機電一體化設計范文
時間:2023-03-27 18:32:06
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篇1
【關鍵詞】主體機械結構;驅動方案;可靠性
1 主體機械結構
主體機械結構方案包括:機械的主要幾何尺寸確定、布局、作業空間的確定、運動自由度數的確定。
機床主體在設計時候要遵循以下幾點原則:
明確――結構方案應能明確體現各個方面的設計指標。首先是所選方案的工作原理要明確,才能使所設計的結構能可靠地實現所要求的目標;其次,要明確工作條件,如載荷情況和運行速度;還要明確作業空間參數和使用條件。
簡單――滿足設計目標要求的條件下,系統結構盡量簡單。
安全可靠――包括機器的工作安全性和操作安全性兩方面內容,是總體結構方案設計必須考慮的內容。
例如,在機械行業中最有名氣的車床CA6140,它在主體設計時車床的床身、床腳、油盤等采用整體鑄造結構,剛性高,抗震性好,符合高速切削機床的特點;車機床系統設計合理可靠,車頭箱、進給箱、溜板箱均采用體內飛濺,并增設線泵、柱塞泵對特殊部位進行自動強制。
2 驅動方案設計
直線驅動元件直接驅動:
直線步進電機其結構比較復雜,傳感器采用磁電式或直接開環控制,控制特點是使用專用傳感器,開環控制位置精度高,低速振動較大,直線步進電機適用場合為并聯機器人,成本較高。
氣壓缸結構簡單,傳感器是直接型位移傳感器,控制特點是使用氣壓控制閥控制,快速性好,負載能力差,適用場合為包裝機,成本較低。
液壓缸,結構較復雜,傳感器為直接型位移傳感器,控制特點是使用電液伺服閥控制,快速性好,負載能力強,適用場合為并聯機器人和包裝機,成本較高。
3 控制系統方案設計
機床的控制系統是非常重要的,如果沒有控制系統,那么機床就是一個不完整的,說嚴重一些就是一個廢品,那么機床也不可能為人們服務了。
機床控制系統按原理分為:開環、半閉環和閉環控制。
開環控制系統也就是沒有反饋元件。
閉環控制系統是有反饋元件,反饋元件直接安裝在最終的運動部件上。
半閉環控制系統是檢測元件安裝在機床的中間環節上。
4 可靠性設計
4.1 可靠度函數與失效概論
可靠度函數是產品在規定的條件下和規定的時間t內,完成規定功能的概率,以R(t)表示;反之,不能完成規定功能的概率稱為失效概率,以F(t)表示。
產品工作到t時刻時,單位時間內失效數■與t時刻尚存的有效產品數R(t)的比稱為失效率,以λ(t)表示,反映任意時刻失效概率的變化情況。
4.2 系統可靠性
可靠性預測,通過預測,對新產品設計的可靠性做出估計,提供方案修改、調整及優選的依據,并可由此對產品的維修費用以至全壽命運行費用做出估計。
包括元件可靠性預測和系統可靠性預測。
(1)元件可靠性預測包括以下兩種方法:
實驗統計法―通過模擬實驗,確定元件在任何規定的使用時間內的可靠性。
經驗法―查可靠性手冊或根據類似元件的使用經驗積累的可靠性數據,考慮在新產品設計中的使用條件,估計出元件的可靠性水平。
(2)系統的可靠度主要取決于元件的可靠度和元件的組合方式兩個因素。最基本的組合方式為串聯和并聯,串聯系統的可靠度R,等于各組成單元可靠度Ri的乘積。
4.3 優化指標
設某個產品共有m個可行的方案,每個方案都選定n個評價指標;Kij為第i個方案中第j項評價指標值;Kmaxj是第j項指標在各方案中的最大值;Wj是第j項指標的加權值,它反映了這項指標在該產品中相對于其它各項指標的重要程度,且滿足:
■Wj=1 0≤Wj≤1(1)
則采i個方案的綜合評價指標(即評價函數)為:
Hi=■Wj■, i=1,2,...,m(2)
求出各方案的最佳評價函數值Himax:
Hmax=max{Himax,(i=1,2,...,m)}(3)
通過(1),(2),(3)求出數據,通過下列方案進行對比選出最佳方案。
可行方案1,失效率Ki1/10-6h-1為120,成本Ki2為7千元,模塊化程度Ki3是0.5,評價函數Himax是-0.46,權重系數Wj為0.5。
