機電一體化實驗課程改革與設計

李學哲 劉少海 胡興志華北科技學院機電應用技術研究所 北京 101601

?

機電一體化實驗課程改革與設計

李學哲 劉少海 胡興志
華北科技學院機電應用技術研究所 北京 101601

摘 要：傳統的機電一體化實驗教學平臺存在功能單一、開放性差等問題，已經無法適應經濟、社會對機電一體化技術人才需求的發展和變化。提出了一種新型機電一體化實驗教學平臺，該平臺采用模塊化設計思想，具有極強的開放性。基于新設計的平臺，探討了機電一體化實驗課程的改革和設計。實踐表明，基于該平臺開展的各種機電一體化實驗項目，在擴展學生知識面，培養學生的創新精神、實踐能力等方面發揮著重要的作用。

關鍵詞：機電一體化；實驗平臺；課程改革與設計；開放性

隨著科技的發展，社會對機電一體化技術人員的要求也越來越高。目前，機電一體化實驗教學的形式主要有驗證、現場參觀實習等。這樣的教學方法存在明顯的不足，學生的參與性不夠強，無法深入了解教學內容和應用技巧。傳統的演示、驗證教學方法已經無法適應社會、經濟對人才需求的發展和變化[1,2]。針對這樣的實際情況，本文提出了一種新型機電一體化實驗教學平臺，該平臺采用模塊化設計，開放性強，可以模擬自動化生產線的簡單工藝流程，具有上料、裝配、檢測和分揀等功能。并基于該平臺進行了機電一體化實驗課程的設計與研究，通過各種典型的機電一體化實驗項目，加深學生對機電一體化基本知識和理論的理解，擴展知識面，培養學生的科學思維、創新精神、實踐能力。

1 新型機電一體化實驗平臺的設計與研究

1.1 技術方案

本文設計的機電一體化綜合實驗平臺總體結構如圖1所示，主要由電控系統、機械傳動系統、自動化工位及各種傳感器組成。各子系統有機的配合在一起，模擬自動化生產線的簡單工藝流程，實現上料、裝配、檢測、分揀等多種功能[3]。學生通過相關實驗項目的操作，可以加深對機電一體化理論知識的理解，同時提高分析問題和動手實踐的能力。

圖1 綜合實驗臺結構框圖

(1)電控系統。是整個實驗平臺的核心，是各實驗項目功能和指標的重要保障。其主要由基于PLC設計的電控箱、操作面板、變頻調速控制器及數碼管、指示燈等組成。

(2)機械傳動系統。實現工件在輸送帶上流水傳輸，主要由三相異步電動機、減速器、輸送帶組成。

(3)自動化工位。由上料、機械手、檢測和分揀等多個自動化工位組成，每個工位都是通過氣缸活塞伸出或縮回實現自動操作。

(4)傳感器系統。主要用于工件定位和質量檢測等，采用光電式傳感器或接近開關設計。

實驗臺工作原理：按下開始按鈕，控制系統通過變頻器控制電動機的轉速和方向，從而實現輸送帶的自動運行；延時5秒后，控制系統控制上料工位氣缸，實現自動上料；控制器通過接近開關自動感應工件是否來到裝配工位，并自動控制機械手裝置實現自動裝配；檢測工位自動檢測裝配是否合格，并實現分揀與計數、顯示。

1.2 設計目標

通過上面的分析，實驗平臺應設計實現如下功能。

(1)實驗平臺能夠直觀地體現自動化生產線的工藝流程。

(2)平臺輸送帶的電動機具有啟動和停止控制功能，且為了安全起見，設計有急停按鈕。

(3)采用變頻器實現電動機及輸送皮帶的速度及轉向控制，具有調速和正反轉控制功能[4-5]。

(4)上料、裝配、檢測和分揀等功能采用氣壓傳動系統來實現。

(5)能用機械手實現工件的自動裝配。

(6)具有良好的人機接口，自動顯示系統狀態及工件統計狀態。

(7)電控系統采用PLC控制器設計，方便同學從底層理解典型的機電控制原理。

系統用變頻器控制三相異步電動機啟動、停止、正反轉及各種轉速的改變，經過減速器、三角帶帶動傳輸帶運輸，從而達到輸送工件的目的。在傳輸帶邊上設置上料工位、機械手工位、檢測工位、分揀工位，各個工位的運動都采用氣壓傳動。另外采用指示燈來顯示系統工作狀態和采用LED數碼管顯示毛壞數和成品數。

2 實驗課程總體設計

我們基于新設計的綜合實驗平臺，對原有的實驗教學大綱進行了修訂，增加了新的實驗項目，實驗內容的安排更加注重學生知識面的擴展與分析、實踐能力的培養，以適應新形勢對機電一體化技術人才需求的發展和變化[6]。編寫了適合本實驗平臺的實驗指導書、實驗報告、相關測試程序等。實驗項目的設計遵循“由淺入深、循序漸進”的原則。不同的實驗項目，考核的內容和培養的目標各不相同，具有明確的針對性。通過全部實驗項目的學習，使學生達到4個層次的目標：一是理解和掌握機電一體化系統的基本理論和概念；二是培養學生對PLC控制系統硬件和軟件的設計與調試能力；三是分析和解決系統調試運行過程中出現的各種實際問題；四是掌握機電一體化系統設計的相關技術、設計方法。教學內容與目標的對應關系如表1所示。

