机电一体化柔性生产综合实训系统(8米环形生产线) (工程型)

一、产品概述
柔性自动生产线是将微电子学、计算机信息技术、控制技术、机械制造和系统工程有机地结合起来，是一种技术复杂、高度自动化系统，柔性制造技术更是当前机械制造业适应市场动态需求及产品不断迅速更新的主要手段，是先进制造技术的基础。
机电一体化柔性生产综合实训系统(8米环形生产线) (工程型)是专门为职业院校、职业教育培训机构研制的自动生产线实验系统，根据机电类、自动化类、先进制造类行业、企业中工业自动化应用的特点，对各类自动生产线的工作过程和相关的技术进行研究，对工业现场设备进行提炼和浓缩，并针对实验教学活动进行专门设计，融机、光、电、气、液于一体，包含了PLC、机器人、传感器、液压、气动、工业控制网络、电机驱动与控制、计算机、机械传动等诸多技术领域，整个系统由MES生产管理系统、WINCC监控系统、主控PLC和下位PLC通过网络通讯技术构成一个完整的多级计算机控制系统，通过训练，能强化学生对复杂柔性自动生产线的设计、安装、接线、编程、调试、故障诊断与维修等综合职业能力，适合机电类、自动化类相关专业的教学和实验，同时也适合工程技术人员上岗培训。
机电一体化柔性生产综合实训系统(8米环形生产线) (工程型)是一种典型的环形柔性自动生产线（规格：8m×5m），它由上料单元、多轴加工单元、搬运单元、落料单元、喷涂烘干单元、加盖单元、穿销单元、检测单元、分拣输送单元、物流仓储单元、行车机械手单元、图像处理单元、图像检测单元、液压冲压单元、条形码识别单元、堆垛解垛仓储单元组成。传输链有辊道、皮带、链条滚轮三种模式，配有相应的圆带、滚筒、直角转向等转角，通过传输链和转角连成环形生产线。上述机构均安装在工业型材桌面上，系统中的机械结构、电气控制回路、执行机构完全独立，采用工业标准件设计，便于拆、装。
控制系统主站采用西门子S7-300(CPU315-2DP)，从站采用西门子S7-200(CPU226)，各站之间使用ProfiBus-DP总线进行通讯，S7-200从站主要用于控制与驱动设备层，并对现场反馈的信号进行采集，S7-300主站采集各从站数据，协调各站运行，并为上位机的监控程序提供数据，同时系统还配有工业以太网通信模块和10.4英寸彩色工业触摸屏，可以完成系统控制网络的集成。
该系统有单机、联机二种工作方式。在单机模式下，各从站独立运行，站间没有数据传送，学员可进行外部接线操作，使用S7-200专用PPI电缆或ProfiBus总线将编写程序下载到PLC中，并监控程序运行，在联机模式下，系统各从站同时工作，工件依次进行上料、冲压、加工、搬运、落料、喷涂烘干、视频检测、加盖、穿销、检测、条形码识别、分拣、入库、托盘暂存及搬运等操作，各站间通过ProfiBus现场总线进行通讯，在主站的控制下实现相关的互锁、数据传送操作，系统中的上位工控机使用WinCC组态监控软件，对现场设备生产状况进行动态实时监控。
系统工业现场总线和标准的电气接口，支持RS232、RS485、PPI、MPI、PROFIBUS-DP、TCP/IP多种通信方式。系统具备多种组态软件、编程软件、管理软件功能，如STEP7、OPC、WINCC算法组态、人机交换和MES生产管理系统软件等，为方便教学还配有PLC仿真、气动仿真、多媒体教室电子管理等软件。
本系统配有德国西门子、美国罗克韦尔（简称AB）、日本三菱等国际知名品牌的工业自动化控制系统，用户可以根据实际需要进行选配。

