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与物料搬运实验哈尼巴西利阿拉杰特塞孔阿大卫布茨阿约翰瓦格纳阿巴茨美国克莱姆森大学机械工程系美国哥伦比亚中部技术学院工程技术与工程转移专业，邮编：SC 292022006年2月13日收到；2007年6月19日接受摘要在制造和材料运输过程系统中，机器、传送带、传感器和可编程控制器的集成需要工程师的技术技能和专业知识。为了成功的系统开发，装配操作和管理控制的协调需要熟悉机械和电气设计、仪器、致动器、计算机编程和其他相关知识。本文提出的教育机电一体化实验室鼓励工程项目的多学科、实用和面向团队的系统集成。主要描述了三个渐进式实验，允许学生编程和操作可编程逻辑控制器、传统输送机系统和基于分布式伺服电机的输送机。学生还计划和实施两个机械手材料处理应用。每个实验室的设备、学习目标和实验方法引导学生更好地思考和洞察问题。协作设计方案的研究出现在学生团队中，他们可以创建一个智能材料处理系统。一般来说，工程毕业生通常需要学习材料处理和其他多学科领域的概念。因此，丰富的工程课程应该包括机电教室和实验室。2007年爱思唯尔有限公司。保留所有权利。关键词：机电一体化；可编程逻辑控制器；输送机；机器人；传感器介绍消费品制造商越来越依赖于技术系统的多学科合作开发，通常涉及电气、机械和工业工程领域。设计和生产中的工程师通常被组织成一个跨职能的团队，他们给团队带来决定性的技能。为了促进多学科团队，工程师必须发展他们的团队合作，解决问题，合作设计，沟通技巧和传统的技术能力2，3。进一步假设越来越多的工程毕业生将首先履行他们的职责并为团队做出贡献4。本质上，在所有工程系统中，传感器、执行器和数字控制器的广泛使用要求学生具备机电一体化的观点，5，这为学生提供了发展领导力、沟通和人际交往能力的机会。机电一体化工程课程的有效性可以为全球职场培养人才。在过去的十年里，机电一体化受到了全世界的广泛关注。为了容纳大量的工科学生，拉纳韦拉等人讨论了加州大学圣巴巴拉分校必需的机电实验室入门课程，重点是传感器和致动器的讨论和研究。格林豪登在KIH大学做了一份关于机电一体化课程的报告，指出工程师应该通过全球合作为全球工作场所做好准备。Surgenor等人使用的主动学习策略包括讲座、教程、实验室和皇后大学机电一体化选修课中集成传感器的合作设计项目。学生团队使用电子和微控制器设计的移动机器人。在犹他大学关于集成系统的开放性问题中，米克尔强调机电一体化课程必须分为两个学期。巴克内尔大学机电一体化课程强调跨学科学生团队和主动学习策略10。布什内尔和克里克通过华盛顿大学的三门自制机器人课程为学生提供了实践经验。最后，马里兰大学12建立了一个有特色的机电实验室，用一个工业机器人的关节臂来引导和检查机器视觉。教育机电一体化实验室是在克莱姆森大学机械工程系开发的。这些实验由学生团队根据指定的设计项目进行设计、组装、实现和演示。这样，学生可以独立完成建立实验室的过程。请注意，由于复杂性，一些设计项目可能会持续很多学期。实验室功能工作站的机电、气动和液压系统由个人电脑操作的可编程逻辑控制器(plc)和虚拟仪器(LabVIEW)控制。这些系统包括一个基本的“工业光堆”实验、气动致动器、电机控制和扭矩测量、液压缸/电机控制、车辆悬挂系统、机械臂、链式输送机系统和用于构建输送机部分的“智能”微控制器M2。学生有基本的编程技能，但没有设计机电系统的经验，但可以很快学会如何形成控制系统。机电一体化的一个子类是物料搬运系统，它包括机器人手臂物体定位、输送机运输和过程控制(见图1)。多年来，传统的传送系统已经成功地应用于制造和材料处理系统。在标准配置中，单个电机驱动一个皮带轮，皮带轮依次驱动重力滚轮和惰轮上的橡胶传动带(如14号)。然而，传统的传送带系统技术有一个缺点，即传送带上的每个点只能以相同的时间和速度移动。因此，单独的组装步骤没有一些优点。