TC-FMS柔性加工系统

TC-FMS系统是用来学习自动控制技术、人工智能、计算机网络控制等先进技术的开放式的实验系统。该系统集成了现场通讯技术（Profibus总线通信）以及以太网通讯技术。它使得学生方便地了解这套先进技术如同在工业上地应用，使学生能近距离地学习这些技术。

该系统具有多种驱动形式：有气压传动、传送带、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、变频调速电机等工业常见的传动。学生通过这套系统可学到系统全面的知识，如：各电机的工作原理、各驱动器件的工作原理、气动元件工作原理以及元件造型、使用维护等各方面的知识。该系统为一有机整体，有库房、输送小车、测量站、加工中心，还有安装站和拆卸站。各站在中央控制台上可统一控制、协调工作。而且如果需要，系统可以各站单独工作，互相不受影响。系统可容纳多人同时学习，使学生有更多的机会操控设备。该系统可整体培训也可各单元（站）独立同时培训，不用机械拆装，即可进行整体培训和单元独立培训的转换，培训起来灵活、高效。老师可方便地在各站设置一些故障，学生在这套设备上不但可学习系统的编程使用和维护，还可学习故障分析方法和对故障进行诊断分析。该系统使用有轨小车来联系各站点，导轨的适当延长就可随意添加所需站点，而且还可用中央控制台对整个系统进行整体调度控制。该系统控制技术先进，提供给我们的是一个典型的综合科技环境。它特别适合项目导入式教学，学生在这套设备上可将过去所学的知识有机地联系在一起，使其动手能力、综合分析能力上升到一个新高度。

该系统由7套西门子s7-200PLC和7台计算机组成，现场控制网络由现场总线构成，用于沟通各站间运动信息、协调各站之间运动的配合。上层管理控制网络由以太网构成，它将中央控制台与7个从站有机地连接在一起，用于控制各站的工作任务的工作安排、工作信息管理，以及工作状态的监控。系统各站均有一套完整可靠的控制程序，整个系统还带有一套MES（生产执行管理系统）可对各种以及整个系统进行全面监控，能显示生产效率，各站工作和等待时间、故障指示、故障原因分析等内容。该系统可以介绍给学生目前最常用的工业现场控制模式，能使学生学习到最先进、实用的控制技术。

系统控制构件方案图：

1、中央控制台：

该站主要负责统筹各站信息，协调各站有序运行。提供组态软件实现对每个工作站进行远程监控和组态。技术规格见下：

外形尺寸：1100x720x780mm

额定电流：5A

输入电压：AC 220V

控制电压：24V

该站主要结构参数及主要部件：

1） 控制台：多功能金属控制台，可放置PC机、电气挂板，能镶嵌各类指示灯、按钮、显示仪表等

2） 主机键盘锁闭机构设计：联想P4 品牌电脑，17寸液晶显示屏（联想扬天M2620V）

3） 信息指示屏：系统电源及电流指示仪表（AC 380V、AC 220V）

4） 控制按钮屏：包括1个急停按钮、1个上电按钮（带上电指示灯）、1个停止按钮、1个流程选择旋钮、1一个手动/自动切换旋钮、1个复位按钮（带指示灯）、1个开始按钮（带指示灯）

5） 信息显示和控制面板：七路绿色指示灯、七路红色指示灯、14路控制按钮

6） USB扩展接口：控制台表面带有三路USB扩展接口

7） 电气挂板：明威24V开关电源、各类接线端子、继电器

8） PCI开关量板（20输入/20输出）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

控制系统的组成：

1） 一套上位监控计算机和组态监控软件

2） MES生产管理执行软件

3） 以太网接口

2、自动传输站：

自动传输站由AGV自动传送小车组成，采用有轨运行方式，是各站的传送枢纽，具有≥280度的4工位旋转可伸缩手臂，通过中央控制系统进行有效合理的调度，也可单独进行手动调度。小车直线运行，能准确停到各工作站点，停位误差小于±1mm，同时能对停靠各站进行上、下工件的操作

