機電一體化柔性生產綜合實訓系統(8米環形生產線) (工程型)

一、產品概述
柔性自動生產線是將微電子學、計算機信息技術、控制技術、機械制造和系統工程有機地結合起來，是一種技術復雜、高度自動化系統，柔性制造技術更是當前機械制造業適應市場動態需求及產品不斷迅速更新的主要手段，是先進制造技術的基礎。
機電一體化柔性生產綜合實訓系統(8米環形生產線) (工程型)是專門為職業院校、職業教育培訓機構研制的自動生產線實驗系統，根據機電類、自動化類、先進制造類行業、企業中工業自動化應用的特點，對各類自動生產線的工作過程和相關的技術進行研究，對工業現場設備進行提煉和濃縮，并針對實驗教學活動進行專門設計，融機、光、電、氣、液于一體，包含了PLC、機器人、傳感器、液壓、氣動、工業控制網絡、電機驅動與控制、計算機、機械傳動等諸多技術領域，整個系統由MES生產管理系統、WINCC監控系統、主控PLC和下位PLC通過網絡通訊技術構成一個完整的多級計算機控制系統，通過訓練，能強化學生對復雜柔性自動生產線的設計、安裝、接線、編程、調試、故障診斷與維修等綜合職業能力，適合機電類、自動化類相關專業的教學和實驗，同時也適合工程技術人員上崗培訓。
機電一體化柔性生產綜合實訓系統(8米環形生產線) (工程型)是一種典型的環形柔性自動生產線（規格：8m×5m），它由上料單元、多軸加工單元、搬運單元、落料單元、噴涂烘干單元、加蓋單元、穿銷單元、檢測單元、分揀輸送單元、物流倉儲單元、行車機械手單元、圖像處理單元、圖像檢測單元、液壓沖壓單元、條形碼識別單元、堆垛解垛倉儲單元組成。傳輸鏈有輥道、皮帶、鏈條滾輪三種模式，配有相應的圓帶、滾筒、直角轉向等轉角，通過傳輸鏈和轉角連成環形生產線。上述機構均安裝在工業型材桌面上，系統中的機械結構、電氣控制回路、執行機構完全獨立，采用工業標準件設計，便于拆、裝。
控制系統主站采用西門子S7-300(CPU315-2DP)，從站采用西門子S7-200(CPU226)，各站之間使用ProfiBus-DP總線進行通訊，S7-200從站主要用于控制與驅動設備層，并對現場反饋的信號進行采集，S7-300主站采集各從站數據，協調各站運行，并為上位機的監控程序提供數據，同時系統還配有工業以太網通信模塊和10.4英寸彩色工業觸摸屏，可以完成系統控制網絡的集成。
該系統有單機、聯機二種工作方式。在單機模式下，各從站獨立運行，站間沒有數據傳送，學員可進行外部接線操作，使用S7-200專用PPI電纜或ProfiBus總線將編寫程序下載到PLC中，并監控程序運行，在聯機模式下，系統各從站同時工作，工件依次進行上料、沖壓、加工、搬運、落料、噴涂烘干、視頻檢測、加蓋、穿銷、檢測、條形碼識別、分揀、入庫、托盤暫存及搬運等操作，各站間通過ProfiBus現場總線進行通訊，在主站的控制下實現相關的互鎖、數據傳送操作，系統中的上位工控機使用WinCC組態監控軟件，對現場設備生產狀況進行動態實時監控。
系統工業現場總線和標準的電氣接口，支持RS232、RS485、PPI、MPI、PROFIBUS-DP、TCP/IP多種通信方式。系統具備多種組態軟件、編程軟件、管理軟件功能，如STEP7、OPC、WINCC算法組態、人機交換和MES生產管理系統軟件等，為方便教學還配有PLC仿真、氣動仿真、多媒體教室電子管理等軟件。
本系統配有德國西門子、美國羅克韋爾（簡稱AB）、日本三菱等國際知名品牌的工業自動化控制系統，用戶可以根據實際需要進行選配。

