一種自動化生產線實訓教學設備設計

苗玉剛，何玉輝，金洪吉

一種自動化生產線實訓教學設備設計

苗玉剛，何玉輝，金洪吉

（四川信息職業(yè)技術學院 電氣工程系，四川 廣元 628040）

針對目前職業(yè)院校機電一體化實訓教學設備集成固化、無法拆裝、靈活性與擴展性差、功能單一以及成本高等問題，采用模塊化設計思想，設計了一種自動化生產線實訓教學設備。該設備主要有瓶底－物料供應結構模塊、搬運結構模塊、瓶蓋預裝結構模塊、成品分揀結構模塊等幾部分組成，每個模塊可以靈活拆裝進行獨立的實訓教學，也可以組合成多功能流水線進行實訓教學。研究表明設計的實訓教學設備結構輕巧、經濟環(huán)保，能夠為師生提供一種滿足社會發(fā)展的教學實訓平臺。

自動化；生產線；教學設備；氣動技術

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略計劃的深度實施，產業(yè)轉型升級步伐加快，社會生產的自動化程度越來越高，各種自動化生產線得到了廣泛應用，工業(yè)企業(yè)對自動生產線方面的人才需求量越來越大[1-2]。為培養(yǎng)學生的動手能力以適應時代發(fā)展的要求，高等院校提供優(yōu)質、全面的實訓設備至關重要[3]。

目前大部分職業(yè)院校原先的自動化實訓設備都是由廠家集成封裝好的，功能單一，不便于學生掌握具體的內部構造和工作原理，同時也不利于二次開發(fā)，大大降低了教學訓練的效果；而新采購成套自動化設備，價格昂貴、產線功能流程固定，無法根據(jù)實訓項目需要靈活拆解、組裝，其作用大部分用于演示和參觀，實際應用價值低，無法滿足學校專業(yè)特色教育的需要[4]。

針對此問題，自主設計開發(fā)工業(yè)自動化實訓設備，是解決目前高校實訓現(xiàn)狀的重要途徑，是實現(xiàn)高校培養(yǎng)真正意義上的應用型技能人才的有效途徑[5]。因此本文設計了一種自動化生產線實訓教學設備，該設備結構緊湊、搬運方便、擴展靈活、拆裝簡單且綠色經濟，能夠滿足大專院校培養(yǎng)高技能人才的訓練需求。

1 設計思路

為了滿足制造類和自動化類專業(yè)相關課程的實訓教學需要，自動化生產線實訓教學設備設計以結構輕巧、安全實用、拆裝靈活為指導思想，采用模塊化組合設計原則[6]。不但每個模塊可以獨立進行教學，同時也可以將多個模塊自由組合進行綜合的實訓教學，教學過程由簡入繁，使學生在實訓過程中能深層次地掌握技術，達到舉一反三的效果[4]。設計的自動化生產線實訓教學設備綜合應用機械、電氣、PLC、氣動、傳感器等機電一體化技術，能有效縮短理論教學與實際應用之間的距離[7-10]。同時，使用過的電氣元器件和機械部件可重復使用，節(jié)能環(huán)保。

2 總體結構方案設計

2.1 總體結構方案

自動化生產線實訓教學設備總體結構主要由鋁型材框架結構平臺、瓶底－物料供應結構模塊、搬運結構模塊、瓶蓋預裝結構模塊、成品分揀結構模塊等幾部分組成，如圖1所示。

1.瓶底－物料供應結構模塊 2.瓶蓋預裝結構模塊 3.安全光柵4.三色指示燈 5.搬運結構模塊 6.成品分揀結構模塊 7.控制柜 8.萬向輪9.鋁型材框架結構平臺10.安全擋板11.控制按鈕12.HMI觸摸屏 13.電源總控開關 14.氣動三聯(lián)件