二、技术性能
1. 输入电源：三相四线交流380V±10% 50Hz
2. 工作环境：温度-10℃～+40℃ 相对湿度≤85%（25℃）海拔＜4000m
3. 装置容量：≤3.5kVA
4. 外形尺寸：800cm×500cm×240cm
5. 安全保护：具有漏电保护，安全符合国家标准
三、产品特点
1. 系统将机械、气动、液压、电气控制、电机传动、传感检测、PLC以及工业网络控制技术有机地进行整合，按照结构模块化，便于组合，可以完成各类单项技能训练和综合性项目训练。可以进行机械部件安装与调试、气动系统的安装与调试、液压系统的安装与调试、电气控制电路的安装和PLC编程、机电设备安装与调试、自动控制系统安装与调试、工业网络控制系统安装与调试于一体，能较好地满足实验教学、工程训练的需要。
2. 该实验考核装置PLC模块I/O端子、各常用模块接线端子，均采用安全型插座，使用带安全插头的导线进行电路连接；各指令开关、光电开关、传感器和指示元件的电路通过端子排进行连接。插拔线连接电路与端子排连接电路相结合，既保证学生基本技能的训练、形成和巩固，又保证电路连接的快速、安全和可靠。
3. 系统中元器件均采用实际工业元件，首选国际知名公司（如德国的施克、西门子、日本SMC、欧姆龙、日本三菱等）工业元件，质量可靠、性能稳定、故障率低，从而保证学校实验教学的顺利进行。
4. 系统无论机械结构还是控制，都采用统一标准接口，具有很高的兼容和扩展性，随工业现场技术的快速发展，本系统可以紧跟现场技术升级扩展，深入地满足实验教学的需要。
5. 本系统可以锻炼学习者创造性的思维和动手能力，学习者可以利用本系统从机械组装、电气设计、接线、PLC编程与调试、现场总线组建与维修等方面进行工程训练。
四、系统组成
1.系统的硬件由22个基本单元站组成
(1) 总控平台
总控平台主要由三相电网电压指示、电源控制部分、控制主机、状态指示灯、二位选择开关、启动和停止开关、急停开关、复位开关、10.4英寸工业彩色触摸屏等组成，主要完成监视各分站的工作状态并协调各站运行，完成工业控制网络的集成。

(2) 上料单元
由方形井式工件架、顶料气缸、挡料气缸、皮带传输装置、光电传感器、导料装置、电控阀、直流减速电机、安装支架等组成。主要完成将工件库中待加工工件自动落到供料传输线上。

(3) 液压冲压单元
由液压直动缸、夹紧定位机构、定时器及机械调整杆机构、C型钢构结构、光幕等组成。主要完成对工件的模拟冲压加工。

(4) 多轴加工单元
由六轴模拟加工中心（步进电机、伺服电机、直线导轨、滚珠丝杆、三轴加工台等）、夹紧气缸、定位气缸、光电传感器、C型钢构结构、直流减速电机、控制继电器模组、安装支架等组成。主要完成模拟切削加工工件。

(5) 五轴机器人单元
由步进电机及驱动器、直线导轨、五自由度搬运机械手、定位开关、行程开关、支架、机械零部件构成。主要完成工件的搬运。

(6) 三菱6自由度工业机器人
由铝合金型材基座、6自由度工业机器人（采用三菱RV-3SD）、示教单元所组成。主要完成对物料的搬运、组装等。

主要技术指标：

名称		单位	规格
自由度		轴	6
安装位置		台面	安装基座≥880mm×600mm
驱动系统			交流伺服电机
位置检测方法			绝对编码器
最大合成速度		mm／s	5500
负荷	最大值	kg	3
精度		mm	±0.02
臂可达到范围半径		mm	≥640

