多工位自動生產(chǎn)線實驗裝置設計*

陳爾沖，趙法杰，張 瑞，吳利芳，李小萌，王興亮，韓皓陽

(1.哈爾濱理工大學 榮成學院 ，山東 榮成 264300；2.北京鐵路電氣化學校，北京 102202)

0 引言

伴隨著人力成本的提高，生產(chǎn)自動化進程也在加速推進，作為高校自動控制類專業(yè)的學生更應主動適應這種趨勢，加強能力鍛煉。本文設計的多工位自動生產(chǎn)線實驗裝置包括送殼、下料、熱封、夾取產(chǎn)品與視覺檢測五部分，整個運轉(zhuǎn)過程在無人干預的情況下自動完成。各工位可獨立編程，然后再整體協(xié)調(diào)運行，可進行電機協(xié)調(diào)控制、溫度PID控制、視覺檢測等多種實驗。多工位自動生產(chǎn)線實驗裝置具有結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、便于維修等優(yōu)點。在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目的幫助下完成了實體樣機的制作，實踐證明該實驗平臺開拓了學生的思路，鍛煉了學生的實際動手能力。

1 試驗平臺總體設計

本文設計的實驗裝置以包裝果凍為假想應用，該裝置由送殼、下料、熱封、夾取產(chǎn)品、圖像檢測五部分組成。其第一工位為輸送外殼，由步進電機帶動圓盤進行轉(zhuǎn)動；第二工位為輸送內(nèi)料，由裝有不同爪的舵機控制每次的進料數(shù)量與進料速率；第三工位為封裝產(chǎn)品，由具有一定溫度的電熱板下壓熱封膜；第四工位為夾取成品，由簡易機械手夾取成品，然后進行圖像檢測。

圖1為多工位自動生產(chǎn)線實驗裝置示意圖,其工作流程如下：

(1) 進殼工位工作流程：進殼工位人工上件，對應進殼工位的傳感器(位于圓盤下面的檢測架上)檢測到工件并發(fā)出檢測信號；控制系統(tǒng)接收到檢測信號后發(fā)出指令，控制步進電機轉(zhuǎn)動；當圓盤旋轉(zhuǎn)90°后，步進電機停止轉(zhuǎn)動，這時進殼工位的工件跟隨圓盤旋轉(zhuǎn)到進料工位；之后控制進殼工位的舵機工作，將工件通過導軌放置到進殼工位中。

圖1 多工位自動生產(chǎn)線實驗裝置示意圖

(2) 進料工位工作流程：圓盤攜帶工件從進殼工位旋轉(zhuǎn)到進料工位后，對應的傳感器檢測到工件，發(fā)出檢測信號?？刂葡到y(tǒng)接收到檢測信號后發(fā)出指令，控制進料工位的舵機工作，將物料通過導軌放置到進料工位的工件中。

(3) 熱封工位工作流程：圓盤攜帶工件從進料工位旋轉(zhuǎn)到熱封工位后，對應的傳感器檢測到工件，發(fā)出檢測信號；控制系統(tǒng)接收到檢測信號后發(fā)出指令，通過繼電器使換向閥通電；換向閥通電后，熱封工位氣缸通氣，氣缸頭向下移動,電熱板跟隨氣缸頭向下移動；在氣缸頭移動到極限位置時，電熱板與工件接觸開始進行熱封工作(電熱板與工件之間有熱封膜)；在接觸4 s之后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，通過繼電器使換向閥斷電，此時氣缸頭向上移動，電熱板跟隨氣缸頭向上移動。

(4) 夾取工位工作流程：圓盤攜帶工件從熱封工位旋轉(zhuǎn)到夾取工位后，圓盤下面對應的傳感器檢測到工件，控制系統(tǒng)接收到檢測信號后發(fā)出指令，繼電器控制換向閥通電，夾取工位氣缸頭向下移動，此時夾取裝置跟隨氣缸頭向下移動(夾取裝置由兩個帶有機械爪的舵機組成)，當氣缸移動到極限位置時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號控制夾取裝置夾取工件，之后控制系統(tǒng)發(fā)出指令，通過繼電器使換向閥斷電，換向閥斷電，夾取裝置跟隨氣缸頭向上移動，當氣缸移動到極限位置時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號控制夾取裝置松開工件。

2 控制系統(tǒng)設計

實驗平臺是一個微型轉(zhuǎn)盤式流水生產(chǎn)線，由核心控制器、接近開關(guān)、限位開關(guān)、舵機以及步進電機和直流電機組成的驅(qū)動系統(tǒng)搭建而成。系統(tǒng)硬件具有良好的適應性和擴展性，可適應Arduino、單片機、PLC等控制核心單獨或者配合完成控制的需求。該實驗平臺作為一個微型生產(chǎn)線，能夠為各類控制器提供伺服機構(gòu)，并執(zhí)行各種加工動作。我們將每個不同功能的部分設計成為工位，這樣可以使每個工位都相對獨立。該實驗平臺以圓盤旋轉(zhuǎn)的形式，配合氣動實現(xiàn)進殼、填料、封裝、裝箱的工作，進而實現(xiàn)流水作業(yè)。工作人員只需進行填料的工作，當原料短缺時，實驗平臺會自動停止工作。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 圖像檢測程序

在流水線末端是檢測工位，利用圖像處理技術(shù)對包裝內(nèi)的目標顏色進行識別，目標分白色和黑色，推薦使用的圖像處理流程如圖3所示，使用者可以了解圖像處理的基本過程和基礎(chǔ)算法的應用。

圖3 圖像處理的基本流程

不同顏色的目標處理結(jié)果如圖4和圖5所示。處理結(jié)果是通過最后圖片中球的白色像素點的個數(shù)來判別的。

4 結(jié)論

本文設計的多工位自動生產(chǎn)線實驗裝置如圖6所示，包括送殼、下料、熱封、夾取產(chǎn)品與視覺檢測五部分，通過Arduino對各工位進行控制。本裝置可以鍛煉工科學生實際動手操作的能力，形成系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的思想，有利于將來適應市場的需要。該平臺成本低，實用性強，實驗由淺入深，適合于教學實踐。

圖4 黑色球處理過程

圖5 白色球處理過程

圖6 多工位自動生產(chǎn)線實驗裝置實物圖

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