二科自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)踐與探索

陳衛(wèi)國(guó)

摘? 要：以自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)備引進(jìn)、自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，對(duì)應(yīng)用型本科機(jī)械電子工程人才培養(yǎng)方案的課程體系、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行了調(diào)整，提出了一種簡(jiǎn)明的自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)模式。通過近兩年的探索和實(shí)踐，成功地將變頻控制技術(shù)、組態(tài)控制技術(shù)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)等自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)引入到應(yīng)用型本科教學(xué)中，填補(bǔ)了原有人才培養(yǎng)方案的內(nèi)容，提高了機(jī)電學(xué)生的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)生產(chǎn)線? 變頻器? MCGS組態(tài)? 步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)：G647??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ???????????? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）01（a）-0068-07

Practice and Exploration of the Construction of the Second Section Automatic Production Line Laboratory

CHEN Weiguo

（Hunan University of Arts and Sciences， Changde， Hunan Province， 415000 China）

Abstract： Driven by the introduction of automatic production line equipment and automatic production line laboratory construction projects， the curriculum system， teaching content， practical teaching and other aspects of the application-oriented undergraduate mechanical and electronic engineering talent training program were adjusted， and a concise automatic production line teaching mode was proposed. Through the exploration and practice in the past two years， the key technologies of automatic control such as frequency conversion control technology， configuration control technology， stepping drive control technology and other automatic control have been successfully introduced into the application-oriented undergraduate teaching， which has filled the content of the original talent training program and improved The core competitiveness of electromechanical students.

Key Words：Automatic production line; Frequency converter; MCGS configuration; Stepper motor

隨著工業(yè)4.0進(jìn)一步推動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)使得機(jī)械電子工程專業(yè)的知識(shí)體系更加膨大，新工科建設(shè)對(duì)機(jī)電類人才質(zhì)量提出了新的要求，應(yīng)用型本科教學(xué)需要引進(jìn)機(jī)電控制的一些關(guān)鍵技術(shù)，如三相電機(jī)變頻控制技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)伺服控制技術(shù)、交流電機(jī)伺服控制技術(shù)、觸摸屏+MCGS組態(tài)控制技術(shù)、PLC以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)等。該文介紹了我們通過自動(dòng)生產(chǎn)線引進(jìn)、圍繞自動(dòng)生產(chǎn)線進(jìn)行的機(jī)械電子工程人才培養(yǎng)方案調(diào)整所做的工作，同時(shí)具體介紹了我們?cè)谧詣?dòng)生產(chǎn)線理論及實(shí)踐教學(xué)所做的探索和實(shí)踐工作，希望能為同類院校的教學(xué)提供一些參考。

1? 自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室建設(shè)面臨的問題

自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目的之一，是學(xué)習(xí)機(jī)電控制的一些關(guān)鍵技術(shù)，但是在生產(chǎn)線使用上面臨著一些問題。

（1）技術(shù)復(fù)雜。

SKGMT-42型自動(dòng)化生產(chǎn)線是一個(gè)大型的機(jī)、電、液、氣綜合機(jī)電設(shè)備，僅僅控制技術(shù)就涵蓋了三相電機(jī)變頻控制技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)伺服控制技術(shù)、交流電機(jī)伺服控制技術(shù)、觸摸屏+MCGS組態(tài)控制技術(shù)、PLC以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、伺服控制技術(shù)、傳感技術(shù)、氣動(dòng)控制等多項(xiàng)控制技術(shù)，學(xué)生在學(xué)習(xí)上不容易上手。

（2）教學(xué)內(nèi)容缺失。

原有人才培養(yǎng)方案在理論和實(shí)踐教學(xué)中沒有完整的組態(tài)控制、伺服控制、變頻控制、以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)教學(xué)內(nèi)容，因此在進(jìn)入實(shí)踐環(huán)節(jié)前必須進(jìn)行必要的理論學(xué)習(xí)。

（3）教學(xué)課時(shí)不夠。

受限于機(jī)械電子工程人才培養(yǎng)模式，不太可能大規(guī)模增加理論課程和實(shí)踐課程，而自動(dòng)生產(chǎn)線有許多控制技術(shù)需要學(xué)習(xí)，需要對(duì)原有的課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)需要一種新的教學(xué)模式。

（4）技術(shù)難度大。

伺服控制、變頻控制設(shè)計(jì)的難度較大，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒。

2? 解決措施

首先，我們建立了自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室，以自動(dòng)生產(chǎn)線項(xiàng)目帶動(dòng)人才培養(yǎng)方案調(diào)整，在保障實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和學(xué)科發(fā)展協(xié)調(diào)同步的同時(shí)，也提供一個(gè)綜合實(shí)踐平臺(tái)，讓學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)串接起來，同時(shí)提高學(xué)生的綜合動(dòng)手能力和興趣。

