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)

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(shí)。對(duì)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(jì)、儀表、執(zhí)行器、計(jì)算機(jī)編程等相關(guān)知識(shí)。本文提出的教育機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)多學(xué)科、實(shí)踐性以及具有團(tuán)隊(duì)性的工程項(xiàng)目系統(tǒng)集成。并重點(diǎn)敘述了三個(gè)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(jì)劃和實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(gè)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(wèn)題。一

3、個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)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(duì)中?？偟膩?lái)說(shuō) ,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(gè)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(ài)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(lái)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(huì)涉及電氣、機(jī)械和工業(yè)工程領(lǐng)域。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的工程師們常常被組織成一個(gè)跨功能團(tuán)隊(duì)，他們給團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了決定性的技能。為了促進(jìn)多學(xué)科的團(tuán)隊(duì) ,工程師必須發(fā)展他們的團(tuán)隊(duì)合作，解決問(wèn)題，協(xié)同設(shè)計(jì)，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

4、來(lái)越多的工程畢業(yè)生將各司其職并能很好地第一時(shí)刻為團(tuán)隊(duì)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(gè)視角給學(xué)生提供一個(gè)機(jī)會(huì)，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(chǎng)培養(yǎng)人才。在過(guò)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(duì)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(bào)告，并指出通過(guò)全球協(xié)作來(lái)為全球職場(chǎng)準(zhǔn)備工程師

5、。Surgenor等人使用主動(dòng)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(jì)項(xiàng)目方案。學(xué)生團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用電子和微控制器設(shè)計(jì)的移動(dòng)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(wèn)題中強(qiáng)調(diào)機(jī)電一體化課程必須分為兩個(gè)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(duì)和主動(dòng)學(xué)習(xí)策略10。Bushnell andCrick11在華盛頓大學(xué)通過(guò)三個(gè)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(gè)特色的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室，擁有一個(gè)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(jué)，可起到引導(dǎo)和檢查的功能。在克萊姆森大學(xué)機(jī)械

6、工程系已經(jīng)發(fā)展了教育機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室13。這些實(shí)驗(yàn)是學(xué)生團(tuán)隊(duì)基于指定的設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì),裝配 ,實(shí)現(xiàn) ,和演示的。通過(guò)這種方式 ,學(xué)生們能夠自主完成實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建過(guò)程。注意,一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目可能持續(xù)多個(gè)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(dòng)和液壓系統(tǒng)由可編程邏輯控制器 (plc)和個(gè)人電腦運(yùn)行的虛擬儀器 （LabVIEW ）控制。這些系統(tǒng)包括一個(gè)基本的“工業(yè)光堆?！睂?shí)驗(yàn),氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)控制與轉(zhuǎn)矩測(cè)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(méi)有機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但是能很快的學(xué)

7、會(huì)怎樣組成控制體系。機(jī)電一體化的一個(gè)子類,值得關(guān)注是物料搬運(yùn)系統(tǒng) ,包括機(jī)器臂對(duì)象位置、輸送機(jī)運(yùn)輸,和過(guò)程控制 (參見(jiàn)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(gè)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)滑輪，該滑輪是輪流帶動(dòng)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(gè)缺點(diǎn)，帶上的每一個(gè)點(diǎn)只能以同樣的時(shí)間和速度運(yùn)動(dòng)。因此，個(gè)人裝配步驟并不存在一些優(yōu)勢(shì)。越來(lái)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(dòng)率；產(chǎn)品緩沖的需要；流程不一致。一個(gè)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

8、括集成的直流電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)模塊，這樣能很好的被PLC 所控制。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(dòng)以及操作部分。第五節(jié)提供一個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)項(xiàng)目的案例研究；在這個(gè)案例中，兩個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)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(dòng)系統(tǒng)。盡管其他 PLC 編程語(yǔ)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(guò)程中的廣

9、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)生組合實(shí)驗(yàn)，其中有五個(gè)是利用llenBradley PLCs (MicroLogixTM3 1000 and 1500)控制的。個(gè)人電腦使用軟件包RSLogix 500來(lái)對(duì) PLC 進(jìn)行編程 ,它提供了一個(gè)圖形用戶界面(GUI) 來(lái)創(chuàng)建梯子邏輯“梯級(jí)”。第一個(gè) PLC 實(shí)驗(yàn)是對(duì) AllenBradley industrial light stack (855E) 控制，包括紅、黃、綠 24V 直流燈具以及一個(gè)聲音報(bào)警器。在制造過(guò)程中，這些設(shè)備常常被用來(lái)發(fā)出信號(hào)，如：系統(tǒng)正準(zhǔn)備工作、忙碌或者出錯(cuò)。對(duì)于第一個(gè)“

