主页 > 技（jì）术（shù）文章 > 浅谈析（xī）基于FMS的机电一体化教学培训系统开发 2024-10-19

浅谈析基于FMS的机（jī）电（diàn）一（yī）体化教学培训系统开发

摘要：基于FMS技术开发了模块化机电一体化（huà）教学培训系统（tǒng），该系统有助于加深学生对机电一体化系统概念的（de）理解，掌握车间（jiān）柔（róu）性制造的方法，最后以作业计划与调度（dù）教学研究性、综合性实验为例，论述了该系统在培养学生理论与实践相结（jié）合的能（néng）力，提高学生学习兴趣和积（jī）极性的重要作用。
    为（wéi）使机械设计（jì）制造及其自动化专业学生在学（xué）习过程（chéng）中，有机会将所学到的各门专业课的（de）知识综合性地应（yīng）用到接近于生产实际的（de）过程中，为他们走上工作岗位后应用这种新的理念打下基础，学院除了建立适合于现代教学（xué）法模式的几个独立的专业实（shí）验（yàn）室外，筹建了一个开放式自动化综合实（shí）验室。在这个综合实验室中（zhōng），我们开发了一套完（wán）全接近于生产（chǎn）实际的模块化柔性制造系统，由省部共同投（tóu）资。实验室的（de）开放性主（zhǔ）要体现在两（liǎng）个方面:一是系统组成（chéng）具有开放性，系统中不同生产厂家的设备（bèi）可相互兼（jiān）容，便于以后扩展;二是实验室（shì）资源具有开放性，实验室可面向校内外（wài）各种层（céng）次的学生或培训学员，做到资源共享，扩大受（shòu）益面。
1、FMS系统（tǒng）组成：
    柔性制（zhì）造系统机（jī）电一体（tǐ）化训练设备，包含一条闭环柔性输送装置（zhì）和六自由度并联加工中心(加工站)、三自由度数控雕刻机及其控制系统、四（sì）自由度上料检测站及其控制系统、搬（bān）运站、安装站、安（ān）装搬运站、智（zhì）能分类站、现场总线、多层次立体原料（liào）库及其控制系统、多层立（lì）体成（chéng）品库及其控制系统、自动化输送线及变频调速控制系统、PLC数据采集及物料监控系统、系统监（jiān）控及管理控制软件。
    工业控制计算机通过（guò）运动控制卡发送（sòng）位置信号给旋转（zhuǎn）立体（tǐ）上料（liào）库电机（jī）驱动器，电机（jī）驱动器驱动步进电机旋转一定角度（dù），实现（xiàn）零件位置对准，同时设置检测开关，通过PLC采集至计算机，判断托盘上（shàng）相应位置是否存在（zài）零件。自动上（shàng）料机器人将待加工物料送至加工位（wèi）置后，系统驱动锁紧装置进行物料定位固定，上位机（jī）按指定程序控（kòng）制六自由度并（bìng）联（lián）机器人，进行零件前序的加工。在主界面中点击数控雕刻机控制（zhì）按钮，进人数控雕刻机控制界面，三自由度数控雕刻机主（zhǔ）要实现对工件端面的雕刻，通过用（yòng）户编制G代码也可以用软（ruǎn）件将（jiāng）模型（xíng）转化（huà）为G代码，然后通过计算机的（de）串口将G代码（mǎ）传到雕刻机，雕刻机执行G代码（mǎ）。
件前序（xù）加工完毕后，计算机控制零件搬运机（jī）器人将加工完的零件搬运至下一工序的加工位置。
　　在主界（jiè）面中点击立体仓（cāng）库状态按钮，进人立体仓库状态界面。立体仓库状态是用来实时显示立体仓库仓位的占用（yòng）情况，系统实时检测各（gè）个仓位的状态，然后系统给码垛机发（fā）指令决定码垛机下（xià）一次将装配的成品放人哪个仓位，操作（zuò）者通过观察状态位的图（tú）标情况，操作者就可以知道哪个仓位是否为空，并且知道各个仓位物件（jiàn）的重量，通过生产统计还可以知道立体仓库一共有多少（shǎo）个（gè）成品，每一类成品的（de）个数及总重量。
2、系（xì）统特点：
    (1)包含多种关键技术及单元，使学生了解更多（duō）的知识;机器人技术;物（wù）流仓储自动控制系统;立体仓库;自动输送线（xiàn）;自动码垛机;物流仓储管理（lǐ）和监控;PLC控制系统;传（chuán）感（gǎn）器（qì）技术;计算机网络通信技术和现场总（zǒng）线技术（shù）;计算机控制;网络化视频监控技术;数据库技术;多轴运动控制器;气动技术;步进电机及驱动;伺服电机及驱动（dòng）;VC,VB等高级语言编程。
