毛湘宇，劉漢忠，宋伯旸

（電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731）

機電一體化技術(shù)在當今社會中得到極為廣泛的應(yīng)用，并迅猛地向前發(fā)展，已經(jīng)成為當今工業(yè)自動化重要組成部分［1］。機電一體化是實踐性很強的學科，而實踐性環(huán)節(jié)在培養(yǎng)人的科學思維、創(chuàng)新意識，掌握科學方法，提高綜合實踐能力等方面是課堂理論教學所無法替代的［2］。建立一個綜合設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗平臺，這對培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新意識和綜合實踐能力具有重要作用。

1 工業(yè)模擬綜合實驗平臺的建立

為滿足培養(yǎng)機電一體化綜合技術(shù)人才要求，國內(nèi)許多高校都紛紛構(gòu)建機電一體化綜合實驗系統(tǒng)。浙江工程學院以PMAC－Mini PC I為控制核心，設(shè)計機電一體化技術(shù)綜合實驗臺［3］，已在教學上發(fā)揮了一定作用。但該平臺的傳感器種類少，學生在機械、硬件上動手的機會較少。長沙鐵道學院機電工程學院立足本科教學、突出機電核心技術(shù)為設(shè)計思想，投入40萬元建成一套機電一體化的機電測控綜合實驗系統(tǒng)［4］。該系統(tǒng)可為機械類多個方向和多門課程提供多種實驗和應(yīng)用實踐。但存在一次性投入大，技術(shù)含量高、建設(shè)難度比較大等問題。北京工業(yè)大學機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學院研制由多功能實驗臺、MPS物流自動生產(chǎn)線、PLC控制系統(tǒng)和計算機及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成的機電一體化綜合實驗系統(tǒng)［5］。北京航空航天大學機械學院以軟盤驅(qū)動器為實驗對象開發(fā)出機電一體化綜合實驗臺，但在該平臺上僅可完成4個實驗［6］。南京航空航天大學機電學院將本學科的研究成果引入到實踐教學中，基于科研成果轉(zhuǎn)化設(shè)計了機電一體化綜合實驗系統(tǒng)［7］。上述綜合實驗平臺或多或少存在如下不足：綜合實驗平臺能夠完成的實驗不多，可持續(xù)開發(fā)能力不足；基本上屬于驗證性綜合實驗，學生所能完成的自主設(shè)計內(nèi)容極少，學生無法進行創(chuàng)新性設(shè)計；無法實現(xiàn)大規(guī)模開放性實驗。因此，我校機電學院在現(xiàn)有的機電一體化實驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，參照工業(yè)系統(tǒng)，運用慧魚創(chuàng)意組合模型構(gòu)建培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的工業(yè)模擬綜合實驗平臺。

工業(yè)模擬綜合實驗平臺目前包含兩大綜合實驗?zāi)K：自動分揀工業(yè)模擬系統(tǒng)綜合實驗和立體倉庫工業(yè)模擬系統(tǒng)綜合實驗。每個實驗又可分為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計和綜合程序設(shè)計三大部分實驗。實驗中，機械結(jié)構(gòu)運用慧魚創(chuàng)意組合模型的零件實現(xiàn)組裝，可以實現(xiàn)學生創(chuàng)新性設(shè)計的各種機構(gòu)，從而培養(yǎng)學生機械創(chuàng)新實踐能力。電氣結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)機電一體化PLC實驗箱為控制核心，要求學生在實驗中根據(jù)需求選用各種附屬部件，設(shè)計相關(guān)電氣接口電路，從而培養(yǎng)學生電氣工程創(chuàng)新實踐能力。綜合控制程序以PLC控制程序為主，根據(jù)不同系統(tǒng)選用各種附屬電子元件，從而確定其他相關(guān)程序的設(shè)計，實現(xiàn)學生綜合控制程序設(shè)計能力的培養(yǎng)。工業(yè)模擬綜合實驗平臺由慧魚創(chuàng)意組合模型作為其主要機械結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)目前常見各種工業(yè)機構(gòu)的搭建，從而保障了工業(yè)模擬綜合實驗平臺的可持續(xù)開發(fā)能力。

