项目一 走进自动化生产线

任务一 认识自动化生产线

自动化生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序连接起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。自动线是由电机、电磁阀、气动、液压等各种执行装置驱动，再经过像传感器、仪器仪表等检测装置进行进程、状态的判别，通过PLC等工控处理器的逻辑运算处理后输出。

从自动化生产线的概念可以获悉，自动生产线要求能够自动地完成预定的各道工序及其工艺工程，使产品成为合格的制品，包括装卸工件、定位夹紧、工件输送、工件分拣、工件包装等都能按照一定的顺序自动地进行。

一、自动化生产线的应用

采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。

自动生产线在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化生产线不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，还极大地提高了劳动生产率。图1-1所示为一些常见的自动化生产线。

二、自动化生产线的发展概况

自动线涉及的技术领域很广，所以它的发展和完善与各种相关技术的进步是相互渗透、紧密相连的。人们要了解自动线的发展，就必须了解与之相关技术的发展，这些技术的不断更新推动了自动化生产线的进步。自动化相关技术见表1-1。

总之，所有这些支持自动线的机电一体化技术的进一步发展，使得自动线功能更加齐全、完善、先进，从而能完成技术性更加复杂的操作和生产线装配工艺要求更高的产品。

三、传感检测技术在自动生产线中的应用

传感器是能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换电路和调理电路组成。在生产线的自动化过程中，传感器起着重要的作用，它向控制器提供系统的实时信号。

传感器的敏感元件是用来直接感受被测量，并输出与被测量成某一关系的物理量的元件，其转换元件则把敏感元件的输出信号转换为电信号，如电流、电压。传感器的组成如图1-2所示。

传感器常用的分类方法主要有如下几种：

① 按被测量性质分类，可分为位移、力、速度、温度等传感器。

② 按工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式、霍尔式、光电式、热电偶式等传感器。

③ 按传感器输出信号的性质分类，可分为数字量（包括开关量输出）传感器和模拟量传感器。

在各类传感器中，有一种对接近它的物件有“感知”能力的元件，即接近传感器。接近传感器是代替限位开关等接触式检测方式，以无须接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称，其可将检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。接近传感器的种类很多，常用的有光电式接近传感器、电感式接近传感器、电容式接近传感器和霍尔式接近传感器等，通常不同的接近传感器所能识别的物体材质也是不同的。

1．电感式接近传感器

电感式接近传感器利用金属导体靠近磁场时产生的涡流效应来工作的，所以这种接近传感器所检测的物体必须是金属导体。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。

利用这一原理，以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。电感式接近传感器工作原理如图1-3所示。

2．电容式接近传感器

将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式接近传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量，最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。电容式接近传感器的测量头是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量中通常是接地或与设备相连。当物体移向接近传感器时，由于它的接近总会使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也发生变化，由此可控制开关的接通或断开。

3．霍尔式接近传感器

霍尔式接近传感器是利用霍尔效应工作的一种磁性接近传感器，具有无触点、功耗低、寿命长、响应频率高等特点，属于磁电转换元件，故只能用于磁性物质的检测，可用于压力、位置、位移、速度等的测量。

4．光电式接近传感器

光电式接近传感器是利用光电效应工作的传感器，可以检测物体的有无和表面状态的变化，因此可用于任何材质物体的检测。但对于同种材料、不同颜色的物体来说，光电式接近传感器对它们的敏感程度是不一样的。例如，漫射型光电式接近传感器对红色物体就比对表面吸收光的黑色物体敏感得多。

光电式接近传感器主要由光发射器和光接收器构成。如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化。光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。

按照接收器接收光的方式的不同，有反射式、对射式和漫射式3种，其工作原理如图1-4所示。

例如，漫射式光电传感器是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电式接近传感器。它的光发射器与光接收器处于同一侧，且为一体化结构。在工作时，光发射器始终发射检测光，若传感器前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，开关处于常态而不动作；反之，若传感器的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使开关动作而改变输出的状态。

在自动线中，在选用传感器时应当综合考虑各项指标的内在要求。首先检测要求要在该传感器的应用范围内，然后再综合考虑传感器的一些参数，包括传感器的检测距离、工作电压、负载电流、负载形式（直流、交流、电阻）、输出类型等，负载和传感器的输出类型要匹配，如NPN型输出的传感器，PLC的输入端为漏型接法，否则很容易损坏接近传感器，其他的一些辅助参数，如工作频率、环境温度等，在选用时也应综合考虑在内。

