一種自動化教學實驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種自動化教學實驗系統(tǒng)，該教學實驗系統(tǒng)中包括電源模塊、PLC模塊、人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、液壓控制模塊、氣動控制模塊以及沖壓模塊，PLC模塊采用三菱公司的FX2n?48MT型PLC控制器，PLC模塊分別與人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、氣動控制模塊以及液壓控制模塊相連，人機交互模塊采用威綸通MT6000/8000T Series型觸摸屏，該人機交互模塊與PLC模塊相連，通過人機交互模塊將控制指令和參數(shù)設定發(fā)送給PLC模塊。通過在教學實驗室配置氣動、液壓控制設備結合PLC控制器的實驗系統(tǒng)，能使學員根據(jù)教學內(nèi)容設計系統(tǒng)方案進行裝配、調(diào)試的實踐訓練，能顯著提升教學質(zhì)量和學員超出書本知識之外的領悟。
【專利說明】
一種自動化教學實驗系統(tǒng)
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種教學實驗系統(tǒng)，特別涉及一種自動化教學實驗系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]模具被譽為“制造業(yè)之母”，是機械制造業(yè)中傳統(tǒng)的加工基礎。而沖壓模具在模具行業(yè)中的比重非常大，是高職院校模具專業(yè)的必設課程之一。
[0003]沖壓工藝與模具設計課程是我院模具設計與制造專業(yè)的優(yōu)質(zhì)核心課程。課程的目標是培養(yǎng)學生具備閱讀沖壓模具圖紙，會分析模具工作原理的能力;培養(yǎng)學生具備分析沖壓成形工藝、制定成形工藝方案、設計中等難度沖壓模具、會初步分析沖壓件質(zhì)量缺陷的專業(yè)能力；以及培養(yǎng)學生的溝通表達、團隊協(xié)作、工作責任心、職業(yè)道德等綜合素質(zhì)和能力。
[0004]沖壓工藝與模具設計課程具有如下特點:一是有很強的綜合性，融合了機械制圖、機械設計、機械加工、金屬材料、計算機輔助設計等多門課程的內(nèi)容;二是具備較強的理論性和實踐性，模具設計的過程中涉及到大量的公式和表格，學生要會綜合和合理地運用這些理論知識，最終完成課程設計;三是沖壓模具類型相對獨立，主要針對沖裁模、彎曲模、拉深模進行了模具結構認知與設計；四是設計思路多種多樣，根據(jù)零件或產(chǎn)品的生產(chǎn)批量，材料的種類和厚度，工件用途而采取不同的設計思路，是一門綜合性和實踐性較強的課程。課程的教學離不開教學設備的使用，而目前沖壓模具教學設備主要存在以下幾個問題:
[0005]1、笨重，不利于搬運;2、結構復雜，不利于拆裝;3、模擬沖壓操作過程繁雜，參與學生人數(shù)受限制;4、零件外形簡單，工藝單一，與企業(yè)聯(lián)系不夠緊密;5、各種典型模具之間相對獨立，沒能有機聯(lián)系起來，形成有機整體;6、工作臺結構功能單一，沒能充分滿足沖壓課程實驗的個性化需求。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型要解決的技術問題是:提供一種功能高度集成，完全能夠滿足機電專業(yè)或機械工程及自動化專業(yè)教學的沖壓模具成型自動化教學實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以實現(xiàn)板料的沖壓成型功能，又能滿足數(shù)控技術教學實驗所需，集實用性和實驗性為一身。
[0007]解決上述技術問題的技術方案是:
