可重構模塊化工業模擬綜合實驗平臺設計

毛湘宇，劉漢忠，宋伯旸

（電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731）

機電一體化技術在當今社會中得到極為廣泛的應用，并迅猛地向前發展，已經成為當今工業自動化重要組成部分［1］。機電一體化是實踐性很強的學科，而實踐性環節在培養人的科學思維、創新意識，掌握科學方法，提高綜合實踐能力等方面是課堂理論教學所無法替代的［2］。建立一個綜合設計性實驗和創新性實驗平臺，這對培養和提高學生的創新意識和綜合實踐能力具有重要作用。

1 工業模擬綜合實驗平臺的建立

為滿足培養機電一體化綜合技術人才要求，國內許多高校都紛紛構建機電一體化綜合實驗系統。浙江工程學院以PMAC－Mini PC I為控制核心，設計機電一體化技術綜合實驗臺［3］，已在教學上發揮了一定作用。但該平臺的傳感器種類少，學生在機械、硬件上動手的機會較少。長沙鐵道學院機電工程學院立足本科教學、突出機電核心技術為設計思想，投入40萬元建成一套機電一體化的機電測控綜合實驗系統［4］。該系統可為機械類多個方向和多門課程提供多種實驗和應用實踐。但存在一次性投入大，技術含量高、建設難度比較大等問題。北京工業大學機械工程與應用電子技術學院研制由多功能實驗臺、MPS物流自動生產線、PLC控制系統和計算機及網絡管理系統組成的機電一體化綜合實驗系統［5］。北京航空航天大學機械學院以軟盤驅動器為實驗對象開發出機電一體化綜合實驗臺，但在該平臺上僅可完成4個實驗［6］。南京航空航天大學機電學院將本學科的研究成果引入到實踐教學中，基于科研成果轉化設計了機電一體化綜合實驗系統［7］。上述綜合實驗平臺或多或少存在如下不足：綜合實驗平臺能夠完成的實驗不多，可持續開發能力不足；基本上屬于驗證性綜合實驗，學生所能完成的自主設計內容極少，學生無法進行創新性設計；無法實現大規模開放性實驗。因此，我校機電學院在現有的機電一體化實驗系統基礎上，參照工業系統，運用慧魚創意組合模型構建培養學生創新能力的工業模擬綜合實驗平臺。

工業模擬綜合實驗平臺目前包含兩大綜合實驗模塊：自動分揀工業模擬系統綜合實驗和立體倉庫工業模擬系統綜合實驗。每個實驗又可分為機械結構設計、電氣結構設計和綜合程序設計三大部分實驗。實驗中，機械結構運用慧魚創意組合模型的零件實現組裝，可以實現學生創新性設計的各種機構，從而培養學生機械創新實踐能力。電氣結構以傳統機電一體化PLC實驗箱為控制核心，要求學生在實驗中根據需求選用各種附屬部件，設計相關電氣接口電路，從而培養學生電氣工程創新實踐能力。綜合控制程序以PLC控制程序為主，根據不同系統選用各種附屬電子元件，從而確定其他相關程序的設計，實現學生綜合控制程序設計能力的培養。工業模擬綜合實驗平臺由慧魚創意組合模型作為其主要機械結構，可實現目前常見各種工業機構的搭建，從而保障了工業模擬綜合實驗平臺的可持續開發能力。

2 自動分揀工業模擬綜合實驗系統

自動分揀工業模擬系統綜合實驗系統是一個模擬自動化工業生產過程的微縮模型。學生可以直觀地了解到自動化工廠的生產過程，并可以自行設計搭建新系統進行編程以控制整個生產過程，鍛煉學生的工程實踐能力。本模擬系統主要使用PLC技術進行控制，并結合了傳感器、位置控制、電氣傳動和氣動等技術，可以實現不同類型材料的自動分揀和歸類功能。

