汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多模式自動(dòng)生產(chǎn)輸送線控制系統(tǒng)的研發(fā)①

王淼　劉治滿　王凱

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)對(duì)汽車的質(zhì)量至關(guān)重要。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)輸送線采用順序作業(yè)的流水線工藝過(guò)程。其自動(dòng)控制系統(tǒng)采用德國(guó)Siemens公司的PLC-300系列控制器作為整個(gè)輸送線的主體控制器，I/O系統(tǒng)作為控制信號(hào)的采集系統(tǒng)，采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行通訊，自動(dòng)完成將發(fā)動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行直線移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、舉升，翻轉(zhuǎn)等操作。采用WinCC人機(jī)界面軟件組建成系統(tǒng)的操作監(jiān)控站進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)量、生產(chǎn)節(jié)拍的監(jiān)視。本項(xiàng)目組成員在此基礎(chǔ)之上又根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際制作了相應(yīng)的適合學(xué)校教學(xué)自動(dòng)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，進(jìn)行教學(xué)設(shè)備的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線 流水線工藝 PLC控制器 現(xiàn)場(chǎng)總線 自動(dòng)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（a）-0001-03

Abstract：The engine manufacturing technology is very important to the quality of the car. The car engine production conveyor line in a sequential operation of the assembly line process. The automatic control system using PLC of the Germany Siemens company - 300 series controller as the main body of the whole conveyor line controller， I/O system as a control signal acquisition system， the Profibus field bus technology to communicate， automatically moving engine parts for linear， rotating， lifting， flip， and so on.Using WinCC software interface to form into a system operating monitor product quantity， production rhythm of monitoring. The team members on this basis， according to the actual production to make the corresponding transfer machine is suitable for school teaching practice system， the development of teaching equipment.

Key Words：Engine Production Line；Assembly Line Process；PLC Controller；Fieldbus；Automatic Line Training System

汽車的動(dòng)力來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)。為了提高了工作的效率和優(yōu)化了工作流程我們將發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線分為5個(gè)子系統(tǒng)，包括缸體生產(chǎn)線、缸蓋生產(chǎn)線、曲軸生產(chǎn)線、凸輪軸生產(chǎn)線及發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，以便對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件進(jìn)行機(jī)加工和裝配。在每一條生產(chǎn)線上有多個(gè)完成不同作業(yè)的工位，在一定工位上安裝的轉(zhuǎn)臺(tái)，舉升臺(tái)，翻轉(zhuǎn)機(jī)等設(shè)備。如發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工藝流程就包括：機(jī)體上線→翻轉(zhuǎn)→涂膠、裝后端蓋→裝活塞連桿→翻轉(zhuǎn)→擰緊連桿螺栓→裝機(jī)油泵、水泵→裝飛輪→裝離合器總成→測(cè)定曲軸驅(qū)動(dòng)力矩→裝油底殼→裝汽缸蓋→裝機(jī)油濾清器、發(fā)電機(jī)→裝凸輪軸→裝變速箱→裝啟動(dòng)電機(jī)→總成泄露試驗(yàn)→送試驗(yàn)。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線是一個(gè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)順序裝配的流水線工藝過(guò)程，每個(gè)工位之間是流水線生產(chǎn)。本文研究的任務(wù)就是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)輸送線進(jìn)行規(guī)范化，模塊化設(shè)計(jì)。這樣對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，既簡(jiǎn)潔又節(jié)省時(shí)間。每個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)最優(yōu)的自動(dòng)控制系統(tǒng)才能保證生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1 輸送線設(shè)計(jì)方案

我們?cè)O(shè)計(jì)生產(chǎn)輸送線主要采用摩擦輥道和啟停式動(dòng)力輥道、自動(dòng)升降機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械手。在線上為了方便在不同的工作面上裝配，配備自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)以提高效率。一條發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線要保證發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配技術(shù)條件，要保證裝配節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)高效率；要多機(jī)型同時(shí)裝配，實(shí)現(xiàn)高柔性；要有效地控制裝配精度，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量。要實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)方面必須從生產(chǎn)線的規(guī)劃開始著手。要在總裝線和分裝線上設(shè)計(jì)柔性輸送線。

1.1 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)輸送線應(yīng)該具有如下功能

該輸送線方案如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)輸送器件

（1）軌道：軌道是整個(gè)摩擦輸送系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)，平滑、順暢的輸送軌道是系統(tǒng)平衡可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