技术规格见下：                       

  ：   供电电压：AC220V

供电电流：≥10A

小车运行距离：≥3.5M

手臂伸缩距离：≥35CM

尺寸大小（mm）：≥1000×350×450

工位数量：4工位

有效的载荷：≥6KG

运行速度：≥500mm/sec

主要部件：

1） 小车车体

小车导轨用金属支架及工业型铝材组成，由START步进电机驱动运行底部有三个光电传感器负责小车在导轨上的精确定位。

2） 四自由度旋转机器手

START步进电机驱动，手臂的升降、伸缩及夹爪分别由三个SMC进口气缸组成，自由旋转角度≥270°

3） 两个暂存工位

小车前后分别设置一个由铝型材及定位块构建成的暂存工件位

控制方式：PLC控制1轴（步进）传输运行+1轴（步进）手臂旋转+1轴气动手臂夹取装置。

控制柜：工业标准控制柜，带有电源滤波器，所有外部接线具有防水设计功能，带有扩展接线口，前后开门设计。

开关电源：高稳定性宽伏稳压电源（AC220转DC24V）

气动元气件：日本SMC工业气缸及其电磁换向阀（KT系列）。

触摸屏：5.7’触摸屏（西门子 TP177A）

电机及其驱动器：两轴START步进驱动装置

控制系统的组成：

1）    一套西门子s7-200 PLC及其编程软件

2）    PROFIBUS专用接头及其接线电缆

3）    一套上位监控计算机和组态监控软件

4）    工业现场总线接口

5）    以太网接口

6）    明威24V开关电源

7）    I/O接口，16输入，16输出

8）    故障设置盒

9）    硬件急停装置

10）6个按钮的输入界面

3、立体仓库站：

自动立体式仓库采用组合式货架搭建，用于存放待加工的原材料或者已加工检测完好的成品货物，可根据不同的设定方案自动配置仓位区域。安装调试方便，安装方式为地脚安装。技术规格见下：

仓库数量：4层5格  20个

工件大小（mm）：≥120×80×20

工件重量：≤3kg

外型尺寸：≥1200×720×600

各轴运行的距离(mm)：X向：≥850   Y向：≥600

控制方式：PLC控制2轴步进+1轴气缸

运行模式：独立操作运行、上位机组态监控模式以及远程控制模式

主要部件：

1）    立体仓库：

工业铝型材组建，4x5共20个工件仓位，每层及每列仓位要设置一个位置校验传感器共9个光电传感器，同时在X、Y轴各设置一个原点传感器

2）    输送单元：

X轴运动方向由START步进电机（功率≥100W）及同步带驱动

Y轴运动方向由START步进电机（功率≥100W）及同步带驱动

Z轴方向由SMC进口气缸及两位置判定传感器（KT07R）完成伸缩取送工件

3）    载物平台

固定在Z轴方向的气缸之上，对工件的位置进行自行导正功能

工业标准控制柜：立体仓库控制装置采用工业标准配电柜设计；所有接线均通过接线端子引出，具有详细的标签说明；接口线路使用工业标准接线。带有电源滤波器，所有外部接线具有防水设计功能，带有扩展接线口，前后开门设计。

Ø  供电电压：AC220V

Ø  供电电流：≤16A

Ø  外型尺寸（L×W×H）mm：≥700×700×260

工作模式：手动/自动、单机/联网双模式控制，可单独进行操作运行及其调试，也可联网进行操作运行及其调试。

开关电源：高稳定性宽伏稳压电源（AC220转DC24V）

气动元气件：进口工业气缸及其电磁换向阀。

触摸屏：进口触摸屏（三菱）

电机及其驱动器：START电机及其驱动器

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

控制系统的组成：

1） 一套西门子s7-313-2DP PLC及其编程软件

2） PROFIBUS专用接头及其接线电缆

3） 一套上位监控计算机和组态监控软件

4） 工业现场总线接口

5） 以太网接口

6） 明威24V开关电源

7） I/O接口，16输入，16输出

8） 故障设置盒

9） 硬件急停装置

10）      6个按钮的输入界面

4、三坐标测量站

该三坐标测量站由步进和交流伺服电机驱动，机械机构使用高精度直线导轨和高精度滚珠丝感以保持测量精度，测量头强度高且带有过载保护装置。该站可自动将工件夹紧定位并对工件进行三坐标测量，测量误差≤0.01 mm，测量头带碰撞保护装置，以防止学生误操作

