大学毕业设计---教学型fms控制系统的研究与设计.doc

摘 要
随着科技飞速进步，柔性制造系统（FMS）已成为现代制造业自动化前进的源动力，在许多工业领域被广泛运用。我国在FMS领域起步较晚，应用不足。国内高校现有的先进的FMS实验设备偏少，缺少相关的研究与设计人才。
本文尝试设计基于PLC与Profibus-DP总线的教学型FMS系统，该系统由立体仓库与码垛机、CCD形状识别、CNC加工、上下料搬运机器人、CCD尺寸检测及颜色识别、条码扫描检测、传输系统、分拣机器人等单元组成。对系统构建与组成，主要硬件的设计与选取，尤其是各部分的性能参数指标等进行了探索。设计中采用PLC控制可实现邢台可靠稳定，。其次通过Profibus-DP现场总线将各个功能单元链接，构成一个完整整体，在中央控制台的统一控制下协调各单元工作。
设计对主要功能模块的硬件构建进行了探索，对基于PLC控制和Profibus-DP现场总线的控制机理进行了初步研究，最后进行了相关系统的调试与运行试验。设计达到了预期目标。
关键词：教学型FMS，PLC，Profibus-DP， CCD，中央控制台

ABSTRACT
With the rapid progress of science and technology, the flexible manufacturing system (FMS) has become a driving force source of modern manufacturing automation and is widely used in many industrial fields. In the field of FMS in China starts late, lack of application. College of the existing advanced FMS experimental equipment, the lack of related research and design talents.
This paper tries to design teaching model based on PLC and profibus-dp bus FMS system, the system consists of stereoscopic warehouse and stacker crane, CCD shape recognition, CNC machining, up-down material handling robot, CCD size detection and color identification, bar code scanning, transmission system, sorting robots and other units. On the system construction and composition, main hardware design and the selection, especially the performance parameters of the parts, etc. PLC control can be realized in the design of xingtai, reliable, stable. Secondly by profibus-dp field bus will each functional unit links, constitute a complete whole, in the central console coordination under the unified control of each work unit.
Design of main function module of hardware to construct has carried on the exploration, based on PLC and profibus-dp fieldbus control mechanism is studied, finally has carried on the related system debugging and running test. The design has reached the expected goal.
KEY WORDS： PLC，FMS, Profibus-DP, CCD, CNC

摘 要 1
ABSTRACT 2
第一章 绪 论 4
1.1柔性制造系统概述 4
1.2柔性制造系统国内外研究现状 6
1．3 本文主要研究内容 8
1．4课题研究目的及意义 8
第2章 系统介绍与总体方案设计 9
2．1教学型FMS系统工作流程 9
2．2系统的布局及各组成模块 9
2．3系统的实现技术 11
第3章 教学型柔性制造系统硬件设计 14
3.1自动化立体仓库、码垛机单元 14
3.2 传输单元设计 15
3．3 CCD形状颜色识别单元 17
3.4搬运机器人单元 18
3.5条码打印扫描检测单元 20
3．6气动搬运机器人单元 21
第4章 教学型FMS系统控制部分设计 23
4.2 控制系统软件设计 24
4．3 Profibus-DP现场总线的实现 25
第5章 系统运行与调试 29
5.1 串联机器人控制试验与调试 29
5.2 码垛机控制试验与调试 31
第6章 设计小结 33
致谢 34
参考文献 35