（2）道岔：道岔是改變載貨小車的行走路線的裝置，按走向又分為分流、合流道岔兩大類。

（3）停止器：停止器是用來(lái)控制工件在輸送線路中的安全準(zhǔn)確停放位置，通常布置在工件轉(zhuǎn)掛處及輸送線路發(fā)生變化的道岔處，主要是安全阻車的作用，防止臺(tái)車因慣性或其它原因發(fā)生時(shí)，造成系統(tǒng)的損壞。

（4）止退器：通常和停止器配合使用，布置在停止器后邊，用于防止小車運(yùn)動(dòng)慣性后退。止退板以本身的自重復(fù)位。

（5）移載軌道/升降軌道：因摩擦輸送機(jī)有工位節(jié)距上的單元驅(qū)動(dòng)，所以很容易實(shí)現(xiàn)物品（軌道）的平移、旋轉(zhuǎn)和升降功能。

（6）升降機(jī)：升降機(jī)在輸送系統(tǒng)中起著關(guān)。

1.3 輸送線工位設(shè)計(jì)

（1）具體設(shè)計(jì)正常加工過(guò)程（各工位沒(méi)有不合格）：走主干線，如下：

ap10→ap…→ap45..→ap60→D02→D06→D07→ap80→ap90→D10→AP80→AP90→ap95..→ap900endprint

（2）自動(dòng)工位加工不合格時(shí)（以Ap80工位為例）走返修路線如下：

不合格時(shí)走：→D10→D9→M80，M90（ap80，ap90返修工位）。如返修合格時(shí)→D8→D7→D10→ap95；如返修不合格時(shí)從轉(zhuǎn)臺(tái)D8→下線維修→下線維修后→D8→D7→AP80→AP90→D10→AP95→AP900。為了提高效率，節(jié)省空間和資源我們將兩個(gè)自動(dòng)工位Ap80，ap90設(shè)計(jì)成共用一個(gè)返修工位m80，m90。

2 汽車自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線工作原理和工藝，項(xiàng)目組成員開發(fā)了適合學(xué)校教學(xué)的汽車自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置本實(shí)訓(xùn)裝置貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，是典型的汽車自動(dòng)生產(chǎn)線，設(shè)備從選材、工藝、流程、結(jié)構(gòu)、控制等各方面都從實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，考慮工學(xué)結(jié)合要求，有機(jī)融合了機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、傳感器、交流電機(jī)變頻調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、直流電機(jī)控制、PLC控制及工業(yè)通信等多種技術(shù)。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的工作任務(wù)訓(xùn)練，能較好地鍛煉程序編寫設(shè)計(jì)能力、自動(dòng)線設(shè)計(jì)開發(fā)能力、自動(dòng)線連接與調(diào)試能力、工程實(shí)施能力和安全意識(shí)。引導(dǎo)高職院校、機(jī)電及自動(dòng)化等專業(yè)教學(xué)改革，滿足汽車生產(chǎn)制造、自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的核心能力訓(xùn)練要求，突出強(qiáng)調(diào)技術(shù)的綜合運(yùn)用。

2.1 傳感器

首先選擇能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的傳感器。在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上主要采用了光電傳感器和電感傳感器。

（1）光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)物體有無(wú)的接近開關(guān)；當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體時(shí)，氣缸將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體推入存儲(chǔ)貨道。

（2）電感式傳感器由三大部分組成：LC高頻振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路組成。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件大多數(shù)具有鐵磁性質(zhì)，就可以用電感傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位與否，當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位時(shí)給PLC提供輸入信號(hào)。

（3）光電編碼器：用光電編碼器來(lái)對(duì)升降的速度、距離、方向進(jìn)行檢測(cè)，以脈動(dòng)信號(hào)的形式向PLC反饋，PLC根據(jù)輸入的反饋信號(hào)來(lái)控制升降距離實(shí)現(xiàn)精確定位。

2.2 電磁閥控制

在實(shí)訓(xùn)裝置中應(yīng)用了大量氣動(dòng)控制技術(shù)如：

（1）無(wú)桿氣缸：由單控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥得電，帶動(dòng)機(jī)械手向后移動(dòng)。

（2）帶導(dǎo)桿氣缸：由單控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥得電，帶動(dòng)機(jī)械手向下伸出。

（3）雙導(dǎo)桿平行氣夾：由雙控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥一端得電時(shí)，氣動(dòng)手指張開或夾緊。

