摘 要

随着经济全球化的发展，知识经济的到来，全球化进程不断加速，技术进步与创新日新月异，我国自动化装备生产不断朝着智能化，集成化方向发展。在过去几十年的工业自动化发展进程当中，设备的自动化程度越来越高，劳动成本的降低，生活水平的提高，让人们对于产品的要求也越来越高，各种自动化设备也开始陆陆续续的出现，铝合金门窗自动化生产便是其中的一个重要项目，随着人们对铝合金门窗的需求不断的加大，如何提高铝合金门窗的生产效率便成为了一个重要问题，本文就介绍了一种用PLC控制的铝合金门窗自动组框的控制装置，根据铝合金门窗组框的基本工艺要求，确定了装置的控制系统设计方案，包括了控制系统的软硬件设计装置和动作控制分析，该系统简单，经济，又能满足基本的生产要求。

关键词：铝合金门窗、自动控制、结构设计、PLC

With the development of economic globalization and the advent of knowledge economy, the process of globalization is accelerating, and technological progress and innovation are changing with each passing day. In the past few decades in the development of industrial automation, equipment automation degree is higher and higher, lower labor cost, the improvement of living standards, make people more and more is also high to the requirement of the product, the emergence of a variety of automation equipment and start turning, aluminum alloy doors and Windows automation production is one of the important projects, as people demand for aluminum alloy doors and Windows continuously increasing, how to improve the production efficiency of aluminum alloy doors and Windows became an important problem, this paper introduces a kind of using PLC control of aluminium alloy door automatic box set of control devices, according to the basic technical requirements of aluminum alloy doors and Windows group box, The design scheme of the control system of the device is determined, including the analysis of the motion control of the device and the design of the software and hardware of the control system.

Key words: automatic control, structure design, PLC

1. 绪论
   1. 课题的背景及研究的意义

20世纪以来，我国的经济得到了极其快速的发展整个社会已经有大部分人进入了小康，消费人群已经逐渐的由中低级消费者向中高级消费者迈进，所以这些消费者已经不再满足于简简单单的满足生活需求，而是需要高质量高水平的生活状态，他们追求高级的物质文化。随着我国经济快速的进步和工业化的不断普及，铝合金门窗消费市场变得越来越庞大。消费者们愿意花更多的金钱去找到适合自己品味的产品。这对于一些高档的铝合金门窗生产厂家来说是一个比较好的消息，但是同时也是一个挑战，对各个厂家的生产水平提出了更高的要求。

在以前，铝合金门窗的组框这一流程主要是靠手工，不仅效率低下，而且产品的质量也得不到保证，这个时候一种全新的自动化生产方式就开始出现在了各个厂家的视线里，为了减轻工人的劳动强度，让这一生产变得安全快速，从而降低所需的成本，一种简单易操作的生产方式呼之欲出，以此提高企业的自动化程度，高度的机械化甚至全部机械化和高度的自动化是企业前进的方向。找到更好更快效率更高的生产方式成为了很多企业的需求。

• 1. 自动化生产线的技术发展

随着科学技术的发展，又特别是高新技术的迅猛发展，自动化生产线技术的技术也随之不断进步，其发展趋势如下。

1. 自动化生产线朝着特征参数化，多功能方向发展

自动化生产线的设计过程简单点来说就是一个满足机械结构约束问题的求解过程，如果要说的详细一点，那就是从给定的生产要求和材料结构等方面设计出一些抽象的约数描述，不断的修改设计参数，从而得到满足设计要求的答案。这个意思就是说设计中不断的修改技术参数就是大部分工作，用来满足约束要求，在设计过程当中，参数化和变量化生产线系统不仅能够通过尺寸驱动，而且能随时更改设计对象，减少设计中的问题和错误。

1. 自动化生产线向着集成化方向发展

在一个特定的生产过程当中，必须考虑的是整体的生产，各个生产环节有机的结合起来，这就是所谓的生产集成化，为企业提供问题的一体化解决方案，企业的效率可以因此得到较大的提高，但是本质上来说自动化系统基本上都是一个独立的系统，如何在各个独立系统之间实现信息共享和资源转换就成了一个值得思考的问题，集成化自动化生产线系统就可以避免这一问题，它能将各个环节有机的结合起来，保证信息的更新速度，从额提高了信息的一致性和可靠性，自动化生产线系统的集成化是实现计算机集成系统的基础，这个趋势已经成为主流，不可阻挡。

