基于FMS的機電一體化教學培訓系統開發與實驗管理

【摘要】基于FMS技術開發了模塊化機電一體化教學培訓系統，該系統有助于加深學生對機電一體化系統概念的理解，掌握車間柔性制造的方法，最后以作業計劃與調度教學研究性、綜合性實驗為例，論述了該系統在培養學生理論與實踐相結合的能力，提高學生學習興趣和積極性的重要作用。

【關鍵詞】FMS；機電一體化；教學培訓；實驗管理

機電一體化又稱機械電子工程學，是一門跨學科的綜合性高技術，是由微電子技術、計算機技術、信息技術、自動控制技術、機械技術、液壓技術以及其他技術相互融合而成的一門獨立的交叉學科。機電一體化技術從70年代中期開始在國外機械上得到應用。80年代以微電子技術為核心的高新技術的興起，推動了機械制造技術的迅速發展，特別是隨著微型計算機及微處理技術、傳感與檢測技術、信息處理技術等的發展及其在機械上的應用，以微電腦或微處理器為核心的電子控制系統在國外機械上的應用已相當普及，在我國也是發展的方向，已成為機械高性能的體現。

為使機械設計制造及其自動化專業學生在學習過程中，有機會將所學到的各門專業課的知識綜合性地應用到接近于生產實際的過程中，為他們走上工作崗位后應用這種新的理念打下基礎，學院除了建立適合于現代教學法模式的幾個獨立的專業實驗室外，籌建了一個開放式自動化綜合實驗室。在這個綜合實驗室中，我們開發了一套完全接近于生產實際的模塊化柔性制造系統，由省部共同投資。實驗室的開放性主要體現在兩個方面：一是系統組成具有開放性，系統中不同生產廠家的設備可相互兼容，便于以后擴展；二是實驗室資源具有開放性，實驗室可面向校內外各種層次的學生或培訓學員，做到資源共享，擴大受益面。

一、FMS系統組成

柔性制造系統機電一體化訓練設備，包含一條閉環柔性輸送裝置和六自由度并聯加工中心（加工站）、三自由度數控雕刻機及其控制系統、四自由度上料檢測站及其控制系統、搬運站、安裝站、安裝搬運站、智能分類站、現場總線、多層次立體原料庫及其控制系統、多層立體成品庫及其控制系統、自動化輸送線及變頻調速控制系統、PLC數據采集及物料監控系統、系統監控及管理控制軟件。

工業控制計算機通過運動控制卡發送位置信號給旋轉立體上料庫電機驅動器，電機驅動器驅動步進電機旋轉一定角度，實現零件位置對準，同時設置檢測開關，通過PLC采集至計算機，判斷托盤上相應位置是否存在零件。自動上料機器人將待加工物料送至加工位置后，系統驅動鎖緊裝置進行物料定位固定，上位機按指定程序控制六自由度并聯機器人，進行零件前序的加工。在主界面中點擊數控雕刻機控制按鈕，進人數控雕刻機控制界面，三自由度數控雕刻機主要實現對工件端面的雕刻，通過用戶編制G代碼也可以用軟件將模型轉化為G代碼，然后通過計算機的串口將G代碼傳到雕刻機，雕刻機執行G代碼。

零件前序加工完畢后，計算機控制零件搬運機器人將加工完的零件搬運至下一工序的加工位置。

在主界面中點擊立體倉庫狀態按鈕，進人立體倉庫狀態界面。立體倉庫狀態是用來實時顯示立體倉庫倉位的占用情況，系統實時檢測各個倉位的狀態，然后系統給碼垛機發指令決定碼垛機下一次將裝配的成品放人哪個倉位，操作者通過觀察狀態位的圖標情況，操作者就可以知道哪個倉位是否為空，并且知道各個倉位物件的重量，通過生產統計還可以知道立體倉庫一共有多少個成品，每一類成品的個數及總重量。

二、系統特點

1、包含多種關鍵技術及單元，使學生了解更多的知識；機器人技術；物流倉儲自動控制系統；立體倉庫；自動輸送線；自動碼垛機；物流倉儲管理和監控；PLC控制系統；傳感器技術；計算機網絡通信技術和現場總線技術；計算機控制；網絡化視頻監控技術；數據庫技術；多軸運動控制器；氣動技術；步進電機及驅動；伺服電機及驅動；VC、VB等高級語言編程。

