工业4.0智能化自动生产线系统

一、 产品概述

工业4.0智能化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“中国制造2025”先进制造技术的基础。

本实验系统是专门为本科院校、职业教育培训机构研制的工业4.0智能化自动生产线系统，根据机电类、电气自动化类、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。

本实验系统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10.1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。

本系统采用德国西门子(或日本三菱罗克韦尔产品等)国际知名品牌的工业自动化控制系统。

二、 技术性能

1. 输入电源：三相四线～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：5000mm×5000mm×2400mm

5. 安全保护：具有漏电保护，安全符合标准

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，选择国际知名公司（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、 系统整体外观图

系统整体外观图

五、 系统组成

1.  系统的硬件由20多个基本单元站组成

1.1  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。

1.2  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。

1.3  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。

1.4  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、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编码器合成速度毫米／秒5500负荷值千克3kg精度毫米±0.02臂可达到范围半径毫米≥640

1.5  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。

1.6  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。

1.7  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。

1.8  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。

1.9  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。

1.10  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。

1.11  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。

1.12  条形码识别单元

由直流减速电机、挡料气缸、电感传感器、收料电机及贴标机构组成，主要完成对装配完成后的工件进行贴标并输入仓库管理系统的工作。

1.13  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。

1.14  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。

1.15  行车机械手单元

由气夹、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。

1.16  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。

1.17  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。

1.18  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。

1.19  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。

1.20  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。

1.21  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。