李東軍，李 浩，袁振文，王 鵬

（首鋼技師學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

在職業(yè)教育領(lǐng)域，教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備大都是教學(xué)裝備制造企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，職業(yè)院校采購(gòu)使用，也有相關(guān)的教科研文獻(xiàn)，但設(shè)備的開(kāi)放性和適用性與職業(yè)院校的實(shí)際情況，特別是與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)崗位技能的相關(guān)性，存在較大差異。隨著科學(xué)技術(shù)的跨越發(fā)展，社會(huì)在進(jìn)步，人們的生產(chǎn)、生活在改變。近些年“工業(yè)4.0”“中國(guó)制造2025”“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“大數(shù)據(jù)”等由概念轉(zhuǎn)為生產(chǎn)力，大大促進(jìn)了智能制造行業(yè)的快速發(fā)展。作者從事職業(yè)教育十幾年，教研專業(yè)也一直是機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化等相關(guān)領(lǐng)域，見(jiàn)證了智能制造行業(yè)的發(fā)展和騰飛。我國(guó)職業(yè)教育隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，進(jìn)入了一個(gè)新的階段，國(guó)家的重視，社會(huì)的需要，將催生一大批高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。作為職業(yè)教育的實(shí)踐者和引路人，有責(zé)任、有義務(wù)進(jìn)行行業(yè)技術(shù)研究和創(chuàng)新，培養(yǎng)更多社會(huì)需要的技術(shù)技能型人才。為在職業(yè)教育教學(xué)中利用教研課題進(jìn)行研究和創(chuàng)新，研制教學(xué)試驗(yàn)載體，創(chuàng)造條件完成知識(shí)技能一體化實(shí)訓(xùn)模型，力求完成對(duì)職業(yè)院校學(xué)生和企業(yè)技能人才進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)和技能培訓(xùn)，本文研制了一套教學(xué)裝置。其中的機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件的設(shè)計(jì)與裝調(diào)，核心電氣控制設(shè)備和元器件的選型與測(cè)試，控制程序的編制與聯(lián)機(jī)調(diào)試等，都是DIY 形式，靈活搭配，“簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單”，低成本、超實(shí)用、可拓展、全開(kāi)源，可以參照開(kāi)發(fā)與完善，學(xué)為所用、練為提升，注重安全實(shí)踐，供交流學(xué)習(xí)之用。希望本文能夠解決職業(yè)教育教學(xué)中兩個(gè)層面的問(wèn)題：一是學(xué)生或?qū)W員層面的技能操作訓(xùn)練不夠深入、昂貴設(shè)備“不敢”操作、與將來(lái)就業(yè)崗位技能需求脫節(jié)等問(wèn)題；二是職業(yè)院校層面的設(shè)備預(yù)算資金有限、“好鋼用在刀刃上”、工學(xué)矛盾突出、提高教師的科研和動(dòng)手操作能力等問(wèn)題。如果這些問(wèn)題得到解決，不僅可以提高學(xué)生的崗位適應(yīng)能力和職業(yè)技能水平，還對(duì)職業(yè)院校教師的“雙師”能力也得到訓(xùn)練提升，也可以把院校的設(shè)備資產(chǎn)“盤(pán)活”，提高設(shè)備利用率，減少“僵尸”設(shè)備的存在。

1 裝置介紹與方案設(shè)計(jì)

該裝置設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于校企合作實(shí)際項(xiàng)目，某食品生產(chǎn)加工企業(yè)計(jì)劃升級(jí)改造一套產(chǎn)品自動(dòng)檢測(cè)、搬運(yùn)、碼垛控制系統(tǒng)，系統(tǒng)旨在解決：多種產(chǎn)品的自動(dòng)識(shí)別，并通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行搬運(yùn)，最終將產(chǎn)品碼垛放置在設(shè)定的倉(cāng)位，以備下游環(huán)節(jié)進(jìn)一步處理。該系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用案例，作為該項(xiàng)目的主要成員，筆者參與了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)裝調(diào)工作，實(shí)際中企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)購(gòu)置了一臺(tái)六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)和碼垛，效率更高、精度更準(zhǔn)，成本自然高出了許多，畢竟企業(yè)的需求和學(xué)校的需要不盡相同，最終項(xiàng)目順利驗(yàn)收交付，此過(guò)程前后經(jīng)歷了近一年時(shí)間，筆者在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，也在不斷的總結(jié)和思考，明確企業(yè)需要什么樣的人才，理清關(guān)鍵技術(shù)、核心知識(shí)和綜合職業(yè)能力的基本要求。