二、技術性能
1. 輸入電源：三相四線交流380V±10% 50Hz
2. 工作環境：溫度-10℃～+40℃ 相對濕度≤85%（25℃）海拔＜4000m
3. 裝置容量：≤3.5kVA
4. 外形尺寸：800cm×500cm×240cm
5. 安全保護：具有漏電保護，安全符合國家標準
三、產品特點
1. 系統將機械、氣動、液壓、電氣控制、電機傳動、傳感檢測、PLC以及工業網絡控制技術有機地進行整合，按照結構模塊化，便于組合，可以完成各類單項技能訓練和綜合性項目訓練。可以進行機械部件安裝與調試、氣動系統的安裝與調試、液壓系統的安裝與調試、電氣控制電路的安裝和PLC編程、機電設備安裝與調試、自動控制系統安裝與調試、工業網絡控制系統安裝與調試于一體，能較好地滿足實驗教學、工程訓練的需要。
2. 該實驗考核裝置PLC模塊I/O端子、各常用模塊接線端子，均采用安全型插座，使用帶安全插頭的導線進行電路連接；各指令開關、光電開關、傳感器和指示元件的電路通過端子排進行連接。插拔線連接電路與端子排連接電路相結合，既保證學生基本技能的訓練、形成和鞏固，又保證電路連接的快速、安全和可靠。
3. 系統中元器件均采用實際工業元件，首選國際知名公司（如德國的施克、西門子、日本SMC、歐姆龍、日本三菱等）工業元件，質量可靠、性能穩定、故障率低，從而保證學校實驗教學的順利進行。
4. 系統無論機械結構還是控制，都采用統一標準接口，具有很高的兼容和擴展性，隨工業現場技術的快速發展，本系統可以緊跟現場技術升級擴展，深入地滿足實驗教學的需要。
5. 本系統可以鍛煉學習者創造性的思維和動手能力，學習者可以利用本系統從機械組裝、電氣設計、接線、PLC編程與調試、現場總線組建與維修等方面進行工程訓練。
四、系統組成
1.系統的硬件由22個基本單元站組成
(1) 總控平臺
總控平臺主要由三相電網電壓指示、電源控制部分、控制主機、狀態指示燈、二位選擇開關、啟動和停止開關、急停開關、復位開關、10.4英寸工業彩色觸摸屏等組成，主要完成監視各分站的工作狀態并協調各站運行，完成工業控制網絡的集成。

(2) 上料單元
由方形井式工件架、頂料氣缸、擋料氣缸、皮帶傳輸裝置、光電傳感器、導料裝置、電控閥、直流減速電機、安裝支架等組成。主要完成將工件庫中待加工工件自動落到供料傳輸線上。

(3) 液壓沖壓單元
由液壓直動缸、夾緊定位機構、定時器及機械調整桿機構、C型鋼構結構、光幕等組成。主要完成對工件的模擬沖壓加工。

(4) 多軸加工單元
由六軸模擬加工中心（步進電機、伺服電機、直線導軌、滾珠絲桿、三軸加工臺等）、夾緊氣缸、定位氣缸、光電傳感器、C型鋼構結構、直流減速電機、控制繼電器模組、安裝支架等組成。主要完成模擬切削加工工件。

(5) 五軸機器人單元
由步進電機及驅動器、直線導軌、五自由度搬運機械手、定位開關、行程開關、支架、機械零部件構成。主要完成工件的搬運。

(6) 三菱6自由度工業機器人
由鋁合金型材基座、6自由度工業機器人（采用三菱RV-3SD）、示教單元所組成。主要完成對物料的搬運、組裝等。

主要技術指標：

名稱		單位	規格
自由度		軸	6
安裝位置		臺面	安裝基座≥880mm×600mm
驅動系統			交流伺服電機
位置檢測方法			絕對編碼器
最大合成速度		mm／s	5500
負荷	最大值	kg	3
精度		mm	±0.02
臂可達到范圍半徑		mm	≥640

