（机械电子工程专业论文）实验型模块化生产加工系统knmps的研究与开发.pdf

硕士论文模块化生产加工系统k n m p s 的开发研究 摘要 “实验型模块化生产加工系统 融合气动技术、传感器技术、p l c 技术、计算机 及网络通讯技术等众多学科于一身，能真实地模拟出流水作业型自动加工设备的工况， 可对学校学生和工厂的专业技术人员进行技术培训，增强受训人员对机电一体化专业知 识应用的感性认识，提高其解决综合问题的能力，从而达到培养机电一体化综合技术人 才的目的。 本文以南京康尼科技实业有限公司的“实验型模块化生产加工系统控制系统设计与 开发”项目为背景，对模块化生产加工系统开发过程中控制系统开发的相关技术进行了 研究。完成了系统总体功能设计与分解以及各个模块的功能设计与分解，完成了系统加 工模块工艺流程的详细设计、p l c 程序设计、为模块之间的协调工作设计了合理的传递 信息，完成了各个模块的联机工作工艺流程详细设计。针对客户的不同需求设计了两种 通信处理方法。第一种为模块之间简单的点对点连接通信，即有信息传递的两个模块输 入、输出口的直接连接；第二种为基于p r o f i b u s d p 的现场总线实时通信系统。 最后，提出了系统有待进一步扩展研究的相关问题。本论文研究所涉及的相关技术 和方法为m p s 的开发设计提供了有益的借鉴。 关键字：m p s ，模块化，p l c ，p r o f i b u s ，生产力n - r _ 硕j ：论文 a b s t r a c t l a b o r a t o r i a lm o d u l ep r o c e s ss y s t e m i n t e g r a t e st h ep n e u m a t i ct e c h n o l o g y , s e n s o r t e c h n o l o g y , p l ct e c h n o l o g y , c o m p u t e r s & c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya l li no n e i tc a r l a c t u a l l ys i m u l a t et h ew o r k i n gs i t u a t i o no fp i p e l i n i n ga u t o m a t i cp r o c e s s i n ge q u i p m e n t s ，a n d p r o v i d et e c h n o l o g yt r a i n i n gf o rs t u d e n t si nt h eh i g hs c h o o l so rw o r k e r so ff a c t o r i e s i tc a n h e l pt h e t r a i n e r se n h a n c et h e p e r c e p t i v eu n d e r s t a n d i n go fm e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i c k n o w l e d g e ，a n di m p r o v et h ea b i l i t i e so fs o l o v i n gc o m p l i c a t e dp r o b l e m ss oa st of o s t e rp e r s o n s w i t l lm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h er e q u i r e m e n to f d e v e l o p m e n to fc o n t r o l l i n gs y s t e mf o r l a b o r a t o r i a lm o d u l ep r o c e s ss y s t e m c o o p e r a t i n gw i t hn a n j i n gk a n g n it e c h n o l o g y & i n d u s t r yc o l t da n dm a k e ss o m er e s e a r c ho nt h er e l e v a n tt e c h n o l o g yo ft h ed e s i g no f c o n t r o l l i n gs y s t e mu s e di nt h ed e s i g no fm o d u l ep r o c e s ss y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，g e n e r a l d e s i g no ft h es y s t e mw a sc o m p l e t e d ，w h i c hw a st oc o n f i r ma n dd e c o m p o s et h ef u n c t i o no ft h e s y s