1.前言
近年来, 由于计算机与微电子技术的迅速发展, 促进了电子技术与机械技术的有机结合, 不仅使各种机械设备和产品以崭新的面貌出现而且产生了一些单纯靠机械或电子技术都难以达到优良功能的新产品或系统。那么机电一体化系统也就应运而生了。而该系统就是按照机电一体化方法设计出来的机械与电子紧密结合的产品或制造系统。它所应用的环境包括工厂自动化、办公自动化、家庭自动化及社会服务自动化。顺应社会和市场发展的需求, 改进和调整传统机械类学生的培养计划, 也为了使学生能够在传统机电产品更新换代和新的机电一体化产品研制开发领域掌握必要的实验技能, 逐渐培养学生对机电一体化产品的实践设计能力, 我们以机电一体化实训台作为培养和教学实验台, 开展了课程设计和多项综合性实验。该套机电一体化实训系统以可编程序控制器作为主控制器。配有由8 个单元组成的执行器及机械装置, 含概了自动化领域中的常用技术, 如可编程序控制系统、气动技术、机械和电气传动技术、配线技术等。
2.机电一体化实训台的构成
本套实验系统由8 个单元组成: 它们是储料单元、翻转送料单元、尺寸检测单元、材质检测单元、机械手送料单元、加工单元、搬运单元和分检单元。每个单元有各自动作特点和要求, 可成组编程, 也可以单元分步编程, 其工作任务是将φ20×25 的工件由原料仓库取出, 经过质量检测, 材质检测, 然后对非金属工件进行加工, 最后按材料的不同将加工过的工件进行分捡。同时在几个工作单元之间配以不同形式的工件传送装置, 最终完成一整套工作以及工艺过程。实训台的整体组成如图1 所示。
图1 机电一体化实训台整体构造
系统的8 个单元各自配有自己的SIEMENS S7- 200 PLC 可编程序控制器作为主控制器, 每个单元还配有独立的操作按钮: 自动/手动选择; 启动/停止选择; 单步运行; 系统复位。因为每一站都设计有独立的电源系统, 气动系统, 机械系统, 操作系统, 所以每一站可以作为独立的系统进行控制, 也可以根据不同的需要进行两站或者多站组合,完成所需要的系统动作。其中每站可以进行单步分解动作控制, 单站手动单循环控制和自动响应循环控制。
2.1 储料单元
本单元的动作过程为: 工件由气缸推出到料板上, 然后等待下一单元将工件取走。气缸的顶出与收回靠一个两位五通电磁换向阀来控制。由传感器识别顶料杆(气缸)的位置; 当传感器无信号时说明料库中无原料, 顶料杆不能推出; 由行程开关完成识别工件是否已被推到料板上。如图2 所示。
2.2 翻转送料单元
本单元的动作过程为: 翻转臂在两个单元间设定的位置准确地传送工件。采用直流减速电机完成该动作, 并通过真空吸盘抓取工件。系统通过两个传感器识别旋转臂的位置, 并向其他单元发出启动信号;由一个微动开关实别工件是否被抓牢。如图3 所示。
2.3 尺寸检测单元
该单元的动作过程为: 当接到工件后, 托料盘上升至顶端, 由传感器识别工件的高度是否符合要求。若“合格”, 托料盘下降至中部停稳后, 推料气缸工作, 将工件推出, 工件将沿滑槽到下一单元, 当下一站单元识别工件已到位, 这时停在中部的托料盘继续下降到底端, 等待下一工件的到来; 若“不合格”, 托料盘直接下降至底端。将不合格工件, 推入废料槽。
2.4 材质检测单元
该单元的动作过程为: 当接到工件后(接料槽在“9 点钟”位置处), 旋转托盘顺时针转180°, 其间经过两个传感器, 来识别工件的材质, 到达“3 点钟”位置后发出信号由下一个工作站将工件取走, 之后旋转托盘复位, 等待下一个工件的到来。实物如图4 所示。
2.5 气动手搬运单元
本单元实现的动作过程是: 当工件被送到机械手下方后, 机械手将向下运动, 然后锁紧夹爪, 当工件被夹住后, 机械手上升, 到达上端后, 机械手臂向右旋转180°。当到达右侧后夹爪向下并释放工件, 然后上升, 最后机械手臂向左摆动、复位, 并发出信号, 将控制权交给下一单元。如图5 所示。
2.6 加工单元
本单元实现的动作过程是: 当工件被送到锁紧槽后, 拉缸向后, 将工件锁紧, 然后钻机启动, 并缓慢下降, 当到达规定位置后钻机上升,升至顶端后停转, 这时拉缸复位向前, 并发出信号, 将控制权移交给下一站。
2.7 传送单元
