自動(dòng)生產(chǎn)線工作站站內(nèi)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 鋼

（麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院，麗水 323000）

0 引言

此自動(dòng)化模擬生產(chǎn)線，共有6個(gè)由PLC控制的站點(diǎn)構(gòu)成。對于此自動(dòng)化模擬生產(chǎn)線來說，其中包括傳感技術(shù)、PLC控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等等方面，綜合了機(jī)、電、控制于一體的綜合性控制，是種較為先進(jìn)的加工生產(chǎn)制造系統(tǒng)[1,2]。對于工件類別的檢測、加工、搬運(yùn)、安裝和分類來說，主要通過系統(tǒng)的六個(gè)模塊進(jìn)行完成，包括上料檢測站、搬運(yùn)站、加工檢測站、安裝站、安裝搬運(yùn)站和分類站等等。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)還完成各個(gè)單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另外，還可以通過安裝在上面的傳感器的信號(hào)來判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置。隨著CAN總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，CAN總線與單片機(jī)結(jié)合應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中的又一個(gè)熱點(diǎn)[3]，本人采用了MCS-51單片機(jī)代替PLC來進(jìn)行現(xiàn)場控制，自動(dòng)線各模塊之間的信號(hào)傳遞通過CAN總線進(jìn)行，建立起了以工業(yè)現(xiàn)場控制為對象的單片機(jī)生產(chǎn)線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線測控。

1 自動(dòng)生產(chǎn)線的組成

對于這個(gè)基于機(jī)、電、氣一體化的自動(dòng)化生產(chǎn)加工系統(tǒng)來說，六個(gè)生產(chǎn)加工單元模塊組成這個(gè)生產(chǎn)加工系統(tǒng)。主要有安裝模塊、安裝搬運(yùn)模塊、分類模塊、上料檢測模塊、搬運(yùn)模塊、加工模塊、等六個(gè)工作模塊單元。對于每一個(gè)工作單元模塊來說，都可以視為一個(gè)單獨(dú)的工作站，并且由單獨(dú)單片機(jī)控制，而CAN總線連接方式則是各個(gè)工作站點(diǎn)之間的連接方式。

對于在生產(chǎn)線上的工件來說，一站到另一站的物流加工方式分析如下。大工件按順序排好在上料檢測站進(jìn)行提升傳遞，然后工件從料檢測站搬至加工站則是搬運(yùn)站的功能，大工件加工并檢測被加工的工件則是加工站的功能，同時(shí)通知下一站相關(guān)的生成的成品或廢品信息，成品送至安裝工位則是安裝搬運(yùn)站功能，然后，小工件在安裝站裝入大工件中。最后，安裝好的工件通過安裝搬運(yùn)站送至分類站，工件按類型在分類站的作用下送入相應(yīng)的料倉，同時(shí)并對于工件數(shù)量和總量進(jìn)行記錄。當(dāng)加工站有廢品產(chǎn)生時(shí)，廢品通過安裝搬運(yùn)站直接送入廢品收料站。

2 站內(nèi)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 模塊一(上料檢測站)

1）上料檢測站的動(dòng)作過程

上料檢測站是自動(dòng)生產(chǎn)線的起始工作站，向系統(tǒng)中的其他工作站提供原料和工件顏色的信息?；剞D(zhuǎn)上料臺(tái)將工件依次送到檢測工位，提升裝置將工件提升并檢測工件顏色是白色還是黑色，并向后站發(fā)出“顏色"的信息。之后，提升裝置下降到位停止。

2）控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

控制器：單片機(jī)At89c51

輸入元件：手動(dòng)／自動(dòng)切換開關(guān)、上電按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、單站／聯(lián)網(wǎng)切換、光電開關(guān)(顏色檢測)、電感式接近開關(guān)(測回轉(zhuǎn)工作臺(tái)位置檢測)、磁性開關(guān)(提升到位檢測)

輸出元件：回轉(zhuǎn)工作臺(tái)電機(jī)、提升電磁閥輸入／輸出接口模塊均設(shè)計(jì)光耦隔離電路，以提高抗干擾能力。

漫射式光電接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)本站檢測工件顏色。主要原理就是利用光照射到被測物體上后反射回來的光線，通過同一側(cè)位置的光發(fā)射器與光接收器布置，使之成為一體化結(jié)構(gòu)。檢測光在工作的時(shí)候始終通過光發(fā)射器，而當(dāng)沒有物體在開關(guān)的前方一定距離內(nèi)的情況下，接收器不會(huì)收到反射光，這樣接近開關(guān)就不會(huì)動(dòng)作而處于常態(tài)。當(dāng)物體出現(xiàn)在在接近開關(guān)的前方一定距離情況下，有足夠強(qiáng)度的光反射回來，這樣就能夠使接近開關(guān)動(dòng)作而改變輸出的狀態(tài)，這當(dāng)然是在接收器接收到足夠的漫射光情況下。所有頻率的光可以通過白色物體全部反射回來，這樣就能夠使得接近開關(guān)動(dòng)作；而所有頻率的光都被黑色物質(zhì)所吸收，這樣就使得漫射式光電接近開關(guān)檢測到，致使接近開關(guān)不動(dòng)作。