2.3 實(shí)訓(xùn)裝置模塊化設(shè)計(jì)

該裝置采用導(dǎo)軌式型材，其上安裝有上料臺(tái)、行車機(jī)械手、輸送輥床、提升機(jī)、循跡搬運(yùn)車、堆垛機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)站、4軸搬運(yùn)機(jī)械手等工作站及相應(yīng)的電源模塊、按鈕模塊、PLC模塊、變頻器及交流電機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)模塊和各種工業(yè)傳感器等控制檢測(cè)單元。采用西門子S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，真實(shí)再現(xiàn)汽車工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線中的輸送、搬運(yùn)、暫存、協(xié)調(diào)生產(chǎn)的過(guò)程。它在接近汽車工業(yè)生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)上又針對(duì)教學(xué)及實(shí)訓(xùn)目的進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。如行車機(jī)械手站主要由伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、繼電器、限位開關(guān)、磁性傳感器、渦輪蝸桿減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、高精直線導(dǎo)軌、雙導(dǎo)桿平行氣夾、雙控電磁閥、工業(yè)鋁型材、鈑金結(jié)構(gòu)件、機(jī)械零部件構(gòu)成。

2.4 接線端子設(shè)計(jì)

該實(shí)訓(xùn)考核裝置PLC模塊I/O端子、變頻器接線端子、各常用模塊接線端子，均采用安全型插座，使用帶安全插頭的導(dǎo)線進(jìn)行電路連接；各指令開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器和指示元件的電路通過(guò)端子排進(jìn)行連接。插拔線連接電路與端子排連接電路相結(jié)合，既保證學(xué)生基本技能的訓(xùn)練、形成和鞏固，又保證電路連接的快速、安全和可靠。用于教學(xué)，可按工作過(guò)程導(dǎo)向、工學(xué)結(jié)合的模式規(guī)劃教學(xué)活動(dòng)，可完成多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的技能培訓(xùn)任務(wù)。

3 實(shí)訓(xùn)裝置軟件設(shè)計(jì)

以行車機(jī)械手為例進(jìn)行說(shuō)明軟件設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）。

4 WinCC的監(jiān)控能力開發(fā)及Profibus總線的運(yùn)用

PLC的程序設(shè)計(jì)能力、WinCC的監(jiān)控能力和Profibus總線應(yīng)用能力是自動(dòng)化技術(shù)的專業(yè)技能人才不可缺失的知識(shí)，本課題對(duì)控制結(jié)構(gòu)、硬件連接、軟件開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線、系統(tǒng)接口、人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用Prifibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成各工位間的通訊。組建的現(xiàn)場(chǎng)信息監(jiān)控系統(tǒng)，完成了裝配線上的信息采集、生產(chǎn)下達(dá)、工位監(jiān)控及裝配提示等功能。

西門子S7-300PLC作為控制器，其本身集成MPI及PROFIBUS DP通信口，在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)輸送線上用德國(guó)西門子公司的可編程控制器S7-300直接將控制數(shù)據(jù)傳遞到控制系統(tǒng)中，而且有上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，真正做到自動(dòng)控制。

本課題Profibus的成功運(yùn)用對(duì)生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益提供幫助很大。由于系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，通訊可靠性好，從而減少了維護(hù)的必要性，同時(shí)又保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本；而從另外一個(gè)方面來(lái)看，由于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線使得建設(shè)期間工程量也大大減少—— 包括布線工程量和工程師操作編程工作量，所以對(duì)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，真正做到了投資少見(jiàn)效快。

5 控制系統(tǒng)的調(diào)試

雖然本項(xiàng)目龐大，通訊點(diǎn)很多，但是各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備很大部分是相同，也具有一樣的控制要求，因此，我們將整個(gè)項(xiàng)目按照設(shè)備劃分成的不同的功能組，這樣可以增大一次開發(fā)的利用率，避免了重復(fù)開發(fā)，節(jié)省時(shí)間和成本。

升降機(jī)的自動(dòng)控制是項(xiàng)目中的難點(diǎn)，主要是因?yàn)樯禉C(jī)的自動(dòng)控制如果故障就有可能將設(shè)備以及車體損壞，對(duì)一次調(diào)試成功的要求很高。升降機(jī)雖然有硬件保護(hù)措施，需要特定條件，比如升降機(jī)只有在失電后，抱閘將會(huì)抱死，因此，對(duì)于升降機(jī)控制程序的編寫需要反復(fù)修改，模擬試驗(yàn)，才能保證調(diào)試中的萬(wàn)無(wú)一失，不會(huì)出安全事故。