10、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(jiàn)圖 2，電器柜包含了 MicroLogix 1000 PLC，一個(gè) 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

11、)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(jì)一個(gè)控制算法來(lái)編寫“交通燈”的程序，并設(shè)置程序時(shí)間。3. 物料搬運(yùn)系統(tǒng)的輸送機(jī)兩道工序之間的自動(dòng)化物料搬運(yùn)系統(tǒng)在工廠地面上是常見(jiàn)的過(guò)程。機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室正在研究?jī)蓚€(gè)不同的傳輸系統(tǒng)。 第一個(gè)是一個(gè)常見(jiàn)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(dòng)路徑，沿著外邊沿的膠帶運(yùn)動(dòng)。 第二個(gè)是一個(gè)分布式電動(dòng)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(dòng)。另一方面，物料運(yùn)輸系統(tǒng)可以單獨(dú)的與平臺(tái)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(gè)自定義的按比例縮小的輸送帶系統(tǒng) ,如圖

12、 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(lái)控制。 工業(yè)級(jí)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(dòng)。 這樣的電機(jī)由電氣繼電器操作，而繼電器則由 PLC 來(lái)控制開合。一個(gè)光電距離傳感器 (Square D PE8TANSS)，擁有 50mm 的檢測(cè)范圍，并能檢測(cè)皮帶上鋁制托盤的位置。一個(gè)檢測(cè)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(cè)到的信息。系統(tǒng)還有一個(gè)垂直安裝的 SMC 啟動(dòng)裝置 (NCDMW-075-0605)，它的汽缸依附于一個(gè) “鉤子”，并使它能從皮帶表面上升。 這款型號(hào)為 Micro

13、Logix 1000 的 PLC 被編程來(lái)控制皮帶直到托盤被放置到正確的位置以及啟動(dòng)裝置恢復(fù)。一個(gè)氣動(dòng)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(dòng)器。 一個(gè)氣動(dòng)分配閥箱 ,包含一系列的 plc 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(hào)控制實(shí)驗(yàn)的 AllenBradley光堆棧和報(bào)警器給系統(tǒng)提供視覺(jué)以及聲音的反饋。圖 3、阻力帶式輸送機(jī)系統(tǒng)與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) :(一)布局 ,和(b)信號(hào)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(jì)允許學(xué)生團(tuán)隊(duì)去整

14、合不同的傳感器來(lái)獲取托盤的運(yùn)動(dòng)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(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)它們。學(xué)習(xí)這個(gè)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(wèn)題；（3）設(shè)計(jì)梯形圖來(lái)控制托盤控制；（4）創(chuàng)建測(cè)試場(chǎng)景來(lái)驗(yàn)證控制器的功能。3.2 智能輸送機(jī)系統(tǒng)第二個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng)，如圖4 所示，是一個(gè)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(gè)輸送機(jī)包括三個(gè)MicroRollers(24 v 直流無(wú)刷電機(jī) ,直徑 4.8 厘米 , 長(zhǎng) 35.6 厘米)，每個(gè)帶有 13 個(gè)常見(jiàn)的非機(jī)動(dòng)惰輥。各種各樣的

15、可操作配置都是很有可能的。例如 ,每個(gè)機(jī)動(dòng)的和相鄰的非機(jī)動(dòng)滾軸，都可以用橡膠皮帶連接起來(lái)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(zhǎng)。每個(gè) MicroRoller 都有對(duì)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(dòng)卡并沒(méi)有為電子控制做當(dāng)前配置。 傳輸帶是由 MicroLogix 1500 PLC所控制的。與型號(hào)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(gè) 24V 直流電壓源為PLC 以及運(yùn)動(dòng)滾軸 MicroRoller 提供電源。這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括了一個(gè)All