可行方案2,失效率Ki1/10-6h-1為170,成本Ki2為4千元,模塊化程度Ki3是0.8,評價函數Himax是-0.37,權重系數Wj為0.3。
篇2
關鍵詞:機電一體化;系統設計;構成;過程;方法;可靠性
機電一體化概念始于70年代,是根據英文Mechanics(機械學)的前半部分和Electronics(電子學)的后半部分而構成的,即Mechatronics。在80年代由美國機械工程協會專家組定義為:“由計算機信息網絡協調控制的,用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和(或)機電部件相互聯系的系統”。
機電一體化技術,是由微電子技術、計算機技術、伺服傳動技術與機械技術相結合的綜合性技術,是微電子技術、計算機技術向機械技術不斷滲透的產物。機械技術是機電一體化技術的基礎。隨著高新技術引入機械行業,機械技術面臨著挑戰與變革。在機電一體化產品中,它不再是完成單一的系統聯接,而是在系統結構、重量、體積、剛性與耐用方面對機電一體化系統有著重要影響。目前,隨著機電一體化系統所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制過程日趨復雜,對控制系統的要求越來越高。
1機電一體化系統的構成與關鍵技術
1.1機電一體化系統的構成
從構成要素上來看,機電一體化系統由機械系統(機構)、電子信息處理系統(計算機)、動力系統(動力源)、傳感檢測系統(傳感器)、執行元件系統(如電機)等五個子系統組成。機電一體化系統的基本特征是給”機械”增添了頭腦(計算機信息處理與控制),因此是要求傳感器技術、控制用接口元件、機械結構、控制軟件水平較高的系統。
從所要實現功能上來看,因為機電一體化系統(或產品)是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體,要有滿足人們使用要求的功能(目的功能),所以根據不同的使用目的,要求系統能對輸入的物質、能量和信息(即工業三大要素)進行某種處理,輸出所需要的物質、能量和信息。因此,系統必須具有以下三大“目的功能”:①變換(加工、處理)功能;②傳遞(移動、輸送)功能;③儲存(保持、積蓄、記錄)功能,不管是實現哪類“目的”功能的系統(或產品),其系統內部必須具備如下圖所示的五種內部功能,即主功能、動力能功能、檢測功能、控制功能、構造功能。其中“主功能”是實現系統“目的功能”直接必需的功能,主要是對物質、能量、信息或其相互結合進行變換、傳遞和存儲。“動力功能”是向系統提供動力、讓系統得以運轉的功能。“檢測功能和控制功能”的作用是根據系統內部信息和外部信息對整個系統進行控制,使系統正常運轉,實施“目的功能”。而“構造功能”則是使構成系統的子系統及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關系所必需的功能。從系統的輸入/輸出來看,除有主功能的輸入/輸出之外,還需要有動力輸入和控制信息的輸入/輸出。此外,還有因外部環境引起的干擾輸入以及非目的性輸出(如廢棄物等)。
既然機電一體化系統(產品)可以分解成一系列要素或子系統構成,那么怎樣使各要素或子系統之間順利地進行物質、能量和信息的傳遞與交換呢?這就涉及到了接口的概念。所謂接口就是各要素或各子系統之間的聯系條件。從系統外部看,機電一體化系統的輸入/輸出是與人、自然及其他系統之間的接口;從系統內部看,機電一體化系統是由許多接口將系統構成要素的輸入/輸出聯系為一體的系統。從這一觀點出發,系統的性能在很大程度上取決于接口的性能,各要素或各子系統之間的接口性能就成為綜合系統性能好壞的決定性因素。機電一體化系統是機械、電子和信息等功能各異的技術融為一體的綜合系統,其構成要素或子系統之間的接口極為重要,在某種意義上講,機電一體化系統設計歸根結底就是“接口設計”。廣義的接口功能有兩種,一種是輸入/輸出的功能;另一種是變換、調整的功能。
1.2機電一體化系統的相關關鍵技術
