TC-FMS模塊化柔性加工系統
一、系統概述
TC-FMS模塊化柔性加工系統是集成了自動控制技術、人工智能、
計算機語言編程組態監控等先進技術的開放式實驗設備，該系統集成了現場通訊技術以及現場組態管理。系統具有多種驅動形式：有氣壓傳動、傳送帶、步進電機、直流電機傳動、交流伺服電機、變頻調速電機等工業常見的傳動。學生通過這套系統可學到系統全面的知識，如：各電機的工作原理、各驅動器件的工作原理、氣動元件工作原理以及元件造型、日常維護等各方面的知識。它使得學生能方便地了解這套先進技術如同在工業上的應用，使學生能近距離地學習這些技術。
1．模塊化柔性加工系統的組成及特點：
模塊化柔性加工系統為一有機整體，由中央控制臺、自動傳輸站、立體倉庫站、三坐標測量站、CNC加工站，安裝搬運站，拆卸分揀站組成。各站在中央控制臺上可統一控制、協調工作。如果需要，系統可以各站單獨工作，互相不受影響。系統可容納多人同時學習，使學生有更多的機會操控設備。
該系統使用有軌小車來聯系各站點，導軌的適當延長就可隨意添加所需站點，而且還可用中央控制臺對整個系統進行整體調度控制。該系統控制技術先進，提供給我們的是一個典型的綜合科技環境。它特別適合項目導入式教學，學生在這套設備上可將過去所學的知識有機地聯系在一起，使其動手能力、綜合分析能力上升到一個新高度。
系統可整體培訓也可各單元（站）獨立同時培訓，不用機械拆裝，即可進行整體培訓和單元獨立培訓的轉換，培訓起來靈活、。
系統設有故障調試綜合設置模塊；老師可方便地設置該模塊在各站設置一些故障，學生在這套設備上不但可學習系統的編程使用和維護，還可學習故障分析方法和對故障進行診斷分析。
2．系統控制方案：
本控制方案的目標，是使學生通過實訓，掌握現場通訊（Profibus）技術和采用廣播方式實現PLC之間交換信息的PLC互連技術。作為PLC通訊網絡的基本技術，并鑒于采用現場通訊（Profibus）總線的PLC互連網絡廣泛用于大、中型集散控制系統上，能熟練掌握這一技能，是高職學生必不可少的。
根據機械平臺的上述工藝過程，模塊化柔性加工系統可采用西門子（PROFINET）網絡通訊方式實現分布式的控制系統。該系統由7套西門子PLC（中央控制臺采用西門子S7-300PLC，其余各站采用西門子S7-1200PLC并帶有支持西門子PROFINET）和7臺計算機組成，現場控制網絡由現場總線構成，用于溝通各站間運動信息、協調各站之間運動的配合。上層管理控制網絡由西門子網絡與組態技術構成，它將中央控制臺與6個從站有機地連接在一起，用于控制各站的工作任務的工作安排、工作信息管理，以及工作狀態的監控。
西門子S7-1200系列：本方案采用PROFINET實現通訊，以中央控制臺PLC為主站，其余各站為從站構成點對點通訊網絡，并在自動傳輸站配置有西門子人機界面（HMITP177A）連接此網絡。
3．系統控制構件方案圖：
4．實驗室布置方案圖：
二、技術參數
1．交流電源：三相四線制，AC 380V±10%50 Hz；單相三線制，AC 220V±10%50 Hz。
2．溫度：~；環境濕度：≤90%（）。
3．實訓設備外形尺寸：長×寬×高=××。
4．整機消耗：≤1.5kVA。
5．氣源工作壓力：小0.4Mbar，1Mbar。
6．安全保護措施：具有接地保護、漏電保護功能，安全性符合相關的標準。
三、各站技術參數與裝置機構
