機電一體化技術綜合實驗實訓系統研究與實踐

朱 濤 吉 智

徐州工業職業技術學院 江蘇徐州 221140

機電一體化技術綜合實驗實訓系統研究與實踐

朱 濤 吉 智

徐州工業職業技術學院 江蘇徐州 221140

研究一種新型的機電一體化綜合實驗實訓系統，利用一個教學案例說明該系統在機電一體化綜合實訓課程中的應用。在教學中利用該實訓系統開發出多種實訓項目，推行理論實踐一體化教學，節省了教學成本，取得了較好的教學效果。

機電一體化技術；實訓裝置；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

機電一體化綜合實訓作為高等職業院校的一門專業性很強的課程，因其突出的工程意識、較強的實踐能力、敏銳的創新能力和較高的綜合素質培養，在機電一體化技術專業人才培養中具有舉足輕重的作用。機電一體化技術綜合實驗實訓系統針對實驗實訓教學開發，旨在幫助學生加深對機電一體化系統的理解，提高應用機電一體化技術構建系統的能力，方便各種機電一體化系統的調試和實訓項目的完成。因此，機電一體化實驗實訓系統的功能和其直觀性直接影響到學生實訓的效率和效果，開發功能完善、使用方便、界面形象友好的實訓系統是提高教學效果非常重要的手段。

1 機電一體化技術綜合實驗實訓系統研究現狀

近年來，國內機電一體化實驗實訓系統發展比較快，生產廠家也比較多，普遍應用可編程控制器技術實現系統的自動化控制，大致可以分為以下兩類：

(1)低檔產品大都為實際裝置的原理模擬。采用PCB電路板來模擬各種實驗功能，常用發光二極管代表被控對象，用開關代表傳感器或其他輸入信號。例如，自動車實驗中，以發光二極管的亮、滅代表小車的前進、后退，以開關的閉合、斷開代表限位開關的通斷。它們和工業現場實際設備不同，常常用來訓練學生可編程控制器簡單的軟件開發技能。另外，此類實驗系統功能比較單一，一般不具備現場總線通信；觸摸屏應用；模擬量輸入輸出實驗；低壓電器應用實驗；技能培訓考核等功能。

(2)高檔產品一般為實際裝置的縮小模型。系統復雜，實驗功能強大，既可以應用于課程實驗教學，也可以應用于技能培訓考核教學。一般集成了可編程控制器、機械、液壓、氣動、光電、運動控制等多種先進技術，但價格很高，許多學校無力承擔，更不可能大批量購買用于日常教學。另外，系統過于復雜也不利于剛開始學習課程的學生掌握，在課程教學中不夠靈活方便。

機電一體化技術廣泛應用于工業現場，因此其實驗實訓系統必須和工業現場盡可能一致，這也成為此類實驗實訓系統最主要的發展趨勢之一。職業教育比較發達的國家采用以上第二類實驗系統的比較多，但限于以上所述產品的局限性，更多的時候是將以上二者相結合，自行設計制作或委托制作一種廣泛采用工業元器件、系統比較簡化、突出原理教學、采用實驗臺式開放布置的教學實訓裝置。這種類型的實驗實訓裝置既和工業實際裝置有很高的一致性，對教學有很好的針對性，系統結構又不太復雜便于學生學習掌握，設計制作過程中也鍛煉了教師和學生，同時成本又得到了有效的控制，便于批量推廣應用。

2 新型機電一體化技術綜合實驗實訓系統的特點

筆者所研究的系統是在認真分析國內外現有實驗實訓裝置的基礎上設計開發的一種新型機電一體化實驗實訓裝置，部分功能如圖1所示。具有以下顯著的特點：

(1)利用計算機技術實現故障設置、顯示、管理以及操作過程監視、記錄、成績評定功能。此技術我們擁有完全自主的知識產權，具有創新性、先進性。

(2)既有模擬實驗又有實物實驗，以實物實驗為主，避免驗證性實驗的不足，追求真正“原汁原味”的技能考核與實驗、實訓效果。

(3)比現有設備具備更多的實驗實訓項目。包含多種自動化技術，如現場總線、觸摸屏、氣動等。全面取代一般的可編程控制器、低壓電器、氣動等實驗、實訓裝置。

(4)結構完全開放，更有利于教學。采用德國雙元制電氣安裝模板，完全敞開式結構，利于實訓、考核操作。

(5)模塊化設計，各模塊可靈活組合，升級擴展方便，可以擴展出系列化、多種類型的可編程控制器、低壓電器、氣動等實驗實訓設備。

(6)不僅可應用于實驗教學，還具備技能訓練考核功能。

(7)完善的安全系統，真正確保安全。

(8)價格低廉，便于推廣應用。

3 新型機電一體化技術綜合實驗實訓系統構成

該實驗實訓系統由實物實驗實訓區、模擬實驗實訓區、故障管理子系統、安全保護子系統4個部分組成。

實物實驗實訓區布置可編程控制器及其擴展模塊、低壓電器等工業元器件，可完成多種可編程控制器和低壓電器綜合實驗、實訓，如自動臺車控制、電機變頻閉環調速、步進、伺服電機驅動、現場總線通信實驗、觸摸屏實驗等。關鍵技術主要是現場總線通信軟件開發、觸摸屏軟件開發、模擬量控制軟件開發、上位機組態軟件開發等。

實物實驗實訓區的實驗實訓完全采用實物構成，如電機變頻閉環調速控制，實物系統相對簡單，成本不高。而如圖2所示的機械手控制，和企業所用機械手無本質上的區別，僅在體積上縮小，這樣的實物系統復雜，由于需要氣源，占地面積較大，成本較高，但是很接近真正的工業現場。

