機(jī)電一體化教育實(shí)驗(yàn)室——可編程邏輯控制器與物料搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)

1、機(jī)電一體化教育實(shí)驗(yàn)室可編程邏輯控制器和物料搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)Hany Bassily a, Rajat Sekhon a, David E. Butts b,1, John Wagner a,*A Department of Mechanical Engineering, Clemson University, Clemson, SC 29634, United StatesB Engineering Technologies and Engineering Transfer Midlands Technical College, Columbia, SC 29202, USAReceived 13 F

2、ebruary 2006; accepted 19 June 2007摘要在制造業(yè)和物料運(yùn)輸流程系統(tǒng)中，機(jī)器、傳輸帶、傳感器以及可編程控制器的集成需要工程師的技術(shù)技能以及專業(yè)知識。對于成功的系統(tǒng)開發(fā)，協(xié)調(diào)好裝配操作以及管理控制需要熟悉機(jī)械和電氣設(shè)計、儀表、執(zhí)行器、計算機(jī)編程等相關(guān)知識。本文提出的教育機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室，鼓勵多學(xué)科、實(shí)踐性以及具有團(tuán)隊性的工程項(xiàng)目系統(tǒng)集成。并重點(diǎn)敘述了三個漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，允許學(xué)生編程以及操作可編程邏輯控制器，傳統(tǒng)的輸送機(jī)系統(tǒng),分布式伺服馬達(dá)的基礎(chǔ)輸送機(jī)。學(xué)生們還計劃和實(shí)現(xiàn)兩個機(jī)械手材料處理應(yīng)用程序。設(shè)備，學(xué)習(xí)目標(biāo)，每個實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)方法引導(dǎo)學(xué)生更好的思考以及洞察問題。一個

3、協(xié)同設(shè)計方案的研究出現(xiàn)在能夠創(chuàng)造智能物料搬運(yùn)系統(tǒng)的學(xué)生團(tuán)隊中?？偟膩碚f,工程畢業(yè)生一般都要求學(xué)習(xí)物料搬運(yùn)和其他多學(xué)科領(lǐng)域的概念,因此,一個豐富的工程課程應(yīng)包含機(jī)電一體化的教室和實(shí)驗(yàn)室。2007愛思唯爾有限公司。版權(quán)所有。關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化;可編程邏輯控制器;輸送機(jī);機(jī)器人;傳感器1. 介紹 消費(fèi)產(chǎn)品制造商越來越多地依賴于多學(xué)科的合作開發(fā)技術(shù)系統(tǒng),經(jīng)常會涉及電氣、機(jī)械和工業(yè)工程領(lǐng)域。設(shè)計和生產(chǎn)的工程師們常常被組織成一個跨功能團(tuán)隊，他們給團(tuán)隊帶來了決定性的技能。為了促進(jìn)多學(xué)科的團(tuán)隊,工程師必須發(fā)展他們的團(tuán)隊合作，解決問題，協(xié)同設(shè)計，和溝通技巧以及傳統(tǒng)的技術(shù)能力2、3。進(jìn)一步假設(shè)，越來越多的工程畢業(yè)

4、生將各司其職并能很好地第一時刻為團(tuán)隊做出貢獻(xiàn)4。本質(zhì)上，在所有工程系統(tǒng)中，傳感器，執(zhí)行器以及數(shù)字控制器的廣泛使用要求學(xué)生具有機(jī)電一體化的視角 5 ，這個視角給學(xué)生提供一個機(jī)會，去發(fā)展他們的領(lǐng)導(dǎo)能力，溝通能力以及人際交往技巧。具有工程學(xué)的機(jī)電一體化課程的有效性，可以為全球職場培養(yǎng)人才。在過去的十年間，機(jī)電一體化在全球各地受到廣泛的關(guān)注。為了適應(yīng)大量的工程學(xué)生，Ranaweera等人在加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校討論所需的介紹性機(jī)電實(shí)驗(yàn)室課程，側(cè)重于對傳感器和執(zhí)行器的討論研究。Grimheden7在KIH大學(xué)機(jī)電一體化課程所做的報告，并指出通過全球協(xié)作來為全球職場準(zhǔn)備工程師。Surgenor等人使用

