机电一体化综合实验实训项目建设

　　摘 要：介绍了机电一体化综合实验和实训项目的来源、内容和项目的建设目标。概述了PROFIBUS总线在机电一体化自动装配教学生产线系统中的应用和体会，阐述了高职高专院校机电一体化专业综舍实验实训的需求、实验实训方案的设计。介绍了自动装配教学生产线的组成和工艺流程及基于PROFI-BUS总线下的PLC控制及应用。
　　
　　关键词：机电一体化；传感器；机械传动；气动技术；PROFIBUS总线；自动装配；工艺流程；PLC
　　
　　
　　
　　1 引 言
　　
　　机电一体化专业培养目标之一就是培养从事机电一体化自动生产线的安装、调试和维修的生产一线的高技能人才，结合机电一体化技术和现代制造技术等课程内容，为学生提供与生产实际相结合的综合实验实训平台。经过调研兄弟院校和现代化工厂，最后我们选择了由天津龙洲科技公司引进德国职业教育培训模式的光、机、电自动装配教学生产线实训装置作为该项目的主要设备。
　　2004年，机电一体化综合实验实训室建成以来，为机电一体化、电气自动化、机械制造与自动化专业的1000多学生进行了实验、实训和毕业设计等实践环节。运行实践证明，该项目的建设符合实际需求，达到了专业能力培养的需求，尤其对各种技术的综合应用是一个很好的平台，得到广大师生和用人单位的肯定。
　　
　　
　　2 自动装配教学生产线
　　
　　Me093399机、光、电一体化自动装配教学系统是一套完整、灵活、模块化易扩展的教学实训系统，根据教学和生产需要研发并制造，从简单到复杂，从零部件到整机。系统采用以铝合金结构为主体，利用多种机械传动方式模拟完成现代化装配过程的柔性生产系统，系统展现了实际生产中的典型部分，如：电气控制系统，各种传感器的应用和现代生产中的组态控制、工业总线控制等。学生可以借助该系统，学习机械传动技术、液压与气动技术、电气传动与控制技术、工业现场总线、PLC控制技术、过程控制技术、传感器技术及计算机技术等及各种技术的综合应用。
　　
　　2．1 简 介
　　
　　(1)实训所能涵盖课程。电工电子技术、机床电气与PLC、机械设计基础，自动检测技术、液压与气动技术、数控原理与数控机床、机电一体化技术和现代制造技术、过程控制技术等课程。
　　
　　(2)实训装置特点体现。以自动化的物料传输和加工装置为对象，体现常用的控制方法，机械传动原理的应用，驱动装置的选择、各个模块的调试和系统统调及利用PLC软件进行编程、在线监控、故障的诊断与维修等。
　　
　　2．2 项目设计与任务
　　
　　(1)解决学生的3个能力。掌握常见机械零件的设计、测绘和零、部件及整机的装配调试能力(机械装配能力)；培养机电一体化中的机构和整机的设计与创新能力(创新能力)；掌握按设备的工艺流程选用控制方法编程控制能力(系统控制能力)；培养故障分析和排除能力(排障能力)；掌握多种技术的综合应用能力(综合能力)；熟悉先进制造技术的组成和过程(新技术的应用能力)。
　　
　　(2)解决工程中的实际问题。该自动装配生产线能在较短的时间内熟悉现代工业化生产过程，使学生快速适应实际生产发挥较大作用，对更新现代教学手段起到了示范性作用。
　　
　　2．3 项目包含技术内容
　　(1)机械传动原理。包括①O型皮带传动；②齿轮齿条差动机构；③链轮链条差动机构；④齿轮减速传动机构；⑤螺旋升降机构；⑥间歇送料机构；⑦同步齿型带传动机构；⑧储料仓形式；⑨蜗轮蜗杆进给机构；⑩滚珠丝杠螺母机构。
　　
　　(2)气压传动与控制。包括：气源的产生、各种电磁换向阀、有杆和无杆汽缸、摆动汽缸和真空发生器、各种流量压力控制阀等。
　　
　　(3)电气传动与控制技术。①PROFIBUS总线控制技术；②变频调速技术；③可编程控制器的应用；④直流电机传动；⑤各种传感器的检测与应用；⑥步进电机控制；⑦气压传动与控制；⑧继电器控制；⑨计算机组态控制等技术。
　　
　　(4)组态与计算机控制技术。学生除可以进行PLC编程外还可以进行组态画面的编程，经过触摸屏的控制，实际用计算机与控制对象连接和控制。
　　
　　(5)软件应用。利用V3.1 STEP 7-MicroWIN软件可以在线编程、调试、监控和诊断与维修。
　　
　　
　　3 自动装配教学生产线组成和工艺流程
　　
　　3．1 机电一体化自动装配教学生产线组成
　　机电一体化自动装配教学生产线的组成，作用是通过对一个简单的部件装配、模拟喷漆、烘干和通风、集中检测、分拣、升降电梯、多层货架等实现手动和自动的运行来模拟实际生产线的过程，整个生产线的控制分为8个模块和一个总控平台，可用PROFI-BUS总线连接总控和各分站的通讯，实现自动装配，可用上位机PC机进行组态控制。
