機(jī)電氣一體化自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置的研制

陳曉春 湯建飛

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

機(jī)電氣一體化自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置的研制

陳曉春 湯建飛

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

為了解決機(jī)電專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的條件，文章設(shè)計(jì)了一模擬現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置，該系統(tǒng)的供料裝置和運(yùn)輸裝置采用氣動(dòng)元件構(gòu)成，利用機(jī)械手對(duì)檢測(cè)出的不同物料進(jìn)行分揀歸類(lèi)，生產(chǎn)線的整個(gè)工作過(guò)程采用了PLC進(jìn)行控制。

機(jī)電氣一體化；自動(dòng)生產(chǎn)線；教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置

隨著機(jī)電一體化技術(shù)推廣應(yīng)用的普及，在機(jī)械加工、汽車(chē)制造、食品生產(chǎn)、藥品包裝等方面有許多工作都是由生產(chǎn)線來(lái)完成的，相關(guān)企業(yè)急需機(jī)電應(yīng)用型技能人才，要求具備對(duì)生產(chǎn)線有較熟練的安裝、調(diào)試、操作以及維護(hù)能力。而作為培養(yǎng)高技能人才的職業(yè)院校由于辦學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張，大多沒(méi)有能力購(gòu)置與企業(yè)類(lèi)同的生產(chǎn)線，學(xué)生在校期間，不能建立整套生產(chǎn)過(guò)程的概念，為此，本文研制了一套仿真的自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置，解決了學(xué)生在校實(shí)訓(xùn)過(guò)程與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況不相吻合的問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

1.實(shí)訓(xùn)裝置研制

1.1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的總體方案

根據(jù)教學(xué)需要，機(jī)電氣一體化自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置必須做到一機(jī)多能，要將機(jī)、電、氣、測(cè)、控等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，滿足多門(mén)課程的實(shí)訓(xùn)需要，要涵蓋機(jī)械傳動(dòng)、液壓與氣動(dòng)技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、電氣控制技術(shù)等課程知識(shí)。所以本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是模擬完成現(xiàn)代化生產(chǎn)裝配過(guò)程的自動(dòng)上料、傳輸、物料檢測(cè)和自動(dòng)分揀的一個(gè)小型自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)，本教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括五個(gè)模塊，即由氣動(dòng)元件控制的供料裝置和運(yùn)輸裝置；由光電傳感器、霍爾傳感器和顏色傳感器組成的檢測(cè)裝置；機(jī)械手分揀裝置；PLC電氣控制系統(tǒng)。生產(chǎn)線的工作過(guò)程是：先將物料放入料倉(cāng)→供料機(jī)構(gòu)動(dòng)作→輸送機(jī)構(gòu)動(dòng)作→分揀機(jī)械手動(dòng)作→將物料分類(lèi)分揀到相應(yīng)的料倉(cāng)。根據(jù)以上工作過(guò)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案如圖1所示：

1.2 供料裝置和運(yùn)輸裝置的設(shè)計(jì)

供料裝置和運(yùn)輸裝置均采用氣動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其氣動(dòng)回路示意圖如圖2所示，供料裝置由一個(gè)垂直儲(chǔ)料筒和一直線往復(fù)式雙動(dòng)送料氣缸6組成，送料氣缸動(dòng)作一次，就將儲(chǔ)料筒中的一個(gè)物料推到運(yùn)輸裝置的運(yùn)輸平臺(tái)7上；運(yùn)輸裝置由無(wú)桿汽缸8構(gòu)成，在活塞上安裝有一運(yùn)輸平臺(tái)7，可在無(wú)桿汽缸8的動(dòng)作下做左右方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，以運(yùn)輸工件或貨物，平臺(tái)的移動(dòng)距離有安裝在無(wú)桿汽缸兩端的霍爾傳感器控制。

圖1自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)方框圖

圖2 氣動(dòng)傳動(dòng)回路示意圖

1.3分揀裝置的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的分揀裝置采用由機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的搬運(yùn)和分揀。本裝置設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由機(jī)架底座、轉(zhuǎn)盤(pán)、電機(jī)齒輪箱、大臂和手抓等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置的功能主要是判斷物料的有無(wú)、各氣缸運(yùn)動(dòng)的行程、機(jī)械手行程的位置和物料的顏色等，以便機(jī)械手能將不同顏色的物料搬運(yùn)到不同的物料區(qū)域。所以系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置主要由光電傳感器、霍爾傳感器、電感傳感器和辨色傳感器等構(gòu)成。

