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    機電一體化綜合設計性實驗方法及裝置的研究

    來源:UC論文網2018-08-13 08:32

    摘要:

      0引言  機電一體化技術是在機械工程和電子工程技術的基礎上發展起來,由機械結合微電子技術、信息技術、傳感器技術等而形成的一門新的學科[1]。機電一體化給傳統的機械產業帶來了根本性的變革和巨大的效益,使...

      0引言


      機電一體化技術是在機械工程和電子工程技術的基礎上發展起來,由機械結合微電子技術、信息技術、傳感器技術等而形成的一門新的學科[1]。機電一體化給傳統的機械產業帶來了根本性的變革和巨大的效益,使產業結構、生產方式和管理體制發生了深刻的變化,社會對機電一體化人才的需求非常大,為此許多大專院校設置了相應的專業或專業方向。就本科教學而言,要培養學生成為機電一體化應用型人才,除了設置機械設計與制造、傳感器技術與應用、微電子技術、自動控制、微機原理與應用等專題知識課程以外,也設置了機電一體化系統綜合性課程,用于培養學生對機電一體化產品的設計能力[2]。


      從各高校實際情況來看,機械類課程和電類課程的基礎實驗相對比較完善,而機電結合的機電一體化的實驗教學則相對薄弱,缺乏具有機電一體化特色的實驗教學平臺和實驗教學體系,這不利于學生應用能力和創新能力的培養[3]。為此作者對機電一體化的實驗教學內容和教學方法深入研究,研制了一套相應的機電一體化實驗裝置,編寫了實驗指導書,適合于機電一體化技術課程及大機械類機電系統綜合性設計性實驗的開設,能更好地滿足機電一體化實驗教學的需要。


      1機電一體化實驗教學內容和方法的探討


      真正意義上的機電一體化產品,應具備兩個明顯特征:第一必須是機械產品,第二應該是采用電子技術,使機械產品的控制具有可編程和智能化的特性[4]。一個機電一體化系統主要由機械裝置、動力源、傳感器、執行裝置、控制器這5個要素構成[5]。因此機電一體化實驗內容、方法的研究和實驗設備的研制均必須圍繞這些要素展開。根據機電一體化技術的綜合性,及面向實踐應用的特點,對機電一體化實驗內容和實驗教學方法進行了研究和總結。


      1.1實驗內容的安排緊扣機電一體化各知識點,由易到難,由單一到綜合


      機電一體化系統涉及到了機械設計、傳感器、自動控制和微機原理等多門課程的知識,這些知識也是機電一體化產品設計的基礎。盡管在學習機電一體化系統之前,這些課程的教學環節已完成,但在具體一個機電系統中某個專題知識的回顧和加深是有必要的,這也符合順序漸進的教學規律。因此緊扣這些教學內容,安排若干典型的、與專業課程相對應的專題實驗內容,使學生對這些基本知識在機電一體化系統中的應用有一個感性的認識,為系統綜合性的實驗和設計奠定基礎。


      1.2實驗方法由教師演示過渡到學生自我設計


      學生從理論學習到實際實驗設計,是一個從知識接受到知識應用的一個質的飛躍,由于機電一體技術包含了機、電、計算機、自動控制等多門學科的知識,實驗的綜合性程度高,因此對大多數本科生來說有一定的難度。演示性實驗是一種更直接的實驗指導,能使學生對將要完成的設計性實驗的過程和結果有一個直觀的認識,提高完成設計性實驗的自信心。而實驗的最終要求是能夠在相關的實驗設備上根據要求,在實驗裝置提供的模塊上進行系統設計,使實驗對象能夠按照設定的方式正常運行。通過這個設計過程,可以更好鍛煉學生機電知識的運用能力,理解機電一體化系統中各學科知識的關聯性,進而提高學生解決實際問題的能力,從而達到實驗教學的真正目的。