企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備是生產(chǎn)型的，要求精度高、效率高、穩(wěn)定性更高，還有食品生產(chǎn)環(huán)境的特殊要求，不可能讓學(xué)生或?qū)W員隨時(shí)進(jìn)行測(cè)試和裝調(diào)，基于此研發(fā)一套教學(xué)載體試驗(yàn)裝置勢(shì)在必行，綜合考慮實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的數(shù)量和損壞概率，不能選取昂貴的設(shè)備元件，也不太可能購(gòu)置大批量的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行集成，要盡可能地降低成本，但又不能減少技術(shù)含量，綜合考量，裝置的基本設(shè)計(jì)方案如下。

1.1 整體方案

自制“多功能移動(dòng)式載盤(pán)小車”（已申請(qǐng)實(shí)用新型專利），關(guān)于“小車”設(shè)計(jì)與制作本文不再贅述。小車工作臺(tái)面可根據(jù)實(shí)際情況自由拼裝，此裝置臺(tái)面尺寸為800 mm×600 mm，采用歐標(biāo)30150-槽8 的鋁型材板切割拼裝。自動(dòng)識(shí)別模塊由工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，再由PC 圖像數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算和輸出，驅(qū)動(dòng)PLC 控制系統(tǒng)；三維機(jī)械手模塊由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY軸，Z軸由氣缸搭配吸盤(pán)執(zhí)行取放作業(yè)，按照既定程序搬運(yùn)產(chǎn)品；系統(tǒng)核心控制模塊由PLC 來(lái)完成，安裝HMI 進(jìn)行操作和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，考慮環(huán)境保護(hù)原則，采用清潔氣源和密封滾珠絲杠模組作為驅(qū)動(dòng)，集成電氣動(dòng)控制裝置。裝置樣機(jī)實(shí)物圖片，如圖1所示。

圖1 裝置樣機(jī)前視圖

1.2 控制要求

（1）全系統(tǒng)由人機(jī)界面（HMI）進(jìn)行操作和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，要求能夠完成：頁(yè)面I，系統(tǒng)的用戶登錄和權(quán)限認(rèn)證、企業(yè)LOGO 信息、設(shè)備名稱及功能描述等；頁(yè)面II，手動(dòng)調(diào)試頁(yè)面，具備所有執(zhí)行元件的手動(dòng)調(diào)試功能，比如供料氣缸的動(dòng)作、檢測(cè)氣缸的動(dòng)作、XY軸的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行控制、Z軸氣缸的動(dòng)作、吸盤(pán)開(kāi)閉、貨架定位、回零等；頁(yè)面III，自動(dòng)運(yùn)行頁(yè)面，能夠完整、連續(xù)、周期運(yùn)行自動(dòng)搬運(yùn)及碼垛程序，具有啟動(dòng)、停止、計(jì)數(shù)、回零、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能；頁(yè)面IV，動(dòng)態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)警確認(rèn)等（可拓展）。

（2）井式供料機(jī)構(gòu)控制：要求推料氣缸，能夠平穩(wěn)的將料倉(cāng)中的模擬產(chǎn)品，推送到供料平臺(tái)，并具備聯(lián)鎖保護(hù)、缺料報(bào)警等功能。

（3）檢測(cè)模塊控制：要求檢測(cè)氣缸初始為伸出狀態(tài)，產(chǎn)品到達(dá)檢測(cè)位置一時(shí)（材質(zhì)檢測(cè)），短暫停頓，然后檢測(cè)氣缸縮回，產(chǎn)品到達(dá)檢測(cè)位置二時(shí)（視頻檢測(cè)），短暫停頓，然后檢測(cè)氣缸復(fù)位，等待下一步處理。