整個系統共分為材料篩選、材料傳送和材料統計3個部分，各個部分又涉及到了機械結構設計、電氣系統設計和控制程序設計3個方面的內容，其主要構成和相互關系如圖1所示。

材料篩選部分主要完成將材料逐個輸入系統并進行顏色識別，再將它們分別篩選到置于工作位置的箱子里的功能。當系統上電并按下啟動按鈕以后，振動篩工作，并將待分揀的材料逐個輸入到分揀模擬系統中；材料通過傳送帶，經過置于傳送帶上方的顏色傳感器進行顏色識別后輸入三菱PLC進行處理；之后，待分揀材料繼續通過傳送帶被運送至對應氣缸的工作位置，進而被推入箱子。這樣就完成了一次對材料的分揀動作。

圖1 總體系統主要構成和相互關系圖

材料傳送部分主要完成將裝滿的箱子傳遞到材料統計部分，并重新放置一個空箱子的功能。當統計工作位置的箱子完成3次分揀動作之后，系統認為該箱子已經被裝滿，而后傳送小車會將已裝滿的箱子從工作位置運送到對應的傳送帶，并在之后從空箱傳送帶處獲取一個空箱放在對應的工作位置上，以使分揀作業能夠繼續進行。等到箱子再次被裝滿時，傳送機構將重復上述動作。

材料統計部分主要完成統計已使用空箱的個數，以及各種裝滿已分揀材料的箱子的個數，并把它們通過傳送帶送入倉庫的功能。當材料傳送機構中的傳送小車將裝滿分揀材料的箱子放置在材料統計部分的對應傳送帶上時，傳送帶將工作，進而將裝滿的箱子送入倉庫傳送帶，并給對應計數器加1；另外，當傳送小車要獲取空箱時，材料統計部分的空箱傳送帶將工作，以配合傳送小車獲取空箱，同時，對應的計數器加1。這樣就完成了對輸入分揀系統的空箱和輸出到倉庫的裝滿的箱子的統計工作。

需要特別說明的是，由于整個材料分揀模擬系統是站在全套解決方案的基點上進行設計的，因此在基本的材料篩選部分以外，加入了材料傳送和材料統計部分，這就為物流管理系統提供了所需的信息輸入，也間接地有利于全套物流系統解決方案的實現。

2.1 自動分揀系統機械結構規劃設計

自動分揀模擬系統的機械結構分為3部分，即材料篩選機構、材料傳送機構和材料統計機構。其中材料篩選機構是整個系統中最主要和最核心的部分，它完成了對待分揀材料的基本分揀功能。機械結構各個部分的實際相對位置分布及工作順序如圖2所示。材料篩選機構作為系統最主要和最核心的部分，完成了材料的輸入、材料顏色的識別和材料的篩選功能。材料的輸入機構部分采用振動篩的方式。材料顏色的識別部分主要實現對輸入機構傳送的材料的顏色進行識別功能，主要由傳送帶和顏色傳感器完成。

圖2 機械結構相對位置分布及工作順序圖

2.2 自動分揀系統電氣系統設計

系統采用三菱PLC作為控制核心，其輸入有效電壓和輸出電壓均為24V。慧魚元件提供傳感器、限位開關、電機和氣動裝置等電氣元件，額定電壓和輸出電壓均為9V；系統還使用額定電壓為5V的光電傳感器和顏色傳感器.整個電氣系統布局如圖3所示。

圖3 電氣系統規劃框圖

材料篩選部分電氣系統包括以顏色傳感器和光電傳感器為主要輸入的傳感器電氣系統和以電機、電磁閥、繼電器為主要輸出的執行元件電氣系統。

材料經過顏色傳感器時，額定電壓為5V的對射式光電傳感器QT30CM進行檢測。當感應到材料時QT30CM將輸出。QT30CM輸出信號通過繼電器模塊轉化為PLC可識別信號。顏色傳感器主要用于對基礎材料元件的顏色進行識別，其核心芯片為TCS3200。該傳感器信號運用STC89S52單片機進行處理，再通過繼電器模塊轉化為PLC可識別信號。當顏色信號輸入三菱PLC處理后，執行元件在動作之前，需要確認材料到達的位置，因此采用了慧魚元件提供的光電傳感器定位。慧魚元件提供的光電傳感器信號，需通過核心芯片為LM339四路電壓比較器的功能模塊電路處理輸入三菱PLC。

