朱曉強(qiáng)

【摘 要】為了使中、高職院校學(xué)生更好地實(shí)現(xiàn)對機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，本文充分結(jié)合歷屆中、高職院校機(jī)電一體化技能大賽試題，設(shè)計(jì)了以TVT-METS3型機(jī)電氣一體化實(shí)訓(xùn)裝置為平臺，基于三菱FX2N-48MT型PLC為控制器，運(yùn)用MM440變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，多種類型傳感器檢測傳感器信號為一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)模擬工業(yè)自動化生產(chǎn)線貨物的分揀過程的功能。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；PLC；變頻器；技能大賽

引言：

當(dāng)代國際經(jīng)濟(jì)的競爭，實(shí)質(zhì)上是人才的競爭，我國機(jī)電一體化技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家存在差距，關(guān)鍵是教育和人才的落后，為了在中、高職院校培養(yǎng)機(jī)電一體化專業(yè)的人才，使其更好的適應(yīng)用人單位生產(chǎn)的需要，適應(yīng)人才競爭的要求，同時(shí)為了不斷落實(shí)實(shí)踐機(jī)電一體化教學(xué)，參加各類技能競賽，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)加強(qiáng)訓(xùn)練學(xué)生對機(jī)電設(shè)備的拆卸、安裝、編程調(diào)試等技術(shù)能力，對設(shè)備故障的判斷和分析能力，進(jìn)而提高學(xué)生進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場的工作能力。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以TVT-METS3型機(jī)電氣一體化實(shí)訓(xùn)裝置[1]為平臺。以三菱FX2N-48MT型PLC為控制器，采用它的SFC編程方法進(jìn)行編程，對MM440變頻器設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行控制三相同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在系統(tǒng)位置閉環(huán)控制中采用了直流電動機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器相結(jié)合的形式，比較容易的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的控制功能，利用傳感器站的各類傳感器檢測各種信號，與行走機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)等設(shè)備，一起完成物料的檢測、搬運(yùn)、分類、加工、歸類等功能，同時(shí)該系統(tǒng)加有由按鈕開關(guān)、撥碼開關(guān)、狀態(tài)指示燈、報(bào)警指示燈等組成的控制與指示裝置，使系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程更加直觀。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)設(shè)備平臺簡介。TVT-METS3機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置集機(jī)電一體化的試驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)為一體，該套裝置中的大部分部件采用工業(yè)上常用傳感器、變頻器、控制器、執(zhí)行器，并通過接口電路組成PLC網(wǎng)絡(luò)，不同的模塊、單元構(gòu)成行走氣動機(jī)械手機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、料塊供給機(jī)構(gòu)、傳感器檢測機(jī)構(gòu)、液壓氣動控制機(jī)構(gòu)、裝配機(jī)構(gòu)等，用戶可以通過不同的組合構(gòu)成各種不同的運(yùn)動控制系統(tǒng)，進(jìn)行PLC運(yùn)動控制技術(shù)的綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

2.2系統(tǒng)控制器簡介。

系統(tǒng)采用三菱FX2N-48MT型可編程序控制器[2]作為核心控制器，該型號PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、使用方便和定位精度較高的特點(diǎn)，同時(shí)有低成本和高通用性等優(yōu)點(diǎn)。在該型PLC的多種編程方法中，結(jié)合系統(tǒng)的控制要求采用SFC編程方法[3]，因?yàn)樗哂幸?guī)律性較強(qiáng)，程序以功能為主線，條理清晰，便于程序的分工設(shè)計(jì)和檢查調(diào)試，而不用檢查整個(gè)冗長的梯形圖程序，程序的可讀性好，在設(shè)備故障時(shí)能夠很容易的查找出故障所處在的位置，非常直觀、方便，不需要過多的考慮復(fù)雜互鎖動作，更容易設(shè)計(jì)和維護(hù)系統(tǒng)。

2.3變頻器參數(shù)的設(shè)定。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求的需要，對MM440變頻器的參數(shù)設(shè)定分為恢復(fù)出廠設(shè)置、快速調(diào)試、外部端子參數(shù)設(shè)定共三個(gè)部分，參數(shù)如表1所示：

表1 變頻器參數(shù)設(shè)定

圖3 變頻器特性曲線

在變頻器設(shè)定頻率參數(shù)時(shí)，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況選擇合適的參數(shù)，應(yīng)該避免與設(shè)備功率相沖突，因?yàn)樵谀欠N情況下運(yùn)行，設(shè)備會產(chǎn)生較大振動，將對設(shè)備有所損壞。變頻器采用恒功率調(diào)速，此時(shí)調(diào)速的平滑性較好，效率較高，機(jī)械特性的調(diào)速范圍廣，只需要控制電壓隨頻率變化的規(guī)律，經(jīng)過調(diào)整得出曲線為如圖3所示。