[0008]—種自動化教學實驗系統(tǒng)，該教學實驗系統(tǒng)中包括電源模塊、PLC模塊、人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、液壓控制模塊、氣動控制模塊以及沖壓模塊，其特征在于:
[0009]電源模塊由三個額定電壓電流分別為2狀/54、5￥/24、24￥/154的直流源組成，該電源模塊分別為PLC模塊、人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、液壓控制模塊、氣動控制模塊以及沖壓模塊提供電源；
[0010]PLC模塊采用三菱公司的FX2n-48MT型PLC控制器，所述PLC模塊分別與人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、氣動控制模塊以及液壓控制模塊相連；
[0011]人機交互模塊采用威綸通MT6000/8000TSeries型觸摸屏，該人機交互模塊與所述PLC模塊相連，通過所述人機交互模塊將控制指令和參數(shù)設定發(fā)送給所述PLC模塊；
[0012]沖壓模塊與所述步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、氣動控制模塊以及液壓控制模塊連接，接收控制信號，所述沖壓模塊中包括供料單元、加熱成型單元、送料單元、沖壓單元、下料清理單元；
[0013]所述步進電機控制模塊與所述PLC模塊相連，其中步進電機采用四通57BYG250型步進電機，步距角0.9° /1.8°，步進電機驅動器型號為SH-20403 ；
[0014]所述壓力機控制模塊與所述PLC模塊相連，其中壓力機采用JB04-1型壓力機，接收來自所述PLC模塊的控制信號；
[0015]所述液壓控制模塊與所述PLC模塊相連，該液壓控制模塊中包括油箱、濾油器、液壓栗、壓力表、單向閥、換向閥、液壓缸和溢流閥。
[0016]進一步地，所述供料單元由料倉、供料架、供料氣缸、液壓剪切缸和電磁閥組成，供料氣缸連接并受控于氣動控制模塊，液壓剪切缸連接并受控于液壓控制模塊。
[0017]進一步地，所述加熱成型單元由盛錠筒、成型模具、合模氣缸、滑軌、加熱絲和溫度傳感器組成，其中合模氣缸連接并受控于氣動控制模塊，加熱絲連接并受控于所述PLC模塊。
[0018]進一步地，所述沖壓單元由主液壓缸、加速移動氣缸、液壓調(diào)速閥、行程開關、直線位移傳感器和電磁閥組成，其中加速移動氣缸連接并受控于氣動控制模塊，主液壓缸和液壓調(diào)速閥連接并受控于液壓控制模塊，行程開關和直線位移傳感器信號饋連至所述PLC模塊。
[0019]進一步地，所述送料單元由還料托盤、頂料氣缸和電磁閥組成，頂料氣缸連接并受控于氣動控制模塊，所述下料清理單元由落料箱、清理剪切液壓缸和電磁閥組成，清理剪切液壓缸連接并受控于液壓控制模塊。
[0020]本實用新型具有以下優(yōu)點和積極效果:
[0021]I)本教學實驗系統(tǒng)，可以培養(yǎng)學生的實踐能力和對先進技術的應用能力以及創(chuàng)新設計能力，使學生更好地掌握沖壓技術以及機電控制和數(shù)控技術。根據(jù)《機械制造工藝學》、《模具設計》、《材料成型》、《機電傳動控制》、《數(shù)控技術與機床》、《機電一體化控制技術與系統(tǒng)》等課程的教學要求，本系統(tǒng)采用模塊化設計，各模塊之間的連接具有很大的靈活性和開放性，針對性和目的性很強。