2 自動分揀工業(yè)模擬綜合實驗系統(tǒng)

自動分揀工業(yè)模擬系統(tǒng)綜合實驗系統(tǒng)是一個模擬自動化工業(yè)生產(chǎn)過程的微縮模型。學生可以直觀地了解到自動化工廠的生產(chǎn)過程，并可以自行設(shè)計搭建新系統(tǒng)進行編程以控制整個生產(chǎn)過程，鍛煉學生的工程實踐能力。本模擬系統(tǒng)主要使用PLC技術(shù)進行控制，并結(jié)合了傳感器、位置控制、電氣傳動和氣動等技術(shù)，可以實現(xiàn)不同類型材料的自動分揀和歸類功能。

整個系統(tǒng)共分為材料篩選、材料傳送和材料統(tǒng)計3個部分，各個部分又涉及到了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣系統(tǒng)設(shè)計和控制程序設(shè)計3個方面的內(nèi)容，其主要構(gòu)成和相互關(guān)系如圖1所示。

材料篩選部分主要完成將材料逐個輸入系統(tǒng)并進行顏色識別，再將它們分別篩選到置于工作位置的箱子里的功能。當系統(tǒng)上電并按下啟動按鈕以后，振動篩工作，并將待分揀的材料逐個輸入到分揀模擬系統(tǒng)中；材料通過傳送帶，經(jīng)過置于傳送帶上方的顏色傳感器進行顏色識別后輸入三菱PLC進行處理；之后，待分揀材料繼續(xù)通過傳送帶被運送至對應(yīng)氣缸的工作位置，進而被推入箱子。這樣就完成了一次對材料的分揀動作。

圖1 總體系統(tǒng)主要構(gòu)成和相互關(guān)系圖

材料傳送部分主要完成將裝滿的箱子傳遞到材料統(tǒng)計部分，并重新放置一個空箱子的功能。當統(tǒng)計工作位置的箱子完成3次分揀動作之后，系統(tǒng)認為該箱子已經(jīng)被裝滿，而后傳送小車會將已裝滿的箱子從工作位置運送到對應(yīng)的傳送帶，并在之后從空箱傳送帶處獲取一個空箱放在對應(yīng)的工作位置上，以使分揀作業(yè)能夠繼續(xù)進行。等到箱子再次被裝滿時，傳送機構(gòu)將重復(fù)上述動作。

材料統(tǒng)計部分主要完成統(tǒng)計已使用空箱的個數(shù)，以及各種裝滿已分揀材料的箱子的個數(shù)，并把它們通過傳送帶送入倉庫的功能。當材料傳送機構(gòu)中的傳送小車將裝滿分揀材料的箱子放置在材料統(tǒng)計部分的對應(yīng)傳送帶上時，傳送帶將工作，進而將裝滿的箱子送入倉庫傳送帶，并給對應(yīng)計數(shù)器加1；另外，當傳送小車要獲取空箱時，材料統(tǒng)計部分的空箱傳送帶將工作，以配合傳送小車獲取空箱，同時，對應(yīng)的計數(shù)器加1。這樣就完成了對輸入分揀系統(tǒng)的空箱和輸出到倉庫的裝滿的箱子的統(tǒng)計工作。

需要特別說明的是，由于整個材料分揀模擬系統(tǒng)是站在全套解決方案的基點上進行設(shè)計的，因此在基本的材料篩選部分以外，加入了材料傳送和材料統(tǒng)計部分，這就為物流管理系統(tǒng)提供了所需的信息輸入，也間接地有利于全套物流系統(tǒng)解決方案的實現(xiàn)。

2.1 自動分揀系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計

自動分揀模擬系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)分為3部分，即材料篩選機構(gòu)、材料傳送機構(gòu)和材料統(tǒng)計機構(gòu)。其中材料篩選機構(gòu)是整個系統(tǒng)中最主要和最核心的部分，它完成了對待分揀材料的基本分揀功能。機械結(jié)構(gòu)各個部分的實際相對位置分布及工作順序如圖2所示。材料篩選機構(gòu)作為系統(tǒng)最主要和最核心的部分，完成了材料的輸入、材料顏色的識別和材料的篩選功能。材料的輸入機構(gòu)部分采用振動篩的方式。材料顏色的識別部分主要實現(xiàn)對輸入機構(gòu)傳送的材料的顏色進行識別功能，主要由傳送帶和顏色傳感器完成。

