可視化三菱e-f@ctory 自動生產線在實訓教學中的應用

劉桂芝，李小笠，馮虎，楊文亮

(南京工程學院，江蘇 南京 211167)

0 引言

隨著現代工業生產的發展，機電一體化集成技術的應用越來越廣泛，正起著越來越重要的作用。特別是融機器人技術、數控技術、PLC 控制、物流管理、伺服驅動、氣動驅動技術、液壓控制技術、多種傳感器以及CC-LINK 總線通訊、計算機及網絡通訊等眾多學科的應用于一體自動化生產線，已廣泛用于工業生產的各個領域，并成為當今工業自動化發展的重要組成部分。

新形勢下的產業界對工程人才的培養提出了新的要求。為了培養當前產業急需的自動化系統集成專門人才，創新工程教育的新模式，工程學院與三菱電機自動化(上海)有限公司合作，共同研發可視化三菱e-f@ ctory 自動生產線。生產線以地鐵門禁系統連接器上典型零件的加工為基礎，以三菱電機自動化公司的控制器為核心，以南京工程學院的校企共建實驗室為平臺，通過產學研合作，進一步開拓具有本校特色的工程實踐育人環境和資源，探索以項目教學法為目的CDIO 工程教育改革模式，改過去學生的“聽中學”為“做中學”，全面提高學生機電技術各方面的綜合能力。本文詳細介紹可視化三菱e-f@ctory 自動生產線的組成、特點及所進行的機電實驗教學改革［1］。

1 可視化三菱e-f@ctory 自動生產線的組成

可視化三菱ef@ ctory 自動生產線是一種模塊化、單元化的實驗系統，它以典型零件的加工裝配作為整個生產流程，實訓者可以根據自己設計零件的加工工藝確定生產流程，由此可逐步培養學生的生產流程規劃能力［2］。實訓可分為不同的階段，以單個獨立單元訓練為基礎，再進行系統的擴展練習，將多個單元連接成一條完整的自動化生產線。該實驗增強了學生對系統集成及物流概念的理解，比以前教學中只進行枯燥的理論講解具有更好的教學效果。可視化三菱ef@ctory 自動生產線的生產流程如圖1 所示。

可視化三菱ef@ ctory 自動生產線包含如下單元:總控制臺、立體倉儲單元、傳送單元、數控車床機械人行走機構、加工中心機械人行走機構、清洗單元、檢測單元、裝配單元、合格品中轉庫、能量監控單元、視頻監控系統、射頻識別系統、展示板單元等。組成如圖2 所示。

根據可視化三菱ef@ ctory 自動生產線的具體組成，系統涵括了機電一體化專業學習中所涉及的諸如電動機驅動、氣動、可編程控制器、傳感器等多種控制技術，給學生提供了一個典型的綜合實訓環境，使學生學過的諸多單科專業知識在這里得到全面認識、綜合訓練和相互提升。

該典型自動生產線包含了全部6 個制造單元和6 條傳送帶。生產流程涵蓋了2 個零件從毛坯出庫到加工完成并進行裝配的合格的全部過程，體現了自動化生產線上物流的概念。其過程為:

1)接到生產指令，原材料庫上料機械手根據庫位管理判斷料位并取出原料托盤，放入托盤換位工作站1 上的移動托盤上后→回到生產線上。

2)從生產線→運輸線中轉臺站1→數控車床工作位監測點→行走機器人1 接信號抓原材料→進入數控車床的加工區。經數控車床的加工循環后，加工完畢→零件清理單元清理。

3)半成品零件清理后，回到生產線上→加工中心工作位監測點→行走機器人2 接信號抓車加工半成品料→進入加工中心的加工區。經加工中心加工循環后，加工完畢→零件清理單元清理。

4)成品零件清理后，回到生產線上→運輸線中轉臺站2→裝配區工作位監測點→行走機器人3 接信號抓取加工好的成品零件→進入零件檢測臺站進行檢測。

5)零件檢測完畢后，此時PLC 要進行判別:合格→零件放入托盤、進入機器人3→進入裝配臺站進行零件裝配;不合格→進入托盤換位工作站2 上通知人工下料。

6)零件裝配完畢→進入生產線上，經運輸線中轉臺站3→裝配成品件下料位檢測點→進入托盤換位工作站3→裝配件托盤下料入庫，完成整個零件加工、裝配循環。移動托盤回到生產線上經運輸線中轉臺站4→進入原材料上料區，開始新的加工循環。

