網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動型離散制造生產(chǎn)演示線在教學(xué)中的應(yīng)用

任科成 向 忠

（浙江理工大學(xué) 浙江·杭州 310018）

0 引言

機(jī)械電子工程專業(yè)是對工程實踐能力要求很高的綜合型跨專業(yè)學(xué)科，豐富的實踐經(jīng)驗是學(xué)生職業(yè)發(fā)展的重要基奠，所以在課程群體系建設(shè)中需要理論與實踐結(jié)合，不但要重視學(xué)生的理論基礎(chǔ)，更要鍛煉動手實踐能力，將理論用于實踐，在實踐中鞏固知識，才能提高學(xué)生的綜合能力[1]。而在人才培養(yǎng)方案設(shè)計方面，雖然已將機(jī)械、電子、控制、信息、計算機(jī)、人工智能、管理等諸多理論體系進(jìn)行了高度融合與集成，但在實驗與實踐環(huán)節(jié)卻缺少相應(yīng)的平臺支撐，如已有裝置多為單臺套離散型設(shè)備，各平臺間缺少耦聯(lián)關(guān)系；缺少面向工業(yè)自動化與智能化所需的軟件平臺等，無法滿足我國制造業(yè)發(fā)展的人才培養(yǎng)需求。

據(jù)此，本項目將通過對現(xiàn)有設(shè)備的改造，最終形成一套網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動型離散制造生產(chǎn)演示線。該演示線可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)定制化參數(shù)，模擬驅(qū)動工件的按需上料、檢測、輸送、加工、裝配、分揀、存儲等，并能對生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行自動查詢與管理。從學(xué)科知識點來看，該系統(tǒng)覆蓋了機(jī)械、氣壓傳動、傳感器、電機(jī)控制、計算機(jī)軟件開發(fā)、PLC、人機(jī)界面開發(fā)等軟硬件知識，可極大的加深學(xué)生對工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)電系統(tǒng)所發(fā)揮作用的認(rèn)知，提升其對專業(yè)知識的興趣度；同時，還可全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力，增強(qiáng)其在項目開發(fā)中的團(tuán)隊協(xié)作精神，為培養(yǎng)高素質(zhì)綜合性人才奠定基礎(chǔ)。

1 課程建設(shè)內(nèi)容

本示范線面向培養(yǎng)符合我國機(jī)械制造業(yè)向數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展所亟須的高綜合素質(zhì)素養(yǎng)機(jī)械類人才為主要目標(biāo)，以典型的離散型機(jī)加工示范系統(tǒng)為抓手，從典型機(jī)電控制系統(tǒng)開發(fā)、多機(jī)互聯(lián)互通系統(tǒng)開發(fā)和Web端生產(chǎn)管理系統(tǒng)開發(fā)三方面入手，把傳統(tǒng)的“信息孤島”型演示系統(tǒng)，提升為信息互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、管理網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)線，主要建設(shè)內(nèi)容包括：

1.1 基于PLC的機(jī)電控制系統(tǒng)開發(fā)

PLC技術(shù)利用可編程序的存儲器，從而實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)等功能，從而用于生產(chǎn)過程中的自動控制和監(jiān)控的目的。PLC具有體積小，功能強(qiáng)大的特點，尤為重要的是PLC具有在線修改功能，從而能夠利用電腦和軟件實現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的控制，同時在線修改功能的存在，使其的靈活性和可靠性提升了。

以典型離散加工系統(tǒng)中的上料、裝配、分揀、倉儲工藝為研究對象，在對現(xiàn)有設(shè)備機(jī)械構(gòu)件等進(jìn)行自動化改進(jìn)以及對各工位之間的物流方式進(jìn)行有效的自動化銜接基礎(chǔ)上，以PLC為各工藝段的核心處理單元，針對性的開發(fā)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對機(jī)械加工生產(chǎn)過程中模、數(shù)信號的輸入輸出，并采用相應(yīng)的控制算法實現(xiàn)對電機(jī)、氣缸等執(zhí)行件的控制，滿足機(jī)械加工工所需的動作時序要求，實現(xiàn)對工件的自動化處理和輸送。

