模塊化測控綜合實驗平臺設(shè)計與開發(fā)

蘇 偉，何嶺松，高志強

（華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和高等學(xué)校教育教學(xué)改革的不斷深入，高校實踐教學(xué)得到高度重視與迅速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件配置、開放式的模塊化結(jié)構(gòu)、引導(dǎo)式的教學(xué)方法、激發(fā)式的實驗設(shè)計已經(jīng)進入到教學(xué)實驗的各個方面［1］。同時，機械、測控類專業(yè)也不斷打破學(xué)科邊界，各學(xué)科滲透和交叉成為學(xué)科發(fā)展的趨勢，也是產(chǎn)生創(chuàng)新性成果的重要途徑。因此，傳統(tǒng)單一性的機械類或電類實驗設(shè)備已不能滿足學(xué)生綜合能力和主動創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。對教學(xué)實驗和青年教師培訓(xùn)而言，除了各類基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)外［2］，也急需一種功能豐富、操作方便、多學(xué)科集成的綜合性測控實驗系統(tǒng)。

測控系統(tǒng)一般會涉及精密機械、光學(xué)、計算機、傳感器、控制技術(shù)等多學(xué)科知識，所以一個綜合性的測控實驗臺可以解決機械類和電類基礎(chǔ)實驗設(shè)備功能單一、學(xué)科覆蓋面不足的缺陷。最近十幾年間測控工業(yè)也經(jīng)歷了一場巨大的技術(shù)革命［3－5］。現(xiàn)實中的綜合測控實驗系統(tǒng)價格昂貴，教學(xué)實驗不足，缺乏推廣普及的基礎(chǔ)。為此，我們在測控實驗室已有的機電傳動實驗臺的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計，將現(xiàn)有設(shè)備融入到新設(shè)備的開發(fā)中，降低開發(fā)成本，實現(xiàn)了測控技術(shù)與典型的機械設(shè)計、傳動技術(shù)、氣動技術(shù)、微機控制技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一套融合機械、自動控制、電工學(xué)、計算機軟件開發(fā)等多學(xué)科的綜合實驗平臺，彌補了以上缺陷［6］。該平臺可重組性強、功能全面、面向?qū)ο髲V泛，既能為機械、測控類專業(yè)學(xué)生提供各類基礎(chǔ)專項實驗和綜合測控實驗，也可為工業(yè)工程類學(xué)生提供物流自動化實驗和職校教師培訓(xùn)提供實踐平臺［7－8］。通過專項實驗環(huán)節(jié)，讓學(xué)生理解和鞏固機械類和電類基本知識；通過綜合實驗環(huán)節(jié)，將工程測試技術(shù)和機械工程、控制基礎(chǔ)多種課程的內(nèi)容結(jié)合起來，獨立完成典型的機電一體化的測試與控制實驗，增加在相對復(fù)雜的條件下的實踐經(jīng)驗。經(jīng)過或個人或小組的獨立設(shè)計實驗、完成實驗、總結(jié)實驗，使學(xué)生具有收集、分析、判斷、選擇國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的能力［9］，以及具體制定實驗、完成實驗、分析數(shù)據(jù)和總結(jié)的專業(yè)技能。

1 實驗平臺組成

該系統(tǒng)主要由3大模塊和控制系統(tǒng)組成，3個模塊分別是自動檢測實驗臺、機電傳動實驗臺、立體倉庫實驗臺。控制系統(tǒng)由控制軟件和控制硬件組成，可對各個實驗臺進行控制。各個實驗臺，都有對步進電機的驅(qū)動，又有各自的特點，比如自動檢測實驗臺涵蓋了傳感器知識和多學(xué)科技術(shù)，機電傳動實驗臺突出機電傳動學(xué)的內(nèi)容，立體倉庫實驗臺著重運籌學(xué)、物流等學(xué)科的應(yīng)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 平臺結(jié)構(gòu)框圖