    (2)结（jié）合机电一体化教学，编制了的实验指导书（shū），包含多个实验:为了方便教学实际使用，我们为（wéi）系统提供了专门（mén）实验（yàn）指导书，其内容涵（hán）盖机械、控（kòng）制、机器（qì）人示教、插（chā）补、自动装配、码垛等多项实验，供本科生、专科生和研究生专业选开，教师也可以根据实际情况（kuàng），在实验指导书的基（jī）础上增开设计性、综合性实验。
    (3)交互式图（tú）形化操作界面:系统控制软件采用WINDOWS操作系统，具有交互式和图形（xíng）化特点，操作简单易学，自动化程度高，使教师和学（xué）生在很短的（de）时间之内就可（kě）以掌握对系统的操作。
    (4)丰富的状态反馈（kuì）功能:通过（guò）计算机与各单（dān）元及传感器的通讯，将系统中各环节的状态显示在操作界面上，使操（cāo）作者通过计算机随时了解系统（tǒng）各（gè）环节的工况、状（zhuàng）态、运行数据（jù），掌握系统运（yùn）行状态（tài）。
    (5)完善的生产及（jí）物料存储统计功能:根据现代柔性制造系统的特点及仓储物流的发展动向，不但在工作过程和原理上仿真（zhēn）实际生产过程，而且开发（fā）了生（shēng）产及物料（liào）存储数（shù）据库，根据系统的运行随（suí）时记录和分析生产和存储数据。
    (6)开放式系统结构:为了增强（qiáng）学生的参与性，系统采用了开放式结构，提供了完善的控制功能动态链接库和二次开（kāi）发函数，不用了解底层复杂的时序和操作过程，只需要在VC或VB中简单的几行代码，学生即可开发出自己（jǐ）的运动或控制功（gōng）能，激发学生的学（xué）习兴趣。
7)网络化视频监控:系统提供网络化视频监控模块，使操（cāo）作者在（zài）操作系统的同时，也可通过电脑屏（píng）幕（mù）实时观看系统（tǒng）的实际运（yùn）行状况。同时对（duì）于有条件的学校，可将控制计（jì）算机与校园网相连解，使更多的学生和老师通过（guò）网络观看现场实验过程，提高系统利用率，也可实现远程教（jiāo）学。
3、如（rú）何（hé）应用FMS进（jìn）行本科实验教学
    由于近年来高校的（de）扩招，学生人数大幅上升，而（ér）大型实验设（shè）备台套数少;而且大型实验设备的实验通（tōng）常包括编程、上机、结果分析等，需要（yào）的时（shí）间较（jiào）长。因此，大型设备开设的实验不能简单的照搬其它实验教学的模式。我们分别探索了以下几种模式:
　　3. 1开设综（zōng）合设计性实验
本中心老师提出项目申请，参加学校实验室设备管理处组织的“工程实（shí）践”和机电工程学院组织的“机电一体化实训中心”项目（mù）。这些项目结合指（zhǐ）导老师的（de）科研项目，通过双（shuāng）向（xiàng）选择接受学校相关专（zhuān）业本科三（sān）年级以上的学生参加。学生（shēng）分为2-4人一组;在教师的指导下，首先查阅文献和学习（xí）FMS的有关知识，编（biān）制程序，上（shàng）机测试;实验的内容根据项目的研究内容而（ér）定，一般（bān）涉及多（duō）种设备;实验时间根据老师和学生双方商定，实行弹性制，不拘（jū）泥于课堂安排（pái）的时间。由于学生人（rén）数少，在实验过（guò）程中可以做到师生（shēng）面对面（miàn）的（de）随时交流。
“作业计划与调度教学实验”的内容是让学生根据给定的加工工件信息，设计一个（gè）单件小批量零件加工的“作业计划与调度”的仿（fǎng）真系统，使目标函数“最长流程时间”的值（zhí）最小，然后对仿真结果进行验证。实（shí）验的目标是:使学（xué）生加深对“作（zuò）业计划与调度”概念的理解，掌握车间调度的方法，培（péi）养学生理论与实（shí）践相结合的能力，提高学生的学习兴趣和积极性。实验系统要具备以下（xià）功能:
    (1)提供一个很好（hǎo）的、有代表性的研究对象，也（yě）就（jiù）是使学生知道他（tā）们是（shì）在那个车间、那个环境为加工那些工件设计“作业计划与调度”的方案;
    (2)提供一个很好的仿（fǎng）真环境及工具，用来建立仿真模型，使学生形象直观地看到车间调度的运行过程;
  (3)提供实现“作业计划（huá）与调度”的算法和软件开发环境，使学生了解并掌握该算法的原理，并在仿（fǎng）真环境中实现算法，得到仿真（zhēn）结果;
    (4)提供一个（gè）真实环境，如FMS车间或可真正运行的FMS车间模（mó）型，在此环境（jìng）中对上面得到的仿真结果进行验证。
   3. 2开设选修课