1.2 基于串行通訊協(xié)議的多機(jī)互聯(lián)互通系統(tǒng)開發(fā)

為實現(xiàn)各加工工序段裝備之間的設(shè)備互聯(lián)、生產(chǎn)信息共享，提出基于Modbus通訊協(xié)議和RS485串行總線技術(shù)的多機(jī)通訊方法，并給出多機(jī)通訊系統(tǒng)的硬件電路圖、軟件設(shè)計方案，開發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)工藝參數(shù)和實時數(shù)據(jù)的采集與存儲等；提出基于RS232串行總線技術(shù)的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計方案，開發(fā)相應(yīng)的人機(jī)交互平臺，實現(xiàn)在上位計算機(jī)對現(xiàn)場生產(chǎn)工藝參數(shù)和實時數(shù)據(jù)的設(shè)定、操作、監(jiān)控等功能，提高系統(tǒng)的集成度。

1.3 基于.Net框架的生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)端應(yīng)用程序開發(fā)

為實現(xiàn)對生產(chǎn)裝備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、訪問和操作等，提出基于.Net框架的生產(chǎn)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)端應(yīng)用程序開發(fā)方法，并給出基于Ethernet/IP通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)訪問規(guī)范、開發(fā)相應(yīng)的客戶端應(yīng)用程序，實現(xiàn)生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、生產(chǎn)計劃維護(hù)、原料和成品管理、績效統(tǒng)計、故障監(jiān)測等功能。

2 教學(xué)模塊及案例

2.1 上料單元

經(jīng)改進(jìn)后的上料機(jī)構(gòu)主要由推料氣缸、磁性開關(guān)、料筒檢測開關(guān)、傳送帶、三相異步電機(jī)和料到檢測開關(guān)等構(gòu)件組成。該單元采用雙料倉進(jìn)行待加工工件的儲存，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定模式進(jìn)行智能送料。送料時，由氣動推料器向外推出最底層物料，料桶光電檢測開關(guān)監(jiān)控料倉狀態(tài)是否有料并反饋給控制系統(tǒng)，用于對系統(tǒng)狀態(tài)的判定。待加工工件被推出后將到達(dá)傳送帶，傳送帶的速度采用變頻電機(jī)進(jìn)行控制，送料速度工藝曲線程序可控。在輸送帶末端安裝有光電漫反射型檢測開關(guān)，是作為工位之間操作銜接的重要信號，當(dāng)程序檢測到有物料信號時，停止電機(jī)并發(fā)送送料完成指令，下一工位可對工件進(jìn)行抓取。在改進(jìn)后的上料機(jī)構(gòu)中，各執(zhí)行元件上均安裝磁感應(yīng)接近開關(guān)，向系統(tǒng)提供各執(zhí)行元件的操作狀態(tài)信號，用于生產(chǎn)節(jié)拍控制。

2.2 裝配與搬運單元

經(jīng)改進(jìn)后的裝配與搬運單元主要由橫移機(jī)械手、四工位加工轉(zhuǎn)盤和提升裝配機(jī)構(gòu)組成。橫移機(jī)械手可向各個工作單元輸送工件，由同步帶及同步帶輪、多自由度搬運機(jī)械手、伺服電機(jī)、電磁閥組和定位開關(guān)等組件組成?？蓪⑽锪蠌囊稽c精確的搬運到另一點，傳送采用PLC脈沖控制。四工位加工轉(zhuǎn)盤主要由工件識別傳感器、旋轉(zhuǎn)加工轉(zhuǎn)盤、模擬加工裝置組成，可將工件進(jìn)行加工后運送到準(zhǔn)確位置再進(jìn)行模擬鉆孔、料蓋裝配等動作。提升裝配用于橫向搬運和裝配工件蓋，長行程無桿氣缸、真空吸盤可將工件蓋從蓋倉內(nèi)準(zhǔn)確的搬運到工位槽內(nèi)，帶限位停止功能。