（4）“三維”搬運(yùn)機(jī)械手功能較為復(fù)雜，總體要求是：能夠在產(chǎn)品到達(dá)指定位置時(shí)，通過(guò)XY軸二維絲杠模組將Z軸移動(dòng)到指定位置，通過(guò)電磁閥控制Z軸氣缸的“升降”運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制“吸盤(pán)開(kāi)閉”進(jìn)行產(chǎn)品的搬運(yùn)及碼垛，特別要求，在完成一個(gè)周期（至少10 個(gè)貨物的擺放）后，機(jī)械手能夠自行判定自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行或回到“零點(diǎn)”。

（5）裝置機(jī)電控制系統(tǒng)的安裝與接線：要具備緊急停止功能；具有“啟動(dòng)、停止、復(fù)位”自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的實(shí)物按鈕；具備“電源指示、運(yùn)行指示、報(bào)警指示”等狀態(tài)燈的顯示等。

（6）裝置可根據(jù)實(shí)際教學(xué)、培訓(xùn)和開(kāi)發(fā)情況，靈活搭配，自行拓展，完成相關(guān)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

2 硬件搭配與機(jī)械調(diào)整

2.1 核心設(shè)備選型與通訊測(cè)試

裝置的核心設(shè)備為PLC、HMI 和工業(yè)相機(jī)，PLC 為可編程控制器，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常普遍，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，又有種類較多、價(jià)格差異較大、編程語(yǔ)言各異等情況，但控制原理和編程思路基本相同，所以可根據(jù)實(shí)際情況自主選擇，須注意的是，本裝置有步進(jìn)∕伺服電機(jī)控制，需要配置至少具有兩路高速脈沖輸出的PLC型號(hào)。本裝置選擇應(yīng)用廣泛、性價(jià)比較高的西門(mén)子S7-200Smart 系列，具體型號(hào)為ST40 DC∕DC∕DC。HMI 為人機(jī)界面，俗稱“觸摸屏”，品牌型號(hào)種類也很多，這里選擇易學(xué)易用、性價(jià)比較高的國(guó)產(chǎn)品牌，昆侖通泰MCGS 7062Ti DC24V。工業(yè)相機(jī)及配套采集處理模塊，選擇“智海合達(dá)”多功能視頻檢測(cè)平臺(tái)，XG200 及MD：190629 模塊，該檢測(cè)平臺(tái)具有高效快捷、簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大、綠色軟件等優(yōu)勢(shì)。整個(gè)裝置的設(shè)備元件清單如表1所示。

表1 裝置的設(shè)備元件清單

核心設(shè)備之間的通信采用ProfiNet 網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)單易用，也是未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用基礎(chǔ)，工業(yè)相機(jī)及視頻采集模塊與PC機(jī)的通信限于條件，本機(jī)采用USB通信。核心設(shè)備通信示意圖，如圖2所示。

圖2 核心設(shè)備通信示意圖

2.2 步進(jìn)電機(jī)控制原理及接線測(cè)試

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的控制元件。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式，永磁式，混合式，各有優(yōu)點(diǎn)，按實(shí)際需求選擇，反應(yīng)式的步距角小，精度高；永磁式的力矩大；混合式的具有精度高，力矩大的特點(diǎn)，但成本較高。

步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)電脈沖信號(hào)，就會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)固定的角度，就是步進(jìn)電機(jī)其中的一個(gè)重要參數(shù)——步距角。步進(jìn)電機(jī)是靠脈沖數(shù)量來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)的，需要轉(zhuǎn)多少圈就給相應(yīng)個(gè)數(shù)的脈沖數(shù)，以此，步進(jìn)電機(jī)能夠達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，也就是控制多長(zhǎng)時(shí)間給一個(gè)脈沖，從而達(dá)到調(diào)速的目的。改變繞組通電順序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。所以，可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。本裝置XY軸采用的步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的接線，參考圖3所示（圖示為X軸，Y軸基本相同，見(jiàn)圖注）。