1. 朝着网络化方向发展

随着网络技术的发展，通信技术也得到了高速的发展，对自动化生产来说是一件非常好的事，在这种情况下自动化生产线的各个独立单元的联网通信和资源共享就变得方便了很多，也有了可靠的保障。现代的机械产品的生产已经有了一个较为标准的流程和系统，这就需要多个企业部门和各种各样的技术人员的合作，来共同完成这个任务，所以网络技术的成熟可以帮助自动化生产线实现资源的优先配置，在此基础上大大的提高企业的市场竞争力，产品的更新速度也由此得到提高，全球化等等先进制造模式就由此应运而生

现在，自动化生产线技术正向着我们所说的参数化，集成化，智能化，网络化的方向不断的发展。未来的自动化生产线技术将开发一个全新的网络环境支持的综合系统，全面支持数字化和采用不同设计理念和方法的生产线设计工作

1. 组装工艺总体方案的分析与确定

2.1 课题的生产对象

铝合金门窗是大家日常生活中每个家庭都需要使用到的一种物品，以其轻便牢固的特点一直占有着不小的门窗市场。随着市场需求的不断扩大，对生产设备的自动化能力也有了更高的要求，现在市场上的生产设备各种各样，但是科技的进步会导致越来越多的设备出现换代，该课题由此产生，为了研究出更好更高效的设备。

2.2 生产线应满足的生产要求

这次课题研究的是铝合金门窗自动组装的生产设备，生产过程属于自动化生产，尽量做到提高生产效率的同时又保证设备的安全可靠和稳定性，但是我们需要的不仅仅是生产一种规格产品的设备，我们还需要该设备能够有一定的适应能力，能够满足不同规格的产品生产，所以这就对设备的柔度提出了一些要求，在设计时要满足在不更换零件的条件下生产规格在一定范围内是可以调节的。在控制方面，我们这次课题采用的是PLC控制。因为其可靠性高，编程相对来说也较为简单，我们所要做的就是利用PLC来控制气缸和电机的动作来实现对铝合金门窗的自动组装，使得该设备的自动化程度能够有所提高，在该生产过程在，很少使用到人工，这样做可以降低生产成本，在提高劳动效率的同时也对员工的安全提出了更高的保障。

根据以上条件我们对该设备提出了以下的要求：

1. 有较高的工作效率和产量，符合生产节奏（2）硬件设备安全可靠，并且容易更换和调整； （3）在运送铝型材和运出产品的时候动作准确到位； （4）该自动生产线控制系统具有软件和硬件的限位，控制异常的时候有自动停止下来和报警功能； （5）操作简单，维护成本低。

2.3 总体设计方案的分析与确定

现在国内的生产现状依然是以手工生产为主，半自动生产为辅，为了解决这一问题，进行了该课题的研究，此课题研究的意义在于只需要把切割好的铝型材放入传送带上，就可以进行有序的动作，对铝型材进行打孔，压紧，组装，产品完成等一系列完整动作。

大概的工作流程如下：通过传送带和提升机将已经切割好的铝型材框按组合顺序运送到工作台，通过夹具将四根铝型材输送到相应的位置，每根铝型材后面都会有一块顶板，在四根铝型材都输送到相应位置后，四块顶板同时工作将其压紧在一起，枪钉装置下降在每个需要固定的角上打上枪钉，然后枪钉装置上升，四块顶板缩回，工作台下降送出完成好的铝合金门窗框架，然后再回去接受下一批铝型材，自动循环。本方案的主要优点就是自动化程度高，人工几乎用不上，生产成本有一个不小的降低，与此同时维修成本低，所以性价比达到较优水平。

2.4 机构驱动力方式分析

从以上分析可知，铝合金门窗的各个部件主要是推到指定的位置进行组装和打孔等操作，且驱动力不需太大，精度要求比较一般，并根据线性运动模式的特点。确定了使用气动技术，气动技术具有很多液动方式所不具备的有优点，比如说成本低，使用寿命长和对环境无污染，安全可靠等。气动技术不仅仅可以用于该课题，它在控制技术和流体传动等生产过程中也起着至关重要的作用，在机械制造领域以及机电一体化的领域中起着举足轻重的作用，它作为一种自动化工业手段，以其低成本，高效率，低污染的优点被大家所认可，不仅是在国内，在国外的各国工业领域中都得到了广泛的应用。

