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机电一体化综合设计性实验方法及装置的研究

来源:UC论文网2018-08-13 08:32

摘要:

  0引言  机电一体化技术是在机械工程和电子工程技术的基础上发展起来,由机械结合微电子技术、信息技术、传感器技术等而形成的一门新的学科[1]。机电一体化给传统的机械产业带来了根本性的变革和巨大的效益,使...

  0引言


  机电一体化技术是在机械工程和电子工程技术的基础上发展起来,由机械结合微电子技术、信息技术、传感器技术等而形成的一门新的学科[1]。机电一体化给传统的机械产业带来了根本性的变革和巨大的效益,使产业结构、生产方式和管理体制发生了深刻的变化,社会对机电一体化人才的需求非常大,为此许多大专院校设置了相应的专业或专业方向。就本科教学而言,要培养学生成为机电一体化应用型人才,除了设置机械设计与制造、传感器技术与应用、微电子技术、自动控制、微机原理与应用等专题知识课程以外,也设置了机电一体化系统综合性课程,用于培养学生对机电一体化产品的设计能力[2]。


  从各高校实际情况来看,机械类课程和电类课程的基础实验相对比较完善,而机电结合的机电一体化的实验教学则相对薄弱,缺乏具有机电一体化特色的实验教学平台和实验教学体系,这不利于学生应用能力和创新能力的培养[3]。为此作者对机电一体化的实验教学内容和教学方法深入研究,研制了一套相应的机电一体化实验装置,编写了实验指导书,适合于机电一体化技术课程及大机械类机电系统综合性设计性实验的开设,能更好地满足机电一体化实验教学的需要。


  1机电一体化实验教学内容和方法的探讨


  真正意义上的机电一体化产品,应具备两个明显特征:第一必须是机械产品,第二应该是采用电子技术,使机械产品的控制具有可编程和智能化的特性[4]。一个机电一体化系统主要由机械装置、动力源、传感器、执行装置、控制器这5个要素构成[5]。因此机电一体化实验内容、方法的研究和实验设备的研制均必须围绕这些要素展开。根据机电一体化技术的综合性,及面向实践应用的特点,对机电一体化实验内容和实验教学方法进行了研究和总结。


  1.1实验内容的安排紧扣机电一体化各知识点,由易到难,由单一到综合


  机电一体化系统涉及到了机械设计、传感器、自动控制和微机原理等多门课程的知识,这些知识也是机电一体化产品设计的基础。尽管在学习机电一体化系统之前,这些课程的教学环节已完成,但在具体一个机电系统中某个专题知识的回顾和加深是有必要的,这也符合顺序渐进的教学规律。因此紧扣这些教学内容,安排若干典型的、与专业课程相对应的专题实验内容,使学生对这些基本知识在机电一体化系统中的应用有一个感性的认识,为系统综合性的实验和设计奠定基础。


  1.2实验方法由教师演示过渡到学生自我设计


  学生从理论学习到实际实验设计,是一个从知识接受到知识应用的一个质的飞跃,由于机电一体技术包含了机、电、计算机、自动控制等多门学科的知识,实验的综合性程度高,因此对大多数本科生来说有一定的难度。演示性实验是一种更直接的实验指导,能使学生对将要完成的设计性实验的过程和结果有一个直观的认识,提高完成设计性实验的自信心。而实验的最终要求是能够在相关的实验设备上根据要求,在实验装置提供的模块上进行系统设计,使实验对象能够按照设定的方式正常运行。通过这个设计过程,可以更好锻炼学生机电知识的运用能力,理解机电一体化系统中各学科知识的关联性,进而提高学生解决实际问题的能力,从而达到实验教学的真正目的。


  1.3实验方式为课内和课外相结合,个人和小组相结合


  由于教学时数有限,实验环节的教学要充分发挥学生的主动性,利用课余时间进行设计和准备工作,课内主要是利用实验平台来调试和实现设计的内容。因此,机电一体化实验室应该建设成为开放式实验室,便于学生课外时间进行实验。另外由于机电一体化实验包含的知识面广,综合性的实验包含多个内容的有机组合,可以采用小组分工合作完成的模式,一方面培养学生在科学研究过程中的团队精神,另一方面也是对模块化设计的一种锻炼。


  1.4实验过程各知识点难度要适中,着重于系统性和综合性


  由于机电一体化实验教学的主要目的是培养学生综合应用多学科的知识,因此实验过程要求学生主要关注知识之间的联系和实际应用方法,过于复杂的单科知识会使学生独立完成整个实验过程的难度明显增大,反而达不到实验的目的。


  2机电一体化实验教学平台的设计


  国外如美国、澳大利亚等大学都早已开设了机电一体化实验,国内高校机电一体化课程的开设比较普遍,但相关实验的开设并不令人满意。各高校教师都意识到了机电一体化实验对该课程教学的重要性,也开展了一系列的研究,但真正应用的不是很多。这主要有二个方面的原因,一方面高校教师偏重于机电一体化实验教学的理论研究,真正着手实验平台开发的不多;另一方面教学仪器生产企业把一些机电一体化产品小型化而成为机电一体化实验平台,其平台可以作为实验设备,但往往缺乏系统的实验方法和实验过程指导,同时设计性实验的设置也不够合理。笔者曾从事机械类实验装置的开发和推广工作,目前又从事机电一体化的教学科研工作,因此对机电一体化实验平台的开发有一定基础,经过一年多时间的研究,完成了机电一体化实验平台的开发研制和实验指导书的编写工作。


