网络驱动型离散制造生产演示线在教学中的应用

任科成 向 忠

（浙江理工大学 浙江·杭州 310018）

0 引言

机械电子工程专业是对工程实践能力要求很高的综合型跨专业学科，丰富的实践经验是学生职业发展的重要基奠，所以在课程群体系建设中需要理论与实践结合，不但要重视学生的理论基础，更要锻炼动手实践能力，将理论用于实践，在实践中巩固知识，才能提高学生的综合能力[1]。而在人才培养方案设计方面，虽然已将机械、电子、控制、信息、计算机、人工智能、管理等诸多理论体系进行了高度融合与集成，但在实验与实践环节却缺少相应的平台支撑，如已有装置多为单台套离散型设备，各平台间缺少耦联关系；缺少面向工业自动化与智能化所需的软件平台等，无法满足我国制造业发展的人才培养需求。

据此，本项目将通过对现有设备的改造，最终形成一套网络驱动型离散制造生产演示线。该演示线可根据网络定制化参数，模拟驱动工件的按需上料、检测、输送、加工、装配、分拣、存储等，并能对生产工艺参数进行自动查询与管理。从学科知识点来看，该系统覆盖了机械、气压传动、传感器、电机控制、计算机软件开发、PLC、人机界面开发等软硬件知识，可极大的加深学生对工业生产中机电系统所发挥作用的认知，提升其对专业知识的兴趣度；同时，还可全面提升学生的综合素质与能力，增强其在项目开发中的团队协作精神，为培养高素质综合性人才奠定基础。

1 课程建设内容

本示范线面向培养符合我国机械制造业向数字化、信息化、智能化方向发展所亟须的高综合素质素养机械类人才为主要目标，以典型的离散型机加工示范系统为抓手，从典型机电控制系统开发、多机互联互通系统开发和Web端生产管理系统开发三方面入手，把传统的“信息孤岛”型演示系统，提升为信息互联、数据共享、管理网络化的生产线，主要建设内容包括：

1.1 基于PLC的机电控制系统开发

PLC技术利用可编程序的存储器，从而实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数等功能，从而用于生产过程中的自动控制和监控的目的。PLC具有体积小，功能强大的特点，尤为重要的是PLC具有在线修改功能，从而能够利用电脑和软件实现对机械设备的控制，同时在线修改功能的存在，使其的灵活性和可靠性提升了。

以典型离散加工系统中的上料、装配、分拣、仓储工艺为研究对象，在对现有设备机械构件等进行自动化改进以及对各工位之间的物流方式进行有效的自动化衔接基础上，以PLC为各工艺段的核心处理单元，针对性的开发控制系统，实现对机械加工生产过程中模、数信号的输入输出，并采用相应的控制算法实现对电机、气缸等执行件的控制，满足机械加工工所需的动作时序要求，实现对工件的自动化处理和输送。

1.2 基于串行通讯协议的多机互联互通系统开发

为实现各加工工序段装备之间的设备互联、生产信息共享，提出基于Modbus通讯协议和RS485串行总线技术的多机通讯方法，并给出多机通讯系统的硬件电路图、软件设计方案，开发相应的控制系统，实现对生产工艺参数和实时数据的采集与存储等；提出基于RS232串行总线技术的人机交互系统设计方案，开发相应的人机交互平台，实现在上位计算机对现场生产工艺参数和实时数据的设定、操作、监控等功能，提高系统的集成度。

1.3 基于.Net框架的生产管理网络端应用程序开发

为实现对生产装备的远程监控、访问和操作等，提出基于.Net框架的生产管理系统网络端应用程序开发方法，并给出基于Ethernet/IP通讯协议的数据访问规范、开发相应的客户端应用程序，实现生产基础数据维护、生产计划维护、原料和成品管理、绩效统计、故障监测等功能。

2 教学模块及案例

2.1 上料单元

经改进后的上料机构主要由推料气缸、磁性开关、料筒检测开关、传送带、三相异步电机和料到检测开关等构件组成。该单元采用双料仓进行待加工工件的储存，可根据系统设定模式进行智能送料。送料时，由气动推料器向外推出最底层物料，料桶光电检测开关监控料仓状态是否有料并反馈给控制系统，用于对系统状态的判定。待加工工件被推出后将到达传送带，传送带的速度采用变频电机进行控制，送料速度工艺曲线程序可控。在输送带末端安装有光电漫反射型检测开关，是作为工位之间操作衔接的重要信号，当程序检测到有物料信号时，停止电机并发送送料完成指令，下一工位可对工件进行抓取。在改进后的上料机构中，各执行元件上均安装磁感应接近开关，向系统提供各执行元件的操作状态信号，用于生产节拍控制。

