楊 維

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710300）

0 引言

目前，機(jī)械制造、電子行業(yè)、石油化工、食品、制藥和輕工等行業(yè)都離不開(kāi)自動(dòng)化生產(chǎn)線的主導(dǎo)和支撐，可以說(shuō)，自動(dòng)化生產(chǎn)線是現(xiàn)代工業(yè)的生命線。自動(dòng)化生產(chǎn)線可以改變?cè)瓉?lái)需要人工與自動(dòng)化專機(jī)共同參與才能完成工作的情況，減少了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所需要的人力物力，降低了生產(chǎn)成本，保證了產(chǎn)品質(zhì)量［1-2］。自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)裝置將工業(yè)實(shí)際過(guò)程展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)員可以對(duì)設(shè)備直接實(shí)踐操作，學(xué)習(xí)可編程控制器編程、接線，傳感器應(yīng)用，生產(chǎn)管理、工藝流程設(shè)計(jì)等機(jī)電一體化相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，并能在裝置上進(jìn)行生產(chǎn)線檢測(cè)、傳動(dòng)等各方面故障診斷與排除的練習(xí)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外教學(xué)用自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)備大部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，由多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的生產(chǎn)功能，各模塊經(jīng)過(guò)各種組合還可實(shí)現(xiàn)不同的生產(chǎn)功能，不僅能單站運(yùn)行，還能多模塊或全線聯(lián)機(jī)運(yùn)行。

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)所開(kāi)發(fā)的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線機(jī)械結(jié)構(gòu)及布局，將系統(tǒng)劃分為5個(gè)模塊，即上料模塊、加工模塊、安裝模塊、輸送模塊和立體倉(cāng)庫(kù)模塊，模擬實(shí)現(xiàn)工件的鉆孔加工、裝配與入庫(kù)過(guò)程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1．2 工藝流程

自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)裝置各模塊能單獨(dú)工作，也可以與其他模塊配合，模擬實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上部分或全部工作過(guò)程［3］。5個(gè)模塊的工作順序?yàn)椋荷狭夏K作為整個(gè)自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的起始站，向加工模塊提供所需的原材料；加工模塊四工位工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)4個(gè)工位的轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬零件鉆孔、檢測(cè)及物流傳送過(guò)程；安裝模塊提供裝配用的2號(hào)小工件，將其裝配在1號(hào)大工件鉆好的孔中；裝配好的工件組合最后存入立體倉(cāng)庫(kù)模塊。其中，工件在各站間的傳輸由輸送模塊實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖2所示，中間工件的傳遞由輸送模塊完成。

圖2 系統(tǒng)工作流程

1．3 硬件結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)中，每個(gè)工作模塊的控制由1個(gè)獨(dú)立的可編程控制器實(shí)現(xiàn)，將上料模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的主站，其余4個(gè)模塊均設(shè)置為從站，自動(dòng)生產(chǎn)線總體架構(gòu)如圖3所示［3］。根據(jù)自動(dòng)生產(chǎn)線的工藝與被控設(shè)備數(shù)量，上料模塊選用西門子CPU315-2DP，其他4個(gè)模塊均選用CPU226 CN DC／DC／DC作為控制器，具有穩(wěn)定性較強(qiáng)、工藝更改方便等特點(diǎn)。各模塊間組建PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳遞與協(xié)調(diào)控制。CPU315-2DP的DP口可直接用于PROFIBUS通訊，而CPU226CN必須使用EM277模塊才可以進(jìn)行PROFIBUS通訊。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2 自動(dòng)裝配生產(chǎn)線軟件設(shè)計(jì)

2．1 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。根據(jù)該流程圖細(xì)化每一工作模塊順序控制流程，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行各模塊工作程序的設(shè)計(jì)。圖4中，數(shù)據(jù)位D0存儲(chǔ)1號(hào)大工件的顏色信息，數(shù)據(jù)位D1存儲(chǔ)2號(hào)小工件的顏色信息。當(dāng)工件顏色為白色時(shí)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置1，否則清0。編程時(shí)，先對(duì)設(shè)備各模塊進(jìn)行初始化，若有加工需求，上位機(jī)對(duì)上料模塊發(fā)出命令，上料模塊工作，并檢測(cè)1號(hào)大工件的顏色信息存入D0；然后，輸送模塊將其送入加工模塊，進(jìn)行鉆孔及孔的深度檢測(cè)；當(dāng)孔加工并檢測(cè)完畢，輸送模塊再將1號(hào)大工件送入安裝模塊，進(jìn)行安裝2號(hào)小工件的工作；最終，將裝配好的工件送入立體倉(cāng)庫(kù)模塊分類存儲(chǔ)。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