(7) 图像检测单元
由光源、镜头、CCD照相机、图像处理控制器、显示器、位移传感器等组成。主要检测加工完成后工件尺寸是否合格，通过摄像头获取工件的图像，由图像处理器完成工件尺寸合格与否的判断并检测加工孔深，将不合格工件剔除。
(8) 搬运单元
由气爪、旋转气缸、伸降气缸、传送带、光电传感器、电控阀、配重块、直流减速电机、定位装置、滑道、安装支架、移动机构等组成。主要完成将加工完毕后工件抓取放到落料单元的落料转盘上。
(9) 落料单元
落料单元由四槽轮、锁止弧、传动齿轮、同步轮带、推料转盘、落料平台、光电传感器、电感传感器、阻挡气缸、直流减速电机、安装支架等组成，主要完成将工件安放到滑撬托盘上。
(10)喷涂烘干单元
喷涂单元由喷涂室、加热装置、温度传感器、模拟喷头、冷却风扇、交流调压模块、智能温度显示仪、触摸屏、加热指示器、光电传感器、电感传感器、阻挡气缸、直流减速电机等组成，主要完成对工件先喷涂后加热烘干固化及冷却过程的模拟。
(11)图像处理单元
由光源，镜头，CCD照相机，图像处理控制器，操作键盘，显示器等组成，通过视觉传感器完成对工件的图像的摄入并与标准模板比较后输出检测结果，提供给后续单元使用。
(12)加盖单元
由滑道式工件架、蜗轮蜗杆减速机、摇臂、同步轮带、直流减速电机、挡料气缸、托料气缸、伸缩气缸、真空吸盘、光电传感器、电容传感器、电感传感器、行程开关、磁性传感器、电控阀、安装支架等组成，主要完成对工件的加盖装配工作。
(13)穿销单元
由料斗、槽形下料机构、不完全齿轮传动机构、直流减速电机、挡料气缸、落料气缸、顶销气缸、光电传感器、光纤传感器、电容传感器、霍尔传感器、电感传感器、磁性传感器、电控阀、安装支架等组成，主要完成对加盖装配完毕后工件的穿销紧固装配工作。
(14)检测单元
由触摸屏、直流减速电机、挡料气缸、检测气缸、光电传感器、光纤传感器、对射传感器、色标传感器、电感传感器、磁性传感器、电控阀、安装支架等组成，主要完成对工件的外形、装配要求，颜色的检测，并传送给后续单元使用。
(15)条形码识别单元
由直流减速电机、挡料气缸、电感传感器、收料电机，贴标机构及条形码识别系统组成，主要完成对装配完成后的工件进行贴标及条形码的识别读取并输入仓库管理系统的工作。
(16)分拣输送单元
由直线无杆气缸、导杆薄型气缸、阻挡气缸、摆动气缸、气夹、磁性传感器、光电传感器、电感传感器、电磁阀、同步带轮、直流减速电机、工件传输装置、废品回收装置等组成，主要完成将检测完毕后不合格工件分离的工作，同时合格工件与传输用滑撬托盘也进行分离，不合格工件传送到废料存储箱，合格工件进入物流仓储单元。
(17)物流仓储单元
由步进电机、交流伺服电机、直流减速电机、直线无杆气缸、摆动气缸、平行机械夹、阻挡气缸、同步带轮、磁性传感器、光电传感器、电容传感器、电磁阀、同步带皮带传输线、立体库架、直齿圆柱齿轮、滚珠丝杆、涡轮蜗杆减速箱等组成。主要完成对成品工件分类入库、依次出库的工作。
(18)堆垛解垛仓储单元
由直流减速电机、挡料气缸、电感传感器、光电传感器，旋转气缸、滑座气缸、升降货台、摆台、同步传送带、电磁阀组成，主要完成对滑撬托盘的暂存或摄取的工作。
(19)行车机械手单元
由平行气夹、长程导杆气缸、交流减速电机、直流减速电机、齿轮齿条机构、主动式红外传感器、镜面漫射传感器、光电对射传感器，霍尔传感器、电感传感器、定位装置、紧急按钮盒组成，主要完成将滑撬托盘从环形生产线的结束工位搬运到起始工位的工作。
(20)滚筒转角单元
由直流减速电机、直齿轮组、锥形齿轮组、链轮组辊道组合组成，主要完成生产线的90°转向。
(21)直角转向转角单元
由转盘、旋转气缸同步带同步轮直流减速电机组成，主要完成生产线的90°转向。
(22)圆带转角单元
由转盘、圆带、同步轮、承重轮、张紧轮组成，主要完成生产线的90°转向。
(23)链条辊道传输单元
由链条、链轮、辊轮、直流减速电机、玻璃防护罩组成，主要完成托盘和工件的传输工作。
(24)圆带辊道传输单元
由圆带、传动轮、辊轮、直流减速电机组成，主要完成托盘和工件的传输。
(25)皮带传输单元
由传输带、同步带，同步轮、直流减速电机组成，完成托盘和工件的传输，为环形线主要传送单元。
单元配置表（推荐）

