基于光機電一體化的微生產線設計方案

劉靜

摘 要：微生產線相對于大型的自動化生產線有著諸多的優(yōu)點，如體積小、成本較低、生產效率高、易操作、易檢修、技術定向等。本文通過實例，對基于光機電一體化技術的微生產線設計進行分析闡述。

關鍵詞：光機電一體化 PLC設計

一、微生產線的基本結構設計

自動化生產線最初是在機械制造業(yè)中實現(xiàn)的，其中最早出現(xiàn)的是機床自動化生產線。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和用戶的不同需求，微生產線的發(fā)展近幾年來也嶄露頭角。它相對于大型的自動化生產線有著諸多的優(yōu)點，如體積小、成本較低、生產效率高、易操作、易檢修、技術定向等等。

筆者以設計一條基于光機電一體化技術的微生產線為主要內容，綜合闡述了整個生產線各個獨立單元的設計內容和設計方法。這條微生產線系統(tǒng)以工業(yè)生產和工程應用為背景，有較高的集成度和開放性，各個單元可拆分獨立使用，也可綜合整體使用。它可以對工件進行送料檢測、加工、搬運、裝配及分類存儲。系統(tǒng)中應用多種傳感器實現(xiàn)對工件材料的檢測識別，然后通過模擬打孔裝置對工件進行加工，再由搬運單元搬至裝配單元，再將裝配好的工件搬運至存儲單元，最終由機械手對到位的工件完成分類存儲。

二、微生產線中基本單元的設計

1.供料單元的設計

它是整個系統(tǒng)的第一個單元，也是整個工作中最基礎的模塊。供料過程中，供料氣缸從料倉中推出工件，推料氣缸推出工件。供料單元有三種傳感器，可檢測區(qū)分材質、顏色，供后面單元分類操作。

送料檢測單元主要完成對工件的檢測任務，它的主要組成及用途如下。

（1）料倉裝置：用于存儲要加工的工料。

（2）送料氣缸：把工料送至顏色檢測位置。

（3）推料氣缸：把檢測完畢的工料送至加工轉盤。

（4）電磁閥及氣動元件：用于控制氣缸伸縮。

（5）光電傳感器：用于檢測輸送臺上工件。使用傳感器上面的旋鈕調節(jié)需要的檢測距離，檢測范圍為1～9cm。

（6）光纖傳感器：一對對射式光纖傳感器為料倉傳感器，感應料倉中是否有工件。

（7）電感式傳感：用于檢測金屬，檢測的距離一般是有要求的，設計時規(guī)定5mm。

2.加工檢測單元的設計

首先由傳感器來檢測待加工工件是否到達旋轉圓盤上。若已經到達，那么旋轉圓盤則執(zhí)行接下來的動作，通過90°的旋轉把待加工的工件送到工件要進行加工的正確位置上。鉆孔裝置對工件進行打孔加工，接下來旋轉圓盤再旋轉90°進行接下來的動作。這一動作的執(zhí)行是利用氣缸來檢測已加工工件的深度，如果氣缸已經推到底那么就說明加工工件的孔是符合要求的，不然的話不符合要求。

加工檢測單元由四工位轉盤、模擬鉆孔加工裝置、深度檢測裝置、傳感器、電磁閥及氣動元件、三相380V交流電動機、并勵直流電動機、渦輪蝸桿減速機、電磁離合器等組成，主要完成對工件內徑的鉆孔加工。

3.裝配單元的設計

將搬運單元傳送來的工件進行裝配成形后，搬運到分類存儲單元。當放料口有工件，拖料氣缸開始執(zhí)行動作，把鉆完孔的工件移動到對應的位置，該位置的頂料氣缸就會縮回，這樣就實現(xiàn)了裝配任務，此時裝配完成的工件被拖料氣缸推出，已進行下一步的執(zhí)行動作：搬運單元來搬運。

裝配單元主要由配件料筒、裝配臺、抵料氣缸、拖料氣缸、光纖傳感器、電磁閥及氣動元件等組成，主要完成將搬運單元傳送來的工件進行裝配成形。

4.搬運單元的設計

上一單元的合格工件到位，伸縮氣缸、提升氣缸、旋轉氣缸相互配合，測工件到位后，由傳送機構傳送到位。

5.分類存儲單元的設計

把不同的工件經過檢測，分類放置，可檢測材質顏色等。該單元可以按行進行分類存儲，也可以按列進行分類存儲，用戶可以根據生產需要進行設定；從下到上或者從左至右是工件的入庫順序。

