1、柔性生產(chǎn)線和PLC

柔性自動(dòng)生產(chǎn)線是能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一種機(jī)器體系。通過采用一套能自動(dòng)進(jìn)行加工、檢測(cè)、裝卸、運(yùn)輸?shù)臋C(jī)器設(shè)備，組成高度連續(xù)的、*自動(dòng)化的生產(chǎn)線，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而提高工作效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工質(zhì)量、快速更換產(chǎn)品。在各個(gè)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，不同種類的自動(dòng)線的結(jié)構(gòu)不同，大小也不同，功能也不同。它們基本都包含檢測(cè)、機(jī)械本體、CPU信息處理、(輸入、輸出)接口部分以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)五部分。

PLC(可編程邏輯控制器)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分。PLC的廣泛使用，使得控制規(guī)模不斷擴(kuò)大，開放性和互操作性大大發(fā)展；使得工業(yè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化、控制信息化及智能化。尤其在運(yùn)動(dòng)控制、模擬量控制及驅(qū)動(dòng)控制更是成為系統(tǒng)工作自動(dòng)化中zui有效的工具之一。

2、生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)平臺(tái)由供料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元五個(gè)單元組成。其中，每一工作單元都可自成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，同時(shí)也都是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)。

輸送單元是將單元的物料臺(tái)定位，再抓取該物料臺(tái)上物料，然后送到工作站放下。供料單元按照需要把料倉(cāng)中要加工的工件自動(dòng)推出到供料物料臺(tái)上，便于輸送單元的機(jī)械手裝置能把工件抓取送到其他工作單元。加工單元把物料臺(tái)上的由輸送單元的抓取機(jī)械手裝置送來的工件送到?jīng)_壓機(jī)構(gòu)的底下，進(jìn)行一次沖壓加工，接下來再返回到物料臺(tái)上，等待輸送單元的抓取機(jī)械手裝置來抓取。裝配單元實(shí)現(xiàn)料倉(cāng)中黑色或白色小工件裝配到已加工過的工件中的工作過程。分揀單元將裝配好的工件進(jìn)行分揀，實(shí)現(xiàn)不同顏色的裝配工件從不同的料槽中分揀出來。

3、部分功能性子系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 輸送單元

輸送單元是本實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)平臺(tái)中zui重要的一個(gè)工作單元，承擔(dān)著比較繁重的任務(wù)。主要功能是通過機(jī)械手定位單元的物料臺(tái)，然后在物料臺(tái)上將工件輸送到的地點(diǎn)。這個(gè)單元里的主要零部件有：抓取機(jī)械手裝置、步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)組件、PLC模塊、按鈕/指示燈模塊接線端子排等。

輸送單元需要完成網(wǎng)絡(luò)控制、抓取機(jī)械手裝置控制和步進(jìn)電機(jī)定位控制三個(gè)方面的任務(wù)。它的工作流程和系統(tǒng)、框圖如圖2、圖3所示。

圖1 輸送單元工作流程圖

圖2 輸送單元框圖

根據(jù)輸送單元控制要求，PLC控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)原理圖

機(jī)械手動(dòng)作順序?yàn)椋?/p>

啟動(dòng)→復(fù)位→前進(jìn)→夾緊→上升→后退→整體移動(dòng)→前進(jìn)→下降→松開→后退→待加工完成→前進(jìn)→夾緊→上升→后退→整體移動(dòng)→前進(jìn)→下降→松開→后退→待裝配完成→前進(jìn)→夾緊→上升→后退→整體移動(dòng)→旋轉(zhuǎn)90o→前進(jìn)→下降→松開→復(fù)位→結(jié)束。

本生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)采用集成化驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。采用的步進(jìn)電機(jī)是Kinco三相步進(jìn)電機(jī)3S57Q-04056，并且選驅(qū)動(dòng)器為Kinco 3M458三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具有其他驅(qū)動(dòng)器沒有特點(diǎn)：內(nèi)部的直流驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)4OV，高速性能更好；交流伺服驅(qū)動(dòng)，有交流伺服運(yùn)轉(zhuǎn)特性，輸出為三相正弦電流；細(xì)分功能zui高可達(dá)10000步/轉(zhuǎn)，可以通過撥動(dòng)開關(guān)設(shè)定細(xì)分；

電機(jī)靜態(tài)鎖緊狀態(tài)下具有自動(dòng)半流功能，大大降低了電機(jī)的發(fā)熱；幾乎沒有步進(jìn)電機(jī)常見的爬行和共振區(qū)，通過撥動(dòng)開關(guān)設(shè)定輸出相電流；控制信號(hào)的輸入電路是選用光禍隔離的。

3.2 其他代表性的單元

3.2.1 供料單元

供料單元是實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)平臺(tái)的起始工作單元，他主要是按照需要將放置在料倉(cāng)中待加工工件(原料)自動(dòng)地推出到物料臺(tái)上，以便輸送單元的機(jī)械手將其抓取，輸送到其他單元上。本文中供料單元的組成為:工件推出與支撐，工件漏斗，閥組，端子排組件，PLC急停按鈕和啟動(dòng)/停止按鈕，走線槽、底板等。工件推出與支撐及漏斗部分用于儲(chǔ)存工件原料，并在需要時(shí)將料倉(cāng)中zui下層的工件推出到物料臺(tái)上。它主要由大工件裝料管、推料氣缸、頂料氣缸、磁感應(yīng)接近開關(guān)、漫射式光電傳感器組成。