電感式接近開關(guān)傳感器用于判斷工作臺(tái)位置，是否回轉(zhuǎn)到位。工作臺(tái)下面安裝有一定位凸塊，開關(guān)會(huì)在凸塊接近電感式接近開關(guān)的情況下進(jìn)行動(dòng)作，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)“1”輸出，這樣工作臺(tái)是否到位就可以通過信號(hào)來判斷。

磁性開關(guān)用于判斷提升裝置是否提升到位。在氣缸的活塞上安裝上磁性物質(zhì)，一個(gè)磁感應(yīng)式接近開關(guān)則安裝在氣缸缸筒外面的兩端位置，這樣氣缸運(yùn)動(dòng)的極限位置就可以通過該信號(hào)而進(jìn)行判斷。

2.2 模塊二(搬運(yùn)站)

1）搬運(yùn)站的動(dòng)作過程

機(jī)械手將工件從前一站搬走，搬運(yùn)到下一站。2）控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

（1）基于AT89C52的微處理器模塊的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)中各站均采用美國Atmel公司的AT89C52單片機(jī)作為微處理器芯片，由于各站通信電路單片機(jī)與CAN控制器的連接需通過總線方式，因此應(yīng)采用外部總線擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方法。而由總線擴(kuò)展引起的并行口不夠用的問題，則通過擴(kuò)展8255芯片解決。

（2）輸入／輸出模塊的設(shè)計(jì)

搬運(yùn)站共有7路輸出，13路輸入。輸入輸出模塊均設(shè)計(jì)光耦隔離電路，以提高抗干擾能力。

（3）按鈕及檢測傳感器的輸入信號(hào)經(jīng)光耦隔離電路送入單片機(jī)，單片機(jī)的輸出信號(hào)由光耦驅(qū)動(dòng)繼電器，經(jīng)繼電器觸點(diǎn)接通或斷開各個(gè)氣動(dòng)電磁閥。

2.3 模塊三(加工站)

1）加工站的動(dòng)作過程

產(chǎn)品在工件加工臺(tái)上進(jìn)行鉆孔工序。在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上有4個(gè)工位，用于存放工件，在每個(gè)工位的下面都有一個(gè)圓孔，用于光電傳感器對工件的識(shí)別。加工過程一開始，．在第一工位上檢測到有工件，則工作臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)，到達(dá)加工工位(第二工位)時(shí)，對工件進(jìn)行鉆孔加工。加工完畢，工作臺(tái)重新旋轉(zhuǎn)到達(dá)第三工位時(shí)，對鉆孔的深度進(jìn)行檢測，判斷是正品還是次品；檢測完畢，工作臺(tái)又重新旋轉(zhuǎn)到達(dá)第四工位時(shí)停止。

2）控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

輸入元件(14路)：手動(dòng)／自動(dòng)切換開關(guān)、上電按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、單站／聯(lián)網(wǎng)切換、電感式接近開關(guān)(1)、光電開關(guān)(1)、磁性開關(guān)(6)、電容傳感器(1)。

輸出元件(5路)：伸縮電磁閥、傳感器升降電磁閥、電機(jī)升降電磁閥、鉆孔電機(jī)、工作臺(tái)電機(jī)。

由于總線擴(kuò)展引起并行口不夠用，需擴(kuò)展8255一片。

對于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)來說，工作臺(tái)動(dòng)力傳遞是通過一對齒輪減速，檢測工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置則是利用電感式傳感器，這樣比較便于定位控制。4個(gè)金屬的定位凸塊與工作臺(tái)的4個(gè)工位相互對應(yīng)，同時(shí)相對固定各凸塊與工作臺(tái)。在這樣情況下，感式接近開關(guān)動(dòng)作。會(huì)在凸塊接近電感式接近開關(guān)情況下，同時(shí)信號(hào)“1”進(jìn)行輸出，工作臺(tái)是否轉(zhuǎn)到了工位也可以用該信號(hào)判斷。

在加工單元的底板上固定光電傳感器，當(dāng)工作臺(tái)在第一個(gè)工位的下方情況下，并且轉(zhuǎn)到第一個(gè)工位，光電傳感器發(fā)出的光線將直接穿過工作臺(tái)在各個(gè)工位處的圓孔，不會(huì)被遮擋，這樣光電傳感器就沒有反射光線，對于光電傳感器的輸出信號(hào)為“O”。但是當(dāng)孔被工位上放上工件擋住，此時(shí)反射給光電傳感器后，就會(huì)輸出信號(hào)“1”。是否有工件放到了第一個(gè)工位上就可以通過光電傳感器信號(hào)的變化來進(jìn)行判斷。

