基于GE Fanuc的MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)設(shè)計*

陳 未，王文俊，史艷娜，邱雪娜

（寧波工程學院 電子與信息工程學院，浙江 寧波 315016）

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，合理化、自動化和柔性化成為企業(yè)在競爭中取得優(yōu)勢的決定性因素，這就要求我國的企業(yè)要以提高生產(chǎn)過程中的自動化水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的，提高生產(chǎn)效率，增強企業(yè)在國際市場上的競爭力，加快我國工業(yè)現(xiàn)代化的步伐。

現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中基于PC的自動化系統(tǒng)為生產(chǎn)加工和物流系統(tǒng)的應(yīng)用提供了廣闊的前景，基于PC與軟PLC的自動化系統(tǒng)為企業(yè)提供了一個多功能、集成化的開放式平臺，大幅度地提高了系統(tǒng)的連接性、靈活性和信息存取能力。為了緊跟這一技術(shù)，以實驗室已有的MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選取GE Fanuc控制器以及現(xiàn)場總線技術(shù)進行深入改造，開發(fā)出一個統(tǒng)一的實驗控制環(huán)境。

1 MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)由供料單元、檢測單元、機械手單元、加工單元、分揀單元等組成，該系統(tǒng)中的各單元安裝在帶有T型槽的鋁平板上，各單元連接在一起組成一條自動加工生產(chǎn)線。

MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有如下特點：采用實際的工業(yè)現(xiàn)場元器件，貼近現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，令使用者能全面認識工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的控制方式；每個單元都有獨立的控制系統(tǒng)，能獨立完成工作，也可以把相鄰的兩個單元或多個單元通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)聯(lián)動。用戶可根據(jù)需要擴展單元，控制模式分為手動控制和自動控制，系統(tǒng)滿足學生在機械設(shè)計、電氣自動化、自動控制、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等方面的學習。對電機驅(qū)動及控制技術(shù)、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用和現(xiàn)場總線技術(shù)等技能可以得到實際的訓練，并具有良好的安全性能[1]。

2 MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)由供料單元、檢測單元、機械手單元、加工單元、分揀單元等組成[2]，該系統(tǒng)綜合運用了PLC控制、氣動驅(qū)動等技術(shù)，構(gòu)成了一個典型的自動生產(chǎn)線的機械平臺。

MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)是一個十分靈活的系統(tǒng)，所構(gòu)成的各個模塊即生產(chǎn)制造系統(tǒng)中的各個工作單元，都包含有獨立的電氣或控制單元，它們之間通過現(xiàn)場總線聯(lián)系在一起構(gòu)成一個完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。

在控制方面，每個單元均可使用GE Fanuc控制器（系列90-70 PLC）進行控制，每一工作單元由一臺PLC承擔其控制任務(wù)，每臺PLC點對點硬連接聯(lián)網(wǎng)（各PLC之間可以通過PPI總線通信實現(xiàn)互連的分布式控制方式或點對點硬連接或其他）。

3 MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)的程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)程序流程圖

3.1.1 供料單元

供料單元的主要作用是為加工工程逐一提供加工工件，其流程圖如圖1所示。

圖1 供料單元流程圖

供料過程中，當下一個單元空閑時可以接受工件，并檢測到料倉中有工件毛坯時，旋轉(zhuǎn)擺臂擺出→雙作用氣缸從料倉中推出一個工件→擺臂擺回→真空吸盤將工件吸起→擺臂擺出將工件放入檢測單元的平臺上→真空吸盤放氣→擺臂擺回。當檢測單元再次空閑，并且料倉中有工件毛坯時再進行下一輪工作。

3.1.2 檢測單元

檢測單元的主要任務(wù)是檢測加工工件的特性，其流程圖如圖2所示。

圖2 檢測單元流程圖

當工件被放到檢測平臺上時，有光電傳感器、電感傳感器和電容傳感器的不同組合來分辨不同的毛坯，并記錄其信號。同時，升降缸上升，升到一定位置時，檢測缸下降，下降至一定位置，由檢測缸帶動的檢測裝置（兩個固定的光電傳感器）下降，檢測毛坯的高度，檢測完成后檢測缸上升不再與毛坯接觸。如果高度合格，上方導(dǎo)槽的傳送帶啟動，毛坯直接被推入上方導(dǎo)槽，并被傳送至加工單元（3號站）進行加工，升降缸下降，等待下一個毛坯的到來；如果高度不合格，升降缸直接下降，毛坯被推入下方導(dǎo)槽（即次品堆），然后等待下一個毛坯的到來。

3.1 .3加工單元

加工單元是一個帶有4個工位的旋轉(zhuǎn)平臺，其主要作用是對毛坯進行加工 （打孔），并檢測孔深度合格與否，其流程圖如圖3所示。

當毛坯被送至加工單元后，旋轉(zhuǎn)平臺開始旋轉(zhuǎn)，將毛坯送到加工工位進行打孔；打孔結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)平臺繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，將工件送到檢測單元檢測孔深度合格與否；檢測結(jié)束，旋轉(zhuǎn)平臺再次旋轉(zhuǎn)，將工件送至待取位，等待操作手來取走工件；當工件被取走后，旋轉(zhuǎn)平臺再次旋轉(zhuǎn)，重新接受下一個毛坯的到來。

