可視化三菱e-f@ctory 自動生產(chǎn)線在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉桂芝，李小笠，馮虎，楊文亮

(南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)電一體化集成技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，正起著越來越重要的作用。特別是融機(jī)器人技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、PLC 控制、物流管理、伺服驅(qū)動、氣動驅(qū)動技術(shù)、液壓控制技術(shù)、多種傳感器以及CC-LINK 總線通訊、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通訊等眾多學(xué)科的應(yīng)用于一體自動化生產(chǎn)線，已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，并成為當(dāng)今工業(yè)自動化發(fā)展的重要組成部分。

新形勢下的產(chǎn)業(yè)界對工程人才的培養(yǎng)提出了新的要求。為了培養(yǎng)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)急需的自動化系統(tǒng)集成專門人才，創(chuàng)新工程教育的新模式，工程學(xué)院與三菱電機(jī)自動化(上海)有限公司合作，共同研發(fā)可視化三菱e-f@ ctory 自動生產(chǎn)線。生產(chǎn)線以地鐵門禁系統(tǒng)連接器上典型零件的加工為基礎(chǔ)，以三菱電機(jī)自動化公司的控制器為核心，以南京工程學(xué)院的校企共建實(shí)驗室為平臺，通過產(chǎn)學(xué)研合作，進(jìn)一步開拓具有本校特色的工程實(shí)踐育人環(huán)境和資源，探索以項目教學(xué)法為目的CDIO 工程教育改革模式，改過去學(xué)生的“聽中學(xué)”為“做中學(xué)”，全面提高學(xué)生機(jī)電技術(shù)各方面的綜合能力。本文詳細(xì)介紹可視化三菱e-f@ctory 自動生產(chǎn)線的組成、特點(diǎn)及所進(jìn)行的機(jī)電實(shí)驗教學(xué)改革［1］。

1 可視化三菱e-f@ctory 自動生產(chǎn)線的組成

可視化三菱ef@ ctory 自動生產(chǎn)線是一種模塊化、單元化的實(shí)驗系統(tǒng)，它以典型零件的加工裝配作為整個生產(chǎn)流程，實(shí)訓(xùn)者可以根據(jù)自己設(shè)計零件的加工工藝確定生產(chǎn)流程，由此可逐步培養(yǎng)學(xué)生的生產(chǎn)流程規(guī)劃能力［2］。實(shí)訓(xùn)可分為不同的階段，以單個獨(dú)立單元訓(xùn)練為基礎(chǔ)，再進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展練習(xí)，將多個單元連接成一條完整的自動化生產(chǎn)線。該實(shí)驗增強(qiáng)了學(xué)生對系統(tǒng)集成及物流概念的理解，比以前教學(xué)中只進(jìn)行枯燥的理論講解具有更好的教學(xué)效果。可視化三菱ef@ctory 自動生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程如圖1 所示。

可視化三菱ef@ ctory 自動生產(chǎn)線包含如下單元:總控制臺、立體倉儲單元、傳送單元、數(shù)控車床機(jī)械人行走機(jī)構(gòu)、加工中心機(jī)械人行走機(jī)構(gòu)、清洗單元、檢測單元、裝配單元、合格品中轉(zhuǎn)庫、能量監(jiān)控單元、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)、展示板單元等。組成如圖2 所示。

根據(jù)可視化三菱ef@ ctory 自動生產(chǎn)線的具體組成，系統(tǒng)涵括了機(jī)電一體化專業(yè)學(xué)習(xí)中所涉及的諸如電動機(jī)驅(qū)動、氣動、可編程控制器、傳感器等多種控制技術(shù)，給學(xué)生提供了一個典型的綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)境，使學(xué)生學(xué)過的諸多單科專業(yè)知識在這里得到全面認(rèn)識、綜合訓(xùn)練和相互提升。

該典型自動生產(chǎn)線包含了全部6 個制造單元和6 條傳送帶。生產(chǎn)流程涵蓋了2 個零件從毛坯出庫到加工完成并進(jìn)行裝配的合格的全部過程，體現(xiàn)了自動化生產(chǎn)線上物流的概念。其過程為:

1)接到生產(chǎn)指令，原材料庫上料機(jī)械手根據(jù)庫位管理判斷料位并取出原料托盤，放入托盤換位工作站1 上的移動托盤上后→回到生產(chǎn)線上。

