摘要：自动生产线培训系统是用来模拟实际工业生产过程。根据目前教学的实际需要，以培训学生或员工为目的，作者设计了一套实用的自动化生产线模拟培训系统。以西门子S7-200 PLC为控制核心，设置传感器，按钮和指示灯，电源模块，电机，气动元件，机械结构为一体，分为送料，加工，装配，分拣，机器手单元，实现通过控制总线互相联络。它用于模拟实际工业生产线中从原材料到成品的工件的各个制造环节。系统涵盖机械原理，气动控制技术，传感器，电气控制技术，可编程逻辑控制器等相关知识点，支持自动化，机械电子等专业实验课程。该主题采用了一系列实用的想法。整个系统完全开放，学生可以全面了解内部情况;可自由拆卸，可在单站或整体系统下运行;支持二次开发，可根据创新要求重新构建。版权所有copy;2013 IFSA。
关键词：自动生产线，PLC，培训系统。
1.简介
自动生产线培训系统用于模拟工业生产的实际过程。 它被用于高校的培训，培养学生的认知，操作，使用和发展能力。 为了适应当今高校的教育理念和教学需要，培养体系是理论教学与实践教学相结合的综合性实验教学体系。 通过演示实验，汇编调试和编程，学生可以激发学习锻炼实践能力和思维能力，巩固专业知识，提高专业水平，引导学生适应未来就业需求。
1.1 研究现状
20世纪20年代以前，汽车行业出现了生产线和半自动生产线; 20世纪20年代，亨利福特创立了汽车工业流水线;后来，组合自动生产线逐渐形成;自动控制和计算机技术的发展，促使了自动化车间和工厂的建成[1].今天，自动化生产线正朝着可调节，更高灵活性，更快，更低成本的方向发展。随着自动化生产线的跨越式发展，自动化生产线模拟装置的开发得到了极大的改善[2].目前，许多正规制造商已经实现了自动化模拟生产线的快速发展。目前大多数自动化生产模拟器已经实现了演示，调试操作，编程和其他基本功能，但是还有相当大的改进空间[3].开发一个可移动的，二次开发的工作分站或在模拟系统仿真是一个深远的问题。
1.2 待解决问题
该系统采用西门子S7-200 PLC作为控制核心，设置传感器，按钮和指示灯，供电模块，电机，气动元件，机械结构为一体，分为送料，加工，装配，分拣，机器手单元，可操作单站或整体系统下。 它用于模拟工业生产的实际过程。 整个系统完全开放，可自由拆卸，支持二次开发，可根据创新要求重新构建。
2.整体系统
自动生产线培训系统由五个单元组成：进料单元，加工单元，装配单元，分拣单元和机器手单元。这些装置都安装在铝合金轨道台上，整个系统框图如图1所示。
系统的每个单元都是独立的机电一体化系统。进料，加工，装配，分拣单元主要依靠气动执行器，机器手单元采取由步进电机驱动的位置控制模式。就在线操作而言，每个单元都由一个PLC来承担，并通过总线实现单元控制器之间的互连。整个系统可以模拟实际工业生产线的供应，加工，装配，分拣，运输等过程。
按钮和指示灯模块包括启动，停止，复位，功能按钮，手动/自动，单个/整体旋钮，报警指示灯和紧急停止按钮。启动和停止按钮用于控制设备的启动和停止操作;重置按钮可以将所有动作元素重置到初始位置;功能按钮设置为二次开发;旋转手动/自动，单/在线旋钮可同时选择单站或整体系统情况。系统的每个单元都需要单独供电。电源模块包括空气开关和单通道开关电源，单通道开关电源可以将220 VAC转换为24 VDC并提供给每个单元。
图1.整个系统框图
3.进料单元
进料单元是为下一个单元提供原料的第一个单元。它可以将料仓中的物料自动发送到传送台，以便机器人能够抓取并将其运送到其他设备。进料单元的结构图如图2所示。
图2. 进料单元结构图
进料单元选用光纤传感器和放大器，光电传感器。光纤传感器安装在筒仓的底部以检测物料;光电传感器用于检测材料是否到达指定位置。
物料输送带由电机驱动，主动轮为phi;90times;36mm（轮径times;轮径），从动轮为40times;36mm（轮径times;轮径）。微型交流齿轮电机和变速箱可以在9-135 rpm之间调节实际转速[4].较低的转速不仅可以提供较大的扭矩，而且可以使物料平稳地落在输送带上，并在较短的时间内获得与输送带相似的速度和较小的排量，从而保证了稳定性。选用SMC迷你笔式气缸，气缸推块将料斗中的物料推至物料输送台。
将SMC单向电磁阀连接至笔式气缸。单向电磁阀是一个单独的电子控制元件，它将控制单向气缸，并在断电时恢复到原来的位置。每个气路由气缸，单向节流阀，线圈，手动阀，气动FRL，压力表，气源，消声器等组成。当线圈通电时，缸体活塞驱动杆伸出并推动材料;当双向阀线圈断电时，阀杆移回初始位置[5].
