）是一一对应的。
6.1.5 供料单元的主要技术数据 气源工作压力：最小6bar,最大8bar。
I/O接口：开关量，6个输入/5个输出。输入用于传感器信号的传输，输出用于执行机构的控制信号的传输。
在本节中，通过介绍供料单元的结构，给大家综合介绍了机械传动知识的应用（真空吸盘方向保持装置）、气动控制知识的应用（实际的气缸、电子气动控制回路）、传感器技术知识的应用、PLC控制技术的应用等。
通过学习大家了解到了机械技术、气动控制技术、传感器技术、电子技术、PLC技术是如何在一个设备中有机地结合在一起的，这就是机电一体化控制技术具体应用的一个实际例子，并请大家在以后的学习中注意认真体会。
6.1.6 学生活动：观察了解供料单元的PLC的I/O接口情况 1. 活动目的
（1） 熟悉MPS系统中供料单元的结构组成； （2） 查明供料单元中PLC的I/O接口地址；
（3） 了解气动机械手的工作原理、传感器技术及其应用。 2. 活动内容
（1） 在教师的指导下，观察了解供料单元的结构。 （2） 查明气动执行机构的组成（气缸、控制阀），通过手动操作控制阀分别控制各个
气动执行机构（气缸、真空发生器）动作，观察分析控制信号与气动执行机构动作之间的关系，然后画出气动控制回路原理图，并与图6-18相比较，看是否一致。
（3） 查明各电控阀的电控信号所对应的PLC接口地址（输出地址）。
（4） 认识了解该工作单元中所使用的传感器；在教师的指导下，查明各传感器的类
型、符号名（如1B1）、安装装置、作用及其对应的PLC的接口地址（输入地址）。
请将数据保存好，在以后编写控制程序时要使用这些数据。 3. 要求与建议
（1） 根据观察的结果，画出气动控制回路原理图。
（2） 将查明的该单元执行机构的情况及其与PLC的接口情况进行整理，并以适当的
形式表达出来。主要表达内容包括：PLC的I/O的接口地址使用情况；各地址所对应的输入/输出设备的符号及名称；输入/输出设备的用途；各地址的信号状态与设备的工作状态之间的关系。
建议：
（1） PLC的I/O接口情况用I/O接口图表示；
（2） 其他内容用表格列出。示范表格如表6-1所示。
表6-1 供料单元PLC的I/O地址与设备之间的关系
4. 注意事项
（1） 在气动执行元件接通起源的情况下，禁止用手直接扳动气动元件。
（2） 在PLC处于RUN模式或RUN-P模式并运行用户程序时，禁止用手动方式操作
电控阀。
（3） 在观察结构时，不要用力拽导线、气管；不要拆卸元器件及其他装置；遇有不
能解决的问题，及时请教指导老师。 6.2 供料单元的PLC控制及编程 MPS设备的特点是，各组成单元既可以各自独立成为一个自动化系统，又可以连接起来组成一条自动化生产线。各组成单元无论是作为独立的设备还是作为生产线的一部分，都需要通过一个核心控制设备来控制，这里采用的控制设备是PLC。
为了使学习者能循序渐进地掌握PLC控制的特点，掌握PLC控制程序的编写，在本节中，从控制最简单的执行机构开始，介绍编写PLC控制程序的基本方法。 6.2.1 摆动气缸的控制 1. 设备的控制功能
一台用PLC控制的机电一体化的自动化设备，PLC的主要作用是用以实现输入设备与输出设备之间的逻辑关系，而这一逻辑关系又是通过存储在PLC中的用户程序建立起来的。如果从PLC的角度来说，就是将连接到PLC上的各个输入信号与输出信号之间建立一定的逻辑关系。复杂的设备，输入信号与输出信号相对多一些，逻辑关系也复杂一些。
从生产设备的控制功能来看，一台生产设备大致可以具有以下控制功能： • 自动连续控制； • 手动单循环控制； • 手动单步控制； • 停止控制； • 急停控制；
• 复位控制。
