劉桂芝，李小笠，馮虎，楊文亮

(南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)電一體化集成技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，正起著越來(lái)越重要的作用。特別是融機(jī)器人技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、PLC 控制、物流管理、伺服驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、液壓控制技術(shù)、多種傳感器以及CC-LINK 總線通訊、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通訊等眾多學(xué)科的應(yīng)用于一體自動(dòng)化生產(chǎn)線，已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，并成為當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的重要組成部分。

新形勢(shì)下的產(chǎn)業(yè)界對(duì)工程人才的培養(yǎng)提出了新的要求。為了培養(yǎng)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)急需的自動(dòng)化系統(tǒng)集成專門(mén)人才，創(chuàng)新工程教育的新模式，工程學(xué)院與三菱電機(jī)自動(dòng)化(上海)有限公司合作，共同研發(fā)可視化三菱e-f@ ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線。生產(chǎn)線以地鐵門(mén)禁系統(tǒng)連接器上典型零件的加工為基礎(chǔ)，以三菱電機(jī)自動(dòng)化公司的控制器為核心，以南京工程學(xué)院的校企共建實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，進(jìn)一步開(kāi)拓具有本校特色的工程實(shí)踐育人環(huán)境和資源，探索以項(xiàng)目教學(xué)法為目的CDIO 工程教育改革模式，改過(guò)去學(xué)生的“聽(tīng)中學(xué)”為“做中學(xué)”，全面提高學(xué)生機(jī)電技術(shù)各方面的綜合能力。本文詳細(xì)介紹可視化三菱e-f@ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線的組成、特點(diǎn)及所進(jìn)行的機(jī)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［1］。

1 可視化三菱e-f@ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線的組成

可視化三菱ef@ ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線是一種模塊化、單元化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它以典型零件的加工裝配作為整個(gè)生產(chǎn)流程，實(shí)訓(xùn)者可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)零件的加工工藝確定生產(chǎn)流程，由此可逐步培養(yǎng)學(xué)生的生產(chǎn)流程規(guī)劃能力［2］。實(shí)訓(xùn)可分為不同的階段，以單個(gè)獨(dú)立單元訓(xùn)練為基礎(chǔ)，再進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展練習(xí)，將多個(gè)單元連接成一條完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線。該實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)系統(tǒng)集成及物流概念的理解，比以前教學(xué)中只進(jìn)行枯燥的理論講解具有更好的教學(xué)效果?？梢暬鈋f@ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程如圖1 所示。

可視化三菱ef@ ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線包含如下單元:總控制臺(tái)、立體倉(cāng)儲(chǔ)單元、傳送單元、數(shù)控車床機(jī)械人行走機(jī)構(gòu)、加工中心機(jī)械人行走機(jī)構(gòu)、清洗單元、檢測(cè)單元、裝配單元、合格品中轉(zhuǎn)庫(kù)、能量監(jiān)控單元、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)、展示板單元等。組成如圖2 所示。

根據(jù)可視化三菱ef@ ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線的具體組成，系統(tǒng)涵括了機(jī)電一體化專業(yè)學(xué)習(xí)中所涉及的諸如電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、可編程控制器、傳感器等多種控制技術(shù)，給學(xué)生提供了一個(gè)典型的綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)境，使學(xué)生學(xué)過(guò)的諸多單科專業(yè)知識(shí)在這里得到全面認(rèn)識(shí)、綜合訓(xùn)練和相互提升。

該典型自動(dòng)生產(chǎn)線包含了全部6 個(gè)制造單元和6 條傳送帶。生產(chǎn)流程涵蓋了2 個(gè)零件從毛坯出庫(kù)到加工完成并進(jìn)行裝配的合格的全部過(guò)程，體現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)線上物流的概念。其過(guò)程為:

1)接到生產(chǎn)指令，原材料庫(kù)上料機(jī)械手根據(jù)庫(kù)位管理判斷料位并取出原料托盤(pán)，放入托盤(pán)換位工作站1 上的移動(dòng)托盤(pán)上后→回到生產(chǎn)線上。

2)從生產(chǎn)線→運(yùn)輸線中轉(zhuǎn)臺(tái)站1→數(shù)控車床工作位監(jiān)測(cè)點(diǎn)→行走機(jī)器人1 接信號(hào)抓原材料→進(jìn)入數(shù)控車床的加工區(qū)。經(jīng)數(shù)控車床的加工循環(huán)后，加工完畢→零件清理單元清理。

