李宽元1，2，王中任1，2，陈十力1,2，汪洋洋1,2，王 琪1,2，董袖青1,2
（1．湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北 襄阳 441053；2．汽车零部件制造装备数字化湖北省协同创新中心，湖北 襄阳 441053）
摘要：设计了基于PLC控制的自动化生产线实训设备，开发了具有冲压、钻孔、传送、分拣等功能的系统，实现了工件的自动加工与分拣。介绍了其电气、液压和气压系统的设计。该设备可作为PLC课程的实验教学设备和项目，具有一定的推广价值。
关键词：PLC；自动化；生产线；实训设备 中图分类号：TP273
0 引言
随着科技的进步，社会生产的自动化程度越来越高，各种自动化生产线得到了广泛应用。为培养机械自动化专业学生的动手能力以适应社会发展的要求，高等院校提供优质、全面的实训设备至关重要。
目前有一些教学设备生产厂家已经供应了类似的设备，但这一类设备往往价格较贵，而且实验训练的内容不一定能满足各校专业特色教育的需要，功能单一固化。因此，本文提出了一条集机电液气一体化以及视觉检测功能的自动化加工线，在实时工况下，通过对工件的传送、加工、检测、分拣和收集以实现工件加工的几个步骤，使学生们既锻炼了动手能力，又学到了课本以外的知识。
1 实训设备的总体结构设计
本文根据目前国内装备制造市场和普通高等院校机械自动化专业教学的实际需要，运用PLC控制编程、电机驱动、液压气压驱动、光学检测、机械手分检以及传感器等多种知识，设计了一台实用型自动线实训设备，以实现产品加工的自动化、规模化，满足高效率加工的需要。根据设想，本文使用Inventor三维软件对自动化生产线实训设备进行实体建模，如图1所示。
图2为自动化生产线实训设备的工艺流程图。该自动化生产线由上料单元、传送与夹紧单元、冲压单元、钻孔单元和分拣单元5个单元组成。其中每一个单元都可构成独立的系统，同时也是一个机电一体化的系统。其中上料单元采用人工叠料，传送、夹紧及分拣单元的执行机构为气压驱动，冲压及钻孔单元的执行机构为液压驱动。
系统启动后，推料气缸推出最底层物料，物料的到位与否由各极限位置的传感器检测，各气缸动作相互联系，完成上料工作。上料单元完成上料动作并发出信号，由导轨导向的上拖板在夹紧气缸的带动下前进到指定位置，配合固定气缸夹紧物料。首次加工时，冲压液压缸动作，完成冲压加工，然后由夹紧气缸后退带动上拖板松开，当松开到位后，移料气缸也后退带动上拖板、下拖板及夹紧气缸后退到初始位置，此时上料单元又送出一块物料，同时本单元又将重复该工序，此时，先前在冲压工位的工件被移至钻孔工位，新工件又被移至冲压工位，然后由冲压液压缸与钻孔液压缸分别完成各自的加工后，再重复工作，当经过三次动作后，工件被传送带送到转盘上，采用基于计算机视觉技术的测量方法对加工后的工件进行检测，剔除不合格的工件；最后利用传感器区别不同物料，并驱动分拣气缸将各物料送人相应的料槽内，待槽内物料积满，机械手将料槽取走。
2 实训设备控制系统设计
PLC是整个控制系统的核心，主要实现信号的采集和处理、伺服定位控制、气动系统控制和系统运行状态指示等功能。本文的控制系统由逻辑控制电路和液动、气动回路3部分组成。液压缸驱动及动力输出由液动回路完成，气缸驱动及动力输出由气动回路完成，而信号处理、转换、逻辑功能的实现由控制电路完成。
2.1 PLC的I/O分配与外部接线
根据该自动化生产线工艺流程的分析，结合该自动线的控制要求，选用西门子S7-200型号的PLC控制器，绘制出PLC外部接线图如图3所示。
2.2 电气路线设计
根据该自动线的控制要求，液压站与主电源直接相接．为保证安全需接一个接触器，并且接有相序保护器；钻床电机也与主电源相连接，需要一个接触器。变频器要控制分拣单元传送带，故将其接到传送电机上，系统电气原理图如图4所示。
2.3 液压系统设计
该自动线的冲压单元和钻孔单元都采用液压驱动，需要选择一个液压站。根据本文的设计要求，液压驱动需控制冲压和钻孔两个单元的前进、后退和停止，因此本文分别选择了一个三位四通电磁阀来控制冲压缸的动作，一个两位四通阀控制钻床缸的动作。液压系统回路图如图5所示。
2.4 气压系统设计
该自动线的传送及夹紧单元和分拣单元都采用气压驱动，故需要气压阀来实现。由于系统中只需控制气压缸的前进和后退，因此选择两位电磁换向气压阀即可。气压系统回路图如图6所示。
3 结论
利用机电液气一体化的自动化加工线实验教具，可以使学生更好地学习机电液气等知识，克服传统上只参观、不动手教学方式的缺点。学习的内容主要包括PLC控制编程、电机驱动、液压气压驱动、光学检测、机械手分检以及传感器的运用等等，老师可以根据教学的实际情况进行实验的讲解，灵活多变，能很好地满足普通高等院校机械自动化专业学生的教学需求，使学生不仅从理论上巩固了知识，而且从实际操作中体会到了实验的乐趣。
