机电一体化实验课程改革与设计

李学哲 刘少海 胡兴志华北科技学院机电应用技术研究所 北京 101601



机电一体化实验课程改革与设计

李学哲 刘少海 胡兴志
华北科技学院机电应用技术研究所 北京 101601

摘 要：传统的机电一体化实验教学平台存在功能单一、开放性差等问题，已经无法适应经济、社会对机电一体化技术人才需求的发展和变化。提出了一种新型机电一体化实验教学平台，该平台采用模块化设计思想，具有极强的开放性。基于新设计的平台，探讨了机电一体化实验课程的改革和设计。实践表明，基于该平台开展的各种机电一体化实验项目，在扩展学生知识面，培养学生的创新精神、实践能力等方面发挥着重要的作用。

关键词：机电一体化；实验平台；课程改革与设计；开放性

随着科技的发展，社会对机电一体化技术人员的要求也越来越高。目前，机电一体化实验教学的形式主要有验证、现场参观实习等。这样的教学方法存在明显的不足，学生的参与性不够强，无法深入了解教学内容和应用技巧。传统的演示、验证教学方法已经无法适应社会、经济对人才需求的发展和变化[1,2]。针对这样的实际情况，本文提出了一种新型机电一体化实验教学平台，该平台采用模块化设计，开放性强，可以模拟自动化生产线的简单工艺流程，具有上料、装配、检测和分拣等功能。并基于该平台进行了机电一体化实验课程的设计与研究，通过各种典型的机电一体化实验项目，加深学生对机电一体化基本知识和理论的理解，扩展知识面，培养学生的科学思维、创新精神、实践能力。

1 新型机电一体化实验平台的设计与研究

1.1 技术方案

本文设计的机电一体化综合实验平台总体结构如图1所示，主要由电控系统、机械传动系统、自动化工位及各种传感器组成。各子系统有机的配合在一起，模拟自动化生产线的简单工艺流程，实现上料、装配、检测、分拣等多种功能[3]。学生通过相关实验项目的操作，可以加深对机电一体化理论知识的理解，同时提高分析问题和动手实践的能力。

图1 综合实验台结构框图

(1)电控系统。是整个实验平台的核心，是各实验项目功能和指标的重要保障。其主要由基于PLC设计的电控箱、操作面板、变频调速控制器及数码管、指示灯等组成。

(2)机械传动系统。实现工件在输送带上流水传输，主要由三相异步电动机、减速器、输送带组成。

(3)自动化工位。由上料、机械手、检测和分拣等多个自动化工位组成，每个工位都是通过气缸活塞伸出或缩回实现自动操作。

(4)传感器系统。主要用于工件定位和质量检测等，采用光电式传感器或接近开关设计。

实验台工作原理：按下开始按钮，控制系统通过变频器控制电动机的转速和方向，从而实现输送带的自动运行；延时5秒后，控制系统控制上料工位气缸，实现自动上料；控制器通过接近开关自动感应工件是否来到装配工位，并自动控制机械手装置实现自动装配；检测工位自动检测装配是否合格，并实现分拣与计数、显示。

1.2 设计目标

通过上面的分析，实验平台应设计实现如下功能。

(1)实验平台能够直观地体现自动化生产线的工艺流程。

(2)平台输送带的电动机具有启动和停止控制功能，且为了安全起见，设计有急停按钮。

(3)采用变频器实现电动机及输送皮带的速度及转向控制，具有调速和正反转控制功能[4-5]。

(4)上料、装配、检测和分拣等功能采用气压传动系统来实现。

(5)能用机械手实现工件的自动装配。

(6)具有良好的人机接口，自动显示系统状态及工件统计状态。

(7)电控系统采用PLC控制器设计，方便同学从底层理解典型的机电控制原理。

系统用变频器控制三相异步电动机启动、停止、正反转及各种转速的改变，经过减速器、三角带带动传输带运输，从而达到输送工件的目的。在传输带边上设置上料工位、机械手工位、检测工位、分拣工位，各个工位的运动都采用气压传动。另外采用指示灯来显示系统工作状态和采用LED数码管显示毛坏数和成品数。

2 实验课程总体设计

我们基于新设计的综合实验平台，对原有的实验教学大纲进行了修订，增加了新的实验项目，实验内容的安排更加注重学生知识面的扩展与分析、实践能力的培养，以适应新形势对机电一体化技术人才需求的发展和变化[6]。编写了适合本实验平台的实验指导书、实验报告、相关测试程序等。实验项目的设计遵循“由浅入深、循序渐进”的原则。不同的实验项目，考核的内容和培养的目标各不相同，具有明确的针对性。通过全部实验项目的学习，使学生达到4个层次的目标：一是理解和掌握机电一体化系统的基本理论和概念；二是培养学生对PLC控制系统硬件和软件的设计与调试能力；三是分析和解决系统调试运行过程中出现的各种实际问题；四是掌握机电一体化系统设计的相关技术、设计方法。教学内容与目标的对应关系如表1所示。