①機械技術:機電一體化的機械產品與傳統的機械產品的區別在于:機械結構更簡單、機械功能更強、性能更優越。在設計和制造機械系統時除了考慮靜態、動態剛度及熱變形等問題外,還應考慮采用新型復合材料和新型結構及新型的制造工藝和工藝裝置。②傳感檢測技術:傳感檢測技術的內容,一是研究如何將各種被測量轉換為與之成比例的電量;二是研究對轉換的電信號的加工處理。機電一體化系統要求傳感檢測裝置能快速、準確、可靠地獲取信息。③信息處理技術:信息處理的發展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術等都屬于計算機信息處理技術的范疇。④自動控制技術:機電一體化系統中的自動控制技術主要包括位置控制、速度控制、最優控制、自適應控制以及模糊控制、神經網絡控制等。⑤伺服傳動技術:伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,常見的伺服驅動系統主要有電氣伺服和液壓伺服。⑥系統總體技術:機電一體化系統是一個技術綜合體,它利用系統總體技術將各有關技術協調配合、綜合運用而達到整體系統的最佳化。
2 機電一體化的設計過程
機電一體化的機械動力部分由一般電動機演變為控制電動機,里程碑式地引入了電子和計算機等先進技術,代替人完成機器的檢測與控制等工作。在知識經濟中體現了制造業高科技化,促進了高科技產業和知識經濟的發展。它是一種用于機電產品最優設計的方法學。它包括4個基本學科:電氣、機械、計算機科學和信息技術。如圖1所示。
摘要:本文結合筆者的多年工作經驗,對機電一體化系統的構成及關鍵技術進行了簡要的分析,并就機電一體化系統的幾種可靠性設計進行了探討。
關鍵詞:機電一體化;系統設計;構成;過程;方法;可靠性
機電一體化概念始于70年代,是根據英文Mechanics(機械學)的前半部分和Electronics(電子學)的后半部分而構成的,即Mechatronics。在80年代由美國機械工程協會專家組定義為:“由計算機信息網絡協調控制的,用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和(或)機電部件相互聯系的系統”。
機電一體化技術,是由微電子技術、計算機技術、伺服傳動技術與機械技術相結合的綜合性技術,是微電子技術、計算機技術向機械技術不斷滲透的產物。機械技術是機電一體化技術的基礎。隨著高新技術引入機械行業,機械技術面臨著挑戰與變革。在機電一體化產品中,它不再是完成單一的系統聯接,而是在系統結構、重量、體積、剛性與耐用方面對機電一體化系統有著重要影響。目前,隨著機電一體化系統所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制過程日趨復雜,對控制系統的要求越來越高。
1機電一體化系統的構成與關鍵技術
1.1機電一體化系統的構成
從構成要素上來看,機電一體化系統由機械系統(機構)、電子信息處理系統(計算機)、動力系統(動力源)、傳感檢測系統(傳感器)、執行元件系統(如電機)等五個子系統組成。機電一體化系統的基本特征是給”機械”增添了頭腦(計算機信息處理與控制),因此是要求傳感器技術、控制用接口元件、機械結構、控制軟件水平較高的系統。
從所要實現功能上來看,因為機電一體化系統(或產品)是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體,要有滿足人們使用要求的功能(目的功能),所以根據不同的使用目的,要求系統能對輸入的物質、能量和信息(即工業三大要素)進行某種處理,輸出所需要的物質、能量和信息。因此,系統必須具有以下三大“目的功能”:①變換(加工、處理)功能;②傳遞(移動、輸送)功能;③儲存(保持、積蓄、記錄)功能,不管是實現哪類“目的”功能的系統(或產品),其系統內部必須具備如下圖所示的五種內部功能,即主功能、動力能功能、檢測功能、控制功能、構造功能。其中“主功能”是實現系統“目的功能”直接必需的功能,主要是對物質、能量、信息或其相互結合進行變換、傳遞和存儲。“動力功能”是向系統提供動力、讓系統得以運轉的功能。“檢測功能和控制功能”的作用是根據系統內部信息和外部信息對整個系統進行控制,使系統正常運轉,實施“目的功能”。而“構造功能”則是使構成系統的子系統及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關系所必需的功能。從系統的輸入/輸出來看,除有主功能的輸入/輸出之外,還需要有動力輸入和控制信息的輸入/輸出。此外,還有因外部環境引起的干擾輸入以及非目的性輸出(如廢棄物等)。