1．中央控制臺：
該站主要負責統籌各站信息，協調各站有序運行。并提供組態軟件實現對每個工作站進行遠程監控和組態。
技術規格：
外形尺寸：長×寬×高=1600×820×1240mm
額定電流：3A
輸入電壓：AC 220V
控制電壓：DC 24V
中央控制臺主要部件：
1、控制臺：多功能金屬控制臺，可放置PC機、電氣掛板，能鑲嵌各類指示燈、按鈕、
顯示儀表等。
2、主機鍵盤鎖閉機構設計：聯想P4 品牌電腦，17寸液晶顯示屏。
3、信息指示屏：系統電源及電流指示儀表（三相AC 200V、單相AC 220V）。
4、控制按鈕：包括1個急停按鈕、1個上電按鈕（帶上電指示燈）、1個停止按鈕、1
個流程選擇旋鈕、1一個加工/拆卸切換旋鈕、1個復位按鈕（帶指示燈）、1個開始按鈕（帶指示燈）。
5、設備信息顯示和控制面板：六路綠色指示燈、六路紅色指示燈、12路控制按鈕。
6、USB擴展接口：控制臺表面帶有三路USB擴展接口。
7、電氣掛板：明威24V開關電源、各類接線端子、繼電器。
控制系統的組成：
1、一套西門子1200系列PLC帶2個通訊端口及其編程軟件
2、網絡通訊線及其接線電纜
3、一套上位監控計算機和組態監控軟件
4、明威DC24V開關穩壓電源
5、8個按鈕的輸入控制界面
6、系統上電急?；芈凡糠?/p>
2．自動傳輸站：
自動傳輸站由AGV自動傳送小車與傳輸軌道（行程為）組成，采用有軌運行方式，作為各站的傳送樞紐，機械手臂具有≥270度的4工位旋轉可伸縮可升降特點，通過中央控制系統進行有效合理的任務調度，也可單獨進行手動調度。小車直線運行，能準確停到各工作站點，停位誤差小于±，同時能對?？扛髡具M行上、下工件的取放操作；設有硬件急停功能確保系統設備安全。
技術規格：
供電電壓：AC 220V
供電電流：≥
小車運行距離：≥
手臂伸縮距離：≥350mm
尺寸大?。╩m）：≥1000×350×450mm
工位數量：4工位
有效的載荷：≥4KG
運行速度：≥/sec
控制方式：采用PLC控制傳輸小車運行、機械手臂旋轉及氣動手臂夾取裝置
運行模式：獨立操作運行、上位機組態監控模式以及遠程控制模式
自動傳輸站主要部件：
1、小車車體
小車導軌用金屬支架、工業型鋁材和金屬定位塊組成，小車本體由金屬外罩和鋁制底板組成；采用交流步進電機驅動小車運動；底部設有三個高抗擾性光電傳感器負責小車在導軌上的精確定位。
2、三自由度旋轉機械手裝置
步進電機驅動機械手裝置旋轉，手臂的升降、伸縮及抓取分別由三個SMC進口氣缸完成，自由旋轉角度≥270°。
3、兩個暫存工位
小車前后分別設置一個由鋁型材及定位滑塊構建成的暫存工件位。
4、控制柜
工業標準控制柜，帶有電源濾波器，所有外部接線具有防水設計功能，帶有擴展接線
口，雙開門設計。
5、觸摸屏
采用5.7英寸的西門子標準觸摸屏（西門子TP）。
6、電機及驅動器
控制傳輸小車運動、機械手臂旋轉的兩軸電機采用“START”步進驅動裝置（帶蝸輪蝸桿減速機構）。
控制系統的組成：
1、一套西門子1200系列PLC帶2個通訊端口及其編程軟件
2、網絡通訊線及其接線電纜
3、一套上位監控計算機和組態監控軟件
4、工業現場總線接口
5、明威DC24V開關穩壓電源
6、故障調試綜合設置模塊
7、硬件急停裝置
8、6個按鈕的輸入控制界面
9、系統上電急?；芈凡糠?/p>
10、氣動控制回路
11、步進驅動裝置.
