楊 維

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 西安710300）

0 引言

目前，機械制造、電子行業(yè)、石油化工、食品、制藥和輕工等行業(yè)都離不開自動化生產(chǎn)線的主導和支撐，可以說，自動化生產(chǎn)線是現(xiàn)代工業(yè)的生命線。自動化生產(chǎn)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(chǎn)過程所需要的人力物力，降低了生產(chǎn)成本，保證了產(chǎn)品質(zhì)量［1-2］。自動生產(chǎn)線教學裝置將工業(yè)實際過程展現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)線檢測、傳動等各方面故障診斷與排除的練習。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能設計

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

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)所開發(fā)的自動裝配生產(chǎn)線機械結(jié)構(gòu)及布局，將系統(tǒng)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(xiàn)工件的鉆孔加工、裝配與入庫過程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1．2 工藝流程

自動生產(chǎn)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(xiàn)生產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)帶動4個工位的轉(zhuǎn)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(xiàn)。整個系統(tǒng)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(tǒng)工作流程

1．3 硬件結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)中，每個工作模塊的控制由1個獨立的可編程控制器實現(xiàn)，將上料模塊作為整個系統(tǒng)的主站，其余4個模塊均設置為從站，自動生產(chǎn)線總體架構(gòu)如圖3所示［3］。根據(jù)自動生產(chǎn)線的工藝與被控設備數(shù)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(wěn)定性較強、工藝更改方便等特點。各模塊間組建PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)路，實現(xiàn)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳遞與協(xié)調(diào)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(tǒng)硬件架構(gòu)

2 自動裝配生產(chǎn)線軟件設計

2．1 軟件設計流程

系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示。根據(jù)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(shù)據(jù)位D0存儲1號大工件的顏色信息，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)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(tǒng)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(qū)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(xiàn)場總線向輸送模塊（從站6）發(fā)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(jù)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(fā)送完成信號，這時將1號大工件轉(zhuǎn)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(fā)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(jù)套件的顏色選取不同的立體倉庫存儲工位。此時整個生產(chǎn)過程結(jié)束?？紤]到各模塊控制功能設計及實現(xiàn)方法的一致性，在設計時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所有模塊中，輸送模塊作為整個系統(tǒng)的加工、檢測、存儲的中轉(zhuǎn)站，是整個生產(chǎn)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(xiàn)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?qū)渲肞TO輸出。表1為伺服電機運動包絡數(shù)據(jù)，這是按照系統(tǒng)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?qū)υ捒蛟僦付╒區(qū)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(tài)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(jiān)控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)配置1臺計算機進行生產(chǎn)線實時監(jiān)控。生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺選用北京亞控公司的組態(tài)王組態(tài)軟件King View6．54。用該軟件開發(fā)實時監(jiān)控系統(tǒng)的過程一般是：新建一個工程、畫面開發(fā)、定義設備、新建數(shù)據(jù)庫變量、建立動畫連接、編寫命令語言及進行運行系統(tǒng)配置等［5-6］。需要說明的是這些環(huán)節(jié)不是獨立的，需要交叉進行。上位計算機系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)和命令發(fā)送給集中監(jiān)控計算機，以實現(xiàn)對各生產(chǎn)線模塊現(xiàn)場設備的狀態(tài)監(jiān)控、單／聯(lián)機操作和手動／自動切換等功能。

4 結(jié)束語

針對高等院校教學的需要，分析自動生產(chǎn)線工藝流程及特點，利用組態(tài)及監(jiān)控技術、PLC控制技術，設計完成了一套自動生產(chǎn)線教學裝置的控制及監(jiān)控系統(tǒng)。裝置分為單機和聯(lián)機，分別實現(xiàn)單站調(diào)試教學和全線自動化生產(chǎn)的功能。通過界面友好直觀的組態(tài)畫面和可靠性強的可編程控制器，實現(xiàn)整個自動裝配生產(chǎn)線協(xié)調(diào)、可靠運行的目的。系統(tǒng)可實現(xiàn)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(chǎn)線操作和維護人員的培訓設備。

［1］ Khan O R．Current technological development and mechatronics［C］／／IEEE INMIC 2001，2001：112-117．

［2］ Atmaca E，Erol S．Goal programming model for loading and routing problems in flexible manufacturing systems［C］／／Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Management of Innovation and Technology ，ICMIT，2000，2：843-847．

［3］ 張俊勇．基于PROFIBUS總線的模塊化生產(chǎn)培訓系統(tǒng)的研究［D］．西安：西安工業(yè)大學，2010．

［4］ 牛 麗，丁海波．基于PLC及現(xiàn)場總線的MPS系統(tǒng)控制研究［J］．工業(yè)控制計算機，2008，21（9）：85-86．

［5］ 劉文貴，劉振方．工業(yè)控制組態(tài)軟件應用技術［M］．北京：北京理工大學出版社，2011．

［6］ 王春生．MPS供料檢測站的組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］．機械制造與自動化，2009，38（3）：40-42．