教學(xué)設(shè)備

   電氣自動化專業(yè)課程主要有 PLC 技術(shù)、變頻技術(shù)、傳感器技術(shù)等。并且主要為技術(shù)性的實(shí)踐內(nèi)容，實(shí)訓(xùn)質(zhì)量將直接影響到學(xué)生的技能水平。通過對目前典型柔性生產(chǎn)線各個部分的研究，在為了使教學(xué)設(shè)備與實(shí)際柔性生產(chǎn)線盡量的貼近的前提下，建立起柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的框架模型,主要由傳送分揀單元、搬運(yùn)加工單元、立體倉庫單元組成。該教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)為一套半開放式的實(shí)訓(xùn)平臺，在使用的時候可以根據(jù)自己的需求選擇單獨(dú)單元、多個單元以及單元中的某個部分進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。各個單元均安裝在實(shí)訓(xùn)臺上，便于單元中機(jī)械機(jī)構(gòu)以及氣動元件的安裝、控制線路的布線、氣動電磁閥以及氣管等的安裝。各個單元的設(shè)計(jì)在滿足功能以及教學(xué)需求前提下，還應(yīng)考慮選用器件的性價比及實(shí)用性，如搬運(yùn)加工系統(tǒng)中的數(shù)控加工部分由于體積較大，價格較貴，且一般學(xué)校都有專門的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)室，所以該設(shè)備中不必設(shè)置數(shù)控加工部分。
2.2.2 功能需求分析
該柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的研制目的是為電氣自動化專業(yè)學(xué)生提供一個綜合實(shí)訓(xùn)平臺。根據(jù)本專業(yè)課程標(biāo)準(zhǔn)以及人才培養(yǎng)目標(biāo)，該平臺不僅要完成單門專業(yè)課程的典型實(shí)訓(xùn)，還要能夠進(jìn)行多門課程的綜合性實(shí)訓(xùn)。根據(jù)電氣自動化專業(yè)《PLC 技術(shù)》、《變頻技術(shù)》、《氣動技術(shù)》、《觸摸屏應(yīng)用》、《傳感器技術(shù)》等課程的要求，本實(shí)訓(xùn)平臺能夠開設(shè)如下實(shí)訓(xùn)：
（1） PLC 及特殊模塊的應(yīng)用實(shí)訓(xùn)（該實(shí)訓(xùn)主要讓學(xué)生了解 PLC 的基本知識；掌握編程軟件的使用；掌握 PLC 特殊功能模塊的使用）；
（2） 傳送帶速度/位置控制實(shí)訓(xùn)（該實(shí)訓(xùn)主要讓學(xué)生完成對環(huán)形傳送帶單元速度控制的 PLC 程序編寫及調(diào)試、變頻器參數(shù)設(shè)置）；
（3） 氣動技術(shù)實(shí)訓(xùn)（該實(shí)訓(xùn)主要讓學(xué)生了解氣動傳動和控制方法、繪制簡單氣動回路）；
（4） 人機(jī)界面技術(shù)實(shí)訓(xùn)（該實(shí)訓(xùn)主要讓學(xué)生熟悉觸摸屏的操作、觸摸屏界面的制作以及觸摸屏的應(yīng)用）；
（5） 工控設(shè)備之間的通信實(shí)訓(xùn)（該實(shí)訓(xùn)主要讓學(xué)生熟悉通信方式的種類；掌第二章 柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的總體設(shè)計(jì)握各種工控設(shè)備之間的通信連接、程序設(shè)計(jì)等）；
（6） 傳感器技術(shù)實(shí)訓(xùn)（該實(shí)訓(xùn)主要讓學(xué)生熟悉傳感器的分類及選型、傳感器
參數(shù)調(diào)整）；
（7） 綜合實(shí)訓(xùn)（為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、技能競賽等提供實(shí)訓(xùn)平臺）
2.3 教學(xué)設(shè)備總體設(shè)計(jì)
當(dāng)具體的實(shí)訓(xùn)要求確定下來之后，為了實(shí)現(xiàn)以上實(shí)訓(xùn)功能，就必須為每個實(shí)訓(xùn)找到相應(yīng)的載體模塊,將具體的自動化器材設(shè)備融入到各個單元模塊中。本節(jié)主要對各個單元的布局以及主要用到的電氣設(shè)備做了介紹。
2.3.1 教學(xué)設(shè)備的總體布局
目前典型柔性生產(chǎn)線的布局主要是基于工件傳輸路線的布局方式，主要有如下幾種：
（1） 直線型
直線型布局是比較簡單的布局方式，各個單元按照直線排放，工件主要由小車或者傳送進(jìn)行運(yùn)輸，這種布局方式適合于工件品種較少且裝配簡單的大批量加工制造情況。
（2） 圓環(huán)型
圓環(huán)型布局是將工件的傳輸路線設(shè)計(jì)成一個圓環(huán)，各個單元沿著這個圓環(huán)布置，這種布局方式可以提高設(shè)備的容錯性，當(dāng)其中的某個單元發(fā)生故障時也不會導(dǎo)致整條生產(chǎn)線的停止運(yùn)行。根據(jù)學(xué)校實(shí)訓(xùn)室場地以及工件種類較少的情況，本柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備采用直線型加圓環(huán)型的布局。
2.3.2 教學(xué)設(shè)備的組成
通過對典型柔性生產(chǎn)線的功能研究，并結(jié)合教學(xué)設(shè)備的功能需求，對本文中教學(xué)設(shè)備的組成進(jìn)行確定。教學(xué)設(shè)備由傳送分揀單元、搬運(yùn)加工單元和立體倉庫單元三個主要部分組成。
（1） 傳送分揀單元
