1、具有重組功能的機電系統(tǒng)綜合實驗環(huán)境建立論文關(guān)鍵詞:綜合實驗實驗環(huán)境重組機電系統(tǒng)論文摘要:介紹了一種具有重組功能的機電系統(tǒng)綜合實驗環(huán)境的建立方案,學生在該環(huán)境下可根據(jù)自己的需要,靈敏地完成多種控制器的機電控制系統(tǒng)方面的綜合實驗。1實驗環(huán)境建立的指導思想“機電系統(tǒng)綜合實驗是我校近幾年開設(shè)的集中綜合性實驗課程。它是集機械設(shè)計、數(shù)控技術(shù)、模擬與數(shù)字電路、控制工程、檢測技術(shù)、計算機控制、機械制造等多門課程知識綜合應(yīng)用的、理論性很強的一門課程。我們?nèi)缃耖_設(shè)這門課程中所使用的設(shè)備包括計算機、計算機接口板和數(shù)控X-Y工作臺,其控制系統(tǒng)的架構(gòu)單一、被控對象較少,學生只能被動的使用指定的控制器、功能模塊,針對單一

2、的對被控對象構(gòu)建機電控制系統(tǒng),這使得學生不能自行選擇被控對象和自主設(shè)計控制系統(tǒng),束縛了學生創(chuàng)造性思維的發(fā)揮,同時也限制了實驗內(nèi)容的展開。為了改變上述狀況,結(jié)合學校近期開展的三期本科評建的時機,對該課程的實驗環(huán)境進展改造,其主要工作是建立一個具有重組功能的機電系統(tǒng)綜合設(shè)計平臺3,該平臺可提供多種控制器和檢測元件,可支持盡可能多的被控對象2。為此,在建立過程中采用模塊化設(shè)計7,使得基于該平臺的綜合實驗便于功能模塊的組合、擴展,也便于檢查、維護及調(diào)試。學生在這個平臺可針對不同被控對象,靈敏地搭建各種控制系統(tǒng)。利用該環(huán)境既可開設(shè)機電控制系統(tǒng)的一般原理性、驗證性實驗,又可完成較大型的綜合及設(shè)計性的實驗。

3、由于該環(huán)境被設(shè)計成開放性的平臺,學生還可根據(jù)自己的興趣愛好,自行設(shè)計并完成各種機電控制系統(tǒng)的實驗。2實驗環(huán)境的設(shè)計與構(gòu)造要到達上述目的,在建立時就要考慮到實驗環(huán)境要具有可重組性和開放性。因此,在設(shè)計時按功能模塊將環(huán)境分為六大部份,即電源模塊、控制器模塊、根本功能模塊、傳感器模塊、驅(qū)動模塊、被控對象模塊,每個模塊采用組件式構(gòu)造,如圖1所示。2.1電源模塊安裝各種實驗所需的電源:交流220V、直流24V/5V,為了學生的人身平安,本模塊應(yīng)設(shè)置電源總開關(guān)并進展可靠的接地處理,同時各電源的要有指示燈,以方便學生接線用。2.2控制器模塊主要用于安裝各種實驗用控制設(shè)備,學生可根據(jù)不同的實驗內(nèi)容、要求、興趣

4、,選擇不同的控制設(shè)備。如計算機、單片機、工控機、PL可編程控制器,在這個區(qū)域還應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的接口電路,為各個控制設(shè)備提供相匹配的各種控制信號。2.3根本功能模塊該模塊的主要作用是能提供諸如I/接口、中斷信號、定時/計數(shù)器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等功能,同時還能提供顯示器、紐子開關(guān)、按鍵,并預留電阻、電容、二極管、三極管、晶振插孔以及各種高性能雙列直插式圓腳集成電路插座6,并能提供8路數(shù)字信號、2路模擬信號(電壓從05V)、兩路正負脈沖信號,其頻率從1Hz20kHz連續(xù)可調(diào),用于模擬數(shù)控機床及各種外部設(shè)備和各種傳感器輸入信號。2.4傳感器模塊該模塊的主要作用是提供盡可能多的傳感器及其接口,如:提供光電