為了使設備整體結構緊湊，同時質量輕、強度高，大部分機械部件采用鋁合金材質[11]。其中起支撐作用的鋁型材框架結構平臺主要采用組合結構，框架采用3030歐標鋁型材組合連接，工作臺面采用3090鋁型材并排連接，框架的左面、右面和底面采用鋁塑板進行封堵，后面和前面安裝有柜門，柜門框架采用1530鋁型材組合連接，然后在中間安裝亞克力板，框架中間的封閉空間主要用于安裝控制系統(tǒng)的硬件部分，包括網孔板、線槽、空氣開關、PLC模塊、開關電源、中間繼電器、接線端子排、交換機、步進控制器等。鋁型材框架結構平臺的工作臺面上主要安裝執(zhí)行機構，在左右兩端安裝有防護擋板，防護擋板主要由3030鋁型材和亞克力板構成，在防護擋板的兩側安裝有安全光柵，用于設備自動運行時的安全防護。在其中一塊防護擋板上安裝有控制按鈕和HMI觸摸屏，控制按鈕主要用于設備啟動、停止、暫停和急停，HMI觸摸屏主要用于監(jiān)控設備的整個運行狀態(tài)；在另一塊防護擋板頂端安裝有三色指示燈，用于設備運行狀態(tài)的顯示，綠色燈常亮表示設備正常運行，黃色燈閃爍表示設備處于暫停狀態(tài)，紅色燈閃爍表示設備處于急停狀態(tài)，紅色燈常亮表示設備處于停止運行狀態(tài)。

2.2 設備工藝流程

本文設計的自動化生產線實訓教學設備工藝流程如圖2所示。瓶底－物料供應結構模塊主要負責瓶底自動供應和物料自動裝瓶，搬運結構模塊主要負責將瓶底在各個工位之間運轉，瓶蓋預裝結構模塊主要是將瓶蓋自動預裝到瓶底上，成品分揀結構模塊主要是將瓶蓋壓緊，然后根據(jù)不同顏色的瓶蓋，將裝有物料的瓶子成品進行分類。每一個模塊可以獨立構成機電控制系統(tǒng)單元，也可以集成為一個多功能的機電一體化控制系統(tǒng)單元。

打開總電源開關和氣動三聯(lián)件氣壓旋鈕，上電指示燈亮起，氣壓表有讀數(shù)，表明實訓設備供電供氣正常，可以開機運行。按下啟動按鈕后，系統(tǒng)啟動自動運行模式，儲物筒最底層瓶底落下，傳送帶運行，將瓶底送到物料工位后停止，儲物筒最底層物料裝入瓶中，傳送帶繼續(xù)運行，裝有物料的瓶底到達預定位置后，搬運手抓抓取瓶底運送到瓶蓋預裝工位，同時瓶底供應和物料裝瓶進入下一次循環(huán)，儲物筒最底層瓶蓋預裝到瓶底上，搬運手抓繼續(xù)抓取瓶底運送到分揀工位，首先進行瓶蓋壓緊動作，然后分揀機構根據(jù)色標傳感器的檢測信號動作，進行成品分類，依次循環(huán)，直至所有成品分揀完成，系統(tǒng)停止運行。

圖2 自動化生產線實訓教學設備工藝流程

3 主要結構模塊設計

3.1 瓶底－物料供應結構模塊

瓶底－物料供應結構模塊單元包括傳送帶單元、瓶底自動供應單元、物料自動裝瓶單元及傳感器檢測單元等，如圖3所示。非標零部件包括傳感器支架、傳送帶支架、支撐底板、定位豎板、瓶底筒橫豎板及物料筒橫豎板等，需自行設計加工。傳感器支架采用1.5 mm厚鈑金加工，傳送帶支架采用3 mm厚鈑金加工，支撐底板、定位豎板、瓶底筒橫豎板和物料筒橫豎板采用鋁合金加工并做陽極氧化處理。為了降低成本，縮短設計周期，非標零部件的加工全部委托第三方代加工（即外協(xié)加工）。

瓶底為白色透明的塑料圓筒，底部有端蓋，開口處有卡槽，物料為黑色的塑料圓柱體，系統(tǒng)開始運行前，由人工將瓶底和物料預先裝入到各自的儲物筒內。系統(tǒng)開始運行后，當電容式接近開關檢測到瓶底信號時，瓶底固定氣缸活塞桿伸出夾緊固定倒數(shù)第二個瓶底，瓶底推送氣缸活塞桿縮回，最底層瓶底落下，當對射型光纖傳感器檢測到瓶底信號時，傳送帶開始運行，同時瓶底推送氣缸活塞桿伸出，瓶底固定氣缸活塞桿縮回。當物料工位對射型光纖傳感器檢測到瓶底信號時，傳送帶停止運行，定位氣缸活塞桿伸出將瓶底夾緊定位。當電容式接近開關檢測到物料信號時，物料固定氣缸活塞桿伸出，夾緊固定倒數(shù)第二個物料，物料推送氣缸活塞桿縮回，最底層物料送出，延時2 s后，定位氣缸活塞桿縮回，傳送帶繼續(xù)運行，同時物料推送氣缸活塞桿伸出，物料固定氣缸活塞桿縮回。當對射型光電傳感器檢測到瓶底信號時，傳送帶停止運行，等待搬運手抓抓取。當搬運手抓將瓶底抓取搬運走后，瓶底－物料供應結構模塊開始下一次循環(huán)運行。