[0022]2)應用本實用新型的實驗系統(tǒng)，其顯著優(yōu)點體現(xiàn)為:通過在教學實驗室配置鋁型材擠壓作業(yè)所需各類氣動、液壓控制設備結合PLC控制器的實驗系統(tǒng)，能使學員根據(jù)教學內(nèi)容設計系統(tǒng)方案進行裝配、調(diào)試的實踐訓練，能顯著提升教學質(zhì)量和學員超出書本知識之外的領悟。該實驗系統(tǒng)具有控制多元可選性、可靠性、開放性、安全性倶佳的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0023]圖1是本實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)結構示意圖；
[0024]圖2是本實驗系統(tǒng)中步進電機控制模塊的電路不意圖；
[0025]圖3是本實驗系統(tǒng)中壓力機控制模塊的原理示意圖；
[0026]圖4是本實驗系統(tǒng)中液壓控制模塊的原理示意圖；
[0027]圖5是本實驗系統(tǒng)中壓力機控制模塊的電路示意圖；
[0028]圖6是本實驗系統(tǒng)中液壓控制模塊的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本實用新型的實施方式做進一步的說明。
[0030]為了給學生提供一個典型性、系統(tǒng)性的工業(yè)模型，搭建一個學生認識工業(yè)現(xiàn)場的窗口，構建一個可以提升學生工作潛能的實驗教學平臺。本實用新型創(chuàng)新提出了一種自動化教學實驗系統(tǒng)，針對性地解決機電一體化尤其是鋁型材擠壓制造直觀教學、增加學生學習感受、熟練掌握系統(tǒng)架構技巧的問題，實現(xiàn)了一種可靠性、靈活性、開放性及安全性的自動化電教系統(tǒng)。本實驗系統(tǒng)不僅包含了工業(yè)現(xiàn)場中典型的機構，而且涉及機電一體化和電氣自動化的專業(yè)基礎知識，如傳感器技術、液壓與氣動技術、PLC、電機等，非常適合大中專院校、民辦培訓機構教學演示和操練，能鍛煉學生思維能力、實踐能力。
[0031]本實用新型的上述自動化教學實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)結構如圖1所示。該教學實驗系統(tǒng)中包括電源模塊、PLC模塊、人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、液壓控制模塊、氣動控制模塊以及沖壓模塊。
[0032]其中，電源模塊由三個額定電壓電流分別為24V/5A、5V/2A、24V/15A的直流源組成，分別為PLC模塊、人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、液壓控制模塊、氣動控制模塊以及沖壓模塊提供電源。
[0033]PLC模塊采用三菱公司的FX2n-48MT型PLC控制器，所述PLC模塊分別與人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、氣動控制模塊以及液壓控制模塊相連.
[0034]沖壓模塊與所述步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、氣動控制模塊以及液壓控制模塊連接，接收控制信號，所述沖壓模塊中包括供料單元、加熱成型單元、送料單元、沖壓單元、下料清理單元。所述供料單元由料倉、供料架、供料氣缸、液壓剪切缸和電磁閥組成，供料氣缸連接并受控于氣動控制模塊，液壓剪切缸連接并受控于液壓控制模塊。所述加熱成型單元由盛錠筒、成型模具、合模氣缸、滑軌、加熱絲和溫度傳感器組成，其中合模氣缸連接并受控于氣動控制模塊，加熱絲連接并受控于所述PLC模塊。所述沖壓單元由主液壓缸、加速移動氣缸、液壓調(diào)速閥、行程開關、直線位移傳感器和電磁閥組成，其中加速移動氣缸連接并受控于氣動控制模塊，主液壓缸和液壓調(diào)速閥連接并受控于液壓控制模塊，行程開關和直線位移傳感器信號饋連至所述PLC模塊。所述送料單元由坯料托盤、頂料氣缸和電磁閥組成，頂料氣缸連接并受控于氣動控制模塊，所述下料清理單元由落料箱、清理剪切液壓缸和電磁閥組成，清理剪切液壓缸連接并受控于液壓控制模塊。