进料单元的流程如图3所示
图3. 进料单元流程图
4.加工单元
这个单位有四个工作站。 机器人抓取工件到第一个工作站。 当检测到工件时，表盘旋转，将工件移动到冲压冲床工作站，然后将其移动到冲压检测工作站
检测其是否合格，然后将其发送到第四个工作站，等待机器人将其发送到下一个单元。 进给单元的结构图如图4所示。
图4. 加工单元结构图
加工单元选择光电传感器，接近开关和两个微动开关。光电传感器安装在第一工作站的下方，用于检测铝材是否通过目标位置;接近开关安装在第二工作台的底部，检测工件是否准确到达;两个微动开关固定在机器人滑轨的第一，第四工位上，用于判断机器人当前的位置。转盘控制电机为混合式步进电机，安装在转盘底部，驱动转盘旋转。薄缸驱动一个直流齿轮减速电机向下旋转，以模拟钻孔运动。
SMC迷你气缸驱动钻孔电机沿Y轴方向移动; SMC迷你气缸模拟冲压检测操作。当与气缸相连的线圈通电时，阀杆驱动钻孔电机打孔;当阀线圈断电时，阀杆移回初始位置[6].迷你气缸的作用类似。加工单元的工作原理如下：机器人将工件传送到转盘的第一工位，光电传感器检测金属部件是否存在，电机驱动转台旋转90度到第二工位，直流齿轮电机沿Y轴移动负方向来模拟钻孔运动的操作，然后转盘旋转模拟冲头检测，最后转盘旋转到第四个工位，接近开关检测到金属工件然后发送信息给PLC，机器人将工件运送到下一个单位。
5.装配单元
装配单元的作用是将金属镶嵌入工件中，完成组装过程。 该单元主要是气动控制，是气动控制训练的主要单元。 装配单元的结构图如图5所示。
图5. 装配单元结构图
该装置包含一个旋转气缸和两个方形气缸，选择SMC摆动气缸来控制装配槽的旋转。推动气缸是SMC迷你气缸，用于推出金属销。顶出气缸是SMC标准气缸，用于将装配槽顶出。推动和顶出气缸的共同作用使工件快速准确地完成装配过程[7].旋转气缸和顶出气缸连接到双向电磁阀。双向电磁阀是双电子控制组件，它可以控制两次行程。
当与旋转气缸相对应的电磁阀左线圈通电时，左进气通道和右排气通道同时开启，旋转气缸顺时针摆动，带动组装平台旋转90度，当左侧线圈为断电，旋转气缸停止转动并保持原状态;当右侧线圈通电时，右侧进气通道和左侧排气通道同时打开，旋转气缸逆时针摆动，带动组装平台旋转90度，装配工位返回初始位置，当右侧线圈断电时，双边气路同时关闭，旋转气缸停止运动。
当与标准气缸对应的电磁阀左线圈通电时，顶出气缸活塞带动阀杆顶出装配槽，当左侧线圈断电时，双侧气路同时关闭并保持原来的状态;当右线圈通电时，喷射气缸活塞将杆推回原始状态，当右线圈断电时，喷射气缸活塞停止。
当与迷你气缸对应的电磁阀线圈通电时，推缸活塞将杆推出，将金属销推出工件孔;当线圈断电时，推动气缸的杆返回。
装配单元的气动画面如图6所示。
图6. 装配单元气动原理图
6.分拣单元
这个单元包括一个光纤传感器及其放大器，接近开关和光电开关。光纤传感器安装在分拣台上以检测物料。接近开关悬挂在分拣平台上，成功组装的金属销与接近开关之间的距离为4毫米，工件与接近开关之间的距离为5毫米以上。由于接近开关的检测范围为3-5mm [8]，当工件到达传感器检测范围内时，接近开关可以检测其存在与否，即工件是否装配成功;在槽的中间安装横梁光电开关，检测分拣动作是否成功，然后控制电机停止。