2 生產線可完成的實驗實訓項目［3-4］

設計好自動生產線的流程后，學生需要進行生產線的安裝，實際確定各制造單元的安裝位置，再調整每個單元中各零部件在單元工作臺面上的位置，使其與前面單元和后面單元精確配合，保證工件順利進出。生產線安裝能提高學生的機械裝配技能，并增加對各系統組成部分的認識。

a)傳感器的使用

在模塊化自動生產線中，傳感器起著重要的作用。該系統所使用的傳感器數量達40 多個，有光纖式、電感式、光電的以及磁性傳感器，每種傳感器都有各自作用，根據被檢測物的性質不同發揮作用使系統得以可靠工作。學員可通過了解系統中各類傳感器的工作特性來加強對這些傳感器的感性認識，再結合老師對傳感器的工作原理分析和特性演示，可使學員快速掌握所學知識。

b)氣動技術的應用

該裝置上使用了大量的氣動元件，包括多種電控氣動閥、多種氣缸、氣動手爪、真空吸盤、真空發生器、過濾減壓閥等。實驗中要求學生了解各種氣動元件的工作原理和控制方法，并進行氣路仿真，然后在系統的各工作單元上安裝調試氣動元件和設計好的氣路。通過模塊化自動生產線上的氣動技術實驗，學生能基本掌握當今工業實際中常用的氣動元件使用方法，并能設計完整的氣路系統，同時掌握對氣路系統的調試、維修技能。

c)可編程控制器實驗

目前，隨著工業控制技術的進步，可編程控制器已廣泛地應用于工業生產過程的自動控制領域，使工業自動化程度和生產效率得到極大的提高。可視化三菱e-f@ctory 自動生產線劃分的六個工作站中，每個工作站都有一套三菱QPLC 可編程控制器，這使得本設備可以分成六個完全獨立的工作單元，20 幾個學生可以同時進行學習而且每個學員都有動手的機會。在該設備上學員不但可以學習PLC 的硬件和軟件技術，而且可以學習PLC 之間的通信技術。為掌握學習PLC 的各方面知識提供了條件。使用PLC 控制和調試自動化生產線實驗是一項綜合性強的創新實驗，不但需要學生具有扎實的機械調試、氣動技術、傳感器等多項基礎知識，還要求學生具有較強的邏輯思維能力和梯形圖編程技能，同時也在PLC 實驗中得到鞏固和強化。

d)電氣控制電路實訓

六個工作站的電控部分全部按照工業標準和習慣進行設計，并且以附件方式提供全部設計圖紙和說明書。學員在該設備上可學習電路原理圖分析、PLC 各I/O 地址查對和新設備電路連線分析方法。

e)機械系統安裝和調試

六個工作站包括各種各樣的機械工作系統，如轉角工作臺、倍速鏈機構、滾子鏈，帶傳動、清洗機構、CNC 加工設備、物料儲存機構等，學員可對各個控制機構進行單站實訓，也可將各個站進行重新組裝，然后調試至正常工作狀態，對整個系統進行聯機實訓。

f)現場總線實驗

現場總線控制系統(fieldbus control sys tem;FCS)是20 世紀80 年代中期在國際上發展起來的新一代控制系統。它是信息數字化、控制功能分散化、開放式可操作的新一代工業自動化控制系統，同時也是信息技術、智能化、數字化、網絡化向生產過程現場的發展。隨著現場總線技術的發展及其在工業自動化領域的不斷深入，現在眾多大型的工業企業，如汽車、空調等企業都將其生產線的控制系統組成現場總線控制網絡，實現生產過程的網絡化控制。在可視化三菱e-f@ctory 自動生產線中每個單元配置的QPLC 可編程控制器都帶有CC-LINK 總線功能，CCLINK 總線協議是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產商的現場總線標準，提供了一個從現場傳感器直至生產管理層的全方位透明的網絡，是開放式系統的典范。因此，對學生進行現場總線技術的實驗，可以使其認識掌握先進控制方式和工業控制技術的發展方向。

g)生產線能量控制

通過對設備運行能源的可視化管理(manufacturing execution system，MES)能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。當工廠發生實時事件時，MES 能對此及時做出反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。這種對狀態變化的迅速響應使MES 能夠減少企業內部沒有附加值的活動，有效地指導工廠的生產運作過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產回報率。在可視化三菱e-f@ctory 自動生產線中，MES 還通過雙向的直接通訊在生產管理內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息。并具體把握設備運行中能量消耗的動向，做到設備能量消耗最合適化。

3 結語

可視化三菱e-f@ctory 自動生產線是我校為開拓具有本校特色的工程實踐育人環境和資源，探索以項目教學法為目的CDIO 工程教育改革模式，堅持“學以致用”的辦學理念，專門設計研制的一種典型的結合實際產品加工生產的機電一體化實訓設備。本生產線既適合現代工業零件的自動化生產，又適合工程類高等院校的機械、機電一體化、自動化等相關專業的教學和培訓。通過項目的實際運行、教學實訓、關鍵技術研究，形成具有自主知識產權的科技成果，從而促進科技向生產力的快速轉化。

［1］王曉蘭 淺析大學生動手能力和創新意識的培養中實驗室的重要作用［J］.實驗室研究與探索，2008(5):35-39.

［2］陳宏鉤 機械加工工藝裝備設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［3］徐東明，周嶸 模塊化自動生產線在機電實驗教學中的應用［J］.實驗科學與技術，2009(2):41-43.

［4］郁漢琪 電氣控制與可編程控制器應用技術［M］.2 版.南京:東南大學出版社，2009.