自動生產線工作站站內控制系統設計

葉 鋼

（麗水職業技術學院，麗水 323000）

0 引言

此自動化模擬生產線，共有6個由PLC控制的站點構成。對于此自動化模擬生產線來說，其中包括傳感技術、PLC控制技術、氣動技術等等方面，綜合了機、電、控制于一體的綜合性控制，是種較為先進的加工生產制造系統[1,2]。對于工件類別的檢測、加工、搬運、安裝和分類來說，主要通過系統的六個模塊進行完成，包括上料檢測站、搬運站、加工檢測站、安裝站、安裝搬運站和分類站等等。氣動執行機構還完成各個單元的執行機構，另外，還可以通過安裝在上面的傳感器的信號來判斷執行機構的運動位置。隨著CAN總線技術的廣泛應用，CAN總線與單片機結合應用于自動控制系統已成為自動控制領域中的又一個熱點[3]，本人采用了MCS-51單片機代替PLC來進行現場控制，自動線各模塊之間的信號傳遞通過CAN總線進行，建立起了以工業現場控制為對象的單片機生產線控制網絡系統，實現了實時在線測控。

1 自動生產線的組成

對于這個基于機、電、氣一體化的自動化生產加工系統來說，六個生產加工單元模塊組成這個生產加工系統。主要有安裝模塊、安裝搬運模塊、分類模塊、上料檢測模塊、搬運模塊、加工模塊、等六個工作模塊單元。對于每一個工作單元模塊來說，都可以視為一個單獨的工作站，并且由單獨單片機控制，而CAN總線連接方式則是各個工作站點之間的連接方式。

對于在生產線上的工件來說，一站到另一站的物流加工方式分析如下。大工件按順序排好在上料檢測站進行提升傳遞，然后工件從料檢測站搬至加工站則是搬運站的功能，大工件加工并檢測被加工的工件則是加工站的功能，同時通知下一站相關的生成的成品或廢品信息，成品送至安裝工位則是安裝搬運站功能，然后，小工件在安裝站裝入大工件中。最后，安裝好的工件通過安裝搬運站送至分類站，工件按類型在分類站的作用下送入相應的料倉，同時并對于工件數量和總量進行記錄。當加工站有廢品產生時，廢品通過安裝搬運站直接送入廢品收料站。

2 站內控制系統的軟硬件設計

2.1 模塊一(上料檢測站)

1）上料檢測站的動作過程

上料檢測站是自動生產線的起始工作站，向系統中的其他工作站提供原料和工件顏色的信息。回轉上料臺將工件依次送到檢測工位，提升裝置將工件提升并檢測工件顏色是白色還是黑色，并向后站發出“顏色"的信息。之后，提升裝置下降到位停止。

2）控制系統硬件構成

控制器：單片機At89c51

輸入元件：手動／自動切換開關、上電按鈕、復位按鈕、急停按鈕、單站／聯網切換、光電開關(顏色檢測)、電感式接近開關(測回轉工作臺位置檢測)、磁性開關(提升到位檢測)

輸出元件：回轉工作臺電機、提升電磁閥輸入／輸出接口模塊均設計光耦隔離電路，以提高抗干擾能力。

漫射式光電接近開關實現本站檢測工件顏色。主要原理就是利用光照射到被測物體上后反射回來的光線，通過同一側位置的光發射器與光接收器布置，使之成為一體化結構。檢測光在工作的時候始終通過光發射器，而當沒有物體在開關的前方一定距離內的情況下，接收器不會收到反射光，這樣接近開關就不會動作而處于常態。當物體出現在在接近開關的前方一定距離情況下，有足夠強度的光反射回來，這樣就能夠使接近開關動作而改變輸出的狀態，這當然是在接收器接收到足夠的漫射光情況下。所有頻率的光可以通過白色物體全部反射回來，這樣就能夠使得接近開關動作；而所有頻率的光都被黑色物質所吸收，這樣就使得漫射式光電接近開關檢測到，致使接近開關不動作。

電感式接近開關傳感器用于判斷工作臺位置，是否回轉到位。工作臺下面安裝有一定位凸塊，開關會在凸塊接近電感式接近開關的情況下進行動作，同時進行信號“1”輸出，這樣工作臺是否到位就可以通過信號來判斷。

磁性開關用于判斷提升裝置是否提升到位。在氣缸的活塞上安裝上磁性物質，一個磁感應式接近開關則安裝在氣缸缸筒外面的兩端位置，這樣氣缸運動的極限位置就可以通過該信號而進行判斷。

2.2 模塊二(搬運站)

1）搬運站的動作過程

機械手將工件從前一站搬走，搬運到下一站。2）控制系統硬件構成

（1）基于AT89C52的微處理器模塊的設計

本控制系統中各站均采用美國Atmel公司的AT89C52單片機作為微處理器芯片，由于各站通信電路單片機與CAN控制器的連接需通過總線方式，因此應采用外部總線擴展的設計方法。而由總線擴展引起的并行口不夠用的問題，則通過擴展8255芯片解決。

（2）輸入／輸出模塊的設計

搬運站共有7路輸出，13路輸入。輸入輸出模塊均設計光耦隔離電路，以提高抗干擾能力。

（3）按鈕及檢測傳感器的輸入信號經光耦隔離電路送入單片機，單片機的輸出信號由光耦驅動繼電器，經繼電器觸點接通或斷開各個氣動電磁閥。

2.3 模塊三(加工站)

