機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究與實(shí)踐

朱 濤 吉 智

徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇徐州 221140

機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究與實(shí)踐

朱 濤 吉 智

徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇徐州 221140

研究一種新型的機(jī)電一體化綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，利用一個(gè)教學(xué)案例說(shuō)明該系統(tǒng)在機(jī)電一體化綜合實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用。在教學(xué)中利用該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)出多種實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，推行理論實(shí)踐一體化教學(xué)，節(jié)省了教學(xué)成本，取得了較好的教學(xué)效果。

機(jī)電一體化技術(shù)；實(shí)訓(xùn)裝置；可編程控制器

Abstract: In this paper, a novel integrated experiment and practical training system of mechatronics technology was fully researched, whose application in the mechatronics integrated training course was shown in a teaching case. With this training system used to develop a variety of training programs in the teaching process, we push the integration teaching of theory and practice ahead, save the cost of teaching and gain good results.

Key words: mechatronics technology; training equipment; programmable controller

機(jī)電一體化綜合實(shí)訓(xùn)作為高等職業(yè)院校的一門專業(yè)性很強(qiáng)的課程，因其突出的工程意識(shí)、較強(qiáng)的實(shí)踐能力、敏銳的創(chuàng)新能力和較高的綜合素質(zhì)培養(yǎng)，在機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的作用。機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)開發(fā)，旨在幫助學(xué)生加深對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的理解，提高應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的能力，方便各種機(jī)電一體化系統(tǒng)的調(diào)試和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的完成。因此，機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能和其直觀性直接影響到學(xué)生實(shí)訓(xùn)的效率和效果，開發(fā)功能完善、使用方便、界面形象友好的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是提高教學(xué)效果非常重要的手段。

1 機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)發(fā)展比較快，生產(chǎn)廠家也比較多，普遍應(yīng)用可編程控制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，大致可以分為以下兩類：

(1)低檔產(chǎn)品大都為實(shí)際裝置的原理模擬。采用PCB電路板來(lái)模擬各種實(shí)驗(yàn)功能，常用發(fā)光二極管代表被控對(duì)象，用開關(guān)代表傳感器或其他輸入信號(hào)。例如，自動(dòng)車實(shí)驗(yàn)中，以發(fā)光二極管的亮、滅代表小車的前進(jìn)、后退，以開關(guān)的閉合、斷開代表限位開關(guān)的通斷。它們和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備不同，常常用來(lái)訓(xùn)練學(xué)生可編程控制器簡(jiǎn)單的軟件開發(fā)技能。另外，此類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能比較單一，一般不具備現(xiàn)場(chǎng)總線通信；觸摸屏應(yīng)用；模擬量輸入輸出實(shí)驗(yàn)；低壓電器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；技能培訓(xùn)考核等功能。

(2)高檔產(chǎn)品一般為實(shí)際裝置的縮小模型。系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)功能強(qiáng)大，既可以應(yīng)用于課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以應(yīng)用于技能培訓(xùn)考核教學(xué)。一般集成了可編程控制器、機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、光電、運(yùn)動(dòng)控制等多種先進(jìn)技術(shù)，但價(jià)格很高，許多學(xué)校無(wú)力承擔(dān)，更不可能大批量購(gòu)買用于日常教學(xué)。另外，系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜也不利于剛開始學(xué)習(xí)課程的學(xué)生掌握，在課程教學(xué)中不夠靈活方便。

機(jī)電一體化技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此其實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)必須和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)盡可能一致，這也成為此類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)最主要的發(fā)展趨勢(shì)之一。職業(yè)教育比較發(fā)達(dá)的國(guó)家采用以上第二類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的比較多，但限于以上所述產(chǎn)品的局限性，更多的時(shí)候是將以上二者相結(jié)合，自行設(shè)計(jì)制作或委托制作一種廣泛采用工業(yè)元器件、系統(tǒng)比較簡(jiǎn)化、突出原理教學(xué)、采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)式開放布置的教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置。這種類型的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置既和工業(yè)實(shí)際裝置有很高的一致性，對(duì)教學(xué)有很好的針對(duì)性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又不太復(fù)雜便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握，設(shè)計(jì)制作過(guò)程中也鍛煉了教師和學(xué)生，同時(shí)成本又得到了有效的控制，便于批量推廣應(yīng)用。

