模块化测控综合实验平台设计与开发

苏 伟，何岭松，高志强

（华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

随着现代工业的发展和高等学校教育教学改革的不断深入，高校实践教学得到高度重视与迅速发展，标准的软硬件配置、开放式的模块化结构、引导式的教学方法、激发式的实验设计已经进入到教学实验的各个方面［1］。同时，机械、测控类专业也不断打破学科边界，各学科渗透和交叉成为学科发展的趋势，也是产生创新性成果的重要途径。因此，传统单一性的机械类或电类实验设备已不能满足学生综合能力和主动创新能力培养的需要。对教学实验和青年教师培训而言，除了各类基础实验系统外［2］，也急需一种功能丰富、操作方便、多学科集成的综合性测控实验系统。

测控系统一般会涉及精密机械、光学、计算机、传感器、控制技术等多学科知识，所以一个综合性的测控实验台可以解决机械类和电类基础实验设备功能单一、学科覆盖面不足的缺陷。最近十几年间测控工业也经历了一场巨大的技术革命［3－5］。现实中的综合测控实验系统价格昂贵，教学实验不足，缺乏推广普及的基础。为此，我们在测控实验室已有的机电传动实验台的基础上，采用模块化设计，将现有设备融入到新设备的开发中，降低开发成本，实现了测控技术与典型的机械设计、传动技术、气动技术、微机控制技术相结合，开发出一套融合机械、自动控制、电工学、计算机软件开发等多学科的综合实验平台，弥补了以上缺陷［6］。该平台可重组性强、功能全面、面向对象广泛，既能为机械、测控类专业学生提供各类基础专项实验和综合测控实验，也可为工业工程类学生提供物流自动化实验和职校教师培训提供实践平台［7－8］。通过专项实验环节，让学生理解和巩固机械类和电类基本知识；通过综合实验环节，将工程测试技术和机械工程、控制基础多种课程的内容结合起来，独立完成典型的机电一体化的测试与控制实验，增加在相对复杂的条件下的实践经验。经过或个人或小组的独立设计实验、完成实验、总结实验，使学生具有收集、分析、判断、选择国内外相关技术的能力［9］，以及具体制定实验、完成实验、分析数据和总结的专业技能。

1 实验平台组成

该系统主要由3大模块和控制系统组成，3个模块分别是自动检测实验台、机电传动实验台、立体仓库实验台。控制系统由控制软件和控制硬件组成，可对各个实验台进行控制。各个实验台，都有对步进电机的驱动，又有各自的特点，比如自动检测实验台涵盖了传感器知识和多学科技术，机电传动实验台突出机电传动学的内容，立体仓库实验台着重运筹学、物流等学科的应用。系统结构框图如图1所示。

图1 平台结构框图

（1）自动检测实验台。主要由带传动系统、检测系统（红外反射传感器、色彩传感器、电涡流传感器、电容式接近开关）和气动设备组成。带传动系统由步进电机驱动运输物料，贯穿整个实验流程；气动设备完成进料和分拣动作；红外反射传感器实现计数功能；色彩传感器和电涡流传感器检测颜色和金属特性，上位机可设置分拣材料属性（金属、非金属），颜色属性（红色、蓝色、黑色），分拣要求（分拣、不分捡）；分拣仓存储已分拣的物料；电容式接近开关检测进入分拣仓的物料并触发分拣臂的返回动作。实验台的起点是进料口，物料在带传动的驱动下历经计数、颜色识别、金属识别，在分拣的情况下则一次实验结束，实验台可重新开始下一次实验；在均不分拣的情况下，物料运动至带传动的终点。系统涉及到的主要课程有自动控制、传感器、计算机控制系统、气压传动等。图2为自动检测实验台工作流程图。

图2 自动检测实验台工作流程图

（2）机电传动实验台。主要由两套步进电机和载物台组成，载物台由两套方向互为垂直的步进电机驱动，实质是一个二维移动平台，通过上位机操作界面，可自由控制载物台的运动位置。由吸盘和气缸将自动检测实验台的带传动末端的物料运至机电传动实验台的载物台上，此即实验台的起点。物料在载物台上可自由运动，载物台运动到边界时，碰触限位开关停止运动，在捡料点处可被机械手抓取到下一个实验台。该实验台工作流程框图见图3。涉及到的主要课程为机电传动控制。因受其他装置干扰较少，因此非常适合作为典型的机电传动实验平台。

图3 机电传动实验台工作流程框图

（3）立体仓库实验台。包括立体仓库、机械手、步进电机两套、堆垛起重台和气动设备。机械手由气动设备驱动，将上一个实验台的物料抓取至堆垛起重台上，堆垛起重台再将物料放置于立体仓库内。堆垛起重台的位置由步进电机驱动控制，存取动作由气动设备驱动完成。简易立体仓库内是标准尺寸的货位空间，堆垛起重台穿行于货架之间的巷道中，根据上位机设置的放置策略完成存、取货的工作。该平台工作流程框图见图4。涉及到的主要课程有物流运输、物流技术与管理、气压传动等，可为工业工程类专业展开相关实验。