综上所述气动技术具有以下优点:

(1)气动装置的重量一般情况下是很轻的，机构较为简单，容易维修，而且介质是空气，相比于液压介质来说不存在介质容易燃烧的问题

(2)介质是空气，对环境没什么污染，同时成本相较于液压介质也要偏低

(3)气动元件的执行速度相比之下是比较快的，只需要比液压元件小的时间就可以完成元件所需的压力和速度。

(4)气动元件的使用寿命长，研究表明其有效动作次数超过了100万次，其中部分优质阀门甚至超过了2亿次，说明可靠性高。

(5)全气动的方法具有液动方式不具有或者说不出色的防火、防潮、防爆等性能。气动法比液动法更适合高温场合。

(6)气动方式是利用空气的压缩来储存能量的，所以能在较短时间内获得快速响应，同时对装置也有一定的缓冲，不至于对装置产生明显损害。

(7)很容易就可以调节输出力和速度。

通过对液压和气压方式的分析比较以及上诉的气动方式优点的展示，满足这个课题所需要的生产设备的驱动能力，综合考虑之下决定选择气缸作为该设备大部分的动力执行元件。

2.5 气动系统的组成

气动系统的组成分类可以按照控制过程分，大概分为四个步骤，分别是气源部分，信号输入，信号输出，和命令执行这四个。

1）气源部分的开始是空气压缩机和气罐，重要的是起源处理单元，这是一些专业人员能够接触到的地方。包括过滤干燥和减压等等工序。

2）信号输入部分最需要首先考虑的对象是被控对象的信号源，手动按钮操作法是一种控制运动起始的重要手段，不过只能在简单的气动控制系统中使用。如果是复杂的气动控制系统，可以列入信号输入这一部分的就有压力开关，某些物理量的转换信号，还有光电信号和传感器的信号等等

3)信号输出部分。电控和气控是信号处理的两种主要方式，气动逻辑元件是气动控制的主题，在双压阀以及顺序阀组成一组逻辑控制回路之前通过梭阀。有些气动制造厂商一直有能力制造出十二顺序动作的步进器，这是一种气动逻辑控制器，属于新技术，并不是每个厂商都有能力制造出来，这一技术特点是更多的使用PLC控制，同时工控机也满足条件。目前来说，通过PLC把信号处理和命令执行合并一下成为一个控制程序是大多数气动厂商所愿意采用的方式。

4）命令执行。驱动器和方向控制阀是这个环节的主要两个部分，这里提到的方向控制阀与一般所说的不同，其特点是在接受信号处理的命令之后去控制驱动器。与上诉的环节的方向控制阀的原理基本相同，而驱动器就更显得重要，它是气动系统所要最后完成的主要目标。包括真空吸盘，摆动气缸和气马达等等元件。控制气缸流量的流量控制阀，排气阀等等就是这部分的附件，其余的辅件大概有磁性开关等等。

1. 铝合金门窗自动组装控制系统的硬件设计
   1. 可编程逻辑控制器介绍
      1. PLC的产生

在1950年前后，由于继电----接触器控制系统一直存在很多的问题需要解决，在生产中应用较为困难，所以人们就提出了一个设想，利用计算机来解决这个问题，因为计算机相比较来说灵活性高，通用性好，同时计算机所具有的功能也显然更加完备，但是有一个不得不解决的问题就是在当时来说，计算机还并不是一种十分普遍的东西，它的生产成本十分高，原理又极其的复杂，最重要的是当时生产成本太高了，很多公司并不能负担，同时如果利用计算机的话，还需要大量的外围接口设备，这些一个接一个的问题是的着个设想并没有成为现实。

人类的智慧是不断积累的，到了20世纪60年代末，又有人提出了一个新的设想，既然两个方式都有长处和短处，为何不能把两个方式的特点和长处结合起来创造一种全新的控制器呢，计算机灵活、方便、功能齐全，继电----接触器简单，容易操作，生产成本低，同时对使用者的文化要求不高，如果得以实现，就可以得到一种控制器让不熟悉计算机的人也能进行编程并熟练使用。