1.物料 2.對射型光電開關3.皮帶擋板4.傳送帶5.定位豎板6.物料擋板7.物料推送氣缸8.物料固定氣缸9.物料筒豎板10.物料固定頭11.物料筒橫板12.瓶底推送氣缸13.物料筒 14.瓶底固定氣缸15.瓶底筒豎板16.瓶底筒橫板 17.瓶底筒18.瓶底固定頭19.瓶底料擋板20.電容式接近開關21.支撐底板22.鋁型材角件23.直流調速電機24.定位氣缸25.2020鋁型材 26.傳送帶橫梁 27.傳送帶支架28.光電開關支架29.瓶底30.傳送帶同步帶輪 31.同步帶32.電機同步帶輪33.電機支架34.光纖傳感器支架35.對射型光纖傳感器

3.2 搬運結構模塊

搬運結構模塊單元主要包括滾珠絲桿滑臺、氣動手抓、導桿氣缸以及傳感器等，如圖4所示。滾珠絲桿導程為10 mm，精度等級C級，有效行程500 mm，驅動電機為57步進電機，通過聯(lián)軸器直接驅動滾珠絲桿，結構緊湊，傳動效率高。氣動手抓選擇SMC品牌的MHZ2平行開閉型手指氣缸，開閉行程4 mm，夾持力6.1 N，作用方式為雙作用，以防斷氣斷電時工件掉落。氣動手抓有兩個方向的運動自由度，方向和方向，方向運動由導桿氣缸驅動，方向運動由滾珠絲桿滑臺驅動，滾珠絲桿滑臺上標記有三個運動位置，分別是初始位置、瓶蓋位置和分揀位置，依次對應工作臺上的瓶底－物料供應工位、瓶蓋預裝工位和成品分揀工位，每個運動位置上安裝有電感式接近開關，用于檢測絲桿螺母的運動位置，即檢測定位氣動手抓的位置，以便準確完成搬運動作。

3.3 瓶蓋預裝結構模塊

瓶蓋預裝結構模塊單元主要包括瓶底底座運送機構、瓶蓋自動預裝機構、氣動系統(tǒng)以及傳感器檢測系統(tǒng)等，如圖5所示。瓶蓋為不透明的塑料材質，有紅、綠、藍三種顏色，瓶蓋與瓶底扣合需要施加一定的壓力，在扣壓之前先將瓶蓋預裝到瓶底上，以便后續(xù)工序施壓，其中瓶蓋自動預裝機構的組成及工作過程和瓶底自動供應單元類似，此處不再贅述。

1.傳感器支架 2.電感式接近開關3.絲桿螺母4.直線導軌 5.步進電機6.聯(lián)軸器7.滾珠絲桿8.物料9.滑臺支架 10.瓶底11.氣動手抓12.導桿氣缸 13.滑臺底座

1.傳感器支架 2.反射型光纖傳感器3.瓶底底座4.瓶底 5.直線滑軌6.電容式接近開關7.瓶蓋筒豎板8.瓶蓋筒橫版 9.瓶蓋筒10.瓶蓋11.瓶蓋固定頭 12.瓶蓋固定氣缸 13.瓶蓋推送氣缸14.瓶蓋擋板15.瓶蓋筒底板 16.2020鋁型材17.鋁型材角件18.無桿氣缸支架 19.磁偶式無桿氣缸20.瓶底底座連接板 21.支撐底板

瓶底底座運送機構由磁偶式無桿氣缸、直線導軌和瓶底底座等構成。磁偶式無桿氣缸的主要結構為磁性活塞、缸筒、磁性滑塊及密封圈等，其工作原理為在活塞上安裝一組強磁性永久磁環(huán)，磁力線通過薄壁缸筒與套在外面的滑塊中的異極磁環(huán)相互作用，產生很強的吸力。當活塞在缸筒內被氣壓推動時，在磁力作用下，帶動缸筒外部的滑塊做同步移動。值得注意的是氣缸活塞的推力必須與內外磁環(huán)的吸力相適應，否則當氣壓過高或負載過重時，作用力會超出內外磁環(huán)之間的耦合力造成脫磁，使得滑塊和活塞脫離，氣缸不能正常工作。因此磁偶式無桿氣缸的工作壓力、負載及速度必須控制在合理范圍內。