　　
　　3．2 各模块组成和工艺流程
　　
　　(1)备料机械手单元。该单元的作用是将放在工件平台上的工件主体搬运到下料单元的料斗中，运动包括：机械手臂的上下(用上下动作的双作用气缸)；工件的吸放(气缸杆顶端装有电磁铁)；机械手回转900(直流电机经减速机构内齿轮传动机构带动机械手回转)；机械手臂的抬起和降落(直流电机经减速机构后驱动齿条和齿轮机构经杠杆机构抬起工件)；工件的前进和后退(右移和左移也是直流电机经减速机构后经过齿轮齿条使整个机械手移动)。该单元的控制使用西门子S7-200 PLC驱动6个继电器(实现3个直流电机的正、反转控制)，驱动电磁阀控制双作用气缸和直流电磁铁实现上述运动的控制，位置的检测用到了微动开关、舌黄继电器、光电检测开关。该单元的控制台可以进行手动、自动、急停等功能控制。
　　
　　(2)下料单元。该单元的作用是当底层传送带上的托盘到位后电磁铁挡住托盘，若主件没有落下，启动下料单元直流电机经减速机构减速同步带同向转动，带动间歇机构电机每转一转同步带下降一次，电机两转同步带下降一个工件，工件主体落入托盘中后，光电检测到托盘中的工件主体，电磁铁吸下，工件放行，转角1单元是直流电机经减速器后，带动齿轮、齿盘链条传动和辊轴带动工件转角90。到下一个单元。
　　
　　(3)加盖单元。当底层传送带上的托盘带动工件到该单元后，止动气缸使工件停止，当检测上盖的光电开关检测到没有加盖，电机启动经减速机构，带动涡轮蜗杆驱动连杆(机械手臂)，主摆臂动作，进行工件的取放，手臂上的弹簧在梯型挡块的作用下自动进行手臂的卡紧和放松，取盖和放盖，电机的正、反转位置限位，依靠微动开关定位，检测到加盖好后，止动气缸放行，工件运行到下一单元。
　　
　　(4)穿销钉单元。当底层传送带带动加盖后的工件主体移动到该单元，止动气缸使工件停止。当检测销钉的光纤传感器检测到没有穿销钉，销钉汽缸动作于气缸杆连接的600斜槽滚筒转动，使销钉转到穿钉位置，气缸继续前进，顶杆将销钉顶到工件的销钉孔内，检测到销钉穿到位置后，销钉气缸退回，止动阀放行，到下一单元。
　　
　　(5)模拟单元。当底层传送带将装配完成的工件移动到该单元后，止动气缸使工件停止。启动喷气阀模拟喷漆工艺延时后，给电阻丝通电加热，同时由温度变送器检查温度，到达温度后，在启动通风扇，延时时间到后，开始放行，延时3s后工件到了转角2，启动转角2单元的转角气缸，气缸杆推动齿条带动扇形齿轮使转角单元转动900，同时转角单元上的传送带电机反转，使工件进入到下一单元的传送带上。
　　
　　(6)检测单元。当底层传送带将装配、喷涂完成的工件移动到该单元后，止动气缸使工件停止，该单元集中了销钉检测、销钉材质检测传感器、上盖检测、和工件正、次品的色标传感器、还配备有摄像和监视器等作为集中检测单元。工件正、次品的色标传感器的检测作为下一单元分拣单元的工作状态，由PROFIBUS总线将检测信息传送到总站，再由总站传送到分拣和多层货架单元。
　　
　　(7)分拣单元与废料单元。转角3是电机通过O型带带动转盘，依靠转盘与工件的磨擦阻力使工件转动。当底层传送带将工件移动到该单元后，止动气缸使工件停止，根据检测单元的检测情况，若是次品，由分拣机械手下降，真空吸盘吸真空，将工件提起转900，无杆气缸后退，到位后真空吸盘释放，工件落到废料单元的滑道内，靠重力滑到废料检测传感器位置，变频器动驱动电机使传送带动作，带动废品到废料箱。若是正品由分拣机械手下降，真空吸盘吸真空，将工件提起转900后放下，传送带带动工件到下一单元的升降电梯单元。
　　
　　(8)升降电梯及叠层单元。工件到升降电梯单元后，由传送带将工件送到升降电梯上，光电检测开关检测到后，升降电梯传送带停，电梯上升，因为是由步进电机驱动到第2层后，根据材质的不同决定是否启动前后移动，然后在启动升降电梯和叠层货架的传送带，使工件进入货架，每层货架程序设计放3个工件，满后自动到第3层和第4层。
　　
　　
　　4 控制系统的构成
　　
