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。

本实训系统是专门为职业院校、职业教育培训机构研制的自动生产线实训系统，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，并针对实训教学活动进行专门设计，融机、光、电、气、液于一体，包含了PLC、传感器、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，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，能强化了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训，同时也适合工程技术人员上岗培训。

本实训系统是一种典型的环形柔性自动生产线，它由上料单元、落料单元、加盖单元、穿销单元、喷涂烘干单元、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、落料、加盖、穿销、喷涂烘干、检测、分拣、入库、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，系统中的安装了工业触摸屏，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。

二、 产品特点

1. 系统将机械、气动、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，可以完成各类单线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，能较好地满足实训教学、工程训练的需要。

2. 该实训考核装置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，从而保证学校实训教学的顺利进行。

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，深入地满足实训教学的需要。

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。

三、 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：≤3kVA

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

四、 实训内容

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：上料单元传输板链的安装与调整

任务3：落料单元圆柱、圆锥齿轮传动机构的安装与调整

任务4：落料单元间歇轮的安装与调整

任务5：加盖单元圆锥齿轮传动机构的安装与调整

任务6：加盖单元、仓储单元蜗轮蜗杆的安装与调整

任务7：穿销单元不完全齿轮的安装与调整

任务8：喷涂单元连杆机构的安装与调整

任务9：物流仓储单元链条链轮机构的安装与调整

任务10：物流仓储单元直线导轨的安装与调整

任务11：物流仓储单元滚珠丝杆的安装与调整

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：链条辊道传输线链条传动机构的安装与调整

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训项目

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：上料单元的编写与调试

任务3：落料单元控制程序的编写与调试

任务4：加盖单元控制程序的编写与调试

任务5：穿销单元控制程序的编写与调试

任务6：喷涂烘干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

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：触摸屏工程的编写

任务3：STEP7编程软件使用

任务4：PROFIBUS-DP模块的学习与使用

任务5：PROFIBUS通讯协议的学习与使用

任务6：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）

五、 系统组成、功能及技术参数

(一) 上料、落料单元（图1）

上料单元和落料单元配合使用作为工件运行的起始端，上料单元由井式下料槽、顶料气缸、落料气缸组成。

落料单元由四槽轮、锁止弧、直齿轮、锥形齿轮、同步轮带、推料转盘、落料平台、滑道、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。

当系统运行，托盘到位后，传输线停止运行；光电传感器检测工位有无工件，若无则PLC向总控台告警，总控台缺料指示灯亮；若有工件则直流减速电机工作带动锁止弧转动一周，锁止弧上的拨销轴承拨动四槽轮转动90度到下一个槽轮，同时带动同轴的圆柱齿轮转动90度，圆柱齿轮则带动与其啮合的圆柱齿轮和圆锥齿轮转动90度，圆锥齿轮带动同轴的圆锥齿轮转动90度，另一圆锥齿轮则同轴转动90度，则推料转盘随之转动90度，工件降落料到平台落料口落下到滑道上，滑至托盘，落料完成；阻挡气缸缩回，传输线运行，托盘和工件一起被传输到下一站。

图1 落料单元

主要技术指标：

(二) 喷涂烘干单元（图2）

喷涂单元由喷涂室、加热装置、温度传感器、喷枪、冷却风扇、交流调压模块、触摸屏、连杆机构、喷涂指示器、光电传感器、电感传感器、阻挡气缸、直流减速电机等组成。其中喷枪喷涂过程中由连杆机构带动来回移动喷涂。

当系统运行，电机动作传输线运行使托盘工件到位。电感传感器检测到托盘到位信号，延时1S传输线停止；光电传感器检测到工件信号，电机动作带动连杆机构运行，拉动喷枪来回移动进行喷涂，延时2S喷涂完成；喷涂停止后，加热罐开始加热，同时加热指示灯亮，触摸屏显示即时温度，（其中上限温度和下限温度可通过触摸屏设置）温度上升到设定温度时，加热完成；加热停止后，冷却风扇开始工作，温度下降到常温，烘干完成；阻挡气缸缩回，直流电机动作传输线运行，托盘和工件被传输到下一站，一个工作周期完成。