其次，將自動(dòng)生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行細(xì)化分解，分配到課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、技能訓(xùn)練等不同的原有教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，適當(dāng)新開設(shè)了對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)及課程，實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)單一關(guān)鍵技術(shù)，課程設(shè)計(jì)會(huì)設(shè)置一些融合幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目，應(yīng)用“案例教學(xué)法”完成設(shè)計(jì)。

最后，自動(dòng)生產(chǎn)線理論和實(shí)踐教學(xué)中，依據(jù)CDIO理念，先盡可能地選取簡(jiǎn)明方式教學(xué)，采用弱化理論推導(dǎo)，突出應(yīng)用能力原則，讓學(xué)生盡快上手，對(duì)有能力的學(xué)生，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)、競(jìng)賽的不同形式進(jìn)一步提高，最終達(dá)到全面掌握生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)目的。

3? 教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 變頻控制課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

自動(dòng)生產(chǎn)線采用變頻器控制電機(jī)完成傳輸帶的變速運(yùn)動(dòng)。為了掌握變頻控制技術(shù)，在“電工學(xué)”課程中，以西門子V20變頻器和41K25GN-Y三相交流減速電機(jī)為案例，講解變頻器硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)原理及參數(shù)設(shè)置、變頻器主電路和控制電路的連線方式等知識(shí)，讓學(xué)生明白制動(dòng)電阻、壓敏電阻、電流傳感器的作用，了解變頻器故障判斷方法和模塊檢查的方法。變頻器實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是掌握變頻器參數(shù)設(shè)置方法，特別是掌握恢復(fù)出廠設(shè)置和根據(jù)電機(jī)銘牌參數(shù)完成快速調(diào)試參數(shù)設(shè)置。為了簡(jiǎn)化參數(shù)設(shè)置，案例中變頻器使用連接宏CN003，通過3個(gè)數(shù)字量開關(guān)輸入改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。學(xué)生完成變頻器固定轉(zhuǎn)速實(shí)操后，學(xué)生的興趣和信心可以得到提高，進(jìn)一步通過V20變頻器手冊(cè)自學(xué)，提升變頻器使用技能。變頻器實(shí)驗(yàn)需要完成的主要工作及安排見表1。

為保護(hù)變頻器，變頻器主電路和控制回路電路圖在實(shí)驗(yàn)前根據(jù)V20變頻器手冊(cè)給出參考圖，如圖1、圖2所示。為節(jié)約課時(shí)，學(xué)生只完成測(cè)繪，實(shí)際連線不再進(jìn)行。

從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，學(xué)生可以完成變頻器恢復(fù)出廠設(shè)置、快速參數(shù)設(shè)置，可以通過變頻器面板或開關(guān)，控制生產(chǎn)線輸送帶以設(shè)定的速度運(yùn)動(dòng)。這樣，通過課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和實(shí)驗(yàn)調(diào)整，學(xué)生可以初步掌握自動(dòng)生產(chǎn)線變頻器控制技術(shù)，了解了CN003連接宏使用后，其他連接宏的參數(shù)設(shè)置及電路設(shè)計(jì)，學(xué)生完全可以通過自學(xué)掌握。

3.2 步進(jìn)電機(jī)組態(tài)控制課程設(shè)計(jì)

我們?cè)跈C(jī)械電子工程人才培養(yǎng)方案中，增設(shè)了“自動(dòng)生產(chǎn)線綜合課程設(shè)計(jì)”，“步進(jìn)電機(jī)組態(tài)控制課程設(shè)計(jì)”是“自動(dòng)生產(chǎn)線綜合課程設(shè)計(jì)”的子項(xiàng)，目的是通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握觸摸屏組態(tài)控制技術(shù)、PLC編程技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，要求完成觸摸屏控制滑臺(tái)往返運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和實(shí)物調(diào)試。其中，PLC采用S7-200 SMART PLC ST30，編程環(huán)境為STEP7-MicroWIN SMART，觸摸屏采用TPC1061Ti，使用昆侖通泰MCGS組態(tài)軟件，步進(jìn)電機(jī)57BYGH201由步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器SH2024MCGS驅(qū)動(dòng)，觸摸屏和PLC采用以太網(wǎng)通信，總的要求是完成滑臺(tái)的往返運(yùn)動(dòng)，啟、停由觸摸屏按鈕控制。步進(jìn)電機(jī)組態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