2.4傳感器的調(diào)整

本系統(tǒng)所用傳感器類型主要分為原料區(qū)的類型檢測傳感器和光電傳感器，在調(diào)試帶式傳送機(jī)時(shí)，首先對原料區(qū)的類型檢測傳感器進(jìn)行調(diào)整，若檢測原料區(qū)物料的3個(gè)類型傳感器中存在沒有檢測到該物料的情況，可將對應(yīng)的傳感器靈敏度增大或?qū)鞲衅鞯奈恢孟抡{(diào)一定距離，反復(fù)進(jìn)行測試，直到滿足檢測要求。光電傳感器的調(diào)整為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，機(jī)械手限位開關(guān)應(yīng)與軌道兩端留有一定位置。

2.5氣缸的壓力調(diào)整

該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)各氣缸單向節(jié)流閥[4]時(shí)，要求各氣缸活塞桿動作速度協(xié)調(diào)，無碰擦現(xiàn)象；每個(gè)氣缸的磁性開關(guān)安裝位置合理、信號準(zhǔn)確；此外考慮設(shè)備的安全性將氣缸的壓力設(shè)定為合適的參數(shù)為必須的，根據(jù)實(shí)際情況對壓力參數(shù)進(jìn)行設(shè)定在0.4～0.6MPa之間。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程圖

TVT-METS3整個(gè)系統(tǒng)采用三菱PLC的SFC編程方法，在PLC的控制下，系統(tǒng)的運(yùn)動過程為：當(dāng)物料由井式供料單元進(jìn)入顏色傳感器分揀單元之時(shí)，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過同步齒形帶使物料進(jìn)入電容、電感、顏色傳感器檢測區(qū)域，使不同顏色、不同材質(zhì)的物料分別分揀；當(dāng)物料進(jìn)入機(jī)械手取料區(qū)域時(shí)，行走機(jī)械手開始運(yùn)動，通過步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)使機(jī)械手到達(dá)放料區(qū)域，將不同顏色、不同材質(zhì)的物料放入到平面?zhèn)}庫中，將待加工的物料放入加工、裝配單元，實(shí)現(xiàn)物料的加工、裝配，最后機(jī)械手又將加工裝配好的成品放入相應(yīng)的平面?zhèn)}庫庫位中。根據(jù)控制任務(wù)的要求，編程實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)如圖4所示的流程控制。

圖4系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 SFC的控制過程

3.2 原料區(qū)

對于原料區(qū)工作時(shí)，為了防止系統(tǒng)突然斷電，導(dǎo)致物料堆積在傳送帶，所以在每次系統(tǒng)上電時(shí)都將傳送帶反轉(zhuǎn)10S后，使堆積的物料推出傳送帶，再進(jìn)行系統(tǒng)正常供料。原料區(qū)的供應(yīng)過程為在物料被推出到達(dá)位置1后，物料將從位置1出發(fā)開始依次經(jīng)過電感、電容、顏色傳感器以及光電傳感器的綜合檢測，到達(dá)位置2，在檢測過程中，先將檢測到的信號鎖存，在所有傳感器檢測完畢，將檢測到的傳感器信號綜合，進(jìn)行物料分析、確定物料類型，并將分析結(jié)果存放，以便機(jī)械手進(jìn)行讀取，執(zhí)行下一步操作。

3.3 機(jī)械手

機(jī)械手在整個(gè)控制系統(tǒng)中是一個(gè)核心的運(yùn)動被控部件，機(jī)械手的控制核心為三菱FX2N - 48MT型PLC，它的運(yùn)動穿插在各個(gè)控制段，支撐著整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，機(jī)械手的下降、上升、夾緊、松開的動作是根據(jù)機(jī)械手的當(dāng)前狀態(tài)和下一步目的地進(jìn)行比較來確定的，而且動作是按時(shí)序流程進(jìn)行控制。若當(dāng)有物料需要加工時(shí)，機(jī)械手初始位置位于原點(diǎn)處，同時(shí)原料區(qū)物料已到位置2，此時(shí)機(jī)械手的動作為機(jī)械手夾取物料，然后以一定速度將物料進(jìn)行搬運(yùn)到1#或2#加工區(qū)，在加工區(qū)，機(jī)械手將分別執(zhí)行下降、松開放物料，待加工完畢機(jī)械手再一次夾緊物料、上升等一系列動作，最后將其搬運(yùn)到成品區(qū)，以備操作人員取物。