3.1 .4機械手單元

機械手單元的主要作用是將加工好的工件取走，并分出正次品，正品傳送至分揀單元，次品放入孔深度不合格品堆中，其流程圖如圖4所示。

當加工單元的工件到達待取位時，伸縮缸伸出，升降缸下降，氣爪抓緊工件，伸縮缸縮回，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)出180°。當工件為正品時，伸縮缸伸出，氣爪松開，將工件放入分揀單元進行顏色與材質(zhì)的分揀，伸縮缸縮回；當工件為次品時，升降缸下降，氣爪松開，將工件放入次品堆，升降缸上升，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)回180°。

圖3 加工單元流程圖

圖4 機械手單元流程圖

圖5 分揀單元流程圖

3.1.5 分揀單元

分揀單元的主要作用是將機械手單元傳送來的已加工好的合格品按其不同的材質(zhì)顏色分別送至3個不同的槽位，其流程圖如圖5所示。

當機械手單元準備將成品工件放入分揀單元時，首先啟動傳送帶，同時擋料缸伸出，2 s后才放下工件，當工件隨傳送帶到達擋料缸時，由傳感器感應(yīng)工件到來，接受前方加工單元傳來的工件的材質(zhì)、顏色等信息。根據(jù)工件的信息，相應(yīng)地導(dǎo)向缸動作，擋料缸縮回，將工件導(dǎo)向其對應(yīng)的槽位中，要求綠色塑料工件進入1號槽位，銀白色金屬工件進入2號槽位，黑色塑料工件進入3號槽位。當工件被成功分揀到對應(yīng)槽位的同時，發(fā)送信號給加工單元，表示工件已被成功分揀，分揀單元已空，可接受下一個工件，2 s后傳送帶停止，直到下一個工件準備被放入時再次啟動。

3.2 梯形圖程序的設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)程序流程圖及I/O分配表，進行梯形圖的設(shè)計。下面以加工單元為例介紹梯形圖程序的設(shè)計[3-4]。

3.2.1 I/O分配表

根據(jù)硬件設(shè)計的輸入、輸出分配量，以及輸入模塊、輸出模塊的起始地址，列出I/O分配表，如表1所示。

表1 I/O分配表

3.2.2 梯形圖的設(shè)計

（1）鉆孔工序：當加工單元4工位轉(zhuǎn)臺的傳感器檢測到有毛坯零件時，4工位轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動槽輪機構(gòu)工作，順時針旋轉(zhuǎn)90°，將毛坯零件送到鉆孔加工工位，夾緊氣缸動作，活塞桿伸出將毛坯零件夾緊，升降氣缸動作，活塞桿伸出鉆臺下降，鉆頭轉(zhuǎn)動做模擬鉆孔加工，加工結(jié)束后，升降氣缸活塞桿收回，鉆臺上升到原位，準備對下個毛坯零件進行鉆孔加工。加工單元鉆孔工序梯形圖如圖6所示。

圖6 加工單元鉆孔工序梯形圖

（2）孔深度檢測：夾緊氣缸活塞桿收回松開已加工好的工件，接著4工位轉(zhuǎn)臺再順時針旋轉(zhuǎn)90°，將已加工好的工件送到孔深度檢測工位，孔深度檢測機構(gòu)檢測氣缸動作，活塞桿伸出 （下降），對工件的孔深度進行測量，并將檢測結(jié)果發(fā)送至機械手單元。檢測結(jié)束后，檢測氣缸活塞桿收回（上升）到原位，準備對下個已加工好的工件進行孔深度檢測量。接著4工位轉(zhuǎn)臺再順時針旋轉(zhuǎn)90°，將已測過孔深度的工件送到出料工位。加工單元孔深度檢測梯形圖如圖7所示。

圖7 加工單元孔深度檢測梯形圖

4 結(jié)論

本文利用GE Fanuc控制器以及現(xiàn)場總線技術(shù)，完成了對MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)的進一步改造，同時搭建了一個仿真工業(yè)自動化生產(chǎn)線控制平臺，為學生提供了綜合訓練的實驗環(huán)境。該生產(chǎn)控制系統(tǒng)將理論和實際相結(jié)合，且具有較好的創(chuàng)新性，能較好地鍛煉學生，具有較好的學術(shù)價值和應(yīng)用前景。

[1]郁漢琪，王華.可編程自動化控制器技術(shù)及應(yīng)用——基礎(chǔ)篇[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]郁漢琪，王華.可編程自動化控制器技術(shù)及應(yīng)用——提高篇[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3]郁漢琪.電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù) （第2版）[M].南京：東南大學出版社，2010.

[4]姚文隆，馮榮豐，周志宏.順序控制-可程式控制器與機構(gòu)控制機電整合應(yīng)用[M].臺北：高立圖書有限公司，2001.