機電一體化教育實驗室可編程邏輯控制器和物料搬運實驗

1、機電一體化教育實驗室可編程邏輯控制器和物料搬運實驗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)和物料運輸流程系統(tǒng)中，機器、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械和電氣設(shè)計、儀表、執(zhí)行器、計算機編程等相關(guān)知識。本文提出的教育機電一體化實驗室，鼓勵多學(xué)科、實踐性以及具有團隊性的工程項目系統(tǒng)集成。并重點敘述了三個漸進的實驗，允許學(xué)生編程以及操作可編程邏輯控制器，傳統(tǒng)的輸送機系統(tǒng) ,分布式伺服馬達的基礎(chǔ)輸送機。學(xué)生們還計劃和實現(xiàn)兩個機械手材料處理應(yīng)用程序。設(shè)備，學(xué)習(xí)目標，每個實驗室的實驗方法引導(dǎo)學(xué)生更好的思考以及洞察問題。一

3、個協(xié)同設(shè)計方案的研究出現(xiàn)在能夠創(chuàng)造智能物料搬運系統(tǒng)的學(xué)生團隊中?？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)包含機電一體化的教室和實驗室。2007 愛思唯爾有限公司。版權(quán)所有。關(guān)鍵詞:機電一體化 ;可編程邏輯控制器 ;輸送機;機器人;傳感器1. 介紹消費產(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隊，他們給團隊帶來了決定性的技能。為了促進多學(xué)科的團隊 ,工程師必須發(fā)展他們的團隊合作，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。進一步假設(shè)，越

4、來越多的工程畢業(yè)生將各司其職并能很好地第一時刻為團隊做出貢獻 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)生具有機電一體化的視角 5 ，這個視角給學(xué)生提供一個機會，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電實驗室課程，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)作來為全球職場準備工程師

5、。Surgenor等人使用主動學(xué)習(xí)策略包括講座、教程、實驗室、 和在皇后大學(xué)的機電一體化選修課程中關(guān)于集成傳感器的合作設(shè)計項目方案。學(xué)生團隊應(yīng)用電子和微控制器設(shè)計的移動機器人。Minor M, Meek G 在猶他大學(xué)關(guān)于集成化系統(tǒng)的開放性問題中強調(diào)機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)的機電一體化課程強調(diào)跨學(xué)科學(xué)生團隊和主動學(xué)習(xí)策略10。Bushnell andCrick11在華盛頓大學(xué)通過三個自制機器人課程給學(xué)生提供了實踐經(jīng)驗。最后，馬里蘭大學(xué) 12建立了一個特色的機電一體化實驗室，擁有一個工業(yè)機器人鉸接式手臂，在機器臂上帶有機器視覺，可起到引導(dǎo)和檢查的功能。在克萊姆森大學(xué)機械

6、工程系已經(jīng)發(fā)展了教育機電一體化實驗室13。這些實驗是學(xué)生團隊基于指定的設(shè)計項目設(shè)計,裝配 ,實現(xiàn) ,和演示的。通過這種方式 ,學(xué)生們能夠自主完成實驗室的創(chuàng)建過程。注意,一些設(shè)計項目可能持續(xù)多個學(xué)期由于其復(fù)雜性。實驗室功能工作站的機電、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?！睂嶒?氣動執(zhí)行機構(gòu)、電機控制與轉(zhuǎn)矩測量,液壓缸 / 馬達控制、車輛懸架系統(tǒng)、機器人手臂 ,牽鏈輸送機系統(tǒng) ,和“智能”MicroRollerTM2建立輸送機部分。學(xué)生擁有基本的編程技能，只是沒有機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，但是能很快的學(xué)

7、會怎樣組成控制體系。機電一體化的一個子類,值得關(guān)注是物料搬運系統(tǒng) ,包括機器臂對象位置、輸送機運輸,和過程控制 (參見圖1)。傳統(tǒng)的輸送機系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于制造業(yè)和物料搬運系統(tǒng)多年。在標準配置中 ,一個單電機驅(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，帶上的每一個點只能以同樣的時間和速度運動。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的機構(gòu)滾軸，如小型的滾軸，包

8、括集成的直流電機以及驅(qū)動模塊，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驗。第三節(jié)討論了傳統(tǒng)的和智能的輸送機系統(tǒng)實驗。第四節(jié)給出教育和工業(yè)機器手臂運動以及操作部分。第五節(jié)提供一個學(xué)生設(shè)計項目的案例研究；在這個案例中，兩個設(shè)計團隊設(shè)計了一個智能搬運系統(tǒng)。最后 ,第六節(jié)包含摘要。2. 可編程序邏輯控制器實驗在機電一體化實驗室 ,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)被標準化， 但是實驗室更注重后者。 PLC在工業(yè)過程中的廣