5、主動學(xué)習(xí)策略包括講座、教程、實(shí)驗(yàn)室、和在皇后大學(xué)的機(jī)電一體化選修課程中關(guān)于集成傳感器的合作設(shè)計項(xiàng)目方案。學(xué)生團(tuán)隊?wèi)?yīng)用電子和微控制器設(shè)計的移動機(jī)器人。Minor M, Meek G在猶他大學(xué)關(guān)于集成化系統(tǒng)的開放性問題中強(qiáng)調(diào)機(jī)電一體化課程必須分為兩個學(xué)期的學(xué)習(xí) 。巴克內(nèi)爾大學(xué)的機(jī)電一體化課程強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科學(xué)生團(tuán)隊和主動學(xué)習(xí)策略10。Bushnell and Crick11在華盛頓大學(xué)通過三個自制機(jī)器人課程給學(xué)生提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。最后，馬里蘭大學(xué)12建立了一個特色的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室，擁有一個工業(yè)機(jī)器人鉸接式手臂，在機(jī)器臂上帶有機(jī)器視覺，可起到引導(dǎo)和檢查的功能。在克萊姆森大學(xué)機(jī)械工程系已經(jīng)發(fā)展了教育機(jī)電一體

6、化實(shí)驗(yàn)室13。這些實(shí)驗(yàn)是學(xué)生團(tuán)隊基于指定的設(shè)計項(xiàng)目設(shè)計,裝配,實(shí)現(xiàn),和演示的。通過這種方式,學(xué)生們能夠自主完成實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建過程。注意,一些設(shè)計項(xiàng)目可能持續(xù)多個學(xué)期由于其復(fù)雜性。實(shí)驗(yàn)室功能工作站的機(jī)電、氣動和液壓系統(tǒng)由可編程邏輯控制器(plc)和個人電腦運(yùn)行的虛擬儀器（LabVIEW）控制。這些系統(tǒng)包括一個基本的“工業(yè)光堆棧”實(shí)驗(yàn),氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)控制與轉(zhuǎn)矩測量,液壓缸/馬達(dá)控制、車輛懸架系統(tǒng)、機(jī)器人手臂,牽鏈輸送機(jī)系統(tǒng),和“智能”MicroRollerTM2建立輸送機(jī)部分。學(xué)生擁有基本的編程技能，只是沒有機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，但是能很快的學(xué)會怎樣組成控制體系。機(jī)電一體化的一個子類,值得關(guān)

7、注是物料搬運(yùn)系統(tǒng),包括機(jī)器臂對象位置、輸送機(jī)運(yùn)輸,和過程控制(參見圖1)。傳統(tǒng)的輸送機(jī)系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于制造業(yè)和物料搬運(yùn)系統(tǒng)多年。在標(biāo)準(zhǔn)配置中,一個單電機(jī)驅(qū)動一個滑輪，該滑輪是輪流帶動重力滾輪和惰輪上的橡膠傳輸帶(如。14)。然而，傳統(tǒng)的輸送帶系統(tǒng)技術(shù)有一個缺點(diǎn)，帶上的每一個點(diǎn)只能以同樣的時間和速度運(yùn)動。因此，個人裝配步驟并不存在一些優(yōu)勢。越來越多的工程師將輸送帶系統(tǒng)劃分為更小的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)依靠以下的因素可以被獨(dú)立控制，如：地區(qū)產(chǎn)品流動率；產(chǎn)品緩沖的需要；流程不一致。一個構(gòu)建輸送帶系統(tǒng)的方案需要用到單獨(dú)的機(jī)構(gòu)滾軸，如小型的滾軸，包括集成的直流電機(jī)以及驅(qū)動模塊，這樣能很好的被PLC所控制。

8、本文組織如下。第二節(jié)介紹了可編程邏輯控制器和燈堆棧實(shí)驗(yàn)。第三節(jié)討論了傳統(tǒng)的和智能的輸送機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。第四節(jié)給出教育和工業(yè)機(jī)器手臂運(yùn)動以及操作部分。第五節(jié)提供一個學(xué)生設(shè)計項(xiàng)目的案例研究；在這個案例中，兩個設(shè)計團(tuán)隊設(shè)計了一個智能搬運(yùn)系統(tǒng)。最后,第六節(jié)包含摘要。2. 可編程序邏輯控制器實(shí)驗(yàn)在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生學(xué)習(xí)編寫plc程序15,然后應(yīng)用于控制設(shè)備的機(jī)電和氣動系統(tǒng)。盡管其他PLC編程語言(如。、順序功能圖、功能框圖,結(jié)構(gòu)化文本,和指令表)，除了梯形圖以外已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化，但是實(shí)驗(yàn)室更注重后者。PLC在工業(yè)過程中的廣泛運(yùn)用證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室以及講座關(guān)于PLC硬件系統(tǒng)和程序編寫的地位。實(shí)驗(yàn)室突出讓多種多樣的學(xué)