二本機(jī)電學(xué)生完成步進(jìn)電機(jī)組態(tài)控制課程設(shè)計(jì)需要補(bǔ)充3個(gè)基本知識(shí)，一是組態(tài)控制技術(shù)，二是步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)，三是PLC運(yùn)動(dòng)向?qū)Ь幊蹋瑸榇诵枰谡n程設(shè)計(jì)中安排相應(yīng)的理論教學(xué)和3個(gè)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中理論教學(xué)采用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和教師授課相結(jié)合的方式進(jìn)行，單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是將步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步分解，目的是先掌握單項(xiàng)技術(shù)，再將個(gè)分技術(shù)組合完成課程設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)組態(tài)控制課程設(shè)計(jì)主要安排見表2。

3.2.1 觸摸屏實(shí)驗(yàn)

昆侖通態(tài)MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)，一個(gè)按鈕控制PLC的Q0.0，學(xué)生自學(xué)后需進(jìn)行答辯，實(shí)驗(yàn)前需清楚回答問題，確認(rèn)學(xué)生清楚觸摸屏控制的基本概念。

（1）TPC1061Ti觸摸屏IP地址設(shè)置;

（2）S7-200 SMART的IP地址設(shè)置，下載系統(tǒng)塊，并保證TPC1061Ti觸摸屏IP地址和ST30的IP地址在同一網(wǎng)段上;

（3）從設(shè)備窗口增加西門子Smart200設(shè)備;

（4）設(shè)備編輯界面設(shè)置觸摸屏與PLC的IP地址;

（5）編輯要使用的變量;

（6）用戶窗口HMI界面編輯;

（7）模擬運(yùn)行。

3.2.2 步進(jìn)電機(jī)選型及細(xì)分驅(qū)動(dòng)設(shè)置與連線實(shí)驗(yàn)

機(jī)械電子工程專業(yè)的學(xué)生，應(yīng)能根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角、保持轉(zhuǎn)矩、空載啟動(dòng)頻率等指標(biāo)，完成步進(jìn)電機(jī)選型。建議學(xué)生選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。二本應(yīng)用型的學(xué)生，應(yīng)該知道步進(jìn)電機(jī)選型計(jì)算除了公式計(jì)算外，也可以采用SolidWorks自帶的電機(jī)選型模塊或企業(yè)的電機(jī)選型軟件完成步進(jìn)電機(jī)選型。公式計(jì)算在課程中已涉及，這里不重復(fù)，公式計(jì)算比較復(fù)雜，計(jì)算量大，在課程設(shè)計(jì)中，我們給學(xué)生介紹電機(jī)選型軟件的使用，以加快設(shè)計(jì)速度。我們采用的電機(jī)選型軟件是東方馬達(dá)的ORIENTALMOTOR_CONTROL_MOTOR _SIZING，通過選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸入機(jī)械裝置參數(shù)、輸入運(yùn)行條件、電機(jī)選擇4個(gè)步驟完成選型，如圖4至圖7所示。

步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置及連線，調(diào)整到《單片機(jī)》課程中進(jìn)行教學(xué)，由于其原理比較簡(jiǎn)單，這里不再贅述。

電機(jī)選型軟件具有一定的可靠性，在ROBOCON機(jī)器人大賽和機(jī)械創(chuàng)新大賽中，選用的電機(jī)工作可靠。

3.2.3 S7-200 SMART運(yùn)動(dòng)向?qū)Ь幊虒?shí)驗(yàn)

步進(jìn)電機(jī)PLC編程采用STEP 7-MicroWIN SMART運(yùn)動(dòng)向?qū)山M件（見圖8），設(shè)置參數(shù)如表3所示。

組件生成后，使用組件編程，以簡(jiǎn)化編程過程，如圖9所示。

3.2.4 往返運(yùn)動(dòng)控制

為了在實(shí)驗(yàn)中盡量不改動(dòng)生產(chǎn)線的連線，可以建議學(xué)生采用STEP 7-MicroWIN SMART的運(yùn)動(dòng)控制面板進(jìn)行。

從完成的步進(jìn)電機(jī)組態(tài)控制設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)來看，絕大多數(shù)同學(xué)能夠通過編程，完成機(jī)械裝置的往返運(yùn)動(dòng)，完成了組態(tài)技術(shù)、步進(jìn)控制、運(yùn)動(dòng)向?qū)褂玫募夹g(shù)學(xué)習(xí)，達(dá)到了課程設(shè)計(jì)目的。

4? 結(jié)語

在引進(jìn)生產(chǎn)線的同時(shí)，對(duì)機(jī)械電子工程人才培養(yǎng)方案進(jìn)行了調(diào)整，增設(shè)了自動(dòng)生產(chǎn)線課程設(shè)計(jì)和電工技術(shù)課程，在教學(xué)中采用最簡(jiǎn)明的方法讓學(xué)生盡快入門。通過近兩年的努力，成功將機(jī)電控制的一些關(guān)鍵技術(shù)納入教學(xué)體系中，達(dá)到了生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目的。

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