陳 未，王文俊，史艷娜，邱雪娜

（寧波工程學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 寧波 315016）

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，合理化、自動(dòng)化和柔性化成為企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)的決定性因素，這就要求我國(guó)的企業(yè)要以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，加快我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化的步伐。

現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中基于PC的自動(dòng)化系統(tǒng)為生產(chǎn)加工和物流系統(tǒng)的應(yīng)用提供了廣闊的前景，基于PC與軟PLC的自動(dòng)化系統(tǒng)為企業(yè)提供了一個(gè)多功能、集成化的開放式平臺(tái)，大幅度地提高了系統(tǒng)的連接性、靈活性和信息存取能力。為了緊跟這一技術(shù)，以實(shí)驗(yàn)室已有的MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選取GE Fanuc控制器以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行深入改造，開發(fā)出一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)控制環(huán)境。

1 MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)由供料單元、檢測(cè)單元、機(jī)械手單元、加工單元、分揀單元等組成，該系統(tǒng)中的各單元安裝在帶有T型槽的鋁平板上，各單元連接在一起組成一條自動(dòng)加工生產(chǎn)線。

MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：采用實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)元器件，貼近現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，令使用者能全面認(rèn)識(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制方式；每個(gè)單元都有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，能獨(dú)立完成工作，也可以把相鄰的兩個(gè)單元或多個(gè)單元通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。用戶可根據(jù)需要擴(kuò)展單元，控制模式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，系統(tǒng)滿足學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣自動(dòng)化、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等方面的學(xué)習(xí)。對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等技能可以得到實(shí)際的訓(xùn)練，并具有良好的安全性能[1]。

2 MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)由供料單元、檢測(cè)單元、機(jī)械手單元、加工單元、分揀單元等組成[2]，該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了PLC控制、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，構(gòu)成了一個(gè)典型的自動(dòng)生產(chǎn)線的機(jī)械平臺(tái)。

MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)是一個(gè)十分靈活的系統(tǒng)，所構(gòu)成的各個(gè)模塊即生產(chǎn)制造系統(tǒng)中的各個(gè)工作單元，都包含有獨(dú)立的電氣或控制單元，它們之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)系在一起構(gòu)成一個(gè)完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。

在控制方面，每個(gè)單元均可使用GE Fanuc控制器（系列90-70 PLC）進(jìn)行控制，每一工作單元由一臺(tái)PLC承擔(dān)其控制任務(wù)，每臺(tái)PLC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬連接聯(lián)網(wǎng)（各PLC之間可以通過PPI總線通信實(shí)現(xiàn)互連的分布式控制方式或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬連接或其他）。

3 MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序流程圖

3.1.1 供料單元

供料單元的主要作用是為加工工程逐一提供加工工件，其流程圖如圖1所示。

圖1 供料單元流程圖

供料過程中，當(dāng)下一個(gè)單元空閑時(shí)可以接受工件，并檢測(cè)到料倉(cāng)中有工件毛坯時(shí)，旋轉(zhuǎn)擺臂擺出→雙作用氣缸從料倉(cāng)中推出一個(gè)工件→擺臂擺回→真空吸盤將工件吸起→擺臂擺出將工件放入檢測(cè)單元的平臺(tái)上→真空吸盤放氣→擺臂擺回。當(dāng)檢測(cè)單元再次空閑，并且料倉(cāng)中有工件毛坯時(shí)再進(jìn)行下一輪工作。

3.1.2 檢測(cè)單元

檢測(cè)單元的主要任務(wù)是檢測(cè)加工工件的特性，其流程圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)單元流程圖

當(dāng)工件被放到檢測(cè)平臺(tái)上時(shí)，有光電傳感器、電感傳感器和電容傳感器的不同組合來分辨不同的毛坯，并記錄其信號(hào)。同時(shí)，升降缸上升，升到一定位置時(shí)，檢測(cè)缸下降，下降至一定位置，由檢測(cè)缸帶動(dòng)的檢測(cè)裝置（兩個(gè)固定的光電傳感器）下降，檢測(cè)毛坯的高度，檢測(cè)完成后檢測(cè)缸上升不再與毛坯接觸。如果高度合格，上方導(dǎo)槽的傳送帶啟動(dòng)，毛坯直接被推入上方導(dǎo)槽，并被傳送至加工單元（3號(hào)站）進(jìn)行加工，升降缸下降，等待下一個(gè)毛坯的到來；如果高度不合格，升降缸直接下降，毛坯被推入下方導(dǎo)槽（即次品堆），然后等待下一個(gè)毛坯的到來。

3.1 .3加工單元

加工單元是一個(gè)帶有4個(gè)工位的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其主要作用是對(duì)毛坯進(jìn)行加工 （打孔），并檢測(cè)孔深度合格與否，其流程圖如圖3所示。

當(dāng)毛坯被送至加工單元后，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)，將毛坯送到加工工位進(jìn)行打孔；打孔結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，將工件送到檢測(cè)單元檢測(cè)孔深度合格與否；檢測(cè)結(jié)束，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)再次旋轉(zhuǎn)，將工件送至待取位，等待操作手來取走工件；當(dāng)工件被取走后，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)再次旋轉(zhuǎn)，重新接受下一個(gè)毛坯的到來。

