一种基于模块化的机电一体化综合实验平台研发

　　摘要：介绍一种基于模块化的机电一体化综合实验平台。该平台采用模块化的布局设计， 教师可以根据理论或实验教学的需要组合相关模块， 完成多项综合性教学实验。

　　关键词：机电一体化； 综合实验平台； 模块化；

　　Abstract:

　　A Kind of mechatronics integrated experiment platform based on modular design is introduced in this paper. The platform adopts modular layout design, teacher can compose related module together according to command of course and experiment teaching, complete a number of comprehensive experimental teaching.

　　Keyword:mechatronics; integrated experiment platform; modularization;

目录

　　1前言………………………………………………………………1

　　2实验台总体方案设计………………………………………………………………2

　　3模块间组合与课程关系………………………………………………………………3

　　4结束语………………………………………………………………4

　　文内图表………………………………………………………………5

　　图1实验台系统结构框架………………………………………………………………6

　　图3人机界面组态与应用技术课程相关模块连接………………………………………………………………6

　　图2可编程控制器课程相关模块连接………………………………………………………………6

　　图4电机与电气控制技术课程。相关模块连接………………………………………………………………7

　　图5机电一体化系统设计课程相关模块连接………………………………………………………………7

　　参考文献………………………………………………………………8

　　1 前言

　　为配合常州信息职业技术学院"机电一体化技术品牌特色专业"建设， 笔者研究开发一种机电一体化综合实验平台。该平台采用模块化的设计方法， 相关模块之间可根据课程或实验的需要进行组合， 完成多个综合性实验。在确定各个模块时， 充分考虑机电一体化专业相关课程的需要。普通实验设备一般具有一定的专用性， 能够开设的实验数量有限。机电类专业实验数目众多， 所需实验设备的种类也很多， 这就增加了实验设备的成本及管理的难度。本平台采用模块化设计后， 将机电类绝大多数实验集中在一个平台上， 既节省了空间， 又降低了维护成本。实验台整体结构如图1 所示。

　　图1 实验台系统结构框架

　　2 实验台总体方案设计

　　根据机电一体化专业主干课程的实验教学要求， 采用模块化设计， 使该平台具有很强的通用性[1].各个模块既可单独完成某门课程的实验， 也可相互组合完成复杂的机电一体化综合性创新实验。该平台适应的主要课程包括机电一体化系统设计、人机界面组态与应用技术、可编程控制器、电机与电气控制技术课程。平台的总体方案设计时遵循模块化原则， 既考虑上述所列机电类各课程实验需要， 又要考虑教学的开放性要求。该平台共计四个模块， 如图所示， 分别为可编程控制器及定位模块、人机界面模块、电机及拖动模块、机械本体模块。三轴运动平台Z轴可以根据课程需要固定气动手抓、分离机构等机械本体。

　　图3 人机界面组态与应用技术课程相关模块连接  

　　3 模块间组合与课程关系

　　基于平台上各个模块的开发性布局， 各模块可根据课程需要进行组合， 完成相关课程实验教学。

　　可编程控制器课程根据课程所需实验， 将图1 所示的可编程控制器及定位模块、电机及拖动模块和机械本体模块进行部分连接。将PC机通过编程电缆与可编程控制器 （FX3U） 连接， 利用PC机中GX-Developer实现程序的上传、下载及实时监控。FX3U可编程控制器通过高速脉冲口Y0、Y1 及其他相关I/O口分别与步进电机驱动器和功率放大器连接， 用于驱动步进电机和直流电机。可编程控制器课程相关模块连接如图2 所示。常规实践教学可借助GXSimulator_6 仿真软件进行， 如交通灯实验、机械手实验等。

　　图2 可编程控制器课程相关模块连接

　　其他实验教学部分可利用图2 所示连接情况进行。可开展的PLC实验教学项目包括步进电机的调速控制、步进电机的开环/ 闭环控制、直流电机PWM调速控制。

　　人机界面组态与应用技术课程根据人机界面组态与应用技术课程授课要求， 将人机界面模块、可编程控制器及定位模块及电机及拖动模块进行部分连接， 如图3 所示。

　　图4 电机与电气控制技术课程相关模块连接  

　　利用PC机完成编写触摸屏程序， 完成触摸屏项目组态及画面制作。触摸屏通过编程口与PLC进行通讯， 通过对PLC中与电机运行相关变量的读取和写入， 实现对步进电机和直流电机运行监控。PLC扩展口与FX2N-20GM定位单元连接， 定位单元控制另一台伺服电机， 实现位置控制。可开展的触摸屏实验项目包括基于PLC和触摸屏的步进电机控制、基于PLC和触摸屏的直流电机控制、基于PLC和触摸屏的伺服电机位置控制、基于FX2N-20GM的伺服电机位置控制。经过上述项目的实施， 实现触摸屏对硬件系统的控制。

　　电机与电气控制技术课程根据电机与电气控制技术课程授课要求， 将可编程控制器及定位模块与电机及其拖动模块进行部分连接， 如图4 所示。

　　电机与电气控制技术课程主要包括电机和控制两部分。通过上述相关模块的连接， 课程所涉及的常用电机都有体现， 包括三相异步电机、直流电机、步进电机及伺服电机。关于电机的结构、原理及常用的控制方式， 可在理论教学中完成。图4 所示的模块连接完成后， 可根据课程需要开设如下实践教学项目：步进电机运行控制 （启停、调速、定位） 、直流电机运行控制 （启停、正反转、PWM调速） 、三相异步电机控制 （启停、正反转、多段速） 、伺服电机控制 （启停、调速、定位、插补） .其中两台伺服电机控制器采用三菱FX2N-20GM双轴控制模块， 其他电机控制器采用三菱FX3U系列PLC.

　　图5 机电一体化系统设计课程相关模块连接

　　机电一体化系统设计课程根据机电一体化系统设计课程要求， 将平台上所有模块进行系统连接， 如图5 所示。将人机界面模块、可编程控制器及定位模块、电机及拖动模块、机械本体模块进行系统连接。以三轴运动平台、回转工作台及分离机构作为机电一体化系统的执行部件， 人机界面模块监控相关执行部件的运行情况， PLC及定位模块控制电机的运行。可开展与机电一体化系统设计课程相关的实验教学项目有X-Y工作台机电系统综合实验、回转工作台结构及电气控制、X-Y工作台直线/ 圆弧插补控制、气动机械手搬运实验。

　　4 结束语

　　该实验平台采用模块化布局设计， 教师根据教学需要对相关模块进行连接。实验平台的开放性、综合性、通用性得到有效提高。实践结果表明， 该实验平台模块化布局设计， 能够满足大部分机电一体化专业课程的实验教学要求。

　　参考文献
　　[1]李东民， 张建中， 宋庆军， 等。基于机电一体化系统设计理论的机电液综合实验台开发[J].机床与液压， 2012 （22） :68-70.
　　[2]尹志强， 王玉琳。创新型机电一体化实验教学平台的研究与开发[J].机床与液压， 2009 （12） :62-65.
　　[3]王玉珍。机电一体化实验教学改革探索与实验[J].科技创业家， 2012 （10） :192-193.