材料傳送部分電氣系統包括以限位開關為主要輸入的信號輸入系統和以電機、電磁閥繼電器為主要輸出的執行系統。各限位開關分別對應空箱起始位置、一號、二號、三號工作位置。執行系統包括慧魚提供的9V電機和電磁閥，控制傳送小車沿著軌道在各位置間的往返運動和氣缸平臺的運行。

材料統計部分電氣系統設計包括以光電傳感器為主要輸入的傳感器電氣系統和以電機繼電器為主要輸出的執行系統。傳感器采用對射式光電開關，其主要作用是統計輸入系統的空箱和輸出入庫的滿箱的數量。執行系統輔助傳送小車完成空箱和滿箱傳送及入庫。統計結果通過LCD1602顯示模塊顯示

2.3 材料分揀系統控制程序設計

本系統采用三菱FX1N－40MT－001型PLC作為控制核心。主程序包括復位程序、材料篩選控制程序、材料傳送控制程序和材料統計控制程序。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

材料分揀系統復位程序主要是對程序設計中用到的內部繼電器和執行系統進行復位，檢測系統是否具備開始工作的條件。材料篩選控制程序主要完成3項工作，即根據需要啟動和暫停振動篩和傳送帶、處理顏色傳感器信號，識別出材料顏色和控制氣缸動作，將材料推入對應空箱。材料傳送程序包括傳送滿箱、獲取空箱和放置空箱等工作。材料統計程序使用STC89S52單片機的外部中斷功能來完成，并通過LCD1602顯示。

3 立體倉庫工業模擬綜合實驗系統

自動化立體倉庫又稱為高架倉庫、自動倉儲AS／RS（automated storage and retrieval system）或自動存儲自動檢索系統，它是一種高層立體貨架（托盤系統），用電子計算機控制管理并使用自動控制的巷道堆垛機進行存取作業的系統［8］。現代工業技術對具有高層貨架的自動化立體倉庫的設計常使用仿真程序來評估設計的優劣［9］。對于自動化立體倉庫的仿真模型使用優化搜索程序，尋求減少自動化立體倉庫建設和運行的最低費用［10－13］。

立體倉庫工業模擬綜合實驗系統具有自行按照指定的貨格進行出庫和入庫操作的功能。從功能上可以劃分為3個模塊：PLC控制單元，信號轉換電路，機械設備。各個模塊配合完成相應的動作，實現相應功能。PLC控制單元是系統的核心部分，從信號轉換電路獲取堆垛機三坐標位置、輸送系統狀態和貨物輸送狀態，并處理所獲取信號及發送相應指令；信號轉換電路完成PLC信號與機械設備信號的轉換；機械設備主要包括輸送系統、堆垛機和貨架，其中輸送系統和堆垛機在PLC控制下完成入庫或出庫操作。指示信號用于反映系統的運行狀態。系統框圖如圖5所示。

圖5 系統框圖

3.1 執行系統結構設計

貨架是立體倉庫主要的承重設備，為5層5列共25個貨位，貨箱尺寸為60mm×60mm×28mm。堆垛機是立體倉庫中的關鍵設備，所有貨物的入庫、出庫等作業都必須通過堆垛機完成。堆垛機結構以及堆垛機與貨架的關系如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，堆垛機由水平運行機構、載貨臺、貨叉、起升機構、堆垛機立柱、導向機構等組成。

圖6 堆垛機結構示意圖

圖7 堆垛機結構實物圖

3.2 控制系統設計

立體倉庫控制系統包括PLC控制單元、信號轉換電路以及安裝在立體倉庫各個位置的傳感器。本系統采用慧魚限位開關檢測堆垛機的運行機構、起升機構及貨叉的位置，采用對射型光電開關檢測貨物在輸送系統上的位置。系統控制對象為慧魚直流電機。控制系統結構框圖如圖8所示。

圖8 控制系統結構框圖

本系統的控制單元是PLC，受控單元主要是直流電機。慧魚限位開關和N3F－5DN1 5L型光電開關都直接連接PLC。慧魚直流電機的工作電壓為DC9V，PLC需通過繼電器控制直流電機。根據立體倉庫的作業流程和信號檢測方案，立體倉庫的電氣系統構成可設計成如圖9所示。