2.2 装配与搬运单元

经改进后的装配与搬运单元主要由横移机械手、四工位加工转盘和提升装配机构组成。横移机械手可向各个工作单元输送工件，由同步带及同步带轮、多自由度搬运机械手、伺服电机、电磁阀组和定位开关等组件组成。可将物料从一点精确的搬运到另一点，传送采用PLC脉冲控制。四工位加工转盘主要由工件识别传感器、旋转加工转盘、模拟加工装置组成，可将工件进行加工后运送到准确位置再进行模拟钻孔、料盖装配等动作。提升装配用于横向搬运和装配工件盖，长行程无杆气缸、真空吸盘可将工件盖从盖仓内准确的搬运到工位槽内，带限位停止功能。

对该系统的动作设计如下：开机后，机械手先执行回原点操作。当到达原点位置后，若系统检测到上站有工件在等待夹取时，机械手先提升到一定高度移动到工件所在地点伸出手爪，伸出到位后下降并夹紧工件；手爪夹紧到位后，开始上升使物料离开工作位，然后开始向转盘方向移动，并缩回机械手爪，同时旋转气缸开始旋转以及定中位气缸伸出，待机械手移动到工件转盘加工位置时停止移到，向转盘加工位放入工件，手爪抬起等待加工、装配完毕后再将工件从转盘加工位取出，机械手继续右移、定中位气缸复位、右转、伸出手臂，把工件放置到下一个站点，再自动回位到原点等待下次抓取信号。

对提升装配机构而言，在接收到装配物料到达信号后，无杆气缸移动到可搬运物料位置，提升气缸向下运动，真空吸盘开始吸住料盖，当触发到吸盘处的限位开关时，提升气缸向上运动，到位后无杆气缸向左运动将料盖装入工件中，随即复位无杆气缸进入下次装配动作。在改进后的搬运与装配单元中，各执行元件上均安装磁感应接近开关，向系统提供各执行元件的操作状态信号，用于生产节拍控制。

2.3 物料分拣与机械手搬运单元

经改进后的分拣与机械手搬运单元主要由物料分拣机构和旋转机械手机构组成。在物料分拣机构中采用光纤传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器及磁性开关等感应开关。可对物料的颜色、材料进行分拣。旋转机械手为一个四自由度机械手，触发机械手底部的旋转气缸，可进行180度任意方向旋转；驱动步进电机可以使机械手上下、前后任意的移动，以及气动手爪抓/放等功能。该模块采用活动安装底板，可任意组装使用也可单一实验控制使用。该分拣系统主要完成对各个经过传送带上的物料进行（如：材料、颜色）进行检测，计数、检测不同物料发送不同信号至PLC内部。当物料通过传送带运送时，对工物料进行分拣。

对该系统的动作设计如下：系统初次上电后，自动复位到初始位置等待物料到达，检测到物料到达后，机械手向前、向下运动将物料抓起，经底部旋转气缸向右旋转后，机械手再次向前、向下运动，待到达下一站接料台位置处放下物料，待下站发出接收到物料信号后，机械手复位进入下一次抓料动作。在改进后的搬运与装配单元中，各执行元件上均安装磁感应接近开关，向系统提供各执行元件的操作状态信号，用于生产节拍控制。

2.4 仓储机械手单元

改进后仓储机械手单元主要由送料机械手和立体仓库组成。送料机械手是向各个竖直工作单元输送工件，模块由送料台、步进电机、螺纹丝杆、电磁阀组和定位开关等组件组成。可将物料从零点精确的搬运到竖直的存储位。传送采用的是PLC脉冲控制。对该系统而言，其需要根据所接受到的工艺参数，完成对工件进行智能分类、智能储料、取料等操作。同时，还应包括一些基础功能，如系统上电后的自动复位；当滑台处的光电开关感应到有物料时，步进电机将运动到指定的料口处，气动推料气缸得电后，使物料进入仓库内。当仓库料满时，能够给出相应的仓满交互信号灯。

在改进后的仓储单元中，各执行元件上均安装磁感应接近开关，向系统提供各执行元件的操作状态信号，用于生产节拍控制。

2.5 基于串行通讯协议的多机互联互通系统

通过上述分析可知，整个离散加工模拟系统由四个分站组合而成，每一个分站又由不同的模块组成。当一个较为复杂的系统组成以后，为了各个模块之间的动作协调有序，在站与站之间采用RS-485网络通讯。RS-485是串行通讯方式，在物理层双方使用相同的通讯速率和通讯数据格式（即数据位和停止位长度、奇偶校验或地址数据传输，由串口线路控制寄存器的值决定），在应用层一般采用命令+应答方式，上位机发送命令报文，下位机收到后发出相应的应答报文进行响应，每一种命令报文对应着一种应答报文，其报文格式与标准Modbus协议的类似，采用的报文格式为：开始段+地址码+功能码+数据段+校验码+结束段。

