TC-FMS模块化柔性加工系统
一、系统概述
TC-FMS模块化柔性加工系统是集成了自动控制技术、人工智能、
计算机语言编程组态监控等先进技术的开放式实验设备，该系统集成了现场通讯技术以及现场组态管理。系统具有多种驱动形式：有气压传动、传送带、步进电机、直流电机传动、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、日常维护等各方面的知识。它使得学生能方便地了解这套先进技术如同在工业上的应用，使学生能近距离地学习这些技术。
1．模块化柔性加工系统的组成及特点：
模块化柔性加工系统为一有机整体，由中央控制台、自动传输站、立体仓库站、三坐标测量站、CNC加工站，安装搬运站，拆卸分拣站组成。各站在中央控制台上可统一控制、协调工作。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。
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、。
系统设有故障调试综合设置模块；老师可方便地设置该模块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。
2．系统控制方案：
本控制方案的目标，是使学生通过实训，掌握现场通讯（Profibus）技术和采用广播方式实现PLC之间交换信息的PLC互连技术。作为PLC通讯网络的基本技术，并鉴于采用现场通讯（Profibus）总线的PLC互连网络广泛用于大、中型集散控制系统上，能熟练掌握这一技能，是高职学生必不可少的。
根据机械平台的上述工艺过程，模块化柔性加工系统可采用西门子（PROFINET）网络通讯方式实现分布式的控制系统。该系统由7套西门子PLC（中央控制台采用西门子S7-300PLC，其余各站采用西门子S7-1200PLC并带有支持西门子PROFINET）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西门子网络与组态技术构成，它将中央控制台与6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。
西门子S7-1200系列：本方案采用PROFINET实现通讯，以中央控制台PLC为主站，其余各站为从站构成点对点通讯网络，并在自动传输站配置有西门子人机界面（HMITP177A）连接此网络。
3．系统控制构件方案图：
4．实验室布置方案图：
二、技术参数
1．交流电源：三相四线制，AC 380V±10%50 Hz；单相三线制，AC 220V±10%50 Hz。
2．温度：~；环境湿度：≤90%（）。
3．实训设备外形尺寸：长×宽×高=××。
4．整机消耗：≤1.5kVA。
5．气源工作压力：小0.4Mbar，1Mbar。
6．安全保护措施：具有接地保护、漏电保护功能，安全性符合相关的标准。
三、各站技术参数与装置机构
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。并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：
外形尺寸：长×宽×高=1600×820×1240mm
额定电流：3A
输入电压：AC 220V
控制电压：DC 24V
中央控制台主要部件：
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。
3、信息指示屏：系统电源及电流指示仪表（三相AC 200V、单相AC 220V）。
4、控制按钮：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、1一个加工/拆卸切换旋钮、1个复位按钮（带指示灯）、1个开始按钮（带指示灯）。
5、设备信息显示和控制面板：六路绿色指示灯、六路红色指示灯、12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。
控制系统的组成：
1、一套西门子1200系列PLC带2个通讯端口及其编程软件
2、网络通讯线及其接线电缆
3、一套上位监控计算机和组态监控软件
4、明威DC24V开关稳压电源
5、8个按钮的输入控制界面
6、系统上电急停回路部分
2．自动传输站：
自动传输站由AGV自动传送小车与传输轨道（行程为）组成，采用有轨运行方式，作为各站的传送枢纽，机械手臂具有≥270度的4工位旋转可伸缩可升降特点，通过中央控制系统进行有效合理的任务调度，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±，同时能对停靠各站进行上、下工件的取放操作；设有硬件急停功能确保系统设备安全。
技术规格：
供电电压：AC 220V
供电电流：≥
小车运行距离：≥
手臂伸缩距离：≥350mm
尺寸大小（mm）：≥1000×350×450mm
工位数量：4工位
有效的载荷：≥4KG
运行速度：≥/sec
控制方式：采用PLC控制传输小车运行、机械手臂旋转及气动手臂夹取装置
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
自动传输站主要部件：
1、小车车体
小车导轨用金属支架、工业型铝材和金属定位块组成，小车本体由金属外罩和铝制底板组成；采用交流步进电机驱动小车运动；底部设有三个高抗扰性光电传感器负责小车在导轨上的精确定位。
2、三自由度旋转机械手装置
步进电机驱动机械手装置旋转，手臂的升降、伸缩及抓取分别由三个SMC进口气缸完成，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滑块构建成的暂存工件位。
4、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，双开门设计。
5、触摸屏
采用5.7英寸的西门子标准触摸屏（西门子TP）。
6、电机及驱动器
控制传输小车运动、机械手臂旋转的两轴电机采用“START”步进驱动装置（带蜗轮蜗杆减速机构）。
控制系统的组成：
1、一套西门子1200系列PLC带2个通讯端口及其编程软件
2、网络通讯线及其接线电缆
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、明威DC24V开关稳压电源
6、故障调试综合设置模块
7、硬件急停装置
8、6个按钮的输入控制界面
9、系统上电急停回路部分
10、气动控制回路
11、步进驱动装置.
