机电一体化技术综合实验实训系统研究与实践

朱 涛 吉 智

徐州工业职业技术学院 江苏徐州 221140

机电一体化技术综合实验实训系统研究与实践

朱 涛 吉 智

徐州工业职业技术学院 江苏徐州 221140

研究一种新型的机电一体化综合实验实训系统，利用一个教学案例说明该系统在机电一体化综合实训课程中的应用。在教学中利用该实训系统开发出多种实训项目，推行理论实践一体化教学，节省了教学成本，取得了较好的教学效果。

机电一体化技术；实训装置；可编程控制器

Abstract: In this paper, a novel integrated experiment and practical training system of mechatronics technology was fully researched, whose application in the mechatronics integrated training course was shown in a teaching case. With this training system used to develop a variety of training programs in the teaching process, we push the integration teaching of theory and practice ahead, save the cost of teaching and gain good results.

Key words: mechatronics technology; training equipment; programmable controller

机电一体化综合实训作为高等职业院校的一门专业性很强的课程，因其突出的工程意识、较强的实践能力、敏锐的创新能力和较高的综合素质培养，在机电一体化技术专业人才培养中具有举足轻重的作用。机电一体化技术综合实验实训系统针对实验实训教学开发，旨在帮助学生加深对机电一体化系统的理解，提高应用机电一体化技术构建系统的能力，方便各种机电一体化系统的调试和实训项目的完成。因此，机电一体化实验实训系统的功能和其直观性直接影响到学生实训的效率和效果，开发功能完善、使用方便、界面形象友好的实训系统是提高教学效果非常重要的手段。

1 机电一体化技术综合实验实训系统研究现状

近年来，国内机电一体化实验实训系统发展比较快，生产厂家也比较多，普遍应用可编程控制器技术实现系统的自动化控制，大致可以分为以下两类：

(1)低档产品大都为实际装置的原理模拟。采用PCB电路板来模拟各种实验功能，常用发光二极管代表被控对象，用开关代表传感器或其他输入信号。例如，自动车实验中，以发光二极管的亮、灭代表小车的前进、后退，以开关的闭合、断开代表限位开关的通断。它们和工业现场实际设备不同，常常用来训练学生可编程控制器简单的软件开发技能。另外，此类实验系统功能比较单一，一般不具备现场总线通信；触摸屏应用；模拟量输入输出实验；低压电器应用实验；技能培训考核等功能。

(2)高档产品一般为实际装置的缩小模型。系统复杂，实验功能强大，既可以应用于课程实验教学，也可以应用于技能培训考核教学。一般集成了可编程控制器、机械、液压、气动、光电、运动控制等多种先进技术，但价格很高，许多学校无力承担，更不可能大批量购买用于日常教学。另外，系统过于复杂也不利于刚开始学习课程的学生掌握，在课程教学中不够灵活方便。

机电一体化技术广泛应用于工业现场，因此其实验实训系统必须和工业现场尽可能一致，这也成为此类实验实训系统最主要的发展趋势之一。职业教育比较发达的国家采用以上第二类实验系统的比较多，但限于以上所述产品的局限性，更多的时候是将以上二者相结合，自行设计制作或委托制作一种广泛采用工业元器件、系统比较简化、突出原理教学、采用实验台式开放布置的教学实训装置。这种类型的实验实训装置既和工业实际装置有很高的一致性，对教学有很好的针对性，系统结构又不太复杂便于学生学习掌握，设计制作过程中也锻炼了教师和学生，同时成本又得到了有效的控制，便于批量推广应用。

2 新型机电一体化技术综合实验实训系统的特点

笔者所研究的系统是在认真分析国内外现有实验实训装置的基础上设计开发的一种新型机电一体化实验实训装置，部分功能如图1所示。具有以下显著的特点：

(1)利用计算机技术实现故障设置、显示、管理以及操作过程监视、记录、成绩评定功能。此技术我们拥有完全自主的知识产权，具有创新性、先进性。

(2)既有模拟实验又有实物实验，以实物实验为主，避免验证性实验的不足，追求真正“原汁原味”的技能考核与实验、实训效果。

(3)比现有设备具备更多的实验实训项目。包含多种自动化技术，如现场总线、触摸屏、气动等。全面取代一般的可编程控制器、低压电器、气动等实验、实训装置。

(4)结构完全开放，更有利于教学。采用德国双元制电气安装模板，完全敞开式结构，利于实训、考核操作。

(5)模块化设计，各模块可灵活组合，升级扩展方便，可以扩展出系列化、多种类型的可编程控制器、低压电器、气动等实验实训设备。

(6)不仅可应用于实验教学，还具备技能训练考核功能。

(7)完善的安全系统，真正确保安全。

(8)价格低廉，便于推广应用。

3 新型机电一体化技术综合实验实训系统构成

该实验实训系统由实物实验实训区、模拟实验实训区、故障管理子系统、安全保护子系统4个部分组成。

实物实验实训区布置可编程控制器及其扩展模块、低压电器等工业元器件，可完成多种可编程控制器和低压电器综合实验、实训，如自动台车控制、电机变频闭环调速、步进、伺服电机驱动、现场总线通信实验、触摸屏实验等。关键技术主要是现场总线通信软件开发、触摸屏软件开发、模拟量控制软件开发、上位机组态软件开发等。

实物实验实训区的实验实训完全采用实物构成，如电机变频闭环调速控制，实物系统相对简单，成本不高。而如图2所示的机械手控制，和企业所用机械手无本质上的区别，仅在体积上缩小，这样的实物系统复杂，由于需要气源，占地面积较大，成本较高，但是很接近真正的工业现场。