3)半成品零件清理后，回到生產(chǎn)線上→加工中心工作位監(jiān)測(cè)點(diǎn)→行走機(jī)器人2 接信號(hào)抓車加工半成品料→進(jìn)入加工中心的加工區(qū)。經(jīng)加工中心加工循環(huán)后，加工完畢→零件清理單元清理。

4)成品零件清理后，回到生產(chǎn)線上→運(yùn)輸線中轉(zhuǎn)臺(tái)站2→裝配區(qū)工作位監(jiān)測(cè)點(diǎn)→行走機(jī)器人3 接信號(hào)抓取加工好的成品零件→進(jìn)入零件檢測(cè)臺(tái)站進(jìn)行檢測(cè)。

5)零件檢測(cè)完畢后，此時(shí)PLC 要進(jìn)行判別:合格→零件放入托盤(pán)、進(jìn)入機(jī)器人3→進(jìn)入裝配臺(tái)站進(jìn)行零件裝配;不合格→進(jìn)入托盤(pán)換位工作站2 上通知人工下料。

6)零件裝配完畢→進(jìn)入生產(chǎn)線上，經(jīng)運(yùn)輸線中轉(zhuǎn)臺(tái)站3→裝配成品件下料位檢測(cè)點(diǎn)→進(jìn)入托盤(pán)換位工作站3→裝配件托盤(pán)下料入庫(kù)，完成整個(gè)零件加工、裝配循環(huán)。移動(dòng)托盤(pán)回到生產(chǎn)線上經(jīng)運(yùn)輸線中轉(zhuǎn)臺(tái)站4→進(jìn)入原材料上料區(qū)，開(kāi)始新的加工循環(huán)。

2 生產(chǎn)線可完成的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目［3-4］

設(shè)計(jì)好自動(dòng)生產(chǎn)線的流程后，學(xué)生需要進(jìn)行生產(chǎn)線的安裝，實(shí)際確定各制造單元的安裝位置，再調(diào)整每個(gè)單元中各零部件在單元工作臺(tái)面上的位置，使其與前面單元和后面單元精確配合，保證工件順利進(jìn)出。生產(chǎn)線安裝能提高學(xué)生的機(jī)械裝配技能，并增加對(duì)各系統(tǒng)組成部分的認(rèn)識(shí)。

a)傳感器的使用

在模塊化自動(dòng)生產(chǎn)線中，傳感器起著重要的作用。該系統(tǒng)所使用的傳感器數(shù)量達(dá)40 多個(gè)，有光纖式、電感式、光電的以及磁性傳感器，每種傳感器都有各自作用，根據(jù)被檢測(cè)物的性質(zhì)不同發(fā)揮作用使系統(tǒng)得以可靠工作。學(xué)員可通過(guò)了解系統(tǒng)中各類傳感器的工作特性來(lái)加強(qiáng)對(duì)這些傳感器的感性認(rèn)識(shí)，再結(jié)合老師對(duì)傳感器的工作原理分析和特性演示，可使學(xué)員快速掌握所學(xué)知識(shí)。

b)氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

該裝置上使用了大量的氣動(dòng)元件，包括多種電控氣動(dòng)閥、多種氣缸、氣動(dòng)手爪、真空吸盤(pán)、真空發(fā)生器、過(guò)濾減壓閥等。實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生了解各種氣動(dòng)元件的工作原理和控制方法，并進(jìn)行氣路仿真，然后在系統(tǒng)的各工作單元上安裝調(diào)試氣動(dòng)元件和設(shè)計(jì)好的氣路。通過(guò)模塊化自動(dòng)生產(chǎn)線上的氣動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能基本掌握當(dāng)今工業(yè)實(shí)際中常用的氣動(dòng)元件使用方法，并能設(shè)計(jì)完整的氣路系統(tǒng)，同時(shí)掌握對(duì)氣路系統(tǒng)的調(diào)試、維修技能。

c)可編程控制器實(shí)驗(yàn)