16、enBradley燈光堆棧、聲音警報(bào)器（類似于第二章提及的），以及在輸送帶邊沿上的可移動(dòng)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(gè)模塊構(gòu)建方法，121.9cm倍數(shù)長(zhǎng)的統(tǒng)一輸送機(jī)系統(tǒng)允許一個(gè)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(gè)單一的MicroLogix 1500 PLC來(lái)控制。圖 4。智能輸送系統(tǒng)與PLC 和燈塔 :(一)布局 ,和(b)信號(hào)原理。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生團(tuán)隊(duì)被要求編寫PLC 程序，通過(guò)機(jī)器臂檢測(cè)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(lái)編程，讓皮帶上新到達(dá)的部分連續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到皮帶上所有空間都被裝載。接下來(lái)，PLC 可以監(jiān)控整個(gè)輸送帶系統(tǒng)

17、的卸載。這個(gè)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(dòng)；（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(dòng)；（ 3）輸送機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)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(gè)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 : (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(guò)程的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)一般有三個(gè)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(lái)的任務(wù)

18、包括零件組裝。機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室有兩個(gè)機(jī)器臂，一個(gè)UMI RT100 以及一個(gè)Staubli RX130，學(xué)生可以把它接入輸送機(jī)系統(tǒng)，并通過(guò)接口界面對(duì)其進(jìn)行編程（參見(jiàn)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(gè)良好的平臺(tái)。接下來(lái)，工業(yè)級(jí)為RX130 的機(jī)器臂在儲(chǔ)存箱以及輸送機(jī)系統(tǒng)之間被編寫程序來(lái)搬運(yùn)物料，使得物料搬運(yùn)系統(tǒng)更加完善。4.1 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(dòng)）以及一個(gè)附加給機(jī)器臂末端夾子的自由度。每一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由步進(jìn)電

19、機(jī)所控制。機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)皮帶傳動(dòng)，并用電機(jī)調(diào)動(dòng)指定關(guān)節(jié)的，而皮帶傳動(dòng)的作用是起到一個(gè)機(jī)械“保險(xiǎn)絲”來(lái)促進(jìn)一個(gè)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(jí) ,可以通過(guò)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(shí)間數(shù)量取決于行動(dòng)。通信結(jié)構(gòu)剩余的部分被指定為兩個(gè) TPC 協(xié)議，并用來(lái)控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。在電腦主機(jī)上，電機(jī)控制命令是包含在 RT100 的庫(kù)函數(shù)中，而庫(kù)函數(shù)則是被嵌入在 PASCAL 或者 C+ 語(yǔ)言中。所需要的機(jī)器臂末端夾子的坐標(biāo)，

20、是以編碼器的形式來(lái)計(jì)算每一個(gè)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(duì)的任務(wù)是通過(guò)編寫程序來(lái)控制機(jī)器臂從前端零件平臺(tái)抓取部件，并將其安置在智能輸送機(jī)上。傳送帶通過(guò)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(shuō)姿勢(shì)）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”（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(dòng)作，并被放置在輸送機(jī)上。類似的，可以定義各種動(dòng)作讓輸送機(jī)進(jìn)行裝卸。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)可以概括為 :（1）了解機(jī)器臂

21、的基本操作以及相關(guān)運(yùn)用，包括庫(kù)函數(shù)以及通信協(xié)議；（2）開發(fā)算法來(lái)控制機(jī)器臂進(jìn)行拾取 / 放置的動(dòng)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(wèn)題 (軟件和硬件 )的技能來(lái)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(jí)六自由度機(jī)器臂，并且伴隨有控制箱以及計(jì)算機(jī)操作臺(tái)。每一個(gè)機(jī)器臂關(guān)節(jié)都是由無(wú)刷異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)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(gè)氣動(dòng)電磁閥，而氣動(dòng)電磁閥通過(guò)連接在底部的外部連接

22、器， 來(lái)激活其可選擇性的外部設(shè)備。控制柜包含一個(gè)Adept CS7控制器以及一個(gè)電源功率放大器，并用來(lái)驅(qū)動(dòng)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(dòng)作的功能；（2）計(jì)算機(jī)終端通過(guò)使用V + 語(yǔ)言命令或 Windowsbased GUI與控制器進(jìn)行通信；（ 3）與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端通過(guò)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(lái)將會(huì)對(duì)三個(gè)連續(xù)的任務(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(jí)機(jī)器人的多方面功能。第二 ,學(xué)生學(xué)習(xí) V + 界面語(yǔ)言，并通過(guò)編程使機(jī)器人進(jìn)行基本的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器臂應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)從分段運(yùn)