为了节省成本，本系统设置了如图3所示的模拟实验实训区，主要用于复杂系统的软件编程开发训练。每个模拟实验板模块尺寸相同，完成一个模拟实验，通过导轨固定在实验台上，因此可以根据需要方便地更换。可以完成机械手、交通灯、电梯、自控轧钢机等15个实验。此部分与传统的可编程控制器实验台类似，成功开发出了所有功能模块的PCB板和相应的可编程控制软件，技术上比较成熟。

本系统研制开发了如图4所示的故障管理子系统，该系统综合应用组态软件和计算机控制技术，通过一个以单片机为核心的实验台集中控制器、RS485总线以及上位机组态软件轻松地通过鼠标、屏幕实现对电路故障的设置、管理、人员操作的监视、记录以及成绩的评定，该项技术改变了目前国内电气实验台广泛采用的开关手动模拟设置电气电路故障的落后状态，填补了电气类教学仪器故障设置计算机管理技术的空白。

由于本系统的主要使用者是处在课程学习过程中的学生，因此充分考虑了其安全性。通过以下措施对其安全性进行保障：(1)装置采用隔离变压器和供电电路隔离，形成浮地设计，彻底保证安全。(2)周到的过压、过流保护设计。(3)广泛采用安全插头设计。(4)外壳接地状态检测。

4 教学案例设计

可编程控制器和低压电器综合实验(如图5所示)，以自动车控制为例，在网孔板上安装行程开关、接触器、热继电器、熔断器等低压电器，构成一个完整的自动车控制电气系统。

某自动台车在启动前位于导轨的中部，其一个工作周期的控制工艺要求如下：

(1)按下启动按钮SB，台车电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQl后，台车电机M反转，台车后退。

(2)台车后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，台车停车，停5s，第二次前进，碰到限位开关SQ3，再次后退。

(3)当后退再次碰到限位开关SQ2时，台车停止。

为设计本控制系统的梯形图，先安排输入、输出口及机内器件。台车由电机M驱动，正转(前进)由PLC的输出点Y1控制，反转(后退)由Y2控制。为了解决延时5s，选用定时器T0。将启动按钮SB及限位开关SQl，SQ2，SQ3分别接于X0，X1，X2，X3。根据对启—保—停电路的分析，梯形图设计的根本目标是找出符合控制要求的以输出为对象的工作条件。本例的输出是代表电机前进及后退的两个接触器。实验进行前让学生分析电机前进和后退的条件，教师归纳总结以下几点。

(1)第一次前进：从启动按钮SB(X0)按下开始至碰到SQl(X1)为止。

(2)第二次前进：由SQ2(X2)接通引起的定时器T0延时时间到开始至SQ3(X3)被接通为止。

(3)第一次后退：从SQl(X1)接通时起至SQ2(X2)被接通止。

(4)第二次后退：从SQ3(X3)接通时起至SQ2(X2)被接通止。

梯形图设计的过程如下：

(1)绘第一次前进的支路。依启—保—停电路的基本模式，以启动按钮X0为启动条件，限位开关X1的常闭触点为停止条件，选用辅助继电器M100为代表第一次前进的中间变量。

(2)绘第二次前进的支路。依旧是启—保—停电路模式，启动信号是定时器T0计时时间到，停止条件为限位开关X3的常闭触点。选M101为代表第二次前进的中间变量。为了得到计时时间的条件，还要将定时器工作条件相关的梯形图绘出。

(3)绘总的前进梯形图支路。综合中间继电器M100及M101，得总的前进梯形图。

(4)绘后退梯形图支路。由绘二次前进梯形图的经验，后退梯形图中没有使用辅助继电器。而是将二次后退的启动条件并联置于启—保—停电路的启动条件位置，它们分别是X1及X3，停止条件为X2。

(5)对前边绘出的各个支路补充完善。如在后退支路的启动条件X1后串入M101的常闭触点，以表示X1条件在第二次前进时无效。针对Y1，Y2不能同时工作，在它们的支路中设有互锁触点等。

学生根据教师归纳的要点到实物实验区编写程序并进行硬件接线，根据教师归纳的要点，一边编写程序，一边结合实物调试程序，循序渐进、由简单到复杂，由学生自主完成任务，通过教师评价和学生互评检验学习成果。教师还可以通过故障管理子系统设置线路故障，培养学生的检修调试能力，教师也可以增加实训项目的难度，让学生设计更复杂的小车运动控制程序，学生可在上位机上与PLC通讯，模拟实现小车的控制过程，如图6所示在上位机组态软件中模拟5个行程开关与PLC构成的自动车控制系统运行，让学生的能力得到拓展。

5 结束语

机电一体化技术综合实验实训系统是一种教学设备，适用于普通高等学校、各职业学校以及职业技能培训机构。主要应用于机电一体化技术、可编程控制器应用技术、电气控制技术、机电控制技术等课程的课程设计、实训、实验教学中。该设备提供大量的典型实训项目，重在提高学生的动手能力，促进了理论实践一体化教学模式的推行。本系统为各高校、职业学校提供了一种价格容易接受、具有较高技术含量的新型机电一体化综合实验实训系统的完整解决方案，对于我国机电一体化技术应用及相关课程的教学改革、推动我国相关教学仪器行业的技术进步具有实际的意义。到目前为止已经为我校生产了36台产品，在保证实验“真实性”的基础上，较好地控制了系统成本，从而降低每组实验人数，达到更好的综合效果。

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Research and practice on integrated experiment and practical training system of mechatronics technology

Zhu Tao, Ji Zhi
Xuzhou college of industry technology, Xuzhou, 221140, China

2011-06-23 稿件编号：1106085

朱涛，硕士，工程师，教研室主任。

江苏省高校科研成果产业化推进项目。