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200可編程控制器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)生產(chǎn)線的控制信號(hào)和被空對(duì)象確定PLC控制系統(tǒng)的I/O地址，地址分配表如下：

表1：PLC控制的I/O地址分配表

電氣控制原理如圖4所示。

圖4 PLC控制的外部接線圖

1.5 系統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的控制程序時(shí)首先應(yīng)清楚本裝置的生產(chǎn)動(dòng)作過(guò)程，其動(dòng)作過(guò)程如下：將物料放入料倉(cāng)→供料機(jī)構(gòu)動(dòng)作→輸送機(jī)構(gòu)動(dòng)作→分揀機(jī)械手動(dòng)作→將物料分類(lèi)分揀到相應(yīng)的料倉(cāng)。根據(jù)系統(tǒng)的這個(gè)動(dòng)作流程來(lái)考慮設(shè)計(jì)PLC的控制程序，把供料機(jī)構(gòu)的控制、輸送機(jī)構(gòu)的控制和分揀機(jī)械手的控制分別作為子程序，這樣可以使程序編寫(xiě)層次分明，更有條理，也更簡(jiǎn)單。所以系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)的主程序流程圖

圖6 機(jī)械手分揀子程序的流程圖

機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程如下：機(jī)械手下降→機(jī)械手抓緊物料→機(jī)械手上升→機(jī)械手左轉(zhuǎn)（或右轉(zhuǎn)）→機(jī)械手下降→機(jī)械手松開(kāi)→機(jī)械手上升到初始位置。所以由于機(jī)械手分揀物料的動(dòng)作過(guò)程比較復(fù)雜，機(jī)械手分揀過(guò)程的控制單獨(dú)設(shè)計(jì)成一個(gè)子程序。其流程圖如圖6所示。

2.實(shí)訓(xùn)裝置研制的意義

文章所開(kāi)發(fā)的實(shí)訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單，但也是一個(gè)完整的小型仿真自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)，所涵蓋的知識(shí)內(nèi)容較多，包括機(jī)械傳動(dòng)、氣動(dòng)技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、PLC控制技術(shù)等多門(mén)課程，目前已研制完成，并且投入到教學(xué)中，取得了不錯(cuò)的效果。

通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)并讓學(xué)生動(dòng)手裝配、調(diào)試并模仿設(shè)計(jì)，學(xué)生可以在傳感器的設(shè)計(jì)選型、氣動(dòng)元件的選型、氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC編程、系統(tǒng)裝配、電氣連接、系統(tǒng)調(diào)試等多方面進(jìn)行全方位的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，達(dá)到理論教學(xué)難以達(dá)到的效果，培養(yǎng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。在全面掌握該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，學(xué)生將具有設(shè)計(jì)裝配一般實(shí)際工程系統(tǒng)的能力，達(dá)到技能教學(xué)的目的與效果。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試等教學(xué)，能充分鍛煉操作者團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、計(jì)劃組織能力、自動(dòng)線安裝與調(diào)試能力、工程實(shí)施能力、職業(yè)素養(yǎng)、交流溝通能力、效率、成本和安全意識(shí)，引導(dǎo)高職院校機(jī)電一體化類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革發(fā)展方向，促進(jìn)工學(xué)結(jié)合人才培養(yǎng)模式改革與創(chuàng)新，培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展的滿足企業(yè)需求的自動(dòng)化控制高技能人才。

[1]謝大川．高職機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)職業(yè)能力培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)[J]．廣西教育,2009,（12）：87-88。

[2]趙云霞，等．機(jī)電氣液一體化柔性制造實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研制[J]．天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,（6）：68-70.

[3]強(qiáng)小拾，羅庚合．機(jī)電一體化自動(dòng)裝配教學(xué)生產(chǎn)線的應(yīng)用[J]．西安航空技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)報(bào),2009,（5）：63-65.

[4]張偉．機(jī)電一體化組合式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,（2）：31-33.

[5]趙美寧，王佳．自動(dòng)供料機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．液壓與氣動(dòng),2007,（9）:57-59.

（責(zé)任編輯：方少卿）

TP278

A

1671-752X（2012）02-0058-03

2012-02-04

陳曉春（1969-），男，江西寧都人，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。