自动连续控制功能：用于实现生产设备的自动化连续生产。在设备满足正常启动条件的情况下，只需要按一下启动按钮，设备就按照预先设置好的程序运行，实现产品的批量生产。
手动单循环控制：用于实现产品的单件生产或者试生产。
手动单步控制：用于设备调试。在对设备进行调试时，通常需要让设备的各个执行机构单独动作，以便于调试设备，并且每一步动作都必须要受操作者的控制。手动单步控制功能就是针对此目的而设计的。
停止控制：用于实现生产设备在正常运行状态下，需要停止生产的情况。一般地，使用该控制功能停止设备时，指令发出后，已经进入加工程序的工件应当继续加工，直至加工完毕，设备才真正停止运行。
急停控制：是一种安全保护控制功能。当设备在运行过程中出现了某种危险情况，危及到人身安全、设备安全或生产安全的时候，应当能够通过人为的干预设备立刻停止运行。这种控制功能应该算是随时可以实现的。它不同于“停止”的控制功能，在“急停”指令发出后，所有的执行机构无论其运行状态、运行位置如何，都要立即停止运行，并保持不动。
复位控制：当生产设备的执行机构由于某种原因不满足运行初始条件时，就需要有这样的一个控制功能：通过简单的操作（如按下“复位”按钮）就能使设备复位到能够满足运行的初始状态。造成设备不满足运行初始条件原因可能有：调试操作后、在“急停”危险情况消除后。
以上这些控制功能，当设备的硬件结构确定了以后，都可以通过PLC的程序来实现。 2. 手动单循环控制
首先，从控制单一的执行机构入手，介绍控制程序的编写方法。
供料单元的部分I/O接口情况如图6-19所示。I/O接口地址的情况说明如表6-2所示。 （1） 控制任务。在手动操作模式下，按启动按钮时，每次启动，摆臂只执行一个摆
出摆入的动作循环，即每执行一个新的工作循环都需按一下启动按钮。并且，要求在启动时，摆臂必须是出于最左端位置，摆出时要到达最右端才能摆回。
图6-19 PLC的I/O接口图
表6-2 供料单元PLC的部分I/O地址分配情况
（2） 设备的工艺流程
1） 设备的初始位置。一般情况下，处于安全考虑，设备在正常运行前，其各个执行机
构都应处于特定的工作位置，否则，不允许启动。
在本控制任务中，只有一个执行机构，其初始位置设定为：摆臂处于最左端。 2） 工艺流程。工艺流程如图6-20所示。
图6-20 手动单循环控制模式下的工艺流程图
3） 程序流程。
OB1的程序可流程如图6-21所示。 FC4手动控制程序流程如图6-22所示。
图6-21 手动单循环控制模式下OB1的程序流程图
图6-22 手动单循环控制程序流程图
在ＦＣ４的程序流程图中，在给Ｑ4.2（Q4.1）置1时，必须同时给Q4.1（Q4.2）复位，这是因为两个信号控制的是同一个电磁阀，如果同时为1，则电磁阀不能正常工作。这是编程时必须考虑和注意的问题。
4） LAD程序。如图6-23和图6-24所示的程序，只是实现上述控制任务的方法之一，
还可以有其他的编程方法来实现。请大家试着编写一下。
图6-23 手动单循环控制主程序
3.自动连续控制
依然以控制供料单元的摆臂为例进行介绍。供料单元中的相应I/O接口情况如图6-19所示， I/O接口地址的情况说明如表6-2所示。
（1） 控制任务。在自动连续控制模式（简称自动模式）下，用启动按钮启动，
每次启动后，摆臂都会自动地执行多个摆出摆入的动作循环，直至按下停止按钮。当按下停止按钮时，程序在执行完当前正在执行的工作循环后停止，也就是说，在按下启动按钮后，即使是立即按停止按钮，程序至少也要执行一个完整的工作循环。要求在启动时，摆动缸必须是处于最左端位置，摆出时要到达最右端才能摆回。
（2） 设备的工艺流程
1. 设备的初始位置。在本控制任务中，同手动单循环的控制一样，要求被控制
的执行机构摆臂的初始位置设定在最左端。 2. 工艺流程。工艺流程如图6-25所示。 （3） 程序流程。