圖3 X∕Y軸步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器接線示意圖

2.3 機(jī)械調(diào)整及氣路調(diào)試

本裝置機(jī)械部分由標(biāo)準(zhǔn)鋁型材、鈑金預(yù)制件、鋁板鋁塊零部件、滾珠絲杠模組、標(biāo)準(zhǔn)連接件等組成，限于篇幅不再說(shuō)明，可根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)、裝配，機(jī)械調(diào)整重要的是防止“機(jī)械干涉”，要做到位置精確、平滑順暢、牢固可靠等。

氣路的安裝和調(diào)試，可以使用FluidSIM 軟件進(jìn)行仿真和測(cè)試，根據(jù)裝置功能要求，預(yù)制氣缸安裝位置和初始狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況選用單電控或雙電控電磁閥，配置電磁閥組，并做好密封加壓試驗(yàn)，氣路調(diào)試的關(guān)鍵是，通過(guò)調(diào)整單向節(jié)流閥，手動(dòng)調(diào)試氣缸的動(dòng)作速度，達(dá)到平穩(wěn)高效、密封不漏等。

3 軟件設(shè)計(jì)與編程調(diào)試

本裝置在設(shè)計(jì)和裝調(diào)過(guò)程中，會(huì)用到不同的軟件環(huán)境或平臺(tái)，限于篇幅，僅做簡(jiǎn)單介紹。PLC 根據(jù)選型選擇不同的編程軟件，本文使用“STEP 7-MicroWIN SMART”V2.2 版，該軟件環(huán)境界面友好、功能強(qiáng)大，與以往S7-200各版本編程環(huán)境相比較，做了較大優(yōu)化，但內(nèi)核未變，所以很容易上手。觸摸屏根據(jù)選型不同也會(huì)有不同的編程環(huán)境，本文使用“MCGSE組態(tài)環(huán)境”，MCGS 嵌入版7.7，該軟件為國(guó)產(chǎn)化優(yōu)秀軟件，使用簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)豐富，便于集成。其他軟件環(huán)境如多功能視頻檢測(cè)平臺(tái)-免安裝版∕安裝版，F(xiàn)luidSIM 中文版V5.6，Solid-Works2016等，本文不再贅述。

3.1 HMI畫(huà)面組態(tài)及編程調(diào)試

3.1.1 存儲(chǔ)地址及數(shù)據(jù)類型

在進(jìn)行HMI 畫(huà)面組態(tài)之前，要明確該觸摸屏的控制對(duì)象和變量地址的規(guī)范定義，關(guān)于MCGSE軟件環(huán)境的學(xué)習(xí)和使用，需要結(jié)合具體任務(wù)重復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到熟練應(yīng)用。本文在開(kāi)始編程之前，需要了解一些常用的數(shù)據(jù)類型，如表2所示（基于STEP 7-Micro∕Win Smart）。

表2 常用的存儲(chǔ)空間或數(shù)據(jù)類型說(shuō)明

3.1.2 畫(huà)面設(shè)計(jì)及核心要點(diǎn)

（1）首頁(yè)∕登錄畫(huà)面組態(tài)

關(guān)鍵對(duì)象（控件）包括：標(biāo)簽、畫(huà)面屬性、位圖、普通按鈕、簡(jiǎn)單腳本等。基本包含的元素有：標(biāo)題、LOGO、登錄信息、用戶管理、使用說(shuō)明、畫(huà)面切換、系統(tǒng)退出∕關(guān)閉等。核心要點(diǎn)是，“對(duì)象”基本屬性和操作屬性的設(shè)置，以及較復(fù)雜屬性的配置。首頁(yè)畫(huà)面組態(tài)如圖4所示。

圖4 首頁(yè)畫(huà)面組態(tài)

（2）手動(dòng)調(diào)試畫(huà)面組態(tài)