9、生組合實(shí)驗(yàn)，其中有五個是利用llenBradley PLCs (MicroLogixTM3 1000 and 1500)控制的。個人電腦使用軟件包RSLogix 500來對PLC進(jìn)行編程,它提供了一個圖形用戶界面(GUI)來創(chuàng)建梯子邏輯“梯級”。第一個PLC實(shí)驗(yàn)是對AllenBradley industrial light stack (855E)控制，包括紅、黃、綠24V直流燈具以及一個聲音報警器。在制造過程中，這些設(shè)備常常被用來發(fā)出信號，如：系統(tǒng)正準(zhǔn)備工作、忙碌或者出錯。對于第一個“開/關(guān)”實(shí)驗(yàn)，這些燈被編程為交通燈的順序。圖2?？删幊踢壿嬁刂破髋c光堆棧:(一)外部視圖,(b)電氣布局。見

10、圖2，電器柜包含了MicroLogix 1000 PLC，一個SOLA2.5A，24V直流電壓源，以及各種供用戶選擇的面板和指示燈。為讀者提供接線原理圖。使用基本的梯形圖，學(xué)生編寫PLC程序讓燈按照順序點(diǎn)亮。步驟0:程序開始于塔1的紅色燈和塔2的綠色燈。步驟1:塔2切換到黃色，塔1仍然是紅色的。步驟2:塔1轉(zhuǎn)化為綠，塔2切換到紅色。步驟3:塔1轉(zhuǎn)化到黃色，塔2仍然是紅色的。按照上述步驟重復(fù)，直至用戶停止。交通燈實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)是：(1)了解PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制器內(nèi)部線路、以及外部設(shè)備的接口；(2)掌握基本PLC的I/O口操作；（3）設(shè)計一個控制算法來編寫“交通燈”的程序，并設(shè)置程序時間。3. 物

11、料搬運(yùn)系統(tǒng)的輸送機(jī)兩道工序之間的自動化物料搬運(yùn)系統(tǒng)在工廠地面上是常見的過程。機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室正在研究兩個不同的傳輸系統(tǒng)。第一個是一個常見的雙線式牽引鏈輸送機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供統(tǒng)一的運(yùn)動路徑，沿著外邊沿的膠帶運(yùn)動。第二個是一個分布式電動滾筒輸送機(jī)系統(tǒng)，并提供基于多種雙向滾軸可用性的包裝運(yùn)動。另一方面，物料運(yùn)輸系統(tǒng)可以單獨(dú)的與平臺上的傳感器配合使用。3.1 傳統(tǒng)的輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)一個自定義的按比例縮小的輸送帶系統(tǒng),如圖3所示，工程學(xué)生能夠運(yùn)用集成的執(zhí)行器，傳感器以及PLC來控制。工業(yè)級的雙鏈拉輸送機(jī)系統(tǒng)在電腦的控制下由208VAC單向電機(jī)以及連續(xù)的皮帶帶動。這樣的電機(jī)由電氣繼電器操作，而繼電器則由PLC來

12、控制開合。一個光電距離傳感器(Square D PE8TANSS)，擁有50mm的檢測范圍，并能檢測皮帶上鋁制托盤的位置。一個檢測范圍為3mm的感應(yīng)式接近開關(guān)(Square D PJD312N)為氣閥門提供其檢測到的信息。系統(tǒng)還有一個垂直安裝的SMC啟動裝置(NCDMW-075-0605)，它的汽缸依附于一個“鉤子”，并使它能從皮帶表面上升。這款型號為MicroLogix 1000 的PLC被編程來控制皮帶直到托盤被放置到正確的位置以及啟動裝置恢復(fù)。一個氣動分配閥箱,包含一系列的plc控制的24伏直流電SMC電磁閥(VQ2101-5),調(diào)節(jié)空氣供給的致動器。一個氣動分配閥箱,包含一系列的plc