既然機電一體化系統(產品)可以分解成一系列要素或子系統構成,那么怎樣使各要素或子系統之間順利地進行物質、能量和信息的傳遞與交換呢?這就涉及到了接口的概念。所謂接口就是各要素或各子系統之間的聯系條件。從系統外部看,機電一體化系統的輸入/輸出是與人、自然及其他系統之間的接口;從系統內部看,機電一體化系統是由許多接口將系統構成要素的輸入/輸出聯系為一體的系統。從這一觀點出發,系統的性能在很大程度上取決于接口的性能,各要素或各子系統之間的接口性能就成為綜合系統性能好壞的決定性因素。機電一體化系統是機械、電子和信息等功能各異的技術融為一體的綜合系統,其構成要素或子系統之間的接口極為重要,在某種意義上講,機電一體化系統設計歸根結底就是“接口設計”。廣義的接口功能有兩種,一種是輸入/輸出的功能;另一種是變換、調整的功能。
1.2機電一體化系統的相關關鍵技術
①機械技術:機電一體化的機械產品與傳統的機械產品的區別在于:機械結構更簡單、機械功能更強、性能更優越。在設計和制造機械系統時除了考慮靜態、動態剛度及熱變形等問題外,還應考慮采用新型復合材料和新型結構及新型的制造工藝和工藝裝置。②傳感檢測技術:傳感檢測技術的內容,一是研究如何將各種被測量轉換為與之成比例的電量;二是研究對轉換的電信號的加工處理。機電一體化系統要求傳感檢測裝置能快速、準確、可靠地獲取信息。③信息處理技術:信息處理的發展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術等都屬于計算機信息處理技術的范疇。④自動控制技術:機電一體化系統中的自動控制技術主要包括位置控制、速度控制、最優控制、自適應控制以及模糊控制、神經網絡控制等。⑤伺服傳動技術:伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,常見的伺服驅動系統主要有電氣伺服和液壓伺服。⑥系統總體技術:機電一體化系統是一個技術綜合體,它利用系統總體技術將各有關技術協調配合、綜合運用而達到整體系統的最佳化。
2 機電一體化的設計過程
篇3
關鍵詞:可編程序控制器;發展歷程;重要作用
前言
隨著工業生產技術的發展,傳統的機械控制生產模式已經不能滿足人們對生產生活的需求,因此現代工業已經摒棄傳統的生產模式,取而代之的是集成化、規模化的生產為模式。可編程序控制器是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置,并且這種新型控制模式已經深入到了工業生產控制的各個模塊,可編程序控制器在機電一體化的設計中也越來越得到了廣泛的應用,PLC的應用也將是機電一體化設計發展的趨勢。
1.PLC的定義和發展歷程
PLC(可編程序控制器)是隨著工業發展應運而生的一種以數字運算操作為基礎的電子裝置,其工作原理是采用可以編制程序的存儲器來儲存在控制器內部的各種運算及指令,其中包括計算機技術中的順序運算、邏輯運算、算術運算等。
并通過轉換器將人們輸入指令轉換成機器能夠識別機器語言,轉換完成后將指令輸出最終達到控制機械生產的目的[1]。
上個世紀六十年代可編程序控制器的雛形就已經產生,進入七十年代后PLC技術在國外已經得到了發展,一些中小型的企業已經開始應用。經過幾十年的發展,全球經濟一體化進程加快的同時,發達國家更加注重了對可編程序控制器知識產權的保護。對于我國PLC技術來說,沒有一個從研制開發到生產的過程,而是成套的設備引進來使得可編程序控制器得到廣泛的應用。
2.PLC技術在機電一體化設計中的運用