表1 教學內容與目標的對應關系

3 實驗項目詳細設計

前面已經介紹了，基于本實驗平臺可以開展4個層次的實驗項目。下面以一個與實踐結合較緊密的綜合實驗項目——工件裝配實驗為例，介紹實驗項目的詳細設計。

3.1 實驗目的

理解、掌握工件裝配的原理及工藝過程；培養學生對PLC控制系統硬件和軟件的設計與調試能力；分析和解決系統調試運行過程中出現的各種實際問題。

3.2 實驗內容

工件裝配由一臺氣動機械手裝置完成。裝配前，裝置應處于原點位置，即夾爪氣缸應伸出，處于松開狀態，水平氣缸應縮回，垂直氣缸應伸出；當定位傳感器檢測到有工件就位后，控制垂直氣缸向下運行，到底后，夾爪氣缸夾緊工件；然后垂直氣缸向上運行，運行到頂后，水平氣缸向前推出，推到行程后，垂直氣缸向下運行，到底后松開工件，完成工件的裝配；最后垂直氣缸向上到頂，水平氣缸向后縮回，裝置重新回到原點。

3.3 實驗設備及技術參數

(1)電源：AC220 V±10 V(帶保護地三芯插座)。(2)空氣壓縮機：0.6 Mpa～0.8 Mpa。

(3)氣動機械手裝置：手動控制功能由操作面板按鈕完成，自動控制功能由PLC完成。

(4)KJ223A型綜合實驗臺。

3.4 實驗電路

如圖2所示。

3.5 PLC IO分配表

PLC IO分配如圖3所示。

圖2 實驗電路圖

圖3 IO分配表

3.6 實驗程序流程圖

實驗流程如圖4所示。

圖4

3.7 安全注意事項

(1)氣動系統使用壓力不得超過800 KPA。

(2)在氣動系統管路接好之前不得接通氣源。

(3)接通氣源和長時間停機后開始工作，個別汽缸可能會動作過快，所以要特別當心。

(4)機械手在運動過程中不能受到障礙物阻礙，否則會造成損害。

(5)機械手運行過程中不要用手去觸摸它，也不要人為地阻止它運動。

(6)一段時間不用機械手或檢修氣動系統，應放掉壓縮空氣。

3.8 編寫實驗報告

(1)根據運動控制要求，畫出機械手運行梯形圖。

(2)試編制機械手程序，實現工件的裝配。

(3)思考工件在傳送帶上是如何實現定位的。

4 結束語

針對目前機電一體化課程實踐教學環節存在的問題，本文提出了一種新型機電一體化綜合實驗平臺。并基于該平臺進行了機電一體化實驗課程的設計與研究，通過各種典型的機電一體化實驗項目，開拓了學生的視野，提高了學生的理論素養和實踐能力。更為重要的是，本實驗臺采用模塊化設計理念，具有極強的開放性，學生可以依據平臺提供的軟硬件資源自行設計實驗項目，大大提高了學生的學習能動性和分析解決問題的能力。

參考文獻

[1] 張艷花.強化實踐教學過程,提高學生綜合素質和創新能力[J].高校實驗室工作研究,2004(3):54-57.

[2] 梁風.機械設計實驗教學與創新能力培養[J].實驗室研究與探索,2006(11):1433-1435.

[3] 陳功福.機電一體化實驗裝置設計[J].制造技術與機床,2004(6):31-33.

[4] 潘樹勛.機電一體化實驗裝置研究[ J ] .機床與液壓,1996(3):42-43.

[5] 張培國.機電一體化綜合控制實驗裝置的研制及實驗課程設計[J].實驗室研究與探索,2008,27(9):34-38.

[6] 袁嫣紅.機電一體化綜合設計性實驗方法及裝置的研究[J].浙江理工大學學報,2008,25(3):297-300.

[7] 王立權.模塊化機電一體化實驗系統研究與實踐[J].實驗室研究與探索,2002,21(6):47-50.

[8] 陳在平.可編程控制器技術與應用系統設計[M].北京:機械工業出版社,2002.

Study on Electromechanical Integrated Experiment Curriculum Reform and Design

Li Xuezhe, Liu Shaohai, Hu Xingzhi
North China institute of science and technology, Beijing, 101601, China

Abstract:The traditional electromechanical integrated experiment platform has disadvantages of single function, poor openness, which can not meet the development and change of demand for mechatronics technology talents. A novel electromechanical integrated experiment platform based on modular design thought is proposed in the paper, which has a good openess. Based on the new platform, the paper also discusses the curriculum reform and design of electromechanical integration experiment. Practice result shows that a variety of experimental projects based on the platform play a great role on expanding knowledge, cultivating innovation spirit and practice ability for the students.

Key words:electromechanical integrated; experiment platform; curriculum reform and design; openness

基金項目：中央高校基本科研業務費資助(編號：3142013099)；中央高校基本科研業務費資助(編號：3142015023)。

作者簡介：李學哲，碩士，副教授。

收稿日期：2015-07-29