柔性自動(dòng)環(huán)形生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗系統的平臺設計

1、柔性生產(chǎn)線(xiàn)和PLC

柔性自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)是能實(shí)現產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的一種機器體系。通過(guò)采用一套能自動(dòng)進(jìn)行加工、檢測、裝卸、運輸的機器設備，組成高度連續的、*自動(dòng)化的生產(chǎn)線(xiàn)，來(lái)實(shí)現產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而提高工作效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工質(zhì)量、快速更換產(chǎn)品。在各個(gè)不同的應用領(lǐng)域，不同種類(lèi)的自動(dòng)線(xiàn)的結構不同，大小也不同，功能也不同。它們基本都包含檢測、機械本體、CPU信息處理、(輸入、輸出)接口部分以及執行機構五部分。

PLC(可編程邏輯控制器)是一種數字運算操作的電子系統，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類(lèi)可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時(shí)，計數與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機械或生產(chǎn)過(guò)程。是工業(yè)控制的核心部分。PLC的廣泛使用，使得控制規模不斷擴大，開(kāi)放性和互操作性大大發(fā)展；使得工業(yè)系統可以實(shí)現遠程化、自動(dòng)化、控制信息化及智能化。尤其在運動(dòng)控制、模擬量控制及驅動(dòng)控制更是成為系統工作自動(dòng)化中zui有效的工具之一。

2、生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗仿真系統總體設計

生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗仿真系統平臺由供料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元五個(gè)單元組成。其中，每一工作單元都可自成一個(gè)獨立的系統，同時(shí)也都是一個(gè)機電一體化的系統。

輸送單元是將單元的物料臺定位，再抓取該物料臺上物料，然后送到工作站放下。供料單元按照需要把料倉中要加工的工件自動(dòng)推出到供料物料臺上，便于輸送單元的機械手裝置能把工件抓取送到其他工作單元。加工單元把物料臺上的由輸送單元的抓取機械手裝置送來(lái)的工件送到?jīng)_壓機構的底下，進(jìn)行一次沖壓加工，接下來(lái)再返回到物料臺上，等待輸送單元的抓取機械手裝置來(lái)抓取。裝配單元實(shí)現料倉中黑色或白色小工件裝配到已加工過(guò)的工件中的工作過(guò)程。分揀單元將裝配好的工件進(jìn)行分揀，實(shí)現不同顏色的裝配工件從不同的料槽中分揀出來(lái)。

3、部分功能性子系統詳細設計

3.1 輸送單元

輸送單元是本實(shí)驗仿真系統平臺中zui重要的一個(gè)工作單元，承擔著(zhù)比較繁重的任務(wù)。主要功能是通過(guò)機械手定位單元的物料臺，然后在物料臺上將工件輸送到的地點(diǎn)。這個(gè)單元里的主要零部件有：抓取機械手裝置、步進(jìn)電機傳動(dòng)組件、PLC模塊、按鈕/指示燈模塊接線(xiàn)端子排等。

輸送單元需要完成網(wǎng)絡(luò )控制、抓取機械手裝置控制和步進(jìn)電機定位控制三個(gè)方面的任務(wù)。它的工作流程和系統、框圖如圖2、圖3所示。

圖1 輸送單元工作流程圖

圖2 輸送單元框圖

根據輸送單元控制要求，PLC控制系統原理圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統原理圖

機械手動(dòng)作順序為：

啟動(dòng)→復位→前進(jìn)→夾緊→上升→后退→整體移動(dòng)→前進(jìn)→下降→松開(kāi)→后退→待加工完成→前進(jìn)→夾緊→上升→后退→整體移動(dòng)→前進(jìn)→下降→松開(kāi)→后退→待裝配完成→前進(jìn)→夾緊→上升→后退→整體移動(dòng)→旋轉90o→前進(jìn)→下降→松開(kāi)→復位→結束。

本生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗仿真系統采用集成化驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現步進(jìn)電機的驅動(dòng)。采用的步進(jìn)電機是Kinco三相步進(jìn)電機3S57Q-04056，并且選驅動(dòng)器為Kinco 3M458三相步進(jìn)電機驅動(dòng)器。該驅動(dòng)器具有其他驅動(dòng)器沒(méi)有特點(diǎn)：內部的直流驅動(dòng)電壓可達4OV，高速性能更好；交流伺服驅動(dòng)，有交流伺服運轉特性，輸出為三相正弦電流；細分功能zui高可達10000步/轉，可以通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)設定細分；

電機靜態(tài)鎖緊狀態(tài)下具有自動(dòng)半流功能，大大降低了電機的發(fā)熱；幾乎沒(méi)有步進(jìn)電機常見(jiàn)的爬行和共振區，通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)設定輸出相電流；控制信號的輸入電路是選用光禍隔離的。

3.2 其他代表性的單元

3.2.1 供料單元

供料單元是實(shí)驗仿真系統平臺的起始工作單元，他主要是按照需要將放置在料倉中待加工工件(原料)自動(dòng)地推出到物料臺上，以便輸送單元的機械手將其抓取，輸送到其他單元上。本文中供料單元的組成為:工件推出與支撐，工件漏斗，閥組，端子排組件，PLC急停按鈕和啟動(dòng)/停止按鈕，走線(xiàn)槽、底板等。工件推出與支撐及漏斗部分用于儲存工件原料，并在需要時(shí)將料倉中zui下層的工件推出到物料臺上。它主要由大工件裝料管、推料氣缸、頂料氣缸、磁感應接近開(kāi)關(guān)、漫射式光電傳感器組成。