t e ma n de a c hu n i t a f t e rt h a t ，t h es p e c i f i cd e s i g no ft h es y s t e mf u n c t i o n ，t e c h n i c sf l o w d e s i g n ，p l cp r o g r a mf l o wc h a r td e s i g n ，p l cp r o g r a md e s i g nw a sc o m p l e t e d ，r e a s o n a b l e c o m m u n i c a t i n gi n f o r m a t i o nf o rt h ec o r r e s p o n d i n go fe a c hs y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n df i n a l l y , t h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o no fa l ls y s t e m si sr e a l i z e d t w od i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s f o rd i f f e r e n tc u s t o m e r sw a s d e s i g n e d t h ef i r s t o n ei sas i m p l ep o i n tt op o i n tl i n k c o m m u n i c a t i o n ，t h es e c o n do n ei sr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nb a s e do np r o f i b u s d pf i e l db u s e s s y s t e m a tl a s t ，t h i sp a p e rp r o p o s e ds o m ec o r r e l a t e d p r o b l e m so ft h i ss y s t e mw h i c hw e r e s u p p o s e dt ob ed i s c u s s e di n t h ef u t u r e t h et e c h n o l o g ya n dm e t h o d st h a td i s c u s s e di n t h i s p a p e ra r eu s e f u lt ot h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f t h em a n u f a c t u r i n gm p s k e y w o r d s ： m p s ，m o d u l e ，p l c ，p r o f i b u s ，p r o c e s s ，m a n u f a c t u r e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：未基起 川年咿o 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：。勰选 呻年。| 只| 。b 硕上论文 模块化生产加工系统k n m p s 的开发研究 l 绪论 1 1 可重构制造系统发展现状 制造业是国民经济的物质基础和工业化的产业主体，是社会进步与富民强国之本， 也是一个国家综合竞争力的重要标志。国际化市场竞争越来越激烈，使我国相当多的制 造企业遇到了前所未有的挑战。其中，制造系统发展经历了以下阶段：专用制造系统、 柔性制造系统、可重构制造系统【l 】。 为了适应现代生产的需求，在综合了专用制造系统和柔性制造系统各自优点的基础 上，近年来国内外学者提出了一种新的制造系统，即可重构制造系统。其目的在于：大 大缩短适应产品品种与产量变化的制造系统的规划、设计和建造时间及新产品的上市时 间，大幅度地压缩系统建造的投资、降低生产成本、保证质量、合理利用资源、提高企 业的市场竞争力。 可重构制造系统( r e e o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，r j v i s ) 是指为响应市场不规 则需求的突然变化，具有能通过快速改变结构和软硬件组元来调整系统的生产能力和功 能而设计的一种面向零件族的制造系统 2 1 。美国密执安大学的可重构制造工程研究中心 对r m s 作了大量的研究，研究得到了美国政府和企业的大力资助。其研究主要从系统设 计、可重组机床和斜升时间这3 方面进行深入研究。国内从2 0 世纪9 0 年代开始，国家自然 科学基金和“十五8 6 3 计划对这研究进行支持。北京机床研究所和清华大掣3 】对制造 系统可重构性进行了研究，对可重构性进行了理论推导，给出了r m s 设计的定理、方程 等；盛伯浩、罗振璧等【3 】还提出了r m s 的基本构架及其特征，建立了r m s 随机模型及其 组态的优化方法，建立了经济可承受性的理论框架，研发的基于组态制造模块组成的新 颖的陈列式布局的r m s 在汽车和计算机零件生产线上成功应用。