    由（yóu）于学习FMS的有关知识，需要学生们具有一（yī）定的专（zhuān）业知识;而且大型设备一般只有一套设备，要（yào）面向学生人（rén）数众多的本科生开设实验课有一定的难度。因此，我们首先开设了FMS的选修课。在讲授（shòu）FMS技术的理论知识的基础上，开设FMS的上机实验课，学生分为3 -5人一组。由于课堂讲授FMS的时间有限，加（jiā）之是选修课;因此，在实（shí）验课之前，面对设备再介绍一次设（shè）备的原理、结（jié）构和用途等，以加深学生（shēng）的（de）印象;然后指导学生编制（zhì）程序、适当的上机（jī）操作，辅导学生处理实（shí）验结（jié）果（guǒ）。
　　3. 3为本科毕业设计提供实验
    本科生的毕业论（lùn）文是进行专业基本技能培养的重要环节，同（tóng）时也是培养学生创造性（xìng）思（sī）维方法、提高动手和解（jiě）决问（wèn）题能力的不可缺（quē）少的过（guò）程。参加本科毕业论文的学生，有充分的时间利用所掌握的专业基础知识（shí），解决具体（tǐ）的问题;因此毕（bì）业论文是（shì）本科生学习和掌握大型实验设备的一个非常好的机（jī）会。
4、FMS进行本科教学（xué）的（de）体会和希望：
　　4. 1   FMS进行本科教（jiāo）学的效果
    通（tōng）过上述三种方式向本科生开放大型实（shí）验设（shè）备，对学生选择专业有一定的帮助，也（yě）增加了学（xué）生参加推荐免试研究生和就业等的竞争力（lì）。例如，一名机电（diàn）学院的学生（shēng）参（cān）加了“FMS研究”项目后，对数控技术有关（guān）知识和应用有了一定的了解和兴趣，报考研究（jiū）生时选择数（shù）控技术专业。另一名机电学院的学生参加“开放式数控系统的研究（jiū）”，学习了切（qiē）削图形设计、数控雕刻机及其控制系（xì）统等一系列操作（zuò），在老师的指导下自（zì）己操作选择刀具和切削参（cān）数，观察不（bú）同的切削过程，加深了所学的理论知识，熟悉了作业计划与调度的（de）原理、立体仓库的基本（běn）操作;该生通过面（miàn）试（shì）后顺（shùn）利地被华中科技大学（xué）录取为研究生。
    近年来为了适应地方经济和社会发（fā）展的需要，拓宽人才培养领域，在开设综合性实验项目和（hé）选修（xiū）课时，也接受其他学院的学（xué）生。学生结束项目后，对所（suǒ）参加的研（yán）究工作非常有兴趣。
    相比较而言，综合设（shè）计性（xìng）实验效果明显好于选修课的（de）实验。前者（zhě）由（yóu）于有充分（fèn）的时间，我们摒弃（qì）了传统的验证实验的模式（shì），采取了“双向互动”，教师以更多的精力启发学生的创造力，调动其主动性和积（jī）极性，发挥他们运用所学的知识去解决实（shí）际问题。对这种实验模式，学生表现出极大的兴趣。这种（zhǒng）实（shí）验教（jiāo）学模式，不仅拓展了学生现代科学技能的理论和知识;在实验（yàn）方法，应用技能方（fāng）面也得到了提高，为（wéi）他们（men）今后走（zǒu）上社会，服务于（yú）社会，缩短理论与实践的（de）差距奠定了良好的（de）基础。
　　4. 2存在的问题
    通过参加上述教学实验（yàn）活动，我们（men）也发现仍有一些问题急待解决。实现大型实（shí）验设备的本科教学，需要一批技术水平高，有责任心和敬业精神的技术人员，并（bìng）有相应的（de）政策或办法加强大型实（shí）验设备管理（lǐ）和使用。一方（fāng）面需要制定激励老师（shī）开展实验（yàn）教学工作的政策，充分调动在岗老师的积极性（xìng）;另一方（fāng）面（miàn），要加强（qiáng）实验室老师的进修和业务培训，因为实验老师的业务水平将直接影响到实验教学质量和科研水平。
在科学和教育飞速发展的今天，协（xié）作和资（zī）源共享对大（dà）型光机电一体化实验设备的使用提出了新的要求。通过开展上述（shù）本科生（shēng）的教学实验活动，扩大了对学生能（néng）力培养的范围，提高学生的实验技能，激发他们的创新思维，促进教学质量的提（tí）高，达到高校素质教育（yù）的目的（de）。此外，也（yě）提高了大型实验设备的使用效率，提高了教师的学术（shù）水平和专业技能。

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