3.4 系統(tǒng)停止、報(bào)警與顯示功能模塊

當(dāng)按下停止按鈕SB3或成品區(qū)計(jì)數(shù)值等于9時(shí)M30=1，直到機(jī)械手回到原點(diǎn)后M31=1，使系統(tǒng)停機(jī)；在原料區(qū)出現(xiàn)缺料時(shí)，系統(tǒng)不是立刻報(bào)警，而是延時(shí)一段時(shí)間進(jìn)行檢測，如果確定為缺料信號時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，指示燈閃爍，這樣就防止原料區(qū)氣缸動作引起的光電傳感器SQ6誤動作造成的缺料報(bào)警；對成品區(qū)的物料數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)成品區(qū)計(jì)數(shù)值等于8時(shí)M30=1，數(shù)碼管顯示8，系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警指示燈信號，提醒工作人員將成品取走。

4.總體調(diào)試

該機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的整體調(diào)試流程如圖5所示，具體調(diào)試步驟如下：

1）首先對設(shè)備進(jìn)行上電初始化[5]。

2）設(shè)備在初始狀態(tài)時(shí)，按下啟動按鈕，整個(gè)控制系統(tǒng)開始工作，帶式傳送機(jī)運(yùn)行10S，將傳送帶上堆積的物料推到物料箱中，待井式供料塔的光電傳感器檢測到工件后，由推料氣缸將工件推出到帶式傳送機(jī)位置1，推料氣缸復(fù)位后，帶式傳送機(jī)將工件送達(dá)帶式傳送機(jī)位置2，工件到達(dá)位置2后，由機(jī)械手取走，原料區(qū)推料氣缸繼續(xù)推料。當(dāng)物料為2#或3#物料時(shí)，機(jī)械手將根據(jù)夾取的具體物料送往1#工作臺或2#工作臺分別工作。當(dāng)井式供料塔缺料時(shí)，缺料報(bào)警燈以10Hz閃爍。

3）當(dāng)機(jī)械手將物料放在成品區(qū)時(shí)，光電傳感器對物料進(jìn)行檢測，并用數(shù)碼管顯示物料的數(shù)量，當(dāng)達(dá)到數(shù)值8時(shí)，滿倉報(bào)警指示提示工作人員將成品區(qū)的物品搬運(yùn)走，當(dāng)顯示數(shù)等于9時(shí)，機(jī)械手回到原點(diǎn)位置后停止運(yùn)行，同時(shí)滿倉報(bào)警燈閃爍，提示工作人員將成品區(qū)的物品搬運(yùn)走。

4）系統(tǒng)停止：當(dāng)按下停止按鈕后，機(jī)械手開始向返回系統(tǒng)控制原點(diǎn)方向運(yùn)行，當(dāng)機(jī)械手回歸到系統(tǒng)原點(diǎn)后停止運(yùn)行，等待控制任務(wù)的分配繼而再繼續(xù)工作。

5）系統(tǒng)急停：當(dāng)按下急停按鈕后，所有運(yùn)動部件將暫停運(yùn)行，并且系統(tǒng)急停指示燈以10Hz頻率閃爍，直到急停按鈕復(fù)位后，系統(tǒng)將從當(dāng)前位置開始繼續(xù)運(yùn)行，執(zhí)行下一步操作。

5.設(shè)計(jì)總結(jié)

結(jié)合歷屆中、高職院校技能大賽試題，對機(jī)電一體化競賽資料進(jìn)行收集、分類、分析、匯總，并根據(jù)機(jī)電一體化競賽的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了基于三菱FX2N-48MT型PLC的TVT-METS3機(jī)電一體化設(shè)備控制系統(tǒng)，核心側(cè)重點(diǎn)在于系統(tǒng)功能分解及實(shí)現(xiàn)，以及三菱PLC的FSC編程方法，同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)兼顧了大賽對于安裝、接線工藝以及繪圖的要求，讓學(xué)生很好的對機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行控制，為以后的社會發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李穎卓.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 李全利.PLC運(yùn)動控制技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐（三菱）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1.

[2] 常斗南.可編程控制器原理◎應(yīng)用◎?qū)嶒?yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.7.

[3] 杜從商.PLC編程應(yīng)用基礎(chǔ)（三菱）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.9.

[4] 肖明耀.三菱FX系列PLC應(yīng)用技能實(shí)訓(xùn)[M].中國電力出版社，2010.

[5] 周曲珠. 圖解液壓與氣動技術(shù)[M].中國電力出版社，2010.4.