柔性制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的研制＊

劉嬌月，石社軒

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009）

1 引言

依托學(xué)院的軟硬件資源，某柔性制造工程實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新建設(shè)了高職院校實(shí)訓(xùn)基地。在工程中心現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床、RV－3SD 機(jī)械手、PLC 及其它軟硬件資源基礎(chǔ)上，配套組裝井式上料倉、模擬立體倉庫等部件單元，加裝光電傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，開發(fā)設(shè)計(jì)了控制軟件和接口程序，完善控制功能，組成了具有上料、加工、檢測、倉儲等一整套完整功能的柔性加工實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以工業(yè)生產(chǎn)和工程應(yīng)用為背景，參照現(xiàn)代制造企業(yè)的柔性加工制造系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)電技術(shù)類的《機(jī)器人控制技術(shù)》、《電氣控制技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)》、《液壓與氣動技術(shù)》等課程的人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，涵蓋了機(jī)器人、柔性制造、先進(jìn)傳感器、集成化制造、智能控制等高新技術(shù)應(yīng)用，是一個(gè)融合光、機(jī)、電、氣一體化的教學(xué)綜合應(yīng)用平臺，系統(tǒng)整體集成度較高，具有軟件設(shè)計(jì)開放性和實(shí)踐演練模擬性。

2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)硬件組成及功能

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基本組成單元有：上料單元、加工單元、倉儲單元、機(jī)器人本體及示教單元、控制單元。

（1）上料單元：由井式工件庫、光電檢測傳感器、頂料氣缸等組成。通過傳感器信號探測工件位置，配合機(jī)器人完成工件的上料。

（2）加工單元：由一臺數(shù)控鉆銑中心組成，根據(jù)系統(tǒng)控制指令，在接收到上料單元發(fā)出的到位信號后，按照編制程序進(jìn)行工件的鉆銑加工。

（3）倉儲單元：由一個(gè)鋁型材結(jié)構(gòu)模擬立體倉庫組成，主要完成加工工件的放置及工件的中轉(zhuǎn)功能。

（4）機(jī)器人本體及示教單元

由一個(gè)六自由度關(guān)節(jié)的機(jī)器人組成，可在半徑不小于600mm，角度不小于340°的扇形范圍內(nèi)活動。用于執(zhí)行機(jī)器人設(shè)定程序動作。

示教單元由液晶顯示屏、使能按鈕、急停按鈕、操作鍵盤組成，與機(jī)器人控制器連接。用于對機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置、手動示教、位置編輯、程序編輯等操作。

（5）控制單元

由機(jī)器人控制器、PLC、控制面板等組成。

機(jī)器人控制器包括操作面板、數(shù)碼顯示窗口、以太網(wǎng)接口、外部輸入輸出端口、USB 接口、示教單元（TB）接口等。用于控制機(jī)器人本體運(yùn)行和存儲機(jī)器人程序。

PLC 型號采用SIEMENS CPU226 AC／DC／RLY，鋁型材網(wǎng)孔板安裝，負(fù)責(zé)接收、處理各單元檢測信號，與機(jī)器人控制器、上位機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)出電機(jī)、氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作控制指令。

圖1 控制系統(tǒng)總體連接示意圖

系統(tǒng)控制面板由“上電”、“復(fù)位”、“開始”、“停止”、“急停”、“聯(lián)動／單動”等控制按鈕與穩(wěn)壓電源、保護(hù)電路等組成，用于對整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的手動控制和電路保護(hù)。

3 控制系統(tǒng)聯(lián)接與運(yùn)行過程

控制系統(tǒng)總體連接示意圖、PLC I／O 接線圖分別如圖1、圖2所示，PLC 的I／O 分配表如表1所示。其中，圖1中C1 為控制面板接線端子排，C4為機(jī)器人控制器接線端子排。

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)核心為PLC，選型為SIEMENS CPU226 AC／DC／RLY （24 輸 入16 輸出），輸出口為繼電器型，系統(tǒng)中共使用了17 個(gè)輸入點(diǎn)和15 個(gè)輸出點(diǎn)，輸入輸出端口主要連接按鈕控制板、上料機(jī)構(gòu)檢測傳感器、數(shù)控鉆銑中心、機(jī)器人控制器及開關(guān)電源。傳感器采用光電傳感器及磁性開關(guān)，分別檢測料筒中物料的有無、是否缺料、料臺到料與否及推料電磁閥的位置。

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，接入220V 單相交流電源，打開主電源開關(guān)和機(jī)器人控制器電源開關(guān)。按動面板上“復(fù)位”鍵，程序開始復(fù)位，機(jī)器人回到初始位置。