13、控制的24伏直流SMC電磁閥(VQ2101-5),并調(diào)節(jié)空氣供給各執(zhí)行器。用于交通信號控制實(shí)驗(yàn)的AllenBradley光堆棧和報警器給系統(tǒng)提供視覺以及聲音的反饋。圖3、阻力帶式輸送機(jī)系統(tǒng)與氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu):(一)布局,和(b)信號原理。在本科課程中，這是第一次與實(shí)際工業(yè)化系統(tǒng)相結(jié)合。靈活的輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計允許學(xué)生團(tuán)隊去整合不同的傳感器來獲取托盤的運(yùn)動以及探索不同的控制策略。輸送機(jī)的基本功能是將一些小托盤按照順序排列并用氣動裝置來驅(qū)動它們。學(xué)習(xí)這個實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是:（1）了解光電傳感器以及感應(yīng)式傳感器的操作和應(yīng)用；（2）探索傳感器、執(zhí)行器以及PLC控制器的集成問題；（3）設(shè)計梯形圖來控制托盤控制；

14、（4）創(chuàng)建測試場景來驗(yàn)證控制器的功能。3.2 智能輸送機(jī)系統(tǒng)第二個輸送機(jī)系統(tǒng)，如圖4所示，是一個智能的系統(tǒng)，相比較傳統(tǒng)的牽連輸送機(jī)而言，它有不同的原則。這個輸送機(jī)包括三個MicroRollers(24 v直流無刷電機(jī),直徑4.8厘米, 長35.6厘米)，每個帶有13個常見的非機(jī)動惰輥。各種各樣的可操作配置都是很有可能的。例如,每個機(jī)動的和相鄰的非機(jī)動滾軸，都可以用橡膠皮帶連接起來并創(chuàng)建獨(dú)立的控制單元，使得輸送機(jī)系統(tǒng)得以延長。每個MicroRoller都有對應(yīng)的控制開關(guān)命令、方向命令、并且有24V直流電源供電。滾軸的速度可調(diào)，但是驅(qū)動卡并沒有為電子控制做當(dāng)前配置。傳輸帶是由MicroLogix

15、1500 PLC所控制的。與型號為MicroLogix 1000不同的是，MicroLogix 1500 PLC可以擴(kuò)充其硬件接口，能夠適應(yīng)大量的數(shù)據(jù)和模擬設(shè)備。目前，一個24V直流電壓源為PLC以及運(yùn)動滾軸MicroRoller提供電源。這個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括了一個AllenBradley燈光堆棧、聲音警報器（類似于第二章提及的），以及在輸送帶邊沿上的可移動式光電傳感器，以及一組可以被學(xué)生編程的控制面板按鈕。使用一個模塊構(gòu)建方法，121.9cm倍數(shù)長的統(tǒng)一輸送機(jī)系統(tǒng)允許一個可重構(gòu)的物料搬運(yùn)方法。注意,輸送機(jī)系統(tǒng)是由一個單一的MicroLogix 1500 PLC來控制。圖4。智能輸送系統(tǒng)與PLC

16、和燈塔:(一)布局,和(b)信號原理。在這個實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生團(tuán)隊被要求編寫PLC程序，通過機(jī)器臂檢測輸送皮帶的一部分位置。例如，PLC利用獨(dú)立空間的控制概念來編程，讓皮帶上新到達(dá)的部分連續(xù)運(yùn)動，直到皮帶上所有空間都被裝載。接下來，PLC可以監(jiān)控整個輸送帶系統(tǒng)的卸載。這個實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)是：（1）使用感應(yīng)式距離傳感器控制輸送機(jī)系統(tǒng)上的物體運(yùn)動；（2）MicroLogix 1500 PLC(相比1000年MicroLogix PLC)的程序能讓輸送帶系統(tǒng)的每一部分連續(xù)運(yùn)動；（3）輸送機(jī)系統(tǒng)由多個機(jī)器臂集成，能更好的進(jìn)行物料搬運(yùn)；（4）控制和協(xié)調(diào)多個輸送機(jī)系統(tǒng)并進(jìn)行各種操作。圖5。機(jī)械手的編程和材料處理

