主頁 > 技術(shù)文章 > 淺談析基于FMS的機(jī)電一體化教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)2024-10-19

淺談析基于FMS的機(jī)電一體化教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)

摘要：基于FMS技術(shù)開發(fā)了模塊化機(jī)電一體化教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于加深學(xué)生對機(jī)電一體化系統(tǒng)概念的理解，掌握車間柔性制造的方法，最后以作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度教學(xué)研究性、綜合性實(shí)驗(yàn)為例，論述了該系統(tǒng)在培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性的重要作用。
    為使機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，有機(jī)會將所學(xué)到的各門專業(yè)課的知識綜合性地應(yīng)用到接近于生產(chǎn)實(shí)際的過程中，為他們走上工作崗位后應(yīng)用這種新的理念打下基礎(chǔ)，學(xué)院除了建立適合于現(xiàn)代教學(xué)法模式的幾個獨(dú)立的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室外，籌建了一個開放式自動化綜合實(shí)驗(yàn)室。在這個綜合實(shí)驗(yàn)室中，我們開發(fā)了一套完全接近于生產(chǎn)實(shí)際的模塊化柔性制造系統(tǒng)，由省部共同投資。實(shí)驗(yàn)室的開放性主要體現(xiàn)在兩個方面:一是系統(tǒng)組成具有開放性，系統(tǒng)中不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備可相互兼容，便于以后擴(kuò)展;二是實(shí)驗(yàn)室資源具有開放性，實(shí)驗(yàn)室可面向校內(nèi)外各種層次的學(xué)生或培訓(xùn)學(xué)員，做到資源共享，擴(kuò)大受益面。
1、FMS系統(tǒng)組成：
    柔性制造系統(tǒng)機(jī)電一體化訓(xùn)練設(shè)備，包含一條閉環(huán)柔性輸送裝置和六自由度并聯(lián)加工中心(加工站)、三自由度數(shù)控雕刻機(jī)及其控制系統(tǒng)、四自由度上料檢測站及其控制系統(tǒng)、搬運(yùn)站、安裝站、安裝搬運(yùn)站、智能分類站、現(xiàn)場總線、多層次立體原料庫及其控制系統(tǒng)、多層立體成品庫及其控制系統(tǒng)、自動化輸送線及變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、PLC數(shù)據(jù)采集及物料監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控及管理控制軟件。
    工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過運(yùn)動控制卡發(fā)送位置信號給旋轉(zhuǎn)立體上料庫電機(jī)驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)零件位置對準(zhǔn)，同時設(shè)置檢測開關(guān)，通過PLC采集至計(jì)算機(jī)，判斷托盤上相應(yīng)位置是否存在零件。自動上料機(jī)器人將待加工物料送至加工位置后，系統(tǒng)驅(qū)動鎖緊裝置進(jìn)行物料定位固定，上位機(jī)按指定程序控制六自由度并聯(lián)機(jī)器人，進(jìn)行零件前序的加工。在主界面中點(diǎn)擊數(shù)控雕刻機(jī)控制按鈕，進(jìn)人數(shù)控雕刻機(jī)控制界面，三自由度數(shù)控雕刻機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對工件端面的雕刻，通過用戶編制G代碼也可以用軟件將模型轉(zhuǎn)化為G代碼，然后通過計(jì)算機(jī)的串口將G代碼傳到雕刻機(jī)，雕刻機(jī)執(zhí)行G代碼。
件前序加工完畢后，計(jì)算機(jī)控制零件搬運(yùn)機(jī)器人將加工完的零件搬運(yùn)至下一工序的加工位置。
　　在主界面中點(diǎn)擊立體倉庫狀態(tài)按鈕，進(jìn)人立體倉庫狀態(tài)界面。立體倉庫狀態(tài)是用來實(shí)時顯示立體倉庫倉位的占用情況，系統(tǒng)實(shí)時檢測各個倉位的狀態(tài)，然后系統(tǒng)給碼垛機(jī)發(fā)指令決定碼垛機(jī)下一次將裝配的成品放人哪個倉位，操作者通過觀察狀態(tài)位的圖標(biāo)情況，操作者就可以知道哪個倉位是否為空，并且知道各個倉位物件的重量，通過生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)還可以知道立體倉庫一共有多少個成品，每一類成品的個數(shù)及總重量。
2、系統(tǒng)特點(diǎn)：
    (1)包含多種關(guān)鍵技術(shù)及單元，使學(xué)生了解更多的知識;機(jī)器人技術(shù);物流倉儲自動控制系統(tǒng);立體倉庫;自動輸送線;自動碼垛機(jī);物流倉儲管理和監(jiān)控;PLC控制系統(tǒng);傳感器技術(shù);計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù);計(jì)算機(jī)控制;網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控技術(shù);數(shù)據(jù)庫技術(shù);多軸運(yùn)動控制器;氣動技術(shù);步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動;伺服電機(jī)及驅(qū)動;VC,VB等高級語言編程。
    (2)結(jié)合機(jī)電一體化教學(xué)，編制了的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，包含多個實(shí)驗(yàn):為了方便教學(xué)實(shí)際使用，我們?yōu)橄到y(tǒng)提供了專門實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，其內(nèi)容涵蓋機(jī)械、控制、機(jī)器人示教、插補(bǔ)、自動裝配、碼垛等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，供本科生、�？粕脱芯可鷮I(yè)選開，教師也可以根據(jù)實(shí)際情況，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的基礎(chǔ)上增開設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。
    (3)交互式圖形化操作界面:系統(tǒng)控制軟件采用WINDOWS操作系統(tǒng)，具有交互式和圖形化特點(diǎn)，操作簡單易學(xué)，自動化程度高，使教師和學(xué)生在很短的時間之內(nèi)就可以掌握對系統(tǒng)的操作。
