柔性制造實訓教學系統的研制＊

劉嬌月，石社軒

（河南工業職業技術學院，河南南陽473009）

1 引言

依托學院的軟硬件資源，某柔性制造工程實驗室創新建設了高職院校實訓基地。在工程中心現有數控機床、RV－3SD 機械手、PLC 及其它軟硬件資源基礎上，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、控制器和執行機構，開發設計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訓系統。

該實訓系統以工業生產和工程應用為背景，參照現代制造企業的柔性加工制造系統，結合機電技術類的《機器人控制技術》、《電氣控制技術》、《傳感器技術》、《數控機床控制技術》、《液壓與氣動技術》等課程的人才培養標準要求，涵蓋了機器人、柔性制造、先進傳感器、集成化制造、智能控制等高新技術應用，是一個融合光、機、電、氣一體化的教學綜合應用平臺，系統整體集成度較高，具有軟件設計開放性和實踐演練模擬性。

2 實訓系統硬件組成及功能

實訓系統基本組成單元有：上料單元、加工單元、倉儲單元、機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，配合機器人完成工件的上料。

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

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

（4）機器人本體及示教單元

由一個六自由度關節的機器人組成，可在半徑不小于600mm，角度不小于340°的扇形范圍內活動。用于執行機器人設定程序動作。

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

（5）控制單元

由機器人控制器、PLC、控制面板等組成。

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

PLC 型號采用SIEMENS CPU226 AC／DC／RLY，鋁型材網孔板安裝，負責接收、處理各單元檢測信號，與機器人控制器、上位機進行通信，發出電機、氣缸等執行機構動作控制指令。

圖1 控制系統總體連接示意圖

系統控制面板由“上電”、“復位”、“開始”、“停止”、“急停”、“聯動／單動”等控制按鈕與穩壓電源、保護電路等組成，用于對整個實訓系統的手動控制和電路保護。

3 控制系統聯接與運行過程

控制系統總體連接示意圖、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為機器人控制器接線端子排。

實訓系統的控制系統核心為PLC，選型為SIEMENS CPU226 AC／DC／RLY （24 輸 入16 輸出），輸出口為繼電器型，系統中共使用了17 個輸入點和15 個輸出點，輸入輸出端口主要連接按鈕控制板、上料機構檢測傳感器、數控鉆銑中心、機器人控制器及開關電源。傳感器采用光電傳感器及磁性開關，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。

設備運行時，接入220V 單相交流電源，打開主電源開關和機器人控制器電源開關。按動面板上“復位”鍵，程序開始復位，機器人回到初始位置。

按動面板上的“開始”鍵，程序開始運行，井式上料機構檢測到有工件，且出料臺無工件時，向外推出一個工件，并輸出到料信號到機器人；機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；等卡盤夾緊后機器人手抓打開，并運行至等待位置，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，機器人取走工件，放置到立體倉庫相應的倉位上。

運行過程中，按下“停止”鍵，可控制機器人及其它機構停止運行。當機器人出現意外情況時，按下機器人控制器“急停”按鈕，可對機器人進行急停操作。意外情況排除后，先按機器人控制器或示教單元上的“RESET”鍵解除急停報警。

當料庫頂部光電檢測傳感器檢測到有工件時，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輸出信號到PLC，等待機器人取走工件。

機器人運行到工件出料臺位置后，驅動氣夾將工件夾緊，頂料氣缸縮回。機器人再將工件搬運到等待放入數控加工單元加工位置。

當機器人把待加工工件放置到預定位置后，開始對工件進行加工，執行完加工程序后，工件被機器人取走。

圖2 控制系統PLC 接線圖

當鉆銑加工中心加工任務完成后，機器人將工件搬運至倉庫倉位中，放置時先從頂層左邊開始，工件放滿后系統停止運行。

表1 PLC 輸入輸出點分配表

4 系統對應開發的實訓課程與項目

（1）機器人控制技術及應用

包括對工業機器人示教單元的使用、工業機器人的操作、機器人軟件系統的編程、調試等實訓教學項目。

（2）PLC 控制技術

包括對S7－200PLC 的裝調、操作、軟件編程與調試及PLC 工業通信網絡的連接與程序調試等實訓項目。

（3）數控技術

包括對數控鉆銑中心的操作、編程、加工等實訓項目。

（4）氣動控制技術

包括各種電磁閥、氣缸的氣動控制線路的設計、接線及裝調等實訓項目。

（5）傳感器檢測技術

包括對光電傳感器、磁性開關、光柵尺、角編碼器等傳感器的裝調、檢修等實訓項目。

（6）柔性自動檢測生產線調試與運行

包括對機械控制系統、電氣控制系統等及整個柔性制造系統的安裝、調試、系統維護及故障檢測等實訓項目。

5 結束語

柔性制造實訓系統結合了現代機器人控制技術、電氣控制技術、傳感技術、數控編程與加工等技術，模擬現代化生產工廠中的柔性化工作模式和生產加工環節，貼近真實的實踐訓練環境。系統中每個模塊單元都能獨立運行且采用分布式控制布局，綜合性強，同時具有很強的可擴展性。通過該實訓平臺，進行了高職院校自動化類相關專業機械組裝、電氣線路設計與接線、PLC編程與調試、工業機器人編程與調試等多門課程的實訓教學，還承擔了企業自動化類技術人員崗位培訓及進行技能比賽的工作任務，在國家骨干高等職業院校建設和高端技能型人才培養工作中發揮了積極作用。

［1］劉嬌月，楊聚慶等.自制實驗實訓設備，創新高職實踐基地建設［J］.實驗室研究與探索，2013，7：254－257.

［2］劉子建，李勇軍.構建面向工程的實驗教學體系［J］.實驗技術與管理，2007，24（3）：1－4.

［3］楊聚慶，劉嬌月等.一體化的多功能機床電氣控制實訓臺研制［J］.實驗室研究與探索，2011，4（4）192－194.

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