傅康

摘要：基于西門子S7-200 型PLC設(shè)計柔性自動化制造實訓(xùn)設(shè)備硬件系統(tǒng)。本文首先概述了設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)及設(shè)計需求，其次對組成設(shè)備的各硬件模塊進(jìn)行了選型，并分析了相應(yīng)的功能，最后對應(yīng)用設(shè)備進(jìn)行實訓(xùn)生產(chǎn)操作的流程進(jìn)行了簡述。本系統(tǒng)由來料、搬運、運料分揀和人機(jī)交互等硬件模塊組成，能夠精準(zhǔn)識別來料加工產(chǎn)品的顏色和材質(zhì)，并進(jìn)行智能分揀，具有組態(tài)人機(jī)交互功能，方便操作人員遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，降低了直接操作設(shè)備部件的損耗率，可用于高校自動化類專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)或物流企業(yè)包裹智能分揀，具有一定的實用推廣價值。

關(guān)鍵詞：柔性自動化制造實訓(xùn)設(shè)備;西門子S7-200 PLC;電氣系統(tǒng)

1? 柔性自動化制造系統(tǒng)概述

柔性自動化制造系統(tǒng)（簡稱FMS），是一種以計算機(jī)或微處理器作為控制核心，外接機(jī)器人、機(jī)械手、數(shù)控機(jī)床、自動化生產(chǎn)線、各類傳感器、組態(tài)等構(gòu)成的能夠完成產(chǎn)品智能加工、運輸和倉儲保管的現(xiàn)代化智能制造系統(tǒng)。其特點為：智能化、柔性化、自動化和無人值守，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展最重要的輔助系統(tǒng)。伴隨《中國制造2025》綱要的推出，近年來柔性制造系統(tǒng)在國內(nèi)的研發(fā)和應(yīng)用趨于白熱化，很多典型的FMS系統(tǒng)被相繼研發(fā)，如：2017年深圳市利和興股份有限公司研發(fā)的FMS系統(tǒng)，2018年武漢華中數(shù)控股份有限公司研發(fā)的FMS系統(tǒng)等。應(yīng)該說，F(xiàn)MS系統(tǒng)已成為現(xiàn)代制造企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的主流。

2? 設(shè)備硬件設(shè)計需求和結(jié)構(gòu)概述

2.1 設(shè)備設(shè)計需求

目前，市場上柔性自動化制造實訓(xùn)設(shè)備存在采購成本高昂、維護(hù)不便和人機(jī)交互體驗不佳等問題，基于此，以優(yōu)化采購研發(fā)成本支出、提升維護(hù)檢修便捷性和增強(qiáng)人機(jī)交互使用體驗為需求設(shè)計一款可用于高校實訓(xùn)和企業(yè)生產(chǎn)的柔性制造設(shè)備具有十分現(xiàn)實的意義。本文以西門子S7-200型PLC為控制核心部件，結(jié)合搬運機(jī)械手、MCGS組態(tài)設(shè)備、三相異步減速電機(jī)、各類傳感器等設(shè)計模塊組合式柔性自動化制造實訓(xùn)設(shè)備，以實現(xiàn)對國內(nèi)工科類高校自動化專業(yè)柔性制造實訓(xùn)教學(xué)的輔助。

2.2 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

如圖1，本系統(tǒng)以西門子S7-200型PLC為硬件核心，功能模塊涵蓋來料、搬運、運料分揀和人機(jī)交互四個子部分，各模塊又由不同的硬件機(jī)構(gòu)組成，相互配合能夠完成對待加工產(chǎn)品來料識別、搬運傳送、歸類分揀和遠(yuǎn)程觸摸控制等操作，具體的部件選型以經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)便捷性和功能質(zhì)量保障為原則。

3? 設(shè)備硬件選型與功能模塊設(shè)計

3.1 來料模塊設(shè)計

來料模塊用于本系統(tǒng)待傳送分揀產(chǎn)品的初級傳輸，一旦該模塊機(jī)構(gòu)中檢測到有物料產(chǎn)品置入，便會啟動傳輸動力裝置運送來料產(chǎn)品至搬運模塊機(jī)構(gòu)。該模塊的硬件選型及功能描述如下：

①來料承載機(jī)構(gòu)。

由來料裝載盤、高度調(diào)節(jié)支架和固定裝置構(gòu)成，其中來料裝載盤用于裝載物料產(chǎn)品，為圓形或橢圓形盛料機(jī)構(gòu);高度調(diào)節(jié)支架和固定裝置用于調(diào)節(jié)承載機(jī)構(gòu)的高度和固定整個機(jī)構(gòu)，機(jī)械安裝上可根據(jù)來料的體積、重量等參數(shù)自行設(shè)計調(diào)整。

②來料運輸機(jī)構(gòu)。

由直流減速電機(jī)和撥料裝置構(gòu)成，撥料裝置與直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時撥料裝置一同轉(zhuǎn)動運輸物料產(chǎn)品，電機(jī)的型號根據(jù)實際需求選定。

③來料檢測機(jī)構(gòu)。

用于檢測送料口是否有物料產(chǎn)品，倘若有產(chǎn)品則停止直流減速電機(jī)，并啟動搬運機(jī)構(gòu)，若送料口無產(chǎn)品則直流減速電機(jī)繼續(xù)運轉(zhuǎn)送料，該機(jī)構(gòu)的核心部件為E3Z型光電傳感器。

3.2 搬運模塊設(shè)計

當(dāng)來料口有物料產(chǎn)品時，便會啟動搬運模塊搬運物料至運輸模塊，可以說搬運模塊是連接來料和運輸模塊的中間機(jī)構(gòu)。在硬件設(shè)計上，該模塊由2只單出雙桿氣缸、4只電控閥、5只磁性開關(guān)和1套機(jī)械搬運手組成，各硬件設(shè)備的選型及功能描述如下：

