机电一体化教育实验室可编程逻辑控制器和物料搬运实验

机电一体化教育实验室——可编程逻辑控制器和物料搬运实验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, SC29202, USAReceived 13 February 2006; accepted 19 June 2007摘要在制造业和物料运输流程系统中，机器、传输带、传感器以及可编程控制器的集成需要工程师的技术技能以及专业知识。

对于成功的系统开发，协调好装配操作以及管理控制需要熟悉机械和电气设计、仪表、执行器、计算机编程等相关知识。

本文提出的教育机电一体化实验室，鼓励多学科、实践性以及具有团队性的工程项目系统集成。

并重点叙述了三个渐进的实验，允许学生编程以及操作可编程逻辑控制器，传统的输送机系统,分布式伺服马达的基础输送机。

学生们还计划和实现两个机械手材料处理应用程序。

设备，学习目标，每个实验室的实验方法引导学生更好的思考以及洞察问题。

一个协同设计方案的研究出现在能够创造智能物料搬运系统的学生团队中。

总的来说,工程毕业生一般都要求学习物料搬运和其他多学科领域的概念,因此,一个丰富的工程课程应包含机电一体化的教室和实验室。

2007爱思唯尔有限公司。

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关键词:机电一体化;可编程逻辑控制器;输送机;机器人;传感器1.介绍消费产品制造商越来越多地依赖于多学科的合作开发技术系统,经常会涉及电气、机械和工业工程领域。

设计和生产的工程师们常常被组织成一个跨功能团队，他们给团队带来了决定性的技能。

为了促进多学科的团队,工程师必须发展他们的团队合作，解决问题，协同设计，和沟通技巧以及传统的技术能力[2、3]。

进一步假设，越来越多的工程毕业生将各司其职并能很好地第一时刻为团队做出贡献[4]。

本质上，在所有工程系统中，传感器，执行器以及数字控制器的广泛使用要求学生具有机电一体化的视角[5] ，这个视角给学生提供一个机会，去发展他们的领导能力，沟通能力以及人际交往技巧。

具有工程学的机电一体化课程的有效性，可以为全球职场培养人才。

在过去的十年间，机电一体化在全球各地受到广泛的关注。

为了适应大量的工程学生，Ranaweera等人在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校讨论所需的介绍性机电实验室课程，侧重于对传感器和执行器的讨论研究。

Grimheden[7]在KIH 大学机电一体化课程所做的报告，并指出通过全球协作来为全球职场准备工程师。

Surgenor等人使用主动学习策略包括讲座、教程、实验室、和在皇后大学的机电一体化选修课程中关于集成传感器的合作设计项目方案。

学生团队应用电子和微控制器设计的移动机器人。

Minor M, Meek G在犹他大学关于集成化系统的开放性问题中强调机电一体化课程必须分为两个学期的学习。

巴克内尔大学的机电一体化课程强调跨学科学生团队和主动学习策略[10]。

Bushnell and Crick[11]在华盛顿大学通过三个自制机器人课程给学生提供了实践经验。

最后，马里兰大学[12]建立了一个特色的机电一体化实验室，拥有一个工业机器人铰接式手臂，在机器臂上带有机器视觉，可起到引导和检查的功能。

在克莱姆森大学机械工程系已经发展了教育机电一体化实验室[13]。

这些实验是学生团队基于指定的设计项目设计,装配,实现,和演示的。

通过这种方式,学生们能够自主完成实验室的创建过程。

注意,一些设计项目可能持续多个学期由于其复杂性。

实验室功能工作站的机电、气动和液压系统由可编程逻辑控制器(plc)和个人电脑运行的虚拟仪器（LabVIEW）控制。

这些系统包括一个基本的“工业光堆栈”实验,气动执行机构、电机控制与转矩测量,液压缸/马达控制、车辆悬架系统、机器人手臂,牵链输送机系统,和“智能”MicroRollerTM2建立输送机部分。