[0035]所述液壓控制模塊與所述PLC模塊相連，該液壓控制模塊中包括油箱、濾油器、液壓栗、壓力表、單向閥、換向閥、液壓缸和溢流閥。
[0036]學生可以從一個鋁型材擠壓成型工藝的作業(yè)周期來進一步理解沖壓的工作過程，進一步體現(xiàn)該教學實驗設備的直觀性。供料氣缸將預熱過的鋁棒(鋁型材坯料中的一種)推出，液壓剪切缸下壓，進行一定長度原料的截取，原料經(jīng)滑槽滾至坯料托盤，而后由頂料氣缸頂升至與盛錠筒同一中心高度，此時驅動快速移動氣缸帶動模頭伸出，將鋁棒推進盛錠筒(該過程對原料持續(xù)加熱至擠壓成型溫度)，而后主液壓缸繼續(xù)伸出，推動鋁棒通過模具進行擠壓成型，得到與?？卓仔拖嗤漠a(chǎn)品，擠壓結束時推出擠壓殘料，在清理剪切液壓缸作用下把成品與殘料切斷，擠壓后的成品落至落料箱。
[0037]實驗操作是作為實驗教學的重要方面，人機交互模塊采用威綸通MT6000/8000TSeries型觸摸屏，與PLC模塊相連，通過所述人機交互模塊將控制指令和參數(shù)設定發(fā)送給PLC模塊。
[0038]人機交互的主界面中包括了運動控制、氣動缸手動控制、液壓缸手動控制和記錄查詢四個子界面，并且各子界面根據(jù)實驗要求布局設有相應的控制按鈕。支持遠程各單元工作狀態(tài)的圖形和文字顯示，能夠遠程對設備進行控制和調(diào)試，支持相關數(shù)據(jù)的設定和運行參數(shù)的保存，能夠進行故障記錄和報警等。完成線路連接后，學生可以手動操控各控制按鈕、開關對各單元構件實施局部操作，也可以根據(jù)系統(tǒng)控制順序與要求。
[0039]本實驗系統(tǒng)中步進電機控制模塊的電路如圖2所示。在本實驗系統(tǒng)中，步進電機控制模塊與PLC模塊相連，其中步進電機采用四通57BYG250型步進電機，步距角0.9° /1.8°，驅動器型號為SH-20403。控制器根據(jù)控制要求，給步進電機驅動器發(fā)出控制指令，步進電機驅動器再來控制步進電機實現(xiàn)最終的運動，本實驗系統(tǒng)采用了 “PULSE+DIR”即“脈沖+方向”的方式來控制步進電機。其中相關的接線端口說明如下:
[0040]公共端:本驅動器的輸入信號采用共陽極接線方式，應將輸入信號的電源正極連接到該端子上，將輸入的控制信號連接到對應的信號端子上?？刂菩盘柕碗娖接行В藭r對應的內(nèi)部光耦導通，控制信號輸入驅動器中。
[0041]脈沖信號輸入:共陽極時該脈沖信號下降沿被驅動器解釋為一個有效脈沖，并驅動電機運行一步。為了確保脈沖信號的可靠響應，共陽極時脈沖低電平的持續(xù)時間不應少于10毫秒。本驅動器的信號響應頻率為70KHZ，過高的輸入頻率將可能得不到正確響應。
[0042]方向信號輸入:該端信號的高電平和低電平控制電機的兩個轉向。共陽極時該端懸空被等效為輸入高電平。
[0043]脫機信號輸入:該端接受控制機輸出的高/低電平信號，共陽極時低電平時電機相電流被切斷，轉子處于自由狀態(tài)(脫機狀態(tài))。共陽極時高電平或懸空時，轉子處于鎖定狀
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[0044]在沖壓生產(chǎn)中，為了適應不同的工作情況，采用各種不同類型的壓力機。根據(jù)壓力機的傳動方式、產(chǎn)生壓力的方法、結構形式及使用性質(zhì)不同，壓力機主要有:曲柄壓力機、摩擦壓力機、多工位自動壓力機、沖壓液壓機、沖?；剞D頭壓力機、高速壓力機、精密沖裁壓力機和電磁壓力機等。其中曲柄壓力機種類較多，可適用于一種或多種沖壓工序，應用廣泛。