對該系統(tǒng)的動作設(shè)計如下：開機(jī)后，機(jī)械手先執(zhí)行回原點操作。當(dāng)?shù)竭_(dá)原點位置后，若系統(tǒng)檢測到上站有工件在等待夾取時，機(jī)械手先提升到一定高度移動到工件所在地點伸出手爪，伸出到位后下降并夾緊工件；手爪夾緊到位后，開始上升使物料離開工作位，然后開始向轉(zhuǎn)盤方向移動，并縮回機(jī)械手爪，同時旋轉(zhuǎn)氣缸開始旋轉(zhuǎn)以及定中位氣缸伸出，待機(jī)械手移動到工件轉(zhuǎn)盤加工位置時停止移到，向轉(zhuǎn)盤加工位放入工件，手爪抬起等待加工、裝配完畢后再將工件從轉(zhuǎn)盤加工位取出，機(jī)械手繼續(xù)右移、定中位氣缸復(fù)位、右轉(zhuǎn)、伸出手臂，把工件放置到下一個站點，再自動回位到原點等待下次抓取信號。

對提升裝配機(jī)構(gòu)而言，在接收到裝配物料到達(dá)信號后，無桿氣缸移動到可搬運物料位置，提升氣缸向下運動，真空吸盤開始吸住料蓋，當(dāng)觸發(fā)到吸盤處的限位開關(guān)時，提升氣缸向上運動，到位后無桿氣缸向左運動將料蓋裝入工件中，隨即復(fù)位無桿氣缸進(jìn)入下次裝配動作。在改進(jìn)后的搬運與裝配單元中，各執(zhí)行元件上均安裝磁感應(yīng)接近開關(guān)，向系統(tǒng)提供各執(zhí)行元件的操作狀態(tài)信號，用于生產(chǎn)節(jié)拍控制。

2.3 物料分揀與機(jī)械手搬運單元

經(jīng)改進(jìn)后的分揀與機(jī)械手搬運單元主要由物料分揀機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)組成。在物料分揀機(jī)構(gòu)中采用光纖傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器及磁性開關(guān)等感應(yīng)開關(guān)?？蓪ξ锪系念伾?、材料進(jìn)行分揀。旋轉(zhuǎn)機(jī)械手為一個四自由度機(jī)械手，觸發(fā)機(jī)械手底部的旋轉(zhuǎn)氣缸，可進(jìn)行180度任意方向旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)可以使機(jī)械手上下、前后任意的移動，以及氣動手爪抓/放等功能。該模塊采用活動安裝底板，可任意組裝使用也可單一實驗控制使用。該分揀系統(tǒng)主要完成對各個經(jīng)過傳送帶上的物料進(jìn)行（如：材料、顏色）進(jìn)行檢測，計數(shù)、檢測不同物料發(fā)送不同信號至PLC內(nèi)部。當(dāng)物料通過傳送帶運送時，對工物料進(jìn)行分揀。

對該系統(tǒng)的動作設(shè)計如下：系統(tǒng)初次上電后，自動復(fù)位到初始位置等待物料到達(dá)，檢測到物料到達(dá)后，機(jī)械手向前、向下運動將物料抓起，經(jīng)底部旋轉(zhuǎn)氣缸向右旋轉(zhuǎn)后，機(jī)械手再次向前、向下運動，待到達(dá)下一站接料臺位置處放下物料，待下站發(fā)出接收到物料信號后，機(jī)械手復(fù)位進(jìn)入下一次抓料動作。在改進(jìn)后的搬運與裝配單元中，各執(zhí)行元件上均安裝磁感應(yīng)接近開關(guān)，向系統(tǒng)提供各執(zhí)行元件的操作狀態(tài)信號，用于生產(chǎn)節(jié)拍控制。

