一种自动化生产线实训教学设备设计

苗玉刚，何玉辉，金洪吉

一种自动化生产线实训教学设备设计

苗玉刚，何玉辉，金洪吉

（四川信息职业技术学院 电气工程系，四川 广元 628040）

针对目前职业院校机电一体化实训教学设备集成固化、无法拆装、灵活性与扩展性差、功能单一以及成本高等问题，采用模块化设计思想，设计了一种自动化生产线实训教学设备。该设备主要有瓶底－物料供应结构模块、搬运结构模块、瓶盖预装结构模块、成品分拣结构模块等几部分组成，每个模块可以灵活拆装进行独立的实训教学，也可以组合成多功能流水线进行实训教学。研究表明设计的实训教学设备结构轻巧、经济环保，能够为师生提供一种满足社会发展的教学实训平台。

自动化；生产线；教学设备；气动技术

随着“中国制造2025”战略计划的深度实施，产业转型升级步伐加快，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，工业企业对自动生产线方面的人才需求量越来越大[1-2]。为培养学生的动手能力以适应时代发展的要求，高等院校提供优质、全面的实训设备至关重要[3]。

目前大部分职业院校原先的自动化实训设备都是由厂家集成封装好的，功能单一，不便于学生掌握具体的内部构造和工作原理，同时也不利于二次开发，大大降低了教学训练的效果；而新采购成套自动化设备，价格昂贵、产线功能流程固定，无法根据实训项目需要灵活拆解、组装，其作用大部分用于演示和参观，实际应用价值低，无法满足学校专业特色教育的需要[4]。

针对此问题，自主设计开发工业自动化实训设备，是解决目前高校实训现状的重要途径，是实现高校培养真正意义上的应用型技能人才的有效途径[5]。因此本文设计了一种自动化生产线实训教学设备，该设备结构紧凑、搬运方便、扩展灵活、拆装简单且绿色经济，能够满足大专院校培养高技能人才的训练需求。

1 设计思路

为了满足制造类和自动化类专业相关课程的实训教学需要，自动化生产线实训教学设备设计以结构轻巧、安全实用、拆装灵活为指导思想，采用模块化组合设计原则[6]。不但每个模块可以独立进行教学，同时也可以将多个模块自由组合进行综合的实训教学，教学过程由简入繁，使学生在实训过程中能深层次地掌握技术，达到举一反三的效果[4]。设计的自动化生产线实训教学设备综合应用机械、电气、PLC、气动、传感器等机电一体化技术，能有效缩短理论教学与实际应用之间的距离[7-10]。同时，使用过的电气元器件和机械部件可重复使用，节能环保。

2 总体结构方案设计

2.1 总体结构方案

自动化生产线实训教学设备总体结构主要由铝型材框架结构平台、瓶底－物料供应结构模块、搬运结构模块、瓶盖预装结构模块、成品分拣结构模块等几部分组成，如图1所示。

1.瓶底－物料供应结构模块 2.瓶盖预装结构模块 3.安全光栅4.三色指示灯 5.搬运结构模块 6.成品分拣结构模块 7.控制柜 8.万向轮9.铝型材框架结构平台10.安全挡板11.控制按钮12.HMI触摸屏 13.电源总控开关 14.气动三联件

为了使设备整体结构紧凑，同时质量轻、强度高，大部分机械部件采用铝合金材质[11]。其中起支撑作用的铝型材框架结构平台主要采用组合结构，框架采用3030欧标铝型材组合连接，工作台面采用3090铝型材并排连接，框架的左面、右面和底面采用铝塑板进行封堵，后面和前面安装有柜门，柜门框架采用1530铝型材组合连接，然后在中间安装亚克力板，框架中间的封闭空间主要用于安装控制系统的硬件部分，包括网孔板、线槽、空气开关、PLC模块、开关电源、中间继电器、接线端子排、交换机、步进控制器等。铝型材框架结构平台的工作台面上主要安装执行机构，在左右两端安装有防护挡板，防护挡板主要由3030铝型材和亚克力板构成，在防护挡板的两侧安装有安全光栅，用于设备自动运行时的安全防护。在其中一块防护挡板上安装有控制按钮和HMI触摸屏，控制按钮主要用于设备启动、停止、暂停和急停，HMI触摸屏主要用于监控设备的整个运行状态；在另一块防护挡板顶端安装有三色指示灯，用于设备运行状态的显示，绿色灯常亮表示设备正常运行，黄色灯闪烁表示设备处于暂停状态，红色灯闪烁表示设备处于急停状态，红色灯常亮表示设备处于停止运行状态。

2.2 设备工艺流程

本文设计的自动化生产线实训教学设备工艺流程如图2所示。瓶底－物料供应结构模块主要负责瓶底自动供应和物料自动装瓶，搬运结构模块主要负责将瓶底在各个工位之间运转，瓶盖预装结构模块主要是将瓶盖自动预装到瓶底上，成品分拣结构模块主要是将瓶盖压紧，然后根据不同颜色的瓶盖，将装有物料的瓶子成品进行分类。每一个模块可以独立构成机电控制系统单元，也可以集成为一个多功能的机电一体化控制系统单元。