關(guān)鍵對(duì)象包括：方框（圖層）、輸入框（I∕O）、圓形（代表指示燈）、普通按鈕、時(shí)間∕日期等?；景脑赜校簶?biāo)題、標(biāo)簽、操控按鈕、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)元件的使用等。核心要點(diǎn)是，“對(duì)象”基本屬性和操作屬性的設(shè)置，“數(shù)據(jù)對(duì)象值”的操作，“變量”的選擇方式和采集方法，動(dòng)畫(huà)屬性及IO表達(dá)式組態(tài)等。手動(dòng)調(diào)試畫(huà)面組態(tài)如圖5所示。

圖5 手動(dòng)調(diào)試畫(huà)面組態(tài)

（3）自動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面組態(tài)

關(guān)鍵對(duì)象包括：標(biāo)簽、普通按鈕、圓形、入庫(kù)信號(hào)采集等。基本包含的元素有：標(biāo)題、標(biāo)簽、操控按鈕、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、手動(dòng)∕自動(dòng)切換等。核心要點(diǎn)是，手動(dòng)∕自動(dòng)的聯(lián)鎖切換設(shè)置，入庫(kù)信號(hào)采集表達(dá)式的組合運(yùn)算，其他拓展動(dòng)畫(huà)屬性等。自動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面組態(tài)如圖6所示。

圖6 自動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面組態(tài)

3.1.3 HMI變量地址預(yù)分配（對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)部變量）

HMI 變量實(shí)際上是根據(jù)其控制設(shè)備（PLC）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集生成或者數(shù)據(jù)中心預(yù)定義，為了達(dá)到控制要求，在HMI 和PLC 之間建立通信鏈接后，能夠?qū)崿F(xiàn)變量、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新及互通，因此需要在進(jìn)行PLC 編程之前，完成HMI 變量（數(shù)據(jù)操作對(duì)象）進(jìn)行預(yù)定義，實(shí)際上是PLC 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址的預(yù)分配過(guò)程，這一點(diǎn)需要讀者充分理解和規(guī)范使用。根據(jù)前面組態(tài)的畫(huà)面，如表3所示。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)及編程調(diào)試

3.2.1 系統(tǒng)I∕O地址分配

首先要根據(jù)系統(tǒng)控制要求，確認(rèn)系統(tǒng)輸入（Input）和輸出（Output）的地址；其次，完成實(shí)際接線和儀表檢測(cè)。PLC系統(tǒng)的I∕O地址分配表，如表4所示。

3.2.2 搭建程序結(jié)構(gòu)

依據(jù)系統(tǒng)I∕O 地址，在PLC 編程環(huán)境中編寫(xiě)“符號(hào)表”。根據(jù)系統(tǒng)控制要求和模塊化編程思路，需要搭建整體程序結(jié)構(gòu)框架，為后續(xù)編程和調(diào)試，做好接口和統(tǒng)籌。參考程序結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2.3 運(yùn)動(dòng)控制向?qū)шP(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

由于本裝置配備了兩套步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接兩組滾珠絲杠模組，命名為X軸、Y軸，Y軸整體裝配在X軸上，X∕Y軸兩端分別安裝機(jī)械式碰撞微動(dòng)開(kāi)關(guān)，作為極限位置，在X∕Y軸中間合適位置安裝機(jī)械式微動(dòng)開(kāi)關(guān)，作為“機(jī)械零點(diǎn)”位置，X∕Y軸配合運(yùn)動(dòng)可以完成平面任意坐標(biāo)定位。X∕Y軸的運(yùn)動(dòng)由PLC 提供的高速脈沖輸出點(diǎn)（脈沖）和普通輸出點(diǎn)（方向）進(jìn)行控制，在編程應(yīng)用中一般使用“運(yùn)動(dòng)控制向?qū)А眮?lái)完成。限于篇幅，不再一一截圖演示，讀者可根據(jù)向?qū)Т翱?，逐一完成關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，最后形成一個(gè)“映射”表單，如圖8 所示。同時(shí)，軟件會(huì)根據(jù)用戶的參數(shù)選擇生成若干個(gè)“系統(tǒng)子程序”（POU 限制編輯），本次試驗(yàn)每個(gè)軸（軸0 或軸1），選擇生成了4 個(gè)子程序，分別為：AXIS0_CTRL、AXIS0_MAN、AXIS0_GOTO、AXIS0_REEEK、AXIS0_RUN（可選，拓展應(yīng)用）。