技术规格见下：

外形尺寸:1100x720x780mm  额定电流：5A 输入电压：AC 220V  控制电压：24V

主要部件包括：

1）工件自动定位机构：可测量规则物体的外形尺寸及内部圆孔直径，

尺寸：280x180mm         工业铝型材组建

2） 气动夹具：由两气缸在X、Y方向对工件进行夹紧定位

气缸品牌为：SMC进口气缸，传感器型号为：KT-07R，由两传感器分别判断X、Y方向夹紧及松开位置

3） X、Y、Z三轴测量机构:测量探头机械接触式测量探头，测量精度可靠，同时具备过载保护装置，能有效避免应误差做而导致的剧烈碰装而损坏测量头；

4） 带过载保护功能的机械测量探头，测量头强度高，测量误差≤0.01mm

 

控制系统的组成：

1） 一套西门子s7-313-2DP PLC及其编程软件

2） PROFIBUS专用接头及其接线电缆

3） 一套上位监控计算机和组态监控软件

4） 4轴PCI运动控制卡及其上位机驱动软件

5） 轴控制卡调用控制接口

6） 工业现场总线接口

7） 以太网接口

8） 人机交换界面及其编程软件

9） I/O接口，16输入，16输出

10）      明威24V开关电源

11）      故障设置盒

12）      硬件急停装置

13）      6个按钮的输入界面

5、CNC加工站

技术规格：额定电流：10A；输入电压：AC 220V；控制电压：24V；主要包括：四轴运动控制卡、三轴滚珠丝杠传动、工件自动夹紧机构；

外形尺寸：1100x750x780mm

该站用4轴PCI运动控制卡组建一台模拟的加工单元，可以通过VB、VC、LABVIEW等开发语言编写任何加工程序，为学生提供了自动化控制的一个数控加工软件编程实施平台；由西门子PLC（s7-200）系统控制；可以通过VB、VC、LABVIEW等开发语言编写任何加工程序，为学生提供了自动化控制的一个数控加工软件编程实施平台；数控系统通过计算机可进行运动控制编程。该站可以进行Labview、C语言等编程控制，可实现多轴直线插补，两轴圆弧插补。

主要包括：

1）    四轴运动控制卡  

2）    三轴滚珠丝杠传动

3）    工件自动夹紧机构

运动驱动：

1）    X、Y、Z三轴由步进电机驱动

2）    模拟主轴由三相变频异步电动机控制

控制系统：

1） 一套西门子s7-313-2DP PLC及其编程软件

2） PROFIBUS专用接头及其接线电缆

3） 一套上位监控计算机和组态监控软件

4） 工业现场总线接口

5） 以太网接口

6） 明威24V开关电源

7） 故障设置盒

8） 硬件急停装置

9） 6个按钮的输入界面

6、安装搬运站

安装搬运站主要由电磁阀及其控制气缸组成，同时由首钢MOTOMAN工业六轴机器人负责工件的搬运。该站负责把加工完成的工件搬运至安装平台，通过压装装置把一小工件装配至大工件中央的圆孔内，并有机器人搬运至暂存工位。