第一章 绪 论
1.1柔性制造系统概述
1.1.1 柔性制造系统概述
柔性制造系统一般为具有统一的数据控制系统、工件工件仓储与传输系统和一系列数控加工单元组成，能适应加工目标调整的自动化智能制造系统，英文简写即FMS。
自上世纪八十年代以来，在主要发达国家中，柔性制造系统（FMS）做为实现企业制造和加工自动化的契机，在诸多领域得到广泛运用。FMS采用中央计算机进行集成管理和控制，可以高效地生产加工中小批量、多类型工件的自动化生产统，它的广泛运用很好地实现了生产自动化与生产线高柔性度要求之间的协调。
一般来说，只有单一品种、大批量、专用设备、稳定的工艺、高效率的生产，才会形成规模，产生更高经济效益；反过来，品种多、批量小的生产，设备的专用性越低，在加工环境类似的情况下，频繁更换夹具，工艺难度增大，生产效率将受到影响。为了兼顾生产线的柔性和高效率，使之在确保产品质量的前提下减少产品制造周期，缩小产品成本，兼顾中小批量生产能和大批量生产的优点，所以产生了柔性自动化系统。
柔性制造系统具有以下特点：
（1）设备利用率高。一系列机床进入柔性制造系统后，其效率比这些机床分散、单独作业时的效率提高多倍；
（2）减少在制品。数据显示，采用柔性制造系统可使在制品减少约80%；
（3）实现相对稳定的生产；
（4）系统配置和构建灵活；
（5）产品对市场的适应能力更强。
1.1.2 柔性制造系统结构
典型的柔性制造系统由对应的数据处理系统、工件仓储与传输系统和一系列数控加工单元等组成。系统为了达到制造的高柔性,FMS一般须包括以下组成部分：
（1）加工部分
柔性制造系统连接的设备与待加工零部件的类型有关,一般连接的设备有车削中心、数控(CNC)车铣磨、加工中心或齿轮加工机床等,可自动完成不同工序，不同部件的加工。
（2）储运系统
储运系统用以实现零部件及工装、夹具的自动化供给和装卸,以及实现不同工序之间的自动输送、调配和仓储工作,包括各型传送带、工业机器人、AGI及分拣单元等。
（3）中央控制系统
中央控制系统可处理柔性制造系统产生的各种数据和信息,连接控制各类自动化机床、工件供给、成品检测等各类操作所需要的数据。一般采用3级(设备级、工作站级、单元级)的分布式中央控制系统,这其中单元级控制类系统是柔性制造系统的重点。
（4）控制程序
控制程序可实现柔性制造系统对中小批量、多品种生产的有效控制、管理及调度工作。包括设计算法、过程分析类程序、生产过程优化程序、运行管理与监控程序。
1.1.3 柔性制造系统分类，效用与发展方向
按照规模大小,柔性制造系统可分为以下三类：（1）柔性制造单元(FMC)，FMC由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的CNC机床组成,具有适应加工多品种产品的灵活性，FMC的柔性相对最高。（2）柔性制造线(FML)，FML是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线,对物料系统的柔性要求低于FMS，但生产效率更高。（3）柔性制造系统(FMS)，FMS通常包括3台以上的CNC机床(或加工中心),由集中的控制系统及物料系统连接起来,可在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。FMS是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。
采用FMS的主要技术经济效果是：按照装配作业配套需要，实现安排所需零件的加工，进行及时生产，从而降低毛坯和半成品的库存量，加快资金流动，缩短生产周期；提高设备利用效率，降低设备数量和减少厂房面积；节约劳动力，在较少人操作条件下实现连续24小时的“无人化生产”；提高产品质量的一致性。
柔性制造系统的发展方向将是：（1）加快发展各类加工对象的柔性制造单元以及小型FMS。由于 FMC的投入比FMS少得多，而效果类似，更适于投入有限的中小类企业。多品种、大批量生产中运用FML的发展趋势是用价格更低的专用机床取代价格高昂的加工中心。（2）完善FMS的自动化功能。FMS完成的作业内容扩大，由早期单纯的机械加工型向装配、检验、焊接和钣材加工乃至铸锻等更高领域发展，此外，FMS还要与CAD、CAM进行结合，向全厂范围的自动化方向发展。
1.2柔性制造系统国内外研究现状
1.2.1国外柔性制造系统研究现状
主要工业发达国家在FMS领域长期占据领先地位。以美国为代表，1952年麻省理工学院设计出的第一台数控铣床可看做是柔性自动化生产的开端，它初步实现了多品种、小批量的自动化生产。1963年，美国Mehose设计并制造了首套数控自动化生产线，可加工不同类型的柴油机零部件，人类首次实现了柔性化的自动生产。1967年，美国奥姆里莱公司、英国莫斯林公司实现了完全意义上的，可适用多种类型零部件加工、生产的生产线，并将之称为柔性制造系统。
亚洲国家中日本在柔性制造系统的研究和应用中处在领先地位。1970年日本首套柔性制造生产线在日立精机公司研制成功。日本开始真正注重柔性制造系统的发展以1977年在日本发起的“无人化制造方法”规划为代表。1984到1989年的几年间，日本的柔性制造单元数量迅速增加。1991年日本实施“智能制造系统”国际性开发项目，FMS的发展开始逐渐发展并完善。
据统计，1974年世界各国实现柔性自动化生产线17条，1981年达到87条， 1985年达到349条，1990年达到1500余条，1994年初增加至三千余条，年增长达30％以上，并有逐步增加的趋势。统计表明柔柔性制造越来越受重视，使用柔性制造系统提高生产线的柔性化已成为一种趋势。世界上主要工业发达体对柔性制造系统的应用日趋成熟。目前处于应用的柔性制造系统中，近一半由美国制造商提供，其他基本上由德国、日本和其他工业化程度较高的国家公司制造。
目前主要的FMS制造商包括：美国的Kbamey&Trecker，Cincinnati Milac 、ktuIld、hlgersoU Milling，日本的三菱、日立精机、法拉克、山崎，德国的西门子、Huller Hille等。
总之柔性制造技术已成为国际制造业发展的潮流，国外对柔性制造系统的研究与应用越来越成熟，当前正在向第二代柔性制造系统(即智能柔性制造系统)的方向发展。第二代柔性制造系统借助于专家系统，将人工智能融入制造中代替人的部分脑力劳动，系统具备一定的自协调能力。该类系统在工作时如果受到外界干扰和内部激励时，可自动调节运行状态，以适应更复杂的工作环境 。
1.2.2国内柔性制造系统研究现状
中国在柔性制造系统的研究与制造方面滞后于国外10~20年。早期国内企业技术有限，在柔性制造系统的设计与应用方面基本上提留在引进和试用阶段。上世纪末，在国家政策的扶持下，一部分科研院所和高校才得以设计、研制柔性自动化生产线 。1986年中国首套柔性制造系统在北京机床研究所设计制造完成并投入运行，该系统采用部分进口与自主研发相结合的方式，采用5台国产加工中心、1台富士电机生产的AGV小车以及4台日本产的机器人构建，可实现数控机床直流伺服电机中的法兰盘、端盖、主轴等回转类部件的加工。1990年，58研究所、机电研究所、华东工学院共同努力，设计和开发的FMS在长春通过鉴定并投入生产运行。2001年，沈阳自动化研究所设计制造了中国首条，可实现摩托车车架焊接的柔性生产线。 2004年，中科院力学研究的“集成化激光智能制造及柔性加工系统”项目通过中科院的鉴定与验收，该项目可实现激光机器人制造与加工过程的智能化、柔性化、数字化、集成化与模块化，为汽车车身的加快研制提供了很好的技术支持，使汽车冲压模具激光强化的需求得到了更好满足。 2009年，江苏新瑞公司与中科院沈阳计算机研究所联合设计制造的FMS系统实现了多品种的混流无人加工。
1.2.3国内外教学型FMS研究与应用现状
国外较多高校目前已广泛购置了较先进的FMS实验系统和设备。这些FMS实验系统和设备可让学生近距离了解现代工业生产流程，初步熟悉较复杂和大型的现代工业生产线，提高了学生的操作能力，开阔了视野。学生在该类设备上的操作与学习，对今后的工作很有帮助。目前国内以清华大学为代表的众多工科院校从引进国外柔性制造系统到自研柔性自动化生产线，对教学型FMS实验系统和设备的投入在逐渐加大，也取得了不少的成绩。本校的机电工程学院在2012年与苏州博实机器人有限公司联合研制了一套柔性制造系统，在实际的教学和科研中发挥了较好的效果。
1．3 本文主要研究内容
教学型柔性制造系统是一条柔性加工生产线，由立体仓库与码垛机、CCD形状识别、CNC加工、搬运机器人、CCD尺寸检测及颜色识别、条码扫描检测、传输系统和工件废品分拣等功能模块组成。本文主要研究内容包括：
(1) 对教学型柔性制造系统进行总体设计，包括系统的布局、系统各功能模块设计、系统的控制方案等。
(2) 研究系统各工位的功能，提出各工位的解决方案，给出各工位控制器硬件、软件设计等，画系统控制流程图。
（3）在系统理论设计进行论证后，对系统进行试验与调试，以确保系统按照设计要求。
1．4课题研究目的及意义
国内FMS系统研究经历表明，在FMS制造与应用领域，我国虽起步时间较晚，但仍然取得了长足进步。国内设计和制造成功的FMS系统，正在不断缩小我国与主要发达国家在该领域的差距。不过我们也要注意到，当前我国在该领域的科研单位和院所不够多，研究力量不够强，目前正在设计和制造的各类FMS系统以仿制为主，拥有自主知识产权的系统极少，加快FMS系统的研究、加大相关人才与资金投入的压力很大。所以当前加快高校和科研院所教学型FMS系统的研究具有重大意义。
近年来，PLC由于其具有的可靠性、稳定性以及易维护性特点等，PLC技术在众多工业领域的机电设备控制中得到普遍运用，其在柔性制造系统研制中也得到了大量应用。对于柔性制造系统，基于现场总线技术对系统链接起来的设备进行组态和控制，能改善传统FMS系统控制的不足，降低维护费用，节约安装成本，改良生产环境。因而，现场总线技术与柔性制造系统相结合在工业应用上具有实际意义。 本文尝试设计基于PLC与Profibus-DP的教学型柔性制造系统具有较好的现实意义。
第2章 系统介绍与总体方案设计
2．1教学型FMS系统工作流程
工件或毛坯由四自由度码垛机器人从自动化立体仓库单元的毛坯库中取出，送到自动化输送系统单元输送线上。皮带运输机将工件或毛坯送至CCD形状识别单元处停止，由高速CCD工业相机对工件进行形状识别。形状识别结束，工件向下运送至横向输送机气推处，气推装置将工件送至暂存区，再由上下料搬运机器人抓取工件，送入相应的柔性加工单元（并联加工中心或数控车床）进行加工。加工完成后，由上下料搬运机器人取出工件，将工件放回到输送线上。工件被运送到CCD尺寸检测单元，对已加工的工件进行尺寸及位置偏差检测。检测结束，工件被运送到分拣单元，不合格的产品由气推装置送到废品存放处。合格的产品将继续传送至条码打印及粘贴处，由人工贴上条码再放回到输送线上。工件经条码扫描后，码垛机根据条码及工件的形状、尺寸将工件从输送机上取下并送至自动化立体仓库单元的成品库，完成一个工作流程。
2．2系统的布局及各组成模块
2．2．1系统的布局
柔性制造系统的布局，即物料传输线路的布局，主要有三种方式：直线型、环型和网格型。直线型是一种应用比较广泛的自动生产线布局方式，各站连接在一条直线上,工件采用小车或者传送带进行传送，可达到高效率的要求，适合工件品种较少且生产批量较大的情况；环型布局方式的传输线是按照环型的方式布置的，机床等设备沿着环外布置，这种布局方式可提高设备的利用率，且系统的容错能力比较强；网络型布局方式，柔性强、设备利用率和容错能力最高，但运送小车的控制调度较为复杂.根据实际情况，考虑到工件的品种比较少而且实验室的空间有限等因素的影响，选用环型布局方式。如图2-1所示：

