基于光機(jī)電一體化的微生產(chǎn)線設(shè)計方案

劉靜

摘 要：微生產(chǎn)線相對于大型的自動化生產(chǎn)線有著諸多的優(yōu)點，如體積小、成本較低、生產(chǎn)效率高、易操作、易檢修、技術(shù)定向等。本文通過實例，對基于光機(jī)電一體化技術(shù)的微生產(chǎn)線設(shè)計進(jìn)行分析闡述。

關(guān)鍵詞：光機(jī)電一體化 PLC設(shè)計

一、微生產(chǎn)線的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動化生產(chǎn)線最初是在機(jī)械制造業(yè)中實現(xiàn)的，其中最早出現(xiàn)的是機(jī)床自動化生產(chǎn)線。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和用戶的不同需求，微生產(chǎn)線的發(fā)展近幾年來也嶄露頭角。它相對于大型的自動化生產(chǎn)線有著諸多的優(yōu)點，如體積小、成本較低、生產(chǎn)效率高、易操作、易檢修、技術(shù)定向等等。

筆者以設(shè)計一條基于光機(jī)電一體化技術(shù)的微生產(chǎn)線為主要內(nèi)容，綜合闡述了整個生產(chǎn)線各個獨立單元的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計方法。這條微生產(chǎn)線系統(tǒng)以工業(yè)生產(chǎn)和工程應(yīng)用為背景，有較高的集成度和開放性，各個單元可拆分獨立使用，也可綜合整體使用。它可以對工件進(jìn)行送料檢測、加工、搬運、裝配及分類存儲。系統(tǒng)中應(yīng)用多種傳感器實現(xiàn)對工件材料的檢測識別，然后通過模擬打孔裝置對工件進(jìn)行加工，再由搬運單元搬至裝配單元，再將裝配好的工件搬運至存儲單元，最終由機(jī)械手對到位的工件完成分類存儲。

二、微生產(chǎn)線中基本單元的設(shè)計

1.供料單元的設(shè)計

它是整個系統(tǒng)的第一個單元，也是整個工作中最基礎(chǔ)的模塊。供料過程中，供料氣缸從料倉中推出工件，推料氣缸推出工件。供料單元有三種傳感器，可檢測區(qū)分材質(zhì)、顏色，供后面單元分類操作。

送料檢測單元主要完成對工件的檢測任務(wù)，它的主要組成及用途如下。

（1）料倉裝置：用于存儲要加工的工料。

（2）送料氣缸：把工料送至顏色檢測位置。

（3）推料氣缸：把檢測完畢的工料送至加工轉(zhuǎn)盤。

（4）電磁閥及氣動元件：用于控制氣缸伸縮。

（5）光電傳感器：用于檢測輸送臺上工件。使用傳感器上面的旋鈕調(diào)節(jié)需要的檢測距離，檢測范圍為1～9cm。

（6）光纖傳感器：一對對射式光纖傳感器為料倉傳感器，感應(yīng)料倉中是否有工件。

（7）電感式傳感：用于檢測金屬，檢測的距離一般是有要求的，設(shè)計時規(guī)定5mm。

2.加工檢測單元的設(shè)計

首先由傳感器來檢測待加工工件是否到達(dá)旋轉(zhuǎn)圓盤上。若已經(jīng)到達(dá)，那么旋轉(zhuǎn)圓盤則執(zhí)行接下來的動作，通過90°的旋轉(zhuǎn)把待加工的工件送到工件要進(jìn)行加工的正確位置上。鉆孔裝置對工件進(jìn)行打孔加工，接下來旋轉(zhuǎn)圓盤再旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行接下來的動作。這一動作的執(zhí)行是利用氣缸來檢測已加工工件的深度，如果氣缸已經(jīng)推到底那么就說明加工工件的孔是符合要求的，不然的話不符合要求。

加工檢測單元由四工位轉(zhuǎn)盤、模擬鉆孔加工裝置、深度檢測裝置、傳感器、電磁閥及氣動元件、三相380V交流電動機(jī)、并勵直流電動機(jī)、渦輪蝸桿減速機(jī)、電磁離合器等組成，主要完成對工件內(nèi)徑的鉆孔加工。

3.裝配單元的設(shè)計

將搬運單元傳送來的工件進(jìn)行裝配成形后，搬運到分類存儲單元。當(dāng)放料口有工件，拖料氣缸開始執(zhí)行動作，把鉆完孔的工件移動到對應(yīng)的位置，該位置的頂料氣缸就會縮回，這樣就實現(xiàn)了裝配任務(wù)，此時裝配完成的工件被拖料氣缸推出，已進(jìn)行下一步的執(zhí)行動作：搬運單元來搬運。

裝配單元主要由配件料筒、裝配臺、抵料氣缸、拖料氣缸、光纖傳感器、電磁閥及氣動元件等組成，主要完成將搬運單元傳送來的工件進(jìn)行裝配成形。

4.搬運單元的設(shè)計

上一單元的合格工件到位，伸縮氣缸、提升氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸相互配合，測工件到位后，由傳送機(jī)構(gòu)傳送到位。

