基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的設(shè)計(jì)*
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李寬元1，2，王中任1，2，陳十力1,2，汪洋洋1,2，王 琪1,2，董袖青1,2
（1．湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2．汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 襄陽 441053）
摘要：設(shè)計(jì)了基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備，開發(fā)了具有沖壓、鉆孔、傳送、分揀等功能的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)加工與分揀。介紹了其電氣、液壓和氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)備可作為PLC課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和項(xiàng)目，具有一定的推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：PLC；自動(dòng)化；生產(chǎn)線；實(shí)訓(xùn)設(shè)備 中圖分類號：TP273
0 引言
隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來越高，各種自動(dòng)化生產(chǎn)線得到了廣泛應(yīng)用。為培養(yǎng)機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手能力以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求，高等院校提供優(yōu)質(zhì)、全面的實(shí)訓(xùn)設(shè)備至關(guān)重要。
目前有一些教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)廠家已經(jīng)供應(yīng)了類似的設(shè)備，但這一類設(shè)備往往價(jià)格較貴，而且實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的內(nèi)容不一定能滿足各校專業(yè)特色教育的需要，功能單一固化。因此，本文提出了一條集機(jī)電液氣一體化以及視覺檢測功能的自動(dòng)化加工線，在實(shí)時(shí)工況下，通過對工件的傳送、加工、檢測、分揀和收集以實(shí)現(xiàn)工件加工的幾個(gè)步驟，使學(xué)生們既鍛煉了動(dòng)手能力，又學(xué)到了課本以外的知識(shí)。
1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文根據(jù)目前國內(nèi)裝備制造市場和普通高等院校機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)的實(shí)際需要，運(yùn)用PLC控制編程、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓氣壓驅(qū)動(dòng)、光學(xué)檢測、機(jī)械手分檢以及傳感器等多種知識(shí)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)實(shí)用型自動(dòng)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工的自動(dòng)化、規(guī)模化，滿足高效率加工的需要。根據(jù)設(shè)想，本文使用Inventor三維軟件對自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)體建模，如圖1所示。
圖2為自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的工藝流程圖。該自動(dòng)化生產(chǎn)線由上料單元、傳送與夾緊單元、沖壓單元、鉆孔單元和分揀單元5個(gè)單元組成。其中每一個(gè)單元都可構(gòu)成獨(dú)立的系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)。其中上料單元采用人工疊料，傳送、夾緊及分揀單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣壓驅(qū)動(dòng)，沖壓及鉆孔單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)。
系統(tǒng)啟動(dòng)后，推料氣缸推出最底層物料，物料的到位與否由各極限位置的傳感器檢測，各氣缸動(dòng)作相互聯(lián)系，完成上料工作。上料單元完成上料動(dòng)作并發(fā)出信號，由導(dǎo)軌導(dǎo)向的上拖板在夾緊氣缸的帶動(dòng)下前進(jìn)到指定位置，配合固定氣缸夾緊物料。首次加工時(shí)，沖壓液壓缸動(dòng)作，完成沖壓加工，然后由夾緊氣缸后退帶動(dòng)上拖板松開，當(dāng)松開到位后，移料氣缸也后退帶動(dòng)上拖板、下拖板及夾緊氣缸后退到初始位置，此時(shí)上料單元又送出一塊物料，同時(shí)本單元又將重復(fù)該工序，此時(shí)，先前在沖壓工位的工件被移至鉆孔工位，新工件又被移至沖壓工位，然后由沖壓液壓缸與鉆孔液壓缸分別完成各自的加工后，再重復(fù)工作，當(dāng)經(jīng)過三次動(dòng)作后，工件被傳送帶送到轉(zhuǎn)盤上，采用基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的測量方法對加工后的工件進(jìn)行檢測，剔除不合格的工件；最后利用傳感器區(qū)別不同物料，并驅(qū)動(dòng)分揀氣缸將各物料送人相應(yīng)的料槽內(nèi)，待槽內(nèi)物料積滿，機(jī)械手將料槽取走。
2 實(shí)訓(xùn)設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)信號的采集和處理、伺服定位控制、氣動(dòng)系統(tǒng)控制和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示等功能。本文的控制系統(tǒng)由邏輯控制電路和液動(dòng)、氣動(dòng)回路3部分組成。液壓缸驅(qū)動(dòng)及動(dòng)力輸出由液動(dòng)回路完成，氣缸驅(qū)動(dòng)及動(dòng)力輸出由氣動(dòng)回路完成，而信號處理、轉(zhuǎn)換、邏輯功能的實(shí)現(xiàn)由控制電路完成。
2.1 PLC的I/O分配與外部接線
根據(jù)該自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝流程的分析，結(jié)合該自動(dòng)線的控制要求，選用西門子S7-200型號的PLC控制器，繪制出PLC外部接線圖如圖3所示。
2.2 電氣路線設(shè)計(jì)
根據(jù)該自動(dòng)線的控制要求，液壓站與主電源直接相接．為保證安全需接一個(gè)接觸器，并且接有相序保護(hù)器；鉆床電機(jī)也與主電源相連接，需要一個(gè)接觸器。變頻器要控制分揀單元傳送帶，故將其接到傳送電機(jī)上，系統(tǒng)電氣原理圖如圖4所示。
2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該自動(dòng)線的沖壓單元和鉆孔單元都采用液壓驅(qū)動(dòng)，需要選擇一個(gè)液壓站。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求，液壓驅(qū)動(dòng)需控制沖壓和鉆孔兩個(gè)單元的前進(jìn)、后退和停止，因此本文分別選擇了一個(gè)三位四通電磁閥來控制沖壓缸的動(dòng)作，一個(gè)兩位四通閥控制鉆床缸的動(dòng)作。液壓系統(tǒng)回路圖如圖5所示。
2.4 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該自動(dòng)線的傳送及夾緊單元和分揀單元都采用氣壓驅(qū)動(dòng)，故需要?dú)鈮洪y來實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)中只需控制氣壓缸的前進(jìn)和后退，因此選擇兩位電磁換向氣壓閥即可。氣壓系統(tǒng)回路圖如圖6所示。
3 結(jié)論
利用機(jī)電液氣一體化的自動(dòng)化加工線實(shí)驗(yàn)教具，可以使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)機(jī)電液氣等知識(shí)，克服傳統(tǒng)上只參觀、不動(dòng)手教學(xué)方式的缺點(diǎn)。學(xué)習(xí)的內(nèi)容主要包括PLC控制編程、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓氣壓驅(qū)動(dòng)、光學(xué)檢測、機(jī)械手分檢以及傳感器的運(yùn)用等等，老師可以根據(jù)教學(xué)的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的講解，靈活多變，能很好地滿足普通高等院校機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的教學(xué)需求，使學(xué)生不僅從理論上鞏固了知識(shí)，而且從實(shí)際操作中體會(huì)到了實(shí)驗(yàn)的樂趣。