本單元的PLC控制器中，傳感器信號(hào)占用7個(gè)輸入點(diǎn)，留出1個(gè)點(diǎn)提供給啟/停按鈕作本地主令信號(hào)，則所需的PLCI/O點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)輸入2點(diǎn)輸出。本單元采用西門子57-222主單元，共8點(diǎn)輸入和6點(diǎn)繼電器輸出。

本單元中采用RS485串行通信實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制，系統(tǒng)的主令信號(hào)均從連接到輸送站PLC(主站)的按鈕/指示燈模塊發(fā)出，經(jīng)輸送站PLC程序處理后，把控制要求存儲(chǔ)到其發(fā)送緩沖區(qū)，通過調(diào)用NET--EXE子程序，向各從站發(fā)送控制要求，以實(shí)現(xiàn)各站的復(fù)位、啟動(dòng)、停止等等操作。供料、加工、裝配、分揀各從站單元在運(yùn)行過程中的狀態(tài)信號(hào)，存儲(chǔ)到該單元PLC規(guī)劃好的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待主站單元的讀取而回饋到系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。按主站單元發(fā)送的控制要求，存放在供料單元VB1000處，而供料單元運(yùn)行過程中需要回饋到系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)則應(yīng)寫入到VB1010處。VB1000和VB1010的具體內(nèi)容以及控制程序如何編制，取決于系統(tǒng)工藝過程的要求。

3.2.2 加工單元

加工單元結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)為：物料臺(tái)及滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，加工(沖壓)機(jī)構(gòu)，電磁閥組，接線端口，PLC模塊，急停按鈕和啟動(dòng)/停止按鈕，底板等。移動(dòng)料臺(tái)伸出和返回到位的位置是通過調(diào)整伸縮氣缸上兩個(gè)磁性開關(guān)位置來定位的。要求縮回位置位于加工沖頭正下方；伸出位置應(yīng)與輸送單元的抓取機(jī)械手裝置配合，確保輸送單元的抓取機(jī)械手能順利地把待加工工件放到料臺(tái)上。

滑動(dòng)物料臺(tái)采用的工作原理：滑動(dòng)物料臺(tái)在系統(tǒng)正常工作后的初始狀態(tài)為伸縮氣缸伸出，物料臺(tái)氣動(dòng)手爪張開的狀態(tài)，當(dāng)輸送機(jī)構(gòu)把物料送到料臺(tái)上，物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)到工件后，PLC控制程序驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手指將工件夾緊，物料臺(tái)回到加工區(qū)域沖壓氣缸下方，沖壓氣缸活塞桿向下伸出沖壓工件，完成沖壓動(dòng)作后向上縮回，物料臺(tái)重新伸出，到位后氣動(dòng)手指松開，完成工件加工工序，并向系統(tǒng)發(fā)出加工完成信號(hào)。下一次工件到來加工做準(zhǔn)備。在移動(dòng)料臺(tái)上安裝為一個(gè)漫射式光電開關(guān)。只要物料臺(tái)上沒有工件，則漫射式光電開關(guān)均處于常態(tài);若物料臺(tái)上有工件，則光電接近開關(guān)動(dòng)作，表明物料臺(tái)上已有工件。該光電傳感器的輸出信號(hào)送到加工單元PLC的輸入端，用以判別物料臺(tái)上是否有工件需進(jìn)行加工;當(dāng)加工過程結(jié)束，物料臺(tái)伸出到初始位置。同時(shí)，PLC通過通信網(wǎng)絡(luò)，把加工完成信號(hào)回饋給系統(tǒng)，以協(xié)調(diào)控制。

加工單元的傳感器信號(hào)占用6個(gè)輸入點(diǎn)，留出2個(gè)點(diǎn)提供給提供給急停按鈕和啟/停按鈕作本地主令信號(hào)，則所需的PLC1/0點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)輸入，3點(diǎn)輸出，采用的西門子57一222AC心C瓜LY主單元，共8點(diǎn)輸入和6點(diǎn)繼電器輸出。

加工單元的主程序在每一掃描周期調(diào)用2個(gè)子程序，一個(gè)是啟動(dòng)/停止子程序，其功能是在讀取主站發(fā)送來的控制命令以及把本站狀態(tài)信號(hào)寫到通信數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。另一個(gè)加工子程序則是完成加工工藝控制功能。

4、結(jié)論

為了確保自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)平臺(tái)是否符合我們的設(shè)計(jì)要求，仿真系統(tǒng)作整體調(diào)試工作，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。系統(tǒng)調(diào)試可分為硬件電路的連接與調(diào)試、PLC程序功能實(shí)現(xiàn)的調(diào)試及生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試等。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)需要對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的各種故障(主要為電器部分)進(jìn)行分析及診斷，并且找出故障部位所在，再用正常的備件替代，使得系統(tǒng)恢復(fù)正常的運(yùn)行。

其中zui關(guān)鍵的是對(duì)故障進(jìn)行分析，對(duì)外圍線路或系統(tǒng)進(jìn)行正常檢測(cè)，來確定故障的有無，同時(shí)對(duì)故障定位找到故障的具體位置。

本仿真系統(tǒng)吸取了國(guó)內(nèi)處自動(dòng)機(jī)械手生產(chǎn)線的優(yōu)點(diǎn)，采用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手和PLC、氣動(dòng)控制生產(chǎn)線相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款新穎的、具有高穩(wěn)定性的、適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)平臺(tái)。它與實(shí)際的生產(chǎn)線非常貼近，可根據(jù)教學(xué)的需要來重新設(shè)計(jì)和選擇，并且可以在教學(xué)使用中根據(jù)需要設(shè)置故障，應(yīng)用到教學(xué)上非常直觀。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)可有效地結(jié)合教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了整個(gè)設(shè)計(jì)方案的可行性。