①單出雙桿氣缸。本設(shè)備的該類氣缸由雙聯(lián)、擺動和標(biāo)準(zhǔn)三類氣缸構(gòu)成，其中雙聯(lián)氣缸可實現(xiàn)對機(jī)械搬運手“伸出-縮回”動作的控制，擺動氣缸可實現(xiàn)對機(jī)械搬運手“左擺-右擺”動作的控制，標(biāo)準(zhǔn)氣缸可實現(xiàn)對機(jī)械搬運手“上升-下降”動作的控制。

②電控閥。用于啟動/停止各單出雙桿氣缸的動作，設(shè)計上由PLC程序控制電控閥的導(dǎo)通和關(guān)斷。

③磁性開關(guān)。即磁性傳感器，用于檢測機(jī)械搬運手的運動限位，以判斷機(jī)械搬運手是否運動到限位位置。

④機(jī)械搬運手。包括機(jī)械手爪、手臂、節(jié)流閥、緩沖閥等部件，手爪通過抓緊和松開完成物料產(chǎn)品的抓取運輸，實際用PLC編程進(jìn)行控制。該模塊的設(shè)計圖如圖2。

3.3 運料分揀模塊設(shè)計

運料分揀模塊是執(zhí)行物料產(chǎn)品運輸和分揀的機(jī)構(gòu)，其中運輸機(jī)構(gòu)由三相異步減速電機(jī)和傳送皮帶組成，分揀機(jī)構(gòu)由各類傳感器、氣缸、物料存儲推送裝置、變頻器和電磁閥組成，各主要硬件選型和功能描述如下：

①三相異步減速電機(jī)。選用380V，40r/min的三相異步減速電機(jī)，電機(jī)運轉(zhuǎn)軸與傳送皮帶綁定，電機(jī)運轉(zhuǎn)時帶動傳送皮帶運動，實現(xiàn)產(chǎn)品傳輸。

②傳感器組。包含1個金屬傳感器（額定電壓DC10-30V，檢測距離2-5mm，用于檢測金屬材質(zhì)產(chǎn)品）、2個光纖傳感器（額定電壓DC10-30V，檢測顏色精度可調(diào)，用于檢測不同顏色的產(chǎn)品）和1個光電傳感器（額定電壓DC10-30V，檢測距離3-100mm，用于識別落料口是否有物料產(chǎn)品）。

③變頻器。選用西門子MM440變頻器。

④物料存儲推送裝置。由落料口、料槽、進(jìn)氣機(jī)構(gòu)、推料氣缸構(gòu)成，各部件根據(jù)物料產(chǎn)品的體積、重量等指標(biāo)機(jī)動選型。

3.4 人機(jī)交互模塊設(shè)計

基于本設(shè)備的人機(jī)交互模塊，實訓(xùn)或技術(shù)人員可用遠(yuǎn)程觸摸的方式實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的操作和監(jiān)控，以體現(xiàn)出自動化遠(yuǎn)程控制的優(yōu)勢。該部分由1個昆侖通泰7寸液晶人機(jī)交互觸摸屏和1套RS485通訊線纜組成，通訊線纜用于觸摸屏與西門子S7-200型PLC之間的數(shù)據(jù)通信，具體的連接示意圖如圖3。

4? 設(shè)備操控應(yīng)用流程

本設(shè)備基于PLC進(jìn)行產(chǎn)品自動化運輸、識別、分揀循環(huán)控制，根據(jù)操控需要編寫PLC梯形圖程序后，實訓(xùn)或技術(shù)人員操控設(shè)備的流程為：

①啟動系統(tǒng)。按下系統(tǒng)啟動按鈕SB1。

②初始化自檢。系統(tǒng)啟動后，將調(diào)用初始化程序進(jìn)行自檢，主要檢測各硬件機(jī)構(gòu)是否連接、有無損壞等，倘若存在問題則發(fā)出報警信號，同時停止系統(tǒng)運行。

③自動化制造循環(huán)運行。倘若系統(tǒng)自檢無問題，則自動進(jìn)入“運送來料-搬運物料-識別物料-分揀物料”的循環(huán)生產(chǎn)過程，整個過程中各類傳感器檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，倘若出現(xiàn)掉料、過載、空載、誤操作等故障，傳感器能夠自動檢測并斷電報警。

④通過MCGS觸摸屏實現(xiàn)柔性自動化制造過程的操作及監(jiān)控，若要停止系統(tǒng)運行，只需按下停止按鈕SB2即可。

5? 結(jié)語

通過硬件選型和各模塊功能的設(shè)計，初步完成了柔性自動化制造實訓(xùn)設(shè)備硬件系統(tǒng)的設(shè)計，該設(shè)備硬件選型經(jīng)濟(jì)適用，各模塊功能科學(xué)實用，完全能夠作為一套物料產(chǎn)品的運輸、識別、分揀和存儲實訓(xùn)所用，具有一定的應(yīng)用推廣性。在下個階段的設(shè)計中，將根據(jù)硬件設(shè)計完善系統(tǒng)軟件設(shè)計、組態(tài)設(shè)計和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容，并將硬件和軟件整合起來設(shè)計若干實訓(xùn)項目，以使整個設(shè)備體現(xiàn)出實訓(xùn)實用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張貴軍，陳安，王文，吳浪，李章維.模塊化柔性制造綜合實訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（12）：161-163.

[2]楊娟，農(nóng)應(yīng)斌.智能制造實訓(xùn)設(shè)備現(xiàn)狀研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（23）：142-143.

[3]謝民雄.高校機(jī)械工程訓(xùn)練中實施柔性制造實訓(xùn)的探討[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（06）：192-193.