2 新型機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

筆者所研究的系統(tǒng)是在認(rèn)真分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的一種新型機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置，部分功能如圖1所示。具有以下顯著的特點(diǎn)：

(1)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障設(shè)置、顯示、管理以及操作過(guò)程監(jiān)視、記錄、成績(jī)?cè)u(píng)定功能。此技術(shù)我們擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有創(chuàng)新性、先進(jìn)性。

(2)既有模擬實(shí)驗(yàn)又有實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以實(shí)物實(shí)驗(yàn)為主，避免驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的不足，追求真正“原汁原味”的技能考核與實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)效果。

(3)比現(xiàn)有設(shè)備具備更多的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。包含多種自動(dòng)化技術(shù)，如現(xiàn)場(chǎng)總線、觸摸屏、氣動(dòng)等。全面取代一般的可編程控制器、低壓電器、氣動(dòng)等實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)裝置。

(4)結(jié)構(gòu)完全開放，更有利于教學(xué)。采用德國(guó)雙元制電氣安裝模板，完全敞開式結(jié)構(gòu)，利于實(shí)訓(xùn)、考核操作。

(5)模塊化設(shè)計(jì)，各模塊可靈活組合，升級(jí)擴(kuò)展方便，可以擴(kuò)展出系列化、多種類型的可編程控制器、低壓電器、氣動(dòng)等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備。

(6)不僅可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還具備技能訓(xùn)練考核功能。

(7)完善的安全系統(tǒng)，真正確保安全。

(8)價(jià)格低廉，便于推廣應(yīng)用。

3 新型機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

該實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由實(shí)物實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)區(qū)、模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)區(qū)、故障管理子系統(tǒng)、安全保護(hù)子系統(tǒng)4個(gè)部分組成。

實(shí)物實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)區(qū)布置可編程控制器及其擴(kuò)展模塊、低壓電器等工業(yè)元器件，可完成多種可編程控制器和低壓電器綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)，如自動(dòng)臺(tái)車控制、電機(jī)變頻閉環(huán)調(diào)速、步進(jìn)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)總線通信實(shí)驗(yàn)、觸摸屏實(shí)驗(yàn)等。關(guān)鍵技術(shù)主要是現(xiàn)場(chǎng)總線通信軟件開發(fā)、觸摸屏軟件開發(fā)、模擬量控制軟件開發(fā)、上位機(jī)組態(tài)軟件開發(fā)等。

實(shí)物實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)區(qū)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)完全采用實(shí)物構(gòu)成，如電機(jī)變頻閉環(huán)調(diào)速控制，實(shí)物系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本不高。而如圖2所示的機(jī)械手控制，和企業(yè)所用機(jī)械手無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，僅在體積上縮小，這樣的實(shí)物系統(tǒng)復(fù)雜，由于需要?dú)庠矗嫉孛娣e較大，成本較高，但是很接近真正的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

為了節(jié)省成本，本系統(tǒng)設(shè)置了如圖3所示的模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)區(qū)，主要用于復(fù)雜系統(tǒng)的軟件編程開發(fā)訓(xùn)練。每個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)板模塊尺寸相同，完成一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)導(dǎo)軌固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，因此可以根據(jù)需要方便地更換?？梢酝瓿蓹C(jī)械手、交通燈、電梯、自控軋鋼機(jī)等15個(gè)實(shí)驗(yàn)。此部分與傳統(tǒng)的可編程控制器實(shí)驗(yàn)臺(tái)類似，成功開發(fā)出了所有功能模塊的PCB板和相應(yīng)的可編程控制軟件，技術(shù)上比較成熟。