5、編碼器、接近開關(guān)傳感器、光敏二極管、光敏三極管、壓電陶瓷傳感器、熱敏電阻、熱電偶、直線位移傳感器、霍爾傳感器等。同時,該模塊還配有相應(yīng)的各類傳感器的信號處理電路。2.5驅(qū)動模塊該模塊的主要作用是能提供:(1)隔離電路。在工業(yè)控制中,為了去除干擾,同時為了系統(tǒng)的平安,輸入、輸出信號的隔離是非常必要的,本模塊可設(shè)置多路光電藕合器隔離電路。(2)驅(qū)動電路。包括直流電機的驅(qū)動電路、步進電機的驅(qū)動電路等。2.6被控對象模塊該模塊的主要作用是提供被控對象。在該模塊中可提供齒輪減速器、滾珠絲杠螺母副、連軸器以及其它機械構(gòu)件,同時也可提供諸如燈、發(fā)光二極管、繼電器等電器設(shè)備。電機在機電控制實驗中是必不可少的。

6、本系統(tǒng)設(shè)置了一個步進電機以及一個直流伺服電機。3特點由于本實驗平臺采用模塊化設(shè)計理念和組件式的架構(gòu)原那么,雖然構(gòu)造簡單,然而在進展功能組合時非常方便,最突出的特點是改變了原有實驗控制設(shè)備單一、控制手段缺乏、被控對象缺乏等狀況,也改變了原有實驗單一死板的實驗內(nèi)容,對實驗方案可進展靈敏多樣的變化組合。詳細特點如下:(1)操作簡單、靈敏、方便。學生做實驗時可根據(jù)實驗所需靈敏地選擇各個模塊中的不同組件1,不必過多的考慮與實驗關(guān)系不大的其他技術(shù)環(huán)節(jié)。這樣,既調(diào)動了學生的學習積極性和創(chuàng)造性,又進步了實驗效率。(2)學生可根據(jù)不同的課程來選擇不同的實驗內(nèi)容。由于在各模塊上可以任意選擇、安裝實驗所需的組件,因

7、此使得學生可以直觀地理解控制系統(tǒng)構(gòu)成的各個組成部分的細小環(huán)節(jié),掌握各種元器件在使用時的接線和控制方法,解決了已往實驗設(shè)備整體封閉、學生只能通過外部來理解系統(tǒng),而對系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)動作的工作原理不能直觀理解的缺點。(3)滿足多層次的需求。由于該環(huán)境是開放的,它既可搭配簡單的控制電路,又可構(gòu)成較復雜的控制系統(tǒng),因此該環(huán)境具有隨機實驗環(huán)境的特點。學生可就同一實驗內(nèi)容,設(shè)計多種不同起點、不同途徑的實驗方案4。讓學生自主選擇實驗形式,設(shè)計實驗方案,并為他們提供屢次實驗時機,可以使學生通過不同途徑、不同方式進入同樣內(nèi)容學習的環(huán)境,從而獲得對同一事物或同一問題的多方面的認識與理解,同時也滿足不同層次學生學習的需

8、要5。(4)滿足學生個性化的要求。自擬實驗方案,自主確定實驗儀器和設(shè)備。(5)留有拓展空間。該實驗環(huán)境預留了各種高性能雙列直插式圓腳集成電路插座,可組成各種控制電路,給學生留有廣闊的設(shè)計空間,為學生設(shè)計并實現(xiàn)完成不同功能的各種控制系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。(6)一臺多用。通過對這些不同設(shè)備的使用,進步了本實驗環(huán)境的綜合實驗性能,實現(xiàn)了設(shè)備一臺多用的目的。(7)可以靈敏組合。實驗功能板具有固定線路與靈敏組合相結(jié)合的特點。選擇電源模塊、控制器模塊、根本功能模塊、驅(qū)動模塊、被控對象模塊,就可構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng),在此根底上增加檢測模塊就可構(gòu)成一個半閉環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。(8)可用于創(chuàng)新理論的開發(fā)。如各種創(chuàng)新機器人大