图2-1 教学型FMS系统布局示意图
2．2．2系统组成模块
该系统由8个模块组成，包括立体仓库与码垛机，CCD形状识别单元、柔性制造加工单元、上下料搬运机器人单元、CCD尺寸检测及颜色识别单元、条码扫描检测单元、自动化输送线系统单元、气动分拣单元。各模块既可以与其它模块配合，共同完成自动化生产与物流传输，也可以独立工作。所有模块单元通过工业总线控制联接，即还包含系统总控单元。
仓库模块用来存储物品，由整体立体仓储单元和移动小车单元组成。各单元均采用滚珠丝杆传动、接近开关进行机械定位，通过步进电机及其驱动器实现较为精确的机械定位。移动小车在物品之间执行原料的配送和工件的自动取放。
码垛机可以集成在任何生产线中，为生产现场提供智能化、机器人化、网络化，可以实现啤酒、饮料和食品行业多种多样作业的码垛物流，广泛应用于纸箱、塑料箱、瓶类、袋类、桶装、膜包产品及灌装产品等。配套于三合一灌装线等，对各类瓶罐箱包进行码垛。码垛机自动运行分为自动进箱、转箱、分排、成堆、移堆、提堆、进托、下堆、出垛等步骤。
CCD形状识别，CCD是半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。
CNC加工加工模块。由CNC加工单元、工业机器人。机器人负责工件在传输线、数控铣床、之间的运转。当机器人将工件送来时，铣削加工单元对工件进行自动卡紧与铣削加工。加工结束后，机器人将工件取出 。
CCD尺寸检测及颜色识别 对物品进行颜色分析检测，检测模块由材料检测单元与颜色检测单元组成。材质检测单元运用材质检测传感器识别物料的材质是否为金属，并将非金属材质的结果送至PLC进行分拣处理。颜色检测单元主要是采用色标传感器区分零件上盖的颜色，红色为合格产品，白色为不合格产品，并将检测结果送至PLC进行处理，以此作为工件入库选择的依据。
从教学实训的实际出发，以三菱PX系列产品为主，设计的系统控制方案如图2．2所示。 该系统包括一个状态监控单元、一个总控单元以及十个从站单元，并通过Profibus-DP现场总线将系统各单元联系起来，实现信息数据的高速、稳定传输。