將傳送分揀單元設(shè)定為整個系統(tǒng)的起始部分，包括上料部分、傳送帶部分、分揀部分，主要作用是對工件進(jìn)行分揀并為下一個部分提供工件。當(dāng)系統(tǒng)開始啟動時，上料部分傳感器感應(yīng)到工件后，推料氣缸將工件推至傳送帶，傳送帶啟動將工件帶至分揀單元。分揀后，工件由傳送帶送至分揀加工單元的來料等候區(qū)。傳送帶由一臺三相異步電動機(jī)驅(qū)動，其速度由變頻器控制，相應(yīng)的位置控制由與三相異步電動機(jī)同軸的光電編碼器以及 PLC 完成。主要用到的電氣設(shè)備有 PLC、變頻器、觸摸屏、傳感器、氣動元件以及按鈕等。
（2）搬運(yùn)加工單元
本單元包括搬運(yùn)和加工兩個部分。搬運(yùn)功能由一臺在絲杠上左右運(yùn)動的三自由度機(jī)械手完成，機(jī)械手的左右、上下、旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。加工主要是對工件進(jìn)行加熱以及簡單裝備，加熱單元主要由電熱絲、熱電偶傳感器、FX2N-2LC 模塊完成。本單元中主要用到的電氣設(shè)備有 PLC 及 FX2N-2LC 特殊模塊、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及步進(jìn)電機(jī)、氣動元件以及按鈕等。
（3）立體倉庫單元
本單元負(fù)責(zé)對加工完畢的工件進(jìn)行分類倉庫，主要由堆垛機(jī)、立體倉庫以及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。堆垛機(jī)的定位移動由 FX2N-20GM 模塊控制兩個伺服電機(jī)在水平和垂直面運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。本單元主要電氣設(shè)備有 PLC、觸摸屏、伺服驅(qū)動器及伺服電機(jī)、氣動元件、按鈕等。2.4 本章小結(jié)本章通過對目前實(shí)際生產(chǎn)中典型柔性生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行研究分析，在此基礎(chǔ)上并根據(jù)學(xué)校現(xiàn)狀提出該柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備應(yīng)具備的功能，同時對該教學(xué)設(shè)備需滿足的專業(yè)課程實(shí)訓(xùn)范圍提出了明確的要求。根據(jù)電氣自動化課程標(biāo)準(zhǔn)，為每個實(shí)訓(xùn)找到相應(yīng)的載體模塊，并對載體模塊進(jìn)行組合，初步規(guī)劃出柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的基本功能單元。最后，根據(jù)目前常見的的柔性生產(chǎn)線布局方式確定本文教學(xué)設(shè)備采用直線型加環(huán)形的組合布局方式。

第三章 柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)是柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)整個教學(xué)設(shè)備各個單元數(shù)據(jù)的接受和處理并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送信號。針對于教學(xué)設(shè)備靈活多變的特殊性，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面盡量使其具有開放性，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。
3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路
根據(jù)電氣自動化專業(yè)課程標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際柔性生產(chǎn)線的控制方式，本控制系統(tǒng)采用“電氣”結(jié)合的設(shè)計(jì)思路。“電氣”結(jié)合是指在各個單元信號的接收、處理及輸出部分采用“電”，在部分邏輯控制回路輸出部分采用小型的電磁閥將電信號轉(zhuǎn)化為“氣”，通過“電氣”結(jié)合的方式驅(qū)動相應(yīng)的氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。“電氣”結(jié)合控制方式的優(yōu)勢在電信號可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，氣動信號具備良好的抗干擾能力。在惡劣的環(huán)境中，可以根據(jù)其不同的特點(diǎn)進(jìn)行分離式安裝，如電回路可以安裝在遠(yuǎn)離惡劣環(huán)境的操作室，氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以安裝在惡劣環(huán)境現(xiàn)場。本教學(xué)設(shè)備雖然在工作時不存在惡劣環(huán)境，但是可以通過對控制系統(tǒng)的認(rèn)識了解電氣信號控制和氣動信號控制的特點(diǎn)。
第三章 柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2 電源部分設(shè)計(jì)
電源部分在本系統(tǒng)中起著重要的作用，不同的控制器對電源有著不同的需求，所以在設(shè)計(jì)的時候應(yīng)該嚴(yán)格參照控制器的電源參數(shù)，以防止控制器的損壞。不同控制器在通電時還存在一些順序要求，所以設(shè)計(jì)時必須考慮到各個控制器的得電順序，有些順序可以通過程序來完成，有些順序必須通過電氣線路控制完成，因此在電源模塊的設(shè)計(jì)時應(yīng)設(shè)置必要的開關(guān)以及中間繼電器。為防止使用者誤操作導(dǎo)致的一些故障，在電源模塊中應(yīng)設(shè)置熔斷器等保護(hù)裝置。