三、微生產線的機械設計

1.氣缸的選型

在設計過程中，需要根據不同的工作原理及不同的應用范圍來選擇合適的氣缸。系統(tǒng)中使用氣缸的機構及相應的氣缸選型如下。

（1）送料檢測單元共使用了2個單作用類型的氣缸：一個是用于將料倉中的待測工件推至檢測位置的圓柱形氣缸，另一個是用于將檢測完畢的工件從檢測位置推至加工轉盤的圓柱形氣缸。

（2）加工檢測單元共使用了3個單作用類型的氣缸：一個是用于固定加工轉盤上待加工工件的圓柱形氣缸，另一個是用于提升鉆孔電動機的圓柱形氣缸，再一個是用于檢測加工工件深度（檢測加工元件是否為合格品）的圓柱形氣缸。

（3）搬運單元。共使用了三種類型的四個氣缸：一是用于機械手升降的單作用圓柱形氣缸，一是用于機械手伸縮的單作用圓柱形氣缸，一是用于抓夾工件的氣手指，一是用于使機械手旋轉至抓夾位置的雙作用氣缸。

（4）裝配單元共使用了2個單作用類型的氣缸：一個是用于拖動裝配臺至裝配位置的圓柱形氣缸，另一個是用于抵住配件料筒中工件的圓柱形氣缸。

（5）分類存儲單元共使用了2個類型的氣缸：一是用于機械手伸縮的單作用圓柱形氣缸，另一個是用于抓住工件的氣動手指。

2.電磁閥的選型

在微生產線的設計中，氣動電磁閥是控制氣缸的樞紐部件，在進行氣動電磁閥的選型時，需要根據選用的氣缸的種類進行電磁閥的選擇。

系統(tǒng)中大部分選用了的單作用氣缸（機械臂也為單作用氣缸），統(tǒng)一采用型號為4V110-06-DC24-2.5W的氣動電磁閥。它是一個二位五通單電控電磁閥，可以良好的配合該系統(tǒng)使用的氣缸的工作。此外，在搬運單元中，用于控制機械手旋轉的雙作用擺缸，采用型號為4V120-06-DC24-2.5W的氣動電磁閥。

3.機械傳動的設計

由于每一種機械傳送方式都有各自的特點，需要根據不同的要求選擇不同的機械傳動方式，在加工轉盤的旋轉過程中，使用了渦輪蝸桿對旋轉位置進行精確定位，在分類存儲單元機械手的伸縮、提升使用了滾珠絲杠進行平穩(wěn)放置工件，搬運單元使用了帶傳送進行工件的水平傳送。

四、PLC控制系統(tǒng)的設計

在微生產線系統(tǒng)中，根據系統(tǒng)中多單元協(xié)同工作，要求PLC之間實現(xiàn)網絡通訊，多傳感器、氣動元件動作，要求具有數(shù)字量、模擬量擴展功能；能夠控制步進、變頻、伺服電動機的工作，要求PLC具有較強的運動控制的功能；根據國內的電壓等級為220V/380V，要求電源可以在該范圍工作；由于系統(tǒng)需要拆裝和移動，要求PLC具有較強的抗震能力。參考市售PLC產品的價格，最終選定西門子公司生產的S7-200系列PLC。

五、人機界面的設計

人機界面又叫HMI，是用戶對自動化控制系統(tǒng)的一種檢測、控制手段。本條微生產線采用了MT4404T系列的觸摸屏，進行系統(tǒng)的操作和基本狀態(tài)的監(jiān)控。該觸摸屏具有方便的接口、簡捷的開發(fā)系統(tǒng)、良好的用戶體驗等特性，適合用戶的基本需求。

六、設計方案的預期和不足

本文的設計方案實現(xiàn)了以S7-200 PLC作為控制器的自動化生產線系統(tǒng)，研究成果可以投入到市場，其設計方法、生產任務具有一定的借鑒意義。此外，由于光機電一體化微生產線是一個相對比較復雜的系統(tǒng)，設計方案中難免會出現(xiàn)不足，比如基本單元過少，控制系統(tǒng)是否可靠等問題，本方案還需要進一步改進。

（作者單位：淄博市技師學院）