為了節省成本，本系統設置了如圖3所示的模擬實驗實訓區，主要用于復雜系統的軟件編程開發訓練。每個模擬實驗板模塊尺寸相同，完成一個模擬實驗，通過導軌固定在實驗臺上，因此可以根據需要方便地更換。可以完成機械手、交通燈、電梯、自控軋鋼機等15個實驗。此部分與傳統的可編程控制器實驗臺類似，成功開發出了所有功能模塊的PCB板和相應的可編程控制軟件，技術上比較成熟。

本系統研制開發了如圖4所示的故障管理子系統，該系統綜合應用組態軟件和計算機控制技術，通過一個以單片機為核心的實驗臺集中控制器、RS485總線以及上位機組態軟件輕松地通過鼠標、屏幕實現對電路故障的設置、管理、人員操作的監視、記錄以及成績的評定，該項技術改變了目前國內電氣實驗臺廣泛采用的開關手動模擬設置電氣電路故障的落后狀態，填補了電氣類教學儀器故障設置計算機管理技術的空白。

由于本系統的主要使用者是處在課程學習過程中的學生，因此充分考慮了其安全性。通過以下措施對其安全性進行保障：(1)裝置采用隔離變壓器和供電電路隔離，形成浮地設計，徹底保證安全。(2)周到的過壓、過流保護設計。(3)廣泛采用安全插頭設計。(4)外殼接地狀態檢測。

4 教學案例設計

可編程控制器和低壓電器綜合實驗(如圖5所示)，以自動車控制為例，在網孔板上安裝行程開關、接觸器、熱繼電器、熔斷器等低壓電器，構成一個完整的自動車控制電氣系統。

某自動臺車在啟動前位于導軌的中部，其一個工作周期的控制工藝要求如下：

(1)按下啟動按鈕SB，臺車電機M正轉，臺車前進，碰到限位開關SQl后，臺車電機M反轉，臺車后退。

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

(3)當后退再次碰到限位開關SQ2時，臺車停止。

為設計本控制系統的梯形圖，先安排輸入、輸出口及機內器件。臺車由電機M驅動，正轉(前進)由PLC的輸出點Y1控制，反轉(后退)由Y2控制。為了解決延時5s，選用定時器T0。將啟動按鈕SB及限位開關SQl，SQ2，SQ3分別接于X0，X1，X2，X3。根據對啟—保—停電路的分析，梯形圖設計的根本目標是找出符合控制要求的以輸出為對象的工作條件。本例的輸出是代表電機前進及后退的兩個接觸器。實驗進行前讓學生分析電機前進和后退的條件，教師歸納總結以下幾點。

(1)第一次前進：從啟動按鈕SB(X0)按下開始至碰到SQl(X1)為止。

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

(3)第一次后退：從SQl(X1)接通時起至SQ2(X2)被接通止。

(4)第二次后退：從SQ3(X3)接通時起至SQ2(X2)被接通止。

梯形圖設計的過程如下：

(1)繪第一次前進的支路。依啟—保—停電路的基本模式，以啟動按鈕X0為啟動條件，限位開關X1的常閉觸點為停止條件，選用輔助繼電器M100為代表第一次前進的中間變量。

(2)繪第二次前進的支路。依舊是啟—保—停電路模式，啟動信號是定時器T0計時時間到，停止條件為限位開關X3的常閉觸點。選M101為代表第二次前進的中間變量。為了得到計時時間的條件，還要將定時器工作條件相關的梯形圖繪出。

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

(4)繪后退梯形圖支路。由繪二次前進梯形圖的經驗，后退梯形圖中沒有使用輔助繼電器。而是將二次后退的啟動條件并聯置于啟—保—停電路的啟動條件位置，它們分別是X1及X3，停止條件為X2。

(5)對前邊繪出的各個支路補充完善。如在后退支路的啟動條件X1后串入M101的常閉觸點，以表示X1條件在第二次前進時無效。針對Y1，Y2不能同時工作，在它們的支路中設有互鎖觸點等。

學生根據教師歸納的要點到實物實驗區編寫程序并進行硬件接線，根據教師歸納的要點，一邊編寫程序，一邊結合實物調試程序，循序漸進、由簡單到復雜，由學生自主完成任務，通過教師評價和學生互評檢驗學習成果。教師還可以通過故障管理子系統設置線路故障，培養學生的檢修調試能力，教師也可以增加實訓項目的難度，讓學生設計更復雜的小車運動控制程序，學生可在上位機上與PLC通訊，模擬實現小車的控制過程，如圖6所示在上位機組態軟件中模擬5個行程開關與PLC構成的自動車控制系統運行，讓學生的能力得到拓展。

5 結束語

機電一體化技術綜合實驗實訓系統是一種教學設備，適用于普通高等學校、各職業學校以及職業技能培訓機構。主要應用于機電一體化技術、可編程控制器應用技術、電氣控制技術、機電控制技術等課程的課程設計、實訓、實驗教學中。該設備提供大量的典型實訓項目，重在提高學生的動手能力，促進了理論實踐一體化教學模式的推行。本系統為各高校、職業學校提供了一種價格容易接受、具有較高技術含量的新型機電一體化綜合實驗實訓系統的完整解決方案，對于我國機電一體化技術應用及相關課程的教學改革、推動我國相關教學儀器行業的技術進步具有實際的意義。到目前為止已經為我校生產了36臺產品，在保證實驗“真實性”的基礎上，較好地控制了系統成本，從而降低每組實驗人數，達到更好的綜合效果。

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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：1106085

朱濤，碩士，工程師，教研室主任。

江蘇省高校科研成果產業化推進項目。