OB1的程序流程如图6-26所示。
FC5自动控制的程序流程如图6-27所示。 （4） LAD程序，如图6-28和6-29所示。
图6-24 手动单循环控制程序（子程序） 图6-25 自动控制模式下的工艺流程图 图6-26 自动控制模式下OB1的程序流程图
图6-27 FC5自动控制的程序流程图 图6-28 自动控制程序的主程序OB1
请大家认真体会FC5中Network1的作用，并试着用其他方法编写程序实现该控制功能。
6.2.2 学生活动：上机调试摆动气缸的自动/手动控制程序 1. 活动目的
（1） 通过编写录入、调试控制程序，进一步掌握STEP 7 V5.1软件包的操作，进一步熟
练掌握“程序编辑器”的使用。
（2） 进一步掌握梯形逻辑语言的常用指令及梯形逻辑语言的基本编程方法与技巧。 （3） 进一步加深对PLC控制的理解。
图6-29 FC5自动控制程序（子程序）
（4） 进一步了解掌握设备调试的基本方法、调试技巧及应注意的问题。 （5） 培养严谨的工作作风。 2. 活动内容
（1） 创建一个项目，在该项目下，录入6.2.1节所讲的控制程序，实现对供料单元的摆动
气缸的控制，工作方式为：手动/自动控制。当自动/手动（即AUTO/MAN）转换开关放置在“AUTO”位置时，执行摆动气缸的自动控制程序；当放置在“MAN”位置时，执行摆动气缸的手动控制程序。下载并执行上述程序，通过STEP 7的“监视器”功能观察程序的执行情况。
（2） 分别编写能够实现急停控制功能、复位控制功能的程序；对所编写的控制程序进行
认真检查，经检查确认无误后，进行实际的运行调试。
3. 方法与建议 在调试程序时，请使用程序编辑器中的[Monitor]工具对程序进行监视，观察程序的执行情况，
通过该工具并结合观察到的设备执行状态，可以很方便地分析出程序中的问题。
6.2.3 供料单元的手动单循环控制
在6.2.1节中介绍了手动控制功能的编程实现方法，只是所控制的执行机构很简单，只有一个转动气功气缸（摆臂）。在本节中继续介绍实现手动单循环控制功能的编程方法，控制对象是相对复杂一些的供料单元。供料单元PLC的I/O地址分配情况如表6-3所示。
表6-3 供料单元PLC的I/O地址分配情况
1. 控制任务
在手动操作模式下，按启动按钮时，供料单元的执行机构将把存放在料仓中的工件取出并转送出去，然后各执行机构回到初始位置。即每执行一个新的工作循环都需按一次启动按钮。要求在启动前，供料单元的执行机构必须是处于初始位置，否则不允许启动。
在设计执行机构的初始位置时，应该重点从保证功能的实现、保证安全生产的角度考虑。因此，根据供料单元的结构及功能，可以将供料单元的初始状态设计为： •料仓中有工件 •摆臂处于最左端； •推料杆处于退回位置。 2. 生产工艺流程
要编写出满足控制要求、满足安全要求的控制程序，首先要了解清楚设备的基本结构；其次要了解清楚各个执行机构之间的准确动作关系，也就是了解清楚生产工艺；同时还要考虑安全、节能、效率等因素；最后才是通过编程实现控制功能。 供料单元的结构已经讲过，下面研究一下工艺流程。
供料单元手动单循环控制模式的生产工艺流程如图6-30所示。
图6-30 供料单元手动单循环控制模式下的工艺流程图
3. 编程技巧
（1） 将手动控制程序编写在PC或FB中；
（2） 将是否为手动模式的条件在主程序OB1中体现，作为调用手动控制程序的条件； （3） 在编写程序时，注意区分使用“1”信号和“沿”信号。“1”信号对应于传感器的信
号而言，代表的是某个执行机构的位置状态，而“沿”信号则对应着执行机构的动作状态。
（4） 注意在程序中区分同一个执行机构在不同的阶段所作的相同的动作。 （5） 程序编写完成后应注意仔细检查。