图2．2系统控制方案
2．3系统的实现技术
2．2．1可编程控制器PLC技术
1．可编程控制器的组成部分
可编程控制器与计算机控制系统的组成相似，也是由中央处理器、存储器、输入 ／输出模块、编程器、电源等几个部分组成。中央处理器由控制电路、运算器和寄存器等组成，作为PLC系统的核心，起着总指挥的作用，指挥着PL有条不紊地进行工作。存储器用于存放系统程序、用户程序及工作数据，分为系统程序存储器，用户程序存储器、数据存储器。输入／输出模块是PLC与被控设备之间的连接部件，有数字量和模拟量两种形式。编程器作为PLC最重要的外围设备，用来编写、输入、调试用户程序，也可在线监视PLC的工作状态。PLC的电源一般为单相交流电源，也有用直流24V供电的。
2．可编程控制器的工作原理
可编程控制器的工作原理与继电接触器控制装置相同，只是工作方式不同。继电器控制采用的是并行运行方式，一旦输出线圈断电或者上电，线圈触点就立刻动作。而PLC运行时，每一时刻只能执行一个操作，用户程序的执行是用扫描的工作方式完成的。PLC的整个扫描过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段，扫描整个过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期与中央处理器的执行速度和用户程序的长短有关。
(1) 内部处理：在该阶段，PLC检查中央处理器的内部硬件和扩展模块的状态正常与否，将监控定时器复位，并完成其他一些内部处理。
(2) 通信服务：在该阶段，中央处理器与智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
(3) 输入处理：在该阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态并存入输入映像寄存器中，刷新输入映像寄存器。
(4) 程序执行：PLC进行用户程序扫描，按照梯形图从上到下，从左到右的顺序逐步扫描。被执行过的指令，其结果立刻就可被其后面的指令所利用。
(5) 输出处理：当所有指令执行完毕后，输出继电器的状态由输出映像寄存器转至输出锁存器中，再输出以驱动外部负载。
2．2．2 Profibus-DP现场总线技术
是一种国际化、数字化、开放式、不依赖于设备生产商的现场通信总线，已广泛应用于制造业，工业过程控制、楼宇、电力、交通等自动化领域
(1)．Profibus-DP数据传输技术
现场总线系统的性能很大程度上决定于传输技术。在工业中，面对不同的环境，必须要考虑传输距离、传输速度、传输可靠性以及经济性等因素。
第3章 教学型柔性制造系统硬件设计
3.1自动化立体仓库、码垛机单元
码垛机是由三个直线电控工作台以及一个旋转工作台外加货叉组成。然后整体放置在底座上，用地脚螺栓固定在地面。其中Ⅰ轴采用了链传动，直线导轨支撑结构形式。外面采用柔性风琴防护罩进行保护。Ⅱ轴除行程不一致外，本身结构形式完全不同，采用了直线导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。这种结构的特点是承载能力高，安装方便。Ⅲ轴因为相对承载低，故此采用光轴直线导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。三个轴互成直角组合搭建而成。也就是典型的直角坐标机器人。工业上经常用到这种结构。Ⅳ轴为旋转轴，通过支架与Ⅲ轴活动平台连接。结构为蜗轮蜗杆形式。所有直线工作台在系统中可采用伺服电机或者步进电机驱动，通过联轴器与丝杠端连接。码垛机结构如图3-1所示：