PLC技術與其他的控制器相比,其操作更簡單、抗干擾性強、穩定性和可靠性高。基于以上的優點,使得其在化工、電子、交通、機械等工業控制領域的機電一體化設計中得到了廣泛的應用。
2.1 PLC技術在機電一體化設計中對運動控制的應用
在機電一體化設計中,PLC主要是實現控制功能,在運動控制方面,它可以有效的控制機械的直線運動和曲線運動甚至是圓周運動。在不同的工業生產中,PLC技術可以體現其不同的應用特點,在電氣生產中,PLC技術可以很大程度上提升機械生產的性能,并可將自動化水平大大的增加。在設計運動控制的混凝土攪拌生產中,運用了PLC技術可以在很大程度上保證設備的穩定運行,經過實際研究分析,PLC技術可以有效的控制機械設備故障的發生率,為生產減少了能源的消耗,并提高了生產效率[2]。
2.2 PLC技術在機電一體化設計中對數據控制的應用
在機械加工的生產過程中,PLC會與計算機數據控制器組成一個整體,在控制機械加工運算方式的同時實現對數據的控制,通過窗口軟件,技術人員可以自由的對設備間的數據進行共享并控制,從已有的PLC技術發展趨勢來看,在今后的機電一體化系統中,基于PLC技術的控制將會占據主導地位。
2.3 PLC技術在機電一體化設計中對生產過程控制的應用
對于PLC技術能否在機電一體化設計中勝任重要的工作,要看PLC技術能否很好的對工業生產中生產過程進行很好的控制,在控制的過程中,技術人員可以根據相關的數據系數做為判定控制是否合格的重要標準,例如電壓、電流、溫度、壓力等相關數據的系數。經過對相關數據系數的當前值和歷史值的對比可以在第一時間得知機械生產過程中是否出現了故障及差錯,從而保證生產的效率和企業的經濟效益。在機械控制方面,PLC技術應用最廣泛的控制方式就對生產過程控制[3]。
3.PLC技術在機電一體化設計中應用實例
3.1 PLC技術在供水系統中的應用
PLC技術在各個領域的到了廣泛的應用,例如供水控制系統。隨著城市居民對供水的大量需求,供水管網的流量必須要隨用水量的變化而隨機變化才能滿足人們不同時間段對水量需要,傳統的控制方式不能夠控制的相對準確。因此水務企業在供水系統中應用了PLC技術。PLC技術可以保證管網的壓力變化不會因為水量的變化而對供水系統產生影響。其工作原理為:當供水設備啟動后其中一臺水泵在控制器的控制下設定一定的速率升速運行,運行一段時間后,管網壓力不斷升高以后,可以將當電機的轉速穩定在某一值,當用水量增大時電機轉速可以隨著水量的增加提高到一個新值并穩定。經過控制器的一些列控制可以在一定程度上減少供水過程中的資源浪費,還可以保證供水管道不會因為供水壓力的不規律而產生的損害。
3.2 PLC技術在閘門控制系統中的應用
我國大多數的水庫閘門控制仍然采用的是相對陳舊串阻啟動控制柜,由于近些年技術和經濟的不斷發展,串阻啟動控制柜已經不能體現其控制優勢,相反的在串阻啟動控制柜越來越展現了其接線工藝復雜、設備占地面積大的劣勢。相關技術人員對原有系統的工作原理進行認真研究和現場實際考察,考察結果發現運用PLC技術的 控制器不僅可以改善原有控制器的缺點,還能使閘門升降過程中的動作更加簡單,方便操作。其工作原理很簡單,只需保證抱閘與電機同步運行
并同時監測變頻器故障等信號,將內部指令結合閘位傳感信號做成控制軟件即可。
4.結語
經過本文以上的研究和論證分析,筆者可以得出以下結論,在機械控制領域PLC已經展現了其優勢,并為機電一體化設計做出了貢獻,但是在現實的成產生活中,為了能夠實現可編程序控制器的強大功能,發揮真正的作用,還需要大家做進一步的努力,首先應該深入的了解控制器所控制的對象,其次應該將PLC技術科學合理的應用在機電一體化設計中。近年來我國機電一體化成為工業發展新亮點,隨著我國工業向智能化、網絡化發展的趨勢,PLC已經展現了其強有力的優勢和廣闊的發展空間,并且將會為我國的機電一體化進程做出巨大的貢獻。
參考文獻:
[1]武文佳,丁廣鑫,趙明艷,等.基于Solid Works&LabVIEW的虛擬原型機電一體化設計技術研究[D].西安電子科技大學,2012.
