【正文】 機(jī)電一體化教育實(shí)驗(yàn)室——可編程邏輯控制器和物料搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)Hany Bassily a, Rajat Sekhon a, David E. Butts b,1, John Wagner a,*A Department of Mechanical Engineering, Clemson University, Clemson, SC 29634, United StatesB Engineering Technologies and Engineering Transfer Midlands Technical College, Columbia, SC 29202, USAReceived 13 February 2006。 accepted 19 June 2007摘要在制造業(yè)和物料運(yùn)輸流程系統(tǒng)中，機(jī)器、傳輸帶、傳感器以及可編程控制器的集成需要工程師的技術(shù)技能以及專業(yè)知識(shí)。對(duì)于成功的系統(tǒng)開發(fā)，協(xié)調(diào)好裝配操作以及管理控制需要熟悉機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)、儀表、執(zhí)行器、計(jì)算機(jī)編程等相關(guān)知識(shí)。本文提出的教育機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)多學(xué)科、實(shí)踐性以及具有團(tuán)隊(duì)性的工程項(xiàng)目系統(tǒng)集成。并重點(diǎn)敘述了三個(gè)漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，允許學(xué)生編程以及操作可編程邏輯控制器，傳統(tǒng)的輸送機(jī)系統(tǒng),分布式伺服馬達(dá)的基礎(chǔ)輸送機(jī)。學(xué)生們還計(jì)劃和實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械手材料處理應(yīng)用程序。設(shè)備，學(xué)習(xí)目標(biāo)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)方法引導(dǎo)學(xué)生更好的思考以及洞察問(wèn)題。一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)方案的研究出現(xiàn)在能夠創(chuàng)造智能物料搬運(yùn)系統(tǒng)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)中?？偟膩?lái)說(shuō),工程畢業(yè)生一般都要求學(xué)習(xí)物料搬運(yùn)和其他多學(xué)科領(lǐng)域的概念,因此,一個(gè)豐富的工程課程應(yīng)包含機(jī)電一體化的教室和實(shí)驗(yàn)室。2007愛思唯爾有限公司。版權(quán)所有。關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化。可編程邏輯控制器。輸送機(jī)。機(jī)器人。傳感器1. 介紹 消費(fèi)產(chǎn)品制造商越來(lái)越多地依賴于多學(xué)科的合作開發(fā)技術(shù)系統(tǒng),經(jīng)常會(huì)涉及電氣、機(jī)械和工業(yè)工程領(lǐng)域。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的工程師們常常被組織成一個(gè)跨功能團(tuán)隊(duì)，他們給團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了決定性的技能。為了促進(jìn)多學(xué)科的團(tuán)隊(duì),工程師必須發(fā)展他們的團(tuán)隊(duì)合作，解決問(wèn)題，協(xié)同設(shè)計(jì)，和溝通技巧以及傳統(tǒng)的技術(shù)能力[3]。進(jìn)一步假設(shè)，越來(lái)越多的工程畢業(yè)生將各司其職并能很好地第一時(shí)刻為團(tuán)隊(duì)做出貢獻(xiàn)[4]。本質(zhì)上，在所有工程系統(tǒng)中，傳感器，執(zhí)行器以及數(shù)字控制器的廣泛使用要求學(xué)生具有機(jī)電一體化的視角 [5] ，這個(gè)視角給學(xué)生提供一個(gè)機(jī)會(huì)，去發(fā)展他們的領(lǐng)導(dǎo)能力，溝通能力以及人際交往技巧。具有工程學(xué)的機(jī)電一體化課程的有效性，可以為全球職場(chǎng)培養(yǎng)人才。在過(guò)去的十年間，機(jī)電一體化在全球各地受到廣泛的關(guān)注。為了適應(yīng)大量的工程學(xué)生，Ranaweera等人在加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校討論所需的介紹性機(jī)電實(shí)驗(yàn)室課程，側(cè)重于對(duì)傳感器和執(zhí)行器的討論研究。Grimheden[7]在KIH大學(xué)機(jī)電一體化課程所做的報(bào)告，并指出通過(guò)全球協(xié)作來(lái)為全球職場(chǎng)準(zhǔn)備工程師。Surgenor等人使用主動(dòng)學(xué)習(xí)策略包括講座、教程、實(shí)驗(yàn)室、和在皇后大學(xué)的機(jī)電一體化選修課程中關(guān)于集成傳感器的合作設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案。學(xué)生團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用電子和微控制器設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人。Minor M, Meek G在猶他大學(xué)關(guān)于集成化系統(tǒng)的開放性問(wèn)題中強(qiáng)調(diào)機(jī)電一體化課程必須分為兩個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí) 。