動態泵原理教學演示裝置研制

陳仙明, 陳　丹, 劉　鋒

(1. 浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院, 浙江 杭州　310018;2. 杭州之江水處理設備廠, 浙江 杭州　310009)

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動態泵原理教學演示裝置研制

陳仙明1, 陳丹2, 劉鋒1

(1. 浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院, 浙江 杭州310018;2. 杭州之江水處理設備廠, 浙江 杭州310009)

研制了一種集往復泵、離心泵和螺桿泵為一體的動態泵原理教學演示裝置。采用控制技術,實現了軟件和實物模型的同步動態演示。該裝置具有良好的實用性、安全性、工藝性和擴展性,能應用于工科類院校的“液壓與氣壓傳動”、“水泵及水泵站”、“流體機械”等課程的實驗教學中。

泵原理； PLC； 實驗裝置

2010年5月5日《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020)年》中明確提出,高等教育要加強實驗室建設,強化實踐教學環境[1-3]。教育部《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》指出“實踐教學對于提高學生的綜合素質、培養學生的創新意識與實踐能力具有特殊作用”。實踐教學是提高工程教育人才培養的重要途徑,對于工科大學生的工程實踐能力培養起著舉足輕重的作用[4-6]。

當今教育中通常將教師、教材、教具統稱為“三大基本條件”[7],進入二十一世紀以后,多媒體模擬替代了部分教學裝置得到快速發展,但實物教學裝置由于其獨特的直觀性與可拆解性,繼續在教學中占據重要作用[8]。

1　研制背景

泵是輸送液體或使液體增壓的機械,在各行業中應用廣泛[9]。機械類課程中的“液壓與氣壓傳動”,市政建工類課程中的“水泵及水泵站”、“流體機械”等課程中均涉及泵原理相關知識。

目前市場上泵原理教學裝置主要包括兩大類:一類以金屬為基體,主要用于部件拆裝,了解泵內部結構；另一類以透明塑料為基體,保留泵原理主要特征,用于泵原理的靜態直觀展示。上述兩類產品只能做靜態原理展示[10]。鑒于市售的裝置難以完美滿足教學環節需求,結合CDIO課堂教學和研究項目,研制了自制動態泵原理教學演示裝置,項目的研制不僅鍛煉了學生的能力,同時也使教師的能力得到了提升,自行研制教學裝置是教師雙師型培養的重要途徑[6]。

2　設計思想

本教學裝置采用機電一體化思路設計,將各類泵原理子裝置(目前暫定往復泵、離心泵、螺桿泵)集成于統一控制平臺,各子裝置采用直流減速電機及調速模塊,配合平臺的三菱PLC和MCGS觸摸屏,實現泵(電機)的啟停和調速控制,達到觸摸屏軟件和子裝置實物同步動態演示[11-12]。裝置采用標準化和開放式設計,并預留擴展功能,可以在該裝置平臺上通過軟件升級和子裝置的更換實現擴展和升級,總體設計示意圖見圖1。

圖1　裝置總體示意圖

3　機械結構

通過對往復泵、離心泵和螺桿泵原理的理解及分析,結合加工的可行性和工藝性,簡化了泵的結構原理模型,采用NX軟件分別設計了三類泵的三維結構模型,詳見圖2—圖4。并對模型進行分解,設計部件的零件圖。將零件圖紙導入到自有的激光雕刻機中,加工出各類平面形狀的有機玻璃板材,部分特殊構件采用數控車床和銑床進行加工,最后采用有機玻璃粘結劑對其進行拼接。

圖2　往復泵結構

圖3　離心泵結構

圖4　螺桿泵結構

4　電路及控制

本實驗裝置控制部分采用三菱FX1N-14MR作為主控核心,搭配FX2N-4da模擬量模塊實現模擬量輸出控制。觸摸屏采用昆侖通態177.8 mm(7英寸)TPC7062KS,觸摸屏和PLC通過編程口進行通信。PLC輸出模擬量0～5 V控制三塊調速模塊(CCM6C),實現往復泵、離心泵和螺桿泵的3個驅動電機(JS-50TT)啟停和調速控制,控制框圖見圖5[13]。裝置采用220 V工頻帶接地插座供電,進線部分增設漏電保護器,大大降低了觸電的危險。