17、: (a)UMI RT100 (b) Staubli RX130.4. 機(jī)器人手臂編程和系統(tǒng)集成 用于制造過程的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)一般有三個基本規(guī)則：（1）部分選擇/位置操作；（2）基于非接觸式導(dǎo)軌的任務(wù)(例如焊接)；（3）把系統(tǒng)裝配起來的任務(wù)包括零件組裝。機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室有兩個機(jī)器臂，一個UMI RT100 以及一個 Staubli RX130，學(xué)生可以把它接入輸送機(jī)系統(tǒng)，并通過接口界面對其進(jìn)行編程（參見圖5）。RT100的機(jī)械臂為總體介紹和初始設(shè)置的編程任務(wù)提供了一個良好的平臺。接下來，工業(yè)級為RX130的機(jī)器臂在儲存箱以及輸送機(jī)系統(tǒng)之間被編寫程序來搬運(yùn)物料，使得物料搬運(yùn)系統(tǒng)更加完善。4.1

18、UMI RT100機(jī)械手臂 UMI RT100是選擇性的，順從的裝配用機(jī)器臂(SCARA)，該機(jī)器臂擁有六自由度（DOF（例如：垂直面，肩膀，肘部，旋轉(zhuǎn)，俯仰，滾動）以及一個附加給機(jī)器臂末端夾子的自由度。每一個關(guān)節(jié)的運(yùn)動都是由步進(jìn)電機(jī)所控制。機(jī)器臂的運(yùn)動是通過皮帶傳動，并用電機(jī)調(diào)動指定關(guān)節(jié)的，而皮帶傳動的作用是起到一個機(jī)械“保險絲”來促進(jìn)一個安全的環(huán)境，讓學(xué)生可以使用機(jī)器臂。在機(jī)器人手臂和主機(jī)電腦之間通信，使用的是一種智能外設(shè)通信協(xié)議(IPC)以及RS232串行連接。IPC協(xié)議構(gòu)成的通信等級,可以通過特定的命令直接使用。數(shù)據(jù)以及命令的傳輸是8.0e-03s通信結(jié)構(gòu)下被實(shí)施的；實(shí)際的時間數(shù)量取決

19、于行動。通信結(jié)構(gòu)剩余的部分被指定為兩個TPC協(xié)議，并用來控制關(guān)節(jié)運(yùn)動。在電腦主機(jī)上，電機(jī)控制命令是包含在RT100的庫函數(shù)中，而庫函數(shù)則是被嵌入在PASCAL或者C+語言中。所需要的機(jī)器臂末端夾子的坐標(biāo)，是以編碼器的形式來計算每一個電機(jī)從原位置到指定的特殊旋轉(zhuǎn)角。而所需的機(jī)器臂速度則是以最高速度的百分比被輸進(jìn)電腦主機(jī)。學(xué)生團(tuán)隊的任務(wù)是通過編寫程序來控制機(jī)器臂從前端零件平臺抓取部件，并將其安置在智能輸送機(jī)上。傳送帶通過一系列的傳感器區(qū)域運(yùn)送物體到皮帶終端，并進(jìn)入下一步處理階段。為了更加便捷的編程，機(jī)器臂的位置（或者說姿勢）已經(jīng)被預(yù)先確定相應(yīng)程序，并且提供給學(xué)生直接調(diào)用。這些關(guān)鍵的部位包括“等待”

20、（例如：在某一部分上盤旋）以及“拾取”（例如：位置夾子的開合），而這些部位為每一環(huán)節(jié)擺好動作，并被放置在輸送機(jī)上。類似的，可以定義各種動作讓輸送機(jī)進(jìn)行裝卸。這個實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)可以概括為:（1）了解機(jī)器臂的基本操作以及相關(guān)運(yùn)用，包括庫函數(shù)以及通信協(xié)議；（2）開發(fā)算法來控制機(jī)器臂進(jìn)行拾取/放置的動作；（3）調(diào)查開環(huán)運(yùn)行放置物體的局限性；（4）應(yīng)用解決問題(軟件和硬件)的技能來實(shí)現(xiàn)更加適合機(jī)器人的系統(tǒng)操作。4.2 Sta¨ ubli RX130機(jī)器臂Sta¨ ubli RX130機(jī)器臂是工業(yè)級六自由度機(jī)器臂，并且伴隨有控制箱以及計算機(jī)操作臺。每一個機(jī)器臂關(guān)節(jié)都是由無刷異步電動機(jī)通