目前，隨著工業(yè)控制技術(shù)的進(jìn)步，可編程控制器已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制領(lǐng)域，使工業(yè)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率得到極大的提高?？梢暬鈋-f@ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線劃分的六個(gè)工作站中，每個(gè)工作站都有一套三菱QPLC 可編程控制器，這使得本設(shè)備可以分成六個(gè)完全獨(dú)立的工作單元，20 幾個(gè)學(xué)生可以同時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)而且每個(gè)學(xué)員都有動(dòng)手的機(jī)會(huì)。在該設(shè)備上學(xué)員不但可以學(xué)習(xí)PLC 的硬件和軟件技術(shù)，而且可以學(xué)習(xí)PLC 之間的通信技術(shù)。為掌握學(xué)習(xí)PLC 的各方面知識(shí)提供了條件。使用PLC 控制和調(diào)試自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)綜合性強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，不但需要學(xué)生具有扎實(shí)的機(jī)械調(diào)試、氣動(dòng)技術(shù)、傳感器等多項(xiàng)基礎(chǔ)知識(shí)，還要求學(xué)生具有較強(qiáng)的邏輯思維能力和梯形圖編程技能，同時(shí)也在PLC 實(shí)驗(yàn)中得到鞏固和強(qiáng)化。

d)電氣控制電路實(shí)訓(xùn)

六個(gè)工作站的電控部分全部按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且以附件方式提供全部設(shè)計(jì)圖紙和說(shuō)明書(shū)。學(xué)員在該設(shè)備上可學(xué)習(xí)電路原理圖分析、PLC 各I/O 地址查對(duì)和新設(shè)備電路連線分析方法。

e)機(jī)械系統(tǒng)安裝和調(diào)試

六個(gè)工作站包括各種各樣的機(jī)械工作系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)角工作臺(tái)、倍速鏈機(jī)構(gòu)、滾子鏈，帶傳動(dòng)、清洗機(jī)構(gòu)、CNC 加工設(shè)備、物料儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)等，學(xué)員可對(duì)各個(gè)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行單站實(shí)訓(xùn)，也可將各個(gè)站進(jìn)行重新組裝，然后調(diào)試至正常工作狀態(tài)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)實(shí)訓(xùn)。

f)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus control sys tem;FCS)是20 世紀(jì)80 年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的新一代控制系統(tǒng)。它是信息數(shù)字化、控制功能分散化、開(kāi)放式可操作的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，同時(shí)也是信息技術(shù)、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷深入，現(xiàn)在眾多大型的工業(yè)企業(yè)，如汽車、空調(diào)等企業(yè)都將其生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化控制。在可視化三菱e-f@ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線中每個(gè)單元配置的QPLC 可編程控制器都帶有CC-LINK 總線功能，CCLINK 總線協(xié)議是一種國(guó)際化的、開(kāi)放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，提供了一個(gè)從現(xiàn)場(chǎng)傳感器直至生產(chǎn)管理層的全方位透明的網(wǎng)絡(luò)，是開(kāi)放式系統(tǒng)的典范。因此，對(duì)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，可以使其認(rèn)識(shí)掌握先進(jìn)控制方式和工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展方向。

g)生產(chǎn)線能量控制

通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行能源的可視化管理(manufacturing execution system，MES)能通過(guò)信息傳遞對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠發(fā)生實(shí)時(shí)事件時(shí)，MES 能對(duì)此及時(shí)做出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。這種對(duì)狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使MES 能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒(méi)有附加值的活動(dòng)，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運(yùn)作過(guò)程，從而使其既能提高工廠及時(shí)交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報(bào)率。在可視化三菱e-f@ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線中，MES 還通過(guò)雙向的直接通訊在生產(chǎn)管理內(nèi)部和整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務(wù)信息。并具體把握設(shè)備運(yùn)行中能量消耗的動(dòng)向，做到設(shè)備能量消耗最合適化。

3 結(jié)語(yǔ)

可視化三菱e-f@ctory 自動(dòng)生產(chǎn)線是我校為開(kāi)拓具有本校特色的工程實(shí)踐育人環(huán)境和資源，探索以項(xiàng)目教學(xué)法為目的CDIO 工程教育改革模式，堅(jiān)持“學(xué)以致用”的辦學(xué)理念，專門(mén)設(shè)計(jì)研制的一種典型的結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品加工生產(chǎn)的機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備。本生產(chǎn)線既適合現(xiàn)代工業(yè)零件的自動(dòng)化生產(chǎn)，又適合工程類高等院校的機(jī)械、機(jī)電一體化、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行、教學(xué)實(shí)訓(xùn)、關(guān)鍵技術(shù)研究，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科技成果，從而促進(jìn)科技向生產(chǎn)力的快速轉(zhuǎn)化。

［1］王曉蘭 淺析大學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)室的重要作用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008(5):35-39.

［2］陳宏鉤 機(jī)械加工工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］徐東明，周嶸 模塊化自動(dòng)生產(chǎn)線在機(jī)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009(2):41-43.

［4］郁漢琪 電氣控制與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.2 版.南京:東南大學(xué)出版社，2009.