3．立體倉庫站：
自動立體式倉庫采用組合式貨架方式鋁制型材搭建，用于存放待加工的原材料或者已加工檢測完好的成品貨物，可根據不同的設定方案在組態中自由配置倉位狀態。
技術規格：
倉庫數量：4層5列的20個存儲倉位
供電電壓：AC 220V
供電電流：≤5A
工件大?。╩m）：≥120×80×20mm
工件重量：≤
外型尺寸：≥1200×720×1400mm
各軸運行的距離(mm)：X向：≥900 ，Y向：≥600
控制方式：由PLC控制X、Y軸步進電機運動及Z軸方向的氣動取放工件氣缸
運行模式：獨立操作運行、上位機組態監控模式以及遠程控制模式
立體倉庫站主要部件：
1、立體倉庫
工業鋁型材組建，4×5共20個工件倉位，在X、Y軸各設置一個判斷基準位的原點傳感器。
2、輸送單元
X軸運動方向結構由步進電機（功率≥100W）、渦輪渦桿減速裝置及同步帶驅動；
Y軸運動方向由步進電機（功率≥100W）、渦輪渦桿減速裝置及同步帶驅動；
Z軸方向由SMC進口氣缸及兩位置判定傳感器（KT07R）完成伸縮取送工件。
3、載物平臺
由平臺與自動調整滑塊組成并固定在Z軸方向的氣缸之上，在操作時對工件的位置進行自行導正。
4、控制柜
立體倉庫控制裝置采用工業標準配電柜設計；所有接線均通過接線端子引出；接口線路使用工業標準接線。帶有電源濾波器，所有外部接線具有防水設計功能，帶有擴展接線口，雙開門設計。
5、電機及其驅動器
控制X、Y兩軸電機采用“START”步進驅動裝置（帶蝸輪蝸桿減速機構）。
控制系統的組成：
1、一套西門子1200系列PLC帶2個通訊端口及其編程軟件
2、網絡通訊線及其接線電纜
3、一套上位監控計算機和組態監控軟件
4、工業現場總線接口
5、明威24V開關電源
6、故障調試綜合設置模塊
7、硬件急停裝置
8、6個按鈕的輸入控制界面
9、系統上電急?；芈凡糠?/p>
10、氣動控制回路
4．三坐標測量站
該三坐標測量站由4軸PCI運動控制卡控制交流伺服電機驅動，機械機構使用高精度直線導軌和高精度絲桿以保持測量精度，測量頭強度高且帶有過載保護裝置。該站可自動將工件夾緊定位并對工件進行三坐標測量，測量誤差≤，測量頭帶碰撞保護裝置，以防止學生誤操作。
技術規格：
外形尺寸:1100×720×1470mm
額定電流：
輸入電壓：AC 220V
控制電壓：DC 24V
控制方式：采用3軸（X、Y、Z）交流伺服電機驅動與測量探頭組成
運行模式：獨立操作運行、上位機組態監控模式以及遠程控制模式
三坐標測量站主要部件：
1、工件自動定位平臺
尺寸：280x，工業鋁型材組建。
2、氣動夾具
由兩氣缸在X、Y方向對工件進行夾緊定位,傳感器型號為：KT-07R，由兩傳感器分別判斷X、Y方向夾緊及松開位置。
3、X、Y、Z三軸測量機構
測量探頭機械接觸式測量探頭，測量精度可靠，同時具備過載保護裝置，能有效避免應誤差做而導致的劇烈碰裝而損壞測量頭；交流伺服電機驅動的三軸絲桿運動結構。
控制系統的組成：
1、一套西門子1200系列PLC帶2個通訊端口及其編程軟件
2、網絡通訊線及其接線電纜
3、4軸PCI運動控制卡及其上位機驅動軟件
4、工業現場總線接口
5、軸控制卡調用控制外部接口模塊
6、明威24V開關電源
7、故障調試綜合設置模塊
8、 探頭急停裝置
9、6個按鈕的輸入控制界面
10、 系統上電急?；芈凡糠?/p>
11、 氣動控制回路
12、 交流伺服控制系統。
5．CNC加工站
該站用4軸PCI運動控制卡組建一臺模擬的加工單元，可以通過VB、VC、LABVIEW等開發語言編寫任何加工程序，為學生提供了自動化控制的一個數控加工軟件編程實施平臺；由西門子PLC（s7-1200）系統控制與PCI控制卡數據交換控制；數控系統界面通過計算機可進行運動控制編程。該站可以進行Labview、C語言等編程控制，可實現多軸直線插補，兩軸圓弧插補。
