劉 波， 劉曉鵬， 趙俊生， 高 琳

(中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051)

0 引 言

機械電子工程俗稱機電一體化，是將機械、電氣控制、計算機、傳感器等多種技術(shù)進行有機結(jié)合，并綜合應用到機電類產(chǎn)品和系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計、制造、和試驗工作的綜合技術(shù)，現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設(shè)備幾乎可以說都是機電一體化綜合設(shè)備。而且機電一體化作為一種實踐即產(chǎn)品的基礎(chǔ)技術(shù)，給傳統(tǒng)的機械制造業(yè)帶來的深刻變化,是當下機械工業(yè)發(fā)展的主要趨勢,也是我國振興與發(fā)展機械、電子等行業(yè)的必由之路。對于工科大學機電類專業(yè)的學生來說，機電方面的知識是必不可缺的。在加強基礎(chǔ)理論教學的同時，應注重實驗教學，來培養(yǎng)學生的綜合設(shè)計與實踐能力。如何改變傳統(tǒng)的驗證性實驗，開發(fā)具有開放性、綜合性的實驗，越來越成為機械電子工程專業(yè)教育的一大問題[1-6]。

1 實驗裝置要求及設(shè)計方案

1.1 實驗裝置要求

實驗裝置的控制柜需包含交流接觸器、中間繼電器、變頻器PLC等基本電氣控制元件，采用開放型布置，能實現(xiàn)繼電器連鎖動作實訓、接線、系統(tǒng)故障排除、更換電器等內(nèi)容，以激發(fā)學生的學習興趣，同時有利于學生觀察和對系統(tǒng)整體把握與認識。在用電安全設(shè)計方面，使用隔離裝置供電，所有電源開關(guān)采用漏電保護型，增強用電操作安全。機械手搬運控制模塊能實現(xiàn)機械手的升降、抓取和旋轉(zhuǎn)。通過光電開關(guān)實現(xiàn)物料檢測功能。通過對變頻器進行參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)調(diào)速；通過擴展觸摸屏可實現(xiàn)組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)通信等先進控制技術(shù)在實驗臺上的應用擴展。

1.2 設(shè)計方案

針對所提的要求，本實驗裝置包含空氣開關(guān)、交流接觸器、中間繼電器、PLC(含擴展模塊)、變頻器、伺服驅(qū)動器等基本電氣元件組成電氣控制系統(tǒng)，控制完成整個實驗臺的全部動作；由帶式輸送機、變頻電動機和光電編碼器組成帶式輸送系統(tǒng)，主要是完成物塊的輸送，當檢測到物塊時輸送機停止；由蝸輪蝸桿減速器、伺服電動機、氣泵、氣缸和氣爪組成搬運機械手系統(tǒng)，主要是完成物塊的搬運；由十字滑臺和步進電動機組成物塊儲放系統(tǒng)，主要是通過十字滑臺的移動完成物塊的存放[7-9]。

圖1 控制方案設(shè)計

2 下位機設(shè)計

本一體化多功能機電控制綜合實驗臺是以一臺晶體管型的S7-200 PLC和一臺繼電器型的S7-200 PLC作為控制核心，由于繼電器有動作次數(shù)壽命，晶體管只有老化沒有使用次數(shù)限制，且晶體管響應速度快于繼電器，選用晶體管型PLC控制步進電動機和氣動系統(tǒng)，繼電器型PLC控制伺服電動機和變頻器。硬件控制系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，實驗裝置機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 步進控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)由57步進電動機和57/86步進驅(qū)動器及用聯(lián)軸器與絲杠相連接，而步進電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元器件。其速度控制是通過改變PLC發(fā)出的脈沖頻率來實現(xiàn)對電動機的速度控制；方向控制是通過控制輸出的脈沖信號的高低電平到步進電動機控制器的方向信號端，從而來控制步進電動機的轉(zhuǎn)動方向。本裝置通過PLC程序中的定時器指令和脈沖輸出聯(lián)合控制的方式實現(xiàn)對步進電動機的位置自動調(diào)節(jié)[10]。

圖2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計

圖3 實驗裝置機械結(jié)構(gòu)

2.2 氣動系統(tǒng)

本系統(tǒng)由雙導桿氣缸、氣爪和空氣壓縮機構(gòu)成。對雙導桿氣缸的控制是用一個二位五通電磁閥控制，閥上配有1個來自空氣壓縮機的進氣口P和2個分別通向氣缸的A、B口。A、B分別與進、出氣口相連接，因此氣缸只有收回和伸出兩個工作狀態(tài)。電磁閥通斷電切換氣缸的工作狀態(tài)，即初始通電時，A口進B口出，氣缸伸出；斷電后，B口進A口出，氣缸收回。氣爪的工作原理也如上所述，對應的工作狀態(tài)是氣爪的松開和夾緊。而利用PLC去控制氣缸、氣爪的動作，節(jié)省大量配線和附件及安裝工時，并且現(xiàn)場調(diào)試只需要改變控制程序即可實現(xiàn)目的[11-12]。