巴克內(nèi)爾大學(xué)的機(jī)電一體化課程強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科學(xué)生團(tuán)隊(duì)和主動(dòng)學(xué)習(xí)策略[10]。Bushnell and Crick[11]在華盛頓大學(xué)通過(guò)三個(gè)自制機(jī)器人課程給學(xué)生提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。最后，馬里蘭大學(xué)[12]建立了一個(gè)特色的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室，擁有一個(gè)工業(yè)機(jī)器人鉸接式手臂，在機(jī)器臂上帶有機(jī)器視覺，可起到引導(dǎo)和檢查的功能。在克萊姆森大學(xué)機(jī)械工程系已經(jīng)發(fā)展了教育機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室[13]。這些實(shí)驗(yàn)是學(xué)生團(tuán)隊(duì)基于指定的設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì),裝配,實(shí)現(xiàn),和演示的。通過(guò)這種方式,學(xué)生們能夠自主完成實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建過(guò)程。注意,一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目可能持續(xù)多個(gè)學(xué)期由于其復(fù)雜性。實(shí)驗(yàn)室功能工作站的機(jī)電、氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)由可編程邏輯控制器(plc)和個(gè)人電腦運(yùn)行的虛擬儀器（LabVIEW）控制。這些系統(tǒng)包括一個(gè)基本的“工業(yè)光堆?！睂?shí)驗(yàn),氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)控制與轉(zhuǎn)矩測(cè)量,液壓缸/馬達(dá)控制、車輛懸架系統(tǒng)、機(jī)器人手臂,牽鏈輸送機(jī)系統(tǒng),和“智能”MicroRollerTM2建立輸送機(jī)部分。學(xué)生擁有基本的編程技能，只是沒(méi)有機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但是能很快的學(xué)會(huì)怎樣組成控制體系。機(jī)電一體化的一個(gè)子類,值得關(guān)注是物料搬運(yùn)系統(tǒng),包括機(jī)器臂對(duì)象位置、輸送機(jī)運(yùn)輸,和過(guò)程控制(參見圖1)。傳統(tǒng)的輸送機(jī)系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于制造業(yè)和物料搬運(yùn)系統(tǒng)多年。在標(biāo)準(zhǔn)配置中,一個(gè)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)滑輪，該滑輪是輪流帶動(dòng)重力滾輪和惰輪上的橡膠傳輸帶(如。[14])。然而，傳統(tǒng)的輸送帶系統(tǒng)技術(shù)有一個(gè)缺點(diǎn)，帶上的每一個(gè)點(diǎn)只能以同樣的時(shí)間和速度運(yùn)動(dòng)。因此，個(gè)人裝配步驟并不存在一些優(yōu)勢(shì)。越來(lái)越多的工程師將輸送帶系統(tǒng)劃分為更小的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)依靠以下的因素可以被獨(dú)立控制，如：地區(qū)產(chǎn)品流動(dòng)率；產(chǎn)品緩沖的需要；流程不一致。一個(gè)構(gòu)建輸送帶系統(tǒng)的方案需要用到單獨(dú)的機(jī)構(gòu)滾軸，如小型的滾軸，包括集成的直流電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)模塊，這樣能很好的被PLC所控制。本文組織如下。第二節(jié)介紹了可編程邏輯控制器和燈堆棧實(shí)驗(yàn)。第三節(jié)討論了傳統(tǒng)的和智能的輸送機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。第四節(jié)給出教育和工業(yè)機(jī)器手臂運(yùn)動(dòng)以及操作部分。第五節(jié)提供一個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)項(xiàng)目的案例研究；在這個(gè)案例中，兩個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)智能搬運(yùn)系統(tǒng)。最后,第六節(jié)包含摘要。2. 可編程序邏輯控制器實(shí)驗(yàn)在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生學(xué)習(xí)編寫plc程序[15],然后應(yīng)用于控制設(shè)備的機(jī)電和氣動(dòng)系統(tǒng)。盡管其他PLC編程語(yǔ)言(如。、順序功能圖、功能框圖,結(jié)構(gòu)化文本,和指令表)，除了梯形圖以外已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化，但是實(shí)驗(yàn)室更注重后者。PLC在工業(yè)過(guò)程中的廣泛運(yùn)用證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室以及講座關(guān)于PLC硬件系統(tǒng)和程序編寫的地位。實(shí)驗(yàn)室突出讓多種多樣的學(xué)生組合實(shí)驗(yàn)，其中有五個(gè)是利用llen–Bradley PLCs (MicroLogixTM3 1000 and 150