2、結合機電教學，編制了的實驗指導書，包含多個實驗：為了方便教學實際使用，我們為系統提供了專門實驗指導書，其內容涵蓋機械、控制、機器人示教、插補、自動裝配、碼垛等多項實驗，供本科生、專科生和研究生專業選開，教師也可以根據實際情況，在實驗指導書的基礎上增開設計性、綜合性實驗。

3、交互式圖形化操作界面：系統控制軟件采用WINDOWS操作系統，具有交互式和圖形化特點，操作簡單易學，自動化程度高，使教師和學生在很短的時間之內就可以掌握對系統的操作。

4、豐富的狀態反饋功能：通過計算機與各單元及傳感器的通訊，將系統中各環節的狀態顯示在操作界面上，使操作者通過計算機隨時了解系統各環節的工況、狀態、運行數據，掌握系統運行狀態。

5、完善的生產及物料存儲統計功能：根據現代柔性制造系統的特點及倉儲物流的發展動向，不但在工作過程和原理上仿真實際生產過程，而且開發了生產及物料存儲數據庫，根據系統的運行隨時記錄和分析生產和存儲數據。

6、開放式系統結構：為了增強學生的參與性，系統采用了開放式結構，提供了完善的控制功能動態鏈接庫和二次開發函數，不用了解底層復雜的時序和操作過程，只需要在VC或VB中簡單的幾行代碼，學生即可開發出自己的運動或控制功能，激發學生的學習興趣。

7、網絡化視頻監控：系統提供網絡化視頻監控模塊，使操作者在操作系統的同時，也可通過電腦屏幕實時觀看系統的實際運行狀況。同時對于有條件的學校，可將控制計算機與校園網相連解，使更多的學生和老師通過網絡觀看現場實驗過程，提高系統利用率，也可實現遠程教學。

三、如何應用FMS進行本科實驗教學

由于近年來高校的擴招，學生人數大幅上升，而大型實驗設備臺套數少；而且大型實驗設備的實驗通常包括編程、上機、結果分析等，需要的時間較長。因此，大型設備開設的實驗不能簡單的照搬其它實驗教學的模式。我們分別探索了以下幾種模式：

1、開設綜合設計性實驗。本中心老師提出項目申請，參加學校實驗室設備管理處組織的“工程實踐”和機電工程學院組織的“機電一體化實訓中心”項目。這些項目結合指導老師的科研項目，通過雙向選擇接受學校相關專業本科三年級以上的學生參加。學生分為2-4人一組；在教師的指導下，首先查閱文獻和學習FMS的有關知識，編制程序，上機測試；實驗的內容根據項目的研究內容而定，一般涉及多種設備；實驗時間根據老師和學生雙方商定，實行彈性制，不拘泥于課堂安排的時間。由于學生人數少，在實驗過程中可以做到師生面對面的隨時交流。

2、實驗環節的安排要圍繞機電一體化各知識點，由單一到綜合，由易到難實訓項目要根據實訓室的具體條件進行設置，實踐教學計劃與大綱要明確各階段學生做什么、怎樣做、完成什么、達到什么標準等，據此制定具體量化的內容。安排若干與專業課程相對應的、典型的專題實驗項目，使學生對知識要領在機電一體化系統中的應用產生感性的認識，為系統綜合性設計和實驗奠定基礎。實訓項目按基本技能、專業技能、綜合應用模塊分類，其中綜合應用項目可獨立設置為實訓課程。

3、淘汰過時實驗內容，以適應新形勢現今開設的實驗中有許多已不適應技術的發展。對于機械專業的學生來講，電類基礎課應該以應用為主，現在其他高校早已淘汰了此種方式，采用的是將匯編語言直接輸入計算機，由計算機直接翻譯成機器碼自動運行。計算機在翻譯的過程中如出現錯誤，會相應地提示用戶，用戶只需對匯編程序修改即可。這樣可大大提高實驗效率。學生可通過選做多個實驗來鞏固所學的知識，而不用在改錯的環節上浪費大量的時間。

【作者簡介】

馬世光（1982—），男，吉林市人，吉林化工學院航空工程職業技術學院講師，主要研究方向：電氣與機電教學。