圖2 機械結(jié)構(gòu)相對位置分布及工作順序圖

2.2 自動分揀系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用三菱PLC作為控制核心，其輸入有效電壓和輸出電壓均為24V?；埕~元件提供傳感器、限位開關(guān)、電機和氣動裝置等電氣元件，額定電壓和輸出電壓均為9V；系統(tǒng)還使用額定電壓為5V的光電傳感器和顏色傳感器.整個電氣系統(tǒng)布局如圖3所示。

圖3 電氣系統(tǒng)規(guī)劃框圖

材料篩選部分電氣系統(tǒng)包括以顏色傳感器和光電傳感器為主要輸入的傳感器電氣系統(tǒng)和以電機、電磁閥、繼電器為主要輸出的執(zhí)行元件電氣系統(tǒng)。

材料經(jīng)過顏色傳感器時，額定電壓為5V的對射式光電傳感器QT30CM進行檢測。當感應(yīng)到材料時QT30CM將輸出。QT30CM輸出信號通過繼電器模塊轉(zhuǎn)化為PLC可識別信號。顏色傳感器主要用于對基礎(chǔ)材料元件的顏色進行識別，其核心芯片為TCS3200。該傳感器信號運用STC89S52單片機進行處理，再通過繼電器模塊轉(zhuǎn)化為PLC可識別信號。當顏色信號輸入三菱PLC處理后，執(zhí)行元件在動作之前，需要確認材料到達的位置，因此采用了慧魚元件提供的光電傳感器定位。慧魚元件提供的光電傳感器信號，需通過核心芯片為LM339四路電壓比較器的功能模塊電路處理輸入三菱PLC。

材料傳送部分電氣系統(tǒng)包括以限位開關(guān)為主要輸入的信號輸入系統(tǒng)和以電機、電磁閥繼電器為主要輸出的執(zhí)行系統(tǒng)。各限位開關(guān)分別對應(yīng)空箱起始位置、一號、二號、三號工作位置。執(zhí)行系統(tǒng)包括慧魚提供的9V電機和電磁閥，控制傳送小車沿著軌道在各位置間的往返運動和氣缸平臺的運行。

材料統(tǒng)計部分電氣系統(tǒng)設(shè)計包括以光電傳感器為主要輸入的傳感器電氣系統(tǒng)和以電機繼電器為主要輸出的執(zhí)行系統(tǒng)。傳感器采用對射式光電開關(guān)，其主要作用是統(tǒng)計輸入系統(tǒng)的空箱和輸出入庫的滿箱的數(shù)量。執(zhí)行系統(tǒng)輔助傳送小車完成空箱和滿箱傳送及入庫。統(tǒng)計結(jié)果通過LCD1602顯示模塊顯示

2.3 材料分揀系統(tǒng)控制程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用三菱FX1N－40MT－001型PLC作為控制核心。主程序包括復(fù)位程序、材料篩選控制程序、材料傳送控制程序和材料統(tǒng)計控制程序。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

材料分揀系統(tǒng)復(fù)位程序主要是對程序設(shè)計中用到的內(nèi)部繼電器和執(zhí)行系統(tǒng)進行復(fù)位，檢測系統(tǒng)是否具備開始工作的條件。材料篩選控制程序主要完成3項工作，即根據(jù)需要啟動和暫停振動篩和傳送帶、處理顏色傳感器信號，識別出材料顏色和控制氣缸動作，將材料推入對應(yīng)空箱。材料傳送程序包括傳送滿箱、獲取空箱和放置空箱等工作。材料統(tǒng)計程序使用STC89S52單片機的外部中斷功能來完成，并通過LCD1602顯示。

3 立體倉庫工業(yè)模擬綜合實驗系統(tǒng)