6 總結(jié)與評(píng)價(jià)

（1）提高了生產(chǎn)效率和管理質(zhì)量。由于該項(xiàng)目大量應(yīng)用了先進(jìn)的西門子自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從畫圖、硬件、軟件和培訓(xùn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，這樣可以將項(xiàng)目細(xì)化，大家分工合作。由于自動(dòng)化系統(tǒng)提高通訊速率使發(fā)動(dòng)機(jī)輸送線的工藝水平得到提高產(chǎn)品質(zhì)量好也增加了企業(yè)的效益。

（2）提高了生產(chǎn)的安全性，減少了事故的發(fā)生。由于該項(xiàng)目方案中對(duì)生產(chǎn)安全相當(dāng)重視，設(shè)有很多急停按鈕，在編寫程序中，對(duì)重要設(shè)備有多重保護(hù)，從而保證了設(shè)備、人身的安全。

（3）加大了設(shè)備可靠性。傳感器使用時(shí)對(duì)設(shè)備的輸入輸出點(diǎn)都是雙重對(duì)比的，保證點(diǎn)的信號(hào)都是真實(shí)可靠，設(shè)備的故障率降低了，生產(chǎn)的安全性就提高了。

（4）交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確。由于起動(dòng)器在轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中的使用，使電動(dòng)機(jī)平滑升高端子電壓，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊起動(dòng)，因此可以最佳地保護(hù)電源系統(tǒng)以及電機(jī)。變頻器不僅僅是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的下降，勢(shì)必帶來(lái)力矩的改變，使轉(zhuǎn)臺(tái)的帶載能力大大提高。

（5）通過(guò)三屆學(xué)生的實(shí)訓(xùn)驗(yàn)證，課題開發(fā)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備在工作的狀態(tài)下說(shuō)使用的各種傳感器、控制電機(jī)、機(jī)械設(shè)備能夠達(dá)到規(guī)定技術(shù)指標(biāo)，并且具有短路過(guò)載保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

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[4] 甄立東.西門子WinCC V7基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.endprint

（2）自動(dòng)工位加工不合格時(shí)（以Ap80工位為例）走返修路線如下：

不合格時(shí)走：→D10→D9→M80，M90（ap80，ap90返修工位）。如返修合格時(shí)→D8→D7→D10→ap95；如返修不合格時(shí)從轉(zhuǎn)臺(tái)D8→下線維修→下線維修后→D8→D7→AP80→AP90→D10→AP95→AP900。為了提高效率，節(jié)省空間和資源我們將兩個(gè)自動(dòng)工位Ap80，ap90設(shè)計(jì)成共用一個(gè)返修工位m80，m90。

2 汽車自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線工作原理和工藝，項(xiàng)目組成員開發(fā)了適合學(xué)校教學(xué)的汽車自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置本實(shí)訓(xùn)裝置貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，是典型的汽車自動(dòng)生產(chǎn)線，設(shè)備從選材、工藝、流程、結(jié)構(gòu)、控制等各方面都從實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，考慮工學(xué)結(jié)合要求，有機(jī)融合了機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、傳感器、交流電機(jī)變頻調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、直流電機(jī)控制、PLC控制及工業(yè)通信等多種技術(shù)。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的工作任務(wù)訓(xùn)練，能較好地鍛煉程序編寫設(shè)計(jì)能力、自動(dòng)線設(shè)計(jì)開發(fā)能力、自動(dòng)線連接與調(diào)試能力、工程實(shí)施能力和安全意識(shí)。引導(dǎo)高職院校、機(jī)電及自動(dòng)化等專業(yè)教學(xué)改革，滿足汽車生產(chǎn)制造、自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的核心能力訓(xùn)練要求，突出強(qiáng)調(diào)技術(shù)的綜合運(yùn)用。

2.1 傳感器

首先選擇能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的傳感器。在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上主要采用了光電傳感器和電感傳感器。

（1）光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)物體有無(wú)的接近開關(guān)；當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體時(shí)，氣缸將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體推入存儲(chǔ)貨道。

（2）電感式傳感器由三大部分組成：LC高頻振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路組成。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件大多數(shù)具有鐵磁性質(zhì)，就可以用電感傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位與否，當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位時(shí)給PLC提供輸入信號(hào)。