表3 HMI變量地址預(yù)分配表

3.2.4 PLC變量地址預(yù)分配

在系統(tǒng)控制程序的編制過(guò)程中，會(huì)用到很多的內(nèi)部變量，為了不造成存儲(chǔ)地址沖突，也是為了編程的規(guī)范性和可讀性，需要進(jìn)行有計(jì)劃的分配，PLC 內(nèi)部變量地址預(yù)分配（部分需要配合HMI使用），如表5所示。

表4 系統(tǒng)I/O地址分配表（ST40=24DI+16DO）

圖7 系統(tǒng)PLC程序結(jié)構(gòu)

圖8 運(yùn)動(dòng)控制向?qū)?/p>

3.2.5 主程序的編制及說(shuō)明

前文已經(jīng)定義7 個(gè)子程序，在主程序中均要調(diào)用，調(diào)用一般有“條件調(diào)用”和“無(wú)條件調(diào)用”，其中“手動(dòng)調(diào)試”和“自動(dòng)運(yùn)行”需要聯(lián)鎖，采用“手自切換”條件調(diào)用；由于“自動(dòng)推料測(cè)試”“自動(dòng)檢測(cè)測(cè)試”“自動(dòng)取料測(cè)試”“自動(dòng)放料測(cè)試”在制作HMI 畫(huà)面時(shí)固定在“自動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面”內(nèi)，所以也采用“手自切換”條件調(diào)用，即只有在切換到“自動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面”時(shí)才能進(jìn)行“半自動(dòng)”測(cè)試；“回零復(fù)位”子程序，在手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)運(yùn)行時(shí)均可以調(diào)用，所以采用“無(wú)條件調(diào)用”，即使用SM0.0 （Always_On） 觸 點(diǎn) 永 久 激 活。X∕Y軸 的Axis0_CTRL、Axis1_CTRL 系統(tǒng)子程序需要在主程序中無(wú)條件調(diào)用，僅調(diào)用一次。另外，其他輔助功能，如“多線圈替代”“指示燈狀態(tài)”等，一般可放在主程序中進(jìn)行編寫(xiě)。

表5 PLC內(nèi)部變量地址預(yù)分配

3.3 回零/復(fù)位子程序的編程調(diào)試

回零∕復(fù)位子程序可采用多種方式編寫(xiě)程序，只要實(shí)現(xiàn)X、Y軸“一鍵回機(jī)械零點(diǎn)”即可，還要檢測(cè)和復(fù)位必要的狀態(tài)信號(hào)和數(shù)據(jù)變量，本系統(tǒng)主要使用了Axis0_RSEEK、Axis1_RSEEK 系統(tǒng)子程序完成“回零”功能，將需要回零的實(shí)物按鈕或HMI 按鈕觸點(diǎn)，并聯(lián)接入Start 輸入?yún)?shù)，需要注意的是一定要使用“上升沿觸點(diǎn)指令”。其他輔助“復(fù)位”功能，不在贅述。

3.4 工業(yè)相機(jī)自動(dòng)檢測(cè)的方法與數(shù)據(jù)處理

工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集視頻圖像數(shù)據(jù)，多功能視頻檢測(cè)平臺(tái)是一款基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的顏色、字母、數(shù)字識(shí)別軟件，可以查看通信記錄以及測(cè)試數(shù)據(jù)，其具有功能完善、識(shí)別率高、識(shí)別速度快、識(shí)別功能可擴(kuò)充等特點(diǎn)，該軟件還簡(jiǎn)潔、易用、美觀，使識(shí)別工作變的輕松且高效。字符樣本采集和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，如圖9所示。

4 聯(lián)機(jī)調(diào)試與試驗(yàn)優(yōu)化

4.1 手動(dòng)調(diào)試與試驗(yàn)優(yōu)化

聯(lián)機(jī)調(diào)試之前，要建立ProfiNet通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置核心設(shè)備的局域網(wǎng)IP 地址為（參見(jiàn)前述通信示意圖）：PLC，192.168.0.2；HMI，192.168.0.3；PC，192.168.0.100。