  该系统要完成的任务是:上位机控制机械手把一个被测物体准确放置于一个旋转平台上,下位机通过电机和机械传动机构使旋转平台转动到物体的检测位置,测出物体的高度,传送给上位机,上位机根据测量数据检验物体的高度是否合格,同时把被测物体从平台中取走,完成一个工作过程。此系统包括了旋转平台机构设计、滚珠丝杠的设计与安装、下位机测量和控制、上位机对机械手的控制、数据处理、人机界面编程、两个计算机之间的数据通信等内容。


  掌握基本的机电一体化系统设计方法是开展机电一体化实验教学的根本目的,因此在实验教学平台的设计上采用典型的、基础的机械传动、机电执行器、传感器及控制系统来搭建实验平台,这样就可包含尽量多的基础知识,容易控制实验的难易程度,既可以保证一般学生能掌握实验方法,同时也能满足更高程序的实验需求;特别是强调了基础和系统的概念,而不会仅强调每一部分的知识。图1所示的实验平台包含了:


  a)机电执行器:电机和电磁阀。三自由度的机械手的动作及机械手通过气动的物体抓放动作;工作平台的旋转动作。


  b)传感器技术:位置和尺寸的检测。物体在旋转平台上的检测位置,以及对物体高度的检测。


  c)控制系统:模仿实际系统中常见的上下层计算机结构。上层计算机PC机通过编程方便地实现人机界面的功能,实现整个工作过程的调度,同时通过PCI总线扩展运动控制卡实现对机械手的运动控制;下位机采用单片机或PLC作为控制核,主要实现对旋转工作台的控制和零件的检测。输入信号包括位置检测开关量和高度检测的模拟量信号,输出则主要实现对电机的控制。上下层计算机通过通信方式联系在一起,实现整个工作过程的控制。


  在该机电一体化系统中,每个部分基本功能已在相关基础课程中进行讲述,因此实现并不难,而各部分之间的关系及整个系统的协调工作才是机电一体化课程所关注的重点。根据上面论述的实验教学内容和方法,本实验装置可以进行的实验分为二大模块:专题实验和综合性实验。二大模块中均包含了演示性实验和设计性实验。


  3机电一体化专题实验


  专题实验是综合性实验的基础,机电一体化的专题实验强调单科知识在本装置中的作用,因而其专题实验的内容是有针对性的。针对本文中的实验装置其专题实验主要包括:a)多轴电机控制实验;b)检测电路设计实验;c)步进电机控制;d)双机通信实验;e)计算机管理控制编程实验。这些专题实验都是机电一体化系统设计的基础,也是机电一体化系统教材中的内容,按照课堂上的教学内容,根据教学时数可以选做部分或全部。上面的专题实验内容都可以进行设计性实验,如多轴电机的控制,学生可以自己定义机械手三个自由度运行的先后关系,可以设计成示教方式的控制等,使学生更好地掌握这些基础知识,为下一步的综合性实验奠定基础。


  掌握计算扩展控制卡应用编程的基本方法


  4机电一体化综合性实验


  综合性实验是机电一体化系统实验教学的重点部分,对应于本文的实验装置,基本的综合性实验包括:a)机械手搬物实验;b)旋转平台测控实验;c)工件检验管理实验。其中前二项实验又是第三个综合实验的基础。


  4.1机械手搬物实验


  为该实验提供的实验平台组成如框图2所示,包括PC机、电机、电机驱动器及多轴运动控制卡、三自由度机械手、抓放机构等。多轴运动控制卡与PC机通过总线相连,同时多轴运动控制卡提供了接口函数供使用者调用,学生可以自由选用VC、VB等编程软件实现,完成人机界面、机械手运动及测量、机械手抓放动作等的控制,设计合理的搬运方式实现对机械手搬物运动的控制实验。


  机械手搬物综合性实验教学目的:让学生掌握系统集成的概念和方法,不需要自己从底层开始设计控制电路,利用专业厂家生产的一些通用控制部件,结合具体对象的要求完成系统的集成和控制。


  4.2旋转平台测控实验


  为该实验提供的实验平台组成如图3所示,包括旋转工作台及传动机构、步进电机、单片机控制卡、电涡流传感器、接近开关等。可以利用实验平台提供的单片机控制卡,也可以利用专题实验中学生自行设计完成的测控卡,或者选用PLC等模块均可。根据设计的控制卡,利用专用语言或高级语言完成测控系统的编程,使系统按设计的步骤完成转动和检测要求,并对测量的数据进行处理和保存。


  此实验的教学目的:从底层开始设计一个测量控制系统,掌握微控制器实现系统控制的软硬件设计和调试方法。


  4.3工件检验管理综合系统实验


  上面两个实验的进一步综合,是具有实际意义的一个机电一体化系统。在两个实验的基础上,如何使两个系统有机地组成一个更大的系统,进而把这一系统集成到整个生产管理中去是这个实验的基本要求。上下层控制器是通过通信接口连接在一起的,所以通信数据的定义是一个非常重要的内容,另外PC机根据下位机检测的结果,对这些信息进行必要的处理,通过网络可以组合到整个生产过程的生产管理中去。图4是作为示教演示的一个界面。


  5总结


  分析了机电一体化系统实验教学的要求和目的,对实验内容和方法进行了探讨,并设计了相应的实验教学平台。实验教学平台可以完成机电一体化技术课程对综合性设计性实验的要求,达到了实验教学研究的预期目的。


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