3.1 .4機(jī)械手單元

機(jī)械手單元的主要作用是將加工好的工件取走，并分出正次品，正品傳送至分揀單元，次品放入孔深度不合格品堆中，其流程圖如圖4所示。

當(dāng)加工單元的工件到達(dá)待取位時(shí)，伸縮缸伸出，升降缸下降，氣爪抓緊工件，伸縮缸縮回，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)出180°。當(dāng)工件為正品時(shí)，伸縮缸伸出，氣爪松開，將工件放入分揀單元進(jìn)行顏色與材質(zhì)的分揀，伸縮缸縮回；當(dāng)工件為次品時(shí)，升降缸下降，氣爪松開，將工件放入次品堆，升降缸上升，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)回180°。

圖3 加工單元流程圖

圖4 機(jī)械手單元流程圖

圖5 分揀單元流程圖

3.1.5 分揀單元

分揀單元的主要作用是將機(jī)械手單元傳送來的已加工好的合格品按其不同的材質(zhì)顏色分別送至3個(gè)不同的槽位，其流程圖如圖5所示。

當(dāng)機(jī)械手單元準(zhǔn)備將成品工件放入分揀單元時(shí)，首先啟動(dòng)傳送帶，同時(shí)擋料缸伸出，2 s后才放下工件，當(dāng)工件隨傳送帶到達(dá)擋料缸時(shí)，由傳感器感應(yīng)工件到來，接受前方加工單元傳來的工件的材質(zhì)、顏色等信息。根據(jù)工件的信息，相應(yīng)地導(dǎo)向缸動(dòng)作，擋料缸縮回，將工件導(dǎo)向其對(duì)應(yīng)的槽位中，要求綠色塑料工件進(jìn)入1號(hào)槽位，銀白色金屬工件進(jìn)入2號(hào)槽位，黑色塑料工件進(jìn)入3號(hào)槽位。當(dāng)工件被成功分揀到對(duì)應(yīng)槽位的同時(shí)，發(fā)送信號(hào)給加工單元，表示工件已被成功分揀，分揀單元已空，可接受下一個(gè)工件，2 s后傳送帶停止，直到下一個(gè)工件準(zhǔn)備被放入時(shí)再次啟動(dòng)。

3.2 梯形圖程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)程序流程圖及I/O分配表，進(jìn)行梯形圖的設(shè)計(jì)。下面以加工單元為例介紹梯形圖程序的設(shè)計(jì)[3-4]。

3.2.1 I/O分配表

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)的輸入、輸出分配量，以及輸入模塊、輸出模塊的起始地址，列出I/O分配表，如表1所示。

表1 I/O分配表

3.2.2 梯形圖的設(shè)計(jì)

（1）鉆孔工序：當(dāng)加工單元4工位轉(zhuǎn)臺(tái)的傳感器檢測(cè)到有毛坯零件時(shí)，4工位轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)工作，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，將毛坯零件送到鉆孔加工工位，夾緊氣缸動(dòng)作，活塞桿伸出將毛坯零件夾緊，升降氣缸動(dòng)作，活塞桿伸出鉆臺(tái)下降，鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)做模擬鉆孔加工，加工結(jié)束后，升降氣缸活塞桿收回，鉆臺(tái)上升到原位，準(zhǔn)備對(duì)下個(gè)毛坯零件進(jìn)行鉆孔加工。加工單元鉆孔工序梯形圖如圖6所示。

圖6 加工單元鉆孔工序梯形圖

（2）孔深度檢測(cè)：夾緊氣缸活塞桿收回松開已加工好的工件，接著4工位轉(zhuǎn)臺(tái)再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，將已加工好的工件送到孔深度檢測(cè)工位，孔深度檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)氣缸動(dòng)作，活塞桿伸出 （下降），對(duì)工件的孔深度進(jìn)行測(cè)量，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至機(jī)械手單元。檢測(cè)結(jié)束后，檢測(cè)氣缸活塞桿收回（上升）到原位，準(zhǔn)備對(duì)下個(gè)已加工好的工件進(jìn)行孔深度檢測(cè)量。接著4工位轉(zhuǎn)臺(tái)再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，將已測(cè)過孔深度的工件送到出料工位。加工單元孔深度檢測(cè)梯形圖如圖7所示。

圖7 加工單元孔深度檢測(cè)梯形圖

4 結(jié)論

本文利用GE Fanuc控制器以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，完成了對(duì)MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)的進(jìn)一步改造，同時(shí)搭建了一個(gè)仿真工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線控制平臺(tái)，為學(xué)生提供了綜合訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。該生產(chǎn)控制系統(tǒng)將理論和實(shí)際相結(jié)合，且具有較好的創(chuàng)新性，能較好地鍛煉學(xué)生，具有較好的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1]郁漢琪，王華.可編程自動(dòng)化控制器技術(shù)及應(yīng)用——基礎(chǔ)篇[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]郁漢琪，王華.可編程自動(dòng)化控制器技術(shù)及應(yīng)用——提高篇[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]郁漢琪.電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù) （第2版）[M].南京：東南大學(xué)出版社，2010.

[4]姚文隆，馮榮豐，周志宏.順序控制-可程式控制器與機(jī)構(gòu)控制機(jī)電整合應(yīng)用[M].臺(tái)北：高立圖書有限公司，2001.