技术规格见下：

外形尺寸：1100x720x780mm

额定电流：4A

输入电压：AC 220V

控制电压：24V

机械部分主要包括：

1） 一个工件暂存工位：铝型平台，带工件定位块

2） 一套工件压装装置：包括一个送料气缸及其位置判断传感器、压送缸及其位置判断传感器，气缸品牌为SMC进口气缸

3）一个六轴工业机器人：首钢MOTOMAN机器人HP3，终端定位精度≤±0.03 mm，搬运半径≥700 mm

机器人系统构成：

1）    NX100控制柜

2）    手持触摸式中文示教编程器

3）    六轴机械手臂

安装系统驱动：气动元件驱动

控制系统：

1） 一套西门子s7-313-2DP PLC及其编程软件

2）一套上位监控计算机和组态监控软件

3）工业现场总线接口

4）    以太网接口

5）    机器人控制接口

6）    I/O接口，16输入，16输出

7）    故障设置盒

8）    硬件急停装置

9）    6个按钮的输入界面

7、拆卸分检站

该站可以对成品工件实现自动拆卸功能，并可通过传送带送出小工件，根据小工件的不同种类由气动机械手进行分类存放

技术规格见下：

外形尺寸：1100x720x780mm

额定电流：3A

输入电压：AC 220V

控制电压：24V

机械部分主要包括：

1） 一套工件拆卸装置：由送料气缸、拆卸气缸及其位置判断传感器组成组成

气缸品牌：SMC进口气缸        传感器型号：KT-07R

2） 一条工件传输装置：由传送带和ZGA37RH2671直流减速电机组成

传送带行程≥250mm

3） 颜色识别装置

颜色识别传感器：ES18-D0D1NK

4） 小工件分类装置：分别由伸缩缸、升降缸、夹爪缸组成气动机械手及其位置判断传感器组成分类装置，结合拦截气缸完成小工件的分类操作。

气缸品牌：SMC进口气缸

传感器型号：KT33R、KT32R、D-Y59B

拆卸系统驱动：

1）    拆卸及分类机构由气动元件驱动

2）    传送机构由直流电机驱动

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

控制系统：

1）一套西门子s7-200PLC及其编程软件

2）一套上位监控计算机和组态监控软件

3）    工业现场总线接口

4）    以太网接口

5）    I/O接口，16输入，16输出

6）    故障设置盒

7）    硬件急停装置

8）    6个按钮的输入界面

(二)、设备可培训内容

由于系统所提供的是一个综合的科技环境,因此在本设备上可进行多种技术的培训。在本设备上我们可进行传感器技术、气动技术、电机驱动和PLC技术等多方面的培训，通过这套设备我们介绍给大家的是一种不同的教学理念和教学方法。该设备可培训的内容：

传感器培训

该系统所使用的传感器数量达四十多个，有光纤的、电容式的、电感式的、光电式的以及电磁式的，每一个都有着各自的特性、发挥着不同的作用，使系统得以可靠工作。通过了解设备中各类传感器的工作特性,可加强学生对这些传感器的感性认识，再结合老师对传感器工作原理的分析和特性演示，可使学员快速掌握所学知识。

气动技术培训

该装置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、过滤调压阀等。在学习这些气动元件时，学生不但可以单独学习每一种分离元件， 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。

PLC 技术培训

系统所提供的六套工作站各自都有一套PLC控制器，这使得系统可以分成六个完全独立的工作单元，使二十几个学生可以同时进行学习，而且每个学员都有动手的机会。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。为灵活学习和掌握PLC 的各方面知识提供了条件。

电气控制系统培训

六个工作站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地址查对和新设备电路连线分析方法。

机械系统安装调试培训

系统上的六个工作站可让各组学员将机械部分全部的或部分的拆去，再按要求将其重新组装，并且调试至系统可正常、可靠地工作。这对提高在校学生动手能力有极大帮助。

电机驱动技术培训

    第六站上有两套步进电机及电机驱动器系统，学生在学习步进电机的原理及应用时，在这里可以得到切实的应用；此外，系统中第二站升级版上还有交流伺服电机，并运用了驱动器，学生可全面学习电机知识。