（3）光電編碼器：用光電編碼器來(lái)對(duì)升降的速度、距離、方向進(jìn)行檢測(cè)，以脈動(dòng)信號(hào)的形式向PLC反饋，PLC根據(jù)輸入的反饋信號(hào)來(lái)控制升降距離實(shí)現(xiàn)精確定位。

2.2 電磁閥控制

在實(shí)訓(xùn)裝置中應(yīng)用了大量氣動(dòng)控制技術(shù)如：

（1）無(wú)桿氣缸：由單控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥得電，帶動(dòng)機(jī)械手向后移動(dòng)。

（2）帶導(dǎo)桿氣缸：由單控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥得電，帶動(dòng)機(jī)械手向下伸出。

（3）雙導(dǎo)桿平行氣夾：由雙控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥一端得電時(shí)，氣動(dòng)手指張開或夾緊。

2.3 實(shí)訓(xùn)裝置模塊化設(shè)計(jì)

該裝置采用導(dǎo)軌式型材，其上安裝有上料臺(tái)、行車機(jī)械手、輸送輥床、提升機(jī)、循跡搬運(yùn)車、堆垛機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)站、4軸搬運(yùn)機(jī)械手等工作站及相應(yīng)的電源模塊、按鈕模塊、PLC模塊、變頻器及交流電機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)模塊和各種工業(yè)傳感器等控制檢測(cè)單元。采用西門子S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，真實(shí)再現(xiàn)汽車工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線中的輸送、搬運(yùn)、暫存、協(xié)調(diào)生產(chǎn)的過(guò)程。它在接近汽車工業(yè)生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)上又針對(duì)教學(xué)及實(shí)訓(xùn)目的進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。如行車機(jī)械手站主要由伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、繼電器、限位開關(guān)、磁性傳感器、渦輪蝸桿減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、高精直線導(dǎo)軌、雙導(dǎo)桿平行氣夾、雙控電磁閥、工業(yè)鋁型材、鈑金結(jié)構(gòu)件、機(jī)械零部件構(gòu)成。

2.4 接線端子設(shè)計(jì)

該實(shí)訓(xùn)考核裝置PLC模塊I/O端子、變頻器接線端子、各常用模塊接線端子，均采用安全型插座，使用帶安全插頭的導(dǎo)線進(jìn)行電路連接；各指令開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器和指示元件的電路通過(guò)端子排進(jìn)行連接。插拔線連接電路與端子排連接電路相結(jié)合，既保證學(xué)生基本技能的訓(xùn)練、形成和鞏固，又保證電路連接的快速、安全和可靠。用于教學(xué)，可按工作過(guò)程導(dǎo)向、工學(xué)結(jié)合的模式規(guī)劃教學(xué)活動(dòng)，可完成多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的技能培訓(xùn)任務(wù)。

3 實(shí)訓(xùn)裝置軟件設(shè)計(jì)

以行車機(jī)械手為例進(jìn)行說(shuō)明軟件設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）。

4 WinCC的監(jiān)控能力開發(fā)及Profibus總線的運(yùn)用

PLC的程序設(shè)計(jì)能力、WinCC的監(jiān)控能力和Profibus總線應(yīng)用能力是自動(dòng)化技術(shù)的專業(yè)技能人才不可缺失的知識(shí)，本課題對(duì)控制結(jié)構(gòu)、硬件連接、軟件開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線、系統(tǒng)接口、人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用Prifibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成各工位間的通訊。組建的現(xiàn)場(chǎng)信息監(jiān)控系統(tǒng)，完成了裝配線上的信息采集、生產(chǎn)下達(dá)、工位監(jiān)控及裝配提示等功能。

西門子S7-300PLC作為控制器，其本身集成MPI及PROFIBUS DP通信口，在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)輸送線上用德國(guó)西門子公司的可編程控制器S7-300直接將控制數(shù)據(jù)傳遞到控制系統(tǒng)中，而且有上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，真正做到自動(dòng)控制。

本課題Profibus的成功運(yùn)用對(duì)生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益提供幫助很大。由于系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，通訊可靠性好，從而減少了維護(hù)的必要性，同時(shí)又保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本；而從另外一個(gè)方面來(lái)看，由于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線使得建設(shè)期間工程量也大大減少—— 包括布線工程量和工程師操作編程工作量，所以對(duì)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，真正做到了投資少見(jiàn)效快。

