自動生產線裝配單元電氣控制系統裝調實驗綜述

秦娟娟 吳衛東

（1.安徽國防科技職業學院，安徽 六安237011；2.安徽永成電子機械技術有限公司，安徽 六安237011）

0 引言

隨著高職院校教育教學改革不斷深入，教學模式不斷創新，實驗教學環節重要性也突顯出來。因此開發一門理實一體、能為學生實現從“學生到職工”的轉變提供重要平臺的實驗課程顯得尤為重要。當代中國已經是舉世矚目的制造大國，自動化生產線在機械制造、電子、航空、食品等越來越多的領域得到廣泛應用，掌握自動線控制技術成為電氣自動化技術和機電一體化專業的學生的職業發展方向。適時在職業院校開展自動線安裝與調試實驗，可以使學生了解現代化工業進程中工業產品被加工的方式，認識自動生產線的結構、運動、驅動、傳感、控制方式，能夠使學生具備自動線設備的安裝、編程、調試、故障診斷和排除能力。

1 實驗條件

1.1 實驗硬件平臺

自動線安裝與調試采用“天煌”T HJDAL－2型自動生產線拆裝與調試實訓裝置為實驗平臺。該實訓裝置可分為供料、加工、裝配、分揀和機械手搬運5個單元，可以完成工件的自動上料，機械手（搬運單元）將工件送入加工單元進行加工，加工完成后再由機械手送往裝配單元進行裝配和沖壓，最后由機械手送入分揀單元進行產品分揀的整個工作流程的自動控制。該裝置采用開放式結構，可供學生進行機械部件、氣動控制系統和電氣控制系統的拆裝、調試、運行。

1.2 實驗單元的組成

本實驗是對T HJDAL－2型自動生產線拆裝與調試實訓裝置的裝配單元的電氣控制系統進行安裝與調試。裝配單元由井式供料單元、三工位旋轉工作臺、平面軸承、沖壓裝配單元、光電傳感器（E3Z－LS63）、電感傳感器（LE4－1 K）、磁性開關（DC73L和 MT－22）、電磁閥（SY5120）、PLC 主機（CPU224 DC／DC／DC）、交流伺服電機（R88 M－G20030 H－Z）及驅動器（R7 DBP02 HH－Z）、警示燈、支架、機械零部件構成，主要完成工件緊合裝配，由伺服電機控制三工位旋轉工作臺的旋轉、裝配區完成工件裝配、沖壓區完成工件沖壓3個動作完成。圖1為T HJDAL－2型自動生產線拆裝與調試實訓裝置的裝配單元結構圖。

2 實驗內容

根據T HJDAL－2型實訓裝置的裝配單元工作流程，設計PLC控制I／O接線圖并正確安裝接線；設計PLC控制的順序功能圖與梯形圖程序，并下載調試；完成裝配單元電氣控制系統的軟硬件設計與安裝。裝配單元具體工作流程如下：

圖1 THJDAL－2型實訓裝置的裝配單元結構圖

當三工位旋轉工作臺的原點檢測傳感器檢測到待裝配工件1后，伺服電機驅動工作臺順時針旋轉，將工件1送往裝配區，位于井式工件庫的下方，1號氣缸伸出頂住井式工件庫內的倒數第二個工件2；底層工件下方的2號氣缸退回（原本是伸出狀態，擋住工件以免工件掉落），底層工件落下，裝配在井式工件庫下方的工件1上，完成裝配，2號氣缸伸出復位，1號氣缸復位縮回，伺服電機啟動，順時針旋轉，將裝配好的工件送往沖壓區，3號氣缸帶動沖頭下降，將裝配好的工件壓緊，3號氣缸復位，伺服電機啟動，順時針旋轉，將加工好的工件送回工件臺原點，發出加工完成信號。搬運單元機械手將工件搬走送往分揀單元，操作過程結束，等待裝配下一個工件。若井式工件庫內工件不足或無工件，向系統發出報警信號。

3 實驗原理

本實驗的核心控制技術是利用PLC完成在位置控制模式下，對伺服電動機的速度、方向、角位移進行精確控制，從而形成具有反饋的閉環自動控制系統。

3.1 伺服系統參數設置

本實驗平臺采用歐姆龍通用SMARTSTEP2系列AC伺服系統，適用于以加工機床和一般加工設備的高精度定位和平穩的速度控制為主的范圍寬廣的各種領域，具有位置控制和速度控制兩種模式。本單元采用位置控制模式，需要對表1中幾個參數進行設置。

表1 伺服系統位置控制模式參數設定

3.2 伺服系統的連接

裝配單元的三工位旋轉工作臺是由歐姆龍通用SMARTSTEP2系列AC伺服電機控制的，伺服電機又由西門子晶體管輸出型PLC主機CPU224（DC／DC／DC）能夠輸出高速脈沖的Q0.0和Q0.1口進行控制。通過控制Q0.0的輸出脈沖頻率和個數可以控制伺服電機的速度和角位移，通過控制Q0.1可以實現對伺服電機方向的控制。圖2是裝配單元中西門子PLC主機CPU224（DC／DC／DC）與伺服系統的連接。

圖2 裝配單元中西門子PLC主機CPU224（DC／DC／DC）與伺服系統的連接

4 實驗步驟

4.1 開啟實訓裝置，進行功能演示

通過教師操作實訓裝置，演示自動線裝配單元工作過程，可以使學生產生強烈的問題意識，期待尋找能夠實現自動化生產的工作原理及硬件設備。

4.2 學生小組討論，確定實施方案，并根據操作要領制定操作計劃

學生在實驗過程中進行合理分組，加強團隊協作，可以通過查閱資料討論等方式，確定實施方案并制定操作計劃。

4.3 PLC控制硬件設計

根據裝配單元的控制要求和伺服電機的參數設置，進行PLC控制硬接線設計，確定PLC的I／O分配表，繪制PLC的I／O接線圖，并根據I／O接線圖正確接線。圖3為裝配單元PLC主機的I／O接線圖。

4.4 PLC控制軟件設計

根據裝配單元的工作流程與控制要求，完成順序功能圖的設計，并將其轉化成梯形圖程序，下載并調試，使之符合系統要求。圖4為裝配單元順序功能圖。

5 實驗總結

通過裝配單元電氣控制系統的裝調實驗，使學生認識自動生產線裝配單元的結構、運動、伺服驅動、傳感等控制方式，完成了對加工工件的裝配和沖壓工序，滿足系統加工工藝要求，為學生畢業后零距離對接工作崗位打下了一定的基礎。

圖3 裝配單元PLC主機的I／O接線圖

圖4 裝配單元順序功能圖

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