9、賽先期的設(shè)計及調(diào)試工作可在該環(huán)境下進展,既縮短了設(shè)計周期,又降低了開發(fā)本錢。4可開出的實驗工程(1)步進電動機控制系列軟件環(huán)形分配器的設(shè)計實驗硬件環(huán)形分配器的設(shè)計實驗光電隔離電路設(shè)計實驗驅(qū)動電路的設(shè)計實驗步進電動機正反轉(zhuǎn)控制實驗步進電動機調(diào)速實驗(2)數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)綜合實驗系列控制系統(tǒng)設(shè)計實驗擴展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器實驗設(shè)計顯示電路和鍵盤電路的實驗擴大I/接口電路的實驗其他輔助控制電路設(shè)計實驗伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計實驗(3)數(shù)控機床運動軌跡控制綜合實驗系列數(shù)控技術(shù)逐點比擬法插補算法實驗刀具運動軌跡的控制實驗(4)工業(yè)控制、傳感器綜合型實驗系列小型立體倉庫模型控制系統(tǒng)設(shè)計實驗?zāi)M普通機床數(shù)

10、控化改造實驗?zāi)M工業(yè)機器人機構(gòu)與伺服系統(tǒng)設(shè)計實驗自動分揀系統(tǒng)的設(shè)計及控制實驗單軸運動半閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計實驗教室的燈光管理實驗自動檢票系統(tǒng)設(shè)計實驗(5)可編程控制器實驗系列根本指令編程練習三層電梯控制系統(tǒng)的模擬四層電梯控制系統(tǒng)的模擬機械手動作的模擬LED數(shù)碼顯示控制五相步進電機的模擬控制十字路口交通燈控制。5總結(jié)利用具有可重組功能的計算機控制平臺,為完成機電控制方面的實驗提供了一個很好的環(huán)境,使復雜、煩瑣的工作變得簡單、靈敏、方便,使原來的只能完成單一實驗的設(shè)備經(jīng)過整合、二次開發(fā),能滿足多門課程的實驗教學需要,實驗的深度與廣度可根據(jù)需要作靈敏調(diào)整。由于環(huán)境建立采用組件式構(gòu)造,更換便捷,如需要擴展功能

11、或開發(fā)新實驗,只要在各模塊中添加所需部件即可。各模塊圖線清楚、標識清楚、作用明確,使使用者操作、維護方便。例如,選擇一套步進電機、齒輪減速器、滾珠絲杠螺母副、連軸器、光電編碼器等,就可構(gòu)成一維單軸運動半閉環(huán)控制系統(tǒng);假設(shè)選用上述兩套設(shè)備就可構(gòu)成二維X-Y傳動系統(tǒng);假如選用三套,就可構(gòu)成三維立體傳動系統(tǒng),可完成諸如小型立體倉庫、數(shù)控機床運動軌跡控制等綜合實驗,并為開展較大型的綜合性實驗提供了可能。另外,對目前學校已購置了慧魚創(chuàng)新機構(gòu)設(shè)計平臺,我們可以利用該環(huán)境對其控制系統(tǒng)進展改造,即可以用單片機進展控制,也可以用微機等其它設(shè)備進展控制;既可用匯編語言,也可用語言或其他高級語言來進展控制程序的設(shè)計

12、與編碼。這樣使學生熟悉了各種控制器的設(shè)計方法,進步了他們對電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計才能。同時該環(huán)境也為課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、學生課外科技活動等提供了理論創(chuàng)新的平臺。開發(fā)現(xiàn)有實驗資源,加強實驗室建立,改良實驗教學方法與手段,實現(xiàn)理論教學與理論的有機結(jié)合,只有這樣才能充分實現(xiàn)學生知識才能的遷移、轉(zhuǎn)化和創(chuàng)新,這對培養(yǎng)人才具有非常重要的意義。理論證明,綜合實驗室的建立與功能開發(fā),在理論教學改革中發(fā)揮著越來越重要的作用。我們將進一步拓展實驗教學時空、創(chuàng)新實驗教學方法,進步實驗教學質(zhì)量,為全面進步人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定堅實的基矗參考文獻(Referenes):1蔡亞萍.綜合實驗設(shè)計J.科學教育研究,2001(9):35-36.2胡春光,王仲,楊燕罡,等.一種新型測控綜合實驗臺的研制與開發(fā)J.實驗技術(shù)與管理,2022,20(3):24-27.3慕強.在綜合實驗教學中培養(yǎng)學生的研究開發(fā)才能J.實驗室研究與探究,2022,23(10):8-9.4周雅,王春霞,羅軍明,等.材料科學綜合實驗課新探