可重构制造系统从一开 始就将结构以及硬件和软件组元设计成可快速变化的制造系统。体现在： 1 ) 当市场产品需求增大时，可以迅速将新设备无缝地集成到原有系统中，增加原 有生产系统的生产能力： 2 ) 当产品种类需求变化时，可以在设备上增加、减少模块，改变设备的加工功能， 从而满足对新产品加工的要求； 3 ) 当产品工艺路线变化时，可以快速地调整原有系统的布局结构，来满足对新工 艺的要求。 可重构制造系统的核心是以企业自身变化来适应企业环境的变化。这种以变应变的 制造模式使得制造企业既具有很高的生产效率，又具有很好的柔性，是未来制造系统的 l 绪论硕士论文 发展方向。可重构制造系统有如下特点【6 】： 1 ) 可变性：可重构制造系统最大的特点是可变性，其生产能力和生产功能能够随 着外界环境的变化而变化，可变性是其对外界变化做出及时响应的根本保证。 2 ) 模块化：可重构制造系统要具备可变性其结构必须是模块化的，这样可以根据 需要在原有系统中增减模块改变其生产功能和生产能力，可重构制造系统的三个子系统 可重构加工系统，可重构物流系统，可重构控制系统都应具备模块化特性，才能使系统 真正地具备可变性，同时模块化降低整个系统的设计难度，也使系统更便于维护。 3 1 ) 标准化：只有各种模块具有标准的接口，才能保证各个模块的互换，否则模块 化将失去任何意义。 4 ) 定制性：柔性制造系统走向死亡的原因是其尽可能地包含一切可能的功能，导 致其高昂的前期购置费用和后期维护费用，可重构制造系统的设计应该针对某一系列产 品，而不是包含各种各样的产品。 5 ) 集成性：作为新一代制造系统，可重构制造系统应具备集成性，这样才能保证 物质流、信息( f ) 流、能量流在系统内部顺利流动。 6 ) 经济性：为避免柔性制造系统的覆辙，可重构制造系统重构时应充分考虑原有 系统的利用，而不是推翻原有的制造系统，这样可以以较经济的手段达到新建全新系统 的效果。 7 ) 可诊断性：可重构制造系统需要经常重构，缩短其斜升时间显得尤为重要，可 重构制造系统需要对产品加工质量和可靠性进行识别和分析。 当前对r m s 的研究已经涉及制造系统的各个部分，但是许多关键的技术问题还没 有得到很好的解决。r m s 的原型系统还没有真正实现。 在可重构制造系统的实现方式中，模块化生产系统是实现可重构制造的一种重要方 式，也成为国内外研究的热点。 1 2 模块化生产加工系统的发展现状及其特点 1 2 1 模块化生产加工系统的国内外研究现状 模块化的概念由来已久，德国于1 9 3 0 年首先提出了“模块化构造”的设计方法， 由于用这种方法设计制造的机床具有很好的经济效益，因而采用模块化构造在世界得到 迅速发展。日本通产省在1 9 7 7 年开始研制柔性加工模块，明确地引进了模块化构造的概 念，按不同功能制造模块其独立性很强模块化的功能模块可独立运转，整个控制系统是 有上述模块组成的多级系统。2 0 世纪9 0 年代以后，模块化生产受到瞩目。哈佛大学商学 院的b a d l w i n 和c l a r k 于1 9 9 7 年在哈佛商业评论上发表一篇题为“模块化时代的管理 的 文章，模块和模块化的研究日益引起学者重视。劳俊等 7 1 给出了模块化的一般理解：综 2 硕士论文模块化生产加工系统k n m p s 的开发研究 合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用途和性能的模块，并使之接口标准化，选择 不同的模块必要时设计部分专用模块迅速组成各种要求的系统的一种方法。模块是模块 化设计和制造的功能模块。模块必须具有以下特征： 1 ) 相对独立的特定功能。因而，可以对模块单独进行生产、调试、修改和储备。 2 ) 具有互换性。为此，模块配合部位的结构形状和尺寸必须标准化。 3 ) 具有通用性。不仅实现横系列、纵系统通用，而且实现跨系列通用。 模块化制造同成组技术、计算机辅助工艺技术、计算机辅助制造技术、柔性制造技 术和计算机集成制造技术等均有一定的内在联系。它们的关系是相辅相成互相支持，只 有在生产中密切配合才能发挥最大效益【刀。施迸发等【8 】给出了机械的最新定义，阐述了 模块化机械产品的现状及其实际意义，建立了机械模块学理论体系并分析了机械模块学 的研究对象。定义模块化制造是指将由模块化设计方法设计出来的各种基础功能模块， 分门别类地分别集中到有关的专门工厂里，按各种具体功能模块的技术特性，借助于先 进制造技术，进行高效地批量生产，以提高模块的质量、降低模块的制造成本、优化模 块的管理并方便用户选购等。 r o g e r s 等就实现模块化生产系统的有关问题进行了深入的研究，提出模块化制造系 统( m p s ) 也是一种高生产率和可重构的制造系统，它对大批量定制生产具有重要意义 9 - 1 0 。t s u k u n e 等研究了i m s 智能制造系统中的模块化制造，提出了一种基于模块化理 论的制造系统模型，模块化制造模型即基于模块化理论的制造系统模型，利用从这种模 型派生的设计建造操作和控制技术而建立的制造系统就是模块化制造系统。