项目1 自动化生产线认知

任务1.1 了解自动化生产线及应用

知识与能力目标

1)了解自动化生产线的作用和产生背景。

2)理解自动化生产线的运行特性与技术特点。

3)了解自动化生产线在实际工程中的应用。

1.了解自动化生产线

自动化生产线是现代工业的生命线。机械制造、电子信息、石油化工、轻工纺织、食品、制药、汽车制造以及军工生产等现代工业的发展都离不开自动化生产线的主导和支撑作用。

自动化生产线是在自动化专机的基础上发展起来的。自动化专机是单台的自动化设备，它所完成的功能是有限的，只能完成产品生产过程中单个或少数几个工序。在工序完成后，经常需要将已完成的半成品及生产过程信息采用人工方式传送到其他专机上继续新的生产工序。整个生产过程需要一系列不同功能的专机和人工参与才能完成，既降低了场地的利用率，又增加了人员及附件设备，还增加了生产成本，尤其是在人工参与过程中给产品的生产质量带来了各种隐患，不利于实现产品生产的高效率和高质量。

若将产品生产所需要的一系列不同的自动化专机按照生产工序的先后次序排列，则通过自动化输送系统可将全部专机连接起来，可省去专机之间的人工参与过程。产品生产的流程由一台专机完成相应工序操作后，经过输送系统将已完成的半成品及生产过程信息自动传送到下一台专机继续进行新的工序操作，直到完成全部的工序为止。这样不仅减少了整个生产过程所需要的人力、物力，而且大大缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本，保证了产品质量，这就是自动化生产线产生的背景。

自动化生产线是在流水线和自动化专机的功能基础上逐渐发展形成的、自动工作的机电一体化的装置系统。它通过自动化输送系统及其他辅助装置，按照特定的生产流程，将各种自动化专机连接成一体，并通过气动、液压、电动机、传感器和电气控制系统使各部分联合动作，使整个系统按照规定的程序自动地工作，连续、稳定地生产出符合技术要求的特定产品。称这种自动工作的机电一体化系统为自动化生产线。

如图1-1所示，自动化生产线具有高的自动化程度、统一的控制系统以及严格的生产节奏等运行特性，实现了整个生产系统物质与信息传递的自动化，使得全部生产过程保持高度连续性和稳定性，显著地缩短生产周期，使产品的生产过程达到最优的调度控制，大大满足了生产厂商的生产要求。

图1-1 自动化生产线的运行特性

如图1-2所示，自动化生产线技术的最大特点在于它的综合性和系统性。技术的综合性指的是将机械、气动、传感检测、电动机驱动、PLC（可编程序控制器）、网络通信以及人机界面等多种技术进行有机结合，并综合应用到自动化生产线上。技术的系统性指的是自动化生产线上的传感检测、传输与处理、分析控制以及驱动与执行等部件在微处理单元的控制下协调有序地工作，并通过一定的辅助设备构成一个完整的机电一体化系统，自动地完成预定的全部生产任务。

图1-2 自动化生产线的技术特点

自动化生产线的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性。为适应多品种生产的需要，自动化生产线将发展成为能快速调整的可调自动化生产线，更能满足生产商适时变化的生产要求。自动化生产线中数控机床、工业机器人和电子计算机等相关领域的快速发展以及成组技术的应用，提升了自动化生产线在生产过程中的灵活性，实现了多品种、中小批量生产的自动化。多品种可调自动化生产线技术的发展，降低了自动化生产线生产的经济批量，而且在机械制造业中的应用越来越广泛，更为可观的是已经向高度自动化的柔性制造系统发展。

2.初识自动化生产线应用

近些年来，我国GDP长期保持在7%以上的增长率，特别是近几年我国汽车工业保持15%以上的增长率，其原因之一是自动化生产线应用的普及与提高。我国提出发展经济应该着力于实现工业化和产品信息化，又进一步地提出信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。随着国家对工业自动化装备研究领域的投入，国内目前涌现出了一大批从事自动化生产线相关装备研究和开发的企业和人才，目前已经具备自主创新设计的能力，为现代化生产提供了大量各种功能的自动化生产线。