篇4
機電一體化異地設計活動中的產品建模問題,需要采取統一處理手段,特別是在端口多能量集成組件模型范圍下,可以運用六元組形式加以清晰表述;而多能量端口則選用五元組加以表述。按照客觀層面審視,端口變量包含廣義速度與力變量元素,兩者乘積即為功率量,不同組件之間會借用端口實施能量、信號交換。參數化集合模型,如液壓系統、機械等都必須展現物理形式且保留一定質量,安裝過程中仍須界定運動、散熱問題,主要是因為任何組件不論結構形式或是功能行為,都必須利用幾何、裝配模型綻放,實際上就是運用系統可視化特征完成虛擬原型改造任務。再就是由于不同能量域的結構復雜,在此情況下參數化建模方法應保留一定特征,并且利用紋理、材質等三維建模技術,使得模型逼真之外更保留結構簡潔性特征。機電一體化系統多能量域集成組件就是聯合形狀特征、約束零件模型進行裝配,針對不同部件幾何形態進行建模,包括不同剛性、可變性零件等;同時采取參數化約束模型和聯結特征模型,針對不同聯結裝配關系實施建模改造,包括機械靜聯結等,進而建立整個機電一體化系統的可視化虛擬原型架構。
2機電一體化系統異地設計多能量域集成仿真技術解析
結合早期設計經驗分析,有關產品功能需求與工作原理需要得到進一步重視,所以在設計計算期間應該針對系統內部組件形態加以簡化,包括線性近似、阻尼剛性影響忽略等。目前設計精確度不斷提升,有關CAD、行為、配置模型逐步完善;現實中系統中組件主要采用實際模型搭配,其間有必要針對系統實際性能指標加以預測。因為非線性、時變、離散等實際情況都要考慮在內,涉及傳遞函數形式開始不再適用,數值求解便成為唯一出路。需要特別注意的是,透過產品模型中推導出如果所有組件的行為模型都已知,則根據系統的配置模型,利用Mapple等工具包可以進行符號求解。但由于整個開發項目參與者之間存在競爭合作并重關系,這便導致系統組件行為模型的形式多樣性,包括HDL、XML等可執行代碼及其他MDL等。這時可將系統組件模型進行封裝,通過提供封裝器的標準API接口,可以開發出各種系統組件模型的封裝器。利用封裝器可以實現基于配置的多能量域集成聚臺仿真改造。在此基礎上,如果利用CORBA/JAVA/XML/Web技術,則可實現機電一體化系統異地設計的分聚臺仿真目標。此外,基于XML的多能量域集成產品建模機電一體化系統異地設計的演化過程對組件的可演化性提出了很高的要求。就是在設計的早期階段,強調組件的功能需求及性能、結構與形狀方面的約束,此時主要定義復合組件的接口、配置模型、附加的約束;而在設計的后期階段,強調組件在系統中的裝配關系、端口連結關系以及組件內部各能量域內的行為屬性參數件是否滿足設計需求,此時需要詳細定義組件的端口模型、配置模型、行為模型、幾何模型、關聯模型、約束模型。需要特別注意的是,整個開發項目中,任何參與者之間都存在競爭、合作關系,這便令行為組件模型樣式更加豐富多樣,如XML、可執行代碼等,此時技術人員可考慮進行組件模型封裝處理,并透過封裝器標準化API接口實現配置多能量域集成聚合仿真操作目標。
3結語
篇5
關鍵詞:機電一體化 系統 目標 實現
中圖分類號:TH-39 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(b)-0106-01