程序流程图和程序，留给学生自己编写。编写后，在认真检查修改的基础上进行上机调试。
6.2.4 学生活动：上机调试供料单元的手动控制程序 1. 活动目的
（1） 通过编写录入控制程序，进一步巩固STEP 7 V5.1软件包的操作，进一步熟练掌握
“程序编辑器”的使用；
（2） 进一步掌握梯形逻辑语言的常用指令及梯形逻辑语言的基本编程方法与技巧； （3） 进一步加深对PLC控制的理解；
（4） 了解设备的工作流程及在编写设备的控制程序时应该考虑的基本安全问题； （5） 了解设备调试时应注意的基本问题，掌握调试的基本方法与技巧； （6） 培养严谨的工作作风。 2. 活动内容
（1） 创建一个项目，在该项目下，编写控制程序，实现对供料单元的控制，工作方式为
手动单循环运行。
（2） 对所编写的控制程序进行认真检查，经检查确认各执行机构之间不存在相互冲突
后，再进行实际的运行调试。
3. 方法与建议
（2） 在检查程序时，重点检查：各个执行机构之间是否会发生冲突，同一个执行机构在
不同的阶段所作的相同的动作是否区分开了。
（3） 如果几个程序段实现的都是同一个执行机构的同一个动作，只是实现的条件不同，
则应该将这几个程序段按照或逻辑关系合并。
（4） 只有经过认真、全面地检查过程序，并且再也查不出错误的时候，才可以上机运行
程序，进行实际调试，不可以在不经过检查的情况下直接在设备上运行所编写的程序，否则如果程序存在着严重的错误，极易造成设备的损坏。 6.2.5 供料单元的自动连续运行控制
在6.2.1节中，介绍了对简单执行机构的自动连续运行控制的编程，本届所介绍的供料单元的自动连续运行控制与其相比，在编程方法上是一样的，不同的是被控对象要复杂一些，因此重点放在对工艺流程的介绍上。 1. 控制任务
在自动操作模式下，在料仓中有工件、各个执行机构都在其初始位置的情况下，当按触启动（START）按钮时，供料单元的执行机构将把存放在料仓中的工件取出并转送出去（例如：送到下一个工作单元）；并且，只要料仓中有工件，此工件就继续，即：自动连续运行。在运行过程中，当按触停止（STOP）按钮后或者当料仓中无工件时，供料单元应该在完成了当前的工作循环之后停止运行，并且各个执行机构应该回到初始位置。
在启动前，供料单元的执行机构若不在初始位置、料仓中若无工件，则不允许启动。 2. 生产工艺流程
自动模式下执行机构的初始位置与手动模式下是一样的，因此，供料单元的起始状态为： •料仓中有工件 •摆臂处于最左端 •推料杆处于退回位置
根据控制任务的要求及在考虑了安全、效率、工作可靠性的基础上，设计工艺流程如图6-31所示。
如图6-31所示的工艺流程只是最基本的工艺流程，一些细节之处并未考虑进去。例如放下工件的动作，在摆臂刚一摆到位时就放下工件，由于惯性的原因，可能会使工件被“甩”下去。解决办法是在摆臂摆到位时，延时适当的时间后再放下工件。除此之外还有一些细节，可能会影响控制功能的正常实现或影响工作的可靠性，这些留给学生在学习中去思考及解决，以培养学生的能力。 3.编程技巧
（1）将手动控制程序编写在PC或FB中；
（2）将运行自动程序的条件在主程序OB1中体现，作为调用自动控制程序的条件；
（3）在自动连续运行控制程序中，建议创建一个“启动/停止”的标志信号，然后通过该标志的信号去控制程序的执行状态。详见图6-29中的Network1。 （4）在编写程序时，注意区分使用“1”信号和“沿”信号。“1”信号对应于传感器的信号而言，代表的是某个执行机构的位置状态，而“沿”信号则对应着执行机构的动作状态。 （5）注意在程序中区分同一个执行机构在不同的阶段所作的相同的动作。建议最终将这些程序段按照或逻辑合并在一起。
（6）程序编写完成后应注意仔细检查。
