具有重组功能的机电系统综合实验环境建设 论文关键词:综合实验实验环境重组机电系统 论文摘要:介绍了一种具有重组功能的机电系统综合实验环境的建设方案，学生在该环境下可根据自己的需要，灵活地完成多种控制器的机电控制系统方面的综合实验。 1实验环境建设的指导思想 “机电系统综合实验”是我校近几年开设的集中综合性实验课程。它是集机械设计、数控技术、模拟与数字电路、控制工程、检测技术、计算机控制、机械制造等多门课程知识综合应用的、实践性很强的一门课程。我们现在开设这门课程中所使用的设备包括计算机、计算机接口板和数控X-Y工作台，其控制系统的架构单一、被控对象较少，学生只能被动的使用指定的控制器、功能模块，针对单一的对被控对象构建机电控制系统，这使得学生不能自行选择被控对象和自主设计控制系统，束缚了学生创造性思维的发挥，同时也限制了实验内容的展开。 为了改变上述状况，结合学校近期开展的三期本科评建的机会，对该课程的实验环境进行改造，其主要工作是建设一个具有重组功能的机电系统综合设计平台3，该平台可提供多种控制器和检测元件，可支持尽可能多的被控对象2。为此，在建设过程中采用模块化设计7，使得基于该平台的综合实验便于功能模块的组合、扩展，也便于检查、维护及调试。学生在这个平台可针对不同被控对象，灵活地搭建各种控制系统。利用该环境既可开设机电控制系统的一般原理性、验证性实验，又可完成较大型的综合及设计性的实验。由于该环境被设计成开放性的平台，学生还可根据自己的兴趣爱好，自行设计并完成各种机电控制系统的实验。 2实验环境的设计与结构 要达到上述目标，在建设时就要考虑到实验环境要具有可重组性和开放性。因此，在设计时按功能模块将环境分为六大部份，即电源模块、控制器模块、基本功能模块、传感器模块、驱动模块、被控对象模块，每个模块采用组件式结构，如图1所示。 2. 1电源模块 安装各种实验所需的电源:交流220 V、直流24V /5V，为了学生的人身安全，本模块应设置电源总开关并进行可靠的接地处理，同时各电源的要有指示灯，以方便学生接线用。 2. 2控制器模块 主要用于安装各种实验用控制设备，学生可根据不同的实验内容、要求、兴趣，选择不同的控制设备。如计算机、单片机、工控机、PLC可编程控制器，在这个区域还应设计相应的接口电路，为各个控制设备提供相匹配的各种控制信号。 2. 3基本功能模块 该模块的主要作用是能提供诸如I/O接口、中断信号、定时/计数器、A/D、D/A转换等功能，同时还能提供显示器、纽子开关、按键，并预留电阻、电容、二极管、三极管、晶振插孔以及各种高性能双列直插式圆脚集成电路插座6，并能提供8路数字信号、2路模拟信号(电压从05 V)、两路正负脉冲信号，其频率从1Hz20 kHz连续可调，用于模拟数控机床及各种外部设备和各种传感器输入信号。 2. 4传感器模块 该模块的主要作用是提供尽可能多的传感器及其接口，如:提供光电编码器、接近开关传感器、光敏二极管、光敏三极管、压电陶瓷传感器、热敏电阻、热电偶、直线位移传感器、霍尔传感器等。同时，该模块还配有相应的各类传感器的信号处理电路。 2. 5驱动模块 该模块的主要作用是能提供: (1)隔离电路。在工业控制中，为了去除干扰，同时为了系统的安全，输入、输出信号的隔离是非常必要的，本模块可设置多路光电藕合器隔离电路。 (2)驱动电路。包括直流电机的驱动电路、步进电机的驱动电路等。 2. 6被控对象模块 该模块的主要作用是提供被控对象。在该模块中可提供齿轮减速器、滚珠丝杠螺母副、连轴器以及其它机械构件，同时也可提供诸如灯、发光二极管、继电器等电器设备。电机在机电控制实验中是必不可少的。本系统设置了一个步进电机以及一个直流伺服电机。 3特点 由于本实验平台采用模块化设计理念和组件式的架构原则，虽然结构简单，然而在进行功能组合时十分方便，最突出的特点是改变了原有实验控制设备单一、控制手段缺乏、被控对象不足等状况，也改变了原有实验单一死板的实验内容，对实验方案可进行灵活多样的变化组合。具体特点如下: (1)操作简单、灵活、方便。学生做实验时可根据实验所需灵活地选择各个模块中的不同组件1，不必过多的考虑与实验关系不大的其他技术环节。这样，既调动了学生的学习积极性和创造性，又提高了实验效率。 (2)学生可根据不同的课程来选择不同的实验内容。由于在各模块上可以任意选择、安装实验所需的组件，因此使得学生可以直观地了解控制系统构成的各个组成部分的细小环节，掌握各种元器件在使用时的接线和控制方法，解决了已往实验设备整体封闭、学生只能通过外部来了解系统，而对系统中各环节动作的工作原理不能直观了解的缺点。 (3)满足多层次的需求。由于该环境是开放的，它既可搭配简单的控制电路，又可构成较复杂的控制系统，因此该环境具有随机实验环境的特点。学生可就同一实验内容，设计多种不同起点、不同路径的实验方案4。