序号	名称	THMSZC-2A	THMSZC-2B	THMSZC-2C	THMSZC-2D	THMSZC-2E
1	总控平台	√	√	√	√	√
2	上料单元		√	√	√	√
3	液压冲压单元			√	√	√
4	多轴加工单元		√	√	√	√
5	五轴机器人单元			√	√
6	6自由度工业机器人单元					√
7	图像检测单元					√
8	搬运单元		√	√	√
9	落料单元	√	√	√	√	√
10	喷涂烘干单元	√	√	√	√	√
11	图像处理单元				√	√
12	加盖单元	√	√	√	√	√
13	穿销单元	√	√	√	√	√
14	检测单元	√	√	√	√	√
15	条形码识别单元				√	√
16	分拣输送单元	√	√	√	√	√
17	物流仓储单元	√	√	√	√	√
18	堆垛解垛仓储单元		√		√	√
19	行车机械手单元	√	√	√	√	√
20	圆带转角单元	√×4	√×2	√×2	√×2	√×2
21	滚筒转角单元		√	√	√	√
22	直角转向转角单元		√	√	√	√
23	链条滚轮传送单元	√	√	√	√	√
24	辊道传送单元	√	√	√	√	√
25	皮带传送单元	√×13	√×13	√×13	√×13	√×13

推荐配置方案一：2A型

推荐配置方案二：2B型

推荐配置方案三：2C型

推荐配置方案四：2D型

推荐配置方案五：2E型

2.工业网络通讯（以西门子主机为例）
控制系统主站采用西门子S7-300(CPU315-2DP)，从站采用西门子S7-200(CPU226)，各站之间使用ProfiBus-DP总线进行通讯，S7-200从站主要用于控制与驱动设备层，并对现场反馈的信号进行采集，S7-300主站采集各从站数据，协调各站运行，并为上位机的监控程序提供数据，同时系统还配有工业以太网通信模块和10.4英寸彩色工业触摸屏，可以完成系统控制网络的集成。
3.控制系统
(1) PLC模块及变频器选配表（用户可根据需要进行选配）
表一：德国西门子

序号	名称	规格	数量	单位	备注
1	S7-300 PLC	PS307电源	1	台
2		CPU315-2DP CPU	1	台
3		SM323 16DI/16DO	1	台
4		CP343-1 工业以太网模块	1	台
5	S7-200 PLC	CPU226CN(DC/DC/DC)	6	台
6		CPU226CN(AC/DC/ALY)	8	台
7		EM231 2路热电阻输入（PT100）	1	台
8		EM232 2路模拟量输出(2AI)	1	台
9		EM235 4路模拟量输入，1路模拟量输出	2	台
10		EM223 8DI/8DO	2	台
11		EM277 DP通信模块	14	台
12		DP接头	17	个
13	变频器	MM420 三相380V 0.75kW	1	台
14	软件	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