直流减速齿轮电机可以驱动输送带将物料输送到分拣检测点。
选择小型无轴旋转气缸来成功的调节装槽上挡板的延伸。为了减少工件运动引起的挡板冲击，在遇到挡板时要使工件变换方向，这就要求挡板与工件之间的接触面为电弧，这就要求控制挡板的气缸必须是无光线旋转类的气缸[9].当电磁阀线圈通电时，气缸活塞将阀杆推出，将挡板推出;当电磁阀线圈断电时，气缸杆返回。
分拣单元的工作原理如下：光纤传感器检测分拣材料，然后控制电机驱动传动带。接近开关在到达传送带中心时检测物料，如果它能检测到金属销的存在，表明工件已成功组装，气缸将挡板推出，拦截工件，让其滑入组装槽;如果接近开关无法检测到金属销，表明工件未成功组装，气缸保持完好，让其滑入未组装的槽中;当工件滑入槽内时，光电开关检测到工件，挡板返回，电机停止，向机器人单元发出完成信号，接受下一工件分拣任务。分拣单元的结构图如图7所示。
图7. 分拣单元结构图
6.机器手单元
机器人单元是整个系统的驱动单元，起着连接其余四个单元以完成其他单元之间的处理功能的重要作用。 在本单元中，机器人移动方向的坐标设置如图8所示。
图8. 机器手移动方向的坐标图
机器人单元有四个微动开关，X轴和Y轴分别有一个微动开关，表示机器人在X，Y方向的移动极限位置; Z轴轨道有两个微动开关，分别对应于组装单元和分拣单元上机器人的驻留位置。
X轴选用1500毫米螺纹和EG系列直线导轨;由于Y轴和Z轴的行程较短（300 mm），负载较小，因此选择直线模块以实现夹具在该两轴方向上的移动[10].
该装置有三个步进电机，用于控制机器人在X，Y和Z三个方向上的移动。使用双爪滑轨夹具夹持工件。拖链可以避免机器人运动造成的缠绕问题[11].当电磁阀线圈通电时，夹钳夹住工件;当线圈断电时，夹爪松开，放下工件。图9是机器手单元的电气图。
该机器的工作原理如下：机器人可以沿X，Y，Z轴方向移动，依靠脉冲和微动开关准确定位，通过微动开关指示其持续时间位置，根据需要将工件运送到相应的位置，完成抓取和放置功能。
图9. 机器手单元电气图
8.网络控制和整体系统运行
8.1 网络控制
系统使用STEP7编程软件运行。 在网络设置中，机器手是驱动单元，其他四个是驱动单元。
在系统块中设置通信参数，即所有单元都与机器人单元进行通信。 PPI通信协议[12]将传输波特率设置为9600 bps。
在PPI网络中，机器手单元必须在第一个扫描周期中用Port0控制字节SMB30指定驱动属性。 设置完成后，机器人程序将生成NET_EXE子程序[13]。 在选择步进电机或伺服电机的处理和机器人程序中，STEP7向导将自动生成PTO（脉冲串输出）子程序[14].
8.2 整体系统运行
整个系统运行时，运行图如图10所示。粗线为PLC总线电缆，用于通过端口0连接PLC，实现整个系统的通讯[15]. 经过编程和调试后，我们可以通过串口编程通信将程序下载到PLC中，以实现整个系统无电脑运行的目的。
图10. 整个系统运行图
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