本單元的PLC控制器中，傳感器信號占用7個(gè)輸入點(diǎn)，留出1個(gè)點(diǎn)提供給啟/停按鈕作本地主令信號，則所需的PLCI/O點(diǎn)數為8點(diǎn)輸入2點(diǎn)輸出。本單元采用西門(mén)子57-222主單元，共8點(diǎn)輸入和6點(diǎn)繼電器輸出。

本單元中采用RS485串行通信實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )控制，系統的主令信號均從連接到輸送站PLC(主站)的按鈕/指示燈模塊發(fā)出，經(jīng)輸送站PLC程序處理后，把控制要求存儲到其發(fā)送緩沖區，通過(guò)調用NET--EXE子程序，向各從站發(fā)送控制要求，以實(shí)現各站的復位、啟動(dòng)、停止等等操作。供料、加工、裝配、分揀各從站單元在運行過(guò)程中的狀態(tài)信號，存儲到該單元PLC規劃好的數據緩沖區，等待主站單元的讀取而回饋到系統，以實(shí)現整個(gè)系統的協(xié)調運行。按主站單元發(fā)送的控制要求，存放在供料單元VB1000處，而供料單元運行過(guò)程中需要回饋到系統的狀態(tài)信號則應寫(xiě)入到VB1010處。VB1000和VB1010的具體內容以及控制程序如何編制，取決于系統工藝過(guò)程的要求。

3.2.2 加工單元

加工單元結構組成設計為：物料臺及滑動(dòng)機構，加工(沖壓)機構，電磁閥組，接線(xiàn)端口，PLC模塊，急停按鈕和啟動(dòng)/停止按鈕，底板等。移動(dòng)料臺伸出和返回到位的位置是通過(guò)調整伸縮氣缸上兩個(gè)磁性開(kāi)關(guān)位置來(lái)定位的。要求縮回位置位于加工沖頭正下方；伸出位置應與輸送單元的抓取機械手裝置配合，確保輸送單元的抓取機械手能順利地把待加工工件放到料臺上。

滑動(dòng)物料臺采用的工作原理：滑動(dòng)物料臺在系統正常工作后的初始狀態(tài)為伸縮氣缸伸出，物料臺氣動(dòng)手爪張開(kāi)的狀態(tài)，當輸送機構把物料送到料臺上，物料檢測傳感器檢測到工件后，PLC控制程序驅動(dòng)氣動(dòng)手指將工件夾緊，物料臺回到加工區域沖壓氣缸下方，沖壓氣缸活塞桿向下伸出沖壓工件，完成沖壓動(dòng)作后向上縮回，物料臺重新伸出，到位后氣動(dòng)手指松開(kāi)，完成工件加工工序，并向系統發(fā)出加工完成信號。下一次工件到來(lái)加工做準備。在移動(dòng)料臺上安裝為一個(gè)漫射式光電開(kāi)關(guān)。只要物料臺上沒(méi)有工件，則漫射式光電開(kāi)關(guān)均處于常態(tài);若物料臺上有工件，則光電接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作，表明物料臺上已有工件。該光電傳感器的輸出信號送到加工單元PLC的輸入端，用以判別物料臺上是否有工件需進(jìn)行加工;當加工過(guò)程結束，物料臺伸出到初始位置。同時(shí)，PLC通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )，把加工完成信號回饋給系統，以協(xié)調控制。

加工單元的傳感器信號占用6個(gè)輸入點(diǎn)，留出2個(gè)點(diǎn)提供給提供給急停按鈕和啟/停按鈕作本地主令信號，則所需的PLC1/0點(diǎn)數為8點(diǎn)輸入，3點(diǎn)輸出，采用的西門(mén)子57一222AC心C瓜LY主單元，共8點(diǎn)輸入和6點(diǎn)繼電器輸出。

加工單元的主程序在每一掃描周期調用2個(gè)子程序，一個(gè)是啟動(dòng)/停止子程序，其功能是在讀取主站發(fā)送來(lái)的控制命令以及把本站狀態(tài)信號寫(xiě)到通信數據存儲區。另一個(gè)加工子程序則是完成加工工藝控制功能。

4、結論

為了確保自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗仿真系統平臺是否符合我們的設計要求，仿真系統作整體調試工作，以驗證設計結果。系統調試可分為硬件電路的連接與調試、PLC程序功能實(shí)現的調試及生產(chǎn)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )功能實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連接與數據傳輸調試等?，F場(chǎng)調試時(shí)需要對設備出現的各種故障(主要為電器部分)進(jìn)行分析及診斷，并且找出故障部位所在，再用正常的備件替代，使得系統恢復正常的運行。

其中zui關(guān)鍵的是對故障進(jìn)行分析，對外圍線(xiàn)路或系統進(jìn)行正常檢測，來(lái)確定故障的有無(wú)，同時(shí)對故障定位找到故障的具體位置。

本仿真系統吸取了國內處自動(dòng)機械手生產(chǎn)線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，采用氣缸驅動(dòng)機械手和PLC、氣動(dòng)控制生產(chǎn)線(xiàn)相結合，設計了一款新穎的、具有高穩定性的、適用于教學(xué)實(shí)驗的自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗仿真系統平臺。它與實(shí)際的生產(chǎn)線(xiàn)非常貼近，可根據教學(xué)的需要來(lái)重新設計和選擇，并且可以在教學(xué)使用中根據需要設置故障，應用到教學(xué)上非常直觀(guān)。

該實(shí)驗平臺系統可有效地結合教學(xué)和實(shí)驗，驗證了整個(gè)設計方案的可行性。