四、气动技术在自动化生产线中的应用

气动技术是以压缩空气作为动力源，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一，气动技术在工业生产中应用非常广泛，一般自动化生产线上都安装许多气动器件，可归为气源及其处理装置、控制元件、执行元件等，气源处理装置用于向设备提供气源，控制元件用于控制气动执行元件的动作，执行元件用于完成机械动作。气动技术在YL-335B自动化生产线上的应用详见各章节。

1．认识气动执行元件

气动执行元件是将气体能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件，在自动化生产线中有着广泛应用，是实现机械运动的执行机构，有气缸、气动马达等。人们从每个气动执行元件的型号和铭牌参数可以查到其空间尺寸、动力特性、控制特性、安装方式和配件信息等相关设计要素。因此，在使用时，应考虑整体设备的机械结构、控制信号特性、功能特性等各方面内容。如图1-5所示的气缸型号，其包含了如下信息：带内置磁环，基本型安装，行程为30mm，缸径为16mm。表1-2为气缸选型的要素说明。

在实际设计或学习中使用气缸时，可参考如下步骤进行选择。

1）根据操作形式选定气缸类型

气缸操作方式有双动、单动弹簧压入及单动弹簧压出等三种方式对输出力和运动速度要求不高的场合（价格低、耗能少），可考虑用单作用气缸，其他的情况一般采用双作用气缸，相同体积下，采用单作用气缸所获得的行程会偏小（内部有弹簧），因此更适合小行程，见表1-3。

因此，单作用气缸多用于行程较短以及对活塞杆输出力和运动速度要求不高的场合。

2）根据用途选定气缸类别

基于对气缸在动力特性或空间布局方面的应用特长，人们在选用气缸时，首先从空间要求、输出力的要求和精度要求等方面确定基本类别，常用的气缸类别及其特性见表1-4。

一般在高精度要求时还可以采用滑台气缸（将滑台与气缸紧凑组合的一体化的气动组件），工件可安装在滑台上，通过气缸推动滑台运动，适用于精密组装和定位、传送工件等；既要求精度高又要求承接负载力大时，还可以选用导杆气缸。

3）根据使用环境与工作要求确定缸径和行程

供应到气缸的压缩空气的压力是由空压机经过气源处理装置后供给，气源处理装置可以是三联件或二联件，可以根据实际情况进行选择，在YL-335B自动化生产线上使用的是二联件，由气源处理组件气动二联件调节后的空气压力为0.0～1.0 MPa，实际选用时，为保障设备气压足够，可以调整到0.3～0.8 MPa。双作用气缸伸出力和缩回力理论值计算公式如下，其中，D气缸缸径和d气缸杆径参见图1-6双作用气缸结构示意图。

气缸伸出力理论值：

气缸缩回力理论值：

式中 π——圆周率（取3.14）；

D——气缸缸径（单位：mm）；

d——气缸杆径（单位：mm）；

p——工作压强（单位：MPa），根据气源供气条件，应小于减压阀进口压强的85%。

气缸在实际的工作中，会受到阻力的作用，气缸实际输出力N=A·F，其中A是安全系数，也称负载率。气缸实际负载是由工况决定的，在不同的速度要求和负载情况下，负载率也会发生变化，对于静负载（顶料、夹料等），负载率较大，负载实际接收到的力相对就较大，当气缸运行速度不断增大时，负载率也会不断减小，如速度为50～500mm/s范围内的水平或垂直动作时，负载率A≤0.5；当速度大于500mm/s时，阻力加大，负载率A≤0.3。由此可见，负载率与负载、气缸缸径、运行速度和气压等很多因素有关。因此，通常不会定量地去衡量气缸的实际输出力，在选择输出力时，可根据经验所需的输出力粗略判断。表1-5为双动气缸的输出力表。

在确定气缸行程时，气缸行程可略小于实际行程，剩余行程可以用相关接头或缓冲装置来补充。在连接有附件的气缸上，还需要考虑附件本身的长度，必要时可以选择行程可调的气缸。

其他特殊情况，则需根据生产的实际要求选用是否带有特殊配置的气缸，如缸的安装方式、缓冲装置、活塞的检测装置、相关接头等。

气缸在使用中应定期检查各部位有无异常现象、各连接部位有无松动等，导杆式气缸的活动部位应定期加润滑油。

2．认识方向控制阀

气缸动作方向的改变是通过方向控制阀来实现的。如气缸的伸出和缩回，其活塞的运动是依靠向气缸一端进气，并从另一端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气来实现的。气体流动方向的改变则由方向控制阀加以控制。能改变气体流向或通断的控制阀称为方向控制阀，方向控制阀有电磁控制、气压控制、机械控制等。