越来越多的工程师将传送带系统分成更小的子系统，这些子系统可以根据以下因素独立控制，例如：区域产品流量；产品缓冲的需求；过程是不一致的。构建传送带系统的方案需要单独的机械滚筒，例如小滚筒，包括集成的DC电机和驱动模块，它们可以被可编程逻辑控制器很好地控制。本文组织如下。第二部分介绍了可编程控制器和灯组实验。第三部分讨论传统和智能输送机系统实验。第四部分给出了教育和工业机器人手臂的运动和操作。第5节提供了一个学生设计项目的案例研究。在这种情况下，两个设计团队设计了一个智能处理系统。最后，第6节包含一个总结。2.可编程逻辑控制器实验在机电一体化实验室，学生们学习编写plc程序，然后将它们应用于控制设备的机电一体化和气动系统。虽然除梯形图外，其他可编程逻辑控制器编程语言(如顺序功能图、功能框图、结构化文本和指令表)都已标准化，但实验室更重视后者。可编程控制器在工业过程中的广泛应用，确定了实验室的地位，并讲授了可编程控制器的硬件系统和编程。实验室突出了各种学生小组实验，其中五个由艾伦-布拉德利控制。个人电脑使用软件包RSLogix 500对可编程逻辑控制器进行编程，可编程逻辑控制器提供一个图形用户界面(图形用户界面)来创建梯形逻辑“步骤”第一个可编程控制器实验是控制艾伦-布拉德利工业照明系统(855E)，包括24V红、黄、绿DC灯和一个声音报警器。在制造过程中，这些设备经常被用来发送信号，例如：系统正在为工作做准备，忙或出错。在第一次“开/关”实验中，交通灯被编程为交通灯的序列。图2。可编程逻辑控制器和光学堆栈：(一)外部视图，(二)电气布局。如图2所示，电气柜包括MicroLogix 1000 PLC、SOLA2.5A、24V DC电压源、各种面板和指示灯供用户选择。为读者提供接线示意图。利用基本的梯形图，学生编写可编程逻辑控制器程序，让灯依次点亮。步骤0:的程序从塔1的红灯和塔2的绿灯开始。步骤1:塔2切换到黄色，塔1仍然是红色。步骤2:将第1列转换为绿色，第2列转换为红色。步骤3:第1列转换成黄色，第2列仍然是红色。重复上述步骤，直到用户停止。交通灯实验的学习目标是：(1)了解可编程控制器系统结构、控制器内部电路和外部设备接口；(2)掌握基本可编程控制器的输入输出端口操作；(3)设计控制算法，编写“交通灯”程序，设置程序时间。3.物料搬运系统的输送机两个过程之间的自动物料处理系统是工厂车间的常见过程。机电一体化实验室正在研究两种不同的传输系统。第一种是普通的双线牵引链式输送机系统，它提供了沿皮带外缘的统一运动路径。第二种是分布式电动滚筒输送机系统，该系统基于各种双向滚筒的可用性提供包装运动。另一方面，材料运输系统可以与平台上的传感器一起独立使用。3.1传统输送机实验如图3所示，定制的传送带系统可以由工程专业的学生使用集成的执行器、传感器和可编程逻辑控制器来控制。工业双链输送系统由208伏交流电单向电机和计算机控制的连续皮带驱动。这种电机由继电器操作，继电器由可编程控制器控制。光电距离传感器(方形D PE8)，检测范围为50毫米，可检测铝盘在皮带上的位置。检测范围为3毫米的感应式接近开关(方形D PJD312N)为气阀提供检测信息。该系统还有一个垂直安装的SMC起动器(NCDMW-075-0605)，其气缸连接到一个“挂钩”，并使其能够从皮带表面升起。这种可编程逻辑控制器型号MicroLogix 1000被编程来控制传送带，直到托盘被放置在正确的位置并且起动器被恢复。气动分配阀箱包含一系列plc控制的24V DC SMC电磁阀(VQ2101-5)和用于调节空气供应的致动器。气动分配阀箱包含一系列由plc控制的24V DC SMC电磁阀(VQ2101-5)，并调节每个致动器的空气供应。交通信号控制实验中使用的艾伦-布拉德利光学堆栈和报警器为系统提供视觉和声音反馈。图3，牵引带式输送机系统和气动致动器： (1)的布局，和(b)信号原理。在本科阶段，这是它第一次与实际的工业系统相结合。