機電一體化起源于上世紀八十年代的日本,它融合了機械、自動控制、伺服傳動、電子、信息處理、傳感檢測、系統總體等多種技術,并綜合應用到實際中去的綜合技術。它不是上述技術的簡單疊加,而是在從系統理論出發根據系統功能目標和優化組織結構目標,對各組成部分及其間的信息處理,接口耦合,運動傳遞,物質運動,能量變換進行研究,組成有機的系統,集成各種技術,并在系統軟件程序和微電子的有序控制信號的作用下,使物質和能量形成有規律運動的軌跡,在多功能性、高精度、高安全性、高可靠性、低能耗等諸多方面實現多種技術功能融合成最優效果的系統工程技術。
1 機電一體化系統設計的目標
機電一體化系統的總體目標就是中和利用機械、電子、信息、控制等各種相關技術的優勢,使系統的效果最優化,從而產生良好的經濟和社會效益。具體可以分為以下幾條。
1.1 提高系統的精度
機電一體化系統采用了大量的電子裝置來代替傳統的機械傳動裝置,消除了原來的機械損耗、彈性形變所引起的誤差,簡化了系統的結構,采用電子裝置實現自動檢測和控制,從而縮小了動態誤差,使工作精度得到大幅度的提升。
1.2 增強系統的功能
由于采用了多種新型的技術,從而使傳統的機械裝置擁有了電氣產品的功能,比如系統向智能化方向發展,在自動控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學和動力學等新思想、新方法,模擬人類的功能,使它具有自動判斷、邏輯推理、自主決策等能力,以求獲得更高的控制性能。使原來的機械裝置,擁有了人工智能的功能。
1.3 提高系統的安全行和可靠性
機電一體化系統由于采用了多種新型的技術,從而使系統具有自動檢測的功能,當運行的設備中出現潛藏的故障時,系統可以實時進行在線檢測和修復,從而提高了系統的安全性和可靠性。
1.4 降低能耗、節約能源
機電一體化系統采用了一些低能耗的電子裝置,有些裝置的材料是可以重復利用的,這些綠色材料在使用時不污染生態環境,報廢后還能回收利用。這些低能耗的裝置在使用的過程中節約了能源,符合現在建設資源節約型社會的要求。
1.5 提高效率、降低成本
由于使用了機電一體化系統,在產品的研發過程中,縮短了準備時間,減少了產品的開發時間,使不合格產品的數量大大減少,提高了生產效率,降低了成本。在產品的生產過程中,機電一體化系統可以使用計算機、數控機床等輔助設備,把人們從一些復雜、危險的勞動環境中解放出來,同時生產過程又可以實現過程控制,提高了生產效率。
1.6 簡化系統的結構
傳統的產品大都采用笨重的電氣結構和機械變速裝置,這不但阻礙了生產的效率,而且也增加了系統的體積和重量,在使用和維護的過程中帶來了諸多的不便。現在采用微電子和集成電路構成的系統,不但大幅提高了生產的效率,還減小了系統的體積,簡化了結構,減輕了重量。
1.7 降低了產品的價格
隨著現代電力電子技術的發展,新型的電力電子器件層出不窮,新的生產工藝不斷出現,而且電子器件的價格也在不斷地下降,電子器件日益平民化,極大地擴展了使用的范圍。而且功能越來越完善,維護越來越方便,使用壽命在不斷地延長。所有這些因素相加導致產品的價格在不斷地下降,從而反過來擴大其應用范圍。
1.8 增加特殊的應用功能
隨著用戶對產品要求的多樣性,系統可以通過軟件編程或者是數控加工中心等來實現客戶的產品的特殊要求,生產出個性化的產品,使其滿足用戶的要求及不同現場的需求。系統對這些功能的實現,形成了控制系統的智能化的發展趨勢。
2 機電一體化系統設計的實現方法
2.1 機電互補法
機電互補法也就是我們常說的取代法,這種方法的特點是:為了逆補傳統機械裝置或者子系統的不足,而采用新型的電子元件來代替機械裝置。該方法就是改造舊產品、開發新產品或對原系統進行技術改造常用的方法,也是改造傳統機械產品的常用方法。比如用電氣調速系統取代機械式變速結構等。