1）加工站的動作過程

產品在工件加工臺上進行鉆孔工序。在旋轉工作臺上有4個工位，用于存放工件，在每個工位的下面都有一個圓孔，用于光電傳感器對工件的識別。加工過程一開始，．在第一工位上檢測到有工件，則工作臺開始旋轉，到達加工工位(第二工位)時，對工件進行鉆孔加工。加工完畢，工作臺重新旋轉到達第三工位時，對鉆孔的深度進行檢測，判斷是正品還是次品；檢測完畢，工作臺又重新旋轉到達第四工位時停止。

2）控制系統硬件構成

輸入元件(14路)：手動／自動切換開關、上電按鈕、復位按鈕、急停按鈕、單站／聯網切換、電感式接近開關(1)、光電開關(1)、磁性開關(6)、電容傳感器(1)。

輸出元件(5路)：伸縮電磁閥、傳感器升降電磁閥、電機升降電磁閥、鉆孔電機、工作臺電機。

由于總線擴展引起并行口不夠用，需擴展8255一片。

對于直流電機驅動的旋轉臺來說，工作臺動力傳遞是通過一對齒輪減速，檢測工作臺的轉動位置則是利用電感式傳感器，這樣比較便于定位控制。4個金屬的定位凸塊與工作臺的4個工位相互對應，同時相對固定各凸塊與工作臺。在這樣情況下，感式接近開關動作。會在凸塊接近電感式接近開關情況下，同時信號“1”進行輸出，工作臺是否轉到了工位也可以用該信號判斷。

在加工單元的底板上固定光電傳感器，當工作臺在第一個工位的下方情況下，并且轉到第一個工位，光電傳感器發出的光線將直接穿過工作臺在各個工位處的圓孔，不會被遮擋，這樣光電傳感器就沒有反射光線，對于光電傳感器的輸出信號為“O”。但是當孔被工位上放上工件擋住，此時反射給光電傳感器后，就會輸出信號“1”。是否有工件放到了第一個工位上就可以通過光電傳感器信號的變化來進行判斷。

鉆孔加工模塊完成對工件鉆孔操作，加工工件時，工件由夾緊缸夾緊，鉆頭由直流電機驅動，鉆頭進給由鉆孔氣缸完成，其兩個運動極限位置通過兩端的磁感應式接近開關檢測。

鉆孔加工結果的模擬檢測過程是通過檢測子模塊實現的，同時，檢測氣缸、固定架、支架、磁感應式接近開關等組成該系統。當氣缸桿在檢測工件的時候能夠下降到位，這樣就說明了孔深度加工合格，反之則認為不合格。氣缸的位置是通過安裝在氣缸兩端的磁感應式接近開關來判斷的。

2.4 模塊四(安裝站)

1）安裝站動作過程

模塊開始工作，選擇要安裝工件的料倉，將工件從料倉中推出，被加工工件通過真空吸盤吸住，再加之擺動氣缸動作，將工件配件黑白子傳送到下一站(安裝搬運站)，擺動氣缸返回。

2）控制系統硬件構成

輸入元件：手動／自動切換開關、上電按鈕、復位按鈕、急停按鈕、單站／聯網切換、磁性開關(上下、左右、前后限位)。

輸出元件：推料電磁閥、抽真空電磁閥、真空吸盤釋放電磁閥、上升電磁閥、下降電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥。

2.5 模塊五(安裝搬運站)

1)安裝搬運站動作過程

當第四站完成動作，安裝搬運站開始工作，先根據第三站的信號來辨別工件是否合格，利用擺臂機械手，將合格的產品送入安裝工位進行安裝加工，不合格的產品放到廢品箱里。

2）控制系統硬件構成

輸入元件：手動／自動切換開關、上電按鈕、復位按鈕、急停按鈕、單站／聯網切換、磁性開關(上下、左右、前后限位)。

輸出元件：上升下降電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥、機械手左移電磁閥、機械手右移電磁閥。

2.6 模塊六(分類站)

1）分類站動作過程

安裝好的工件由運轉的皮帶上按顏色不同送到各個不同的倉庫按工件類型分類，將工件推入庫房，并統計不同類型工件的數量。

2）控制系統硬件構成

分類站控制系統硬件構成見圖3.12。

輸入元件：手動／自動切換開關、上電按鈕、復位按鈕、急停按鈕、單站／聯網切換、磁性開關(上下、左右、前后限位)。

輸出元件：上升下降電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥、機械手左移電磁閥、機械手右移電磁閥。

2.7 站間通信

通訊肯定要在各站連成一模擬生產線后實施，比如加工產品的相關數據，包括工件顏色、裝配信息、廢品信息等進行傳輸，同時保證系統的安全可靠運行。前站給出系統中各站開始工作的運行信號。所以說，通過啟動按鈕啟動工作的往往只有第一站(上料檢測站)。

3 結束語

現代控制技術的一個重要發展方向就是相關的網絡技術，國家工業控制技術的發展水平有時候是通過現場總線的主流標準CAN總線技術在現代自動控制領域中的應用來說明的，本文主要針對CAN總線技術特點、組網、協議標準及其在測控技術方面的應用展開研究。根據預期的目標和實際要求，設計了一套測控系統，論述了構成自動線測控系統的具體硬件設計和軟件實現方法,對于今后相關自動控制領域中發展具有具一定幫助。

[1] 李濤, 李輝, 宋慶豐. 基于CAN總線技術的工業環境監控系統研究[J]. 制造業自動化, 2009, 32(12).

[2] 劉素華, 沈三民, 黃仁杰. 基于CAN總線的數據接收控制方式的設計[J]. 電視技術, 2012, 36(1).

[3] 潘亮亮. 基于CAN總線的750kV避雷器阻性電流在線監測系統[J]. 電力自動化設備, 2010, 30(12).