23、輸平臺(tái)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(duì)將機(jī)器臂整合進(jìn)物料搬運(yùn)系統(tǒng)。機(jī)器臂從存儲(chǔ)平臺(tái)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機(jī)器RX130臂實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)包括：（ 1）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的安全規(guī)程的重視；（ 2）在工作場(chǎng)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(yǔ)言命令；（4）創(chuàng)建 V+ 算法對(duì)機(jī)器臂進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)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

24、技術(shù)性選修課的一個(gè)重要方面是學(xué)生團(tuán)隊(duì)“獨(dú)立實(shí)踐”設(shè)計(jì)項(xiàng)目的完成，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室用戶手冊(cè)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(duì)大約由 6-8 名機(jī)電工程本科 / 研究生組成，并通過(guò)在各種工程學(xué)課程上所學(xué)的理論知識(shí)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、采購(gòu)、制作、演示、以及安全防護(hù)等。在這個(gè)案例研究中，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)合作創(chuàng)建一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)零件的搬運(yùn) / 安置 / 運(yùn)輸?shù)炔僮?。輸送機(jī)系統(tǒng) (團(tuán)隊(duì) 1)：一個(gè)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(guò)機(jī)器臂對(duì)零件的交換放置。團(tuán)隊(duì)任務(wù)包括：（ 1

25、）創(chuàng)建一個(gè) 121.9 cm長(zhǎng)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(jì)以及制作一個(gè) 90°的“轉(zhuǎn)臺(tái)”來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸送機(jī)之間的物體移動(dòng)；（ 3）通過(guò) PLC 編程來(lái)對(duì)運(yùn)作進(jìn)行控制； （4）協(xié)調(diào)機(jī)器臂和輸送機(jī)來(lái)進(jìn)行物料的獲取以及放置；（5）創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室手冊(cè)。機(jī)器手的編程（團(tuán)隊(duì) 2）：一個(gè)工業(yè)級(jí)的 Sta ¨ ubli RX130機(jī)器臂被安置在 COOK hall 中的安全罩內(nèi)。團(tuán)隊(duì)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)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)夾子來(lái)抓取物體；（ 4）對(duì)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

26、物體；（ 5）創(chuàng)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)室手冊(cè)與練習(xí)。機(jī)電團(tuán)隊(duì)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(duì)工程師，并且確定了一個(gè)項(xiàng)目時(shí)間表。最初的一些團(tuán)隊(duì)活動(dòng)包括關(guān)于工程項(xiàng)目的集體討論，創(chuàng)建系統(tǒng)圖來(lái)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(shí)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(duì)則可以立刻進(jìn)行分析、重新設(shè)計(jì)、采購(gòu)、捏造、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試他們的設(shè)計(jì)。每一個(gè)小組寫一份詳細(xì)、全面的技術(shù)報(bào)告，包含各種文檔以及實(shí)驗(yàn)室操作手冊(cè)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(gè)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作活動(dòng)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(jì)，學(xué)生可以訪問(wèn)設(shè)備齊全

27、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(duì)很成功的復(fù)制了一個(gè)121.9cm長(zhǎng)的輸送機(jī)部分 (參見(jiàn) 3.2節(jié))以及通過(guò)相同原理設(shè)計(jì)了一個(gè)創(chuàng)新性的90°轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(dòng)，直至遇見(jiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)，將會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到末端的待命曲，并由機(jī)器臂對(duì)其重新定位。例如，通過(guò)PLC 編程來(lái)控制物體的調(diào)動(dòng)，從機(jī)器臂到第一個(gè)輸送機(jī)平臺(tái)，到轉(zhuǎn)臺(tái)，最后，再到第二個(gè)輸送機(jī)平臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)的操作通過(guò)氣動(dòng)控制，執(zhí)行三個(gè)順序步驟。首先，一個(gè)氣動(dòng)活塞讓轉(zhuǎn)臺(tái)抬高，使得方形臺(tái)能旋轉(zhuǎn)規(guī)定的90°角。第二 ,一個(gè)小氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。最后，轉(zhuǎn)臺(tái)下降到與輸送機(jī)部分相同的水平高度。輸送

28、機(jī)踏板的接收以及遞送是由兩個(gè)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(gè)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(gè)金屬網(wǎng)將機(jī)器臂隔離起來(lái)。有一個(gè)門限開關(guān)來(lái)控制機(jī)器的電源，但開啟時(shí)，警報(bào)指示燈閃爍的時(shí)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(gè)完整的記錄標(biāo)記/ 鎖定程序。接下來(lái)是啟動(dòng)夾子的設(shè)計(jì)，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(jì)、材料力學(xué)、制造過(guò)程中綜合思想以及概念（參考圖 6 b 和 c）。這個(gè)性價(jià)比高的架子，是由鋁制成的，并由從機(jī)器臂引出的壓縮空氣來(lái)控制其唯一的