图2 模拟喷涂单元

主要技术指标：

(三) 加盖单元（图3）

由滑道式工件架（或立体仓库式货架）、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（或液压升降缸）、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。

当系统运行，传输线运行，等待托盘到位。当托盘到位后，如果电容传感器没有检测到工件或检测到工件已经加盖，阻挡气缸缩回，放托盘和工件到下一站，延时2秒，阻挡气缸伸出，等待下一个托盘到位当；如果电容传感器检测到工件没有加盖，延时1秒传输线停止。电机驱动摇臂反向转动且电感传感器检测到位后，电机停止运行。当滑道式工件架工件台检测到有工件盖时，托料气缸伸出，将工件盖顶起，伸缩气缸伸出，真空吸盘紧贴工件盖。伸缩气缸缩回，提起工件盖，蜗轮蜗杆减速机带动摇臂正转，同时托料气缸缩回。当电感传感器检测到位后，电机停止转动，伸缩气缸伸出，将工件盖装入工件后气缸缩回，加盖完成。阻挡气缸缩回，传输线开始运行，托盘和工件被传输到下一站，一个工作周期完成。

图3 加盖单元

主要技术指标：

(四) 穿销单元（图4）

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，主要完成对工件的穿销动作。具体工作过程如下：

当系统运行，传输线运行，等待托盘到位。当电感传感器检测到托盘到位后，如果没有检测到工件或检测到工件已经穿销时，阻挡气缸缩回，放托盘和工件到下一站，延时2秒，阻挡气缸伸出，等待下一个托盘到位；如果托盘到位并检测到工件无销子时，延时1秒传输线停止运行。当槽形下料机构检测到有销子时，落料气缸伸出，将销子推到下料口，电机转动带动不完全齿轮转动（不完全齿轮主动轮每转一圈，槽形落料机构转动六分之圈），销子随槽形落料机构转动到顶销气缸处，电机停止转动。顶销气缸将销子顶入工件，顶销气缸缩回，阻挡气缸缩回，传输线运行，托盘和工件被传输到一站，一个工作周期完成。

图4 穿销单元

主要技术指标：

(五) 检测单元（图5）

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，主要完成对工件的检测。由升降气缸带动检测支架升降，可同时对工件进行多面检测。

当系统运行，传输线运行，等待托盘到位。当检测到托盘到位后，伸缩气缸伸出，各检测传感器分别对准工件的各个面，等待0.5秒开始检测，完成后伸缩气缸缩回，阻挡气缸缩回，传输线运行，托盘和工件被传输到下一站，一个工作周期完成。各检测传感器的功能为：光电传感器检测工件、对射传感器检测工件盖、光纤传感器检测销子、色标传感器检测工件颜色、电感传感器检测销子的材质。

图5 检测单元

主要技术指标：

(六) 分拣输送单元（图6）

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。

当系统运行，阻挡气缸伸出，传输线运行，当电感传感器检测到托盘到位后，若光电传感器检测托盘上无工件时，阻挡气缸缩回，托盘被传输到下一站。若光电传感器检测托盘上有工件时，导杆薄型气缸电磁阀通电，机械臂下降，到位后气夹动作将工件加紧，然后提升气缸动作机械臂上升。此时，阻挡气缸电磁阀通电，放行托盘。然后对工件按照正品、废品交替形式处理工件。

成品：摆动气缸电磁阀通电，工件旋转90º并保持5秒，确保托盘已经通过该分拣单元。然后该单元传送带断电，导杆薄型气缸电磁阀通电，机械臂下降，工件被垂直放置在传送带上进行传输。

工件为废品时：直线无杆气缸电磁阀通电，将工件运至废品位，导杆薄型气缸电磁阀通电，机械臂下降，气夹松开，工件被垂直放置在废品传送线上并送至废料盒内，机械臂在该位置保持2秒后，回到初始位置。