图1-3所示是某汽车公司的自动化汽车生产线。该公司拥有全球最先进、世界顶级的冲压、焊装、树脂、涂装及总装等整车制造总成的自动化生产线系统。通过该自动化生产线系统可实现汽车制造中高效率、高精度和低能耗冲压加工；借助生产线上配备的267个自动化机器人可实现车身更精密、柔性化的焊接，有力地确保了产品品质。

图1-3 某汽车公司的自动化汽车生产线

图1-4所示是某电子产品生产企业的自动化焊接生产线，包括丝印、贴装、固化、回流焊接、清洗以及检测等工序单元。生产线上每个工作单元都有相应独立的控制与执行等功能，通过工业网络技术将生产线构成一个完整的工业网络系统，确保整条生产线高效有序运行，实现大规模的自动化生产控制与管理。

图1-4 某电子产品生产企业的自动化焊接生产线

图1-5所示是某烟草公司的自动化生产线现场。该生产线引入工业网络，是连接制丝生产、卷烟生产及包装成品等一体化的全过程自动化系统。通过采用先进的计算机技术、控制技术、自动化技术和信息技术，集成工厂自动化设备，对卷烟生产全过程实施控制、调度、监控。同时，工控机、变频器、人机界面、PLC及智能机器人等自动化产品在该生产线上得到充分应用。

图1-5 某烟草公司的自动化生产线现场

图1-6所示是某酒厂的自动灌装线现场。这个自动灌装线主要完成自动上料、灌装、封口、检测、打标、包装及码垛等多道生产工序，极大地提高了生产效率，降低了企业成本，保证了产品的质量，实现了集约化大规模生产的要求，增强了企业的竞争能力。

图1-6 某酒厂的自动灌装线现场

任务1.2 认知典型自动化生产线

知识与能力目标

1)了解典型自动化生产线各组成单元及其基本功能。

2)认识典型自动化生产线的系统运行方式。

自动化生产线以其自身独特的优势在现代工业生产中得到越来越广泛的应用，由于现代生产企业的类型不同，所需要的自动化生产线的功能和类型也大不相同，而且现实工业生产中的自动化生产线类型繁多、种类繁杂，但就自动化生产线本身的核心技术和功能实现方式而言几乎都是相同的。因此，为了方便进行自动化生产线技术的学习与训练，很多公司围绕自动化生产线的技术特点开发出了各种不同的自动化生产线教学培训系统。本书以上海英集斯自动化技术有限公司生产的典型模块化自动化生产线为载体，对自动化生产线的使用、安装、调试及维护等应用技术进行循序渐进地介绍。

图1-7所示为上海英集斯自动化技术有限公司生产的典型模块化自动化生产线组成结构图。该典型自动化生产线由供料单元、检测单元、加工单元、搬运单元、分拣输送单元、提取安装单元、操作手单元和立体存储单元等8个不同的模块单元组成。该模块化自动化生产线（简称为MPS教学系统）是一套开放式的教学自动化生产线设备，其综合应用自动化生产线中所需的多种技术，充分体现了自动化生产线技术的综合性与系统性特点，为理论与实践一体化教学的有效结合提供了一个完美的载体，从而有效地缩短了学校教学与工程实际应用之间的距离。

图1-7 典型模块化自动化生产线组成结构图

这个典型的自动化生产线采取开放式的模块结构，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是每一工作单元的运行执行功能、各个工作单元之间的运行配合关系，以及整个自动化生产线的运行流程和运行模式，都可以模拟实际生产现场状况进行灵活地配置，使之实现模拟实际生产要求的自动化生产运行过程。与此同时，这一典型自动化生产线上的每个工作单元都具有自动化专机的基本功能。学习掌握每一工作单元的基本功能，将为进一步学习整条自动化生产线的联网通信控制和整机配合运作等技术打下良好的基础。

1.认知典型自动化生产线各工作单元

（1）供料单元

供料单元主要由送料模块、转运模块、报警装置、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP电磁阀岛和过滤减压阀等组成。其外观如图1-8所示。

供料单元的基本功能：实现工件从送料模块的井式料仓中自动推出，借助转运模块的摆动气缸与真空吸盘的配合使用，将送料模块推出的工件自动转送到下一个工作单元。

（2）检测单元

检测单元主要由识别模块、升降模块、测量模块、滑槽模块、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP电磁阀岛和过滤减压阀等组成。其外观如图1-9所示。