程序流程图和程序，留给学生自己编写与发挥。编写后，可在认真检查修改的基础上进行上机调试。
图6-31 供料单元自动连续运行控制模式下的工艺流程图
6.2.6 学生活动：上机调试供料单元的自动控制程序 4. 活动目的
（1）进一步学习STEP 7 V5.1软件包的操作，熟练掌握“程序编辑器”的使用； （2）进一步掌握梯形逻辑语言的常用指令及梯形逻辑语言的基本编程方法与技巧； （3） 进一步加深对PLC控制的理解，体会机电一体化技术的内涵；
（4） 了解设备的工作流程及在编写设备的控制程序时应该考虑的基本安全问题； （5） 了解设备调试时应注意的基本问题，掌握调试的基本方法与技巧； （6） 培养严谨的工作作风。 2.活动内容
（1） 创建一个项目，在该项目下编写控制程序，实现对供料单元的控制，工作方式为自
动连续运行。
（2） 将所编程序下载到CPU中，进行实际运行调试，经过调试修改的过程，最终完善控
制程序。在调试前，必须对所编写的控制程序进行认真检查，重点检查各执行机构之间是否存在相互冲突。
3. 方法与建议
（1）在检查程序时，重点检查：各个执行机构之间是否会发生冲突，同一个执行机构在不同的阶段所作的相同的动作是否区分开了。
（2）如果几个程序段实现的都是同一个执行机构的同一个动作，只是实现的条件不同，则应该将这几个程序段按照或逻辑关系合并。
（3）只有经过认真、全面地检查过程序，并且再也查不出错误的时候，才可以上机运行程序，进行实际调试，不可以在不经过检查的情况下直接在设备上运行所编写的程序，否则如果程序存在着严重的错误，极易造成设备的损坏。
（4）在调试程序时，可以利用STEP 7软件所带的调试工具，通过监视程序的运行状态并结合观察到的执行机构的动作特征，来分析程序存在的问题。
（5）如果经过调试修改，程序能够实现预期的控制功能，则还应多运行几次，以检查运行的可靠性，查找程序的缺陷。 （6）请注意总结经验
供料单元的复位控制程序、急停控制程序及手动单步控制程序，请同学们根据6.2.1节中讲述的具体控制要求，编写出相应的控制程序。此内容留作同学们进行练习发挥的题目。
第10章 分拣单元的结构
10.1 分拣单元的结构 10.1.1 分拣单元的基本功能
分拣单元可以实现对工件按照材质或颜色分拣的过程。可将工件按照颜色分拣到3个滑槽中。
10.1.2 分拣单元的基本结构
分拣单元的结构如图10-1所示。分拣单元主要有分拣模块、滑槽模块、气源处理模块、I/O接线端口、CP阀组、继电器、对射式光电传感器和反射式光电传感器等组成。 1. 分拣模块
分拣模块如图10-2所示。该模块通过传送带及导向装置实现对工件分拣。它主要由传送模块、导向模块1、导向模块2、固定导向块组成。
图10-1 分拣单元机构 图10-2 分拣模块结构
（1）导向模块。
图10-3 导向模块基本机构
6.3 圆周型自动化生产线
6.3.1 圆周型自动化生产线应用状况
随着信息技术和先进制造技术的快速发展和世界经济一体化的来临，先进制造技术和先进制造装备正在经历着一场新的变革，先进装备制造技术已经成为全球制造业争夺的市场焦点。如何立足国内制造业的市场需求，尽快形成自己在先进制造产业竞争中的技术优势，已经成为摆在我国制造业面前迫在眉睫的任务了。
先进制造技术是传统制造业不断地吸收机械、信息、电子、材料、能源及现代管理等方面的最新技术成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。从本质上可以说，先进制造技术是传统制造技术、信息技术、自动化技术和现代管理技术等的有机融合。
