【摘 要】 通过分析机电一体化技术的组成和特点,探讨了机电一体化模块化生产加工系统实验教学的内容与方法,介绍了机电一体化实验教学平台。该实验装置采用模块化结构,可以完成机电一体化专题和综合性两大系列实验,实验过程采用演示性及设计性相结合的方法,可以较好地满足机电一体化综合性、设计性实验的要求。
【关键词】机电综合控制; 实验教学; 实验装置;MPS
中图分类号:TM57文献标识码:A 文章编号:1009-8283(2009)05-0279-02
机电一体化发展至今已成为一门有着自身体系的新型学科, 随着科学技术的不断发展,还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发, 综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术, 根据系统功能目标和优化组织目标, 合理配置与布局各功能单元, 在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术, 由此而产生的功能系统, 则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。机电一体化给传统的机械产业带来了根本性的变革和巨大的效益,使产业结构、生产方式和管理体制发生了深刻的变化,社会对机电一体化人才的需求非常大,为此许多大专院校设置了相应的专业或专业方向。就本科教学而言,要培养学生成为机电一体化应用型人才,除了设置机械设计与制造、PLC、气压传动、传感器技术与应用、微电子技术、自动控制、微机原理与应用等专题知识课程以外,也设置了机电一体化系统综合性课程,用于培养学生对机电一体化产品的设计能力。从各高校实际情况来看,机械类课程和电类课程的基础实验相对比较完善,而机电结合的机电一体化的实验教学则相对薄弱,缺乏具有机电一体化特色的实验教学平台和实验教学体系,这不利于学生应用能力和创新能力的培养。为此作者对机电一体化的实验教学内容和教学方法深入研究,研制了一套适合于机电一体化技术课程及大机械类机电系统综合性设计性实验的开设,能更好地满足机电一体化实验教学的需要。
1 机电一体化实验教学内容和方法的探讨
真正意义上的机电一体化产品,应具备两个明显特征:第一必须是机械产品,第二应该是采用电子技术,使机械产品的控制具有可编程和智能化的特性。一个机电一体化系统主要由机械装置、动力源、传感器、执行装置、控制器这5个要素构成。因此机电一体化实验内容、方法的研究和实验设备的研制均必须围绕这些要素展开。根据机电一体化技术的综合性,及面向实践应用的特点,对机电一体化实验内容和实验教学方法进行了研究和总结。
1.1 实验内容的安排
内容的安排紧扣机电一体化各知识点,由易到难,由单一到综合机电一体化系统涉及到了机械设计、PLC、气动技术 、传感器、自动控制和微机原理等多门课程的知识,这些知识也是机电一体化产品设计的基础。尽管在学习机电一体化系统之前,这些课程的教学环节已完成,但在具体一个机电系统中某个专题知识的回顾和加深是有必要的,这也符合顺序渐进的教学规律。因此紧扣这些教学内容,安排若干典型的、与专业课程相对应的专题实验内容,使学生对这些基本知识在机电一体化系统中的应用有一个感性的认识,为系统综合性的实验和设计奠定基础。
1.2 实验方法
由教师演示过渡到学生自我设计学生从理论学习到实际实验设计,是一个从知识接受到知识应用的一个质的飞跃,由于机电一体技术包含了机、电、PLC、气压传动、计算机、自动控制等多门学科的知识,实验的综合性程度高,因此对大多数本科生来说有一定的难度。演示性实验是一种更直接的实验指导,能使学生对将要完成的设计性实验的过程和结果有一个直观的认识,提高完成设计性实验的自信心。而实验的最终要求是能够在相关的实验设备上根据要求,在实验装置提供的模块上进行系统设计,使实验对象能够按照设定的方式正常运行。通过这个设计过程,可以更好锻炼学生机电知识的运用能力,理解机电一体化系统中各学科知识的关联性,进而提高学生解决实际问题的能力,从而达到实验教学的真正目的。