（1）自動檢測實驗臺。主要由帶傳動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)（紅外反射傳感器、色彩傳感器、電渦流傳感器、電容式接近開關(guān)）和氣動設(shè)備組成。帶傳動系統(tǒng)由步進電機驅(qū)動運輸物料，貫穿整個實驗流程；氣動設(shè)備完成進料和分揀動作；紅外反射傳感器實現(xiàn)計數(shù)功能；色彩傳感器和電渦流傳感器檢測顏色和金屬特性，上位機可設(shè)置分揀材料屬性（金屬、非金屬），顏色屬性（紅色、藍(lán)色、黑色），分揀要求（分揀、不分撿）；分揀倉存儲已分揀的物料；電容式接近開關(guān)檢測進入分揀倉的物料并觸發(fā)分揀臂的返回動作。實驗臺的起點是進料口，物料在帶傳動的驅(qū)動下歷經(jīng)計數(shù)、顏色識別、金屬識別，在分揀的情況下則一次實驗結(jié)束，實驗臺可重新開始下一次實驗；在均不分揀的情況下，物料運動至帶傳動的終點。系統(tǒng)涉及到的主要課程有自動控制、傳感器、計算機控制系統(tǒng)、氣壓傳動等。圖2為自動檢測實驗臺工作流程圖。

圖2 自動檢測實驗臺工作流程圖

（2）機電傳動實驗臺。主要由兩套步進電機和載物臺組成，載物臺由兩套方向互為垂直的步進電機驅(qū)動，實質(zhì)是一個二維移動平臺，通過上位機操作界面，可自由控制載物臺的運動位置。由吸盤和氣缸將自動檢測實驗臺的帶傳動末端的物料運至機電傳動實驗臺的載物臺上，此即實驗臺的起點。物料在載物臺上可自由運動，載物臺運動到邊界時，碰觸限位開關(guān)停止運動，在撿料點處可被機械手抓取到下一個實驗臺。該實驗臺工作流程框圖見圖3。涉及到的主要課程為機電傳動控制。因受其他裝置干擾較少，因此非常適合作為典型的機電傳動實驗平臺。

圖3 機電傳動實驗臺工作流程框圖

（3）立體倉庫實驗臺。包括立體倉庫、機械手、步進電機兩套、堆垛起重臺和氣動設(shè)備。機械手由氣動設(shè)備驅(qū)動，將上一個實驗臺的物料抓取至堆垛起重臺上，堆垛起重臺再將物料放置于立體倉庫內(nèi)。堆垛起重臺的位置由步進電機驅(qū)動控制，存取動作由氣動設(shè)備驅(qū)動完成。簡易立體倉庫內(nèi)是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的貨位空間，堆垛起重臺穿行于貨架之間的巷道中，根據(jù)上位機設(shè)置的放置策略完成存、取貨的工作。該平臺工作流程框圖見圖4。涉及到的主要課程有物流運輸、物流技術(shù)與管理、氣壓傳動等，可為工業(yè)工程類專業(yè)展開相關(guān)實驗。

圖4 立體倉庫實驗臺工作流程圖

2 測控綜合實驗平臺功能

本測控綜合實驗平臺各個模塊既可獨立完成各專項實驗，又有多種組合方式完成不同的相對復(fù)雜的實驗。專項實驗針對性較強，強化單學(xué)科知識；組合實驗綜合性較強，加強各個學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性，鍛煉學(xué)生的實際操作能力。根據(jù)實際教學(xué)實驗和要求，設(shè)計的專項實驗和組合實驗見表1。為了敘述的方便，約定自動檢測實驗臺、機電傳動實驗臺、立體倉庫實驗臺分別記為1、2、3號實驗臺。

表1 實驗項目

3 典型應(yīng)用實例

下面以自動檢測實驗臺和組合實驗臺為典型應(yīng)用實例作具體介紹。

（1）自動檢測實驗臺應(yīng)用實例：已經(jīng)建成的自動檢測實驗臺的實物圖見圖5。輸送系統(tǒng)靜止時，可進行傳感器實驗。傳感器可獲取物料的當(dāng)前位置和狀態(tài)，從而判斷何時執(zhí)行下一步動作，不僅在工業(yè)中也有著重要作用，也是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。本實驗平臺中的各種傳感器實驗類型豐富（涉及的傳感器有光電式傳感器、電容式傳感器和反射式傳感器），可讓學(xué)生了解各類傳感器的類型、應(yīng)用場合等。傳感器實驗的基本目標(biāo)是：讓學(xué)生掌握傳感器的應(yīng)用條件、基本原理和輸出量類型，使學(xué)生學(xué)會選擇和使用各類傳感器。另外，配合輸送系統(tǒng)和氣動設(shè)備，又可構(gòu)成一個簡單的機電一體化系統(tǒng)，可進行自動檢測實驗。與傳感器實驗強調(diào)單科知識不同，自動檢測實驗加入了設(shè)計環(huán)節(jié)，給予學(xué)生更大的開放性和創(chuàng)造性。多裝置的協(xié)同工作也要求學(xué)生需要具有把握簡單機電一體化系統(tǒng)的能力。實驗的基本目標(biāo)是使學(xué)生結(jié)合具體實驗，掌握機械調(diào)試術(shù)、氣動、傳感器和程序控制等技術(shù)，加強綜合軟硬件的能力，鞏固邏輯思維，使學(xué)生具有初步的設(shè)計實驗和完成實驗的能力。