利用该模型 模块化制造系统与虚拟制造联系起来，可以在虚拟环境下构造制造系统产品设计制造装 备，设计和制造系统设计均采用模块化设计方法把产品和制造系统设计有机地统一起 来，模块化制造系统可以满足过程集成和系统重构的要求。过程集成强调的是高效率， 这要求制造系统的集成模块是一些能完成制造过程多项任务的多功能的专用机床系统。 重构强调的是高柔性这可以通过对机床设备和机床中的一些模块的重新配置变换来实 现模块化制造系统能显著减少产品对制造系统的功能约束，能通过减少非加工时期来提 高生产率，从而使制造系统在未来的快速的技术和市场变化中得以生存。 模块化制造是传统模块化设计技术在新的市场环境和技术条件下进一步发展和出 现的一种制造哲理。现代制造系统包括多种机器人、智能机床和各种生产资源。如果把 全部制造过程分解为多个相互作用的智能模块不仅易于进行重组及更换或增减局部模 块，而且易于对设计和制造知识进行组织和积累。以模块化设计技术为基础，在现代计 算机技术和信息技术的支持下，结合机床设计制造的具体实践，对模块化产品设计制造 和管理进行综合研究，尤其是对模块化制造系统的基础理论和关键技术进行系统而深入 的研究，对于完善模块化理论建立科学的制造系统理论探索适合我国国情的先进制造模 式具有重要的理论意义和实用价值。 3 l 绪论硕士论文 模块化制造系统是一种针对技术难度一般的产品的新的制造系统，是一种在标准化 和模块化系统基础上建立的“柔性 生产系统。其特点是，当有一个新产品投产时，标 准化的模块可以快速组成一个新的制造系统，当产品生产完成后，组成制造系统的模块 可以拆下来用于其它新产品的制造系统。对于技术难度一般、批量较小或中等的产品， 模块化制造系统能满足大批量定制生产的需要，具有高生产率和高柔性的特点。 模块化制造系统通过标准化的、基本的制造系统模块进行重构，快速得到面向定制 产品的制造系统，具有高生产率和高柔性。该制造系统具有以下几类模块【l l 】：加工基本 模块、模块化驱动模块、以及可重构的控制系统。这些模块的定义为： 1 ) 加工基本模块( p m p p r o c e s sm a c h i n ep r i m i l i v e s ) 主要用于加工和改变原材料的状态，如挤压、钻孔、铣削等。基本模块的功能是与 现有的加工设备相类似，但对于模块，最强调的是遵循精确、预定义、示范性和可控制 的标准。 2 ) 模块化驱动模块( m a e ：m o d u l a ra c t u a t o re l e m e n t s ) 主要用于完成执行任务部件的运动。 3 ) 可重构的控制系统( c c s ：c o n f i g u r a b l ec o n t r o ls y s t e m ) 包括各种模块化制造系统子系统的程序、指令和同步化的信息网络。 模块化制造系统研究的最终目的是寻求适合于敏捷制造时代的全新的制造企业框 架，模块化制造系统的鲜明特点是模块性，这里模块性的含义除了指柔性还意味着具有 r m s 特性即可重构可重用和规模可调性，即可满足敏捷制造的基本要求模块化制造系 统不仅具有柔性化模块化的产品设计方法，而且具有高度柔性的模块化生产系统，模块 化制造系统本身是可重新编程的，模块是可重新配置的，并且是可连续改变的，可以方 便地集成为一个新型的信息密集的制造系统。模块化制造系统的最终实现有待于产品及 其制造过程的完全模块化从而最终以模块化制造模式实现敏捷制造。 1 2 2 模块化生产加工系统的特点 传统的柔性制造模式包括组合机床生产线、柔性制造系统( f m s ) ，柔性制造工厂 ( f a ) 、计算机集成制造( c i m ) 和细胞生产方式等等，主要是通过对设计和制造过程进行 效率优化，来实现柔性制造的目的【1 2 1 。而模块化的生产方式则是在共同界面上安插不同 模块，来实现柔性化生产。具体来看，模块化生产具有以下特点 1 3 】： 1 在提高交货速度上，开辟新的途径 传统的柔性制造模式都致力于单个企业内部设计和制造过程效率的提高，在缩短响 应时间方面非常有限，而模块化生产能在更大程度上提高响应速度，表现在： 1 ) 模块化生产往往突破了单个企业的限制，在更大范围内实现资源整合，各个模块 4 硕上论文模块化生产加工系统k n m p s 的开发研究 制造商和模块整合商为了在竞争中取胜，都专注于提高各自模块的核心竞争力，集中力 量，不断提高产品质量、缩短设计和制造周期。 2 ) 模块化生产使同步化操作成为可能，从而缩短总的交货时间。 3 ) 组成产品的模块被生产出来之后，再根据所接到客户订单要求，在模块组装企 业或再下游环节进行组装，从而实现延迟生产。 2 快速的多样化创新 国际生产工程研究会在谈到f m s 时指出，“系统的柔性通常受到系统设计时所考虑 的产品族的限制，同样，以f m s 为基础的f a 、c i m s 也具有这缺陷。这说明企业的设计 创新和生产创新都只能在已有柔性制造系统事先设定的范围以内进行，创新的幅度难免 有局限。而在模块化生产方式下，创新更具有自由，且呈现出快速和多样化的特征。在 同一模块存在着大量相似的部门和企业，每个部门和企业都深入地研究它的产品，并进 行大量相似的实验，为了在激烈的模块竞争中胜出，彼此展开创新竞赛，从而持续不断 地推出新的产品。