图3-1 四自由度码垛机示意图
此次设计中，由铝合金型材搭建的双排立体化仓库,与四自由度码垛机及光电传感器组成，完成原料及成品件的取出和存放。并由传感器完成库存信息的发送。立体化仓库和四自由度码垛机技术参数如表3-1,3-2所示。
表3-1立体化仓库技术指标
立体化仓库
仓位尺寸
220mm×280mm×220mm
仓位数量
7列4层28个
外形尺寸
3000mm×280mm×1800mm
表3-2 四自由度码垛机技术参数
机构形态
直角坐标式
自由度
4
负载
≥3kg
每轴重复定位精度
0.5mm
运动分辩率
0.2mm
动作范围
Ⅰ轴行程
2500mm
Ⅱ轴行程
500mm
Ⅲ轴行程
950mm
Ⅳ轴转动
-100°～ +100°
最大速度
5m/min
本体重量
200kg
输入电压
AC220V50Hz
控制方式
二伺服电机二步进电机
运行模式
欧姆龙PLC控制，可独立运行
安装环境
温度
0～+45oC
湿度
20～80%不结露
振动
0.5G以下
其它
避免易燃、腐蚀性气体、液体
勿溅水、油、粉尘等
勿接近电器噪声源
3.2 传输单元设计
输送系统由7条皮带输送机和2台90度转角输送机组成H型输送系统，框架采用铝合金框架,其结构简单、重量轻，安装、使用、维护方便。每条皮带运输机由铝合金支架、皮带、辊筒、电机与减速器组成，并且输送机上装有位置传感器。转角输送部分由直流电机+减速器驱动，所有输送机速度可调，系统中要有一条变频调速输送线。
本输送系统由H型组成进行工件的输送，铝合金框架,其结构简单、重量轻，安装、使用、维护方便。皮带输送机和90度转角输送机如图3-2，3-3所示：