      1.3實驗方式為課內和課外相結合,個人和小組相結合


      由于教學時數有限,實驗環節的教學要充分發揮學生的主動性,利用課余時間進行設計和準備工作,課內主要是利用實驗平臺來調試和實現設計的內容。因此,機電一體化實驗室應該建設成為開放式實驗室,便于學生課外時間進行實驗。另外由于機電一體化實驗包含的知識面廣,綜合性的實驗包含多個內容的有機組合,可以采用小組分工合作完成的模式,一方面培養學生在科學研究過程中的團隊精神,另一方面也是對模塊化設計的一種鍛煉。


      1.4實驗過程各知識點難度要適中,著重于系統性和綜合性


      由于機電一體化實驗教學的主要目的是培養學生綜合應用多學科的知識,因此實驗過程要求學生主要關注知識之間的聯系和實際應用方法,過于復雜的單科知識會使學生獨立完成整個實驗過程的難度明顯增大,反而達不到實驗的目的。


      2機電一體化實驗教學平臺的設計


      國外如美國、澳大利亞等大學都早已開設了機電一體化實驗,國內高校機電一體化課程的開設比較普遍,但相關實驗的開設并不令人滿意。各高校教師都意識到了機電一體化實驗對該課程教學的重要性,也開展了一系列的研究,但真正應用的不是很多。這主要有二個方面的原因,一方面高校教師偏重于機電一體化實驗教學的理論研究,真正著手實驗平臺開發的不多;另一方面教學儀器生產企業把一些機電一體化產品小型化而成為機電一體化實驗平臺,其平臺可以作為實驗設備,但往往缺乏系統的實驗方法和實驗過程指導,同時設計性實驗的設置也不夠合理。筆者曾從事機械類實驗裝置的開發和推廣工作,目前又從事機電一體化的教學科研工作,因此對機電一體化實驗平臺的開發有一定基礎,經過一年多時間的研究,完成了機電一體化實驗平臺的開發研制和實驗指導書的編寫工作。


      該系統要完成的任務是:上位機控制機械手把一個被測物體準確放置于一個旋轉平臺上,下位機通過電機和機械傳動機構使旋轉平臺轉動到物體的檢測位置,測出物體的高度,傳送給上位機,上位機根據測量數據檢驗物體的高度是否合格,同時把被測物體從平臺中取走,完成一個工作過程。此系統包括了旋轉平臺機構設計、滾珠絲杠的設計與安裝、下位機測量和控制、上位機對機械手的控制、數據處理、人機界面編程、兩個計算機之間的數據通信等內容。


      掌握基本的機電一體化系統設計方法是開展機電一體化實驗教學的根本目的,因此在實驗教學平臺的設計上采用典型的、基礎的機械傳動、機電執行器、傳感器及控制系統來搭建實驗平臺,這樣就可包含盡量多的基礎知識,容易控制實驗的難易程度,既可以保證一般學生能掌握實驗方法,同時也能滿足更高程序的實驗需求;特別是強調了基礎和系統的概念,而不會僅強調每一部分的知識。圖1所示的實驗平臺包含了:


      a)機電執行器:電機和電磁閥。三自由度的機械手的動作及機械手通過氣動的物體抓放動作;工作平臺的旋轉動作。


      b)傳感器技術:位置和尺寸的檢測。物體在旋轉平臺上的檢測位置,以及對物體高度的檢測。


      c)控制系統:模仿實際系統中常見的上下層計算機結構。上層計算機PC機通過編程方便地實現人機界面的功能,實現整個工作過程的調度,同時通過PCI總線擴展運動控制卡實現對機械手的運動控制;下位機采用單片機或PLC作為控制核,主要實現對旋轉工作臺的控制和零件的檢測。輸入信號包括位置檢測開關量和高度檢測的模擬量信號,輸出則主要實現對電機的控制。上下層計算機通過通信方式聯系在一起,實現整個工作過程的控制。