模块化生产方式下主要有四种创新类型【1 4 j ： 1 ) 增量创新：就是设计者能够修改模块。在增量创新中，模块的核心技术和模块 之间的界面规则都没有重大变化。 2 ) 模块创新：就是要模块内部的核心技术发生变化，但是，界面规则并没有变化。 3 ) 结构创新：就是设计者在不同的结构中使用相同的模块组合。结构创新改变了 界面规则，但保留模块内部的核心部件。结构创新有两种方式，一种是以前结构的变形， 例如，个人电脑主板的不断改进；另一种是改变模块间的基本关系，重新装配模块，形 成新的结构，结构从本质上来说就是界面规则。 4 ) 设计者开发新的产品：开发新的产品既可以采用新的模块，也可以通过组合新 旧不同的模块来创造新的产品。由此可见模块化生产方式能实现快速和多样化的创新， 为满足消费者日益挑剔的个性化需要提供源源不断的动力。 3 顾客参与设计 在传统柔性生产模式下，由于生产流程的特点，如果要进行客户个性化的设计，往 往会极大地增加企业成本；在模块生产方式下，大量设计都是所谓的“模块化操作 ， 即分离、替代、增加、归纳等，不会或者只会少量增加企业成本。顾客的需要上升为产 品价值链的开端，这种需要首先传到模块组合企业的设计部门，设计部门根据客户的需 要量身定做产品，再分解到各个模块供应商处分别制造，在产品价值链的整个过程都有客 户参与，从而客户的个性化需求能够得到及时、彻底的体现。因此，在以顾客价值最大 化为导向的今天，模块化生产能更全面地映顾客个性化的需要，在竞争中占据有利地位。 4 显著降低成本 除细胞生产方式之外，传统的柔性制造模式f m s 、f a 和c i m 都是通过设备的高度自 动化来尽可能地发挥规模经济，但是，由于所加工的零件存在差异，其规模经济水平不 5 l 绪论硕上论文 可能比加工完全标准化的零件还高，而且，由于这些高度自动化的设备本身的投资成本 就非常高昂，分摊到单个产品中后，产品的成本仍然不会低。在模块化生产方式下，产 品的成本能得到显著的降低，表现在： 1 ) 模块产品成为关注的重点，而产品的制造过程则被放到了关注的次要位置，于 是简化了生产环节，从而降低了成本，降低了价格，增强了产品竞争力。随着模块化技 术的革新，模块化的产品生产被转移到了劳动力低廉的发展中国家，劳动力成本大大降 低。 2 ) 建立在模块化生产方式之上的大规模定制，将大规模生产和定制生产的优势有 效结合，在不牺牲经济效益的前提下，满足客户个性化需求的同时，又保持了较低的成 本和较短的交货期，产品被模块化分解之后，更具有通用性和标准性，因此，规模经济 得已发挥，成本大大降低【15 1 。 s e a np m c a l i n d e n 等人对部分实施了模块化生产的整车厂做了一份调研，结果显示， 模块化生产给整车厂普遍带来了平均1 5 左右的成本降低。目前许多世界知名的气车厂 商都已经使用了模块化生产的方式，如大众、克莱斯勒、菲亚特、通用气车、福特、梅塞 德斯等。 表1 1 1 几种柔性生产模式的比较 组合机床生产线 r s 、f a 、c m 细胞式生产模块化生产 交货速度中较快较快快 创新能力中较强较强强 个性化实现较强强强很强 成本较大大低低 尽管模块化生产加工系统的原型系统还没有真正实现， 1 3 实验型模块化生产加工系统的研究意义与发展现状 1 3 1实验型模块化生产加工系统的研究意义 传统的工程学科教学中，通常做法是各门课程单独传授，学生很少有机会了解各种 技术在实际工程中是如何被综合性应用的。学生在学习专业课程时，每门课程虽然都有 相应的实验，但这些实验都是各自独立进行的。在很多情况下，实验中所使用的设备和 器件很多都是实验室专用的，与工业生产中所使用的实际设各和器件有着较大的差异。 自动化技术是一门融机械、电气、电子及计算机等技术于一体的综合技术，在这种 技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起。与其他工程领域相比，在自动化生 产中所使用的生产设备都是资金密集型的。因此，一方面，一般教学或培训单位是没有 6 硕士论文模块化生产加丁系统k n m p s 的开发研究 经济实力专门为教学购置真实的、昂贵的自动化生产系统的；另一方面，拥有自动化生 产系统的企业，因经济原因而不愿将其作为实训设备给学生使用。这样，学校在传授自 动化技术时，只能用模型或采用计算机仿真作为一种弥补的手段，但采用模型或计算机 仿真的手段，学生无法学到真实生产系统所需的知识。从某种意义上说，这样培养出来 的学生是“半成品 ，学生走上工作岗位后，面对实际的工业生产设备、器件仍然感到 陌生，需要经过较长的工作岗位适应期。 随着工业生产现代化的发展，机电一体化技术的集成应用正起着越来越重要的作 用。融合气动技术、传感器技术、p l c 技术、计算机及网络通讯技术等众多学科于一 身的机电一体化技术，已广泛应用于冶金、能源、化工、食品、电子等各个领域，并已 经成为当今工业自动化的重要组成部分。鉴于此，培养适应现代工业企业需求的具有综 合技术能力的人才势在必行。目前我国高校机电一体化实验教学普遍存在的现象是机械 类课程在基础实验和应用实验上都比较完善，而机电一体化的实验相对比较薄弱，有特 色的综合实验教学平台相对缺乏，虽然也有锻造、装配、冲压等单一工序的自动生产线， 却很少有较全面反应真实自动生产线水平的综合模拟教学系统，使学生对机电一体化专 业知识的应用缺乏感性认识，难以掌握解决综合问题的能力。