自動生產線教學裝置的研究與開發

楊 維

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安710300）

0 引言

目前，機械制造、電子行業、石油化工、食品、制藥和輕工等行業都離不開自動化生產線的主導和支撐，可以說，自動化生產線是現代工業的生命線。自動化生產線可以改變原來需要人工與自動化專機共同參與才能完成工作的情況，減少了整個生產過程所需要的人力物力，降低了生產成本，保證了產品質量［1-2］。自動生產線教學裝置將工業實際過程展現給學生，學員可以對設備直接實踐操作，學習可編程控制器編程、接線，傳感器應用，生產管理、工藝流程設計等機電一體化相關課程的學習，并能在裝置上進行生產線檢測、傳動等各方面故障診斷與排除的練習。

1 系統構成及功能設計

目前，國內外教學用自動生產線設備大部分采用模塊化的設計思路，由多個模塊實現相應的生產功能，各模塊經過各種組合還可實現不同的生產功能，不僅能單站運行，還能多模塊或全線聯機運行。

1．1 系統構成

根據所開發的自動裝配生產線機械結構及布局，將系統劃分為5個模塊，即上料模塊、加工模塊、安裝模塊、輸送模塊和立體倉庫模塊，模擬實現工件的鉆孔加工、裝配與入庫過程。系統結構組成如圖1所示。

圖1 系統組成

1．2 工藝流程

自動生產線教學裝置各模塊能單獨工作，也可以與其他模塊配合，模擬實現生產線上部分或全部工作過程［3］。5個模塊的工作順序為：上料模塊作為整個自動裝配生產線的起始站，向加工模塊提供所需的原材料；加工模塊四工位工作臺旋轉帶動4個工位的轉動，模擬零件鉆孔、檢測及物流傳送過程；安裝模塊提供裝配用的2號小工件，將其裝配在1號大工件鉆好的孔中；裝配好的工件組合最后存入立體倉庫模塊。其中，工件在各站間的傳輸由輸送模塊實現。整個系統工作流程如圖2所示，中間工件的傳遞由輸送模塊完成。

圖2 系統工作流程

1．3 硬件結構

在系統中，每個工作模塊的控制由1個獨立的可編程控制器實現，將上料模塊作為整個系統的主站，其余4個模塊均設置為從站，自動生產線總體架構如圖3所示［3］。根據自動生產線的工藝與被控設備數量，上料模塊選用西門子CPU315-2DP，其他4個模塊均選用CPU226 CN DC／DC／DC作為控制器，具有穩定性較強、工藝更改方便等特點。各模塊間組建PROFIBUS-DP現場總線控制網路，實現整個系統數據的傳遞與協調控制。CPU315-2DP的DP口可直接用于PROFIBUS通訊，而CPU226CN必須使用EM277模塊才可以進行PROFIBUS通訊。

圖3 系統硬件架構

2 自動裝配生產線軟件設計

2．1 軟件設計流程

系統軟件設計流程如圖4所示。根據該流程圖細化每一工作模塊順序控制流程，在此基礎上可進行各模塊工作程序的設計。圖4中，數據位D0存儲1號大工件的顏色信息，數據位D1存儲2號小工件的顏色信息。當工件顏色為白色時，將相應的數據存儲位置1，否則清0。編程時，先對設備各模塊進行初始化，若有加工需求，上位機對上料模塊發出命令，上料模塊工作，并檢測1號大工件的顏色信息存入D0；然后，輸送模塊將其送入加工模塊，進行鉆孔及孔的深度檢測；當孔加工并檢測完畢，輸送模塊再將1號大工件送入安裝模塊，進行安裝2號小工件的工作；最終，將裝配好的工件送入立體倉庫模塊分類存儲。

圖4 系統軟件設計流程

2．2 程序設計

上料模塊作為主站（默認地址2），用于按需求提供料盤上沒有分類的工件1，該模塊安裝一漫反射式光電接近開關，用來區分工件1的黑白。上料模塊提供的是1號工件，安裝模塊需要將所提供的工件2裝配至工件1中。當上料模塊（主站）提供工件后，通過現場總線向輸送模塊（從站6）發出傳遞信號，輸送模塊將上料模塊中的工件輸送至加工模塊（從站3）。根據主站上料模塊傳遞來的工件顏色，加工模塊對工件1進行鉆孔處理。加工工作完成后向主站發送完成信號，這時將1號大工件轉送到安裝工位，命令安裝模塊（從站4）將加工過的1號大工件搬運至工件裝配站裝配2號小工件。裝配工作處理完畢后，安裝模塊（從站4）則向主站發送裝配完成信號，由主站命令安裝模塊，將裝配完畢的套件從工件裝配站搬運至立體倉庫模塊（從站5），進行分類存儲［4］，根據套件的顏色選取不同的立體倉庫存儲工位。此時整個生產過程結束。考慮到各模塊控制功能設計及實現方法的一致性，在設計時發現系統所有模塊中，輸送模塊作為整個系統的加工、檢測、存儲的中轉站，是整個生產線控制的關鍵。由于篇幅的原因，本文只詳細介紹輸送模塊的設計與實現方法。

2．2．1 輸送模塊運動包絡設置

輸送模塊編制程序時重要的是伺服電機的精確定位，設計中在程序編制時先分配好各段包絡，再應用位置控制向導配置PTO輸出。表1為伺服電機運動包絡數據，這是按照系統要求及各模塊機械位置確定的。表1中5號包絡與6號包絡用于急停的解除，急停處理返回原點后才能重新運行。運動包絡編寫完后，位置控制向導對話框再指定V區地址。

表1 伺服電機運行運動包絡

2．2．2 主程序流程

主程序包含初始化、初態檢查復位、急停處理和運行控制等子程序。運行控制流程如圖5所示。

圖5 主程序工作流程

3 上位機監控系統

控制系統配置1臺計算機進行生產線實時監控。生產線監控系統軟件開發平臺選用北京亞控公司的組態王組態軟件King View6．54。用該軟件開發實時監控系統的過程一般是：新建一個工程、畫面開發、定義設備、新建數據庫變量、建立動畫連接、編寫命令語言及進行運行系統配置等［5-6］。需要說明的是這些環節不是獨立的，需要交叉進行。上位計算機系統的生產調度數據和命令發送給集中監控計算機，以實現對各生產線模塊現場設備的狀態監控、單／聯機操作和手動／自動切換等功能。

4 結束語

針對高等院校教學的需要，分析自動生產線工藝流程及特點，利用組態及監控技術、PLC控制技術，設計完成了一套自動生產線教學裝置的控制及監控系統。裝置分為單機和聯機，分別實現單站調試教學和全線自動化生產的功能。通過界面友好直觀的組態畫面和可靠性強的可編程控制器，實現整個自動裝配生產線協調、可靠運行的目的。系統可實現工件上料、加工、裝配、輸送及入庫過程的演示，可作為學生的實驗實訓裝置，以及生產線操作和維護人員的培訓設備。

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