灵活的输送机系统设计允许学生团队集成不同的传感器，以获得托盘移动和探索不同的控制策略。输送机的基本功能是按顺序排列一些小托盘，并使用气动装置驱动它们。学习本实验室实验的目标是：(1)了解光电传感器和感应传感器的操作和应用；(2)探索传感器、执行器和可编程控制器的集成；(3)设计梯形图控制托盘控制；(4)创建一个测试场景来验证控制器的功能。3.2智能输送系统如图4所示，第二输送机系统是一个智能系统，与传统的相关输送机相比具有不同的原理。该输送机包括三个微型滚筒(24伏DC无刷电机，直径4.8厘米，长度35.6厘米)，每个滚筒有13个普通的非机动托辊。各种操作配置都是可能的。例如，每个机动化的和相邻的非机动化辊可以与橡胶带连接，并且可以创建独立的控制单元来扩展传送系统。每个微控制器都有相应的控制开关指令、方向指令和24V DC电源。滚轮的速度是可调节的，但是驱动卡目前没有配置为电子控制。传送带由MicroLogix 1500 PLC控制。与MicroLogix 1000不同，MicroLogix 1500可编程控制器可以扩展其硬件接口，适应大量的数据和模拟设备。目前，24V DC电压源为可编程控制器和微控制器供电。该实验系统还包括一个艾伦-布拉德利灯组、一个声音报警器(类似于第二章中提到的)，一个位于传送带边缘的可移动光电传感器，以及一套可由学生编程的控制面板按钮。使用模块化构造方法，121.9厘米多长度统一输送机系统允许可重新配置的材料处理方法。请注意，输送机系统由一台MicroLogix 1500可编程控制器控制。图4。智能交通系统，可编程控制器和灯塔： (1)布局，和(2)信号原理。在这个实验室里，学生小组被要求编写一个可编程逻辑控制器程序，通过机器人手臂检测传送带的一部分。例如，可编程逻辑控制器使用独立空间的控制概念来编程，允许传送带上新到达的零件连续移动，直到传送带上的所有空间都被装载。接下来，可编程控制器可以监控整个传送带系统的卸载。本实验的学习目标是：(1)使用感应距离传感器来控制物体在输送机系统上的运动；(2)MicroLogix 1500可编程控制器(与MicroLogix 1500可编程控制器相比)程序可以使输送带系统的各个部分连续运行；(3)输送系统由多个机械臂集成，能够更好的进行物料搬运；(4)控制和协调多个输送机系统，并执行各种操作。图5。机械手编程和材料处理：(a)umir t 100(b)staub lirx 130。4.机器人手臂的编程与系统集成用于制造过程的工业机器人系统通常有三个基本规则：(1)部分选择/位置操作；(2)基于非接触导轨的任务(例如焊接)；(3)装配系统的任务包括部件装配。机电实验室有两个机械臂，一个是UMI RT100，一个是施陶布利RX130。学生可以将其连接到传送带系统，并通过界面对其进行编程(见图5)。RT100机械手为编程任务的一般介绍和初始设置提供了一个很好的平台。接下来，工业RX130机械臂被编程在存储箱和传送系统之间以运送材料，使得材料处理系统更加完善。4.1 UMI RT100机械臂UMI RT100是一种用于装配的选择性、顺从性机器人臂(SCARA)，其具有六个自由度(DOF(例如，垂直平面、肩部、肘部、旋转、俯仰、滚动)和一个连接到机器人臂末端的夹具的自由度。每个关节的运动由步进电机控制。机器人手臂的运动由皮带驱动，指定的关节由电机驱动。皮带传动作为一个机械“保险丝”来促进一个安全的环境，以便学生可以使用机器人手臂。机械臂与主机之间的通信采用智能外设通信协议(IPC)和RS232串行连接。IPC协议形成的通信层可以通过特定的命令直接使用。数据和命令的传输在8.0e-03s通信结构下实现。实际时间取决于行动。通信结构的其余部分被指定为两个TPC协议，用于控制关节运动。在计算机主机上，电机控制命令包含在RT100的库函数中，而库函数嵌入在PASCAL或C语言中。机械臂末端抓取器所需的坐标以编码器的形式计算，从原