1.3 实验方式为课内和课外相结合,个人和小组相结合
由于教学时数有限,实验环节的教学要充分发挥学生的主动性,利用课余时间进行设计和准备工作,课内主要是利用实验平台来调试和实现设计的内容。因此,机电一体化实验室应该建设成为开放式实验室,便于学生课外时间进行实验。另外由于机电一体化实验包含的知识面广,综合性的实验包含多个内容的有机组合,可以采用小组分工合作完成的模式,一方面培养学生在科学研究过程中的团队精神,另一方面也是对模块化设计的一种锻炼。
1.4 实验过程各知识点难度要适中,着重于系统性和综合性
由于机电一体化实验教学的主要目的是培养学生综合应用多学科的知识,因此实验过程要求学生主要关注知识之间的联系和实际应用方法,过于复杂的单科知识会使学生独立完成整个实验过程的难度明显增大,反而达不到实验的目的。
2 机电一体化实验教学平台的设计
本试验平台包括1)上料检测站气动回路与电气控制2)搬运站气动回路与电气控制3)加工和检测站气动回路与电气控制4)安装站气动回路与电气控制5)安装搬运站气动回路与电气控制6)搬运站PLC控制等六个基本模块。
机电一体化的专题实验强调单科知识在本装置中的作用,因而其专题实验的内容是有针对性的。这些专题实验都是机电一体化系统设计的基础,也是机电一体化系统教材中的内容,按照课堂上的教学内容,根据教学时数可以选做部分或全部。上面的专题实验内容都可以进行设计性实验。例如搬运站电气系统如下图1所示,其所实现的动作顺序为动作顺序:开始—横臂伸出—竖臂伸出—手指夹紧—竖臂收回—横臂收回—摆动右摆—横臂伸出—竖臂伸出—手指松开—竖臂收回—横臂收回—摆动左摆—循环开始学生更好地掌握这些基础知识,为下一步的综合性实验奠定基础。
电气控制图说明:SB1—启动开关 R1—R5是辅助继电器 K8—K12是辅助继电器 1Y1—4Y2是电磁阀线圈
4 机电一体化综合性实验
综合性实验是机电MPS系统实验教学的重点部分,对应于本文的实验装置,基本的综合性实验包括以下内容。
4.1上料检测站气动回路与电气控制实验
上料检测站气动回路与电气控制综合性实验教学目的:让学生掌握系统集成的概念和方法,不需要自己从底层开始设计控制电路,利用专业厂家生产的一些通用控制部件,结合具体对象的要求完成系统的集成和控制。其回路如图2所示。动作顺序:开始—马达旋转—提升缸提升—暂停—提升缸下降—马达旋转—循环开始。
4.2 搬运站气动回路与电气控制实验
回路如图3所示,动作顺序为动作顺序:开始—横臂伸出—竖臂伸出—手指夹紧—竖臂收回—横臂收回—摆动右摆—横臂伸出—竖臂伸出—手指松开—竖臂收回—横臂收回—摆动左摆—循环开始。
4.3 加工检测系统实验
上面两个实验的进一步综合,是具有实际意义的一个机电一体化系统。在两个实验的基础上,如何使两个系统有机地组成一个更大的系统。如图所示气动图4,动作顺序:开始—检测加工气缸伸出—上下导轨气缸下降—检测加工气缸收回—上下导轨气缸上升—检测加工完成的升降气缸下降、暂停、上升—循环开始。
4.4 安装站系统实验
如图5所示回路,动作顺序:开始—摆动向前摆—小工件换位气缸伸出或收回—推动缸伸出—摆动向后摆—真空吸盘吸住工件—推动缸收回—摆动向前摆—小工件换位气缸收回或伸出—循环开始。
4.5 搬运分拣站系统实验
如图6所示回路,动作顺序:开始—升降缸下降—手指夹紧—升降缸上升—摆动缸顺时针一次摆动—升降缸下降—手指松开—升降缸上升、暂停、下降—手指夹紧—升降缸上升—摆动缸顺时针二次摆动—升降缸下降—手指松开—升降缸上升—摆动缸逆时针摆动—循环开始。
5 总结
本文分析了机电一体化系统实验教学的要求和目的,对实验内容和方法进行了探讨,并设计了相应的实验教学平台。实验教学平台可以完成机电一体化技术系列课程对综合性设计性实验的要求,达到了实验教学研究的预期目的。
参考文献:
[1]张光国.机电一体化综合测试实验台[J] .机电一体化 2004.
[2]刘杰, 宋伟刚, 李允公. 机电一体化技术导论[M]. 北京: 科学出版社, 2006.
[3]李建勇. 机电一体化技术[M]. 北京: 科学出版社, 2004.