陸晨芳，許璐，丁中華，龍忠海

(1. 南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 211135； 2. 南京翼馬數(shù)控機(jī)床有限公司, 江蘇 南京 211103)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，自動(dòng)化生產(chǎn)線在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中扮演了越來越重要的角色。本文設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化柔性制造實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)過程，演示了從原材料出庫、經(jīng)歷多道生產(chǎn)工序成為成品入庫的整個(gè)流程，融合了PLC控制技術(shù)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電氣控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床以及網(wǎng)絡(luò)總線等多方面自動(dòng)控制技術(shù)，展現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)控制模式，為學(xué)習(xí)者掌握自動(dòng)化生產(chǎn)線提供了良好的平臺(tái)[1]。

1 柔性制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

圖1為典型機(jī)電一體化設(shè)備，由機(jī)械部件、電氣元件、氣動(dòng)元件、PLC模塊、觸摸屏模塊以及模擬生產(chǎn)設(shè)備實(shí)訓(xùn)單元(包含立體倉庫單元、CCD檢測(cè)單元、材質(zhì)檢測(cè)單元、噴涂單元、孔深檢測(cè)單元、條碼掃描單元、總控單元和環(huán)形傳輸系統(tǒng))等組成[2]。

圖1 整體布局圖

1.1 CCD檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)

檢測(cè)單元主要包括固定式皮帶輸送帶、可旋轉(zhuǎn)皮帶輸送帶、滾子輸送帶、CCD檢測(cè)攝像頭及圖像處理電腦、搬運(yùn)機(jī)器人以及電氣控制柜等部分(圖2)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)托盤中的大、小工件進(jìn)行CCD檢測(cè)的功能。

圖2 CCD檢測(cè)單元示意圖

1.2 材質(zhì)檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)

材質(zhì)檢測(cè)單元主要包括材質(zhì)檢測(cè)裝置以及電氣控制柜等部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大工件進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)的功能(圖3)。

圖3 材質(zhì)檢測(cè)單元示意圖

1.3 噴涂單元結(jié)構(gòu)

噴涂單元主要包括擋板裝置、搬運(yùn)裝置、噴涂裝置以及電氣控制柜等部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小工件進(jìn)行噴涂的功能(圖4)。

圖4 噴涂單元示意圖

1.4 孔深檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)

孔深檢測(cè)單元主要包括搬運(yùn)機(jī)器人、數(shù)控車床、加工中心、孔深檢測(cè)裝置以及電氣控制柜等部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大工件進(jìn)行孔深檢測(cè)的功能(圖5)。

圖5 孔深檢測(cè)單元示意圖

1.5 掃碼單元結(jié)構(gòu)

掃碼單元主要包括滾子輸送帶、可旋轉(zhuǎn)皮帶輸送帶、固定式皮帶輸送帶、掃碼裝置及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電腦以及電氣控制柜等部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)托盤進(jìn)行掃碼的功能(圖6)。

圖6 掃碼單元示意圖

1.6 總控單元結(jié)構(gòu)

總控單元主要包括總控計(jì)算機(jī)、總控PLC、觸摸屏以及電控柜等部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整套自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)控制的功能(圖7)。

圖7 總控單元示意圖

每個(gè)單元模塊既可自成系統(tǒng)進(jìn)行單元訓(xùn)練(手動(dòng)方式)，也可與其他模塊相互組合，進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練(自動(dòng)方式)。

2 柔性制造系統(tǒng)的核心技術(shù)

2.1 傳感器

系統(tǒng)采用了多種傳感器，用于實(shí)現(xiàn)工作中的各項(xiàng)檢測(cè)反饋功能[3]。

型號(hào)為BR100-DDT-P的Autonics漫反射型光電傳感器，用于檢測(cè)當(dāng)前工位有無工件。型號(hào)為BR100-TDT-P的Autonics對(duì)射式光電傳感器，用于檢測(cè)工件是否到達(dá)。USB工業(yè)相機(jī)，用于拍照并將圖片傳輸給計(jì)算機(jī)，以此判斷托盤上是大工件還是小工件。型號(hào)為CS1M020S20的AirTAC氣缸感應(yīng)開關(guān)，用于判斷氣缸是否到位。型號(hào)為BESM08MG-UOC20B-BV03的BALLUFF電感式傳感器，用于區(qū)分工件的材質(zhì)是鐵還是鋁。型號(hào)為PT-30V的愛寶條碼掃描器，可以通過條碼掃描識(shí)別當(dāng)前托盤的信息。

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器

系統(tǒng)采用電氣控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)部分運(yùn)動(dòng)控制功能。整套設(shè)備中需要精確定位的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，如立體倉庫單元中搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的X軸運(yùn)動(dòng)和Z軸運(yùn)動(dòng)、孔深檢測(cè)單元中機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)。其余由變頻電動(dòng)機(jī)和調(diào)速器實(shí)現(xiàn)，如立體倉庫搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的Y軸運(yùn)動(dòng)、各單元輸送帶的運(yùn)動(dòng)。