序号	名称	规格	数量	单位	备注
1	Q PLC	Q61P电源	1	台
2		Q35B基板	1	台
3		Q02CPU	1	台
4		QX40 16DI	1	台
5		QY10 16DO	1	台
6		QJ71E71-100 工业以太网模块	1	台
7		QJ61BT11N CC-Link模块	1	台
8	FX PLC	FX2N-48MT-001 24DI/24DO	6	台
9		FX2N-48MR-001 24DI24DO	8	台
10		FX2N-4AD-PC 4路热电阻输入	1	台
11		FX2N-2DA 2路模拟量输出	1	台
12		FX2N-2AD 2路模拟量输入	2	台
13		FXON-8EX 8DI	2	台
14		FX2N-32CCL 通信模块	14	台
15	变频器	FR-E740三相380V 0.75kW	1	台
16	软件	GX Developer V8.52	1	套

表三：美国罗克韦尔（简称AB）

序号	名称	规格	数量	单位	备注
1	CompactLogix PLC	1769-PA2电源	1	台
2		1769-L32E CPU	1	台
3		1784-CF64 64MB存储卡	1	台
4		1769-IQ16 16DI	1	台
5		1769-OB16 16DO	1	台
6		1769-SDN DEVICENET模块	1	台
7		1769-ECR	1	台
8	MicroLogix1400 PLC	1766-L32BXBA 20DI/12DO	6	台
9		1766-L32BWAA 20DI/12DO	8	台
10		1762-IQ16 16DI	2	台
11		1762-OW16 16DO	2	台
12		1762-IR4 4路热电阻输入	1	台
13		1761-NET-DNI DEVICENET模块	14	台
14	变频器	22B-D2P3N104 三相380V 0.75kW	1	台
15	软件	RSLOGIX500	1	套
16		RSLOGIX5000	1	套
17		RSview32	1	套

(2)配置清单

序号	名称	规格	数量	单位	备注
1	8米环形生产线	THMSZC-2A/2B/2C/2D/2E型机电一体化柔性生产综合实验系统	1	套
2	三菱6自由度工业机器人	RV-3SD-S11	1	套	含示教单元
3	视觉传感器	SIMATIC VS120	1	套
4	机器视觉系统	SIMATIC VS722	1	套
5	机器视觉系统	SIMATIC VS721	1	套
6	工件	白色工件	4	只
7		蓝色工件	4	只
8		红色工件	4	只
9	销钉	白色塑料	21	只
9	销钉	金属	3	只
10	物料盒	蓝色物料盒	1	只
11	电源线	单相三芯电源线	20	根
12	安全型导线		1	套
13	PU气管	Ф6、橙色	50	米
14	PLC编程电缆	USB/PPI USM/MPI	1	套
15	PLC编程软件	STEP7 MicroWIN SP4 V4.0 STEP7 V5.3 Wincc V6.0	1	套	DEMO版
16	配套工具	工具箱：十字长柄螺丝刀，大、中、小号一字螺丝刀，中、小号十字螺丝刀，钟表螺丝刀、剥线钳，尖嘴钳，剪刀，电烙铁，镊子，活动扳手，内六角扳手（9把）	1	套
17	配套光盘	使用手册、程序等	1	套
18	计算机	主流品牌机	1	台	学校自备
19	空气压缩机	静音空气压缩机LB-0.017/8	1	台	静音
20	气动接头	气动快插式三通接头EPE6	12	只