2.4 倉儲機(jī)械手單元

改進(jìn)后倉儲機(jī)械手單元主要由送料機(jī)械手和立體倉庫組成。送料機(jī)械手是向各個豎直工作單元輸送工件，模塊由送料臺、步進(jìn)電機(jī)、螺紋絲桿、電磁閥組和定位開關(guān)等組件組成?？蓪⑽锪蠌牧泓c精確的搬運到豎直的存儲位。傳送采用的是PLC脈沖控制。對該系統(tǒng)而言，其需要根據(jù)所接受到的工藝參數(shù)，完成對工件進(jìn)行智能分類、智能儲料、取料等操作。同時，還應(yīng)包括一些基礎(chǔ)功能，如系統(tǒng)上電后的自動復(fù)位；當(dāng)滑臺處的光電開關(guān)感應(yīng)到有物料時，步進(jìn)電機(jī)將運動到指定的料口處，氣動推料氣缸得電后，使物料進(jìn)入倉庫內(nèi)。當(dāng)倉庫料滿時，能夠給出相應(yīng)的倉滿交互信號燈。

在改進(jìn)后的倉儲單元中，各執(zhí)行元件上均安裝磁感應(yīng)接近開關(guān)，向系統(tǒng)提供各執(zhí)行元件的操作狀態(tài)信號，用于生產(chǎn)節(jié)拍控制。

2.5 基于串行通訊協(xié)議的多機(jī)互聯(lián)互通系統(tǒng)

通過上述分析可知，整個離散加工模擬系統(tǒng)由四個分站組合而成，每一個分站又由不同的模塊組成。當(dāng)一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)組成以后，為了各個模塊之間的動作協(xié)調(diào)有序，在站與站之間采用RS-485網(wǎng)絡(luò)通訊。RS-485是串行通訊方式，在物理層雙方使用相同的通訊速率和通訊數(shù)據(jù)格式（即數(shù)據(jù)位和停止位長度、奇偶校驗或地址數(shù)據(jù)傳輸，由串口線路控制寄存器的值決定），在應(yīng)用層一般采用命令+應(yīng)答方式，上位機(jī)發(fā)送命令報文，下位機(jī)收到后發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答報文進(jìn)行響應(yīng)，每一種命令報文對應(yīng)著一種應(yīng)答報文，其報文格式與標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的類似，采用的報文格式為：開始段+地址碼+功能碼+數(shù)據(jù)段+校驗碼+結(jié)束段。

RS-485網(wǎng)絡(luò)通訊把整個系統(tǒng)融為一體。在該系統(tǒng)中將第一個單元作為主站，而將其他站作為從站，由主站實現(xiàn)與人機(jī)交互系統(tǒng)、從站和網(wǎng)絡(luò)端的數(shù)據(jù)交互等功能。

對于現(xiàn)場人機(jī)交互系統(tǒng)而言，采用基于RS232串行總線技術(shù)的設(shè)計方案，RS232通信是在計算機(jī)系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)的一個接口配置，其主要是利用標(biāo)準(zhǔn)化的接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。人機(jī)界面采用直接訪問PLC存儲空間或中間存儲模塊等方式對主站內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作，相應(yīng)的指令經(jīng)主站解析后下達(dá)到各從站，控制相應(yīng)部件的動作。

2.6 基于.Net框架的Web端生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)

為實現(xiàn)采用WEB端系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、生產(chǎn)計劃維護(hù)、原料和成品管理、績效統(tǒng)計、故障監(jiān)測等功能，本項目將詳細(xì)闡述基于.NET框架的軟件開發(fā)管理系統(tǒng)的思路和流程，并對項目組老師的實際開發(fā)經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)，向?qū)W生著重論述軟件開發(fā)環(huán)節(jié)中過程管理的重要性和對過程管理所需要的數(shù)據(jù)和重點步驟作進(jìn)行分析。其次，對實現(xiàn)管理系統(tǒng)開發(fā)所需的.NET架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計和Java-Script等技術(shù)進(jìn)行介紹，并根據(jù)管理系統(tǒng)的需求和特點制定合適的技術(shù)路線，形成模塊化開發(fā)設(shè)計方法，在單獨實現(xiàn)生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、生產(chǎn)計劃維護(hù)、原料和成品管理、績效統(tǒng)計、故障監(jiān)測模塊開發(fā)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)集成。最后，在.NET平臺框架下，結(jié)合智能化/數(shù)字化制造車間的生產(chǎn)管理特點，形成基于軟件復(fù)用技術(shù)的B／S模式分層體系結(jié)構(gòu)和分布式Web服務(wù)技術(shù)的企業(yè)應(yīng)用底層數(shù)據(jù)集成方法，實現(xiàn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)與在線生成設(shè)備之間的無縫集成，解決制造企業(yè)生產(chǎn)管理的“信息孤島”和數(shù)據(jù)整合問題。

