多功能实验台设计【开题报告】

毕业设计开题报告

机械设计制造及自动化

多功能实验台设计

一、选题的背景、意义

最初的实验台只是多个实验仪器的简单的集合，计算机技术的出现使得实验台在集成性、可靠性方面有了质的发展，目前先进的实验台大多是集计算机硬件、软件模块和相关实验仪器为一体的综合实验装置，有的实验台还采用了虚拟仿真技术和网络技术，使实验台有了很高的科技含量。学科以及专业的不同，相应实验台的构建原理和组成部分也是不相同的，但大部分的实验台都有两个重要的组成部分，即控制部分和数据采集部分。不同时期的实验台的控制方式和数据采集方式是不同的。现在实验台的设计都加强了计算机技术的应用，其中PLC技术和单片机技术是最常用的技术之一。目前的实验台大致可分为三大类：数据检测类实验台、演示类实验台、装置检验类实验台。

多功能实验台将会向数字化、智能化方向发展，虚拟实验和虚拟仪器技术代表了未来实验技术的发展方向，工业发达的国家已经将虚拟仪器技术广泛应用于航天、通讯、生物医学、地球物理、电子、机械等各个领域，进行工程技术工作和科学研究。具有虚拟仿真技术的实验台具有以下几种优点：(1)可操作性用计算机虚拟仪器代替昂贵易损的实验设备，使用者操纵计算机键盘可反复调整仪器各部位，屏幕实时以动画画面显示仪器的各种指示及仪器内部结构的动作。(2)可设计性在利用虚拟仪器进行实验时，允许用户自行设定各种实验的初始参数，调整仪器进行实验，通过屏幕观察实验现象，分析判断。良好的交互性实验不是一种单纯的操作训练，操作者通过实验需要理解实验思想，在做仿真实验时，对参数的不同设定和操作仪器过程中，能很直观地观察和理解其物理意义。同时还可调用专家系统对操作者的操作、参数设定进行指导和评估，使专家的指导与学生的独立思考步步紧扣，生动地把教与学融于一体。仿真实验虽然能够较好地满足新的教育需求，但由于受虚拟现实技术发展的限制，这种实验模式在目前还难以完全取代真实的实验，由于实验具有很强的实践性。

二十一世纪社会对人才的需求不仅要求专业知识扎实、知识面广，而且要求解决实际问题的能力强。在工程型、研究型大学的教学注重知识的积累同时，还要加强学生的思维能力、实践能力、开拓创新能力的培养。实验室作为高等教学和科研的重要基地，承担着培养国家专门人才对学生进行实践能力培养和实施全面教育、创新教育的重要任务。如何把学生推到实验主体的位置上，充分挖掘和发挥学的主动性和创造性，引导他们向自己的未知领域迈进是至关重要的。随着我国经济的快速可持续发展，教育部对科教事业的经费投入逐渐增加，高校作为培养人才的重要基地，有着极为重要的地位，在教育师资力量不断提升的同时，学校的硬件设施也在不断完善，其中实验室有着重要的作用，而实验台作为实验室的主要设备扮演着关键角色。通过系统的教学训练使学生掌握各种机械传动装置,构筑产品研发的工程思维,对工程问题综合分析和评估。丰富和巩固理论知识的同时,确立和强化了学生的工程回归意识，激发了学生的求知欲,体现了“以人为本”的教育理念。由此可见多功能实验台在当今的素质教育中有着重要的作用，因此开发出新型的多功能实验台有着重大的现实意义。

二、相关研究的最新成果及动态

科学技术的快速发展给各类新型多功能实验台的问世带来契机，数字化、智能化的新型多功能实验的问世必将对我国高校的教育研究带来新气象，促使高校的教育研究事业迈向新的高度，但是我国高校中新型智能化数字化的多功能实验台还处在起步阶段，还需要借鉴国外的高科技，目前我国教育科研及机械工程中常用的实验台有液压实验台，气动实验台，嵌入式多功能数字控制综合实验台，机电一体化综合实验台等。

多功能液压实验台能全面模拟液压系统常见的各类故障，并可运用嵌入在其中的加速度、压力、流量、温度、液位、污染度、位移等多种传感器检测液压系统在正常或异常状态下的各种信息，可为液压系统、元件的故障机理分析、状态监测及故障诊断技术积累信息，提供数据。

气动实验台采用纯气动与电控系统，能使学生提高对气动技术应用的认识，学生在此实验台上通过手动阀可完成自行设计顺序动作，也可通过自控气源完成自动顺序动作，整个控制采用快速步进器，结构简单，可靠性大为提高。可以为

工科学院的学生提供机械构件、气动元件、电气回路及机械手要安装调试实验；传感器测控实验；多种气动回路及系统实验；可编程控制器PLC电气控制实验。

嵌入式多功能数字控制综合实验台：根据各个传感器的原理，理解实验板上各个传感器信号调理电路的工作原理，并且通过拨码开关将板上的传感器信号调理电路与相应传感器相连，通过按键选择相应传感器信号采集的子程序，在教学实验仪器中引入功能强大的计算机，可利用计算机与单片机控制系统相结合，并且通过RS232异步串口将模拟控制参数传递给下位机系统，经过实际运行后将结果传递给上位机，与仿真结果进行比。

机电一体化综合实验台采用机、电、液及计算机一体化综合控制，具有开发柔性好、抗干扰性强及自动化程度高等特点；因采用电液比例及电液伺服控制，所以实验精度比以往实验台有了较大提高；液压元件和管道均为透明材料制成，元件按实际结构尺寸制造，仿真性能好，承受压力可达15MPa以上，且基本上无泄漏现象发生，因液压元件和管理具有很好的透明效果，学生通过观察可进一步了解所用元件的结构和工作原理，可以提高学习的兴趣。

目前较为先进的是PLC控制的气动实验台，它结合了气动、电子和计算机技术的优点，以PLC作为主控单元的电一气动闭环控制系统，从而大大简化了老式气动实验台的结构，提高了可靠性，增加了扩展、开发的柔性度。液压与气动控制一样在工业中有着广泛的应用，液压实验台通过对泵和阀的控制实现液压传动，传统的液压实验设备大多由继电器电路控制，自动化程度低，而且液压回路实现单一。为适应各类教学科研及机械工程对液压实验台要求的也不断提高，利用先进的控制技术(如PLC技术、单片机技术，微机控制技术等)开发新实验台或对原有实验台进行技术改造。将液压技术与先进的控制技术有机结合，实验台自动化程度极大提高。

可见，科学技术的发展尤其是计算机技术的发展，增加了实验台实验的手段和方法。同时科学技术的发展是以各学科的发展为基础的。学科的发展必然要有实验的保证，这就也为实验台的建设提出了更高的要求。目前的实验台具有以下的特点：（1）在实验台中计算机技术的应用的范围日益扩大。已由从实验台的控制部分、数据采集部分扩大到实验过程的演示部分，计算机虚拟技术为基础的虚拟仪器和虚拟实验概念的提出又为实验台的发展提供了新的舞台。（2）为了便于