鉆孔加工模塊完成對工件鉆孔操作，加工工件時(shí)，工件由夾緊缸夾緊，鉆頭由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鉆頭進(jìn)給由鉆孔氣缸完成，其兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極限位置通過兩端的磁感應(yīng)式接近開關(guān)檢測。

鉆孔加工結(jié)果的模擬檢測過程是通過檢測子模塊實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)，檢測氣缸、固定架、支架、磁感應(yīng)式接近開關(guān)等組成該系統(tǒng)。當(dāng)氣缸桿在檢測工件的時(shí)候能夠下降到位，這樣就說明了孔深度加工合格，反之則認(rèn)為不合格。氣缸的位置是通過安裝在氣缸兩端的磁感應(yīng)式接近開關(guān)來判斷的。

2.4 模塊四(安裝站)

1）安裝站動(dòng)作過程

模塊開始工作，選擇要安裝工件的料倉，將工件從料倉中推出，被加工工件通過真空吸盤吸住，再加之?dāng)[動(dòng)氣缸動(dòng)作，將工件配件黑白子傳送到下一站(安裝搬運(yùn)站)，擺動(dòng)氣缸返回。

2）控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

輸入元件：手動(dòng)／自動(dòng)切換開關(guān)、上電按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、單站／聯(lián)網(wǎng)切換、磁性開關(guān)(上下、左右、前后限位)。

輸出元件：推料電磁閥、抽真空電磁閥、真空吸盤釋放電磁閥、上升電磁閥、下降電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥。

2.5 模塊五(安裝搬運(yùn)站)

1)安裝搬運(yùn)站動(dòng)作過程

當(dāng)?shù)谒恼就瓿蓜?dòng)作，安裝搬運(yùn)站開始工作，先根據(jù)第三站的信號(hào)來辨別工件是否合格，利用擺臂機(jī)械手，將合格的產(chǎn)品送入安裝工位進(jìn)行安裝加工，不合格的產(chǎn)品放到廢品箱里。

2）控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

輸入元件：手動(dòng)／自動(dòng)切換開關(guān)、上電按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、單站／聯(lián)網(wǎng)切換、磁性開關(guān)(上下、左右、前后限位)。

輸出元件：上升下降電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥、機(jī)械手左移電磁閥、機(jī)械手右移電磁閥。

2.6 模塊六(分類站)

1）分類站動(dòng)作過程

安裝好的工件由運(yùn)轉(zhuǎn)的皮帶上按顏色不同送到各個(gè)不同的倉庫按工件類型分類，將工件推入庫房，并統(tǒng)計(jì)不同類型工件的數(shù)量。

2）控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

分類站控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成見圖3.12。

輸入元件：手動(dòng)／自動(dòng)切換開關(guān)、上電按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、單站／聯(lián)網(wǎng)切換、磁性開關(guān)(上下、左右、前后限位)。

輸出元件：上升下降電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥、機(jī)械手左移電磁閥、機(jī)械手右移電磁閥。

2.7 站間通信

通訊肯定要在各站連成一模擬生產(chǎn)線后實(shí)施，比如加工產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括工件顏色、裝配信息、廢品信息等進(jìn)行傳輸，同時(shí)保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。前站給出系統(tǒng)中各站開始工作的運(yùn)行信號(hào)。所以說，通過啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)工作的往往只有第一站(上料檢測站)。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代控制技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向就是相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，國家工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展水平有時(shí)候是通過現(xiàn)場總線的主流標(biāo)準(zhǔn)CAN總線技術(shù)在現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用來說明的，本文主要針對CAN總線技術(shù)特點(diǎn)、組網(wǎng)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及其在測控技術(shù)方面的應(yīng)用展開研究。根據(jù)預(yù)期的目標(biāo)和實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了一套測控系統(tǒng)，論述了構(gòu)成自動(dòng)線測控系統(tǒng)的具體硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法,對于今后相關(guān)自動(dòng)控制領(lǐng)域中發(fā)展具有具一定幫助。

[1] 李濤, 李輝, 宋慶豐. 基于CAN總線技術(shù)的工業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2009, 32(12).

[2] 劉素華, 沈三民, 黃仁杰. 基于CAN總線的數(shù)據(jù)接收控制方式的設(shè)計(jì)[J]. 電視技術(shù), 2012, 36(1).

[3] 潘亮亮. 基于CAN總線的750kV避雷器阻性電流在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2010, 30(12).