让学生自主选择实验模式，设计实验方案，并为他们提供多次实验机会，可以使学生通过不同途径、不同方式进入同样内容学习的环境，从而获得对同一事物或同一问题的多方面的认识与理解，同时也满足不同层次学生学习的需要5。 (4)满足学生个性化的要求。自拟实验方案，自主确定实验仪器和设备。 (5)留有拓展空间。该实验环境预留了各种高性能双列直插式圆脚集成电路插座，可组成各种控制电路，给学生留有广阔的设计空间，为学生设计并实现完成不同功能的各种控制系统创造了条件。 (6)一台多用。通过对这些不同设备的使用，提高了本实验环境的综合实验性能，实现了设备一台多用的目的。 (7)可以灵活组合。实验功能板具有固定线路与灵活组合相结合的特点。选择电源模块、控制器模块、基本功能模块、驱动模块、被控对象模块，就可构成开环控制系统，在此基础上增加检测模块就可构成一个半闭环或闭环控制系统。 (8)可用于创新实践的开发。如各种创新机器人大赛先期的设计及调试工作可在该环境下进行，既缩短了设计周期，又降低了开发成本。 4可开出的实验项目 (1)步进电动机控制系列 软件环形分配器的设计实验 硬件环形分配器的设计实验 光电隔离电路设计实验 驱动电路的设计实验 步进电动机正反转控制实验 步进电动机调速实验 (2)数控机床电气控制系统综合实验系列 控制系统设计实验 扩展程序存储器和数据存储器实验 设计显示电路和键盘电路的实验 扩充I/O接口电路的实验 其他辅助控制电路设计实验 伺服系统控制电路设计实验 (3)数控机床运动轨迹控制综合实验系列 数控技术逐点比较法插补算法实验 刀具运动轨迹的控制实验 (4)工业控制、传感器综合型实验系列 小型立体仓库模型控制系统设计实验 模拟普通机床数控化改造实验 模拟工业机器人机构与伺服系统设计实验 自动分拣系统的设计及控制实验 单轴运动半闭环系统设计实验 教室的灯光管理实验 自动检票系统设计实验 (5)可编程控制器实验系列 基本指令编程练习 三层电梯控制系统的模拟 四层电梯控制系统的模拟 机械手动作的模拟 LED数码显示控制 五相步进电机的模拟控制 十字路口交通灯控制。 5总结 利用具有可重组功能的计算机控制平台，为完成机电控制方面的实验提供了一个很好的环境，使复杂、烦琐的工作变得简单、灵活、方便，使原来的只能完成单一实验的设备经过整合、二次开发，能满足多门课程的实验教学需要，实验的深度与广度可根据需要作灵活调整。由于环境建设采用组件式结构，更换便捷，如需要扩展功能或开发新实验，只要在各模块中添加所需部件即可。各模块图线分明、标识清楚、作用明确，使使用者操作、维护方便。 例如，选择一套步进电机、齿轮减速器、滚珠丝杠螺母副、连轴器、光电编码器等，就可构成一维单轴运动半闭环控制系统;若选用上述两套设备就可构成二维X-Y传动系统;如果选用三套，就可构成三维立体传动系统，可完成诸如小型立体仓库、数控机床运动轨迹控制等综合实验，并为开展较大型的综合性实验提供了可能。另外，对目前学校已购置了慧鱼创新机构设计平台，我们可以利用该环境对其控制系统进行改造，即可以用单片机进行控制，也可以用微机等其它设备进行控制;既可用汇编语言，也可用C语言或其他高级语言来进行控制程序的设计与编码。这样使学生熟悉了各种控制器的设计方法，提高了他们对电气控制系统的设计能力。同时该环境也为课程设计、毕业设计、学生课外科技活动等提供了实践创新的平台。开发现有实验资源，加强实验室建设，改进实验教学方法与手段，实现理论教学与实践的有机结合，只有这样才能充分实现学生知识能力的迁移、转化和创新，这对培养人才具有十分重要的意义。 实践证明，综合实验室的建设与功能开发，在实践教学改革中发挥着越来越重要的作用。我们将进一步拓展实验教学时空、创新实验教学方法，提高实验教学质量，为全面提高人才培养质量奠定坚实的基础。 参考文献(References): 1蔡亚萍.综合实验设计J.科学教育研究， 2001(9): 35-36. 2胡春光，王仲，杨燕罡，等.一种新型测控综合实验台的研制与开发J.实验技术与管理， 2003， 20(3): 24-27. 3慕强.在综合实验教学中培养学生的研究开发能力J.实验室研究与探索， 2004， 23(10): 8-9. 4周雅，王春霞，罗军明，等.材料科学综合实验课新探J.南昌航空工业学院学报(社会科学版)， 2005， 7(1): 87-90. 5黄志辉，刘国买，皮和，等.机电综合实验系统的建设与实践J.实验室研究与探索， 2000(1): 87-89. 6赵志超，范文利，金薇.机电一体化综合实验周的探索与实践J.电气电子教学学报， 2004， 26(1): 76-77. 7孙树文，张慧慧.机电一体化综合实验系统的研制J.实验技术与管理， 2001， 18(6): 98-100. 12