5 控制系統(tǒng)的調(diào)試

雖然本項(xiàng)目龐大，通訊點(diǎn)很多，但是各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備很大部分是相同，也具有一樣的控制要求，因此，我們將整個(gè)項(xiàng)目按照設(shè)備劃分成的不同的功能組，這樣可以增大一次開發(fā)的利用率，避免了重復(fù)開發(fā)，節(jié)省時(shí)間和成本。

升降機(jī)的自動(dòng)控制是項(xiàng)目中的難點(diǎn)，主要是因?yàn)樯禉C(jī)的自動(dòng)控制如果故障就有可能將設(shè)備以及車體損壞，對(duì)一次調(diào)試成功的要求很高。升降機(jī)雖然有硬件保護(hù)措施，需要特定條件，比如升降機(jī)只有在失電后，抱閘將會(huì)抱死，因此，對(duì)于升降機(jī)控制程序的編寫需要反復(fù)修改，模擬試驗(yàn)，才能保證調(diào)試中的萬(wàn)無(wú)一失，不會(huì)出安全事故。

6 總結(jié)與評(píng)價(jià)

（1）提高了生產(chǎn)效率和管理質(zhì)量。由于該項(xiàng)目大量應(yīng)用了先進(jìn)的西門子自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從畫圖、硬件、軟件和培訓(xùn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，這樣可以將項(xiàng)目細(xì)化，大家分工合作。由于自動(dòng)化系統(tǒng)提高通訊速率使發(fā)動(dòng)機(jī)輸送線的工藝水平得到提高產(chǎn)品質(zhì)量好也增加了企業(yè)的效益。

（2）提高了生產(chǎn)的安全性，減少了事故的發(fā)生。由于該項(xiàng)目方案中對(duì)生產(chǎn)安全相當(dāng)重視，設(shè)有很多急停按鈕，在編寫程序中，對(duì)重要設(shè)備有多重保護(hù)，從而保證了設(shè)備、人身的安全。

（3）加大了設(shè)備可靠性。傳感器使用時(shí)對(duì)設(shè)備的輸入輸出點(diǎn)都是雙重對(duì)比的，保證點(diǎn)的信號(hào)都是真實(shí)可靠，設(shè)備的故障率降低了，生產(chǎn)的安全性就提高了。

（4）交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確。由于起動(dòng)器在轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中的使用，使電動(dòng)機(jī)平滑升高端子電壓，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊起動(dòng)，因此可以最佳地保護(hù)電源系統(tǒng)以及電機(jī)。變頻器不僅僅是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的下降，勢(shì)必帶來(lái)力矩的改變，使轉(zhuǎn)臺(tái)的帶載能力大大提高。

（5）通過(guò)三屆學(xué)生的實(shí)訓(xùn)驗(yàn)證，課題開發(fā)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備在工作的狀態(tài)下說(shuō)使用的各種傳感器、控制電機(jī)、機(jī)械設(shè)備能夠達(dá)到規(guī)定技術(shù)指標(biāo)，并且具有短路過(guò)載保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡云萍，劉文婷.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程教學(xué)改革研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（7）：180.

[2] 俞云強(qiáng).傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京.高等教育出版社，2008.

[3] 王永華.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用教程[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 甄立東.西門子WinCC V7基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.endprint

（2）自動(dòng)工位加工不合格時(shí)（以Ap80工位為例）走返修路線如下：

不合格時(shí)走：→D10→D9→M80，M90（ap80，ap90返修工位）。如返修合格時(shí)→D8→D7→D10→ap95；如返修不合格時(shí)從轉(zhuǎn)臺(tái)D8→下線維修→下線維修后→D8→D7→AP80→AP90→D10→AP95→AP900。為了提高效率，節(jié)省空間和資源我們將兩個(gè)自動(dòng)工位Ap80，ap90設(shè)計(jì)成共用一個(gè)返修工位m80，m90。