9、泛運用證實了實驗室以及講座關(guān)于PLC 硬件系統(tǒng)和程序編寫的地位。實驗室突出讓多種多樣的學(xué)生組合實驗，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 實驗是對 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)正準備工作、忙碌或者出錯。對于第一個“

10、開 / 關(guān)”實驗，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。交通燈實驗的學(xué)習(xí)目標是：(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. 物料搬運系統(tǒng)的輸送機兩道工序之間的自動化物料搬運系統(tǒng)在工廠地面上是常見的過程。機電一體化實驗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系統(tǒng)，該系統(tǒng) 提供統(tǒng)一的運動路徑，沿著外邊沿的膠帶運動。 第二個是一個分布式電動滾筒輸送機系統(tǒng) ，并提供基于多種雙向滾軸可用性的包裝運動。另一方面，物料運輸系統(tǒng)可以單獨的與平臺上的傳感器配合使用。3.1 傳統(tǒng)的輸送機實驗一個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 系統(tǒng)在電腦的控制下由 208VAC 單向電機以及連續(xù)的皮帶帶動。 這樣的電機由電氣繼電器操作，而繼電器則由 PLC 來控制開合。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 Micro

13、Logix 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 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驗的 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、阻力帶式輸送機系統(tǒng)與氣動執(zhí)行機構(gòu) :(一)布局 ,和(b)信號原理。在本科課程中，這是第一次與實際工業(yè)化系統(tǒng)相結(jié)合。靈活的輸送機系統(tǒng)設(shè)計允許學(xué)生團隊去整

14、合不同的傳感器來獲取托盤的運動以及探索不同的控制策略。輸送機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)這個實驗室實驗的目標是:（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；（4）創(chuàng)建測試場景來驗證控制器的功能。3.2 智能輸送機系統(tǒng)第二個輸送機系統(tǒng)，如圖4 所示，是一個智能的系統(tǒng)，相比較傳統(tǒng)的牽連輸送機而言，它有不同的原則。這個輸送機包括三個MicroRollers(24 v 直流無刷電機 ,直徑 4.8 厘米 , 長 35.6 厘米)，每個帶有 13 個常見的非機動惰輥。各種各樣的

15、可操作配置都是很有可能的。例如 ,每個機動的和相鄰的非機動滾軸，都可以用橡膠皮帶連接起來并創(chuàng)建獨立的控制單元，使得輸送機系統(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前配置。 傳輸帶是由 MicroLogix 1500 PLC所控制的。與型號為 MicroLogix 1000不同的是，MicroLogix 1500 PLC可以擴充其硬件接口，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 以及運動滾軸 MicroRoller 提供電源。這個實驗系統(tǒng)還包括了一個All

16、enBradley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)一輸送機系統(tǒng)允許一個可重構(gòu)的物料搬運方法。注意,輸送機系統(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 和燈塔 :(一)布局 ,和(b)信號原理。在這個實驗室里，學(xué)生團隊被要求編寫PLC 程序，通過機器臂檢測輸送皮帶的一部分位置。例如，PLC 利用獨立空間的控制概念來編程，讓皮帶上新到達的部分連續(xù)運動，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)

17、的卸載。這個實驗的學(xué)習(xí)目標是：（1）使用感應(yīng)式距離傳感器控制輸送機系統(tǒng)上的物體運動；（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)運動；（ 3）輸送機系統(tǒng)由多個機器臂集成，能更好的進行物料搬運；（ 4）控制和協(xié)調(diào)多個輸送機系統(tǒng)并進行各種操作。圖 5。機械手的編程和材料處理 : (a)UMI RT100 (b) Staubli RX130.4. 機器人手臂編程和系統(tǒng)集成用于制造過程的工業(yè)機器人系統(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)

18、包括零件組裝。機電一體化實驗室有兩個機器臂，一個UMI RT100 以及一個Staubli RX130，學(xué)生可以把它接入輸送機系統(tǒng)，并通過接口界面對其進行編程（參見圖5）。RT100 的機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 的機器臂在儲存箱以及輸送機系統(tǒng)之間被編寫程序來搬運物料，使得物料搬運系統(tǒng)更加完善。4.1 UMI RT100 機械手臂UMI RT100 是選擇性的，順從的裝配用機器臂(SCARA)，該機器臂擁有六自由度（ DOF （例如：垂直面，肩膀，肘部，旋轉(zhuǎn)，俯仰，滾動）以及一個附加給機器臂末端夾子的自由度。每一個關(guān)節(jié)的運動都是由步進電