[0045]壓力機控制模塊與所述PLC模塊相連，其中壓力機采用JB04-1型壓力機，接收來自所述PLC模塊的控制信號，壓力機工作原理如圖3所示:電動機I通過三角皮帶把運動傳給大皮帶輪3，然后傳給曲軸5。連桿7上端裝在曲軸上，下端與滑塊8連接，把曲軸的旋轉運動變?yōu)榛瑝K的直線往復運動。上模9裝在滑塊上，下模10裝在墊板11上。因此，當材料放在上下模之間時，即能進行沖裁或其它變形工藝，制成工件。由于生產(chǎn)工藝的需要，滑塊有時運動，有時停止，所以裝有離合器4和制動器6。壓力機在整個工作間期內(nèi)進行工藝操作的時間很短，也就是說，有負荷的工作時間很短，大部分時間為無負荷的空程時間。為了使電動機的負荷均勻，有效地利用能量，因而裝有飛輪。大皮帶輪3即起飛輪作用，其中2為小皮帶輪。
[0046]壓力機控制模塊的電路如圖5所示，當轉換開關SA4未動作時，由于二極管V3的反向阻止，指示燈HL3得電，顯示單行程模式。在這種情況下，電動機帶動皮帶輪及曲柄軸轉動，當轉動一軸以后，離合器受擋銷作用脫開，曲柄連桿機構便不再運動。若SA4動作，此時腳踏開關SB6如果閉合，中間繼電器KA4和指示燈HL2都將導通，顯示為連續(xù)運動模式，線圈YAl得電閉合，擋銷受線圈的作用不再與離合器作用，曲柄連桿機構可以一直運動。在SA2選擇工作臺操作面板控制方式時，面板開關SA3控制沖床電機的得電與失電，控制方式和沖裁動作開關信號都將傳送到PLC，PLC按照程序決定Y22以何種電平輸出，而Y22通過中間繼電器間接的控制著線圈YAUYAl所起的作用與前種方式相同，失電為單行程，得電為連續(xù)運動。在壓力機電路中，元件FU3是起保護整個電路作用的熔斷絲，壓力機電機的電壓為交流220V，一個接線端需要接地。
[0047]本實驗系統(tǒng)中液壓控制模塊的原理如圖4所示，其中10為油箱、2為濾油器、3為液壓栗、4為壓力表、5為單向閥、9為換向閥、8為液壓缸、11為溢流閥。液壓控制模塊由以下四部分組成:
[0048]I)能量轉換裝置——把驅動電機的機械能轉換成油液液壓能的裝置。在本實驗系統(tǒng)中采用的是以三相異步交流電機帶動的齒輪栗，它給液壓系統(tǒng)提供壓力油，同時具有結構簡單、噪音小、性價比高的特點。
[0049]2)執(zhí)行裝置一一把油液的液壓能轉換成機械能的裝置。在本實驗系統(tǒng)中采用的是做直線運動的液壓缸。液壓缸為單桿雙作用式活塞缸，缸筒固定，可以實現(xiàn)雙向運動，在行程終止時不會像單作用液壓缸那樣出現(xiàn)減速現(xiàn)象。單桿雙作用式活塞缸的往復作用力和速度是不一樣的，活塞桿的伸出速度要比縮回速度小，但推力卻要大很多，這有利于工料的平穩(wěn)夾緊。
[0050]3)控制調(diào)節(jié)裝置——對系統(tǒng)中油液壓力、流量或流動方向進行控制或調(diào)節(jié)的裝置。如本實驗系統(tǒng)中為了保持工作壓力的恒定，防止系統(tǒng)壓力過大，在栗的出口設置了溢流閥；為了防止高壓油回流，在栗的出口處設置了一個單向閥;在液壓栗的出口處設計了一個液壓表，用于顯示液壓系統(tǒng)壓力。
[0051 ] 液壓控制模塊的電路示意圖如圖6所示。PLC的Y21、Y23、Y24分別驅動繼電器KA2、KA5、KA6，然后分別接觸器KM2、電磁閥YA2、YA3。通過PLC梯形圖產(chǎn)生相應的控制信號去控制輸出電路，實現(xiàn)程序規(guī)定的各種操作。
[0052]綜上所述，本實用新型自動化教學實驗系統(tǒng)采用三菱公司的FX2n-48MT型PLC為核心控制器，結合液壓、氣動、傳感器和人機界面技術，實現(xiàn)對型材擠壓成型過程的仿真控制。該實驗系統(tǒng)結構簡單，操作控制方便，性能可靠，人機交互界面直觀，演示效果逼真，對學生獨立構建控制系統(tǒng)有較強的實踐指導意義。
