柔性制造系統(tǒng)機(jī)電一體化教學(xué)研究論文_優(yōu)秀論文

1、 柔性制造系統(tǒng)機(jī)電一體化教學(xué)研究論文論文關(guān)鍵詞：柔性制造系統(tǒng)；作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度；教學(xué)培訓(xùn)論文摘要：基于FMS技術(shù)開(kāi)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(duì)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(dòng)化專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中, 有機(jī)會(huì)將所學(xué)到的各門專業(yè)課的知識(shí)綜合性地應(yīng)用到接近于生產(chǎn)實(shí)際的過(guò)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(gè)獨(dú)立的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室外, 籌建了一個(gè)開(kāi)

2、放式自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)室中, 我們開(kāi)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(kāi)放性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是系統(tǒng)組成具有開(kāi)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(kāi)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。1FMS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(cè)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(chǎng)總線、多層次立體原料庫(kù)及其控制系統(tǒng)、多層立體成品庫(kù)及其

3、控制系統(tǒng)、自動(dòng)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(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送位置信號(hào)給旋轉(zhuǎn)立體上料庫(kù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器, 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度, 實(shí)現(xiàn)零件位置對(duì)準(zhǔn), 同時(shí)設(shè)置檢測(cè)開(kāi)關(guān), 通過(guò)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(dòng)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(dòng)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(duì)工件端面的雕刻, 通過(guò)用戶編制G代碼也可以用軟件將模型轉(zhuǎn)化為G代碼

4、, 然后通過(guò)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。零件前序加工完畢后, 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(cāng)庫(kù)狀態(tài)按鈕, 進(jìn)人立體倉(cāng)庫(kù)狀態(tài)界面。立體倉(cāng)庫(kù)狀態(tài)是用來(lái)實(shí)時(shí)顯示立體倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)位的占用情況, 系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)倉(cāng)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(gè)倉(cāng)位, 操作者通過(guò)觀察狀態(tài)位的圖標(biāo)情況, 操作者就可以知道哪個(gè)倉(cāng)位是否為空, 并且知道各個(gè)倉(cāng)位物件的重量, 通過(guò)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)還可以知道立體倉(cāng)庫(kù)一共有多少個(gè)成品, 每一類成品的個(gè)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(shí);機(jī)器人

5、技術(shù);物流倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng);立體倉(cāng)庫(kù);自動(dòng)輸送線;自動(dòng)碼垛機(jī);物流倉(cāng)儲(chǔ)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(chǎng)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(kù)技術(shù);多軸運(yùn)動(dòng)控制器;氣動(dòng)技術(shù);步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng);伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng);VC,VB等高級(jí)語(yǔ)言編程。(2)結(jié)合機(jī)電教學(xué), 編制了的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū), 包含多個(gè)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(shū), 其內(nèi)容涵蓋機(jī)械、控制、機(jī)器人示教、插補(bǔ)、自動(dòng)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(kāi), 教師也可以根據(jù)實(shí)際情況, 在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的基礎(chǔ)上增開(kāi)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

6、件采用WINDOWS操作系統(tǒng), 具有交互式和圖形化特點(diǎn), 操作簡(jiǎn)單易學(xué), 自動(dòng)化程度高, 使教師和學(xué)生在很短的時(shí)間之內(nèi)就可以掌握對(duì)系統(tǒng)的操作。(4)豐富的狀態(tài)反饋功能:通過(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)隨時(shí)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(chǔ)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(cāng)儲(chǔ)物流的發(fā)展動(dòng)向, 不但在工作過(guò)程和原理上仿真實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程, 而且開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)及物料存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù), 根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行隨時(shí)記錄和分析生產(chǎn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。(6)開(kāi)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(kāi)放式結(jié)構(gòu),

7、提供了完善的控制功能動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和二次開(kāi)發(fā)函數(shù), 不用了解底層復(fù)雜的時(shí)序和操作過(guò)程, 只需要在VC或VB中簡(jiǎn)單的幾行代碼, 學(xué)生即可開(kāi)發(fā)出自己的運(yùn)動(dòng)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(shí), 也可通過(guò)電腦屏幕實(shí)時(shí)觀看系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。同時(shí)對(duì)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(guò)網(wǎng)絡(luò)觀看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(lái)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(tái)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

8、要的時(shí)間較長(zhǎng)。因此, 大型設(shè)備開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)不能簡(jiǎn)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(kāi)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(qǐng), 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(guò)雙向選擇接受學(xué)校相關(guān)專業(yè)本科三年級(jí)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(shí), 編制程序, 上機(jī)測(cè)試;實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容根據(jù)項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容而定, 一般涉及多種設(shè)備;實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)間。由于學(xué)生人數(shù)少, 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以做到師生面