21、過齒輪傳動來驅(qū)動的；關(guān)節(jié)速度不同的是肩關(guān)節(jié)速度為185°/s，而末端執(zhí)行器的速度為580°/s。機(jī)器臂系統(tǒng)包含兩個氣動電磁閥，而氣動電磁閥通過連接在底部的外部連接器，來激活其可選擇性的外部設(shè)備?？刂乒癜粋€Adept CS7控制器以及一個電源功率放大器，并用來驅(qū)動電機(jī)。與Adept CS7控制器進(jìn)行通信有三種方法：（1）連接到機(jī)箱的控制柜具有預(yù)先設(shè)定機(jī)器臂操作以及動作的功能；（2）計算機(jī)終端通過使用V +語言命令或Windowsbased GUI與控制器進(jìn)行通信；（3）與遠(yuǎn)程計算機(jī)終端通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通信。機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜性提供了多種多樣的教育挑戰(zhàn)，接下來將會對三個連續(xù)的

22、任務(wù)進(jìn)行討論。首先,學(xué)生復(fù)習(xí)安全指導(dǎo)方針以及工業(yè)級機(jī)器人的多方面功能。第二,學(xué)生學(xué)習(xí)V +界面語言，并通過編程使機(jī)器人進(jìn)行基本的運(yùn)動。機(jī)器臂應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)從分段運(yùn)輸平臺取回零件，并且將它們安置在固定的輸送機(jī)上；相反的操作也應(yīng)該是被證實(shí)的。第三，學(xué)生團(tuán)隊將機(jī)器臂整合進(jìn)物料搬運(yùn)系統(tǒng)。機(jī)器臂從存儲平臺獲取零件，并安放在輸送機(jī)系統(tǒng)上；然后輸送機(jī)運(yùn)輸零件至下一環(huán)節(jié)；隨后再由機(jī)器臂分檢零件。Sta¨ ubli RX130機(jī)器臂實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)包括：（1）對工業(yè)機(jī)器人的安全規(guī)程的重視；（2）在工作場所中了解典型的機(jī)器人的基本操作以及應(yīng)用；（3）學(xué)習(xí)V +語言命令；（4）創(chuàng)建V+算法對機(jī)器臂進(jìn)行編程，實(shí)

23、現(xiàn)對物體拾取/放置的操作；（5）了解開環(huán)操作以及閉環(huán)操作的區(qū)別；（6）將機(jī)器臂以及智能輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整合。5. 案例研究智能物料搬運(yùn)系統(tǒng) 這一門技術(shù)性選修課的一個重要方面是學(xué)生團(tuán)隊“獨(dú)立實(shí)踐”設(shè)計項(xiàng)目的完成，通過實(shí)驗(yàn)室用戶手冊以及一系列工程項(xiàng)目，讓學(xué)生更加專注于創(chuàng)造教育性實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。團(tuán)隊大約由6-8名機(jī)電工程本科/研究生組成，并通過在各種工程學(xué)課程上所學(xué)的理論知識對機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、分析、采購、制作、演示、以及安全防護(hù)等。在這個案例研究中，兩個團(tuán)隊合作創(chuàng)建一個智能化物料搬運(yùn)系統(tǒng)，其中包含模塊化的輸送機(jī)系統(tǒng)原理（3.2節(jié)）以及機(jī)械手臂(4.2節(jié))等，來實(shí)現(xiàn)零件的搬運(yùn)/安置/運(yùn)輸?shù)炔僮?。輸?/p>