学生拥有基本的编程技能，只是没有机电一体化系统的设计经验，但是能很快的学会怎样组成控制体系。

机电一体化的一个子类,值得关注是物料搬运系统,包括机器臂对象位置、输送机运输,和过程控制(参见图1)。

传统的输送机系统已成功地应用于制造业和物料搬运系统多年。

在标准配置中,一个单电机驱动一个滑轮，该滑轮是轮流带动重力滚轮和惰轮上的橡胶传输带(如。

[14])。

然而，传统的输送带系统技术有一个缺点，带上的每一个点只能以同样的时间和速度运动。

因此，个人装配步骤并不存在一些优势。

越来越多的工程师将输送带系统划分为更小的子系统，这些子系统依靠以下的因素可以被独立控制，如：地区产品流动率；产品缓冲的需要；流程不一致。

一个构建输送带系统的方案需要用到单独的机构滚轴，如小型的滚轴，包括集成的直流电机以及驱动模块，这样能很好的被PLC所控制。

本文组织如下。

第二节介绍了可编程逻辑控制器和灯堆栈实验。

第三节讨论了传统的和智能的输送机系统实验。

第四节给出教育和工业机器手臂运动以及操作部分。

第五节提供一个学生设计项目的案例研究；在这个案例中，两个设计团队设计了一个智能搬运系统。

最后,第六节包含摘要。

2.可编程序逻辑控制器实验在机电一体化实验室,学生学习编写plc程序[15],然后应用于控制设备的机电和气动系统。

尽管其他PLC编程语言(如。

、顺序功能图、功能框图,结构化文本,和指令表)，除了梯形图以外已经被标准化，但是实验室更注重后者。

PLC在工业过程中的广泛运用证实了实验室以及讲座关于PLC硬件系统和程序编写的地位。

实验室突出让多种多样的学生组合实验，其中有五个是利用llen–Bradley PLCs (MicroLogixTM3 1000 and 1500)控制的。

个人电脑使用软件包RSLogix 500来对PLC进行编程,它提供了一个图形用户界面(GUI)来创建梯子逻辑“梯级”。

第一个PLC实验是对Allen–Bradley industrial light stack (855E)控制，包括红、黄、绿24V直流灯具以及一个声音报警器。

在制造过程中，这些设备常常被用来发出信号，如：系统正准备工作、忙碌或者出错。

对于第一个“开/关”实验，这些灯被编程为交通灯的顺序。

图2。

可编程逻辑控制器与光堆栈:(一)外部视图,(b)电气布局。

见图2，电器柜包含了MicroLogix 1000 PLC，一个SOLA2.5A，24V直流电压源，以及各种供用户选择的面板和指示灯。

为读者提供接线原理图。

使用基本的梯形图，学生编写PLC程序让灯按照顺序点亮。

步骤0:程序开始于塔1的红色灯和塔2的绿色灯。

步骤1:塔2切换到黄色，塔1仍然是红色的。

步骤2:塔1转化为绿，塔2切换到红色。

步骤3:塔1转化到黄色，塔2仍然是红色的。

按照上述步骤重复，直至用户停止。

交通灯实验的学习目标是：(1)了解PLC系统结构、控制器内部线路、以及外部设备的接口；(2)掌握基本PLC的I/O口操作；（3）设计一个控制算法来编写“交通灯”的程序，并设置程序时间。

3.物料搬运系统的输送机两道工序之间的自动化物料搬运系统在工厂地面上是常见的过程。

机电一体化实验室正在研究两个不同的传输系统。

第一个是一个常见的双线式牵引链输送机系统，该系统提供统一的运动路径，沿着外边沿的胶带运动。

第二个是一个分布式电动滚筒输送机系统，并提供基于多种双向滚轴可用性的包装运动。

另一方面，物料运输系统可以单独的与平台上的传感器配合使用。

3.1传统的输送机实验一个自定义的按比例缩小的输送带系统,如图3所示，工程学生能够运用集成的执行器，传感器以及PLC来控制。

工业级的双链拉输送机系统在电脑的控制下由208V AC单向电机以及连续的皮带带动。

这样的电机由电气继电器操作，而继电器则由PLC来控制开合。

一个光电距离传感器(Square D PE8TANSS)，拥有50mm的检测范围，并能检测皮带上铝制托盘的位置。

一个检测范围为3mm的感应式接近开关(Square D PJD312N)为气阀门提供其检测到的信息。

系统还有一个垂直安装的SMC启动装置(NCDMW-075-0605)，它的汽缸依附于一个“钩子”，并使它能从皮带表面上升。

这款型号为MicroLogix 1000 的PLC被编程来控制皮带直到托盘被放置到正确的位置以及启动装置恢复。

一个气动分配阀箱,包含一系列的plc控制的24伏直流电SMC电磁阀(VQ2101-5),调节空气供给的致动器。

一个气动分配阀箱,包含一系列的plc控制的24伏直流SMC电磁阀(VQ2101-5),并调节空气供给各执行器。

用于交通信号控制实验的Allen–Bradley光堆栈和报警器给系统提供视觉以及声音的反馈。

图3、阻力带式输送机系统与气动执行机构:(一)布局,和(b)信号原理。

在本科课程中，这是第一次与实际工业化系统相结合。

灵活的输送机系统设计允许学生团队去整合不同的传感器来获取托盘的运动以及探索不同的控制策略。

输送机的基本功能是将一些小托盘按照顺序排列并用气动装置来驱动它们。

学习这个实验室实验的目标是:（1）了解光电传感器以及感应式传感器的操作和应用；（2）探索传感器、执行器以及PLC控制器的集成问题；（3）设计梯形图来控制托盘控制；（4）创建测试场景来验证控制器的功能。

3.2智能输送机系统第二个输送机系统，如图4所示，是一个智能的系统，相比较传统的牵连输送机而言，它有不同的原则。

这个输送机包括三个MicroRollers(24 v直流无刷电机,直径4.8厘米, 长35.6厘米)，每个带有13个常见的非机动惰辊。

各种各样的可操作配置都是很有可能的。

例如,每个机动的和相邻的非机动滚轴，都可以用橡胶皮带连接起来并创建独立的控制单元，使得输送机系统得以延长。

每个MicroRoller都有对应的控制开关命令、方向命令、并且有24V 直流电源供电。

滚轴的速度可调，但是驱动卡并没有为电子控制做当前配置。

传输带是由MicroLogix 1500 PLC所控制的。

与型号为MicroLogix 1000不同的是，MicroLogix 1500 PLC可以扩充其硬件接口，能够适应大量的数据和模拟设备。

目前，一个24V直流电压源为PLC以及运动滚轴MicroRoller提供电源。

这个实验系统还包括了一个Allen–Bradley灯光堆栈、声音警报器（类似于第二章提及的），以及在输送带边沿上的可移动式光电传感器，以及一组可以被学生编程的控制面板按钮。