(7) 圖像檢測單元
由光源、鏡頭、CCD照相機、圖像處理控制器、顯示器、位移傳感器等組成。主要檢測加工完成后工件尺寸是否合格，通過攝像頭獲取工件的圖像，由圖像處理器完成工件尺寸合格與否的判斷并檢測加工孔深，將不合格工件剔除。
(8) 搬運單元
由氣爪、旋轉氣缸、伸降氣缸、傳送帶、光電傳感器、電控閥、配重塊、直流減速電機、定位裝置、滑道、安裝支架、移動機構等組成。主要完成將加工完畢后工件抓取放到落料單元的落料轉盤上。
(9) 落料單元
落料單元由四槽輪、鎖止弧、傳動齒輪、同步輪帶、推料轉盤、落料平臺、光電傳感器、電感傳感器、阻擋氣缸、直流減速電機、安裝支架等組成，主要完成將工件安放到滑撬托盤上。
(10)噴涂烘干單元
噴涂單元由噴涂室、加熱裝置、溫度傳感器、模擬噴頭、冷卻風扇、交流調壓模塊、智能溫度顯示儀、觸摸屏、加熱指示器、光電傳感器、電感傳感器、阻擋氣缸、直流減速電機等組成，主要完成對工件先噴涂后加熱烘干固化及冷卻過程的模擬。
(11)圖像處理單元
由光源，鏡頭，CCD照相機，圖像處理控制器，操作鍵盤，顯示器等組成，通過視覺傳感器完成對工件的圖像的攝入并與標準模板比較后輸出檢測結果，提供給后續單元使用。
(12)加蓋單元
由滑道式工件架、蝸輪蝸桿減速機、搖臂、同步輪帶、直流減速電機、擋料氣缸、托料氣缸、伸縮氣缸、真空吸盤、光電傳感器、電容傳感器、電感傳感器、行程開關、磁性傳感器、電控閥、安裝支架等組成，主要完成對工件的加蓋裝配工作。
(13)穿銷單元
由料斗、槽形下料機構、不完全齒輪傳動機構、直流減速電機、擋料氣缸、落料氣缸、頂銷氣缸、光電傳感器、光纖傳感器、電容傳感器、霍爾傳感器、電感傳感器、磁性傳感器、電控閥、安裝支架等組成，主要完成對加蓋裝配完畢后工件的穿銷緊固裝配工作。
(14)檢測單元
由觸摸屏、直流減速電機、擋料氣缸、檢測氣缸、光電傳感器、光纖傳感器、對射傳感器、色標傳感器、電感傳感器、磁性傳感器、電控閥、安裝支架等組成，主要完成對工件的外形、裝配要求，顏色的檢測，并傳送給后續單元使用。
(15)條形碼識別單元
由直流減速電機、擋料氣缸、電感傳感器、收料電機，貼標機構及條形碼識別系統組成，主要完成對裝配完成后的工件進行貼標及條形碼的識別讀取并輸入倉庫管理系統的工作。
(16)分揀輸送單元
由直線無桿氣缸、導桿薄型氣缸、阻擋氣缸、擺動氣缸、氣夾、磁性傳感器、光電傳感器、電感傳感器、電磁閥、同步帶輪、直流減速電機、工件傳輸裝置、廢品回收裝置等組成，主要完成將檢測完畢后不合格工件分離的工作，同時合格工件與傳輸用滑撬托盤也進行分離，不合格工件傳送到廢料存儲箱，合格工件進入物流倉儲單元。
(17)物流倉儲單元
由步進電機、交流伺服電機、直流減速電機、直線無桿氣缸、擺動氣缸、平行機械夾、阻擋氣缸、同步帶輪、磁性傳感器、光電傳感器、電容傳感器、電磁閥、同步帶皮帶傳輸線、立體庫架、直齒圓柱齒輪、滾珠絲桿、渦輪蝸桿減速箱等組成。主要完成對成品工件分類入庫、依次出庫的工作。
(18)堆垛解垛倉儲單元
由直流減速電機、擋料氣缸、電感傳感器、光電傳感器，旋轉氣缸、滑座氣缸、升降貨臺、擺臺、同步傳送帶、電磁閥組成，主要完成對滑撬托盤的暫存或攝取的工作。
(19)行車機械手單元
由平行氣夾、長程導桿氣缸、交流減速電機、直流減速電機、齒輪齒條機構、主動式紅外傳感器、鏡面漫射傳感器、光電對射傳感器，霍爾傳感器、電感傳感器、定位裝置、緊急按鈕盒組成，主要完成將滑撬托盤從環形生產線的結束工位搬運到起始工位的工作。
(20)滾筒轉角單元
由直流減速電機、直齒輪組、錐形齒輪組、鏈輪組輥道組合組成，主要完成生產線的90°轉向。
(21)直角轉向轉角單元
由轉盤、旋轉氣缸同步帶同步輪直流減速電機組成，主要完成生產線的90°轉向。
(22)圓帶轉角單元
由轉盤、圓帶、同步輪、承重輪、張緊輪組成，主要完成生產線的90°轉向。
(23)鏈條輥道傳輸單元
由鏈條、鏈輪、輥輪、直流減速電機、玻璃防護罩組成，主要完成托盤和工件的傳輸工作。
(24)圓帶輥道傳輸單元
由圓帶、傳動輪、輥輪、直流減速電機組成，主要完成托盤和工件的傳輸。
(25)皮帶傳輸單元
由傳輸帶、同步帶，同步輪、直流減速電機組成，完成托盤和工件的傳輸，為環形線主要傳送單元。
單元配置表（推薦）

