基于模塊化的機電一體化綜合實驗平臺開發*

◆岳東海

基于模塊化的機電一體化綜合實驗平臺開發*

◆岳東海

介紹一種基于模塊化的機電一體化綜合實驗平臺。該平臺采用模塊化的布局設計，教師可以根據理論或實驗教學的需要組合相關模塊，完成多項綜合性教學實驗。

機電一體化；綜合實驗平臺；模塊化

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.154

1 前言

圖1 實驗臺系統結構框架

為配合常州信息職業技術學院“機電一體化技術品牌特色專業”建設，筆者研究開發一種機電一體化綜合實驗平臺。該平臺采用模塊化的設計方法，相關模塊之間可根據課程或實驗的需要進行組合，完成多個綜合性實驗。在確定各個模塊時，充分考慮機電一體化專業相關課程的需要。普通實驗設備一般具有一定的專用性，能夠開設的實驗數量有限。機電類專業實驗數目眾多，所需實驗設備的種類也很多，這就增加了實驗設備的成本及管理的難度。本平臺采用模塊化設計后，將機電類絕大多數實驗集中在一個平臺上，既節省了空間，又降低了維護成本。實驗臺整體結構如圖1所示。

2 實驗臺總體方案設計

根據機電一體化專業主干課程的實驗教學要求，采用模塊化設計，使該平臺具有很強的通［1］。各個模塊既可單獨完成某門課程的實驗，也可相互組合完成復雜的機電一體化綜合性創新實驗。該平臺適應的主要課程包括機電一體化系統設計、人機界面組態與應用技術、可編程控制器、電機與電氣控制技術課程。平臺的總體方案設計時遵循模塊化原則，既考慮上述所列機電類各課程實驗需要，又要考慮教學的開放性要求。該平臺共計四個模塊，如圖1所示，分別為可編程控制器及定位模塊、人機界面模塊、電機及拖動模塊、機械本體模塊。三軸運動平臺Z軸可以根據課程需要固定氣動手抓、分離機構等機械本體。

圖3 人機界面組態與應用技術課程相關模塊連接

3 模塊間組合與課程關系

基于平臺上各個模塊的開發性布局，各模塊可根據課程需要進行組合，完成相關課程實驗教學。

可編程控制器課程 根據課程所需實驗，將圖1所示的可編程控制器及定位模塊、電機及拖動模塊和機械本體模塊進行部分連接。將PC機通過編程電纜與可編程控制器（FX3U）連接，利用PC機中GX-Developer實現程序的上傳、下載及實時監控。FX3U可編程控制器通過高速脈沖口Y0、Y1及其他相關I/O口分別與步進電機驅動器和功率放大器連接，用于驅動步進電機和直流電機?？删幊炭刂破髡n程相關模塊連接如圖2所示。常規實踐教學可借助GXSimulator_6仿真軟件進行，如交通燈實驗、機械手實驗等。

圖2 可編程控制器課程相關模塊連接

其他實驗教學部分可利用圖2所示連接情況進行。可開展的PLC實驗教學項目包括步進電機的調速控制、步進電機的開環/閉環控制、直流電機PWM調速控制。

圖4 電機與電氣控制技術課程相關模塊連接

人機界面組態與應用技術課程 根據人機界面組態與應用技術課程授課要求，將人機界面模塊、可編程控制器及定位模塊及電機及拖動模塊進行部分連接，如圖3所示。

利用PC機完成編寫觸摸屏程序，完成觸摸屏項目組態及畫面制作。觸摸屏通過編程口與PLC進行通訊，通過對PLC中與電機運行相關變量的讀取和寫入，實現對步進電機和直流電機運行監控。PLC擴展口與FX2N-20GM定位單元連接，定位單元控制另一臺伺服電機，實現位置控制。可開展的觸摸屏實驗項目包括基于PLC和觸摸屏的步進電機控制、基于PLC和觸摸屏的直流電機控制、基于PLC和觸摸屏的伺服電機位置控制、基于FX2N-20GM的伺服電機位置控制。經過上述項目的實施，實現觸摸屏對硬件系統的控制。

電機與電氣控制技術課程 根據電機與電氣控制技術課程授課要求，將可編程控制器及定位模塊與電機及其拖動模塊進行部分連接，如圖4所示。

圖5 機電一體化系統設計課程相關模塊連接

電機與電氣控制技術課程主要包括電機和控制兩部分。通過上述相關模塊的連接，課程所涉及的常用電機都有體現，包括三相異步電機、直流電機、步進電機及伺服電機。關于電機的結構、原理及常用的控制方式，可在理論教學中完成。圖4所示的模塊連接完成后，可根據課程需要開設如下實踐教學項目：步進電機運行控制（啟停、調速、定位）、直流電機運行控制（啟停、正反轉、PWM調速）、三相異步電機控制（啟停、正反轉、多段速）、伺服電機控制（啟停、調速、定位、插補）。其中兩臺伺服電機控制器采用三菱FX2N-20GM雙軸控制模塊，其他電機控制器采用三菱FX3U系列PLC。

機電一體化系統設計課程 根據機電一體化系統設計課程要求，將平臺上所有模塊進行系統連接，如圖5所示。將人機界面模塊、可編程控制器及定位模塊、電機及拖動模塊、機械本體模塊進行系統連接。以三軸運動平臺、回轉工作臺及分離機構作為機電一體化系統的執行部件，人機界面模塊監控相關執行部件的運行情況，PLC及定位模塊控制電機的運行?？砷_展與機電一體化系統設計課程相關的實驗教學項目有X-Y工作臺機電系統綜合實驗、回轉工作臺結構及電氣控制、X-Y工作臺直線/圓弧插補控制、氣動機械手搬運實驗。

4 結束語

該實驗平臺采用模塊化布局設計，教師根據教學需要對相關模塊進行連接。實驗平臺的開放性、綜合性、通用性得到有效提高。實踐結果表明，該實驗平臺模塊化布局設計，能夠滿足大部分機電一體化專業課程的實驗教學要求?！?/p>

［1］李東民，張建中，宋慶軍，等.基于機電一體化系統設計理論的機電液綜合實驗臺開發［J］.機床與液壓，2012（22）: 68-70.

［2］尹志強，王玉琳.創新型機電一體化實驗教學平臺的研究與開發［J］.機床與液壓，2009（12）:62-65.

［3］王玉珍.機電一體化實驗教學改革探索與實驗［J］.科技創業家，2012（10）:192-193.

Development of Mechatronics Integrated Experiment Platform based on Modularization

YUE Donghai

A Kind of mechatronics integrated experiment platform based on modular design is introduced in this paper. The platform adopts modular layout design， teacher can compose related module together according to command of course and experiment teaching，complete a number of comprehensive experimental teaching.

mechatronics； integrated experiment platform； modula rization

TP391.6

B

1671-489X（2015）24-0154-03

*項目來源：江蘇省常州市科技支撐計劃項目（CE20120088）。

作者：岳東海，常州信息職業技術學院高級工程師，研究方向為機電控制技術（213164）。