（1）方向控制的通位

方向控制阀与系统相连的通口包括供气口、进气口和排气口。按通口的数目可分为三通阀、四通阀、五通阀等。例如，控制一个单作用气缸，只需要实现进（排）气口气流方向的改变即可，因此，可以用三通阀实现。

方向控制阀的切换状态称为位置，有几个切换状态就称为几位阀，阀的静止位置（即未加控制信号时的状态）称为零位，根据工作位置数目不同可分为一位阀、两位阀、三位阀等。

图1-7分别给出二位三通、二位四通和二位五通单控电磁换向阀的图形符号，图形中有几个方格就是几位，方格中的“┯”和“┷”符号表示各接口互不相通。

当使用的方向阀为电磁控制方式时，则为电磁换向阀，电磁换向阀有单电控和双电控两种，其符号见表1-6。

（2）方向控制阀的选用

一般选用阀时，要考虑使用现场的条件，包括提供的气源压力大小、电源（直流、交流及其大小）和环境条件等，了解常用阀的性能及其使用范围，然后根据所配套的不同执行元件选择不同功能系列的阀，尽量选用标准化产品，大型控制系统设计时，要考虑尽可能使用集成阀和信号的总线控制形式。在价格方面，在保证系统先进、可靠、使用方便的前提下，力求价格合理，不能不顾质量而追求低成本。方向控制阀的选用方法见表1-7。

目前，我国广泛应用的换向阀为板式安装方式，它的优点是便于装拆和维修，ISO标准也采用了板式安装方式，并发展了集装板式安装方式。因此，推荐优先采用板式安装方式。但由于元件质量和可靠性不断提高，管式安装方式的阀占用空间小，也可以集装安装，故也得到了应用。所以，选用时应根据实际情况确定。

3．认识单向节流阀

气缸工作运行速度主要取决于气缸输入压缩空气流量、气缸进排气口大小及导管内径的大小，一般为50～500mm/s。为保障气缸的运行均匀和平稳，气缸的运行速度常应用单向节流阀进行控制，其图形符号见表1-8。其通常安装在气缸和换向阀之间，即气缸的快速接头连接处。

单向节流阀的连接方法有两种：一种是排气节流型；一种是进气节流型，分别如图1-8所示。两种连接方式的主要区别在于内部单向阀的方向不同，自然两种连接方式控制气缸运行速度的特性和效果是不同的。

排气节流型即在气缸排气的时单向阀截止，气流通过节流阀流出，通过阀上的限流螺母控制气流排出的大小，达到调速目的。这种连接方式，对排出气流有所限制，不会造成活塞杆急速伸出或缩回，这种方式一般比较保险，广泛应用在气路设计之中。

五、网络通信技术

随着工厂自动化技术的飞速发展，如工业控制计算机、PLC、变频器、人机界面、机器人等，将这些不同设备连接在一个网络上，相互之间进行数据通信，再集中管理，已经是企业实现自动化、数字化、网络化必须考虑的问题，因此，学习有关PLC、变频器等通信显得尤为重要。

工业数据通信系统就是将不同地址位置的计算机、PLC、变频器、触摸屏以及其他数字设备连接起来，高效地进行信息交换和通信处理任务。工业通信网络系统总线如图1-9所示。在PLC控制系统中，根据通信对象的不同，PLC通信可分为PLC与外部设备、PLC与PLC之间、PLC与PLC及外部设备之间的通信等基本类型。

（1）PLC与外部设备之间的通信，包括PLC与计算机、PLC与通用外部设备。PLC与计算机就相当于计算机与计算机，带有编程、调试和监视功能的计算机、编程器、触摸屏等与PLC的通信都属于此类；通用外部设备具有通用的通信接口（RS-232、RS-422、RS-485等）。

（2）PLC与系统内部设备之间的通信，包括PLC与远程I/O口之间的通信、PLC与其他外部控制装置之间的通信、PLC与PLC之间的通信。PLC与远程I/O口之间的通信实际上是通过通信的方式扩展I/O口；PLC与外部控制装置之间的通信，是指PLC通过通信接口（RS-232、RS-422、RS-485等）与系统内部的但不属于PLC范畴的其他控制装置之间的通信，如变频器、伺服驱动器等；PLC与PLC之间通信主要用于PLC网络组建，通过通信连接，使独立的PLC有机地连接在一起，组成工业自动化的PLC网络。由于PLC控制系统中设备众多，通常情况下，需要通过PLC现场总线，将各个装置连接成网，以便于集中统一管理。