24、機(jī)系統(tǒng)(團(tuán)隊1)：一個物料搬運(yùn)系統(tǒng)將被創(chuàng)建和應(yīng)用于演示零件的運(yùn)輸以及通過機(jī)器臂對零件的交換放置。團(tuán)隊任務(wù)包括：（1）創(chuàng)建一個121.9 cm長的輸送機(jī)部分，并伴隨有小的滾軸與現(xiàn)有部分進(jìn)行結(jié)合；（2）設(shè)計以及制作一個90°的“轉(zhuǎn)臺”來實(shí)現(xiàn)兩個輸送機(jī)之間的物體移動；（3）通過PLC編程來對運(yùn)作進(jìn)行控制；（4）協(xié)調(diào)機(jī)器臂和輸送機(jī)來進(jìn)行物料的獲取以及放置；（5）創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室手冊。機(jī)器手的編程（團(tuán)隊2）：一個工業(yè)級的Sta¨ ubli RX130機(jī)器臂被安置在COOK hall中的安全罩內(nèi)。團(tuán)隊的任務(wù)包含：（1）為更好的操作機(jī)器臂開發(fā)安全協(xié)議；（2）安裝額外的安全設(shè)備；（3）為機(jī)器臂設(shè)

25、計一個氣動夾子來抓取物體；（4）對機(jī)器臂進(jìn)行編程，控制機(jī)器臂從輸送機(jī)上獲取/安置物體；（5）創(chuàng)建一個實(shí)驗(yàn)室手冊與練習(xí)。機(jī)電團(tuán)隊已經(jīng)被分配好任務(wù)，學(xué)生成員迅速的選擇了自己的帶隊工程師，并且確定了一個項(xiàng)目時間表。最初的一些團(tuán)隊活動包括關(guān)于工程項(xiàng)目的集體討論，創(chuàng)建系統(tǒng)圖來分享以及交流關(guān)鍵信息，創(chuàng)建需求文檔，材料清單，以及識別可能的供應(yīng)商。在這一點(diǎn)上，學(xué)生和老師一起進(jìn)行工程項(xiàng)目審查。一旦收到項(xiàng)目批準(zhǔn),團(tuán)隊則可以立刻進(jìn)行分析、重新設(shè)計、采購、捏造、實(shí)現(xiàn)和測試他們的設(shè)計。每一個小組寫一份詳細(xì)、全面的技術(shù)報告，包含各種文檔以及實(shí)驗(yàn)室操作手冊章節(jié)。最后，該工程項(xiàng)目將在課程的最后一天進(jìn)行展示。兩個團(tuán)隊之間的協(xié)作

26、活動以及交流在學(xué)生和老師之間不斷的進(jìn)行著。完成機(jī)構(gòu)設(shè)計，學(xué)生可以訪問設(shè)備齊全的學(xué)生機(jī)械室。5.1 輸送機(jī)系統(tǒng)項(xiàng)目 學(xué)生團(tuán)隊很成功的復(fù)制了一個121.9cm長的輸送機(jī)部分(參見3.2節(jié))以及通過相同原理設(shè)計了一個創(chuàng)新性的90°轉(zhuǎn)臺來實(shí)現(xiàn)兩個輸送機(jī)之間的零件搬運(yùn)。如圖6a所示，鋁合金的托盤在輸送機(jī)上運(yùn)動，直至遇見轉(zhuǎn)臺，將會繼續(xù)運(yùn)動到末端的待命曲，并由機(jī)器臂對其重新定位。例如，通過PLC編程來控制物體的調(diào)動，從機(jī)器臂到第一個輸送機(jī)平臺，到轉(zhuǎn)臺，最后，再到第二個輸送機(jī)平臺。轉(zhuǎn)臺的操作通過氣動控制，執(zhí)行三個順序步驟。首先，一個氣動活塞讓轉(zhuǎn)臺抬高，使得方形臺能旋轉(zhuǎn)規(guī)定的90°角。第二,

27、一個小氣缸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺。最后，轉(zhuǎn)臺下降到與輸送機(jī)部分相同的水平高度。輸送機(jī)踏板的接收以及遞送是由兩個集成的小滾軸MicroRoller元素所執(zhí)行的。5.2 機(jī)械臂和夾子的相關(guān)項(xiàng)目一個最初的任務(wù)是復(fù)習(xí)安全規(guī)程以及為機(jī)械手臂安裝安全設(shè)備。如圖5b所示，一個金屬網(wǎng)將機(jī)器臂隔離起來。有一個門限開關(guān)來控制機(jī)器的電源，但開啟時，警報指示燈閃爍的時候顯示機(jī)器臂的狀態(tài)，可以斷掉電源。為了在機(jī)器人的附近工作，學(xué)生們還開發(fā)了一個完整的記錄標(biāo)記/鎖定程序。接下來是啟動夾子的設(shè)計，以及制作，并在機(jī)器臂上進(jìn)行調(diào)試工作，目的是為了讓學(xué)生能從機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)、制造過程中綜合思想以及概念（參考圖6 b和c）。這個性價比高的架子