正是在这样的需求下“实 验型模块化生产加工系统 诞生，“实验型模块化生产加工系统是一个获得专业知识、 提高技能综合应用能力的理想学习平台，能真实地模拟出流水作业型自动加工设备的工 况，可对学校学生和工厂的专业技术人员进行模拟工厂环境的技术培训，可以达到培养 机电一体化综合技术人才的目的。 1 3 2 实验型模块化生产加工系统的研究现状 以德国f e s t o 公司为代表的大量国内外公司都对模块化生产加工系统的实现技术 进行了探索和尝试，德国f e s t o 公司结合现代工业企业特点开发研制的模拟自动化生 产加工模块，采用了模块化结构，将气动技术、电气电子、传感器技术、装配技术、机 械设计技术综合于一体。在该系统中选取不同的模块可以组成自己的模拟生产加工系 统，最大可以构成具有9 个模块的m p s 系统，为模块化生产加工系统的实现提供了技 术上的探索和有利的借鉴，也为培训人员获得专业知识、提高技能综合应用能力提供了 一个理想的学习平台。 在国内以深圳固高科技有限公司、上海泰煌教学设备有限公司、天津龙洲科技仪器 有限公司等为代表的大量公司也开发了各具特色的模块化生产加工实训设备。其中龙洲 科技仪器有限公司开发的模块化生产加工实训设备也是目前国内起步较早、较完善、且 涵盖实训内容较的集机、光、电、气、液于一体化实训系统。该系统适用于各类机械、 电气及其自动化相关专业的学生进行实训操作，其中囊括了绝大部分工业生产中所涉及 的应用技术：工业总线技术、网络通信技术、机械传动与执行机构技术、p l c 控制技术、 7 l 绪论硕士论文 电气控制技术、气动与液压技术、电子技术、组装技术、故障检测与排除技术、光电视 觉技术、传感器技术、w i n c c 实时监控、过程控制、组态控制、质量控制等。最终实现 一套从综合控制中心、到加工系统、经装配自动线、再到检测系统、以及物流仓储系统 的完整闭环式可循环系统功能。该系统提供了一个开放性的，创新性的和可参与性强的 实验平台，让学生全面掌握机电一体化技术的应用、开发和集成技术，帮助学生从系统 整体角度去认识系统各组成部分，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理，可 以激发学生学习兴趣，使学生的机电一体化设计、装配、调试能力均能得到综合提高。 1 4 本课题主要内容 1 4 1 本课题来源与研究目的 本课题来源于南京理工大学与南京康尼实业科技有限公司合作的“实验型模块化生 产加工系统k n m p s 控制系统设计与开发”项目，该项目结合国内外常见的实验型模块 化生产加工系统系统，在对客户需求进行分析的基础上，开发五个工作站的模块化化生 产加工系统，该模块化生产加工系统真实地模拟实际生产加工过程，所用元件均为工厂 实际使用的工业级产品，采用模块化设计结构，可以任意组合，每个站都是一个独立的 个体，既能单独工作完成工件加工过程中的某一道工序，又能作为一个整体联机运行完 成工件加工处理的全过程。 本论文的研究目的是解决k n m p s 研制开发过程中所涉及到的系统总体功能设计与 分解、系统模块功能设计与分解、模块工艺流程详细设计、p l c 程序设计、模块间实时 通信等关键控制技术，开发出一条集工业总线技术、网络通信技术、机械传动与执行机 构技术、p l c 控制技术、电气控制技术、气动技术、传感器技术于一体的实验型模块生 产加工系统，为模块化生产加工系系统的开发设计提供了技术上的探索和有益的借鉴。 1 4 2 本论文研究任务 本论文涉及的主要研究任务包括： 1 系统总体功能设计与分解。在分析客户需求的基础上，确定实验型模块化生产 加工系统k n m p s 的总体功能，并对总体功能进行分解，确定系统的组成模块。 2 各个模块的功能设计与分解。在确定了系统的总体功能以及组成模块的基础上， 对各个组成模块的功能进行设计和分解，为进行各个模块控制器的开发、工艺流程的详 细设计、程序流程的详细设计奠定基础。 3 加工模块工艺流程详细设计。完成加工模块的多功能工艺流程的设计，包括详 细的工艺流程设计、程序流程设计、p l c 程序设计。 4 系统联机工作工艺流程详细设计。完成各个模块联机工作工艺流程详细设计， 8 硕士论文模块化生产加丁系统k n m p s 的开发研究 实现系统各个模块的联机工作。 5 针对不同客户的需求设计不同的通信方案。主要设计两种方案：第一种为模块 之间简单的点对点连接通信，即有信息传递的两个模块输入、输出口的直接连接；第二 种为采用p r o f i b u s 现场总线实现系统的实时通信。选择了p r o f i b u s 现场总线解决k n m p s 模块之间的通信问题，论文详细描述了系统实时通信的物理结构、具体技术和实现方法。 1 5 论文内容安排 1 5 1 论文各章内容安排 全文共分七章，详细研究了模块化生产加工系统k n m p s 设计过程与开发过程中实 现所需的建模与控制技术，并在最后一章给出了本文的研究总结，展望未来需要进一步 研究的工作。各章具体研究内容简述如下： 第一章：绪论。