圖9 電氣系統構成圖

3.3 立體倉庫程序總流程設計

立體倉庫的基本作業包括入庫作業與出庫作業，2個作業流程為互斥關系，倉庫在一個時段內執行入庫或者出庫作業由上層機構（這里指人工輸入指令）選擇決定。具體作業流程如圖10所示。

圖10 立體倉庫作業流程

立體倉庫在上電時要進行一次上電復位操作。上電復位包括堆垛機上電復位和輸送系統上電復位。堆垛機上電復位動作首先使得貨叉處于縮回狀態，然后運行堆垛機進行橫向和豎直上定位，確定堆垛機的初始位置，為之后的作業提供運動參照。上電復位完成之后，立體倉庫進入等待狀態。在此狀態時，立體倉庫處于空閑狀態，可接收指令信號。若指令信號為入庫，則立體倉庫執行入庫作業，把入庫貨箱存放到指定貨位；若指令信號為出庫，則立體倉庫執行出庫作業，把指定貨位的貨箱搬走輸出端。入庫或者出庫完成后，立體倉庫都要進行復位操作，為下一次作業做準備。然后返回等待狀態，等待下一次指令信號的到來。立體倉庫只有處于等待狀態，才能接收指令信號。

在整個流程中，入庫貨物檢測都處于啟動狀態，當入庫貨物到來時，控制單元立即發出入庫申請信號。流程中還將設有故障檢測程序，一旦系統出現故障，立體倉庫將停止所以流程，并發出故障信號，直至故障解除后返回初始狀態。

4 結束語

綜上所述，工業模擬綜合實驗平臺是一種功能可重組的模塊化創新實驗平臺，它將不同功能模塊有機集成在一起，可開設多個綜合實驗，完成不同教學實驗任務，因而能很好地滿足機電方向本科學生教學需要。同時，該平臺采用慧魚創意組合模型作為其機構，從而還具有開設創新性實驗和可持續擴展的能力。我校學生曾多次利用慧魚創意組合模型在全國機械創新設計大賽獲獎。獲獎作品可啟發學生的創新思維，開設創新性實驗。工業模擬綜合實驗平臺可進行基本驗證性實驗、綜合性設計實驗、創新性設計實驗，給學生提供了一個機電一體化系統分析、控制和設計的學習平臺。

（

）

［1］趙燕，阮祥發.機電一體化實驗室建設的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，1999，18（4）：107－109.

［2］張雯.具有重組功能的機電系統綜合實驗環境建設［J］.實驗室研究與探索，2007，26（8）：60－62.

［3］唐浙東.機電一體化技術綜合實驗平臺的設計及實驗安排［J］.機電工程技術，2003，20（5）：155－156.

［4］黃志輝，劉國買，皮和，等.機電綜合實驗系統的建設與實踐［J］.實驗室研究與探索，2000，19（1）：87－89.

［5］孫樹文，張慧慧.機電一體化綜合實驗系統的研制［J］.實驗技術與管理，2001，18（4）：98－100.

［6］李曉利.機電一體化綜合實驗的開發與應用［J］.實驗技術與管理，2000，17（4）：31－33.

［7］樓佩煌.基于科研成果轉化的機電一體化綜合實驗系統［J］.中國大學教學，2007（1）：48－49.

［8］劉昌棋，董良.自動化倉庫的設計［M］.北京：機械工業出版社，2004：1－15.

［9］Bafna K M，Reed Jr R.An analytical approach to design of highrise stacker crane warehouse systems［J］.Journal of Industrial Engineering，1972，15（4）：8－14.

［10］Perry R F，Freeman D R.Design of an automated storage and retrieval system using simulation modeling［J］.Institute of Industrial Engineering，ICAW Proceedings Atlanta，1983，21（3）：349－354.

［11］劉金平，周炳海，奚立峰.在線自動化立體倉庫的庫位分配方法及其實證研究［J］.工業工程與管理，2000，5（10）：11－16.

［12］銀光球，何福英，盛冬發.自動化立體倉庫中庫位優化模型研究［J］.福建工程學院學報，2006，4（3）：347－358.

［13］Hsiel S，Tsail K C.A ROM Oriented Class－Based Storage Assignment in an Automated Storage and Retrieval System［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2001，48（7）：83－91.