    (4)豐富的狀態(tài)反饋功能:通過計(jì)算機(jī)與各單元及傳感器的通訊，將系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的狀態(tài)顯示在操作界面上，使操作者通過計(jì)算機(jī)隨時了解系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工況、狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。
    (5)完善的生產(chǎn)及物料存儲統(tǒng)計(jì)功能:根據(jù)現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)的特點(diǎn)及倉儲物流的發(fā)展動向，不但在工作過程和原理上仿真實(shí)際生產(chǎn)過程，而且開發(fā)了生產(chǎn)及物料存儲數(shù)據(jù)庫，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行隨時記錄和分析生產(chǎn)和存儲數(shù)據(jù)。
    (6)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu):為了增強(qiáng)學(xué)生的參與性，系統(tǒng)采用了開放式結(jié)構(gòu)，提供了完善的控制功能動態(tài)鏈接庫和二次開發(fā)函數(shù)，不用了解底層復(fù)雜的時序和操作過程，只需要在VC或VB中簡單的幾行代碼，學(xué)生即可開發(fā)出自己的運(yùn)動或控制功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
7)網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控:系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控模塊，使操作者在操作系統(tǒng)的同時，也可通過電腦屏幕實(shí)時觀看系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。同時對于有條件的學(xué)校，可將控制計(jì)算機(jī)與校園網(wǎng)相連解，使更多的學(xué)生和老師通過網(wǎng)絡(luò)觀看現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)過程，提高系統(tǒng)利用率，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。
3、如何應(yīng)用FMS進(jìn)行本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)
    由于近年來高校的擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)大幅上升，而大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺套數(shù)少;而且大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)通常包括編程、上機(jī)、結(jié)果分析等，需要的時間較長。因此，大型設(shè)備開設(shè)的實(shí)驗(yàn)不能簡單的照搬其它實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式。我們分別探索了以下幾種模式:
　　3. 1開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)
本中心老師提出項(xiàng)目申請，參加學(xué)校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理處組織的“工程實(shí)踐”和機(jī)電工程學(xué)院組織的“機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)中心”項(xiàng)目。這些項(xiàng)目結(jié)合指導(dǎo)老師的科研項(xiàng)目，通過雙向選擇接受學(xué)校相關(guān)專業(yè)本科三年級以上的學(xué)生參加。學(xué)生分為2-4人一組;在教師的指導(dǎo)下，首先查閱文獻(xiàn)和學(xué)習(xí)FMS的有關(guān)知識，編制程序，上機(jī)測試;實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容根據(jù)項(xiàng)目的研究內(nèi)容而定，一般涉及多種設(shè)備;實(shí)驗(yàn)時間根據(jù)老師和學(xué)生雙方商定，實(shí)行彈性制，不拘泥于課堂安排的時間。由于學(xué)生人數(shù)少，在實(shí)驗(yàn)過程中可以做到師生面對面的隨時交流。
“作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度教學(xué)實(shí)驗(yàn)”的內(nèi)容是讓學(xué)生根據(jù)給定的加工工件信息，設(shè)計(jì)一個單件小批量零件加工的“作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度”的仿真系統(tǒng)，使目標(biāo)函數(shù)“最長流程時間”的值最小，然后對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是:使學(xué)生加深對“作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度”概念的理解，掌握車間調(diào)度的方法，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要具備以下功能:
    (1)提供一個很好的、有代表性的研究對象，也就是使學(xué)生知道他們是在那個車間、那個環(huán)境為加工那些工件設(shè)計(jì)“作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度”的方案;
    (2)提供一個很好的仿真環(huán)境及工具，用來建立仿真模型，使學(xué)生形象直觀地看到車間調(diào)度的運(yùn)行過程;
  (3)提供實(shí)現(xiàn)“作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度”的算法和軟件開發(fā)環(huán)境，使學(xué)生了解并掌握該算法的原理，并在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)算法，得到仿真結(jié)果;
    (4)提供一個真實(shí)環(huán)境，如FMS車間或可真正運(yùn)行的FMS車間模型，在此環(huán)境中對上面得到的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
   3. 2開設(shè)選修課