自動化立體倉庫又稱為高架倉庫、自動倉儲AS／RS（automated storage and retrieval system）或自動存儲自動檢索系統(tǒng)，它是一種高層立體貨架（托盤系統(tǒng)），用電子計算機控制管理并使用自動控制的巷道堆垛機進行存取作業(yè)的系統(tǒng)［8］?，F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)對具有高層貨架的自動化立體倉庫的設(shè)計常使用仿真程序來評估設(shè)計的優(yōu)劣［9］。對于自動化立體倉庫的仿真模型使用優(yōu)化搜索程序，尋求減少自動化立體倉庫建設(shè)和運行的最低費用［10－13］。

立體倉庫工業(yè)模擬綜合實驗系統(tǒng)具有自行按照指定的貨格進行出庫和入庫操作的功能。從功能上可以劃分為3個模塊：PLC控制單元，信號轉(zhuǎn)換電路，機械設(shè)備。各個模塊配合完成相應(yīng)的動作，實現(xiàn)相應(yīng)功能。PLC控制單元是系統(tǒng)的核心部分，從信號轉(zhuǎn)換電路獲取堆垛機三坐標位置、輸送系統(tǒng)狀態(tài)和貨物輸送狀態(tài)，并處理所獲取信號及發(fā)送相應(yīng)指令；信號轉(zhuǎn)換電路完成PLC信號與機械設(shè)備信號的轉(zhuǎn)換；機械設(shè)備主要包括輸送系統(tǒng)、堆垛機和貨架，其中輸送系統(tǒng)和堆垛機在PLC控制下完成入庫或出庫操作。指示信號用于反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)框圖

3.1 執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

貨架是立體倉庫主要的承重設(shè)備，為5層5列共25個貨位，貨箱尺寸為60mm×60mm×28mm。堆垛機是立體倉庫中的關(guān)鍵設(shè)備，所有貨物的入庫、出庫等作業(yè)都必須通過堆垛機完成。堆垛機結(jié)構(gòu)以及堆垛機與貨架的關(guān)系如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，堆垛機由水平運行機構(gòu)、載貨臺、貨叉、起升機構(gòu)、堆垛機立柱、導(dǎo)向機構(gòu)等組成。

圖6 堆垛機結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 堆垛機結(jié)構(gòu)實物圖

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

立體倉庫控制系統(tǒng)包括PLC控制單元、信號轉(zhuǎn)換電路以及安裝在立體倉庫各個位置的傳感器。本系統(tǒng)采用慧魚限位開關(guān)檢測堆垛機的運行機構(gòu)、起升機構(gòu)及貨叉的位置，采用對射型光電開關(guān)檢測貨物在輸送系統(tǒng)上的位置。系統(tǒng)控制對象為慧魚直流電機?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的控制單元是PLC，受控單元主要是直流電機?；埕~限位開關(guān)和N3F－5DN1 5L型光電開關(guān)都直接連接PLC?；埕~直流電機的工作電壓為DC9V，PLC需通過繼電器控制直流電機。根據(jù)立體倉庫的作業(yè)流程和信號檢測方案，立體倉庫的電氣系統(tǒng)構(gòu)成可設(shè)計成如圖9所示。

圖9 電氣系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.3 立體倉庫程序總流程設(shè)計

立體倉庫的基本作業(yè)包括入庫作業(yè)與出庫作業(yè)，2個作業(yè)流程為互斥關(guān)系，倉庫在一個時段內(nèi)執(zhí)行入庫或者出庫作業(yè)由上層機構(gòu)（這里指人工輸入指令）選擇決定。具體作業(yè)流程如圖10所示。