[0053]除上述實施例外，本實用新型還可以有其它實施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本實用新型所要求保護的范圍之內(nèi)。
[0054]本實用新型的保護范圍并不限于上述的實施例，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。倘若這些改動和變形屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍內(nèi)，則本實用新型的意圖也包含這些改動和變形在內(nèi)。
【主權項】
1.一種自動化教學實驗系統(tǒng)，該教學實驗系統(tǒng)中包括電源模塊、PLC模塊、人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、液壓控制模塊、氣動控制模塊以及沖壓模塊，其特征在于: 電源模塊由三個額定電壓電流分別為24V/5A、5V/2A、24V/15A的直流源組成，該電源模塊分別為PLC模塊、人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、液壓控制模塊、氣動控制模塊以及沖壓模塊提供電源； PLC模塊采用三菱公司的FX2n-48MT型PLC控制器，所述PLC模塊分別與人機交互模塊、步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、氣動控制模塊以及液壓控制模塊相連； 人機交互模塊采用威纟侖通MT6000/8000 T Series型觸摸屏，該人機交互模塊與所述PLC模塊相連，通過所述人機交互模塊將控制指令和參數(shù)設定發(fā)送給所述PLC模塊； 沖壓模塊與所述步進電機控制模塊、壓力機控制模塊、氣動控制模塊以及液壓控制模塊連接，接收控制信號，所述沖壓模塊中包括供料單元、加熱成型單元、送料單元、沖壓單元、下料清理單元； 所述步進電機控制模塊與所述PLC模塊相連，其中步進電機采用四通57BYG250型步進電機，步距角0.9° /1.8°，步進電機驅動器型號為SH-20403 ； 所述壓力機控制模塊與所述PLC模塊相連，其中壓力機采用JB04-1型壓力機，接收來自所述PLC模塊的控制信號； 所述液壓控制模塊與所述PLC模塊相連，該液壓控制模塊中包括油箱、濾油器、液壓栗、壓力表、單向閥、換向閥、液壓缸和溢流閥。2.根據(jù)權利要求1所述的自動化教學實驗系統(tǒng)，其特征在于: 所述供料單元由料倉、供料架、供料氣缸、液壓剪切缸和電磁閥組成，供料氣缸連接并受控于氣動控制模塊，液壓剪切缸連接并受控于液壓控制模塊。3.根據(jù)權利要求1所述的自動化教學實驗系統(tǒng)，其特征在于: 所述加熱成型單元由盛錠筒、成型模具、合模氣缸、滑軌、加熱絲和溫度傳感器組成，其中合模氣缸連接并受控于氣動控制模塊，加熱絲連接并受控于所述PLC模塊。4.根據(jù)權利要求1所述的自動化教學實驗系統(tǒng)，其特征在于: 所述沖壓單元由主液壓缸、加速移動氣缸、液壓調(diào)速閥、行程開關、直線位移傳感器和電磁閥組成，其中加速移動氣缸連接并受控于氣動控制模塊，主液壓缸和液壓調(diào)速閥連接并受控于液壓控制模塊，行程開關和直線位移傳感器信號饋連至所述PLC模塊。5.根據(jù)權利要求1所述的自動化教學實驗系統(tǒng)，其特征在于: 所述送料單元由還料托盤、頂料氣缸和電磁閥組成，頂料氣缸連接并受控于氣動控制模塊，所述下料清理單元由落料箱、清理剪切液壓缸和電磁閥組成，清理剪切液壓缸連接并受控于液壓控制模塊。
【文檔編號】G09B25/02GK205508252SQ201620113882
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月2日
【發(fā)明人】程婧璠, 劉岑, 陳帆, 劉兵, 劉小寧
【申請人】程婧璠