多工位自动生产线实验装置设计*

2018-06-04陈尔冲赵法杰吴利芳李小萌王兴亮韩皓阳

机械工程与自动化 2018年3期

陈尔冲，赵法杰，张瑞，吴利芳，李小萌，王兴亮，韩皓阳

(1.哈尔滨理工大学荣成学院，山东荣成 264300；2.北京铁路电气化学校，北京 102202)

0 引言

伴随着人力成本的提高，生产自动化进程也在加速推进，作为高校自动控制类专业的学生更应主动适应这种趋势，加强能力锻炼。本文设计的多工位自动生产线实验装置包括送壳、下料、热封、夹取产品与视觉检测五部分，整个运转过程在无人干预的情况下自动完成。各工位可独立编程，然后再整体协调运行，可进行电机协调控制、温度PID控制、视觉检测等多种实验。多工位自动生产线实验装置具有结构简洁、成本低、便于维修等优点。在大学生创新创业训练项目的帮助下完成了实体样机的制作，实践证明该实验平台开拓了学生的思路，锻炼了学生的实际动手能力。

1 试验平台总体设计

本文设计的实验装置以包装果冻为假想应用，该装置由送壳、下料、热封、夹取产品、图像检测五部分组成。其第一工位为输送外壳，由步进电机带动圆盘进行转动；第二工位为输送内料，由装有不同爪的舵机控制每次的进料数量与进料速率；第三工位为封装产品，由具有一定温度的电热板下压热封膜；第四工位为夹取成品，由简易机械手夹取成品，然后进行图像检测。

图1为多工位自动生产线实验装置示意图,其工作流程如下：

(1) 进壳工位工作流程：进壳工位人工上件，对应进壳工位的传感器(位于圆盘下面的检测架上)检测到工件并发出检测信号；控制系统接收到检测信号后发出指令，控制步进电机转动；当圆盘旋转90°后，步进电机停止转动，这时进壳工位的工件跟随圆盘旋转到进料工位；之后控制进壳工位的舵机工作，将工件通过导轨放置到进壳工位中。

图1 多工位自动生产线实验装置示意图

(2) 进料工位工作流程：圆盘携带工件从进壳工位旋转到进料工位后，对应的传感器检测到工件，发出检测信号。控制系统接收到检测信号后发出指令，控制进料工位的舵机工作，将物料通过导轨放置到进料工位的工件中。

(3) 热封工位工作流程：圆盘携带工件从进料工位旋转到热封工位后，对应的传感器检测到工件，发出检测信号；控制系统接收到检测信号后发出指令，通过继电器使换向阀通电；换向阀通电后，热封工位气缸通气，气缸头向下移动,电热板跟随气缸头向下移动；在气缸头移动到极限位置时，电热板与工件接触开始进行热封工作(电热板与工件之间有热封膜)；在接触4 s之后，控制系统发出指令，通过继电器使换向阀断电，此时气缸头向上移动，电热板跟随气缸头向上移动。

(4) 夹取工位工作流程：圆盘携带工件从热封工位旋转到夹取工位后，圆盘下面对应的传感器检测到工件，控制系统接收到检测信号后发出指令，继电器控制换向阀通电，夹取工位气缸头向下移动，此时夹取装置跟随气缸头向下移动(夹取装置由两个带有机械爪的舵机组成)，当气缸移动到极限位置时，控制系统发出信号控制夹取装置夹取工件，之后控制系统发出指令，通过继电器使换向阀断电，换向阀断电，夹取装置跟随气缸头向上移动，当气缸移动到极限位置时，控制系统发出信号控制夹取装置松开工件。

2 控制系统设计

实验平台是一个微型转盘式流水生产线，由核心控制器、接近开关、限位开关、舵机以及步进电机和直流电机组成的驱动系统搭建而成。系统硬件具有良好的适应性和扩展性，可适应Arduino、单片机、PLC等控制核心单独或者配合完成控制的需求。该实验平台作为一个微型生产线，能够为各类控制器提供伺服机构，并执行各种加工动作。我们将每个不同功能的部分设计成为工位，这样可以使每个工位都相对独立。该实验平台以圆盘旋转的形式，配合气动实现进壳、填料、封装、装箱的工作，进而实现流水作业。工作人员只需进行填料的工作，当原料短缺时，实验平台会自动停止工作。控制系统结构框图如图2所示。