打开总电源开关和气动三联件气压旋钮，上电指示灯亮起，气压表有读数，表明实训设备供电供气正常，可以开机运行。按下启动按钮后，系统启动自动运行模式，储物筒最底层瓶底落下，传送带运行，将瓶底送到物料工位后停止，储物筒最底层物料装入瓶中，传送带继续运行，装有物料的瓶底到达预定位置后，搬运手抓抓取瓶底运送到瓶盖预装工位，同时瓶底供应和物料装瓶进入下一次循环，储物筒最底层瓶盖预装到瓶底上，搬运手抓继续抓取瓶底运送到分拣工位，首先进行瓶盖压紧动作，然后分拣机构根据色标传感器的检测信号动作，进行成品分类，依次循环，直至所有成品分拣完成，系统停止运行。

图2 自动化生产线实训教学设备工艺流程

3 主要结构模块设计

3.1 瓶底－物料供应结构模块

瓶底－物料供应结构模块单元包括传送带单元、瓶底自动供应单元、物料自动装瓶单元及传感器检测单元等，如图3所示。非标零部件包括传感器支架、传送带支架、支撑底板、定位竖板、瓶底筒横竖板及物料筒横竖板等，需自行设计加工。传感器支架采用1.5 mm厚钣金加工，传送带支架采用3 mm厚钣金加工，支撑底板、定位竖板、瓶底筒横竖板和物料筒横竖板采用铝合金加工并做阳极氧化处理。为了降低成本，缩短设计周期，非标零部件的加工全部委托第三方代加工（即外协加工）。

瓶底为白色透明的塑料圆筒，底部有端盖，开口处有卡槽，物料为黑色的塑料圆柱体，系统开始运行前，由人工将瓶底和物料预先装入到各自的储物筒内。系统开始运行后，当电容式接近开关检测到瓶底信号时，瓶底固定气缸活塞杆伸出夹紧固定倒数第二个瓶底，瓶底推送气缸活塞杆缩回，最底层瓶底落下，当对射型光纤传感器检测到瓶底信号时，传送带开始运行，同时瓶底推送气缸活塞杆伸出，瓶底固定气缸活塞杆缩回。当物料工位对射型光纤传感器检测到瓶底信号时，传送带停止运行，定位气缸活塞杆伸出将瓶底夹紧定位。当电容式接近开关检测到物料信号时，物料固定气缸活塞杆伸出，夹紧固定倒数第二个物料，物料推送气缸活塞杆缩回，最底层物料送出，延时2 s后，定位气缸活塞杆缩回，传送带继续运行，同时物料推送气缸活塞杆伸出，物料固定气缸活塞杆缩回。当对射型光电传感器检测到瓶底信号时，传送带停止运行，等待搬运手抓抓取。当搬运手抓将瓶底抓取搬运走后，瓶底－物料供应结构模块开始下一次循环运行。

1.物料 2.对射型光电开关3.皮带挡板4.传送带5.定位竖板6.物料挡板7.物料推送气缸8.物料固定气缸9.物料筒竖板10.物料固定头11.物料筒横板12.瓶底推送气缸13.物料筒 14.瓶底固定气缸15.瓶底筒竖板16.瓶底筒横板 17.瓶底筒18.瓶底固定头19.瓶底料挡板20.电容式接近开关21.支撑底板22.铝型材角件23.直流调速电机24.定位气缸25.2020铝型材 26.传送带横梁 27.传送带支架28.光电开关支架29.瓶底30.传送带同步带轮 31.同步带32.电机同步带轮33.电机支架34.光纤传感器支架35.对射型光纤传感器

3.2 搬运结构模块

搬运结构模块单元主要包括滚珠丝杆滑台、气动手抓、导杆气缸以及传感器等，如图4所示。滚珠丝杆导程为10 mm，精度等级C级，有效行程500 mm，驱动电机为57步进电机，通过联轴器直接驱动滚珠丝杆，结构紧凑，传动效率高。气动手抓选择SMC品牌的MHZ2平行开闭型手指气缸，开闭行程4 mm，夹持力6.1 N，作用方式为双作用，以防断气断电时工件掉落。气动手抓有两个方向的运动自由度，方向和方向，方向运动由导杆气缸驱动，方向运动由滚珠丝杆滑台驱动，滚珠丝杆滑台上标记有三个运动位置，分别是初始位置、瓶盖位置和分拣位置，依次对应工作台上的瓶底－物料供应工位、瓶盖预装工位和成品分拣工位，每个运动位置上安装有电感式接近开关，用于检测丝杆螺母的运动位置，即检测定位气动手抓的位置，以便准确完成搬运动作。

3.3 瓶盖预装结构模块

瓶盖预装结构模块单元主要包括瓶底底座运送机构、瓶盖自动预装机构、气动系统以及传感器检测系统等，如图5所示。瓶盖为不透明的塑料材质，有红、绿、蓝三种颜色，瓶盖与瓶底扣合需要施加一定的压力，在扣压之前先将瓶盖预装到瓶底上，以便后续工序施压，其中瓶盖自动预装机构的组成及工作过程和瓶底自动供应单元类似，此处不再赘述。