19、機所控制。機器臂的運動是通過皮帶傳動，并用電機調(diào)動指定關(guān)節(jié)的，而皮帶傳動的作用是起到一個機械“保險絲”來促進一個安全的環(huán)境，讓學(xué)生可以使用機器臂。在機器人手臂和主機電腦之間通信，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)下被實施的； 實際的時間數(shù)量取決于行動。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)運動。在電腦主機上，電機控制命令是包含在 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。所需要的機器臂末端夾子的坐標，

20、是以編碼器的形式來計算每一個電機從原位置到指定的特殊旋轉(zhuǎn)角。而所需的機器臂速度則是以最高速度的百分比被輸進電腦主機。學(xué)生團隊的任務(wù)是通過編寫程序來控制機器臂從前端零件平臺抓取部件，并將其安置在智能輸送機上。傳送帶通過一系列的傳感器區(qū)域運送物體到皮帶終端，并進入下一步處理階段。為了更加便捷的編程，機器臂的位置（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”（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，并被放置在輸送機上。類似的，可以定義各種動作讓輸送機進行裝卸。這個實驗的學(xué)習(xí)目標可以概括為 :（1）了解機器臂

21、的基本操作以及相關(guān)運用，包括庫函數(shù)以及通信協(xié)議；（2）開發(fā)算法來控制機器臂進行拾取 / 放置的動作；（ 3）調(diào)查開環(huán)運行放置物體的局限性；（ 4）應(yīng)用解決問題 (軟件和硬件 )的技能來實現(xiàn)更加適合機器人的系統(tǒng)操作。4.2 Sta ¨ubli RX130 機器臂Sta ¨ ubli RX130機器臂是工業(yè)級六自由度機器臂，并且伴隨有控制箱以及計算機操作臺。每一個機器臂關(guān)節(jié)都是由無刷異步電動機通過齒輪傳動來驅(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

22、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。 與 Adept CS7控制器進行通信有三種方法：（ 1）連接到機箱的控制柜具有預(yù)先設(shè)定機器臂操作以及動作的功能；（2）計算機終端通過使用V + 語言命令或 Windowsbased GUI與控制器進行通信；（ 3）與遠程計算機終端通過網(wǎng)絡(luò)連接進行通信。機器人系統(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)的任務(wù)進行討論。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，并通過編程使機器人進行基本的運動。機器臂應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)從分段運

23、輸平臺取回零件，并且將它們安置在固定的輸送機上；相反的操作也應(yīng)該是被證實的。第三，學(xué)生團隊將機器臂整合進物料搬運系統(tǒng)。機器臂從存儲平臺獲取零件，并安放在輸送機系統(tǒng)上；然后輸送機運輸零件至下一環(huán)節(jié)；隨后再由機器臂分檢零件。Sta ¨ ubli機器RX130臂實驗的學(xué)習(xí)目標包括：（ 1）對工業(yè)機器人的安全規(guī)程的重視；（ 2）在工作場所中了解典型的機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+ 算法對機器臂進行編程，實現(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）將機器臂以及智能輸送機系統(tǒng)進行整合。5. 案例研究智能物料搬運系統(tǒng)這一門

24、技術(shù)性選修課的一個重要方面是學(xué)生團隊“獨立實踐”設(shè)計項目的完成，通過實驗室用戶手冊以及一系列工程項目，讓學(xué)生更加專注于創(chuàng)造教育性實驗室實驗。團隊大約由 6-8 名機電工程本科 / 研究生組成，并通過在各種工程學(xué)課程上所學(xué)的理論知識對機電一體化系統(tǒng)進行設(shè)計、分析、采購、制作、演示、以及安全防護等。在這個案例研究中，兩個團隊合作創(chuàng)建一個智能化物料搬運系統(tǒng)，其中包含模塊化的輸送機系統(tǒng)原理（ 3.2 節(jié)）以及機械手臂 (4.2 節(jié))等，來實現(xiàn)零件的搬運 / 安置 / 運輸?shù)炔僮?。輸送機系統(tǒng) (團隊 1)：一個物料搬運系統(tǒng)將被創(chuàng)建和應(yīng)用于演示零件的運輸以及通過機器臂對零件的交換放置。團隊任務(wù)包括：（ 1

25、）創(chuàng)建一個 121.9 cm長的輸送機部分，并伴隨有小的滾軸與現(xiàn)有部分進行結(jié)合；（ 2）設(shè)計以及制作一個 90°的“轉(zhuǎn)臺”來實現(xiàn)兩個輸送機之間的物體移動；（ 3）通過 PLC 編程來對運作進行控制； （4）協(xié)調(diào)機器臂和輸送機來進行物料的獲取以及放置；（5）創(chuàng)建實驗室手冊。機器手的編程（團隊 2）：一個工業(yè)級的 Sta ¨ ubli RX130機器臂被安置在 COOK hall 中的安全罩內(nèi)。團隊的任務(wù)包含：（ 1）為更好的操作機器臂開發(fā)安全協(xié)議；（ 2）安裝額外的安全設(shè)備；（ 3）為機器臂設(shè)計一個氣動夾子來抓取物體；（ 4）對機器臂進行編程，控制機器臂從輸送機上獲取/ 安置