　　4．1 电器控制系统机电一体化教学生产线控制系统由8个移动平台模块和一个主控平台组成，主站和从站之间采用PRO．FIBUS通讯连接，主站和上位机PC机串行连接可以进行组态控制。PC机和各个从站采用PC／PCI转接电缆进行编程、调试和维修。主站主要由西门子s7．300(CPU 300，6ES7 315-2AF02-OAB0，存储器卡6SE7951-OKE00-OAA0，I／O数字模块(16)6SE7 323．1 BL00-0AA0背板6ES7 390-1 AE80-0AA0)；PROFIBUS连接器PROFIBUS-DP 20；除此，主控平台还包含空气压缩机、空气净化装置、压力调节与控制阀电源控制与保护电器等组成。8个单元的电气系统控制由8个移动平台控制，主要包括西门子S7．200PLC(CPU-226，6ES7 216-2BD21-OXBO)，PROFIBUS DP模块EM277与主站进行通讯，移动平台还包括自动／手动旋钮开关、启动／停止、急停按钮和电源插座和指示灯，模拟和集中检测单元的西门子s7-200还扩展了模拟量输入模块-6ES7 231-7PB22-0XA06ES7模拟量输出模块232-OHB22-OXA0，移动平台还对输入和输出的状态进行了LED显示，以方便维修。每个单元的PLC输人设备可分为：①本机的输入信号包括移动控制平台的旋钮、开关和急停信号以及该单元机械本体的各种传感器信号和起限位和超程、位置检测的微动开关信号等；②通过PROFIBUS总线通讯的上位机有关变量信号；每个单元的PLC输出大多是继电器输出形式，对比较轻的负载如控制气缸的电磁阀、指示灯和地层传送带电机和多层货架的传送带电机等可以有PLC的输出继电器直接驱动，但对负载比较重的各种机械手的运动、有正、反转控制需要的电机等必须由PLC输出驱动中间继电器在驱动直流电机，自动化生产线上的所有气动元件和设备都采用费斯托公司的产品，与实际生产相同。
　　
　　4．2 系统设备元件选择的特点
　　(1)光电、霍尔、舌黄、电感、电容、光导纤维、激光、色标、温度、微动开关、光电编码器、光栅尺等进行位置、材质和质量、温度等信息的检测，满足自动检测课程的实验实训需求。
　　
　　(2)驱动包括直流电机、三相交流异步电机的变频调速和全数字交流伺服电机、步进电机等驱动系统等满足电机电气控制课程的实验实训需求。
　　
　　(3)气动系统包括：静音压缩机、空气过滤和减压控制阀、单向截流阀、双作用气缸、无杆气缸、摆动气缸和真空发生器，满足液压与气动技术课程的实验实训需求。
　　
　　4．3 总控编程要求
　　(1)复位按钮。按下后，总站的三色指示灯亮，并对各从站复位，所有标志位和计数器都清零，对各重站进行复位，自动返回初始位置。
　　(2)启动按钮。启动整个生产线地层的传送带电机，所有单元都处于工作状态，然后根据托盘的位置按动作顺序和各种传感器检测信息，进行相应的动作。
　　(3)停止按钮。停止所有从站的动作。按启动后可以继续工作。
　　(4)急停按钮。当遇到紧急情况，按下停止按钮，强制性地将各个设备处于停止工作状态，此时按其他按钮均不起作用，只有当急停按钮旋起时，各种设备才能正常工作。
　　在S7-300中设定S7-200的通讯地址，其中V0、Vl为300到200的通讯标志，V2、V3为200到300的通讯标志。
　　
　　
　　5 应用体会
　　
　　机电一体化综合实验实训项目建成4年多来，为相关课程的实践环节起到了巨大的作用，如分配到珠海、深圳的合资企业从事生产线安装、调试和维修的同学，很快适应了实际工作。
　　通过对西门子PROFIBUS总线和V3.1 STEP7 Microwin32编程软件的长期使用，我们认为西门子PLC功能强大，通讯和联网功能，为进一步学习组态控制、总线控制的实践提供了保证，使我们对西门子产品有了比较深刻的认识和体会。
　　(1)PROFIBUS总线实现了现场设备和中央控制器之间的双向、高速和实时通讯，编程简洁方便。从站分配地址后，在主站直接引用从站的VW，不需另外编程。
　　(2)应用PROFIBUS总线控制，硬件连线简单，只需采用一根通讯线就可以将8个从站和一个变频器连接起来，硬件组态简单，在设备安装和调试过程中，大大减少了接线的工作量，同时使设备运行更加可靠，提高了整个系统的性能，大大降低了设备因线路引起的故障率。
　　(3)各模块之间通过PROFIBUS总线将各自的状态和检测单元的信息告诉到相关单元，信息传送速度快，准确无误，保证了生产线的正常运行。
　　(4)每个工位都采用各自的S7-200控制，大部分功能在本地实现，有手动和自动选择，方便对每个模块的工艺流程掌握和分析，若该模块出现异常时能及时停机，并将情况传到主站，即使网络出现故障，也能完成本次的控制，不会出现误动作，保护了设备和人身安全。
　　(5)采用PROFIBUS总线的屏蔽双绞线，有效的解决了高次谐波等电气干扰等问题。提高了系统的可靠性。
　　(6)利用STEP-7-Win32软件的编程、在线监控和故障诊断很方便，可以结合PLC程序对现场出现的故障非常方便的进行处理。