本单元实现的动作过程是: 接到信号后, 旋臂向上, 然后顺时针旋转180°, 当到达工件上方时, 旋臂下降, 再抽真空, 工件被吸住后, 旋臂上升至顶端, 并逆时针旋转180°后旋臂再下降, 到达低端后, 抽真空释放将工件放置在分检车上, 然后旋臂又上升, 到达顶端后向下一站发出信号移交控制权, 当分检车移到料仓的位置, 并推料入库后, 旋臂便复位( 即下降) 。为下次动作做准备。
2.8 分捡单元
本单元实现的动作过程是: 接到信号后, 分检车向右行驶, 根据材质检测单元的存储结果, 分捡车将停在相应3个位置(如图9个工件槽) , 并推料入库(此时发出信号, 使第7单元中的旋臂复位下降) , 然后分捡车向左行驶, 返回到接工件处, 再发出信号, 让系统连续运转或停止。如图6 所示。
3.实验举例
在实验教学中我们结合实际情况和课堂教学内容, 利用该实训台开设了多项实验。首先为使学生了解机电一体化实训操作系统基本结构及各单元的基本功能。可采用方法一(静态法) 即在断电、停气的前提下面对实训台逐站了解其基本结构及功能; 方法二(动态法) 即在上电、送气的情况下来进行实验。为使学生了解与掌握本系统的电控与气路系统的组成及各元器件的功能, 我们结合组成说明, 实际了解各单元的电路和元器件的功能, 譬如PLC的输入、输出接线图; 电源220V、24DC的接线图; 各种传感器、接近开关、电磁阀、继电器接线图;站与站之间传递信号的接线图, 然后再把线路断开, 要求学生自己动手依据原理图把线恢复到原始状态。
针对《液压与气动技术》这门机械类本科专业的基础课, 为增强实践性, 开设气动实验使得学生通过动手了解掌握气路原理、基本气压元件、典型气缸功能以及实际应用。
例如: 我们选择机电一体化实训台第一站储料单元作为实验对象。具体的实验步骤如下:
(1) 将第一站工件全部取走, 并将其余各站气路断开, 整个系统断电。
(2) 打开气泵, 给第一站送气。
(3) 直观了解气动回路, 各单元的功能。
气源→气动三联件→气路急停→电磁阀→气缸
(4) 手动气动三联件输出调节阀, 左右旋转, 观察气压表, 调整气压输出大小(标准设定为4kgf/cm2) 。了解掌握三联件的功能及使用方法。
(5) 手动电磁阀按钮, 调节气缸上的调压接头, 调节进、出气量, 使气缸中的活塞杆运动达到预期速度。了解和掌握调压接头的功能及使用方法。
(6) 手动电磁阀左右按钮, 使气缸活塞杆重复运动, 了解二位五通双控电磁阀的实际意义。
(7) 通电、送气把工件送入, 将第二单元移开。点击单步开关, 观察气缸上的传感器指示灯, 当气缸重复运动时, 传感器上的指示灯交替指示。了解气缸带磁环时与传感器相互配合能指示出活塞杆所处位置(收回还是推出, 以供PLC的程序调用)。这时在仔细观察电磁阀两侧线圈中的指示灯, 哪边灯亮、气从那边入, 从另一侧出。
(8) 最后将此站气路插头全部拔掉, 自己动手回复气路原状。
另外, 为提高学生在电路方面的工作技能, 也可在学生读懂电路原理图的基础之上正确选择合适的电路元器件能够把原理图转换为实际的布线图。应用于PLC控制的实践环节, 在该实训台上我们开设了机电一体化课程设计, 学生在分析题目要求后, 确定其系统的硬件实现方案, 绘制控制系统原理图和控制系统接线图, 其中原理图及接线图和题目要求要完全吻合, 并能够满足机电一体化实训台控制系统的控制功能。最后, 学生要通过自己阅读PLC控制器说明书, 查找相关资料和手册, 掌握所采用PLC控制器的用户程序开发方法。能够根据自身题目内容及硬件结构, 确定相关功能实现方法, 绘制程序流程图并进行软件编程。
4.实验效果与体会
在过去传统的实验教学中, 学生只是被动的根据实验指导书的内容, 进行常规的验证性实验。现在学生可以利用机电一体化实训台, 根据实验大纲的要求, 自主地完成从设计、绘图、选件、调试的全部过程,不仅培养了学生查阅整理资料, 实际动手的能力, 同时也大大提高了学生的主观能动性, 激发了学生的学习热情和创造性, 在同学中引发了良好的效果。利用现代化的实验设备, 学生真正实现了从要我做实验到我要做实验的转变, 教师也在新设备的熟悉、消化、吸收的过程中, 提高了自身的业务素质, 收到了良好的教学效果。另外, 该实验台的引进, 同时也为教师的科研能力及工作效率的提高创造了条件, 在教学和科研两方面都发挥着重要的作用。