    由于學(xué)習(xí)FMS的有關(guān)知識，需要學(xué)生們具有一定的專業(yè)知識;而且大型設(shè)備一般只有一套設(shè)備，要面向?qū)W生人數(shù)眾多的本科生開設(shè)實(shí)驗(yàn)課有一定的難度。因此，我們首先開設(shè)了FMS的選修課。在講授FMS技術(shù)的理論知識的基礎(chǔ)上，開設(shè)FMS的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生分為3 -5人一組。由于課堂講授FMS的時間有限，加之是選修課;因此，在實(shí)驗(yàn)課之前，面對設(shè)備再介紹一次設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)和用途等，以加深學(xué)生的印象;然后指導(dǎo)學(xué)生編制程序、適當(dāng)?shù)纳蠙C(jī)操作，輔導(dǎo)學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　3. 3為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)
    本科生的畢業(yè)論文是進(jìn)行專業(yè)基本技能培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，同時也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維方法、提高動手和解決問題能力的不可缺少的過程。參加本科畢業(yè)論文的學(xué)生，有充分的時間利用所掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決具體的問題;因此畢業(yè)論文是本科生學(xué)習(xí)和掌握大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一個非常好的機(jī)會。
4、FMS進(jìn)行本科教學(xué)的體會和希望：
　　4. 1   FMS進(jìn)行本科教學(xué)的效果
    通過上述三種方式向本科生開放大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對學(xué)生選擇專業(yè)有一定的幫助，也增加了學(xué)生參加推薦免試研究生和就業(yè)等的競爭力。例如，一名機(jī)電學(xué)院的學(xué)生參加了“FMS研究”項(xiàng)目后，對數(shù)控技術(shù)有關(guān)知識和應(yīng)用有了一定的了解和興趣，報考研究生時選擇數(shù)控技術(shù)專業(yè)。另一名機(jī)電學(xué)院的學(xué)生參加“開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究”，學(xué)習(xí)了切削圖形設(shè)計(jì)、數(shù)控雕刻機(jī)及其控制系統(tǒng)等一系列操作，在老師的指導(dǎo)下自己操作選擇刀具和切削參數(shù)，觀察不同的切削過程，加深了所學(xué)的理論知識，熟悉了作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度的原理、立體倉庫的基本操作;該生通過面試后順利地被華中科技大學(xué)錄取為研究生。
    近年來為了適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要，拓寬人才培養(yǎng)領(lǐng)域，在開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和選修課時，也接受其他學(xué)院的學(xué)生。學(xué)生結(jié)束項(xiàng)目后，對所參加的研究工作非常有興趣。
    相比較而言，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)效果明顯好于選修課的實(shí)驗(yàn)。前者由于有充分的時間，我們摒棄了傳統(tǒng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的模式，采取了“雙向互動”，教師以更多的精力啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，調(diào)動其主動性和積極性，發(fā)揮他們運(yùn)用所學(xué)的知識去解決實(shí)際問題。對這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ�，學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不僅拓展了學(xué)生現(xiàn)代科學(xué)技能的理論和知識;在實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)用技能方面也得到了提高，為他們今后走上社會，服務(wù)于社會，縮短理論與實(shí)踐的差距奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　4. 2存在的問題
    通過參加上述教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動，我們也發(fā)現(xiàn)仍有一些問題急待解決。實(shí)現(xiàn)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的本科教學(xué)，需要一批技術(shù)水平高，有責(zé)任心和敬業(yè)精神的技術(shù)人員，并有相應(yīng)的政策或辦法加強(qiáng)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理和使用。一方面需要制定激勵老師開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的政策，充分調(diào)動在崗老師的積極性;另一方面，要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室老師的進(jìn)修和業(yè)務(wù)培訓(xùn)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)老師的業(yè)務(wù)水平將直接影響到實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和科研水平。
在科學(xué)和教育飛速發(fā)展的今天，協(xié)作和資源共享對大型光機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用提出了新的要求。通過開展上述本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動，擴(kuò)大了對學(xué)生能力培養(yǎng)的范圍，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，達(dá)到高校素質(zhì)教育的目的。此外，也提高了大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率，提高了教師的學(xué)術(shù)水平和專業(yè)技能。

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