29、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(gè)良好的配合操作。注意，傳感器的集成使用對(duì)于機(jī)器臂來(lái)說(shuō)，是一個(gè)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(dòng)夾持(3)夾子5.3 設(shè)計(jì)項(xiàng)目的成就和觀察在學(xué)期末的時(shí)候，機(jī)電一體化團(tuán)隊(duì)在戶外會(huì)議上演示了他們的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。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(tái)動(dòng)作的配合下，一直在動(dòng)作?？偟膩?lái)說(shuō)，學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化物料搬運(yùn)系統(tǒng)，有機(jī)會(huì)運(yùn)用工業(yè)

30、級(jí)的設(shè)備、發(fā)展合作、交流技術(shù)水平、并且將理論知識(shí)運(yùn)用在實(shí)踐當(dāng)中。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(duì)交流，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)過(guò)程更加具有自主主動(dòng)權(quán)。一個(gè)有趣的觀察是，學(xué)生們?cè)诮鉀Q問(wèn)題方面的毅力，正如工廠技師在解決電氣問(wèn)題時(shí)的故障檢修以及最后沖刺的情況，模擬了一個(gè)傳統(tǒng)的工作場(chǎng)景。此外，學(xué)生們都很感激有這么一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)接觸如此復(fù)雜的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，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(huì)?？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(guò)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(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探究實(shí)踐，使得自身對(duì)儀器儀表、傳感器

31、、執(zhí)行器、實(shí)時(shí)控制器的運(yùn)用更加熟悉。更近一步說(shuō)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(dòng)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(huì)，并讓學(xué)生在越來(lái)越少關(guān)注傳統(tǒng)工程學(xué)科界限的全球職場(chǎng)中做好準(zhǔn)備。鳴謝作者感謝由 Rockwell Automation Corporation of Greenville, SC,以及 SparksBelting Corporation of Fort Mill, SC 提供的設(shè)備資助 , 同樣也感謝來(lái)自Clemson大學(xué)機(jī)械工程系技術(shù)員的杰出貢獻(xiàn)。The authors acknowledge the equipment

32、 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 for engineers impact of

33、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, Lehtihet A, Wysk R. A n

34、ew course for integrating design, manufacturing, and production into engineering curriculum. In: Proceedings of the ASEE annual conference,Albuquerque, NM; June 2001.4 Steiner M. Using real world multidisciplinary design experiences to prepare young engineers to enter today s workforce. In: Proceedi

35、ngsofthe international engineering and design educationconference,Delft, The Netherlands; September 2004.5 Grimheden M, Hanson M. What is mechatronics? Proposing a didactical approach to mechatronics. In: Proceedings of the international workshop on education in mechatronics, Kiel, Germany;September

36、 2001.6 Ranaweera A, Bamieh B, Parmenter V. Sensors, actuators, and computer interfacing laboratorycourse at the University of California at Santa Barbara. Mechatronics 2005;15(6):63950.7 Grimheden M. International collaboration in mechatronics education. In: Proceedings of the 5th international wor

37、kshop on research and education in mechatronics, Kielce, Poland; October 2004.8 Surgenor B, Firth K, Wild P. Lessons learned from a mobile robot based mechatronics course. In: Proceedings of the ASEE annual conference, Portland, OR; June 2005.9 Minor M, Meek G, Integrated and structured project envi

38、ronment in mechatronics education. In: Proceedings of the ASEE annual conference, Montreal; June 2002.10 Shooter S, McNeill M. Interdisciplinary collaborative learning in mechatronics at Bucknell University. J Eng Educ 2002;91(3):33944.11 Bushnell L, Crick A, Control education via autonomous robotic

39、s. In: Proceedings of the IEEE conference on decision and control, vol. 3.Maui, HI; November 2003. p. 30117.12 Nagchaudhuri A, Shyam S, Wood J, Stockus A. Establishment of mechatronics laboratory at UMES. In: Proceedings of the ASEE annual conference, Nashville, TN; June 2003.13 Ghone M, Wagner J, A multi-disciplinary mechatronics laboratory. In: Proceedings of