本系統(tǒng)研制開發(fā)了如圖4所示的故障管理子系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合應(yīng)用組態(tài)軟件和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，通過(guò)一個(gè)以單片機(jī)為核心的實(shí)驗(yàn)臺(tái)集中控制器、RS485總線以及上位機(jī)組態(tài)軟件輕松地通過(guò)鼠標(biāo)、屏幕實(shí)現(xiàn)對(duì)電路故障的設(shè)置、管理、人員操作的監(jiān)視、記錄以及成績(jī)的評(píng)定，該項(xiàng)技術(shù)改變了目前國(guó)內(nèi)電氣實(shí)驗(yàn)臺(tái)廣泛采用的開關(guān)手動(dòng)模擬設(shè)置電氣電路故障的落后狀態(tài)，填補(bǔ)了電氣類教學(xué)儀器故障設(shè)置計(jì)算機(jī)管理技術(shù)的空白。

由于本系統(tǒng)的主要使用者是處在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的學(xué)生，因此充分考慮了其安全性。通過(guò)以下措施對(duì)其安全性進(jìn)行保障：(1)裝置采用隔離變壓器和供電電路隔離，形成浮地設(shè)計(jì)，徹底保證安全。(2)周到的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)。(3)廣泛采用安全插頭設(shè)計(jì)。(4)外殼接地狀態(tài)檢測(cè)。

4 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

可編程控制器和低壓電器綜合實(shí)驗(yàn)(如圖5所示)，以自動(dòng)車控制為例，在網(wǎng)孔板上安裝行程開關(guān)、接觸器、熱繼電器、熔斷器等低壓電器，構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)車控制電氣系統(tǒng)。

某自動(dòng)臺(tái)車在啟動(dòng)前位于導(dǎo)軌的中部，其一個(gè)工作周期的控制工藝要求如下：

(1)按下啟動(dòng)按鈕SB，臺(tái)車電機(jī)M正轉(zhuǎn)，臺(tái)車前進(jìn)，碰到限位開關(guān)SQl后，臺(tái)車電機(jī)M反轉(zhuǎn)，臺(tái)車后退。

(2)臺(tái)車后退碰到限位開關(guān)SQ2后，臺(tái)車電機(jī)M停轉(zhuǎn)，臺(tái)車停車，停5s，第二次前進(jìn)，碰到限位開關(guān)SQ3，再次后退。

(3)當(dāng)后退再次碰到限位開關(guān)SQ2時(shí)，臺(tái)車停止。

為設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)的梯形圖，先安排輸入、輸出口及機(jī)內(nèi)器件。臺(tái)車由電機(jī)M驅(qū)動(dòng)，正轉(zhuǎn)(前進(jìn))由PLC的輸出點(diǎn)Y1控制，反轉(zhuǎn)(后退)由Y2控制。為了解決延時(shí)5s，選用定時(shí)器T0。將啟動(dòng)按鈕SB及限位開關(guān)SQl，SQ2，SQ3分別接于X0，X1，X2，X3。根據(jù)對(duì)啟—保—停電路的分析，梯形圖設(shè)計(jì)的根本目標(biāo)是找出符合控制要求的以輸出為對(duì)象的工作條件。本例的輸出是代表電機(jī)前進(jìn)及后退的兩個(gè)接觸器。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前讓學(xué)生分析電機(jī)前進(jìn)和后退的條件，教師歸納總結(jié)以下幾點(diǎn)。

(1)第一次前進(jìn)：從啟動(dòng)按鈕SB(X0)按下開始至碰到SQl(X1)為止。

(2)第二次前進(jìn)：由SQ2(X2)接通引起的定時(shí)器T0延時(shí)時(shí)間到開始至SQ3(X3)被接通為止。

(3)第一次后退：從SQl(X1)接通時(shí)起至SQ2(X2)被接通止。

(4)第二次后退：從SQ3(X3)接通時(shí)起至SQ2(X2)被接通止。

梯形圖設(shè)計(jì)的過(guò)程如下：

(1)繪第一次前進(jìn)的支路。依啟—?！ｋ娐返幕灸Ｊ?，以啟動(dòng)按鈕X0為啟動(dòng)條件，限位開關(guān)X1的常閉觸點(diǎn)為停止條件，選用輔助繼電器M100為代表第一次前進(jìn)的中間變量。