主要技术指标：

(七) 物流仓储单元（图7）

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。具体工作如下：

当系统运行，直流电机带动传输线运行。

当电容传感器检测到托盘后，光电传感器检测托盘上无工件时，阻挡气缸缩回，托盘被传输到下一站。      

当光电传感器检测有工件后，电感传感器没有检测到托盘，Y轴启动气爪下降夹取工件，然后驱动X轴和Y轴，并根据工件颜色将工件转移到对应库架入口。此时，摆动气缸旋转180º，直线无杆气缸带动摆动气缸及平行气夹移动至入口处。然后Y轴开始启动，下降将工件水平放置在对应仓库入口传输带上，库架上的光电传感器检测到工件后，该仓库传输线开始传输工件，延时2秒钟停止。然后直线无杆气缸退回起点，摆动气缸旋转复位，X、Y轴移动提升装置运行到达初始位置。                                                       

工件回收：按下工件回收按钮，仓库电机开始反转，如果5秒钟光电传感器没有检测到工件，电机停止，启动下一个仓库电机，当光电传感器检测到工件时，X、Y移动提升装置带动机械手将工件搬回至搬运台。

主要技术指标：

(八) 行车机械手单元（图8）

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、安全光幕、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，主要完成将托盘从环形生产线的结束工位搬运到起始工位的工作。具体工作如下：

当系统运行，传送带启动，带动托盘运行到定位装置处，电感传感器检测到托盘后，传送带继续运行1S后停止，长程导杆气缸伸出，平行气夹张开落到托盘两端夹紧，长程导杆气缸缩回，提起托盘，交流减速电机启动，向右端移动到起始工位，长程导杆气缸伸出平行气夹张开将托盘放到传输线上，传输线上的电感传感器检测到托盘后启动传输线，托盘进入新一轮的工作循环。

工作区域设有四道安全防线：安全光幕检测、主动式红外传感器检测、镜面漫射传感器检测、光电对射传感器检测，在行车工作期间，任何物体进入工作区域，行车立即停止工作直至重新按动紧急按钮盒上的绿色启动按钮。

图8 行车机械手单元

主要技术指标：

(九) 圆带转角单元（图9）

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。
 

图9圆带转角单元

(十) 圆带辊道传输线（图10）

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。

图10 圆带辊道传输线

(十一) 链条辊道传输线（图11）

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。

图11链条辊道传输线

(十二) 皮带传输线（图12）

由传输带、同步带，同步轮、直流减速电机组成，主要完成托盘和工件的传输，为环形线主要传送单元。

图12皮带传输线

(十三) 总控平台（图13）

图13 总控平台

控制台主要由三相电网电压指示、电源控制部分、CPU315-2DP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。

二位选择开关：控制系统工作方式，用于系统在联机运行模式（右侧档）及单机运行模式（左侧档）的切换。

启动和停止开关：控制整条流水线的运行和停止，对应运行和停止指示灯。

急停开关：当环形生产线有异常情况，在联机状态下，按下开关，整条线停止动作。

复位开关：在设备运行出现故障或报警时，按下复位开关，在联机状态下各单元处于停止运行状态，复位指示灯亮。

主要技术指标：

六、 工业网络通讯（以西门子系统为例）

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。

七、 控制系统

（一）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

（二）配置清单

八、 系统软件

系统具备多种组态软件、编程软件、管理软件功能，如WINCC、OPC、STEP7、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。（以西门子系统为例）

1. 西门子编程软件

配有西门子STEP7 MicroWIN SP4和STEP7 V5.3编程软件，分别对S7-200和S7-300系列PLC编程、再线监控。编程软件为用户开发、编辑和控制自己的应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发你的应用程序，西门子软件提供了多种程序编辑器，软件还提供了在线帮助系统，以便获取所需要的信息。

          STEP7 MicroWIN SP4编程软件                       STEP7 V5.4编程软件