基于LLWin控制的慧鱼创意组合模型实践应用

段振华， 吴张永， 温成卓， 吴 喜， 王庆辉

(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650093)

0 引言

随着社会的发展，人们对大学生的动手能力、创新能力和综合素质的要求越来越高。创新性人才的培养成为各教育工作者的艰巨任务与使命。自2000年以来国内许多高校陆续购置了慧鱼创意组合模型，并开设了相关的实践课程［1］。我校于2001年引进了慧鱼教具模型，结合生产实际对学生开展创新性教育，培养学生的创新能力。

1 慧鱼创意组合模型简介

慧鱼创意组合模型简称“慧鱼”系在德国Arthur Fischer博士的专利“六面拼接体”基础上发明的工程技术类智趣拼装模型。自慧鱼创意组合模型面世以来，由于其扩展性、启发性强，覆盖科学知识领域广等特点，被广泛应用于实验教学、科研创新和生产实际等方面。世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室利用慧鱼模型组合包系列建立了工程技术实验室，开展创新教育和技术创新活动［2-4］。

慧鱼创意组合模型通过各种各样的构件(功能模块)组合拼装而成，主要构件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损。连接方式采用燕尾槽插接方式，可以实现六面拼接、多次拆装和反复使用。模型的构件主要分为 3 类［5-6］:

(1)机械构件。凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、齿轮箱、铰链、齿轮、连杆、链条、履带、齿轴、齿条、涡轮及涡杆等。

(2)电器构件。发光器件、电磁气阀、接口电路板、可调直线变压器、直流电机、红外线发射接线装置、传感器(光敏、热敏、磁敏等)、接口电路板及PLC接口板等。

(3)气动构件。储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。

2 慧鱼模型的控制方式

慧鱼模型的控制方式通过电脑(PC)接口板或可编程控制器(PLC)接口进行程序控制［7］。

采用PLC控制时，PLC控制接口板直接与PLC相连，采用梯形图进行编程［8］。PLC控制方式广泛应用于现代工业的控制领域中，但PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系兼容性差，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且需要学习特定的编程语言。

采用电脑控制时，通过RS232串口与电脑连接，电脑接口板自带微处理器，编辑好的控制程序可直接写入微处理器，控制模型动作［9］。电脑控制不仅能实现PLC的控制功能，并且具有更强的数据处理能力、强大的网络通讯功能以及能够执行比较复杂的控制算法和其近乎无限制的存储容量等优势。应用电脑接口板对慧鱼模型进行控制时，可以采用慧鱼公司的LLWin软件或高级语言C、C++、VB等进行编程控制［10］。但由于高级语言的命令众多，程序复杂且不易记忆等语言本身存在的复杂性因素，使初学者不容易掌握，使用者在编程过程中容易出现错误。而LLWin编程软件以其直观的图形化编程语言，易于操作等特点被广泛应用于实验教学和工程实践方面。本文通过电脑接口板，采用LLWin编程软件对慧鱼模型进行控制和应用研究。

3 LLWin 编程软件简介［11-12］

LLWin编程软件是慧鱼公司推出的图形化、模块化编程软件，与智能接口配套使用，语言简洁、直观、易懂，能够实现对模型的实时控制。它采用图形化编程语言，运用形象、直观的图标来表示运行的程序。用户界面清晰简洁，主界面如图1所示。其中，工作区是编制控制程序的场所;菜单栏里包含着软件的各类操作命令;工具条中存放着常用的重要操作命令，包括初始化、开始/停止、连线等;工具箱里包含了编制控制程序时的功能模块，其中共有18个功能模块，编程时只需用鼠标按住所需的模块将其拖入工作区，并做相应设置，按控制要求将各个模块连接好，就可以实现对模型各种复杂运动的控制。

图1 用户界面截图

运用该软件编制控制程序方便快捷，无需手工输入大量的代码，极大地缩短了程序的编制和调试周期，有利于设计人员各种设计意图的快速实现和各种设计思想的对比优化。

4 自动物流分拣输送线模型应用实例

4.1 自动物流分拣输送线的工艺流程［13-14］

自动物流分拣输送线属于现代化机械系统，其工艺流程主要包括:①系统自动检测工件的属性将其分类分离;②根据预设的程序将分离后的物料送入相应的提升装置;③通过末端物料转移装置将其送入相应的存放位置。

4.2 自动物流分拣输送线的结构设计

根据自动物流分拣输送线的工艺流程可以将其结构分为以下3部分:

(1)分离装置。通过磁性装置分离磁性和非磁性物质，并分配到不同的输送路线上。

(2)提升/下降装置。将物料输送到不同的空间实现立体分拣。

(3)推动输送装置。将分离输送到位的物理推送到仓库中。

慧鱼创意组合模型组装的事物模型如图2所示。

4.3 控制系统设计

4.3.1 控制任务

图2 自动物流分拣输送线慧鱼模型

首先通过磁电式传感器区分磁性和非磁性物料，将非磁性物料送入存储位置1，磁性物料通过升降装置1送入2层分拣线。物料到达第2层分拣转盘，再次通过磁电传感器进行分拣，将分拣出的非磁性物料送入存储位置2，磁性物料经转台旋转90°将物料送入升降装置2，升降机2将物料送入指定位置后由推送装置将物料送入存储位置3，完成动作。

根据自动物流分拣输送线控制任务完成控制流程框图，如图3所示。

图3 控制流程图

4.3.2 控制系统硬件设计［15-16］

用1台微型计算机作为系统的控制计算机，参数检测部分采用慧鱼自带的光电开关、行程开关和磁电式传感器。输出驱动部分采用直流伺服电动机。连接部分采用慧鱼智能接口板作为I/O通道，慧鱼智能接口板集成了4路输出接口，可以连接电动机、电磁铁或灯等。还有8路输入接口，可以连接开关、光敏、电敏、磁敏传感器等。板上自带微处理器，通过串口就可以与计算机连接，在计算机上编好了程序可以移植到接口板的微处理器上，对模型进行控制。

4.3.3 控制系统软件设计

使用LLWin软件编写控制程序。根据系统的控制流程框图，明确各个部件的动作顺序和动作时间，在编辑窗口中插入所需要的功能控制模块。按逻辑关系连好各个模块间的连线，在需要赋值的模块中填入所需的参数。LLWin主程序控制流程图如图4所示。

图4 主程序图

5 结语

自动物流分拣输送线系统模型能够完成设计工艺过程。系统能够按着控制要求中的运动顺序，运动时间准确运行，但系统运行中的启停位置与控制要求略有偏差，这是由于受到模型本身的行程开关和光电开关精度的影响。在实际应用中可以根据使用要求选择较高精度的传感器，即可改善精度方面的不足。

实践证明采用模块化编程语言LLWin控制的慧鱼模型不仅可以用于实验教学，培养学生的创新能力。还可以应用在工程实践中模拟现代机械系统，对现实工程问题进行模拟验证，可以缩减设计周期，优化控制系统，节约工程成本。

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