2)從生產(chǎn)線→運(yùn)輸線中轉(zhuǎn)臺站1→數(shù)控車床工作位監(jiān)測點(diǎn)→行走機(jī)器人1 接信號抓原材料→進(jìn)入數(shù)控車床的加工區(qū)。經(jīng)數(shù)控車床的加工循環(huán)后，加工完畢→零件清理單元清理。

3)半成品零件清理后，回到生產(chǎn)線上→加工中心工作位監(jiān)測點(diǎn)→行走機(jī)器人2 接信號抓車加工半成品料→進(jìn)入加工中心的加工區(qū)。經(jīng)加工中心加工循環(huán)后，加工完畢→零件清理單元清理。

4)成品零件清理后，回到生產(chǎn)線上→運(yùn)輸線中轉(zhuǎn)臺站2→裝配區(qū)工作位監(jiān)測點(diǎn)→行走機(jī)器人3 接信號抓取加工好的成品零件→進(jìn)入零件檢測臺站進(jìn)行檢測。

5)零件檢測完畢后，此時PLC 要進(jìn)行判別:合格→零件放入托盤、進(jìn)入機(jī)器人3→進(jìn)入裝配臺站進(jìn)行零件裝配;不合格→進(jìn)入托盤換位工作站2 上通知人工下料。

6)零件裝配完畢→進(jìn)入生產(chǎn)線上，經(jīng)運(yùn)輸線中轉(zhuǎn)臺站3→裝配成品件下料位檢測點(diǎn)→進(jìn)入托盤換位工作站3→裝配件托盤下料入庫，完成整個零件加工、裝配循環(huán)。移動托盤回到生產(chǎn)線上經(jīng)運(yùn)輸線中轉(zhuǎn)臺站4→進(jìn)入原材料上料區(qū)，開始新的加工循環(huán)。

2 生產(chǎn)線可完成的實(shí)驗實(shí)訓(xùn)項目［3-4］

設(shè)計好自動生產(chǎn)線的流程后，學(xué)生需要進(jìn)行生產(chǎn)線的安裝，實(shí)際確定各制造單元的安裝位置，再調(diào)整每個單元中各零部件在單元工作臺面上的位置，使其與前面單元和后面單元精確配合，保證工件順利進(jìn)出。生產(chǎn)線安裝能提高學(xué)生的機(jī)械裝配技能，并增加對各系統(tǒng)組成部分的認(rèn)識。

a)傳感器的使用

在模塊化自動生產(chǎn)線中，傳感器起著重要的作用。該系統(tǒng)所使用的傳感器數(shù)量達(dá)40 多個，有光纖式、電感式、光電的以及磁性傳感器，每種傳感器都有各自作用，根據(jù)被檢測物的性質(zhì)不同發(fā)揮作用使系統(tǒng)得以可靠工作。學(xué)員可通過了解系統(tǒng)中各類傳感器的工作特性來加強(qiáng)對這些傳感器的感性認(rèn)識，再結(jié)合老師對傳感器的工作原理分析和特性演示，可使學(xué)員快速掌握所學(xué)知識。

b)氣動技術(shù)的應(yīng)用

該裝置上使用了大量的氣動元件，包括多種電控氣動閥、多種氣缸、氣動手爪、真空吸盤、真空發(fā)生器、過濾減壓閥等。實(shí)驗中要求學(xué)生了解各種氣動元件的工作原理和控制方法，并進(jìn)行氣路仿真，然后在系統(tǒng)的各工作單元上安裝調(diào)試氣動元件和設(shè)計好的氣路。通過模塊化自動生產(chǎn)線上的氣動技術(shù)實(shí)驗，學(xué)生能基本掌握當(dāng)今工業(yè)實(shí)際中常用的氣動元件使用方法，并能設(shè)計完整的氣路系統(tǒng)，同時掌握對氣路系統(tǒng)的調(diào)試、維修技能。

c)可編程控制器實(shí)驗

目前，隨著工業(yè)控制技術(shù)的進(jìn)步，可編程控制器已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制領(lǐng)域，使工業(yè)自動化程度和生產(chǎn)效率得到極大的提高?？梢暬鈋-f@ctory 自動生產(chǎn)線劃分的六個工作站中，每個工作站都有一套三菱QPLC 可編程控制器，這使得本設(shè)備可以分成六個完全獨(dú)立的工作單元，20 幾個學(xué)生可以同時進(jìn)行學(xué)習(xí)而且每個學(xué)員都有動手的機(jī)會。在該設(shè)備上學(xué)員不但可以學(xué)習(xí)PLC 的硬件和軟件技術(shù)，而且可以學(xué)習(xí)PLC 之間的通信技術(shù)。為掌握學(xué)習(xí)PLC 的各方面知識提供了條件。使用PLC 控制和調(diào)試自動化生產(chǎn)線實(shí)驗是一項綜合性強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)驗，不但需要學(xué)生具有扎實(shí)的機(jī)械調(diào)試、氣動技術(shù)、傳感器等多項基礎(chǔ)知識，還要求學(xué)生具有較強(qiáng)的邏輯思維能力和梯形圖編程技能，同時也在PLC 實(shí)驗中得到鞏固和強(qiáng)化。

d)電氣控制電路實(shí)訓(xùn)