序號	名稱	THMSZC-2A	THMSZC-2B	THMSZC-2C	THMSZC-2D	THMSZC-2E
1	總控平臺	√	√	√	√	√
2	上料單元		√	√	√	√
3	液壓沖壓單元			√	√	√
4	多軸加工單元		√	√	√	√
5	五軸機器人單元			√	√
6	6自由度工業機器人單元					√
7	圖像檢測單元					√
8	搬運單元		√	√	√
9	落料單元	√	√	√	√	√
10	噴涂烘干單元	√	√	√	√	√
11	圖像處理單元				√	√
12	加蓋單元	√	√	√	√	√
13	穿銷單元	√	√	√	√	√
14	檢測單元	√	√	√	√	√
15	條形碼識別單元				√	√
16	分揀輸送單元	√	√	√	√	√
17	物流倉儲單元	√	√	√	√	√
18	堆垛解垛倉儲單元		√		√	√
19	行車機械手單元	√	√	√	√	√
20	圓帶轉角單元	√×4	√×2	√×2	√×2	√×2
21	滾筒轉角單元		√	√	√	√
22	直角轉向轉角單元		√	√	√	√
23	鏈條滾輪傳送單元	√	√	√	√	√
24	輥道傳送單元	√	√	√	√	√
25	皮帶傳送單元	√×13	√×13	√×13	√×13	√×13

推薦配置方案一：2A型

推薦配置方案二：2B型

推薦配置方案三：2C型

推薦配置方案四：2D型

推薦配置方案五：2E型

2.工業網絡通訊（以西門子主機為例）
控制系統主站采用西門子S7-300(CPU315-2DP)，從站采用西門子S7-200(CPU226)，各站之間使用ProfiBus-DP總線進行通訊，S7-200從站主要用于控制與驅動設備層，并對現場反饋的信號進行采集，S7-300主站采集各從站數據，協調各站運行，并為上位機的監控程序提供數據，同時系統還配有工業以太網通信模塊和10.4英寸彩色工業觸摸屏，可以完成系統控制網絡的集成。
3.控制系統
(1) PLC模塊及變頻器選配表（用戶可根據需要進行選配）
表一：德國西門子

序號	名稱	規格	數量	單位	備注
1	S7-300 PLC	PS307電源	1	臺
2		CPU315-2DP CPU	1	臺
3		SM323 16DI/16DO	1	臺
4		CP343-1 工業以太網模塊	1	臺
5	S7-200 PLC	CPU226CN(DC/DC/DC)	6	臺
6		CPU226CN(AC/DC/ALY)	8	臺
7		EM231 2路熱電阻輸入（PT100）	1	臺
8		EM232 2路模擬量輸出(2AI)	1	臺
9		EM235 4路模擬量輸入，1路模擬量輸出	2	臺
10		EM223 8DI/8DO	2	臺
11		EM277 DP通信模塊	14	臺
12		DP接頭	17	個
13	變頻器	MM420 三相380V 0.75kW	1	臺
14	軟件	STEP7 MicroWIN SP4 V4.0	1	套
15		STEP7 V5.3	1	套
16		Wincc V6.0	1	套