以搬運(yùn)機(jī)構(gòu)X軸運(yùn)動(dòng)為例，給出電氣控制接線圖，如圖8所示。

圖8 伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器接線圖

2.3 氣動(dòng)控制

除了電氣控制技術(shù)，系統(tǒng)還采用氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)部分控制功能。比如CCD檢測(cè)單元、掃碼單元借助于氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)工件托盤的傳輸，主要元件包括氣泵、氣動(dòng)三聯(lián)件、氣動(dòng)閥、氣缸等；材質(zhì)檢測(cè)單元借助于氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)工件的材質(zhì)檢測(cè)；噴涂單元借助于氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)工件的搬運(yùn)和噴涂，主要元件包括氣動(dòng)手指、夾緊氣缸、氣動(dòng)噴槍等；孔深檢測(cè)單元借助于氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)工件的孔深檢測(cè)，主要元件包括行程可讀氣缸和多輸出計(jì)數(shù)器。以噴涂單元為例，給出氣動(dòng)回路圖，如圖9所示。

圖9 噴涂單元?dú)鈩?dòng)回路圖

2.4 工業(yè)機(jī)器人

系統(tǒng)采用GR-C工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能。該機(jī)器人可在本機(jī)基礎(chǔ)上增加機(jī)械元件和電氣元件，通過指令編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作功能。比如CCD檢測(cè)單元采用工業(yè)機(jī)器人將大工件搬運(yùn)至材質(zhì)檢測(cè)單元、將小工件搬運(yùn)至輸送帶；材質(zhì)檢測(cè)單元采用工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)大工件；孔深檢測(cè)單元采用機(jī)器人將大工件依次搬運(yùn)至數(shù)控車床、加工中心、孔深檢測(cè)工位、掃碼單元或廢料箱，將小工件直接搬運(yùn)至掃碼單元。

2.5 PLC控制

系統(tǒng)控制器采用了SIMATICS7-200SMARTPLC。各個(gè)工作單元分別由1臺(tái)S7-200PLC承擔(dān)控制任務(wù)，其中總控單元的PLC設(shè)置成主站，其余單元的PLC設(shè)置成從站。站點(diǎn)之間通過RS-485串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成集成分布式的控制系統(tǒng)。

2.6 觸摸屏

系統(tǒng)配置mcgsTpc觸摸屏作為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)操作界面，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不僅可以由按鈕操作面板發(fā)出控制指令，還可以通過觸摸屏控制和顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)[4-5]。

3 柔性制造系統(tǒng)的工作流程

3.1 立體倉庫單元工作流程

本單元可完成原料入庫、原料出庫、成品入庫、成品出庫4項(xiàng)工作。以原料入庫為例，手動(dòng)方式下的工作流程如圖10所示(以1號(hào)倉位為例)。

圖10 原料入庫工作流程圖

3.2 CCD檢測(cè)單元工作流程

本單元對(duì)傳送托盤中的大、小工件進(jìn)行CCD檢測(cè)。手動(dòng)方式下托盤傳送并檢測(cè)的工作流程如圖11所示。

圖11 托盤傳送工作流程圖

3.3 材質(zhì)檢測(cè)單元工作流程

本單元對(duì)大工件的材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，手動(dòng)方式下材質(zhì)檢測(cè)的工作流程如圖12所示。

圖12 材質(zhì)檢測(cè)工作流程圖

3.4 噴涂單元工作流程

本單元對(duì)小工件進(jìn)行噴涂，手動(dòng)方式下噴涂的工作流程如圖13所示。

圖13 噴涂單元工作流程圖

3.5 孔深檢測(cè)單元工作流程

本單元對(duì)大工件的孔深進(jìn)行檢測(cè)，手動(dòng)方式下的工作流程如圖14所示。

圖14 孔深檢測(cè)單元工作流程圖

3.6 掃碼單元工作流程

本單元對(duì)工件托盤進(jìn)行掃碼，手動(dòng)方式下托盤掃碼并傳送的工作流程如圖15所示。

圖15 掃碼單元托盤傳送工作流程圖

3.7 總控單元工作流程

總控單元的工作流程如圖16所示。

圖16 總控單元工作流程圖

4 結(jié)語

系統(tǒng)融典型機(jī)電一體化設(shè)備機(jī)械部件裝調(diào)、電氣控制電路裝調(diào)、氣動(dòng)系統(tǒng)裝調(diào)、PLC編程、觸摸屏編程、工業(yè)機(jī)器人編程、數(shù)控機(jī)床編程、自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試于一體，涵蓋了PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝、驅(qū)動(dòng)調(diào)速、氣動(dòng)控制、傳感檢測(cè)、系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。同時(shí)從選材、造型及功能等多方面貼合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，著重體現(xiàn)真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)應(yīng)用。設(shè)備的各個(gè)模塊可分別逐次運(yùn)行，可以由淺入深，漸進(jìn)全面地掌握各項(xiàng)自動(dòng)控制技術(shù)。通過該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用、訓(xùn)練和培訓(xùn)，幫助學(xué)習(xí)者更好地理解和掌握工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線。