手動(dòng)調(diào)試HMI 畫(huà)面組態(tài)，如前圖5 所示?？刂埔笕缦隆?/p>

（1）步進(jìn)電機(jī)（XY軸）控制：X軸左移、右移；Y軸前移、后移；X∕Y軸當(dāng)前位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）氣動(dòng)控制：推料氣缸伸出∕縮回；檢測(cè)氣缸伸出∕縮回；Z軸氣缸伸出∕縮回；吸盤(pán)開(kāi)啟∕關(guān)閉；各氣缸當(dāng)前位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3）貨架定位：5 個(gè)金屬倉(cāng)位的編號(hào)及定位控制；5個(gè)尼龍倉(cāng)位的編號(hào)及定位控制；取料點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)的定位控制；各點(diǎn)位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（4）傳感器監(jiān)測(cè)：料倉(cāng)監(jiān)測(cè)（缺料報(bào)警）、料臺(tái)監(jiān)測(cè)（有料聯(lián)鎖）、檢測(cè)中心（金屬檢測(cè)）。

（5）手動(dòng)、自動(dòng)模式切換及聯(lián)鎖控制等。

手動(dòng)調(diào)試的程序編寫(xiě)比較簡(jiǎn)單，以“點(diǎn)動(dòng)”、“置∕復(fù)位”為主，調(diào)用Axis0_MAN、Axis1_MAN 系統(tǒng)子程序完成X∕Y軸“手動(dòng)運(yùn)動(dòng)”功能。使用MOV_DW 指令，完成X∕Y軸當(dāng)前坐標(biāo)數(shù)據(jù)向“點(diǎn)位”坐標(biāo)數(shù)據(jù)的傳送。

在手動(dòng)調(diào)試試驗(yàn)和優(yōu)化過(guò)程中，要調(diào)整裝置動(dòng)作速度和運(yùn)動(dòng)的“平滑性”，要注重“點(diǎn)位”坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以便后續(xù)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的精確定位運(yùn)動(dòng)。

圖9 字符樣本采集和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

4.2 自動(dòng)調(diào)試與試驗(yàn)優(yōu)化

（1）半自動(dòng)子程序的編程調(diào)試與試驗(yàn)優(yōu)化

自動(dòng)運(yùn)行HMI 畫(huà)面組態(tài)，如前圖6 所示。畫(huà)面左側(cè)設(shè)計(jì)了4個(gè)按鈕，主要為了完成4個(gè)執(zhí)行子程序，這些子程序需要被重復(fù)調(diào)用，因此需要分別調(diào)試和優(yōu)化。具體為：自動(dòng)推料測(cè)試、自動(dòng)取料測(cè)試、自動(dòng)放料測(cè)試、自動(dòng)檢測(cè)測(cè)試，其中前3 個(gè)子程序相對(duì)比較簡(jiǎn)單，不再贅述。最后一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)測(cè)試子程序，除需要完成規(guī)定的動(dòng)作外，還需要完成產(chǎn)品材質(zhì)（金屬和尼龍）的判斷和保存、產(chǎn)品類型（數(shù)字序號(hào)、字母編號(hào)或者顏色種類等）的識(shí)別和處理，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算和對(duì)比，確定目標(biāo)倉(cāng)位，并將目標(biāo)倉(cāng)位的坐標(biāo)定位數(shù)據(jù)傳送到中轉(zhuǎn)變量（表5），以備下一步處理。

（2）全自動(dòng)周期運(yùn)行子程序的編程調(diào)試與試驗(yàn)優(yōu)化

自動(dòng)運(yùn)行子程序?yàn)樵撗b置的終極調(diào)試目標(biāo)，完成全自動(dòng)、周期性循環(huán)工作，直至按下停止按鈕或者達(dá)到預(yù)定條件，系統(tǒng)才停止工作。為完成全自動(dòng)工作，需要進(jìn)行裝置全工作流程分析，如表6所示。