本章分析了国内外模块化生产加工系统的发展状况，分析了实验型 模块化生产加工系统的研究意义以及其国内外发展现状，论述了本课题的研究背景与目 的，明确了本文的研究内容，对于论文各个章节的内容进行规划。 第二章：k n m p s 系统总体功能设计与分解。本章在分析了客户需求的基础上，确 定了实验型模块化生产加工系统k n m p s 的总体功能，并对总体功能进行了分解，确定 了系统的组成模块，这是系统详细设计所需要做的基础工作。同时对控制器开发过程中 用到的相关技术、工具、软硬件系统、通信技术进行了分析。 第三章：k n m p s 系统各模块功能设计与分解。本章在第二章确定了系统的总体功 能以及组成模块的基础上，对供料模块、检测模块、加工模块、操作手模块、分拣模块 的功能进行了设计和分解，为进行各个模块控制器的开发、工艺流程的详细设计、程序 流程的详细设计奠定了基础。 第四章：k n - m p s 系统加工模块工艺流程详细设计。本章详细设计了加工模块的多 功能工艺流程，首先完成了加工模块监控点的布置，这是进行工艺流程详细设计的基础。 接下来结合检测点的布置情况完成了加工模块的手动、自动、急停、复位工艺流程详细 设计，并运用顺序控制设计方法完成了相应工艺流程的程序流程设计，根据程序流程可 以直接写出p l c 程序。 第五章：k n - m p s 系统联机工作工艺流程详细设计。本章在第四章完成各个模块手 动、自动、急停、复位工艺流程详细设计的基础上，完成了各个模块联机工作工艺流程 的详细设计，为各个模块之间的联机工作设计了可以保证整个生产线的顺畅高效工作的 信息传递点。并且对加工模块联机工作工艺流程详细设计的过程进行了详细介绍，其它 模块的联机工作工艺流程的设计过程未作详细介绍，仅给出了最终的设计结果。 第六章：基于p r o f i b u s 的m p s 过程控制系统设计与实现。在第五章的基础上， 9 l 绪论硕：l ? 论文 运用p r o f i b u s 通信代替各个模块之间简单的点对点连接通信，根据k n m p s 系统自 身的特点选择了合适的配置形式，基于k n m p s 系统的结构模型，运用s t e p 7 编程软 件进行网络组态，完成通信程序的设计。 第七章：对本文所做的工作进行总结，并分析系统的不足之处，对今后的工作进行 展望。 1 5 2 论文组织结构 根据上述章节安排内容，制定本文的详细组织结构如图1 5 1 所示。 1 0 缝论 k n m p s 系统总体功髓 确定与模块划分 1 可燕摘捌遗蒹缝发展堤轶 2m p s 的簸履琨故茂珏转点 文谖酝的撬出麓教趸 ，”、 、 1 霭，需求竹折 幺系统总体j 镌设谤与分捌 j 搿懈控制系绕嬲介 图1 5 1 详细组织结构如图 硕上论文 模块化生产加工系统k n - m p s 的开发研究 1 6 本章小结 本章分析了国内外模块化生产加工系统的发展状况，分析了实验型模块化生产加工 系统的研究意义以及其国内外发展现状；论述了本课题的研究背景与目的，明确了本文 的研究内容，并对论文各章节的内容进行了规划。 2k n m p s 系统总体功能设计与分解硕十论文 2k n m p s 系统总体功能设计与分解 2 1 客户需求分析 实验型模块化生产加工系统k n m p s 的开发设计是为了满足某高校“机电一体化专 业 机电一体化实验教学的需求。客户要求所开发的“实验型模块化生产加工系统 k n m p s ”为基本接近于现场且能较全面、较真实地反应当今自动生产线水平的综合模 拟教学系统，可以使得学生对其所学专业有感性的认识，掌握解决综合问题的能力。该 系统应该给学生提供一个综合技术环境，给学生提供一个更好的发展平台，使他们能把 所学的知识融会贯通，实践创新。为学生提供一个开放的、创新的、并有较强可参与性 的实验平台，让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术，帮助学生从系统 整体角度去认识系统各组成部分，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理。促 进学生在机械设计、电气自动化、自动控制、机器人技术、计算机技术、传感器技术等 方面的学习，并对电机驱动及控制技术、p l c 控制系统的设计与应用、计算机网络通 信技术和现场总线技术等运用技能得到实际的训练，激发学生的学习兴趣，使学生的机 电系统的设计、装配、调试能力均能得到综合提高。系统的总体要求如下： 1 ) 该系统必须是一个将机械结构、气动技术、液压技术、电气控制技术、传感技 术、可编程序控制器技术以至网络控制技术充分融合为一体的模块化教学培训系统。系 统中的元器件均应选用实际的工业元件，无论是机械结构还是控制系统，都采用统一的 标准接口，使整个系统实现完全的模块化，具有极强的柔韧性，可非常方便地进行拆装、 组合、互换、扩展。使得系统能同时满足不同层次、不同科目的培训要求。 2 ) 每一个工作模块都具有各自独立的p l c 控制，它即可以独立工作，又可以任意 组合构成规模不同的系统。实现工作站与工作站站之间的相互配合、通讯。 3 ) 系统的模块化结构能够满足每一个组合都具有很强的扩展性。从控制的角度： 可以从一般地f o 通讯扩展为p r o f i b u s 通讯。