      在該機電一體化系統中,每個部分基本功能已在相關基礎課程中進行講述,因此實現并不難,而各部分之間的關系及整個系統的協調工作才是機電一體化課程所關注的重點。根據上面論述的實驗教學內容和方法,本實驗裝置可以進行的實驗分為二大模塊:專題實驗和綜合性實驗。二大模塊中均包含了演示性實驗和設計性實驗。


      3機電一體化專題實驗


      專題實驗是綜合性實驗的基礎,機電一體化的專題實驗強調單科知識在本裝置中的作用,因而其專題實驗的內容是有針對性的。針對本文中的實驗裝置其專題實驗主要包括:a)多軸電機控制實驗;b)檢測電路設計實驗;c)步進電機控制;d)雙機通信實驗;e)計算機管理控制編程實驗。這些專題實驗都是機電一體化系統設計的基礎,也是機電一體化系統教材中的內容,按照課堂上的教學內容,根據教學時數可以選做部分或全部。上面的專題實驗內容都可以進行設計性實驗,如多軸電機的控制,學生可以自己定義機械手三個自由度運行的先后關系,可以設計成示教方式的控制等,使學生更好地掌握這些基礎知識,為下一步的綜合性實驗奠定基礎。


      掌握計算擴展控制卡應用編程的基本方法


      4機電一體化綜合性實驗


      綜合性實驗是機電一體化系統實驗教學的重點部分,對應于本文的實驗裝置,基本的綜合性實驗包括:a)機械手搬物實驗;b)旋轉平臺測控實驗;c)工件檢驗管理實驗。其中前二項實驗又是第三個綜合實驗的基礎。


      4.1機械手搬物實驗


      為該實驗提供的實驗平臺組成如框圖2所示,包括PC機、電機、電機驅動器及多軸運動控制卡、三自由度機械手、抓放機構等。多軸運動控制卡與PC機通過總線相連,同時多軸運動控制卡提供了接口函數供使用者調用,學生可以自由選用VC、VB等編程軟件實現,完成人機界面、機械手運動及測量、機械手抓放動作等的控制,設計合理的搬運方式實現對機械手搬物運動的控制實驗。


      機械手搬物綜合性實驗教學目的:讓學生掌握系統集成的概念和方法,不需要自己從底層開始設計控制電路,利用專業廠家生產的一些通用控制部件,結合具體對象的要求完成系統的集成和控制。


      4.2旋轉平臺測控實驗


      為該實驗提供的實驗平臺組成如圖3所示,包括旋轉工作臺及傳動機構、步進電機、單片機控制卡、電渦流傳感器、接近開關等。可以利用實驗平臺提供的單片機控制卡,也可以利用專題實驗中學生自行設計完成的測控卡,或者選用PLC等模塊均可。根據設計的控制卡,利用專用語言或高級語言完成測控系統的編程,使系統按設計的步驟完成轉動和檢測要求,并對測量的數據進行處理和保存。


      此實驗的教學目的:從底層開始設計一個測量控制系統,掌握微控制器實現系統控制的軟硬件設計和調試方法。


      4.3工件檢驗管理綜合系統實驗


      上面兩個實驗的進一步綜合,是具有實際意義的一個機電一體化系統。在兩個實驗的基礎上,如何使兩個系統有機地組成一個更大的系統,進而把這一系統集成到整個生產管理中去是這個實驗的基本要求。上下層控制器是通過通信接口連接在一起的,所以通信數據的定義是一個非常重要的內容,另外PC機根據下位機檢測的結果,對這些信息進行必要的處理,通過網絡可以組合到整個生產過程的生產管理中去。圖4是作為示教演示的一個界面。


      5總結


      分析了機電一體化系統實驗教學的要求和目的,對實驗內容和方法進行了探討,并設計了相應的實驗教學平臺。實驗教學平臺可以完成機電一體化技術課程對綜合性設計性實驗的要求,達到了實驗教學研究的預期目的。


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