26、物體；（ 5）創(chuàng)建一個實驗室手冊與練習(xí)。機電團隊已經(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，并且確定了一個項目時間表。最初的一些團隊活動包括關(guān)于工程項目的集體討論，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。在這一點上，學(xué)生和老師一起進行工程項目審查。一旦收到項目批準 ,團隊則可以立刻進行分析、重新設(shè)計、采購、捏造、實現(xiàn)和測試他們的設(shè)計。每一個小組寫一份詳細、全面的技術(shù)報告，包含各種文檔以及實驗室操作手冊章節(jié)。最后，該工程項目將在課程的最后一天進行展示。兩個團隊之間的協(xié)作活動以及交流在學(xué)生和老師之間不斷的進行著。完成機構(gòu)設(shè)計，學(xué)生可以訪問設(shè)備齊全

27、的學(xué)生機械室。5.1 輸送機系統(tǒng)項目學(xué)生團隊很成功的復(fù)制了一個121.9cm長的輸送機部分 (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)臺來實現(xiàn)兩個輸送機之間的零件搬運。如圖 6a所示，鋁合金的托盤在輸送機上運動，直至遇見轉(zhuǎn)臺，將會繼續(xù)運動到末端的待命曲，并由機器臂對其重新定位。例如，通過PLC 編程來控制物體的調(diào)動，從機器臂到第一個輸送機平臺，到轉(zhuǎn)臺，最后，再到第二個輸送機平臺。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 ,一個小氣缸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺。最后，轉(zhuǎn)臺下降到與輸送機部分相同的水平高度。輸送

28、機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 機械臂和夾子的相關(guān)項目一個最初的任務(wù)是復(fù)習(xí)安全規(guī)程以及為機械手臂安裝安全設(shè)備。如圖5b所示，一個金屬網(wǎng)將機器臂隔離起來。有一個門限開關(guān)來控制機器的電源，但開啟時，警報指示燈閃爍的時候顯示機器臂的狀態(tài)，可以斷掉電源。為了在機器人的附近工作，學(xué)生們還開發(fā)了一個完整的記錄標記/ 鎖定程序。接下來是啟動夾子的設(shè)計，以及制作，并在機器臂上進行調(diào)試工作，目的是為了讓學(xué)生能從機械設(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，是由鋁制成的，并由從機器臂引出的壓縮空氣來控制其唯一的

29、氣缸。夾具可以抓取 17cm*17cm的以及重量為 50kg的正方形物塊。最后機器臂以及夾子將如前面所敘述那樣，和輸送架系統(tǒng)進行一個良好的配合操作。注意，傳感器的集成使用對于機器臂來說，是一個很重要的正在進行的任務(wù)。圖 6。智能材料處理系統(tǒng) :(1)伺服馬達輸送機和轉(zhuǎn)盤 (2)工業(yè)機器人手臂氣動夾持(3)夾子5.3 設(shè)計項目的成就和觀察在學(xué)期末的時候，機電一體化團隊在戶外會議上演示了他們的項目設(shè)計。智能搬運系統(tǒng)演示突出了一系列由輸送機以及Sta ¨ ubli機器臂運輸?shù)匿X制托盤。托盤在輸送機以及轉(zhuǎn)臺動作的配合下，一直在動作。總的來說，學(xué)生通過設(shè)計機電一體化物料搬運系統(tǒng)，有機會運用工業(yè)

30、級的設(shè)備、發(fā)展合作、交流技術(shù)水平、并且將理論知識運用在實踐當中。設(shè)計團隊的形成、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)生團隊交流，讓學(xué)生在實驗室的學(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會來接觸如此復(fù)雜的項目設(shè)計，為此提出了重要的需求，但是卻為創(chuàng)新提供了很多機會。總結(jié)Clemson大學(xué)機械工程系的機電一體化實驗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)科的團隊通過實驗室實驗探究實踐，使得自身對儀器儀表、傳感器

31、、執(zhí)行器、實時控制器的運用更加熟悉。更近一步說，實驗系統(tǒng)的設(shè)計、制作、集成、控制，從普通的物料搬運、制造業(yè)、運輸系統(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 , 同樣也感謝來自Clemson大學(xué)機械工程系技術(shù)員的杰出貢獻。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