电子制造尤其是集成电路IC制造已成为制造业最重要的领域之一。预计到2005年，我国集成电路市场总销售额将达到1 000亿元。这种巨大的市场需求必将拉动对集成电路(1C)制造装备的巨大需求。据预测，“十五’’期间我国需建IC芯片生产线30多条、IC封装生产线15条左右。另据预测，建设一条年封装能力为1亿块的IC封装生产线，装备投资约需
2亿元人民币。若按我国IC年需求量增长20亿块计算，则仅增添的封装设备每年就需40亿元人民币。
IC制造中的核心和关键装备包括制芯(前道工序)和封装(后道工序)2大部分。前道工序装备发展的趋势是研制新型超精细光刻机等设备，以突破0．1μm的大关；后道装备则是发展与更密、更小、更轻的新型封装工艺相适应的更快、成本更低的封装设备，并且对整个后封装工序的各种设备以数字化封装线方式进行工艺和装备的集成。由于IC制造不仅对国民经济有巨大的影响，而且对国家安全极为重要，所以一些高精密的IC制造装备成了一些发达国家垄断电子行业的核心武器。我国在IC制造行业中虽有一定的基础，也与国外合资建立了一些生产线，但由于我们自己没有先进的IC制造装备，使我国的IC行业受到了很大的制约。目前我国集成电路芯片制造设备的85％仍依赖进口，为了在IC行业占有一席之地，我国必须自主开发IC制造的核心装备。
在生产中，根据具体加工设备的不同，其结构也不尽相同。我们就电子精密机械设备中，常见的机构形式作如下介绍。
一、间歇运动机构
在无线电元器件（包括IC）生产中，有许许多多工位转盘式或传动式专用机械设备，它们借助间隙运动机构实现周期的转位或步进，将被加工零件由某一个工位送到另一个工位，以完成零件的加工过程。
在电子精密机械设备中，常用的间歇运动机构有槽轮机构、转位凸轮机构、棘轮机构及非完整齿轮机构，它们的结构和工作原理虽然不同，但在运动上的共同特点，都是将主动件的连续或周期运动，转化为有一定运动和静止时间比的从动件间歇运动。
对间歇运动机构的基本要求有下列几点： 1．移位应迅速
工件从一个工位传送到下一个工位叫移位。移位时间一般是空行程时间，故移位迅速可提高设备的生产率。
2．移位过程应平稳无冲击
平稳就是要求被移动部件的加速度和减速度变化连续，且其最大值要小，以使设备具有良好的运动性能和长时间地保持精度。
3．停位应准确，定位应可靠
工件和工具的相对位置精度，决定着工件的加工精度，或影响到自动上料的准确性。因此，间歇运动机构常常和定位装置相联系，有的间歇运动机构本身就具备定位作用，如转位凸轮利用其棱边使转盘定位；有定位盘的槽轮机构利用其定位圆弧使槽轮定位。但定位精度要求高的间歇运动设备，通常要单独设置定位装置。
间歇运动机构的类型很多，这里只介绍在电子精密机械设备中获得广泛应用的槽轮机构。
槽轮机构，又叫马尔他机构或日内瓦机构，由具有径向槽的槽轮1和带有拨销2的拨杆3组成，其工作原理如图2-4-1所示。当拨杆转过θh角，拨动槽轮转过一个分度角τ h，由图2-4-1(a)所示的位置转到图2-4-1(b)所示的位置时，拨销退出轮槽，此后，拨杆空转，直至拨销进入槽轮的下一个槽内，才又重复上述的循环。这样，拨杆(主动件)的等速(或变速)连续(或周期)运动，就转换为槽轮(从动件)时转时停的间歇运动。
(a) (b) (c)
图2-4-1 糟轮机构工作原理图
(s)拨杆进入槽内 (b)拨杆出槽 (c)拨杆空转
1—槽轮 2—拨销 3—拨杆
槽轮机构常采用销紧弧定位，即利用拨杆上的外凸圆弧α与槽轮上的内凹圆弧β的接触锁住槽轮。图2-4-1(a)示出拨销开始进人轮槽时的位置关系，这时外凸圆弧面的端点F点离开凹面中点，槽轮开始转动。图2-4-1(b)所示为拨销刚要离开轮槽时的位置关系，这时外凸圆弧面的另一端点E刚好转到内凹圆弧面的中点，拨杆继续转动，E点超过凹面中点，槽轮被锁住。图2-4-1(c)为拨销退出轮槽以后的情况，这时，外凸圆弧与内凹圆弧面密切接触，槽轮被锁住而不能向任何方向转动。根据上述工作的要求，拨杆上的外凸圆弧缺口应对称于拨杆轴线。