系统维护和故障检测技术培训

这部分培训重点介绍机电一体化系统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。

计算机组态监控技术培训

随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间通信的需要,监控和数据采集系统越来越受到重视。掌握上位计算机监控技术也是学生的必修课程。该系统采用的是国内流行的典型工业控制组态监控软件。通过该软件的学习可了解实际工程中的常见问题及处理方法。

网络技术培训

该系统集成了FX2N系列的CCLINK现场网络总线，并通过总线形式传递各站信息，协调各站有序运行。学生依据控制要求配置相应的硬件网络模块，编写各单元PLC程序，通过CCLINK网络技术、把多个单元联成一套完整的现代生产物流系统。使学生在编程和控制实践中，更加直接、有效地学习和掌握该总线通讯技术，了解现场通讯在工业自动化生产中的重要作用。

FMS设备可实现的培训内容：

1、FMS（柔性制造系统）主要内容包括：先进控制软件、软测量技术、实时数据库技术、数据融合与数据处理技术、现场控制系统（FCS）、多总线网络化控制系统、传感器技术、特种执行机构等；

2、MES（制造执行系统）主要内容包括：先进建模与流程模拟技术、先进计划与调度技术、实时优化技术、故障诊断技术、数据挖掘与数据校正技术、动态质量控制与管理技术、动态成本控制与管理技术；

3、FMS系统网络通讯采用现场总线网络结构，完成智能现场设备的信息集成，并为MES软件提供OPC数据接口。

后续研究内容有；

1） 资源分配和状态管理  包括：加工设备，物料，输送设备等，系统可以实时获得各种系统资源的实时状态。

2） 工序详细调度  可以指定生产任务的优先级并根据一定的规则对生产作业进行调度。

3） 文档控制  控制，管理并传递与生产单元相关的信息文档，包括加工工艺文件，加工工艺参数等。

4） 生产过程管理  监控生产过程，对生产过程中的故障提供详细的报警信息。

5） 物料流管理  对系统中的几种加工原料和丰富多样的加工成品提供直观的物料流管理。

调度研究内容有：

1） 可以生产加工两大类型产品：数控加工产品和数控外雕产品；每一种类型的产品需要经过多道工序加工；

2） 每一种类型产品应可以有无数种设计制造（子产品），有CAD/CAM软件设计，由MES下传；

3） 一些可行的调度研究有；

a. 立体仓库和输送线资源的共享分配，多台加工设备共享立体仓库和输送线；

b. 一个加工工艺中多道加工工序顺序调度，能根据设备的实时使用情况进行实时动态调度；

c. 下达的一批生产任务（比如多个订单）需要结合物料储备情况和任务的优先级（比如订单的交货期限等级制安排优先生产；

d. 可以人工设定一定的调度规则对生产任务和加工工序排队；

e. 在生产效率，加工设备和输送设备使用率等性能指标约束下进行生产调度。

（三）设备配置清单

序号	名称	数量	单位
1	上料检测站	1	套
2	搬运站	1	套
3	加工站	1	套
4	安装站	1	套
5	安装搬运站	1	套
6	分类站	1	套
7	中央控制台	1	套
8	自动传输站	1	套
9	立体仓库站	1	套
10	三坐标测量站	1	套
11	CNC加工站	1	套
12	安装搬运站	1	套
13	拆卸分检站	1	套
14	超静音气压机	1	套
15	触摸屏	1	套
16	以太网模块	13	个
17	电脑	8	套
18	编程电缆	13	根
19	电脑实验桌子	7	张
20	设备资料	1	套
21	各站通讯电缆	5	根
22	PLC编程器电缆	6	根
23	组态软件	1	套
24	M02CK30工件	22	个
25	小工件（黑色、蓝色）	22	个
26	大、小工件（黑、蓝）	各15	个
27	φ6三通接头	20	个
28	φ6气动软管	40	米
29	站连接块	10	个
30	星形把手	20	个
31	六孔插线板	5	根
32	触摸屏与PLC通讯电缆	1	根
33	触摸屏与PC通讯电缆	1	根

 

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