RS-485网络通讯把整个系统融为一体。在该系统中将第一个单元作为主站，而将其他站作为从站，由主站实现与人机交互系统、从站和网络端的数据交互等功能。

对于现场人机交互系统而言，采用基于RS232串行总线技术的设计方案，RS232通信是在计算机系统中最为基础的一个接口配置，其主要是利用标准化的接口实现数据传输功能。人机界面采用直接访问PLC存储空间或中间存储模块等方式对主站内存进行读写操作，相应的指令经主站解析后下达到各从站，控制相应部件的动作。

2.6 基于.Net框架的Web端生产管理系统设计及开发

为实现采用WEB端系统实现生产基础数据维护、生产计划维护、原料和成品管理、绩效统计、故障监测等功能，本项目将详细阐述基于.NET框架的软件开发管理系统的思路和流程，并对项目组老师的实际开发经验进行总结，向学生着重论述软件开发环节中过程管理的重要性和对过程管理所需要的数据和重点步骤作进行分析。其次，对实现管理系统开发所需的.NET架构、数据库设计和Java-Script等技术进行介绍，并根据管理系统的需求和特点制定合适的技术路线，形成模块化开发设计方法，在单独实现生产基础数据维护、生产计划维护、原料和成品管理、绩效统计、故障监测模块开发的基础上进行系统集成。最后，在.NET平台框架下，结合智能化/数字化制造车间的生产管理特点，形成基于软件复用技术的B／S模式分层体系结构和分布式Web服务技术的企业应用底层数据集成方法，实现生产管理系统与在线生成设备之间的无缝集成，解决制造企业生产管理的“信息孤岛”和数据整合问题。

3 解决的关键教学问题

针对机械电子工程专业目前存在的专业知识面覆盖广、而能将各学科知识进行有效串联的实验与实践平台缺失的现状，围绕该网络驱动型离散制造生产演示线，教学组还搜集和整理各种教学资源，制作了与之相配套的教案。针对特别难以理解的部分，录制了相应的教学视屏，帮助学生掌握相关基础知识；开发了相应的教学演示案例，控制系统按照所设计的流程完成加工操作；形成“约束式”和“开放式”两类实践课题，用于训练学生从“设计性实践”向“创造性实践”的飞跃。通过该示范线教学，解决了以下关键教学问题：

（1）以PLC为核心控制器，对现有机电设备进行自动化改造，通过将机、电、软件等的有效结合，加深学生对机电一体化的认知与理解；

（2）以串行通讯协议为抓手，以生产可视化为目标，实现对各离散装备的互联互通组网，达到设备互联、信息共享的目的，为学生灌输数字化车间构建所必需的专业知识；

（3）以Ethernet/IP通讯协议为基础，构建生产制造远程管理网络系统，提升学生对生产信息化和智能化的认知。

（4）通过系统集成化设计和模块化分解开发，全面提升学生的综合素质与能力，增强其在项目开发中的团队协作精神，为培养高素质综合性人才奠定基础。

4 结语

本课程中融入了机电液一体化技术，它是一种集机械、电气、液压、气动、伺服、检测传感及控制等技术于一体，又不断通过学科交叉、技术融合与创新，使其自身得到持续、快速发展，是多技术融合与集成且面向应用的综合性学科技术。近年来，国内外工程机械产品以机电液一体化综合技术为发展方向，开展了大量研究，具体有与各种工程机械相匹配的软、硬件系统，使工程机械向智能化、信息化、网络化方向快速发展，科技含量得到显著提升，机械行业发展迅猛。因此，随着技术的不断发展，对掌握机电液一体化综合技术的技能型人才的需求量逐步增多，加快人才的培养显得至关重要。

本课程的成果可根据网络定制化参数，模拟驱动典型离散机加工过程中工件的按需上料、检测、输送、加工、装配、分拣、存储等，并能对生产工艺参数进行自动查询与管理。该成果的实施可极大的加深学生对工业生产中机电系统所发挥作用的认知，提升其对专业知识的兴趣度；还可全面提升学生的综合素质与能力，增强其在项目开发中的团队协作精神，具有创新性。