表1 教学内容与目标的对应关系

3 实验项目详细设计

前面已经介绍了，基于本实验平台可以开展4个层次的实验项目。下面以一个与实践结合较紧密的综合实验项目——工件装配实验为例，介绍实验项目的详细设计。

3.1 实验目的

理解、掌握工件装配的原理及工艺过程；培养学生对PLC控制系统硬件和软件的设计与调试能力；分析和解决系统调试运行过程中出现的各种实际问题。

3.2 实验内容

工件装配由一台气动机械手装置完成。装配前，装置应处于原点位置，即夹爪气缸应伸出，处于松开状态，水平气缸应缩回，垂直气缸应伸出；当定位传感器检测到有工件就位后，控制垂直气缸向下运行，到底后，夹爪气缸夹紧工件；然后垂直气缸向上运行，运行到顶后，水平气缸向前推出，推到行程后，垂直气缸向下运行，到底后松开工件，完成工件的装配；最后垂直气缸向上到顶，水平气缸向后缩回，装置重新回到原点。

3.3 实验设备及技术参数

(1)电源：AC220 V±10 V(带保护地三芯插座)。(2)空气压缩机：0.6 Mpa～0.8 Mpa。

(3)气动机械手装置：手动控制功能由操作面板按钮完成，自动控制功能由PLC完成。

(4)KJ223A型综合实验台。

3.4 实验电路

如图2所示。

3.5 PLC IO分配表

PLC IO分配如图3所示。

图2 实验电路图

图3 IO分配表

3.6 实验程序流程图

实验流程如图4所示。

图4

3.7 安全注意事项

(1)气动系统使用压力不得超过800 KPA。

(2)在气动系统管路接好之前不得接通气源。

(3)接通气源和长时间停机后开始工作，个别汽缸可能会动作过快，所以要特别当心。

(4)机械手在运动过程中不能受到障碍物阻碍，否则会造成损害。

(5)机械手运行过程中不要用手去触摸它，也不要人为地阻止它运动。

(6)一段时间不用机械手或检修气动系统，应放掉压缩空气。

3.8 编写实验报告

(1)根据运动控制要求，画出机械手运行梯形图。

(2)试编制机械手程序，实现工件的装配。

(3)思考工件在传送带上是如何实现定位的。

4 结束语

针对目前机电一体化课程实践教学环节存在的问题，本文提出了一种新型机电一体化综合实验平台。并基于该平台进行了机电一体化实验课程的设计与研究，通过各种典型的机电一体化实验项目，开拓了学生的视野，提高了学生的理论素养和实践能力。更为重要的是，本实验台采用模块化设计理念，具有极强的开放性，学生可以依据平台提供的软硬件资源自行设计实验项目，大大提高了学生的学习能动性和分析解决问题的能力。

参考文献

[1] 张艳花.强化实践教学过程,提高学生综合素质和创新能力[J].高校实验室工作研究,2004(3):54-57.

[2] 梁风.机械设计实验教学与创新能力培养[J].实验室研究与探索,2006(11):1433-1435.

[3] 陈功福.机电一体化实验装置设计[J].制造技术与机床,2004(6):31-33.

[4] 潘树勋.机电一体化实验装置研究[ J ] .机床与液压,1996(3):42-43.

[5] 张培国.机电一体化综合控制实验装置的研制及实验课程设计[J].实验室研究与探索,2008,27(9):34-38.

[6] 袁嫣红.机电一体化综合设计性实验方法及装置的研究[J].浙江理工大学学报,2008,25(3):297-300.

[7] 王立权.模块化机电一体化实验系统研究与实践[J].实验室研究与探索,2002,21(6):47-50.

[8] 陈在平.可编程控制器技术与应用系统设计[M].北京:机械工业出版社,2002.

Study on Electromechanical Integrated Experiment Curriculum Reform and Design

Li Xuezhe, Liu Shaohai, Hu Xingzhi
North China institute of science and technology, Beijing, 101601, China

Abstract:The traditional electromechanical integrated experiment platform has disadvantages of single function, poor openness, which can not meet the development and change of demand for mechatronics technology talents. A novel electromechanical integrated experiment platform based on modular design thought is proposed in the paper, which has a good openess. Based on the new platform, the paper also discusses the curriculum reform and design of electromechanical integration experiment. Practice result shows that a variety of experimental projects based on the platform play a great role on expanding knowledge, cultivating innovation spirit and practice ability for the students.

Key words:electromechanical integrated; experiment platform; curriculum reform and design; openness

基金项目：中央高校基本科研业务费资助(编号：3142013099)；中央高校基本科研业务费资助(编号：3142015023)。

作者简介：李学哲，硕士，副教授。

收稿日期：2015-07-29