图1-8 供料单元外观图

图1-9 检测单元外观图

检测单元的基本功能：识别模块在接收到新的待处理工件后，实现待处理工件颜色和材质的检测，并通过升降模块和测量模块完成工件高度的测量，根据检测与测量结果信息，通过滑槽模块完成向下一工作单元传送或直接剔除工件的功能。

（3）加工单元

加工单元主要由旋转工作台模块、钻孔模块、钻孔检测模块、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP电磁阀岛和过滤减压阀等组成。其外观图如图1-10所示。

加工单元的基本功能：旋转工作台在接收到新工件后，旋转工作台模块启动工作，分步实现其尚待加工工件的模拟钻孔加工，并对加工质量进行模拟检测等功能。

（4）搬运单元

搬运单元主要由提取模块、滑动模块、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP电磁阀岛和过滤减压阀等组成。其外观图如图1-11所示。

图1-10 加工单元外观图

图1-11 搬运单元外观图

搬运单元的基本功能：提取模块执行工件的拾取与放置动作，滑动模块执行拾取后工件水平移动的搬运任务，自动地实现将工件从上一工作单元拾取搬运到下一工作单元的功能。

（5）分拣输送单元

分拣输送单元主要由传送带模块、位置检测模块、滑槽模块、推料模块、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP电磁阀岛和过滤减压阀等组成。其外观如图1-12所示。

分拣输送单元的基本功能：在接收到新工件后，传送带模块开始传送工作，根据上一工作站的工件信息，在位置检测模块和推料模块的配合下，实现传送带模块上工件的自动分拣输送功能。

（6）提取安装单元

提取安装单元主要由传送带模块、提取安装模块、滑槽模块、工件阻挡模块、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP电磁阀岛和过滤减压阀等组成。其外观如图1-13所示。

图1-12 分拣输送单元外观图

图1-13 提取安装单元外观图

提取安装单元的基本功能：检测到有新工件到位的信息之后，通过传送带模块将工件输送到工件阻挡模块位置，提取安装模块将滑槽上小工件装配到传送带工件上，随后工件阻挡模块放行装配后的工件组，继续由传送带模块输送到指定位置。

（7）操作手单元

操作手单元主要由提取模块、转动模块、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP电磁阀岛和过滤减压阀等组成。其外观如图1-14所示。

操作手单元的基本功能：提取模块执行工件的拾取与放置动作，转动模块执行拾取后工件水平转动的搬运任务，自动地实现将工件从上一工作单元拾取搬运到下一工作单元的功能。

（8）立体存储单元

立体存储单元主要由步进驱动模块、丝杠驱动模块、工件推出装置、立体仓库、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP电磁阀岛和过滤减压阀等组成。其外观如图1-15所示。

立体存储单元的基本功能是：在接收到新工件后，在步进驱动模块的驱动下带动X、Y两丝杠运动，依据接收到的工件材质、颜色等信息，自动将其运送至相应指定的仓位口，并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。

图1-14 操作手单元外观图

图1-15 立体存储单元外观图

2.典型自动化生产线工作运行方式

该自动化生产线由8个模块式工作单元组成，每个工作单元的电气控制板上都配备一台西门子S7系列PLC，分别控制每一工作单元的执行功能，单元之间可采用I/O或PPI或PROFIBUS现场总线等网络通信方式进行通信。生产线中各单元可自成一个独立的系统运行，同时也可以通过网络互联构成一个分布式的整机控制系统运行。

当工作单元自成一个独立的系统运行时，其独立设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显示信号来源于该工作单元的操作面板，各模块在自身PLC控制下自动完成本站的执行功能。工作单元独立系统的具体内容将在后续章节中详细介绍。

当生产线采用网络通信方式互联成一个整机系统运行时，其工作单元之间的各种信息通过网络进行数据通信与交换，各运行设备之间能自动协调工作，实现了自动化生产线整机稳定有序地运行。自动化生产线整机系统的具体内容将在后续篇幅中详细介绍。

当自动化生产线采用了触摸屏或组态软件等人机界面技术运行时，生产线中的主令信号通过触摸屏或组态软件系统给出。同时，人机界面上也实时显示系统运行的各种状态信息。自动化生产线人机界面系统的具体内容将在后续章节中详细介绍。