王亞進(jìn)，沙 健，李志梅

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇張家港 215600）

0 引言

可編程控制器（PLC）以其特有的優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制的各個領(lǐng)域，它與CAD/CAM、機(jī)器人技術(shù)一起被譽(yù)為當(dāng)代工業(yè)自動化的三大支柱。很多高校對這方面的人才培養(yǎng)也一直很重視，普遍開設(shè)了PLC相關(guān)課程，實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)室也加大了投入力度，添置了各種實(shí)訓(xùn)裝置與實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生動手實(shí)踐的能力，滿足了基礎(chǔ)教學(xué)對PLC實(shí)踐的基本需求。但很多實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，因其開放程度不高，靈活組建自己的控制模塊受限制，市場上有靈活組建自己模塊的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，但往往售價又偏高。基于此，設(shè)計研發(fā)了一種開放程度高、模塊化程度強(qiáng)的實(shí)訓(xùn)裝置，既滿足了實(shí)際需求，又鍛煉了學(xué)員實(shí)踐與實(shí)際解決工程問題的能力。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計

SolidWorks是一款全參數(shù)化三維CAD建模軟件，功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，因此借助其進(jìn)行實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計與制作。

1.1 供料操作平臺設(shè)計

供料操作平臺分為兩部分：料倉推出平臺、機(jī)械手操作平臺。

機(jī)械手是指能夠按照固定程序?qū)崿F(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)物料等自動操作的裝置。本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中，設(shè)計的機(jī)械手主要完成夾爪的松開/夾緊、上升/下降、前進(jìn)/后退、右旋/左旋等功能。前進(jìn)/后退以及上升/下降分別采用帶導(dǎo)桿的兩氣缸來實(shí)現(xiàn)，兩氣缸通過中間轉(zhuǎn)接板連接。連接后水平的導(dǎo)桿氣缸又通過轉(zhuǎn)接板與回轉(zhuǎn)缸相連接以實(shí)現(xiàn)整體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。垂直導(dǎo)桿氣缸與夾爪缸連接以實(shí)現(xiàn)物料的松開/夾緊。物料從料倉中的推出，采用筆型氣缸來實(shí)現(xiàn)。筆型氣缸前部連接推板推出料倉工件，以推板縮回時不擋上方物料的下降，推出時承載上方的物料且不出料倉為宜。其余采用截面積為20 mm×20 mm的鋁型材及厚度為10 mm的鋁板材搭建框架，實(shí)物圖如圖1所示。

1.2 物料分揀單元設(shè)計

皮帶分揀單元主要完成大中小物料、或是不同材質(zhì)物料、或是不同顏色物料的分揀，具體由編程決定?？傮w結(jié)構(gòu)分兩節(jié)傳輸帶，上位傳輸帶電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，下位傳輸帶電機(jī)選用三相普通電機(jī)驅(qū)動。入料口選用圓柱型漫射式光電開關(guān)感測物料有無，選用光纖式光電開關(guān)檢測物料黑白顏色。皮帶兩側(cè)板安裝不同高度的漫射式光電接近開關(guān)用于檢測物料大小。例如：可以編程實(shí)現(xiàn)中等物料由上位傳輸帶右側(cè)滑出，大或小的物料由推料氣缸推出，入滑槽孔，從而落到下節(jié)傳輸帶，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)大小分揀?？傮w實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 供料操作平臺實(shí)物圖

圖2 物料分撿單元實(shí)物圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 配電模塊設(shè)計

外部供電電源為三相五線制AC 380V/220V，圖3為供電電源模塊一次回路原理圖。其中，總電源開關(guān)選用DZ47LE-32/C16型三相四線漏電開關(guān)。系統(tǒng)各主要負(fù)載通過自動開關(guān)單獨(dú)供電。其中，變頻器電源通過DZ47C10/3P三相自動開關(guān)供電，工作站PLC采用DZ47C5/1P單相自動開關(guān)供電。此外，系統(tǒng)配置1臺DC24V6A開關(guān)穩(wěn)壓電源用作供料操作及分揀單元的直流電源，實(shí)物圖見圖4。

圖3 配電一次回路原理圖

圖4 配電模塊實(shí)物圖

2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）PLC的I/O分配

考慮到高速脈沖輸出，選用三菱MT的系列PLC：FX2N-64MT。輸入點(diǎn)用到28點(diǎn)，主要用于裝置側(cè)傳感器檢測信號的采集；輸出用到16點(diǎn)，主要用于氣動回路電磁閥驅(qū)動信號。具體PLC的I/O信號分配表如表1所示。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動接線

考慮到校內(nèi)已有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備中使用的常用電機(jī)，涉及到步進(jìn)電機(jī)安裝、接線及編程調(diào)試并不多，故本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)選用Kinco三相步進(jìn)電機(jī)3S57Q-04056以及配套的驅(qū)動器Kinco 3M458。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動側(cè)接線詳見圖5。

八位DIP功能開關(guān)用來設(shè)定驅(qū)動器的工作方式和工作參數(shù)，根據(jù)需要，本系統(tǒng)中設(shè)定：細(xì)分精度設(shè)置為10 000步/轉(zhuǎn)，電動機(jī)驅(qū)動電流5.2 A，靜態(tài)鎖定方式為靜態(tài)半流，詳見表2。

表1 PLC的I/O信號分配表

圖5 Kinco 3M458的接線圖

（3）人機(jī)界面輸入的模擬量轉(zhuǎn)速控制

為了讓學(xué)員熟悉觸摸屏并學(xué)會其使用，本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)系統(tǒng)選用昆侖通態(tài)研發(fā)的人機(jī)界面TPC7062KX，MCGS嵌入式組態(tài)軟件組態(tài)。所做的組態(tài)畫面效果如圖6所示，涉及到的各元件所對應(yīng)的PLC通道地址如表3所示。

為了實(shí)現(xiàn)變頻器輸出頻率連續(xù)調(diào)整的目的，在PLC側(cè)，連接了數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊FX0N-3A，系統(tǒng)的啟停采用觸摸屏或按鈕指示燈模塊上按鈕實(shí)現(xiàn)，其控制程序部分如圖7所示。

表2 DIP功能設(shè)定表

圖6 物料分揀界面組態(tài)設(shè)計

表3 觸摸屏組態(tài)畫面各元件對應(yīng)通道地址

3 氣動回路設(shè)計

機(jī)械手操作平臺側(cè)的出料氣缸以及分撿單元上位傳輸帶處推料氣缸均采用SMC的CJ2系列的?16標(biāo)準(zhǔn)型氣缸，行程150、250，內(nèi)置磁環(huán)。機(jī)械手水平及垂直方向的位移采用HITOP的帶導(dǎo)桿的氣缸GD16X100，GD16X300來實(shí)現(xiàn)。松開及夾緊采用CHELIC的HDZ20夾爪缸來實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)功能采用RTB10-A2回轉(zhuǎn)缸來實(shí)現(xiàn)。選用AIRTAC的雙作用電磁閥，配備相應(yīng)的匯流板、消聲器、轉(zhuǎn)接頭以及調(diào)速閥。搭建的氣動回路如圖8所示，總體實(shí)物圖如圖9所示。

圖7 模擬量控制部分程序

圖8 氣動回路原理圖

4 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)際需要，在老師的指導(dǎo)下，師生自己動手設(shè)計研發(fā)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，對增加學(xué)生感性認(rèn)識，應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)有理論，對培養(yǎng)學(xué)生具有良好的工程意識，較強(qiáng)的實(shí)踐能力、敏銳的創(chuàng)新能力，較高的綜合素質(zhì)都具有舉足輕重的作用。