槽轮机构，有平面的和空间的两类。平面槽轮机构，又分外啮合和内啮合两种；按有无刚性冲击，又分正槽轮机构和不规则槽轮机构。我们用到如图2-4-2所示的外啮合平面正槽轮机构，通常简称为槽轮机构。这种槽轮机构的主要特点是，槽轮开始转动的瞬时和转动终止的瞬时，其角速度都为零，因而无刚性冲击。这就要求在结构上保证拨销开始进入径向槽和自径向槽中退出时，径向槽的平分线必须切于拨销中心的运动轨迹。
槽轮机构具有结构简单、转动平稳、效率高等优点，因而应用较广泛。
二、自动上料机构
自动化上料的任务，是把坯料、工件或产品，加以一定的方位，按照一定的生产节拍，自动的传输到相应的加工、装备或测试分类工位上，以缩短辅助时间，提高劳动生产率，稳定产品质量。它是实现自动化、建立自动生产线和自动化工厂的基本条件之一。
电磁振动料斗，简称振动料斗，是一种连续送料装置，由具有螺旋料槽的料斗1，支承弹簧2(弹性系统)，电磁振动器3等基本构件组成，如图2-4-2所示。
图2-4-2 电磁振动料斗示意图
1— 料斗 2—支承弹簧 3—电磁振动器 4—自耦变压器 5—输料槽
当电磁铁线圈中通人交变电流后，料斗，被带动，做小振幅高频率的上下往返微振动，并通过倾斜安装的支承弹簧，转换为往返的微扭动。工件在惯性力、重力和摩擦力的综合作用下，沿料斗内壁的螺旋槽上升，并在上移过程中自动定向后，由料斗上部出口处进入输料槽5，送往加工位置。通过自耦变压器4，改变电磁铁线圈的输入电压，可调整料斗的振幅，以调整料斗的送料速率。
振动料斗上料装置的优点：不需要机械传动装置，没有相互摩擦的运动部件，不需润滑，易于维护，故障少，可靠性高；它是靠微小的振动送料，没有强烈的搅拌、碰撞、摩擦等现象，故上料平稳；适用范围很广，—般中小型工件都能适用，特别适用于那些尺寸小、重量轻、强度低的工件自动上料；送料率高，且易于调节；易于标准化，系列化，通用化。其缺点是：可能有噪声，但设计正确和调整合适时，可以减少或避免噪声；不易输送尺寸和重量较大，或有油污、水渍的工件。
6.3.2 圆周型自动化生产线教学模型功能及使用方法
该自动化组装台实现了工件的自动化精密组装和在线检测，共有12个工位，完成了由散件到成品的过程。整个装置主要由间歇运动机构（旋转台）、自动上料机构、物料检测机构、物料推进机构、剔除装置、封口装置、卸料等构成。
组装台结构图如下图2-4-3所示。
图2-4-3 组装台个机构图
1、6－振动料斗 2、7－物料推进装置 3－物料检测剔除装置
4－封口装置 5－卸料装置
我们以手机话筒组装为例，手机话筒由外壳、膜片、垫片、组合件和电路板五部分组成上述组装台可实现五部分散件组装，并实现在线检测。工作时，12个工位同时运行，其中，6号位为话筒外壳料斗及其物料推进装置，按逆时针方向，各工位功能分别为：外壳到位检测装置，膜片料斗及其物料推进装置，膜片到位检测装置，垫片成形及其物料推进装置，垫片到位检测装置，组合件料斗及其物料推进装置，组合件到位检测装置，电路板料斗及其物料推进装置，电路板到位检测装置，成品封装机构，成品卸料机构。装置7是提供垫片装置，根据加工要求，它与其他物料推进装置不同，主要有直流电动机、压块和冲压部件组成，运作时，直接将垫片冲压到位。
当然，在进行其他精密电子组装时，组装台的各工位装置功能将不尽相同，我们在实践时则无需涉及具体物料，只需实现各个工位装置的动作即可。
系统控制电器图如图2-4-4所示
图2-4-4 系统电器图
其控制系统结构示意图如图2-4-5所示。
图2-4-5控制系统结构框图
由图2-4-5可知整个控制系统的组成部分，各部分具体介绍如下。
一、 控制面板
控制面板是这套装置的控制器，由运行模式选择开关、自动操作按钮控制区、电源按钮控制区、计数器四部分组成，如图2-4-6所示。