2 汽車自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線工作原理和工藝，項(xiàng)目組成員開發(fā)了適合學(xué)校教學(xué)的汽車自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置本實(shí)訓(xùn)裝置貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，是典型的汽車自動(dòng)生產(chǎn)線，設(shè)備從選材、工藝、流程、結(jié)構(gòu)、控制等各方面都從實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，考慮工學(xué)結(jié)合要求，有機(jī)融合了機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、傳感器、交流電機(jī)變頻調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、直流電機(jī)控制、PLC控制及工業(yè)通信等多種技術(shù)。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的工作任務(wù)訓(xùn)練，能較好地鍛煉程序編寫設(shè)計(jì)能力、自動(dòng)線設(shè)計(jì)開發(fā)能力、自動(dòng)線連接與調(diào)試能力、工程實(shí)施能力和安全意識(shí)。引導(dǎo)高職院校、機(jī)電及自動(dòng)化等專業(yè)教學(xué)改革，滿足汽車生產(chǎn)制造、自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的核心能力訓(xùn)練要求，突出強(qiáng)調(diào)技術(shù)的綜合運(yùn)用。

2.1 傳感器

首先選擇能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的傳感器。在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上主要采用了光電傳感器和電感傳感器。

（1）光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)物體有無(wú)的接近開關(guān)；當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體時(shí)，氣缸將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體推入存儲(chǔ)貨道。

（2）電感式傳感器由三大部分組成：LC高頻振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路組成。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件大多數(shù)具有鐵磁性質(zhì)，就可以用電感傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位與否，當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位時(shí)給PLC提供輸入信號(hào)。

（3）光電編碼器：用光電編碼器來(lái)對(duì)升降的速度、距離、方向進(jìn)行檢測(cè)，以脈動(dòng)信號(hào)的形式向PLC反饋，PLC根據(jù)輸入的反饋信號(hào)來(lái)控制升降距離實(shí)現(xiàn)精確定位。

2.2 電磁閥控制

在實(shí)訓(xùn)裝置中應(yīng)用了大量氣動(dòng)控制技術(shù)如：

（1）無(wú)桿氣缸：由單控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥得電，帶動(dòng)機(jī)械手向后移動(dòng)。

（2）帶導(dǎo)桿氣缸：由單控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥得電，帶動(dòng)機(jī)械手向下伸出。

（3）雙導(dǎo)桿平行氣夾：由雙控電磁閥控制。當(dāng)氣動(dòng)電磁閥一端得電時(shí)，氣動(dòng)手指張開或夾緊。

2.3 實(shí)訓(xùn)裝置模塊化設(shè)計(jì)

該裝置采用導(dǎo)軌式型材，其上安裝有上料臺(tái)、行車機(jī)械手、輸送輥床、提升機(jī)、循跡搬運(yùn)車、堆垛機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)站、4軸搬運(yùn)機(jī)械手等工作站及相應(yīng)的電源模塊、按鈕模塊、PLC模塊、變頻器及交流電機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)模塊和各種工業(yè)傳感器等控制檢測(cè)單元。采用西門子S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，真實(shí)再現(xiàn)汽車工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線中的輸送、搬運(yùn)、暫存、協(xié)調(diào)生產(chǎn)的過(guò)程。它在接近汽車工業(yè)生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)上又針對(duì)教學(xué)及實(shí)訓(xùn)目的進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。如行車機(jī)械手站主要由伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、繼電器、限位開關(guān)、磁性傳感器、渦輪蝸桿減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、高精直線導(dǎo)軌、雙導(dǎo)桿平行氣夾、雙控電磁閥、工業(yè)鋁型材、鈑金結(jié)構(gòu)件、機(jī)械零部件構(gòu)成。

2.4 接線端子設(shè)計(jì)

該實(shí)訓(xùn)考核裝置PLC模塊I/O端子、變頻器接線端子、各常用模塊接線端子，均采用安全型插座，使用帶安全插頭的導(dǎo)線進(jìn)行電路連接；各指令開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器和指示元件的電路通過(guò)端子排進(jìn)行連接。插拔線連接電路與端子排連接電路相結(jié)合，既保證學(xué)生基本技能的訓(xùn)練、形成和鞏固，又保證電路連接的快速、安全和可靠。用于教學(xué)，可按工作過(guò)程導(dǎo)向、工學(xué)結(jié)合的模式規(guī)劃教學(xué)活動(dòng)，可完成多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的技能培訓(xùn)任務(wù)。

3 實(shí)訓(xùn)裝置軟件設(shè)計(jì)

以行車機(jī)械手為例進(jìn)行說(shuō)明軟件設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）。