图3-2皮带输送机及附件

图3-3 90度转角输送机
传输单元技术参数如表3-3所示：
表3-3皮带输送机和90度转角输送机技术参数
皮带输送机
有效工作宽度
300mm
工作高度
750mm
工作长度
19.8米
运行速度
5m/min～10m/min
电机
1.5kw
承载能力
10kg
90度转角输送机
工作高度
750mm
旋转角度
90度
传输单元系统配置如表3-4所示：
表3-4皮带输送机和90度转角输送机系统配置
序号
名称
单位
数量
备注
1
皮带输送机（含电机、减速器、变频器、支架等）
套
7套
3米:6套
1.8米:1套
2
90度转角输送机
台
2
/
4
PLC及扩展单元
套
1
/
3．3 CCD形状颜色识别单元
设计中采用镜头、图像处理器、图像处理软件和其它设备（支架、工作台等）能够组成一个相对完整的视觉检测开发系统，硬件之间应匹配。图像处理软件能快速识别用户所规定工件的图形，所提供设备等同或优于参考型号产品的性能。CCD形状颜色识别单元工作示意图如图3-5所示：

图3-5 形状颜色识别单元工作示意图
CCD形状颜色识别单元主要硬件及参数指标如表3-5所示。
表3-5 CCD形状颜色识别单元主要硬件及参数指标
序号
技术描述
数量
型号
1
输出相机
1
WAT-231S
2
图像采集卡
1
CG400
3
相机电缆
1
/
4
镜头
1
/
3.4搬运机器人单元
1、上下料搬运机器人设计
上下搬运机器人单元由六自由度串联搬运机器人与移动轨道组成。在设计中,六自由度搬运机器人采用关节式结构,按工业标准要求设计,速度快、柔性好；模块化结构，简单、紧凑，完全满足实验要求；控制系统采作Windows系列操作系统，二次开发方便于工作、快捷，适于教学实验；提供通用机器人语言编程系统，可通过图形示教自动生成机器人语言等程序；参考有关实验教材，可对机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等进行研究。上下搬运机器人单元示意图如图3-6。