圖10 立體倉庫作業(yè)流程

立體倉庫在上電時要進行一次上電復(fù)位操作。上電復(fù)位包括堆垛機上電復(fù)位和輸送系統(tǒng)上電復(fù)位。堆垛機上電復(fù)位動作首先使得貨叉處于縮回狀態(tài)，然后運行堆垛機進行橫向和豎直上定位，確定堆垛機的初始位置，為之后的作業(yè)提供運動參照。上電復(fù)位完成之后，立體倉庫進入等待狀態(tài)。在此狀態(tài)時，立體倉庫處于空閑狀態(tài)，可接收指令信號。若指令信號為入庫，則立體倉庫執(zhí)行入庫作業(yè)，把入庫貨箱存放到指定貨位；若指令信號為出庫，則立體倉庫執(zhí)行出庫作業(yè)，把指定貨位的貨箱搬走輸出端。入庫或者出庫完成后，立體倉庫都要進行復(fù)位操作，為下一次作業(yè)做準備。然后返回等待狀態(tài)，等待下一次指令信號的到來。立體倉庫只有處于等待狀態(tài)，才能接收指令信號。

在整個流程中，入庫貨物檢測都處于啟動狀態(tài)，當入庫貨物到來時，控制單元立即發(fā)出入庫申請信號。流程中還將設(shè)有故障檢測程序，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，立體倉庫將停止所以流程，并發(fā)出故障信號，直至故障解除后返回初始狀態(tài)。

4 結(jié)束語

綜上所述，工業(yè)模擬綜合實驗平臺是一種功能可重組的模塊化創(chuàng)新實驗平臺，它將不同功能模塊有機集成在一起，可開設(shè)多個綜合實驗，完成不同教學實驗任務(wù)，因而能很好地滿足機電方向本科學生教學需要。同時，該平臺采用慧魚創(chuàng)意組合模型作為其機構(gòu)，從而還具有開設(shè)創(chuàng)新性實驗和可持續(xù)擴展的能力。我校學生曾多次利用慧魚創(chuàng)意組合模型在全國機械創(chuàng)新設(shè)計大賽獲獎。獲獎作品可啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，開設(shè)創(chuàng)新性實驗。工業(yè)模擬綜合實驗平臺可進行基本驗證性實驗、綜合性設(shè)計實驗、創(chuàng)新性設(shè)計實驗，給學生提供了一個機電一體化系統(tǒng)分析、控制和設(shè)計的學習平臺。

（

）

［1］趙燕，阮祥發(fā).機電一體化實驗室建設(shè)的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，1999，18（4）：107－109.

［2］張雯.具有重組功能的機電系統(tǒng)綜合實驗環(huán)境建設(shè)［J］.實驗室研究與探索，2007，26（8）：60－62.

［3］唐浙東.機電一體化技術(shù)綜合實驗平臺的設(shè)計及實驗安排［J］.機電工程技術(shù)，2003，20（5）：155－156.

［4］黃志輝，劉國買，皮和，等.機電綜合實驗系統(tǒng)的建設(shè)與實踐［J］.實驗室研究與探索，2000，19（1）：87－89.

［5］孫樹文，張慧慧.機電一體化綜合實驗系統(tǒng)的研制［J］.實驗技術(shù)與管理，2001，18（4）：98－100.

［6］李曉利.機電一體化綜合實驗的開發(fā)與應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2000，17（4）：31－33.

［7］樓佩煌.基于科研成果轉(zhuǎn)化的機電一體化綜合實驗系統(tǒng)［J］.中國大學教學，2007（1）：48－49.

［8］劉昌棋，董良.自動化倉庫的設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：1－15.

［9］Bafna K M，Reed Jr R.An analytical approach to design of highrise stacker crane warehouse systems［J］.Journal of Industrial Engineering，1972，15（4）：8－14.

［10］Perry R F，F(xiàn)reeman D R.Design of an automated storage and retrieval system using simulation modeling［J］.Institute of Industrial Engineering，ICAW Proceedings Atlanta，1983，21（3）：349－354.

［11］劉金平，周炳海，奚立峰.在線自動化立體倉庫的庫位分配方法及其實證研究［J］.工業(yè)工程與管理，2000，5（10）：11－16.

［12］銀光球，何福英，盛冬發(fā).自動化立體倉庫中庫位優(yōu)化模型研究［J］.福建工程學院學報，2006，4（3）：347－358.

［13］Hsiel S，Tsail K C.A ROM Oriented Class－Based Storage Assignment in an Automated Storage and Retrieval System［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2001，48（7）：83－91.