3.4 成品分揀結構模塊

成品分揀結構模塊單元主要包括有瓶蓋壓緊機構、傳送帶、分揀機構、氣動系統(tǒng)以及傳感器檢測系統(tǒng)等，如圖6所示。瓶蓋壓緊機構的輸出動力選擇SDA系列薄型氣缸，該薄型氣缸的安裝空間小、性能穩(wěn)定可靠。成品的分揀根據(jù)瓶蓋的顏色進行分類，瓶蓋顏色的檢測選擇OMRON色標光電傳感器E3S-DC型號，其具有受光范圍寬廣、檢測穩(wěn)定、色差分辨率高等特點。

1.對射型光電開關 2.瓶蓋 3.氣缸豎板 4.氣缸橫板 5.分揀氣缸 6.薄型氣缸 7.色標光電傳感器 8.成品推頭9.分揀支架 10.傳送帶 11.成品分類筒12.導向槽 13.三相交流異步電動機 14.分類筒固定板15.對射型光纖傳感器 16.壓緊頭 17.傳送帶支架18.瓶底19.光電開關支架

當對射型光電開關檢測到信號時，傳送帶開始運行，當對射型光纖傳感器檢測到信號時，傳送帶停止運行，薄型氣缸活塞桿伸出，將瓶蓋下壓扣合，動作完成后延時2 s，傳送帶繼續(xù)運行，分揀氣缸根據(jù)色標光電傳感器檢測到的信號進行動作，將相應顏色的成品推送到分類筒中。依次循環(huán)，直到所有成品分揀完成。

4 結語

為適應新時代職業(yè)教育改革發(fā)展的要求以及工業(yè)自動化生產企業(yè)對高技能應用型人才的大力需求，根據(jù)學院的專業(yè)特色，因材施教，自主設計研發(fā)了一套自動化生產線實訓教學設備。該設備結構緊湊輕巧，運行節(jié)能環(huán)保，可以進行機械部件拆裝、電氣安裝接線、PLC編程控制、氣壓傳動、傳感器檢測、步進電機控制、直流電機調速、變頻器調速、觸摸屏及網絡通信等教學實訓，拓展性較好，并且可以根據(jù)教學實際過程進行靈活拆解組合，能很好地滿足職業(yè)院校機電工程、電氣自動化、智能控制等專業(yè)學生的教學需求，實現(xiàn)真正意義上的應用型技能人才的培養(yǎng)。

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Design of Practical Teaching Equipment for Automation Production Line

MIAO Yugang，HE Yuhui，JIN Hongji

( Department of Electrical Engineering, Sichuan Vocational College of Information Technology, Guangyuan 628040, China )

Aiming at the problems of mechanical-electrical integration practical teaching equipment in Vocational colleges, such as integration and solidification, inability to disassemble and assemble, poor flexibility and expansibility, single function and high cost etc, a practical teaching equipment for automatic production line is designed with modular design idea. The equipment is mainly composed of bottle and materials supply structure module, handling structure module, bottle cap pre-loading structure module and finished product sorting structure module. Each module can be flexibly disassembled and assembled for independent practical teaching, and can also be combined into a multi-functional pipeline for practical teaching. The research shows that the designed training teaching equipment is light in structure, economical and environmental protection, and can provide a teaching and training platform for teachers and students to meet the needs of social development.

automation；production line；teaching equipment；pneumatic technology

TH39；TP23

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2019.02.009

1006－0316 (2019) 00－0053－06

2019－08－20

2018年學院科技平臺課題（2018KC18）；2018年廣元市科學技術和知識產權局指導性科技計劃項目（2018ZCZDYF013）

苗玉剛（1987－），男，安徽太和人，工學碩士，助教，主要研究方向為機電一體化技術；何玉輝（1985－），男，四川南充人，工學碩士，助教，主要研究方向為電子技術；金洪吉（1982－），女，四川雙流人，本科，副教授，主要研究方向為PLC控制技術。