圖5 自動檢測實驗臺實物圖

（2）模塊組合應(yīng)用實例：已經(jīng)建成的綜合測控實驗臺的實物圖見圖6。3個模塊的聯(lián)合工作可以完成兩種內(nèi)容相似、側(cè)重和面向?qū)ο蟛煌膶嶒灒杭淳C合物流實驗和物流自動化實驗。工業(yè)工程學(xué)生進行綜合物流實驗，自動檢測實驗臺的進料、分揀和運輸，機電傳動實驗臺的接料與撿料，立體倉庫實驗臺的存取、入庫模擬了物流自動化的基本流程。物流自動化實驗把物流、信息流用計算機和現(xiàn)代信息等技術(shù)等集成在一起，既注重物流自動化理論知識的學(xué)習(xí)，又有助于學(xué)生實際業(yè)務(wù)操作能力的培養(yǎng)。實驗的基本目標(biāo)是通過實驗室規(guī)模的物流環(huán)境，形象直觀地表達(dá)物流行業(yè)中的新概念，使得學(xué)生在設(shè)計實驗和操作中了解物流自動化中的運輸、裝卸、識別、分揀等基本作業(yè)過程，最終具有設(shè)計實驗策略的能力，比如自動入庫策略。機械和測控類學(xué)生進行物流自動化實驗，綜合測控實驗偏重對整個系統(tǒng)中技術(shù)的整合和理解。通過實驗環(huán)節(jié)，將多學(xué)科和多技術(shù)有機結(jié)合起來，在具有良好開放性的綜合實驗臺上自主完成典型的機電一體化的測試與測控實驗，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性。與偏重演示性的單個實驗臺相比，綜合測控實驗臺開放性高，更著重設(shè)計性和創(chuàng)造性。實驗的基本目標(biāo)是：學(xué)生在設(shè)計實驗和操作中，了解機電一體化中的基本技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上通過小組的形式設(shè)計實驗，培養(yǎng)團隊精神，鍛煉模塊化設(shè)計能力，提高解決實際問題的能力。

圖6 綜合測控實驗實物圖

4 結(jié)論

（1）與國內(nèi)部分高校采用的國外產(chǎn)品如FESTO公司的MPS系統(tǒng)、國內(nèi)產(chǎn)品如固高物流自動化系統(tǒng)和百蝶物流實驗室解決方案相比［10］，本綜合測控實驗平臺可根據(jù)具體實際情況和特點進行修改和定制，成本更加低廉，在實驗教學(xué)中更加靈活，更具柔性和開放性；與一般自主研制的機電實驗平臺相比，本系統(tǒng)涉及到的設(shè)備和學(xué)科更加綜合，平臺的功能更加全面［11－12］，面向的對象層次更加豐富。可為工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生開展物流自動化實驗；為機械類學(xué)生和職校教師培訓(xùn)開設(shè)機電傳動實驗、綜合測控實驗等，為職校教師增加實驗和實踐經(jīng)驗。

（2）實驗室測試和調(diào)試結(jié)果表明，本文設(shè)計的綜合測控實驗平臺能有效完成8個專項實驗和3個綜合實驗，專項實驗識別率高，控制精確；綜合實驗開放性高，各個實驗臺聯(lián)合工作協(xié)調(diào)穩(wěn)定。模塊化設(shè)計的綜合測控實驗臺有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和實驗興趣，滿足創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)；有助于青年職校教師實踐教學(xué)經(jīng)驗的豐富，將現(xiàn)代主流技術(shù)的方法應(yīng)用到日后的教學(xué)實驗中去。

（3）經(jīng)過長期的設(shè)計和調(diào)試，平臺已經(jīng)達(dá)到了實驗需求。目前，我校測控實驗室已經(jīng)擁有8套模塊化的測控實驗系統(tǒng)，每一個實驗系統(tǒng)都可展開多種實驗。在不久的將來，還將在綜合測控實驗平臺之間配備ABB機械手，將各個綜合實驗臺首尾相連，組成一個大型的自動化實驗臺，以完成更復(fù)雜、更完整的工作，建設(shè)更完備的測控實驗室，為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)提供更廣闊的平臺。

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