1.传感器支架 2.电感式接近开关3.丝杆螺母4.直线导轨 5.步进电机6.联轴器7.滚珠丝杆8.物料9.滑台支架 10.瓶底11.气动手抓12.导杆气缸 13.滑台底座

1.传感器支架 2.反射型光纤传感器3.瓶底底座4.瓶底 5.直线滑轨6.电容式接近开关7.瓶盖筒竖板8.瓶盖筒横版 9.瓶盖筒10.瓶盖11.瓶盖固定头 12.瓶盖固定气缸 13.瓶盖推送气缸14.瓶盖挡板15.瓶盖筒底板 16.2020铝型材17.铝型材角件18.无杆气缸支架 19.磁偶式无杆气缸20.瓶底底座连接板 21.支撑底板

瓶底底座运送机构由磁偶式无杆气缸、直线导轨和瓶底底座等构成。磁偶式无杆气缸的主要结构为磁性活塞、缸筒、磁性滑块及密封圈等，其工作原理为在活塞上安装一组强磁性永久磁环，磁力线通过薄壁缸筒与套在外面的滑块中的异极磁环相互作用，产生很强的吸力。当活塞在缸筒内被气压推动时，在磁力作用下，带动缸筒外部的滑块做同步移动。值得注意的是气缸活塞的推力必须与内外磁环的吸力相适应，否则当气压过高或负载过重时，作用力会超出内外磁环之间的耦合力造成脱磁，使得滑块和活塞脱离，气缸不能正常工作。因此磁偶式无杆气缸的工作压力、负载及速度必须控制在合理范围内。

3.4 成品分拣结构模块

成品分拣结构模块单元主要包括有瓶盖压紧机构、传送带、分拣机构、气动系统以及传感器检测系统等，如图6所示。瓶盖压紧机构的输出动力选择SDA系列薄型气缸，该薄型气缸的安装空间小、性能稳定可靠。成品的分拣根据瓶盖的颜色进行分类，瓶盖颜色的检测选择OMRON色标光电传感器E3S-DC型号，其具有受光范围宽广、检测稳定、色差分辨率高等特点。

1.对射型光电开关 2.瓶盖 3.气缸竖板 4.气缸横板 5.分拣气缸 6.薄型气缸 7.色标光电传感器 8.成品推头9.分拣支架 10.传送带 11.成品分类筒12.导向槽 13.三相交流异步电动机 14.分类筒固定板15.对射型光纤传感器 16.压紧头 17.传送带支架18.瓶底19.光电开关支架

当对射型光电开关检测到信号时，传送带开始运行，当对射型光纤传感器检测到信号时，传送带停止运行，薄型气缸活塞杆伸出，将瓶盖下压扣合，动作完成后延时2 s，传送带继续运行，分拣气缸根据色标光电传感器检测到的信号进行动作，将相应颜色的成品推送到分类筒中。依次循环，直到所有成品分拣完成。

4 结语

为适应新时代职业教育改革发展的要求以及工业自动化生产企业对高技能应用型人才的大力需求，根据学院的专业特色，因材施教，自主设计研发了一套自动化生产线实训教学设备。该设备结构紧凑轻巧，运行节能环保，可以进行机械部件拆装、电气安装接线、PLC编程控制、气压传动、传感器检测、步进电机控制、直流电机调速、变频器调速、触摸屏及网络通信等教学实训，拓展性较好，并且可以根据教学实际过程进行灵活拆解组合，能很好地满足职业院校机电工程、电气自动化、智能控制等专业学生的教学需求，实现真正意义上的应用型技能人才的培养。

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Design of Practical Teaching Equipment for Automation Production Line

MIAO Yugang，HE Yuhui，JIN Hongji

( Department of Electrical Engineering, Sichuan Vocational College of Information Technology, Guangyuan 628040, China )

Aiming at the problems of mechanical-electrical integration practical teaching equipment in Vocational colleges, such as integration and solidification, inability to disassemble and assemble, poor flexibility and expansibility, single function and high cost etc, a practical teaching equipment for automatic production line is designed with modular design idea. The equipment is mainly composed of bottle and materials supply structure module, handling structure module, bottle cap pre-loading structure module and finished product sorting structure module. Each module can be flexibly disassembled and assembled for independent practical teaching, and can also be combined into a multi-functional pipeline for practical teaching. The research shows that the designed training teaching equipment is light in structure, economical and environmental protection, and can provide a teaching and training platform for teachers and students to meet the needs of social development.

automation；production line；teaching equipment；pneumatic technology

TH39；TP23

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2019.02.009

1006－0316 (2019) 00－0053－06

2019－08－20

2018年学院科技平台课题（2018KC18）；2018年广元市科学技术和知识产权局指导性科技计划项目（2018ZCZDYF013）

苗玉刚（1987－），男，安徽太和人，工学硕士，助教，主要研究方向为机电一体化技术；何玉辉（1985－），男，四川南充人，工学硕士，助教，主要研究方向为电子技术；金洪吉（1982－），女，四川双流人，本科，副教授，主要研究方向为PLC控制技术。