图3-6 上下搬运机器人单元示意图
上下搬运机器人单元主要硬件及其技术指标如表3-6所示。

表3-6 上下搬运机器人单元主要硬件及其技术指标
结构形式
串联式
负载能力
10kg
重复定位精度
±0.08mm
运动范围
θ1
θ2
θ3
θ4
θ5
θ6
300o
120o
120o
300o
180o
360o
每轴最大运动速度
腰转（关节1）
60o /S
大臂（关节2）
90o /S
小臂（关节3）
90o /S
臂转（关节4）
60 o /S
腕摆（关节5）
60o /S
腕转（关节6）
60o /S
最大展开半径
1300mm
高度
1650mm
本体重量
≤150Kg
操作方式
示教再现/编程
供电电源
三相380V、50Hz
2、搬运机器人移动轨道设计
机器人移动轨道由富士伺服电机驱动，滚柱丝杠加导轨滑块结构形式；并需要安装地脚螺栓；此移动轨道与六自由度机器人集成，使六自由度机器人并在直线轨道上移动、行走，如图3-7所示。

图3-7 搬运机器人移动轨道示意图
机器人移动轨道主要参数和技术指标如表3-7所示：
表3-7 机器人移动轨道主要参数和技术指标
机构形态
直角坐标式
自由度
1
负载
180kg
重复定位精度
0.05mm
动作范围
Ⅰ轴行程
1600mm
最大速度
Ⅰ轴
80 mm/S
本体重量
120kg
外形尺寸
2200X450X650 mm
安装环境
温度
0～+45oC
湿度
20～80%不结露
振动
0.5G以下
其它
避免易燃、腐蚀性气体、液体
勿溅水、油、粉尘等
勿接近电器噪声源
3.5条码打印扫描检测单元
该单元由条码打印机及条码扫描器、二自由度气动机器人、气动定位装置等组成，完成对工件的条码粘贴及扫描分拣工作。工作示意图如图3-8所示。

图3-8 条码扫描检测工作示意图
ARGOX独特“即时温控技术”可使打印质量在高速下仍然保持清晰整齐。卓越的“True Speed”打印驱动方式可使任何Windows环境下的资料快速输出。设计中条码打印机型号选取ARGOX OS-214TT。其主要技术参数如表3-8所示。

表3-8 ARGOX OS-214TT主要技术参数
列印方式
热转印/热敏
分辨率（解析度）
203dpi（8点/mm）
最大列印宽度
105mm
最快列印速度
76MM/秒
内存
512K
通信接口
RS-232接口/标准并口
体积
长278x宽186x高153mm
重量
2.1Kg
字元字体
标准字体/平滑字体
图形
PCX bitmap，GDI graphic
条码
各种一维条码及MaxiCode，PDF417 Datamatrix二维条码
条码扫描器为美国Symbol条形码扫描器，型号为Symbol LS-9208全方位激光条码描器，体积小巧，操作便捷，具有固定式和手持式两种扫描方式，备有高速闪存，便于系统升级和定制。外形尺寸: 140mm高X88mm宽X75mm深（扫描部分）182.4 mm高X122.7mm宽X94.7mm深(带可调整支架)，外形如图3-9所示。

图3-9 条码扫描器示意图
3．6气动搬运机器人单元
本单元由二自由度气动搬运机器人、废品槽、气动定位装置、对射开关组成。气动搬运机器人多用于货物较轻，洁净的工作场合。实现工件在流水线上自动分拣功能。工作示意图如图3-10所示。

图3-10 气动搬运机器人单元示意图
系统中气动机器人采用进口高精度气缸配合铝合金型材搭建而成，精度较高。自动定位阻挡装置采用进口汽缸，设计美观,与系统配套；实现工件的自动定位功能。气动搬运机器人主要技术指标如表3-9所示。
表3-9 气动搬运机器人技术指标
机构形态
直角坐标式
自由度
2
负载
≥3kg
动作范围
Ⅰ轴行程
300mm
Ⅱ轴行程
50 mm
最大速度
Ⅰ轴
200 mm /S（与使用的压力有关）
Ⅱ轴
150 mm /S（与使用的压力有关）
本体重量
≤10kg
安装环境
温度
+5 oC ~+50oC
湿度
20~80%不结露
振动
0.5G以下