(2)繪第二次前進(jìn)的支路。依舊是啟—?！ｋ娐纺Ｊ?，啟動(dòng)信號(hào)是定時(shí)器T0計(jì)時(shí)時(shí)間到，停止條件為限位開關(guān)X3的常閉觸點(diǎn)。選M101為代表第二次前進(jìn)的中間變量。為了得到計(jì)時(shí)時(shí)間的條件，還要將定時(shí)器工作條件相關(guān)的梯形圖繪出。

(3)繪總的前進(jìn)梯形圖支路。綜合中間繼電器M100及M101，得總的前進(jìn)梯形圖。

(4)繪后退梯形圖支路。由繪二次前進(jìn)梯形圖的經(jīng)驗(yàn)，后退梯形圖中沒(méi)有使用輔助繼電器。而是將二次后退的啟動(dòng)條件并聯(lián)置于啟—?！ｋ娐返膯?dòng)條件位置，它們分別是X1及X3，停止條件為X2。

(5)對(duì)前邊繪出的各個(gè)支路補(bǔ)充完善。如在后退支路的啟動(dòng)條件X1后串入M101的常閉觸點(diǎn)，以表示X1條件在第二次前進(jìn)時(shí)無(wú)效。針對(duì)Y1，Y2不能同時(shí)工作，在它們的支路中設(shè)有互鎖觸點(diǎn)等。

學(xué)生根據(jù)教師歸納的要點(diǎn)到實(shí)物實(shí)驗(yàn)區(qū)編寫程序并進(jìn)行硬件接線，根據(jù)教師歸納的要點(diǎn)，一邊編寫程序，一邊結(jié)合實(shí)物調(diào)試程序，循序漸進(jìn)、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由學(xué)生自主完成任務(wù)，通過(guò)教師評(píng)價(jià)和學(xué)生互評(píng)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果。教師還可以通過(guò)故障管理子系統(tǒng)設(shè)置線路故障，培養(yǎng)學(xué)生的檢修調(diào)試能力，教師也可以增加實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的難度，讓學(xué)生設(shè)計(jì)更復(fù)雜的小車運(yùn)動(dòng)控制程序，學(xué)生可在上位機(jī)上與PLC通訊，模擬實(shí)現(xiàn)小車的控制過(guò)程，如圖6所示在上位機(jī)組態(tài)軟件中模擬5個(gè)行程開關(guān)與PLC構(gòu)成的自動(dòng)車控制系統(tǒng)運(yùn)行，讓學(xué)生的能力得到拓展。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是一種教學(xué)設(shè)備，適用于普通高等學(xué)校、各職業(yè)學(xué)校以及職業(yè)技能培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。主要應(yīng)用于機(jī)電一體化技術(shù)、可編程控制器應(yīng)用技術(shù)、電氣控制技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)等課程的課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。該設(shè)備提供大量的典型實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，重在提高學(xué)生的動(dòng)手能力，促進(jìn)了理論實(shí)踐一體化教學(xué)模式的推行。本系統(tǒng)為各高校、職業(yè)學(xué)校提供了一種價(jià)格容易接受、具有較高技術(shù)含量的新型機(jī)電一體化綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的完整解決方案，對(duì)于我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用及相關(guān)課程的教學(xué)改革、推動(dòng)我國(guó)相關(guān)教學(xué)儀器行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有實(shí)際的意義。到目前為止已經(jīng)為我校生產(chǎn)了36臺(tái)產(chǎn)品，在保證實(shí)驗(yàn)“真實(shí)性”的基礎(chǔ)上，較好地控制了系統(tǒng)成本，從而降低每組實(shí)驗(yàn)人數(shù)，達(dá)到更好的綜合效果。

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Research and practice on integrated experiment and practical training system of mechatronics technology

Zhu Tao, Ji Zhi
Xuzhou college of industry technology, Xuzhou, 221140, China

2011-06-23 稿件編號(hào)：1106085

朱濤，碩士，工程師，教研室主任。

江蘇省高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目。