表6 裝置系統(tǒng)全工作流程分析

一個(gè)周期的運(yùn)行共完成推料1 次、取料2 次、放料2次、檢測(cè)1 次、步進(jìn)運(yùn)動(dòng)3 次，其中XY軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)使用Axis0_GOTO、Axis1_GOTO 系統(tǒng)子程序完成運(yùn)動(dòng)控制功能。如此進(jìn)行往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)，循環(huán)周期內(nèi)XY軸不必回零點(diǎn)，可直接判斷運(yùn)動(dòng)到所需位置，直至按下停止按鈕或者達(dá)到預(yù)定條件（如倉(cāng)庫(kù)已滿、料倉(cāng)缺料等）狀態(tài)，系統(tǒng)停機(jī)。

自動(dòng)運(yùn)行子程序的編寫(xiě)，相對(duì)比較復(fù)雜一些，可采用多種方式實(shí)現(xiàn)，本文采用比較指令和MOV_W指令配合來(lái)完成，即在初始步或初始化過(guò)程中，將VW1000（僅供參考）數(shù)據(jù)字賦值為0，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，通過(guò)MOV_W命令賦值VW1000為1，通過(guò)比較指令==I進(jìn)行比較，若滿足條件，開(kāi)始第1步動(dòng)作，調(diào)用推料子程序，完成工作后，賦值VW1000為2，繼續(xù)比較指令，若滿足條件，開(kāi)始第2步動(dòng)作，……，以此類推，直至完成所有動(dòng)作步序。

5 應(yīng)用實(shí)踐與反饋拓展

該裝置經(jīng)過(guò)多輪次的試驗(yàn)和驗(yàn)證，運(yùn)行狀態(tài)良好，已在職業(yè)院校機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)建制班級(jí)進(jìn)行一體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用，教學(xué)效果優(yōu)良，學(xué)生反饋很好。在職工職業(yè)技能訓(xùn)練和培訓(xùn)中，學(xué)員的反饋更為豐富，不僅提升了個(gè)人操作技能和知識(shí)儲(chǔ)備，還應(yīng)用于崗位工作實(shí)踐中，自主進(jìn)行技術(shù)革新和廢舊設(shè)備改造，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，提升了企業(yè)技能人才的綜合職業(yè)素養(yǎng)。另外，該裝置在某職工職業(yè)技能大賽中被采用，取得了良好的效果。當(dāng)然，裝置不可能包含所有的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)，在實(shí)踐中需要進(jìn)一步拓展，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，不斷優(yōu)化，不斷賦能，考量成本和性價(jià)比，完善更多功能于一體的教學(xué)載體。

6 結(jié)束語(yǔ)

本著“學(xué)為所用、練為提升”的設(shè)計(jì)思想與應(yīng)用理念，進(jìn)行了產(chǎn)品自動(dòng)檢測(cè)及入庫(kù)控制裝置的研制與試驗(yàn)，過(guò)程中遇到過(guò)諸多困難，有技術(shù)性的，有安全性的，也有經(jīng)費(fèi)和管理方面的。本文從硬件到軟件，從理論到實(shí)踐，從應(yīng)用到拓展，詳細(xì)說(shuō)明了教學(xué)載體裝置的研制與試驗(yàn)全過(guò)程。注重提供方法，用一個(gè)具體的案例，提出和解決職業(yè)教育教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，比如該裝置能夠提高學(xué)生的技能操作訓(xùn)練水平，深度拆裝組合訓(xùn)練，不怕?lián)p壞設(shè)備；師生同練，大大提高了教師的課堂駕馭能力和業(yè)務(wù)水平；靈活組合，多班次共用，大大提高了設(shè)備的利用率。總之，職業(yè)教育和技能培訓(xùn)需要教學(xué)載體，需要實(shí)物裝備，越真實(shí)越貼近現(xiàn)場(chǎng)越好，創(chuàng)造條件完成知識(shí)和技術(shù)的融入，通過(guò)實(shí)操訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)技術(shù)技能型人才的綜合提升，是為終極目標(biāo)。隨著《新職業(yè)教育法》的正式實(shí)施，我國(guó)的職業(yè)教育將會(huì)更高、更強(qiáng)。