9、對(duì)面的隨時(shí)交流。例如:作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度教學(xué)實(shí)驗(yàn)。“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(gè)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(zhǎng)流程時(shí)間”的值最小, 然后對(duì)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(duì)“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(gè)很好的、有代表性的研究對(duì)象, 也就是使學(xué)生知道他們是在那個(gè)車間、那個(gè)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(gè)很好的仿真環(huán)境及工具, 用來(lái)建立仿真模型, 使學(xué)生形象直

10、觀地看到車間調(diào)度的運(yùn)行過(guò)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(kāi)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(gè)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(duì)上面得到的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)“FMS教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”只討論一種特殊情況, 即最長(zhǎng)流程時(shí)間Fmax的計(jì)算先討論n/m/P/Fmax問(wèn)題, 目標(biāo)函數(shù)是使最長(zhǎng)流程時(shí)間最短。最長(zhǎng)流程時(shí)間又稱作加工周期, 它是從第一個(gè)工件在第一臺(tái)機(jī)器開(kāi)始加工時(shí)算起, 到最后一個(gè)工件在最后一臺(tái)機(jī)器上完成加工時(shí)為止所經(jīng)過(guò)的時(shí)間, 由于假設(shè)所有工件的到達(dá)時(shí)間都為零(Ri,I=1,2,3,

11、,n), 所以Fmax等于排在末位加工的工件在車間的停留時(shí)間, 也等于一批工件的最長(zhǎng)完工時(shí)間Cmax。設(shè)n個(gè)工件的加工順序?yàn)镾=(S1,.S2, ,Sn), 其中Si為排第i位加工的工件的代號(hào)。以CK(Si)表示工件Si在機(jī)器Mk上的完工時(shí)間, Pk表示工件Si在Mk上的加工時(shí)間, K=1,2,3,m；i=1,2,n,式(1)是一個(gè)遞推公式, 當(dāng)由式(1)得出Cm(sn)時(shí), Fmax、就求得了。在熟悉以上公式之后, 可以直接在加工時(shí)間矩陣上從左向右計(jì)算完工時(shí)間。對(duì)于某一工作地, 在給定的一段時(shí)間內(nèi), 順次決定下一個(gè)被加工的工件。3.2開(kāi)設(shè)選修課由于學(xué)習(xí)FMS的有關(guān)知識(shí), 需要學(xué)生們具有一定的

12、專業(yè)知識(shí);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(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課有一定的難度。因此, 我們首先開(kāi)設(shè)了FMS的選修課。在講授FMS技術(shù)的理論知識(shí)的基礎(chǔ)上, 開(kāi)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(shí)間有限, 加之是選修課;因此, 在實(shí)驗(yàn)課之前, 面對(duì)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(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維方法、提高動(dòng)手和解決問(wèn)題能力的不可缺少的過(guò)程。參加本科畢業(yè)論文的學(xué)生, 有充分的時(shí)

13、間利用所掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí), 解決具體的問(wèn)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(gè)非常好的機(jī)會(huì)。4FMS進(jìn)行本科教學(xué)的體會(huì)和希望4.1FMS進(jìn)行本科教學(xué)的效果通過(guò)上述三種方式向本科生開(kāi)放大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備, 對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)數(shù)控技術(shù)有關(guān)知識(shí)和應(yīng)用有了一定的了解和興趣, 報(bào)考研究生時(shí)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(kāi)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(guò)程,

14、 加深了所學(xué)的理論知識(shí), 熟悉了作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度的原理、立體倉(cāng)庫(kù)的基本操作;該生通過(guò)面試后順利地被華中科技大學(xué)錄取為研究生。近年來(lái)為了適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要, 拓寬人才培養(yǎng)領(lǐng)域, 在開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和選修課時(shí), 也接受其他學(xué)院的學(xué)生。學(xué)生結(jié)束項(xiàng)目后, 對(duì)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(shí)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(dòng)”, 教師以更多的精力啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力, 調(diào)動(dòng)其主動(dòng)性和積極性, 發(fā)揮他們運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題。對(duì)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(shí);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(huì), 服務(wù)于社會(huì), 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(wèn)題通過(guò)參加上述教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng), 我們也發(fā)現(xiàn)仍有一些問(wèn)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(lì)老師開(kāi)展實(shí)驗(yàn)