2.3 伺服系統(tǒng)

本系統(tǒng)由伺服電機和伺服驅(qū)動器及蝸輪蝸桿減速器構(gòu)成。伺服電機基本參數(shù)如表1所示。

表1 伺服電機基本參數(shù)

經(jīng)稱重可知：

m氣缸=2.3 kg，m氣爪=0.66 kg

L=0.5 m(臂長)

V=a×b×c=1 000 mm×45 mm×

8 mm=3.6×10-4m3

ρ=7.85×103kg/m3

扭力臂的質(zhì)量為

m力臂=ρV=2.826 kg

扭矩為

T=F×L=(m氣缸+m氣爪+m力臂)g×L=

2.893 N·m

與伺服電動機的參數(shù)對照，發(fā)現(xiàn)所需的扭矩遠大于電機的額定扭矩，為了實驗裝置的絕對安全性以及解決伺服電機輸出扭矩不足和低轉(zhuǎn)速不易控制的問題，采用傳動比為1∶50的蝸輪蝸桿減速器。

2.4 變頻系統(tǒng)

本系統(tǒng)由變頻器、三相異步電動機、輸送機及光電開關(guān)構(gòu)成。通過鏈條將電動機和輸送機相連接，利用變頻器控制電動機從而控制輸送機的速度，并用安裝在輸送帶兩側(cè)的光電開關(guān)檢測物料。

為了更好地控制電動機的速度，將電位器的三端分接到變頻器的電壓輸入端，電壓輸出端和公共端，即可通過輕輕轉(zhuǎn)動外接電位器的旋鈕，就可以進行頻率設(shè)置，達到控制三相異步電動機轉(zhuǎn)速的目的。

在該系統(tǒng)中，對于物塊檢測選用對射式光電開關(guān)，由結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器組成，當無障礙時，發(fā)射器發(fā)出的光線直接被接收器接收。當物塊(被檢測物)通過發(fā)射器和接收器之間且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號，該信號作為輸入信號發(fā)送給PLC，使輸送機停止運行。當檢測物不透明時，優(yōu)先選用對射式光電開關(guān)作為檢測裝置[3]，如圖4所示。

3 上位機設(shè)計

作為一套一體化多功能機電控制綜合實驗臺，既

圖4 光電開關(guān)工作原理

可以用按鈕等硬件控制，也可以通過及計算機組態(tài)軟件作為上位機進行控制。

3.1 觸摸屏控制

本裝置采用的是威綸通型號為TK6102i的觸摸屏，需先在計算機上用其專用的軟件EB8000建立工程文件，編輯好控制界面，并做好變量連接，然后通過Mini USB下載口將工程文件下載到觸摸屏的存儲器中，并用兩條USB PPI通信電纜通過Com1: RS-232/RS-485 2w/4w, Com3: RS-485 2w口與兩臺PLC相連接，在EB8000的穿透通信設(shè)置及V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9中的通信端口進行通信參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后即可實現(xiàn)利用觸摸屏對下位機的控制。

3.2 PC Access和WinCC組態(tài)控制

在帶有Win7系統(tǒng)的計算機上安裝PC Access及WinCC7.0，打開PC Access，先利用PLC通過PC/PPI通信電纜與PC Access建立通信，并在PC Access中通過新建項目的方式添加相關(guān)變量，并將變量添加到測試客戶機，當PLC程序運行時，即可檢測其狀態(tài)。然后在PLC程序中添加內(nèi)部寄存器作為中間變量，在WinCC中建立單用戶工程文件，添加OPC驅(qū)動，建立S7-200.OPCServer，就可以看到在PC Access中的項目變量，利用靜態(tài)文本作注釋，將中間變量(I/O地址)與畫面中的按鈕(I/O域)連接，運行WinCC組態(tài)項目，即可實現(xiàn)通過控制畫面中的按鈕對實驗臺進行控制[13-15]。

4 結(jié) 語

通過上述工作，一體化多功能機電控制綜合實驗臺的功能要求基本上得到了實現(xiàn)，既可以通過電氣柜面板上的按鈕開關(guān)控制實驗裝置，也可以通過觸摸屏和組態(tài)軟件完成實驗要求，充分說明了設(shè)計方案的可行性。而且作為一套典型的機電一體化的實驗設(shè)備，成功地將步進電機、伺服電機、氣缸等多種控制單元用PLC聯(lián)系起來，并實現(xiàn)了上位機控制，下一步將在精確控制方向做出更多研究。

該綜合實驗臺能夠讓學生在增加實踐經(jīng)驗的同時開拓了思路和眼界，相信在師生的共同努力下，一定能為機械電子工程專業(yè)培養(yǎng)出更加優(yōu)秀的人才。

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