28、，是由鋁制成的，并由從機(jī)器臂引出的壓縮空氣來控制其唯一的氣缸。夾具可以抓取17cm*17cm的以及重量為50kg的正方形物塊。最后機(jī)器臂以及夾子將如前面所敘述那樣，和輸送架系統(tǒng)進(jìn)行一個良好的配合操作。注意，傳感器的集成使用對于機(jī)器臂來說，是一個很重要的正在進(jìn)行的任務(wù)。圖6。智能材料處理系統(tǒng):(1)伺服馬達(dá)輸送機(jī)和轉(zhuǎn)盤(2)工業(yè)機(jī)器人手臂氣動夾持(3)夾子5.3 設(shè)計項(xiàng)目的成就和觀察 在學(xué)期末的時候，機(jī)電一體化團(tuán)隊在戶外會議上演示了他們的項(xiàng)目設(shè)計。智能搬運(yùn)系統(tǒng)演示突出了一系列由輸送機(jī)以及Sta¨ubli機(jī)器臂運(yùn)輸?shù)匿X制托盤。托盤在輸送機(jī)以及轉(zhuǎn)臺動作的配合下，一直在動作?？偟膩碚f，學(xué)生通

29、過設(shè)計機(jī)電一體化物料搬運(yùn)系統(tǒng)，有機(jī)會運(yùn)用工業(yè)級的設(shè)備、發(fā)展合作、交流技術(shù)水平、并且將理論知識運(yùn)用在實(shí)踐當(dāng)中。設(shè)計團(tuán)隊的形成、總工程師的選擇、學(xué)生工作任務(wù)的分配、以及頻繁的學(xué)生團(tuán)隊交流，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)過程更加具有自主主動權(quán)。一個有趣的觀察是，學(xué)生們在解決問題方面的毅力，正如工廠技師在解決電氣問題時的故障檢修以及最后沖刺的情況，模擬了一個傳統(tǒng)的工作場景。此外，學(xué)生們都很感激有這么一個機(jī)會來接觸如此復(fù)雜的項(xiàng)目設(shè)計，為此提出了重要的需求，但是卻為創(chuàng)新提供了很多機(jī)會?？偨Y(jié)Clemson大學(xué)機(jī)械工程系的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室教育通過全體教員、職員、學(xué)生以及工業(yè)贊助商的不斷努力已經(jīng)創(chuàng)建。多種學(xué)科的團(tuán)隊通過實(shí)

30、驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探究實(shí)踐，使得自身對儀器儀表、傳感器、執(zhí)行器、實(shí)時控制器的運(yùn)用更加熟悉。更近一步說，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計、制作、集成、控制，從普通的物料搬運(yùn)、制造業(yè)、運(yùn)輸系統(tǒng)中獲取靈感以及動力，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)業(yè)以及提供更多的就業(yè)機(jī)會，并讓學(xué)生在越來越少關(guān)注傳統(tǒng)工程學(xué)科界限的全球職場中做好準(zhǔn)備。鳴謝作者感謝由Rockwell Automation Corporation of Greenville, SC, 以及Sparks Belting Corporation of Fort Mill, SC 提供的設(shè)備資助, 同樣也感謝來自Clemson大學(xué)機(jī)械工程系技術(shù)員的杰出貢獻(xiàn)。 The authors ack

31、nowledge the equipment contributions by the Rockwell Automation Corporation of Greenville, SC, and the Sparks Belting Corporation of Fort Mill, SC, as well as the outstanding support from the Mechanical Engineering Technical Staff at Clemson University.引用1 Wagner J. Evolving industry expectations fo

32、r engineers impact of global manufacturing. In: Proceedings of the ASEE annual conference,Charlotte, NC; June 1999.2 Slivovsky L, Oakes W, Jamieson L. Evaluating multidisciplinary design teams. In: Proceedings of the ASEE annual conference,Nashville, TN; June 2003.3 Simpson T, Medeiros D, Joshi S, L

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