表二：日本三菱

序號	名稱	規格	數量	單位	備注
1	Q PLC	Q61P電源	1	臺
2		Q35B基板	1	臺
3		Q02CPU	1	臺
4		QX40 16DI	1	臺
5		QY10 16DO	1	臺
6		QJ71E71-100 工業以太網模塊	1	臺
7		QJ61BT11N CC-Link模塊	1	臺
8	FX PLC	FX2N-48MT-001 24DI/24DO	6	臺
9		FX2N-48MR-001 24DI24DO	8	臺
10		FX2N-4AD-PC 4路熱電阻輸入	1	臺
11		FX2N-2DA 2路模擬量輸出	1	臺
12		FX2N-2AD 2路模擬量輸入	2	臺
13		FXON-8EX 8DI	2	臺
14		FX2N-32CCL 通信模塊	14	臺
15	變頻器	FR-E740三相380V 0.75kW	1	臺
16	軟件	GX Developer V8.52	1	套

表三：美國羅克韋爾（簡稱AB）

序號	名稱	規格	數量	單位	備注
1	CompactLogix PLC	1769-PA2電源	1	臺
2		1769-L32E CPU	1	臺
3		1784-CF64 64MB存儲卡	1	臺
4		1769-IQ16 16DI	1	臺
5		1769-OB16 16DO	1	臺
6		1769-SDN DEVICENET模塊	1	臺
7		1769-ECR	1	臺
8	MicroLogix1400 PLC	1766-L32BXBA 20DI/12DO	6	臺
9		1766-L32BWAA 20DI/12DO	8	臺
10		1762-IQ16 16DI	2	臺
11		1762-OW16 16DO	2	臺
12		1762-IR4 4路熱電阻輸入	1	臺
13		1761-NET-DNI DEVICENET模塊	14	臺
14	變頻器	22B-D2P3N104 三相380V 0.75kW	1	臺
15	軟件	RSLOGIX500	1	套
16		RSLOGIX5000	1	套
17		RSview32	1	套

(2)配置清單

序號	名稱	規格	數量	單位	備注
1	8米環形生產線	THMSZC-2A/2B/2C/2D/2E型機電一體化柔性生產綜合實驗系統	1	套
2	三菱6自由度工業機器人	RV-3SD-S11	1	套	含示教單元
3	視覺傳感器	SIMATIC VS120	1	套
4	機器視覺系統	SIMATIC VS722	1	套
5	機器視覺系統	SIMATIC VS721	1	套
6	工件	白色工件	4	只
7		藍色工件	4	只
8		紅色工件	4	只
9	銷釘	白色塑料	21	只
9	銷釘	金屬	3	只
10	物料盒	藍色物料盒	1	只
11	電源線	單相三芯電源線	20	根
12	安全型導線		1	套
13	PU氣管	Ф6、橙色	50	米
14	PLC編程電纜	USB/PPI USM/MPI	1	套
15	PLC編程軟件	STEP7 MicroWIN SP4 V4.0 STEP7 V5.3 Wincc V6.0	1	套	DEMO版
16	配套工具	工具箱：十字長柄螺絲刀，大、中、小號一字螺絲刀，中、小號十字螺絲刀，鐘表螺絲刀、剝線鉗，尖嘴鉗，剪刀，電烙鐵，鑷子，活動扳手，內六角扳手（9把）	1	套
17	配套光盤	使用手冊、程序等	1	套
18	計算機	主流品牌機	1	臺	學校自備
19	空氣壓縮機	靜音空氣壓縮機LB-0.017/8	1	臺	靜音
20	氣動接頭	氣動快插式三通接頭EPE6	12	只