4 WinCC的監(jiān)控能力開發(fā)及Profibus總線的運(yùn)用

PLC的程序設(shè)計(jì)能力、WinCC的監(jiān)控能力和Profibus總線應(yīng)用能力是自動(dòng)化技術(shù)的專業(yè)技能人才不可缺失的知識(shí)，本課題對(duì)控制結(jié)構(gòu)、硬件連接、軟件開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線、系統(tǒng)接口、人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用Prifibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成各工位間的通訊。組建的現(xiàn)場(chǎng)信息監(jiān)控系統(tǒng)，完成了裝配線上的信息采集、生產(chǎn)下達(dá)、工位監(jiān)控及裝配提示等功能。

西門子S7-300PLC作為控制器，其本身集成MPI及PROFIBUS DP通信口，在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)輸送線上用德國(guó)西門子公司的可編程控制器S7-300直接將控制數(shù)據(jù)傳遞到控制系統(tǒng)中，而且有上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，真正做到自動(dòng)控制。

本課題Profibus的成功運(yùn)用對(duì)生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益提供幫助很大。由于系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，通訊可靠性好，從而減少了維護(hù)的必要性，同時(shí)又保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本；而從另外一個(gè)方面來(lái)看，由于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線使得建設(shè)期間工程量也大大減少—— 包括布線工程量和工程師操作編程工作量，所以對(duì)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，真正做到了投資少見(jiàn)效快。

5 控制系統(tǒng)的調(diào)試

雖然本項(xiàng)目龐大，通訊點(diǎn)很多，但是各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備很大部分是相同，也具有一樣的控制要求，因此，我們將整個(gè)項(xiàng)目按照設(shè)備劃分成的不同的功能組，這樣可以增大一次開發(fā)的利用率，避免了重復(fù)開發(fā)，節(jié)省時(shí)間和成本。

升降機(jī)的自動(dòng)控制是項(xiàng)目中的難點(diǎn)，主要是因?yàn)樯禉C(jī)的自動(dòng)控制如果故障就有可能將設(shè)備以及車體損壞，對(duì)一次調(diào)試成功的要求很高。升降機(jī)雖然有硬件保護(hù)措施，需要特定條件，比如升降機(jī)只有在失電后，抱閘將會(huì)抱死，因此，對(duì)于升降機(jī)控制程序的編寫需要反復(fù)修改，模擬試驗(yàn)，才能保證調(diào)試中的萬(wàn)無(wú)一失，不會(huì)出安全事故。

6 總結(jié)與評(píng)價(jià)

（1）提高了生產(chǎn)效率和管理質(zhì)量。由于該項(xiàng)目大量應(yīng)用了先進(jìn)的西門子自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從畫圖、硬件、軟件和培訓(xùn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，這樣可以將項(xiàng)目細(xì)化，大家分工合作。由于自動(dòng)化系統(tǒng)提高通訊速率使發(fā)動(dòng)機(jī)輸送線的工藝水平得到提高產(chǎn)品質(zhì)量好也增加了企業(yè)的效益。

（2）提高了生產(chǎn)的安全性，減少了事故的發(fā)生。由于該項(xiàng)目方案中對(duì)生產(chǎn)安全相當(dāng)重視，設(shè)有很多急停按鈕，在編寫程序中，對(duì)重要設(shè)備有多重保護(hù)，從而保證了設(shè)備、人身的安全。

（3）加大了設(shè)備可靠性。傳感器使用時(shí)對(duì)設(shè)備的輸入輸出點(diǎn)都是雙重對(duì)比的，保證點(diǎn)的信號(hào)都是真實(shí)可靠，設(shè)備的故障率降低了，生產(chǎn)的安全性就提高了。

（4）交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確。由于起動(dòng)器在轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中的使用，使電動(dòng)機(jī)平滑升高端子電壓，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊起動(dòng)，因此可以最佳地保護(hù)電源系統(tǒng)以及電機(jī)。變頻器不僅僅是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的下降，勢(shì)必帶來(lái)力矩的改變，使轉(zhuǎn)臺(tái)的帶載能力大大提高。

（5）通過(guò)三屆學(xué)生的實(shí)訓(xùn)驗(yàn)證，課題開發(fā)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備在工作的狀態(tài)下說(shuō)使用的各種傳感器、控制電機(jī)、機(jī)械設(shè)備能夠達(dá)到規(guī)定技術(shù)指標(biāo)，并且具有短路過(guò)載保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡云萍，劉文婷.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程教學(xué)改革研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（7）：180.

[2] 俞云強(qiáng).傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京.高等教育出版社，2008.

[3] 王永華.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用教程[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 甄立東.西門子WinCC V7基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.endprint