4.控制软件
MES 生产管理系统软件，MCGS组态工控软件。
五、实验内容
1. 机械系统安装与调试
环形线上工作机构可让各组学员将了解机械传动的基本应用，并进行安装调试工作。这对提高在校学生技能有极大帮助。
任务1：各站同步带传动机构的安装与调整
任务2：落料单元圆柱、圆锥齿轮传动机构的安装与调整
任务3：加盖单元圆锥齿轮传动机构的安装与调整
任务4：链条辊道传输线链条传动机构的安装与调整
任务5：物流仓储单元链条链轮机构的安装与调整
任务6：物流仓储单元直线导轨的安装与调整
任务7：多轴加工单元直线导轨的安装与调整
任务8：物流仓储单元滚珠丝杆的安装与调整
任务9：多轴加工单元滚珠丝杆的安装与调整
任务10：落料单元间歇轮的安装与调整
任务11：穿销单元不完全齿轮的安装与调整
任务12：行车机械手单元齿轮齿条机构的安装与调整
任务13：加盖单元、仓储单元蜗轮蜗杆的安装与调整
2. 电气控制电路设计、安装及接线
环形生产线工作机构其电控部分全部按照工业标准和习惯进行设计，并且以附件方式提供全部设计图纸和说明书。学员在该设备上可学习电路原理图分析、PLC各I/O地址查对和设备电路连线方法。
任务1：各从站、传输线及转角配套组件的安装、接线
任务2：各从站、传输线及转角控制电路的设计
任务3：伺服电机控制系统的安装、控制电路的设计、接线
任务4：仓库电机正反转控制电路的设计、安装及接线
任务5：行车机械手电机变频调速控制电路的设计、安装及接线
任务6：多轴加工中心步进电机驱动电路的设计、安装及接线
任务7：喷涂烘干加热控制电路的设计、安装与接线
任务8：各传输线直流减速电机驱动电路的设计、安装与接线
3. 传感器的应用
该系统使用的传感器数量达100多个，有电感式、电容式、光电式、光纤式、霍尔式、电磁式、红外以及色标传感器等，每一种传感都有着各自的特性。学员可通过了解工作中各类传感器的工作特性来加强对这些传感器的感性认识，再结合项目中传感器安装与调整、测试应用技能训练，可使学员快速掌握传感器在自动线中的使用。
4. 气动应用技术
该系统上使用了大量的气动元件，包括多种电控气动阀、多种气动缸、气动夹爪、真空吸盘、真空发生器、过滤减速阀等。不但可以单独学习每一种分离元件，而且还可以在学习时了解各种气动元件之间以及气动元件与其它元件之间是如何配合起来进行协调工作的。
气动元件的安装与调整实验项目
任务1：电控气动阀的安装与调整
任务2：真空发生器的安装与调整
任务3：气动二联体的安装与调整
任务4：各种气缸的安装与调整
5. PLC程序编制和程序调试
环形线教学系统可以分成若干完全独立的工作机构，使十几个学生可以同时进行技能训练。在该设备上学员不但可以学习PLC的各种技术，而且可以学习综合科技环境下PLC的多种应用。
任务1：总控台单元控制程序的编写与调试
任务2：上料、多轴加工单元控制程序的编写与调试
任务3：搬运、落料单元控制程序的编写与调试
任务4：喷涂烘干单元控制程序的编写与调试
任务5：加盖单元控制程序的编写与调试
任务6：穿销单元控制程序的编写与调试
任务7：检测单元控制程序的编写与调试
任务8：分拣单元控制程序的编写与调试
任务9：物流仓储单元控制程序的编写与调试
任务10：行车机械手单元的控制程序的编写与调试
任务11：多轴加工中心步进电机控制程序的编写与调试
6. 工业网络通信
任务1：组态监控软件的运行使用及与PLC的通信
任务2：MES生产管理系统软件的使用
任务3：触摸屏工程的编写
任务4：STEP7编程软件使用
任务5：PROFIBUS-DP模块的学习与使用
任务6：PROFIBUS通讯协议的学习与使用
任务7：PROFIBUS主站与从站之间的通讯
7. 系统维护和故障检测
设备日常维护的内容和方法，以及系统常见故障分析、排除的方法。
本系统以工作过程导向，可开展项目教学，完成以下任务：
(1) 设备安装
(2) 电气设计
(3) 气路连接和电路连接
(4) 设置步进电机驱动器及变频器参数
(5) 设置伺服电机驱动器及伺服电机参数
(6) 完成PLC程序编制和程序调试
(7) 工业控制网络的组建，通信测试与网络故障诊断
(8) 触摸屏组态和监控
(9) 系统维护和故障检测（涉及程序、参数、电气、机械等）

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