技術規格：
額定電流：；
輸入電壓：AC 220V；
控制電壓：DC 24V；
外形尺寸：1100×720×1500mm
控制方式：采用3軸（X、Y、Z）步進
電機驅動與變頻主軸三相異步電機組成
運行模式：獨立操作運行、上位機組態監控模式以及遠程控制模式
CNC加工站主要包括：
1、西門子S7-1200PLC
2、四軸運動控制卡
3、三軸絲桿傳動
4、工件自動定位機構
5、主軸三相變頻異步電動機
6、工件加工臺面。
運動驅動元件：
1、X、Y、Z三軸由步進電機驅動
2、模擬主軸由三相變頻異步電動機控制
3、工件自動定位由氣缸夾緊定位
控制系統的組成：
1、一套西門子1200系列PLC帶2個通訊端口及其編程軟件
2、網絡通訊線及其接線電纜
3、工業現場總線接口
4、明威24V開關電源
5、故障調試綜合設置模塊
6、系統上電急?；芈凡糠?/p>
7、6個按鈕的輸入控制界面
8、運動機構硬件急停裝置
9、氣動控制回路
10、斯達特MS-3H步進驅動器
6．安裝搬運站
安裝搬運站主要由工件暫持裝置、工件安裝裝置、工業六軸機器人等組成。該站負責把加工完成的工件搬運至安裝平臺，通過安裝裝置把一小工件裝配至大工件中央的圓孔內，由機器人將安裝完成的工件搬運至暫存工位，搬運到自動傳輸站的工件位上。
技術規格：
外形尺寸：1100×720×1300mm
額定電流：10A
工作電壓：AC 380V ， AC 220V
控制電壓：DC 24V
運行模式：獨立操作運行、上位機組態監控模式以及遠程控制模式
安裝搬運站主要包括：
1、一個工件暫存工位：鋁型平臺，帶工件定位滑塊。
2、一套工件安裝裝置：包括二個送料氣缸及其位置判斷傳感器、安裝缸及其位置判斷傳感器。
3、一個模擬機器人：自制機器人；搬運半徑≥。
4、一套氣動控制回路：主要由氣動三聯件、執行氣缸、控制電磁閥及氣管等組成。
機器人系統構成：
1、控制柜
2、六軸機械手臂
3、三相變壓器（AC380V/AC200V）
4、工件夾爪氣缸.
控制系統的組成：
1、一套西門子1200系列PLC帶2個通訊端口及其編程軟件
2、網絡通訊線及其接線電纜
3、一套上位監控計算機和組態監控軟件
4、工業現場總線接口
5、機器人控制接口
6、故障調試綜合設置模塊
7、系統上電急?；芈凡糠?/p>
8、6個按鈕的輸入控制界面
9、氣動控制回路
7．拆卸分檢站
該站可以對成品工件實現自動拆卸功能，并可通過傳送帶送出小工件，根據小工件的不同種類由氣動機械手進行分類存放。
技術規格：
外形尺寸：1100×720×1200mm
額定電流：4A
輸入電壓：AC 220V
控制電壓：DC 24V
拆卸分檢站主要包括：
1、一套工件拆卸裝置
由送料氣缸、拆卸氣缸及其位置判斷傳感器以及工件導向塊組成，傳感器型號：KT-07R。
2、一條工件傳輸裝置
由傳送帶和ZGA37RH2671直流減速電機組成。傳送帶行程≥250mm。
3、顏色識別裝置
設有顏色識別光電傳感器：ES18-D0D1NK。
4、小工件分類裝置
分別由伸縮缸、升降缸、夾爪缸組成氣動機械手及其位置判斷傳感器組成分類裝置，結合攔截氣缸完成小工件的分類操作。傳感器型號：KT33R、KT32R、D-Y59B。
拆卸系統驅動：
1、拆卸及分類機構由氣動元件驅動
2、傳送機構由直流電機驅動
控制系統的組成：
1、一套西門子1200系列PLC帶2個通訊端口及其編程軟件
2、網絡通訊線及其接線電纜
3、一套上位監控計算機和組態監控軟件
4、工業現場總線接口
5、故障調試綜合設置模塊
6、系統上電急?；芈凡糠?/p>
7、6個按鈕的輸入控制界面
8、氣動控制回路.