3．立体仓库站：
自动立体式仓库采用组合式货架方式铝制型材搭建，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在组态中自由配置仓位状态。
技术规格：
仓库数量：4层5列的20个存储仓位
供电电压：AC 220V
供电电流：≤5A
工件大小（mm）：≥120×80×20mm
工件重量：≤
外型尺寸：≥1200×720×1400mm
各轴运行的距离(mm)：X向：≥900 ，Y向：≥600
控制方式：由PLC控制X、Y轴步进电机运动及Z轴方向的气动取放工件气缸
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
立体仓库站主要部件：
1、立体仓库
工业铝型材组建，4×5共20个工件仓位，在X、Y轴各设置一个判断基准位的原点传感器。
2、输送单元
X轴运动方向结构由步进电机（功率≥100W）、涡轮涡杆减速装置及同步带驱动；
Y轴运动方向由步进电机（功率≥100W）、涡轮涡杆减速装置及同步带驱动；
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
由平台与自动调整滑块组成并固定在Z轴方向的气缸之上，在操作时对工件的位置进行自行导正。
4、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；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，双开门设计。
5、电机及其驱动器
控制X、Y两轴电机采用“START”步进驱动装置（带蜗轮蜗杆减速机构）。
控制系统的组成：
1、一套西门子1200系列PLC带2个通讯端口及其编程软件
2、网络通讯线及其接线电缆
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、明威24V开关电源
6、故障调试综合设置模块
7、硬件急停装置
8、6个按钮的输入控制界面
9、系统上电急停回路部分
10、气动控制回路
4．三坐标测量站
该三坐标测量站由4轴PCI运动控制卡控制交流伺服电机驱动，机械机构使用高精度直线导轨和高精度丝杆以保持测量精度，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≤，测量头带碰撞保护装置，以防止学生误操作。
技术规格：
外形尺寸:1100×720×1470mm
额定电流：
输入电压：AC 220V
控制电压：DC 24V
控制方式：采用3轴（X、Y、Z）交流伺服电机驱动与测量探头组成
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
三坐标测量站主要部件：
1、工件自动定位平台
尺寸：280x，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,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；交流伺服电机驱动的三轴丝杆运动结构。
控制系统的组成：
1、一套西门子1200系列PLC带2个通讯端口及其编程软件
2、网络通讯线及其接线电缆
3、4轴PCI运动控制卡及其上位机驱动软件
4、工业现场总线接口
5、轴控制卡调用控制外部接口模块
6、明威24V开关电源
7、故障调试综合设置模块
8、 探头急停装置
9、6个按钮的输入控制界面
10、 系统上电急停回路部分
11、 气动控制回路
12、 交流伺服控制系统。
5．CNC加工站
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（s7-1200）系统控制与PCI控制卡数据交换控制；数控系统界面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。
技术规格：
额定电流：；
输入电压：AC 220V；
控制电压：DC 24V；
外形尺寸：1100×720×1500mm
控制方式：采用3轴（X、Y、Z）步进
电机驱动与变频主轴三相异步电机组成
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
CNC加工站主要包括：
1、西门子S7-1200PLC
2、四轴运动控制卡
3、三轴丝杆传动
4、工件自动定位机构
5、主轴三相变频异步电动机
6、工件加工台面。
运动驱动元件：
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
3、工件自动定位由气缸夹紧定位
控制系统的组成：
1、一套西门子1200系列PLC带2个通讯端口及其编程软件
2、网络通讯线及其接线电缆
3、工业现场总线接口
4、明威24V开关电源
5、故障调试综合设置模块
6、系统上电急停回路部分
7、6个按钮的输入控制界面
8、运动机构硬件急停装置
9、气动控制回路
10、斯达特MS-3H步进驱动器
6．安装搬运站
安装搬运站主要由工件暂持装置、工件安装装置、工业六轴机器人等组成。该站负责把加工完成的工件搬运至安装平台，通过安装装置把一小工件装配至大工件中央的圆孔内，由机器人将安装完成的工件搬运至暂存工位，搬运到自动传输站的工件位上。
技术规格：
外形尺寸：1100×720×1300mm
额定电流：10A
工作电压：AC 380V ， AC 220V
控制电压：DC 24V
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
安装搬运站主要包括：
1、一个工件暂存工位：铝型平台，带工件定位滑块。
2、一套工件安装装置：包括二个送料气缸及其位置判断传感器、安装缸及其位置判断传感器。
3、一个模拟机器人：自制机器人；搬运半径≥。
4、一套气动控制回路：主要由气动三联件、执行气缸、控制电磁阀及气管等组成。
机器人系统构成：
1、控制柜
2、六轴机械手臂
3、三相变压器（AC380V/AC200V）
4、工件夹爪气缸.
控制系统的组成：
1、一套西门子1200系列PLC带2个通讯端口及其编程软件
2、网络通讯线及其接线电缆
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、机器人控制接口
6、故障调试综合设置模块
7、系统上电急停回路部分
8、6个按钮的输入控制界面
9、气动控制回路
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：
外形尺寸：1100×720×1200mm
额定电流：4A
输入电压：AC 220V
控制电压：DC 24V
拆卸分检站主要包括：
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以及工件导向块组成，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
设有颜色识别光电传感器：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。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
控制系统的组成：
1、一套西门子1200系列PLC带2个通讯端口及其编程软件
2、网络通讯线及其接线电缆
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、故障调试综合设置模块
6、系统上电急停回路部分
7、6个按钮的输入控制界面
8、气动控制回路.
四、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：
1．传感器培训
该系统所使用的传感器数量达四十多个，有电感式的、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。
2．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、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。
3．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。
4．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。
5．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。
6．电机驱动技术培训
立体仓库站与CNC加工站上均含有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；CNC加工站还含有三相异步电动机集合变频器的控制；此外，系统中三坐标测量站含有交流伺服电机，并运用了驱动器，学生可全面学习电机知识。
7．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。
8．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。
9．网络技术培训
该系统集成了西门子系列的现场网络总线，并通过总线形式传递各站信息，协调各站有序运行。学生根据通讯要求编写各单元PLC程序，通过PROFINET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。
10．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。
11．后续研究内容有：
1、资源分配和状态管理：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：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。