2．2 程序設(shè)計(jì)

上料模塊作為主站（默認(rèn)地址2），用于按需求提供料盤上沒(méi)有分類的工件1，該模塊安裝一漫反射式光電接近開(kāi)關(guān)，用來(lái)區(qū)分工件1的黑白。上料模塊提供的是1號(hào)工件，安裝模塊需要將所提供的工件2裝配至工件1中。當(dāng)上料模塊（主站）提供工件后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線向輸送模塊（從站6）發(fā)出傳遞信號(hào)，輸送模塊將上料模塊中的工件輸送至加工模塊（從站3）。根據(jù)主站上料模塊傳遞來(lái)的工件顏色，加工模塊對(duì)工件1進(jìn)行鉆孔處理。加工工作完成后向主站發(fā)送完成信號(hào)，這時(shí)將1號(hào)大工件轉(zhuǎn)送到安裝工位，命令安裝模塊（從站4）將加工過(guò)的1號(hào)大工件搬運(yùn)至工件裝配站裝配2號(hào)小工件。裝配工作處理完畢后，安裝模塊（從站4）則向主站發(fā)送裝配完成信號(hào)，由主站命令安裝模塊，將裝配完畢的套件從工件裝配站搬運(yùn)至立體倉(cāng)庫(kù)模塊（從站5），進(jìn)行分類存儲(chǔ)［4］，根據(jù)套件的顏色選取不同的立體倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)工位。此時(shí)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程結(jié)束?？紤]到各模塊控制功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法的一致性，在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所有模塊中，輸送模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的加工、檢測(cè)、存儲(chǔ)的中轉(zhuǎn)站，是整個(gè)生產(chǎn)線控制的關(guān)鍵。由于篇幅的原因，本文只詳細(xì)介紹輸送模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

2．2．1 輸送模塊運(yùn)動(dòng)包絡(luò)設(shè)置

輸送模塊編制程序時(shí)重要的是伺服電機(jī)的精確定位，設(shè)計(jì)中在程序編制時(shí)先分配好各段包絡(luò)，再應(yīng)用位置控制向?qū)渲肞TO輸出。表1為伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)數(shù)據(jù)，這是按照系統(tǒng)要求及各模塊機(jī)械位置確定的。表1中5號(hào)包絡(luò)與6號(hào)包絡(luò)用于急停的解除，急停處理返回原點(diǎn)后才能重新運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)包絡(luò)編寫完后，位置控制向?qū)?duì)話框再指定V區(qū)地址。

表1 伺服電機(jī)運(yùn)行運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

2．2．2 主程序流程

主程序包含初始化、初態(tài)檢查復(fù)位、急停處理和運(yùn)行控制等子程序。運(yùn)行控制流程如圖5所示。

圖5 主程序工作流程

3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)配置1臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控。生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用北京亞控公司的組態(tài)王組態(tài)軟件King View6．54。用該軟件開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的過(guò)程一般是：新建一個(gè)工程、畫面開(kāi)發(fā)、定義設(shè)備、新建數(shù)據(jù)庫(kù)變量、建立動(dòng)畫連接、編寫命令語(yǔ)言及進(jìn)行運(yùn)行系統(tǒng)配置等［5-6］。需要說(shuō)明的是這些環(huán)節(jié)不是獨(dú)立的，需要交叉進(jìn)行。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)和命令發(fā)送給集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各生產(chǎn)線模塊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控、單／聯(lián)機(jī)操作和手動(dòng)／自動(dòng)切換等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高等院校教學(xué)的需要，分析自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程及特點(diǎn)，利用組態(tài)及監(jiān)控技術(shù)、PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)完成了一套自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)裝置的控制及監(jiān)控系統(tǒng)。裝置分為單機(jī)和聯(lián)機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)單站調(diào)試教學(xué)和全線自動(dòng)化生產(chǎn)的功能。通過(guò)界面友好直觀的組態(tài)畫面和可靠性強(qiáng)的可編程控制器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)裝配生產(chǎn)線協(xié)調(diào)、可靠運(yùn)行的目的。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工件上料、加工、裝配、輸送及入庫(kù)過(guò)程的演示，可作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置，以及生產(chǎn)線操作和維護(hù)人員的培訓(xùn)設(shè)備。

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