四、設備可培訓內容
由于系統所提供的是一個綜合的科技環境,因此在本設備上可進行多種技術的培訓。在本設備上我們可進行傳感器技術、氣動技術、電機驅動和PLC技術等多方面的培訓，通過這套設備我們介紹給大家的是一種不同的教學理念和教學方法。該設備可培訓的內容：
1．傳感器培訓
該系統所使用的傳感器數量達四十多個，有電感式的、光電式的以及電磁式的，每一個都有著各自的特性、發揮著不同的作用，使系統得以可靠工作。通過了解設備中各類傳感器的工作特性,可加強學生對這些傳感器的感性認識，再結合老師對傳感器工作原理的分析和特性演示，可使學員快速掌握所學知識。
2．氣動技術培訓
該裝置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、過濾調壓閥等。在學習這些氣動元件時，學生不但可以單獨學習每一種分離元件，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。
3．PLC 技術培訓
系統所提供的六套工作站各自都有一套PLC控制器，這使得系統可以分成六個完全獨立的工作單元，使二十幾個學生可以同時進行學習，而且每個學員都有動手的機會。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。為靈活學習和掌握PLC 的各方面知識提供了條件。
4．電氣控制系統培訓
六個工作站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地址查對和新設備電路連線分析方法。
5．機械系統安裝調試培訓
系統上的六個工作站可讓各組學員將機械部分全部的或部分的拆去，再按要求將其重新組裝，并且調試至系統可正常、可靠地工作。這對提高在校學生動手能力有極大幫助。
6．電機驅動技術培訓
立體倉庫站與CNC加工站上均含有步進電機及電機驅動器系統，學生在學習步進電機的原理及應用時，在這里可以得到切實的應用；CNC加工站還含有三相異步電動機集合變頻器的控制；此外，系統中三坐標測量站含有交流伺服電機，并運用了驅動器，學生可全面學習電機知識。
7．系統維護和故障檢測技術培訓
這部分培訓重點介紹機電一體化系統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。
8．計算機組態監控技術培訓
隨著對工業自動化的要求越來越高，以及大量控制設備和過程監控裝置之間通信的需要,監控和數據采集系統越來越受到重視。掌握上位計算機監控技術也是學生的必修課程。該系統采用的是國內流行的典型工業控制組態監控軟件。通過該軟件的學習可了解實際工程中的常見問題及處理方法。
9．網絡技術培訓
該系統集成了西門子系列的現場網絡總線，并通過總線形式傳遞各站信息，協調各站有序運行。學生根據通訊要求編寫各單元PLC程序，通過PROFINET網絡技術、把多個單元聯成一套完整的現代生產物流系統。使學生在編程和控制實踐中，更加直接、有效地學習和掌握該總線通訊技術，了解現場通訊在工業自動化生產中的重要作用。
10．FMS設備可實現的培訓內容：
1、FMS（柔性制造系統）主要內容包括：先進控制軟件、軟測量技術、實時數據庫技術、數據融合與數據處理技術、現場控制系統（FCS）、多總線網絡化控制系統、傳感器技術、特種執行機構等。
2、MES（制造執行系統）主要內容包括：先進建模與流程模擬技術、先進計劃與調度技術、實時優化技術、故障診斷技術、數據挖掘與數據校正技術、動態質量控制與管理技術、動態成本控制與管理技術。
3、FMS系統網絡通訊采用現場總線網絡結構，完成智能現場設備的信息集成，并為MES軟件提供OPC數據接口。
11．后續研究內容有：
1、資源分配和狀態管理：加工設備，物料，輸送設備等，系統可以實時獲得各種系統資
源的實時狀態。
2、工序詳細調度：可以指定生產任務的優先級并根據一定的規則對生產作業進行調度。
3、文檔控制：管理并傳遞與生產單元相關的信息文檔，包括加工工藝文件，加工工藝參
數等。
4、生產過程管理：監控生產過程，對生產過程中的故障提供詳細的報警信息。
5、物料流管理：對系統中的幾種加工原料和豐富多樣的加工成品提供直觀的物料流管理。