第4章 教学型FMS系统控制部分设计
4.1教学型FMS总线控制系统
1 总线控制系统组网图
控制系统由1台主控计算机、3台计算机、2台嵌入式运动控制器、2台PLC组成。通过ProfiBus-DP总线同主控计算机控制中心做数据交换。控制系统结构如图4-1所示。

图4-1 总线控制系统结构图
2 实验安全保护系统设计
由于该系统中的转动、移动、自动化的设备多，这对于建设一个国内先进的实验室来说，实验的安全保护系统是非常重要的，系统中设计了多层次多重保护措施。
a)机械保护：对存在危险性机械，码垛机、六自由的机器人等设置有机械碰撞强行停止运行的措施。
b)电气停止保护：对存在危险性机械，设置有危险设置紧急电气停止保护措施，如堆垛机上下限位、轨道起点、终点限位紧急电气停止运行。
c)电气减速运行保护：对运动机械在上述危险位置前设置有紧急减速运行开关，以便使码垛机、六自由度串联机器人在危险位置就提前减速运行。
d)区域性安全保护：码垛机、六自由度串联机器人、六自由度并联机器人运行等区域，为避免产生危险后果，设置区域性报警、停止传感器装置，以便紧急停止运行中的设备。
e)人工紧急停止：在现场管理人员附近设置人工紧急停止按钮，一旦出现不安全预兆，可按下“紧停”按钮，紧急停止运行设备。
4.2 控制系统软件设计
1、系统单元构成与设计平台
软件部分包括主控单元和各分站控制单元，其中主控单元由工业计算机及主控软件组成，通过ProfiBus-DP总线通讯采集各分站信息，并协调各个分站动作，同时实现人机交互界面接受用户控制和操作。系统主要技术参数如表4-1所示。
表4-1软件系统主要技术参数
硬件配置
P4级计算机、内存1G、19寸纯屏显示器
软件运行平台
Windows NT4.0、Workstation 、Windows 2000、Windows XP
软件开发平台
Windows NT4.0、Workstation 、Visual C++ 6.0，Microsoft Access或SQL2000，组态王
2、系统各部分功能介绍
（1）连续控制
系统提供可视化界面，模块内部负责实现工作流逻辑配置与时序控制，操作员在此可以操作系统的初始化、运行、停止工作，并开始整个物流系统的连续工作，同时可以实时观察到各个作业节点的工作状况及工件信息。
（2）立体仓库信息监视
系统提供可视化界面，操作员对各个仓库的物料储存状态可以实时进行监控。
（3）手动控制
系统提供可视化界面，操作员可将物流系统分为若干个作业完成，其中分别包括控制各个传送带装置的运动、气推装置的控制、立体仓库码垛机的控制、六自由度并联加工中心的控制、数控车床控制、六自由度搬运机器人的控制、气动分拣条码检测单元的控制以及电源开关的控制。
（4）六自由度并联加工机器人控制
系统提供可视化界面，操作员可以在此对并联加工机器人进行运动控制，该模块通过网络通讯控制加工分站来实现动作。
（5）六自由度串联搬运机器人控制
系统提供可视化界面，操作员可以在此对上下料搬运机器人进行运动控制，该模块通过网络通讯控制上下料搬运分站来实现动作。
（6）四自由度码垛机控制
系统提供可视化界面，操作员可以在此对四自由度码垛机进行运动控制，该模块通过网络通讯控制四自由度码垛机实现各轴动作。
（7）安全管理
设定操作员的不同权限，不同权限可以做不同的事情，例如：系统管理员可以使用所有功能而普通操作员只可以使用其中一项或几项功能。
（8）系统状态
系统提供可视化界面，操作员可以实时监控各个设备的工作状态。其中包括各个装置是否正在运行，各个装置是否已经通电。物流系统中正在分拣的各个物料的所在位置。
4．3 Profibus-DP现场总线的实现
Profibus-DP使用了ISO/OSI通信标准模型的第1层和第2层，可采用较低成本实现现场层的数据高速，尤其适合与PLC与现场分散I/O设备之间的连接与通信。因此本次设计选取Profibus-DP作为现场的通信总线。
4．3．1 Profibus-DP现