圖5　控制框圖

根據各類泵的動作原理,在觸摸屏編程軟件上對模擬動作進行按幀分解編制,再與時間進行連接,最終實現動態模擬,控制界面見圖6。通過屏幕的觸摸式開關實現泵啟停和調速,界面中的模擬圖形能夠實現動態演示和調速變化。

圖6　控制界面圖

5　裝置特點

研制的動態泵原理教學演示裝置實物圖見圖7。本裝置具有以下特點:

圖7　裝置實物圖

(1) 裝置采用220 V供電,驅動采用24 V直流電機,對可能接觸到的危險電源進行隔離,配備斷路器,提高了安全性。

(2) 主體采用有機玻璃,較好展示裝置內部機理,加工方便制作成本低。

(3) 將離心式、往復式及螺桿式三類泵集成在一個實驗臺上,提高裝置的使用效率,使各類原理的對比成為可能。

(4) 引入調速控制及觸摸屏等技術,使實物模型和觸摸屏同步顯示泵內部運動狀態。

(5) 泵模型與裝置底座采用標準機械和電氣接口,為單泵演示及擴展提供可能。

6　實踐效果

本裝置的研制過程得到了我校大學生創新創業項目、浙江省機械設計大賽等項目的資助,研制過程充分發揮了指導教師、團隊學生、任課教師和合作企業的積極性,最終項目榮獲了2014年浙江省“合興杯”第十一屆大學生機械設計競賽(本科組)二等獎。

本裝置研制成功后,在浙江水利水電學院“機電14-1”和“機電14-2”兩平行班的“液壓與氣壓傳動”課程的教學中進行試用。14-1班采用本裝置進行教學,14-2班采用純軟件模擬方式進行教學,最后對知識點提問和調查問卷方式進行反饋。通過匯總分析表明良好的教學裝置有利于提高學生學習積極性,增強知識理解的直觀性,學習效果更佳。

本實驗裝置的設計已經申請了知識產權保護,已授權實用新型《往復泵原理教學演示裝置》( ZL201520081807.2)和軟件著作權登記《多功能泵原理教學演示裝置控制系統》(2015SR154438),發明專利《動態泵原理教學演示裝置》尚處于實審階段(申請號 2015100602852)。

7　結語

本裝置在研制的過程中,嚴格按照標準進行設計,并保存了完整的設計和加工資料,本裝置的大部分制作、加工過程均可在校內實驗室完成,具有在短時間內實現重復生產、批量生產的可能性。該裝置不僅可以用于泵原理的演示教學,制作過程也可作為“機電產品創新設計”CDIO項目制教學的示范案例,也可應用于機電專業認知和畢業設計中。本實驗裝置還在浙江醫藥高等專科學校進行了試用,反饋效果良好。杭州之江水處理設備廠也對裝置性價比、工藝性進行了綜合評估,認為該裝置具有良好的綜合市場潛力。

References)

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[11] 陳明忠,于淑萍.MCGS在三菱PLC教學中的應用[J].中國現代教育裝備,2010(9):66-68.

[12] 王云剛,陳文燕.基于MCGS和PLC的水位自動控制系統設計[J].測控技術,2014,33(1):96-98.

[13] FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC系列編程手冊[M].三菱電機公司.

Development of dynamic experimental demonstration device of pump principle

Chen Xianming1, Chen Dan2, Liu Feng1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang Institute of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018, China；2. Hangzhou Zhijiang Water Treatment Plant ,Hangzhou 310009, China)

The dynamic experimental demonstration device of pump principle,which integrated with reciprocating pattern, screw pattern and centrifugal pattern , is presented. The dynamic demonstration of software simulation and natural pattern can be realized synchronously with the help of control technology.With the advantages of practicability、safety、manufacturability and expansibility, the device can be used in the engineering experiment courses, including Hydraulic and Pneumatic Transmission,Pump and Water Pump Station,Fluid Machinery, etc., in colleges and universities.

pump principle； PLC； experimental device

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.025

2015- 10- 12修改日期：2015- 11- 26

浙江水利水電學院大學生創新創業訓練計劃項目 (CXCY2015021)；浙江水利水電學院校級重點項目(SLSDX880706)；2015年度浙江省教育廳省高校訪問工程師項目

陳仙明(1980-),男,浙江杭州,碩士,講師/工程師,數控教研室主任,主要從事機電一體化設備的研制及改造.

E-mail：63721918@qq.com

TH3-33；G484

A

1002-4956(2016)4- 0091- 03