按動面板上的“開始”鍵，程序開始運(yùn)行，井式上料機(jī)構(gòu)檢測到有工件，且出料臺無工件時(shí)，向外推出一個(gè)工件，并輸出到料信號到機(jī)器人；機(jī)器人將工件取走后放入加工中心卡盤位置，給PLC 控制器輸出工件已放置信號；等卡盤夾緊后機(jī)器人手抓打開，并運(yùn)行至等待位置，輸出工件放置完成信號，等待加工完成信號；等加工中心加工完成后，機(jī)器人取走工件，放置到立體倉庫相應(yīng)的倉位上。

運(yùn)行過程中，按下“停止”鍵，可控制機(jī)器人及其它機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)意外情況時(shí)，按下機(jī)器人控制器“急停”按鈕，可對機(jī)器人進(jìn)行急停操作。意外情況排除后，先按機(jī)器人控制器或示教單元上的“RESET”鍵解除急停報(bào)警。

當(dāng)料庫頂部光電檢測傳感器檢測到有工件時(shí)，頂料氣缸伸出，將工件推到出料臺，出料臺底部光電檢測傳感器檢測到有工件時(shí)輸出信號到PLC，等待機(jī)器人取走工件。

機(jī)器人運(yùn)行到工件出料臺位置后，驅(qū)動氣夾將工件夾緊，頂料氣缸縮回。機(jī)器人再將工件搬運(yùn)到等待放入數(shù)控加工單元加工位置。

當(dāng)機(jī)器人把待加工工件放置到預(yù)定位置后，開始對工件進(jìn)行加工，執(zhí)行完加工程序后，工件被機(jī)器人取走。

圖2 控制系統(tǒng)PLC 接線圖

當(dāng)鉆銑加工中心加工任務(wù)完成后，機(jī)器人將工件搬運(yùn)至倉庫倉位中，放置時(shí)先從頂層左邊開始，工件放滿后系統(tǒng)停止運(yùn)行。

表1 PLC 輸入輸出點(diǎn)分配表

4 系統(tǒng)對應(yīng)開發(fā)的實(shí)訓(xùn)課程與項(xiàng)目

（1）機(jī)器人控制技術(shù)及應(yīng)用

包括對工業(yè)機(jī)器人示教單元的使用、工業(yè)機(jī)器人的操作、機(jī)器人軟件系統(tǒng)的編程、調(diào)試等實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目。

（2）PLC 控制技術(shù)

包括對S7－200PLC 的裝調(diào)、操作、軟件編程與調(diào)試及PLC 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的連接與程序調(diào)試等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

（3）數(shù)控技術(shù)

包括對數(shù)控鉆銑中心的操作、編程、加工等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

（4）氣動控制技術(shù)

包括各種電磁閥、氣缸的氣動控制線路的設(shè)計(jì)、接線及裝調(diào)等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

（5）傳感器檢測技術(shù)

包括對光電傳感器、磁性開關(guān)、光柵尺、角編碼器等傳感器的裝調(diào)、檢修等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

（6）柔性自動檢測生產(chǎn)線調(diào)試與運(yùn)行

包括對機(jī)械控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等及整個(gè)柔性制造系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、系統(tǒng)維護(hù)及故障檢測等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

5 結(jié)束語

柔性制造實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)代機(jī)器人控制技術(shù)、電氣控制技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)控編程與加工等技術(shù)，模擬現(xiàn)代化生產(chǎn)工廠中的柔性化工作模式和生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，貼近真實(shí)的實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)境。系統(tǒng)中每個(gè)模塊單元都能獨(dú)立運(yùn)行且采用分布式控制布局，綜合性強(qiáng)，同時(shí)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。通過該實(shí)訓(xùn)平臺，進(jìn)行了高職院校自動化類相關(guān)專業(yè)機(jī)械組裝、電氣線路設(shè)計(jì)與接線、PLC編程與調(diào)試、工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試等多門課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，還承擔(dān)了企業(yè)自動化類技術(shù)人員崗位培訓(xùn)及進(jìn)行技能比賽的工作任務(wù)，在國家骨干高等職業(yè)院校建設(shè)和高端技能型人才培養(yǎng)工作中發(fā)揮了積極作用。

［1］劉嬌月，楊聚慶等.自制實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，創(chuàng)新高職實(shí)踐基地建設(shè)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，7：254－257.

［2］劉子建，李勇軍.構(gòu)建面向工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（3）：1－4.

［3］楊聚慶，劉嬌月等.一體化的多功能機(jī)床電氣控制實(shí)訓(xùn)臺研制［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，4（4）192－194.

［4］張克發(fā).總線型柔性生產(chǎn)線的應(yīng)用［J］.中國科技縱橫，2013，（1）：119.