从系统的结构上：m p s 系统的每一个工作 站，都可以作为后期扩展系统的一个组成部分，所以，每一个系统模块经过不同的组合， 可以满足不同层次、不同需求的教学培训需要。同时，系统中所选用的元件也尽可能采 用插接式连接方式，这使得在培训过程中能够很方便地实现对系统进行故障设置，来完 成系统故障诊断及排除的科目训练。 4 ) 该系统既可以以每一个工作站作为工作及训练模块，也为可以根据培训内容及 分组要求，进行任意的组合，构成不同的系统。 1 2 硕上论文模块化生产加- t 系统k n m p s 的开发研究 5 ) 每一个工作站都应具有自己的控制信号输入及p l c 控制板。使得每一个工作模 块都能独立构成一个系统。并能够方便的与计算机连接，实现数据的传输等功能。 系统通过模拟孔类零件的典型的工业生产加工和物流过程，来演示现代工业控制中 的各项基本技术的结合与应用，工作站设备要尽可能多地涵盖工业领域正在得到广泛应 用的各种先进控制技术和处于工业前沿领域的特种加工技术，使系统成为真正融合光、 机、电、气以及信息一体化、物流管理训练、工业造型、艺术设计等的综合型研究平台。 系统应具备的基本特征： 1 ) 灵活性：整个系统由各自独立而又紧密相连的不同工作站组成。每个工作站各 有一套p l c 控制系统独立控制。可将五个模块分开培训，可以容纳较多的学员同时学习。 在基本模块模块培训完成以后，又可以将相邻的二站、三站直至五站连在一起，学习 复杂系统的控制、编程、装配和调试技术。 2 ) 集成性：系统要求可以通过一般地i o 通讯或者p r o f i b u s 工业现场总线形式的网 络通讯手段将系统中的所有单机设备进行高度、高效集成。 3 ) 专业性：该系统囊括了机电一体化专业学习中所涉及的诸如电机驱动、气动、 p l c ( 可编程控制器) 、传感器等多种技术，解决了学生不能在实际生产线上操作训练的 问题，指导教师可以对学生进行从设计、组装、编程、调试到检查问题和维护等一系列 课题的不同层次的教学培训。 4 ) 模块化：从不同的模块到工作模块，从单独的工作模块到m p s 系统，各工作模 块之间具有柔性的组合方式；在工作模块间都有标准化的统一定义的接口；可以不断升 级现有系统。 5 ) 安全性：系统具有短路保护、急停保护、限位保护、智能保护等各种保护功能， 可确保人身与设备安全。 2 2k n m p s 系统总体功能设计与分解 根据客户要求，所要开发的模块化化生产加工系统以完成孔类零件的加工为主，其 中该系统要实现零件从上料到加工到存储的一系列相关过程，经过对该过程进行分解， 确定该系统主要完成零件上料、加工前检测毛坯是否合格、零件加工、加工后检测、检 测后分流存储等独立功能。 根据模块化设计的思想，各个独立的功能分别由相应的模块实现，而且模块之间可 以任意组合，每个模块都是一个独立的个体，既能单独工作，又能联机运行。结合国内 1 3 2k n m p s 系统总体功能设计与分解 硕i ：i k 文 外现有的模块化化生产加工系统功能的划分方法，从系统机械结构及布局进行设计上划 分，将该系统划分为供料模块、检测模块、模拟n - r 模块、操作手模块、分拣模块五个 模块组成。每个模块模块既可自成系统进行单独工作，完成工件的某一工序，也可以与 其它模块相互组合，完成零件的整个生产加工过程。该系统的总体工艺流程如图2 1 1 所示。 y i 加= 单元加工、检测 y 1 分拣单元根据工 i 件特性进行分拣 j ( 成县存储区) 图2 1 1k n ，m p s 总体工艺流程图 该系统中各个模块的主要功能如下： 1 ) 供料工作模块 功能：主要完成对待加工件的输送。 2 ) 检测工作模块 功能：主要完成对待加工件的检测，并使合格待加工件传输加工模块。 3 ) 模拟加工模块 功能：分别在四个不同的工位上完成对待加工件的接收、模拟电钻打孔、孔深检测 与加工件的存储转运。 4 ) 操作手模块 功能：将模拟加工模块加工完成的工件搬运到传输系统上，传送到下一模块进行存 储。 1 4 硕上论文模块化生产加工系统k n m p s 的开发研究 5 ) 分拣模块 功能：将模拟加工模块加工完成的工件进行存储，根据零件的不同特性，存放在不 同的存储区域。 2 3k n m p s 控制系统 2 3 1k n m p s 控制系统硬件 1 ) 西门子s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 p l c 及i o 扩展模块【2 2 2 5 】 p l c 通过输入输出点与现场设备构成一个完整的p l c 控制系统，在方案设计时根 据不同客户的不同配置要求以及对通讯方案的不同要求，设计了两种可选方案，第一种 方案是五个工作站均采用s 7 2 0 0 p l c 进行控制，模块之间通过简单的点对点连接通信， 即有信息传递的两个模块的p l c 输入、输出口的直接连接；第二中方案是运用 p r o f i b u s 通信代替各个模块之间简单的点对点连接通信，根据m p s 系统自身的特点 选择了合适的配置形式，将其中的一个模块采用s 7 3 0 0 p l c 进行控制做主站，其它站点 采用s 7 2 0 0 p l c 进行控制做从站，组成p r o f i b u s d p 网络，基