这个设想是1968年提出的，提出者是通用汽车公司，当时最大的美国汽车制造商，他们提出这个设想主要是为了解决和适应汽车市场的各种灵活需求，同时解决他们公司当时应用的继电------控制系统灵活性和通用性差的问题，提出了十大技术要求，并面向全社会进行招标，期待能有人完成这一有趣而实用的设想，当时他们提出的十大技术要求大概如下；

1. 拥有简单方便的编程能力，同时不需要在室内写好，可以在现场进行编写和改动，出了问题也能及时更正；
2. 拥有较低的生产成本，大部分人能够负担的起，但同时功能要比继电---接触器系统完善；
3. 与继电----接触器系统相比较之下要有更小的体积方便适应各种环境的作业；
4. 具有比较强的数据通信功能；
5. 输入电压为AC 115V；
6. 输出能力在以往的AC115V/2A基础上要更强一点；
7. 采用插接式结构这一最优选择，方便更换零部件，硬件维护起来也比较方便；
8. 安全可靠，至少要高于继电器系统，不会时不时出现一些问题；
9. 如果要对原程序进行一些扩展只需要进行一些小小的改动，用以实现更多更复杂的功能；
10. 用户储存器容量不能太小，在目前来说至少要可以扩展到4KB；

为了满足以上的要求，当时众多的设计公司都拼尽全力的在开发，最后在1969年就研发出了第一台满足这十大技术要求的设备，率先研制出这一设备的是美国数字设备公司，他们将之命名为可编程逻辑控制器，也就是我们今天所说的PLC，在第一台样机被通用汽车公司使用并获得很大的肯定之后，可编程逻辑控制器得到了快速而又全面的发展。其被使用的场合越来越多，尤其是被广泛应用于逻辑运算与处理的场合。

• • 1. PLC的发展趋势

从产品性能上看，PLC当前的发展趋势可以概括为小型化，高性能化和网络化三大方面。

1. 小型化

对当代的微电子技术来说，体积越小就说明技术越先进，所以其发展的必然结果就是体积的小型化，用以方便各种使用场合。当代的可编程逻辑控制器与原来相比已经有了很大的不同，分别体现在内部组成元器件和硬件结构等等。体积也出现了大幅度的缩小。

1. 高性能化

PLC的性能主要包括I/O性能和CPU性能这两个方面，每部分还包括三个相应的项目。

1. 网络化

信息技术的发展对自动化设备也提出来了更高的要求，其中最重要的一点就是要与网络技术相结合实现网络控制，通过各种形式例如现场总线等进行设备之间的连接，同时进行信息传递和共享。以此实现所期望的统一控制和管理的功能，网络化是实现工厂自动化和现代化管理的基础和重要途径。

PLC的网络控制主要包括有I/O网，设备内部网和系统网三大类。

I/O网是一种存在于PLC与远程I/O模块之间的互联网，其主要的功能是对PLC的I/O连接范围进行一定程度上的扩张和延伸，采用的是通信的手段，利用这一功能可以大大的减少电缆导线的使用，故有时又称省配线网。

设备内部网是指存在于PLC和本身设备内部的多个不同的控制装置之间的互联网，属于这个范畴的常见的有现场控制设备之间的连接，温度的自动控制和调节装置，伺服驱动器等等装置与PLC的连接。

系统网是指生产现场多台设备，多种控制装置之间的互联网，它可以通过通信的手段对生产现场众多独立的设备与控制系统进行集中与统一的管理，构成FMC,FMS,CIMS等多种多样的工厂自动化控制系统。

• • 1. PLC的功能

PLC是一种电子设备，准确的来说是专门为工业环境下应用而设计出来的，它的诞生是为了解决之前的继电器的问题，它采用的存储器是可以编制程序的类型，借此实现在内部执行各种操作的功能，如逻辑运算，计时，顺序运算，计数等等，并且能够通过数字模拟的输入输出来控制生活中各种各样的生产过程，总之，虽然各PLC的性能价格等一些方面有较大的区别，但主要功能相近。主要包括基本功能，特殊控制功能和网络与通信功能。

3.2 控制系统的结构设计