图2-4-6 控制面板样图
其接线图如图2-4-7所示。
图2-4-7 控制面板接线图
SB0为系统出现故障时，紧急暂停按钮。SB4为三位手动开关，其功能如表2-4-1所示。
表2-4-1 模式选择开关功能表
内 容 1 2 3 组装系统自动运行开关 组装系统单次运行开关 组装系统手动运行开关 功 能
二、旋转台及送料机构
旋转台作为物料组装平台，采用间歇式转动，由变频调速器控制电机运作。为确保转台正常运作且旋转可靠到位，机构采用传感装置检测到位状况。若转台出现故障，控制器则会暂停一切指令。
送料机构采用电磁振动料斗。为确保振动料斗传送物料时物料有规则排列，机构上装有气口，对不规则排布的物料进行踢除。压缩气体管路上装有气压检测装置，确保供气正常。
接线图如图2-4-8所示。
图2-4-8 旋转台及压缩气体检测接线图
三、物料推进机构
这套系统有五个物料推进机构，分别实现铝壳上料、膜片上料、垫片上料、组合件上料和电路板上料。除垫片上料机构外，其余四个装置结构基本相同，均由气缸推动装置运行。前面已经提过，垫片送料机构直接将料带冲压成形后到位，由进带、压带和冲压三部件组成。
接线图如图2-4-9所示。
6.4 综合设计与实践
一、目的
1、握机电控制系统的工程设计、安装与调试。 2、培养知识综合能力和独立工作能力。 3、进一步熟悉PLC的应用。 4、进一步熟悉单片机应用。 5、进一步熟悉微机应用。
二、内容
本章提供三种控制系统，分别为PLC控制、单片机控制及PC机控制。在每个控制系统中，分别给出了难、中、易三种级别要求的实验。
1、以PLC为核心，进行系统设计、安装、调试
（1）配合线转台分别实现5组物料推进装置的单个动作。(难度系数：低)；
（2）配合线转台分别实现5组物料到位检测装置的单个动作。(难度系数：低)； （3）实现物料推进装置、封装和卸料装置运作，模拟物料组装。(难度系数：中)； （4）实现物料到位检测、剔除动作，模拟在线检测。（难度系数：中）； （5）模拟物料自动化组装与在线检测动作。(难度系数：高)。 先修实验：需完成第一篇二、三、四章相关实验。
2、以单片机为核心，进行系统设计、安装、调试
（1）配合线转台分别实现5组物料推进装置的单个动作。(难度系数：低)； （2）配合线转台分别实现5组物料到位检测装置的单个动作。(难度系数：低)； （3）实现物料推进装置、封装和卸料装置运作，模拟物料组装。(难度系数：中)； （4）实现物料到位检测、剔除动作，模拟在线检测。（难度系数：中）； （5）模拟物料自动化组装与在线检测动作。(难度系数：高)。 先修实验：需完成第一篇二、四、五章相关实验。
3、以PC机为核心，进行系统设计、安装、调试
（1）配合线转台分别实现5组物料推进装置的单个动作。(难度系数：低)； （2）配合线转台分别实现5组物料到位检测装置的单个动作。(难度系数：低)； （3）实现物料推进装置、封装和卸料装置运作，模拟物料组装。(难度系数：中)； （4）实现物料到位检测、剔除动作，模拟在线检测。（难度系数：中）； （5）模拟物料自动化组装与在线检测动作。(难度系数：高)。 先修实验：需完成第一篇二、四、五章相关实验。
三、提示
1、可利用资源：传感器、自动化组装实验台的机械部件、可编程控制器、单片机、PC机等。 2、要求：
根据上述题目要求设计、编程。
根据上述题目要求连接I/O端口，并编写调试相应程序。 整理、编写设计报告。 警告：实验接线和插拔实验板要在断电情况下进行，检查接线无误后方可上电进行实验。
四、思考题
如何运用工业现场总线技术对控制台进行控制？
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