4.控制軟件
MES 生產管理系統軟件，MCGS組態工控軟件。
五、實驗內容
1. 機械系統安裝與調試
環形線上工作機構可讓各組學員將了解機械傳動的基本應用，并進行安裝調試工作。這對提高在校學生技能有極大幫助。
任務1：各站同步帶傳動機構的安裝與調整
任務2：落料單元圓柱、圓錐齒輪傳動機構的安裝與調整
任務3：加蓋單元圓錐齒輪傳動機構的安裝與調整
任務4：鏈條輥道傳輸線鏈條傳動機構的安裝與調整
任務5：物流倉儲單元鏈條鏈輪機構的安裝與調整
任務6：物流倉儲單元直線導軌的安裝與調整
任務7：多軸加工單元直線導軌的安裝與調整
任務8：物流倉儲單元滾珠絲桿的安裝與調整
任務9：多軸加工單元滾珠絲桿的安裝與調整
任務10：落料單元間歇輪的安裝與調整
任務11：穿銷單元不完全齒輪的安裝與調整
任務12：行車機械手單元齒輪齒條機構的安裝與調整
任務13：加蓋單元、倉儲單元蝸輪蝸桿的安裝與調整
2. 電氣控制電路設計、安裝及接線
環形生產線工作機構其電控部分全部按照工業標準和習慣進行設計，并且以附件方式提供全部設計圖紙和說明書。學員在該設備上可學習電路原理圖分析、PLC各I/O地址查對和設備電路連線方法。
任務1：各從站、傳輸線及轉角配套組件的安裝、接線
任務2：各從站、傳輸線及轉角控制電路的設計
任務3：伺服電機控制系統的安裝、控制電路的設計、接線
任務4：倉庫電機正反轉控制電路的設計、安裝及接線
任務5：行車機械手電機變頻調速控制電路的設計、安裝及接線
任務6：多軸加工中心步進電機驅動電路的設計、安裝及接線
任務7：噴涂烘干加熱控制電路的設計、安裝與接線
任務8：各傳輸線直流減速電機驅動電路的設計、安裝與接線
3. 傳感器的應用
該系統使用的傳感器數量達100多個，有電感式、電容式、光電式、光纖式、霍爾式、電磁式、紅外以及色標傳感器等，每一種傳感都有著各自的特性。學員可通過了解工作中各類傳感器的工作特性來加強對這些傳感器的感性認識，再結合項目中傳感器安裝與調整、測試應用技能訓練，可使學員快速掌握傳感器在自動線中的使用。
4. 氣動應用技術
該系統上使用了大量的氣動元件，包括多種電控氣動閥、多種氣動缸、氣動夾爪、真空吸盤、真空發生器、過濾減速閥等。不但可以單獨學習每一種分離元件，而且還可以在學習時了解各種氣動元件之間以及氣動元件與其它元件之間是如何配合起來進行協調工作的。
氣動元件的安裝與調整實驗項目
任務1：電控氣動閥的安裝與調整
任務2：真空發生器的安裝與調整
任務3：氣動二聯體的安裝與調整
任務4：各種氣缸的安裝與調整
5. PLC程序編制和程序調試
環形線教學系統可以分成若干完全獨立的工作機構，使十幾個學生可以同時進行技能訓練。在該設備上學員不但可以學習PLC的各種技術，而且可以學習綜合科技環境下PLC的多種應用。
任務1：總控臺單元控制程序的編寫與調試
任務2：上料、多軸加工單元控制程序的編寫與調試
任務3：搬運、落料單元控制程序的編寫與調試
任務4：噴涂烘干單元控制程序的編寫與調試
任務5：加蓋單元控制程序的編寫與調試
任務6：穿銷單元控制程序的編寫與調試
任務7：檢測單元控制程序的編寫與調試
任務8：分揀單元控制程序的編寫與調試
任務9：物流倉儲單元控制程序的編寫與調試
任務10：行車機械手單元的控制程序的編寫與調試
任務11：多軸加工中心步進電機控制程序的編寫與調試
6. 工業網絡通信
任務1：組態監控軟件的運行使用及與PLC的通信
任務2：MES生產管理系統軟件的使用
任務3：觸摸屏工程的編寫
任務4：STEP7編程軟件使用
任務5：PROFIBUS-DP模塊的學習與使用
任務6：PROFIBUS通訊協議的學習與使用
任務7：PROFIBUS主站與從站之間的通訊
7. 系統維護和故障檢測
設備日常維護的內容和方法，以及系統常見故障分析、排除的方法。
本系統以工作過程導向，可開展項目教學，完成以下任務：
(1) 設備安裝
(2) 電氣設計
(3) 氣路連接和電路連接
(4) 設置步進電機驅動器及變頻器參數
(5) 設置伺服電機驅動器及伺服電機參數
(6) 完成PLC程序編制和程序調試
(7) 工業控制網絡的組建，通信測試與網絡故障診斷
(8) 觸摸屏組態和監控
(9) 系統維護和故障檢測（涉及程序、參數、電氣、機械等）

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