基于光机电一体化的微生产线设计方案

刘静

摘 要：微生产线相对于大型的自动化生产线有着诸多的优点，如体积小、成本较低、生产效率高、易操作、易检修、技术定向等。本文通过实例，对基于光机电一体化技术的微生产线设计进行分析阐述。

关键词：光机电一体化 PLC设计

一、微生产线的基本结构设计

自动化生产线最初是在机械制造业中实现的，其中最早出现的是机床自动化生产线。随着工业的不断发展和用户的不同需求，微生产线的发展近几年来也崭露头角。它相对于大型的自动化生产线有着诸多的优点，如体积小、成本较低、生产效率高、易操作、易检修、技术定向等等。

笔者以设计一条基于光机电一体化技术的微生产线为主要内容，综合阐述了整个生产线各个独立单元的设计内容和设计方法。这条微生产线系统以工业生产和工程应用为背景，有较高的集成度和开放性，各个单元可拆分独立使用，也可综合整体使用。它可以对工件进行送料检测、加工、搬运、装配及分类存储。系统中应用多种传感器实现对工件材料的检测识别，然后通过模拟打孔装置对工件进行加工，再由搬运单元搬至装配单元，再将装配好的工件搬运至存储单元，最终由机械手对到位的工件完成分类存储。

二、微生产线中基本单元的设计

1.供料单元的设计

它是整个系统的第一个单元，也是整个工作中最基础的模块。供料过程中，供料气缸从料仓中推出工件，推料气缸推出工件。供料单元有三种传感器，可检测区分材质、颜色，供后面单元分类操作。

送料检测单元主要完成对工件的检测任务，它的主要组成及用途如下。

（1）料仓装置：用于存储要加工的工料。

（2）送料气缸：把工料送至颜色检测位置。

（3）推料气缸：把检测完毕的工料送至加工转盘。

（4）电磁阀及气动元件：用于控制气缸伸缩。

（5）光电传感器：用于检测输送台上工件。使用传感器上面的旋钮调节需要的检测距离，检测范围为1～9cm。

（6）光纤传感器：一对对射式光纤传感器为料仓传感器，感应料仓中是否有工件。

（7）电感式传感：用于检测金属，检测的距离一般是有要求的，设计时规定5mm。

2.加工检测单元的设计

首先由传感器来检测待加工工件是否到达旋转圆盘上。若已经到达，那么旋转圆盘则执行接下来的动作，通过90°的旋转把待加工的工件送到工件要进行加工的正确位置上。钻孔装置对工件进行打孔加工，接下来旋转圆盘再旋转90°进行接下来的动作。这一动作的执行是利用气缸来检测已加工工件的深度，如果气缸已经推到底那么就说明加工工件的孔是符合要求的，不然的话不符合要求。

加工检测单元由四工位转盘、模拟钻孔加工装置、深度检测装置、传感器、电磁阀及气动元件、三相380V交流电动机、并励直流电动机、涡轮蜗杆减速机、电磁离合器等组成，主要完成对工件内径的钻孔加工。

3.装配单元的设计

将搬运单元传送来的工件进行装配成形后，搬运到分类存储单元。当放料口有工件，拖料气缸开始执行动作，把钻完孔的工件移动到对应的位置，该位置的顶料气缸就会缩回，这样就实现了装配任务，此时装配完成的工件被拖料气缸推出，已进行下一步的执行动作：搬运单元来搬运。

装配单元主要由配件料筒、装配台、抵料气缸、拖料气缸、光纤传感器、电磁阀及气动元件等组成，主要完成将搬运单元传送来的工件进行装配成形。

4.搬运单元的设计

上一单元的合格工件到位，伸缩气缸、提升气缸、旋转气缸相互配合，测工件到位后，由传送机构传送到位。

5.分类存储单元的设计

把不同的工件经过检测，分类放置，可检测材质颜色等。该单元可以按行进行分类存储，也可以按列进行分类存储，用户可以根据生产需要进行设定；从下到上或者从左至右是工件的入库顺序。

三、微生产线的机械设计

1.气缸的选型

在设计过程中，需要根据不同的工作原理及不同的应用范围来选择合适的气缸。系统中使用气缸的机构及相应的气缸选型如下。

（1）送料检测单元共使用了2个单作用类型的气缸：一个是用于将料仓中的待测工件推至检测位置的圆柱形气缸，另一个是用于将检测完毕的工件从检测位置推至加工转盘的圆柱形气缸。

（2）加工检测单元共使用了3个单作用类型的气缸：一个是用于固定加工转盘上待加工工件的圆柱形气缸，另一个是用于提升钻孔电动机的圆柱形气缸，再一个是用于检测加工工件深度（检测加工元件是否为合格品）的圆柱形气缸。

（3）搬运单元。共使用了三种类型的四个气缸：一是用于机械手升降的单作用圆柱形气缸，一是用于机械手伸缩的单作用圆柱形气缸，一是用于抓夹工件的气手指，一是用于使机械手旋转至抓夹位置的双作用气缸。

（4）装配单元共使用了2个单作用类型的气缸：一个是用于拖动装配台至装配位置的圆柱形气缸，另一个是用于抵住配件料筒中工件的圆柱形气缸。

（5）分类存储单元共使用了2个类型的气缸：一是用于机械手伸缩的单作用圆柱形气缸，另一个是用于抓住工件的气动手指。

2.电磁阀的选型

在微生产线的设计中，气动电磁阀是控制气缸的枢纽部件，在进行气动电磁阀的选型时，需要根据选用的气缸的种类进行电磁阀的选择。

系统中大部分选用了的单作用气缸（机械臂也为单作用气缸），统一采用型号为4V110-06-DC24-2.5W的气动电磁阀。它是一个二位五通单电控电磁阀，可以良好的配合该系统使用的气缸的工作。此外，在搬运单元中，用于控制机械手旋转的双作用摆缸，采用型号为4V120-06-DC24-2.5W的气动电磁阀。

3.机械传动的设计

由于每一种机械传送方式都有各自的特点，需要根据不同的要求选择不同的机械传动方式，在加工转盘的旋转过程中，使用了涡轮蜗杆对旋转位置进行精确定位，在分类存储单元机械手的伸缩、提升使用了滚珠丝杠进行平稳放置工件，搬运单元使用了带传送进行工件的水平传送。

四、PLC控制系统的设计

在微生产线系统中，根据系统中多单元协同工作，要求PLC之间实现网络通讯，多传感器、气动元件动作，要求具有数字量、模拟量扩展功能；能够控制步进、变频、伺服电动机的工作，要求PLC具有较强的运动控制的功能；根据国内的电压等级为220V/380V，要求电源可以在该范围工作；由于系统需要拆装和移动，要求PLC具有较强的抗震能力。参考市售PLC产品的价格，最终选定西门子公司生产的S7-200系列PLC。

五、人机界面的设计

人机界面又叫HMI，是用户对自动化控制系统的一种检测、控制手段。本条微生产线采用了MT4404T系列的触摸屏，进行系统的操作和基本状态的监控。该触摸屏具有方便的接口、简捷的开发系统、良好的用户体验等特性，适合用户的基本需求。

六、设计方案的预期和不足

本文的设计方案实现了以S7-200 PLC作为控制器的自动化生产线系统，研究成果可以投入到市场，其设计方法、生產任务具有一定的借鉴意义。此外，由于光机电一体化微生产线是一个相对比较复杂的系统，设计方案中难免会出现不足，比如基本单元过少，控制系统是否可靠等问题，本方案还需要进一步改进。

（作者单位：淄博市技师学院）