六個工作站的電控部分全部按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計，并且以附件方式提供全部設(shè)計圖紙和說明書。學(xué)員在該設(shè)備上可學(xué)習(xí)電路原理圖分析、PLC 各I/O 地址查對和新設(shè)備電路連線分析方法。

e)機(jī)械系統(tǒng)安裝和調(diào)試

六個工作站包括各種各樣的機(jī)械工作系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)角工作臺、倍速鏈機(jī)構(gòu)、滾子鏈，帶傳動、清洗機(jī)構(gòu)、CNC 加工設(shè)備、物料儲存機(jī)構(gòu)等，學(xué)員可對各個控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行單站實(shí)訓(xùn)，也可將各個站進(jìn)行重新組裝，然后調(diào)試至正常工作狀態(tài)，對整個系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)實(shí)訓(xùn)。

f)現(xiàn)場總線實(shí)驗

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control sys tem;FCS)是20 世紀(jì)80 年代中期在國際上發(fā)展起來的新一代控制系統(tǒng)。它是信息數(shù)字化、控制功能分散化、開放式可操作的新一代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，同時也是信息技術(shù)、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向生產(chǎn)過程現(xiàn)場的發(fā)展。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)自動化領(lǐng)域的不斷深入，現(xiàn)在眾多大型的工業(yè)企業(yè)，如汽車、空調(diào)等企業(yè)都將其生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)組成現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡(luò)化控制。在可視化三菱e-f@ctory 自動生產(chǎn)線中每個單元配置的QPLC 可編程控制器都帶有CC-LINK 總線功能，CCLINK 總線協(xié)議是一種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，提供了一個從現(xiàn)場傳感器直至生產(chǎn)管理層的全方位透明的網(wǎng)絡(luò)，是開放式系統(tǒng)的典范。因此，對學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場總線技術(shù)的實(shí)驗，可以使其認(rèn)識掌握先進(jìn)控制方式和工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展方向。

g)生產(chǎn)線能量控制

通過對設(shè)備運(yùn)行能源的可視化管理(manufacturing execution system，MES)能通過信息傳遞對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠發(fā)生實(shí)時事件時，MES 能對此及時做出反應(yīng)、報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。這種對狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使MES 能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運(yùn)作過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報率。在可視化三菱e-f@ctory 自動生產(chǎn)線中，MES 還通過雙向的直接通訊在生產(chǎn)管理內(nèi)部和整個產(chǎn)品供應(yīng)鏈中提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務(wù)信息。并具體把握設(shè)備運(yùn)行中能量消耗的動向，做到設(shè)備能量消耗最合適化。

3 結(jié)語

可視化三菱e-f@ctory 自動生產(chǎn)線是我校為開拓具有本校特色的工程實(shí)踐育人環(huán)境和資源，探索以項目教學(xué)法為目的CDIO 工程教育改革模式，堅持“學(xué)以致用”的辦學(xué)理念，專門設(shè)計研制的一種典型的結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品加工生產(chǎn)的機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備。本生產(chǎn)線既適合現(xiàn)代工業(yè)零件的自動化生產(chǎn)，又適合工程類高等院校的機(jī)械、機(jī)電一體化、自動化等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)。通過項目的實(shí)際運(yùn)行、教學(xué)實(shí)訓(xùn)、關(guān)鍵技術(shù)研究，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科技成果，從而促進(jìn)科技向生產(chǎn)力的快速轉(zhuǎn)化。

［1］王曉蘭 淺析大學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)中實(shí)驗室的重要作用［J］.實(shí)驗室研究與探索，2008(5):35-39.

［2］陳宏鉤 機(jī)械加工工藝裝備設(shè)計手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］徐東明，周嶸 模塊化自動生產(chǎn)線在機(jī)電實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗科學(xué)與技術(shù)，2009(2):41-43.

［4］郁漢琪 電氣控制與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.2 版.南京:東南大學(xué)出版社，2009.