3 解決的關(guān)鍵教學(xué)問題

針對機(jī)械電子工程專業(yè)目前存在的專業(yè)知識面覆蓋廣、而能將各學(xué)科知識進(jìn)行有效串聯(lián)的實驗與實踐平臺缺失的現(xiàn)狀，圍繞該網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動型離散制造生產(chǎn)演示線，教學(xué)組還搜集和整理各種教學(xué)資源，制作了與之相配套的教案。針對特別難以理解的部分，錄制了相應(yīng)的教學(xué)視屏，幫助學(xué)生掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識；開發(fā)了相應(yīng)的教學(xué)演示案例，控制系統(tǒng)按照所設(shè)計的流程完成加工操作；形成“約束式”和“開放式”兩類實踐課題，用于訓(xùn)練學(xué)生從“設(shè)計性實踐”向“創(chuàng)造性實踐”的飛躍。通過該示范線教學(xué)，解決了以下關(guān)鍵教學(xué)問題：

（1）以PLC為核心控制器，對現(xiàn)有機(jī)電設(shè)備進(jìn)行自動化改造，通過將機(jī)、電、軟件等的有效結(jié)合，加深學(xué)生對機(jī)電一體化的認(rèn)知與理解；

（2）以串行通訊協(xié)議為抓手，以生產(chǎn)可視化為目標(biāo)，實現(xiàn)對各離散裝備的互聯(lián)互通組網(wǎng)，達(dá)到設(shè)備互聯(lián)、信息共享的目的，為學(xué)生灌輸數(shù)字化車間構(gòu)建所必需的專業(yè)知識；

（3）以Ethernet/IP通訊協(xié)議為基礎(chǔ)，構(gòu)建生產(chǎn)制造遠(yuǎn)程管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提升學(xué)生對生產(chǎn)信息化和智能化的認(rèn)知。

（4）通過系統(tǒng)集成化設(shè)計和模塊化分解開發(fā)，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力，增強(qiáng)其在項目開發(fā)中的團(tuán)隊協(xié)作精神，為培養(yǎng)高素質(zhì)綜合性人才奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本課程中融入了機(jī)電液一體化技術(shù)，它是一種集機(jī)械、電氣、液壓、氣動、伺服、檢測傳感及控制等技術(shù)于一體，又不斷通過學(xué)科交叉、技術(shù)融合與創(chuàng)新，使其自身得到持續(xù)、快速發(fā)展，是多技術(shù)融合與集成且面向應(yīng)用的綜合性學(xué)科技術(shù)。近年來，國內(nèi)外工程機(jī)械產(chǎn)品以機(jī)電液一體化綜合技術(shù)為發(fā)展方向，開展了大量研究，具體有與各種工程機(jī)械相匹配的軟、硬件系統(tǒng)，使工程機(jī)械向智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展，科技含量得到顯著提升，機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅猛。因此，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對掌握機(jī)電液一體化綜合技術(shù)的技能型人才的需求量逐步增多，加快人才的培養(yǎng)顯得至關(guān)重要。

本課程的成果可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)定制化參數(shù)，模擬驅(qū)動典型離散機(jī)加工過程中工件的按需上料、檢測、輸送、加工、裝配、分揀、存儲等，并能對生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行自動查詢與管理。該成果的實施可極大的加深學(xué)生對工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)電系統(tǒng)所發(fā)揮作用的認(rèn)知，提升其對專業(yè)知識的興趣度；還可全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力，增強(qiáng)其在項目開發(fā)中的團(tuán)隊協(xié)作精神，具有創(chuàng)新性。