图4 立体仓库实验台工作流程图

2 测控综合实验平台功能

本测控综合实验平台各个模块既可独立完成各专项实验，又有多种组合方式完成不同的相对复杂的实验。专项实验针对性较强，强化单学科知识；组合实验综合性较强，加强各个学科之间的关联性，锻炼学生的实际操作能力。根据实际教学实验和要求，设计的专项实验和组合实验见表1。为了叙述的方便，约定自动检测实验台、机电传动实验台、立体仓库实验台分别记为1、2、3号实验台。

表1 实验项目

3 典型应用实例

下面以自动检测实验台和组合实验台为典型应用实例作具体介绍。

（1）自动检测实验台应用实例：已经建成的自动检测实验台的实物图见图5。输送系统静止时，可进行传感器实验。传感器可获取物料的当前位置和状态，从而判断何时执行下一步动作，不仅在工业中也有着重要作用，也是实现自动检测和自动控制的首要环节。本实验平台中的各种传感器实验类型丰富（涉及的传感器有光电式传感器、电容式传感器和反射式传感器），可让学生了解各类传感器的类型、应用场合等。传感器实验的基本目标是：让学生掌握传感器的应用条件、基本原理和输出量类型，使学生学会选择和使用各类传感器。另外，配合输送系统和气动设备，又可构成一个简单的机电一体化系统，可进行自动检测实验。与传感器实验强调单科知识不同，自动检测实验加入了设计环节，给予学生更大的开放性和创造性。多装置的协同工作也要求学生需要具有把握简单机电一体化系统的能力。实验的基本目标是使学生结合具体实验，掌握机械调试术、气动、传感器和程序控制等技术，加强综合软硬件的能力，巩固逻辑思维，使学生具有初步的设计实验和完成实验的能力。

图5 自动检测实验台实物图

（2）模块组合应用实例：已经建成的综合测控实验台的实物图见图6。3个模块的联合工作可以完成两种内容相似、侧重和面向对象不同的实验：即综合物流实验和物流自动化实验。工业工程学生进行综合物流实验，自动检测实验台的进料、分拣和运输，机电传动实验台的接料与捡料，立体仓库实验台的存取、入库模拟了物流自动化的基本流程。物流自动化实验把物流、信息流用计算机和现代信息等技术等集成在一起，既注重物流自动化理论知识的学习，又有助于学生实际业务操作能力的培养。实验的基本目标是通过实验室规模的物流环境，形象直观地表达物流行业中的新概念，使得学生在设计实验和操作中了解物流自动化中的运输、装卸、识别、分拣等基本作业过程，最终具有设计实验策略的能力，比如自动入库策略。机械和测控类学生进行物流自动化实验，综合测控实验偏重对整个系统中技术的整合和理解。通过实验环节，将多学科和多技术有机结合起来，在具有良好开放性的综合实验台上自主完成典型的机电一体化的测试与测控实验，发挥学生的主观能动性和创造性。与偏重演示性的单个实验台相比，综合测控实验台开放性高，更着重设计性和创造性。实验的基本目标是：学生在设计实验和操作中，了解机电一体化中的基本技术，并在此基础上通过小组的形式设计实验，培养团队精神，锻炼模块化设计能力，提高解决实际问题的能力。

图6 综合测控实验实物图

4 结论

（1）与国内部分高校采用的国外产品如FESTO公司的MPS系统、国内产品如固高物流自动化系统和百蝶物流实验室解决方案相比［10］，本综合测控实验平台可根据具体实际情况和特点进行修改和定制，成本更加低廉，在实验教学中更加灵活，更具柔性和开放性；与一般自主研制的机电实验平台相比，本系统涉及到的设备和学科更加综合，平台的功能更加全面［11－12］，面向的对象层次更加丰富。可为工业工程专业学生开展物流自动化实验；为机械类学生和职校教师培训开设机电传动实验、综合测控实验等，为职校教师增加实验和实践经验。

（2）实验室测试和调试结果表明，本文设计的综合测控实验平台能有效完成8个专项实验和3个综合实验，专项实验识别率高，控制精确；综合实验开放性高，各个实验台联合工作协调稳定。模块化设计的综合测控实验台有助于激发学生学习的主观能动性和实验兴趣，满足创新型人才的培养；有助于青年职校教师实践教学经验的丰富，将现代主流技术的方法应用到日后的教学实验中去。

（3）经过长期的设计和调试，平台已经达到了实验需求。目前，我校测控实验室已经拥有8套模块化的测控实验系统，每一个实验系统都可展开多种实验。在不久的将来，还将在综合测控实验平台之间配备ABB机械手，将各个综合实验台首尾相连，组成一个大型的自动化实验台，以完成更复杂、更完整的工作，建设更完备的测控实验室，为高素质人才的培养提供更广阔的平台。

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