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0~5 V)、两路正负脉冲信号,其频率从1Hz~20 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。
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