5.分類存儲單元的設(shè)計

把不同的工件經(jīng)過檢測，分類放置，可檢測材質(zhì)顏色等。該單元可以按行進(jìn)行分類存儲，也可以按列進(jìn)行分類存儲，用戶可以根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行設(shè)定；從下到上或者從左至右是工件的入庫順序。

三、微生產(chǎn)線的機(jī)械設(shè)計

1.氣缸的選型

在設(shè)計過程中，需要根據(jù)不同的工作原理及不同的應(yīng)用范圍來選擇合適的氣缸。系統(tǒng)中使用氣缸的機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的氣缸選型如下。

（1）送料檢測單元共使用了2個單作用類型的氣缸：一個是用于將料倉中的待測工件推至檢測位置的圓柱形氣缸，另一個是用于將檢測完畢的工件從檢測位置推至加工轉(zhuǎn)盤的圓柱形氣缸。

（2）加工檢測單元共使用了3個單作用類型的氣缸：一個是用于固定加工轉(zhuǎn)盤上待加工工件的圓柱形氣缸，另一個是用于提升鉆孔電動機(jī)的圓柱形氣缸，再一個是用于檢測加工工件深度（檢測加工元件是否為合格品）的圓柱形氣缸。

（3）搬運單元。共使用了三種類型的四個氣缸：一是用于機(jī)械手升降的單作用圓柱形氣缸，一是用于機(jī)械手伸縮的單作用圓柱形氣缸，一是用于抓夾工件的氣手指，一是用于使機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至抓夾位置的雙作用氣缸。

（4）裝配單元共使用了2個單作用類型的氣缸：一個是用于拖動裝配臺至裝配位置的圓柱形氣缸，另一個是用于抵住配件料筒中工件的圓柱形氣缸。

（5）分類存儲單元共使用了2個類型的氣缸：一是用于機(jī)械手伸縮的單作用圓柱形氣缸，另一個是用于抓住工件的氣動手指。

2.電磁閥的選型

在微生產(chǎn)線的設(shè)計中，氣動電磁閥是控制氣缸的樞紐部件，在進(jìn)行氣動電磁閥的選型時，需要根據(jù)選用的氣缸的種類進(jìn)行電磁閥的選擇。

系統(tǒng)中大部分選用了的單作用氣缸（機(jī)械臂也為單作用氣缸），統(tǒng)一采用型號為4V110-06-DC24-2.5W的氣動電磁閥。它是一個二位五通單電控電磁閥，可以良好的配合該系統(tǒng)使用的氣缸的工作。此外，在搬運單元中，用于控制機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的雙作用擺缸，采用型號為4V120-06-DC24-2.5W的氣動電磁閥。

3.機(jī)械傳動的設(shè)計

由于每一種機(jī)械傳送方式都有各自的特點，需要根據(jù)不同的要求選擇不同的機(jī)械傳動方式，在加工轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)過程中，使用了渦輪蝸桿對旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行精確定位，在分類存儲單元機(jī)械手的伸縮、提升使用了滾珠絲杠進(jìn)行平穩(wěn)放置工件，搬運單元使用了帶傳送進(jìn)行工件的水平傳送。

四、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

在微生產(chǎn)線系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)中多單元協(xié)同工作，要求PLC之間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，多傳感器、氣動元件動作，要求具有數(shù)字量、模擬量擴(kuò)展功能；能夠控制步進(jìn)、變頻、伺服電動機(jī)的工作，要求PLC具有較強(qiáng)的運動控制的功能；根據(jù)國內(nèi)的電壓等級為220V/380V，要求電源可以在該范圍工作；由于系統(tǒng)需要拆裝和移動，要求PLC具有較強(qiáng)的抗震能力。參考市售PLC產(chǎn)品的價格，最終選定西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC。

五、人機(jī)界面的設(shè)計

人機(jī)界面又叫HMI，是用戶對自動化控制系統(tǒng)的一種檢測、控制手段。本條微生產(chǎn)線采用了MT4404T系列的觸摸屏，進(jìn)行系統(tǒng)的操作和基本狀態(tài)的監(jiān)控。該觸摸屏具有方便的接口、簡捷的開發(fā)系統(tǒng)、良好的用戶體驗等特性，適合用戶的基本需求。

六、設(shè)計方案的預(yù)期和不足

本文的設(shè)計方案實現(xiàn)了以S7-200 PLC作為控制器的自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)，研究成果可以投入到市場，其設(shè)計方法、生產(chǎn)任務(wù)具有一定的借鑒意義。此外，由于光機(jī)電一體化微生產(chǎn)線是一個相對比較復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計方案中難免會出現(xiàn)不足，比如基本單元過少，控制系統(tǒng)是否可靠等問題，本方案還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

（作者單位：淄博市技師學(xué)院）