2.2 融合法
融合法就是將具有一定功能的部件或者子系統按照他們的功能有機的融合在一起,構成一些具有更高性能的系統。比如激光打印機的激光掃描鏡,它就是電機的轉子軸,這是執行元件和執行機構融合的一個具體實例。機電一體化系統強調技術的融合和學科的交叉作用,各單元相互輔助、相互促進、相互提高,使整體的功能遠大于各單元的簡單相加。
2.3 組合法
組合法就是將融合法所形成的標準功能部件或者子系統,按照功能分類,采用搭積木的方式組合成各種機電一體化系統。機電一體化產品的種類繁多,生產廠家眾多,他們的產品也就五花八門,導致使用時不能通用,無形中浪費了大量的資源,因此,研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、通信接口、控制接口的機電一體化系統單元子系統就顯得尤為重要。比如研制集減速、智能調速、電機控制于一身的動力單元模塊,具有遙感、圖像處理、路徑識別等功能的控制單元,以及各種能完成典型操作的機械裝置。利用這些標準單元模塊就可以迅速開發出新的產品,同時也可以擴大生產規模。這樣可以節約生產的成本,也便于后期的維修和護理。
3 結語
綜上所述,機電一體化系統設計是一項非常復雜的工程,不是單一部門能夠獨自完成的,它需要眾多行業合作才能實現。在設計系統時,應根據機械系統的結構特點來確定電氣參數,綜合運用多學科知識,充分體現機電一體化的優越性。
參考文獻
[1] 武藤一夫.機電一體化[M].北京:科學出版社,2007.
篇6
根據機電一體化人才培養方案和本專業的課程設置,研究改革課程設計大綱基本要求。根據應用型和創新型人才培養要求,課題的方向主要分為兩大方向進行選擇:一類題目主要針對應用能力培養,把本專業的知識進行有機的綜合,提高學生的綜合實踐能力;另一類題目主要針對創新能力培養,結合創新設計大賽相關題目,把本專業的知識進行創新性應用,提高學生的創新設計能力。普通型課程設計題目1)向學生征集。在課程中學生擁有與課程設計相關的好想法,可以展開討論,要求對其方案進行分析,符合課程設計要求的,教師根據其內容下達課程設計的任務。實踐證明,對自己提供方向的題目,學生的積極性會很強。2)選擇典型機電一體化產品讓學生進行設計,結合學生的實力進行選取,同時與本專業的專業方向盡可能的相關,開發學生的潛能。比如數控方向的學生,可以選擇數控車床工作臺二維運動伺服進給系統設計、數控銑床工作臺三維運動伺服進給系統設計等,為未來職業發展打下好的基礎。3)學習借鑒其他學校機電一體化設計的內容,在現有設計內容的基礎上,根據本校本專業課程設置的特點,對設計的內容做以適當增減,以適合本專業的學生。創新型課程設計題目可以借鑒全國機械創新設計大賽的課題[3],其中每屆成功參與全國總決賽的作品都收錄在決賽作品選集中,由高等教育出版社出版。這里面有比較好的案例,同時作品中也存在可以改進的地方,有興趣的學生可以從中選擇與機電一體化相關的課題,提升自己的能力。在條件允許的情況下,可以做出產品的模型,提高學生的機電一體化能力,同時也可以為學生參加今后的機械創新設計大賽做準備,做到“以學促賽,以賽促學”。在專業教學中,學生經常會困惑本專業畢業后到底有什么前途?能做什么?機電一體化課程設計教學貼近實際,能把多門專業課有機地結合起來,把枯燥的課本知識靈活地運用,極大地鼓舞了學生的興趣,激發學生對實際問題的思考,對工程實踐產生濃厚的興趣。堅持理論教學與實踐教學并重,可大幅提高教學效率和教學質量,同時為選拔優秀學生參加機械類學科競賽提供條件。
2課程設計的實施方式
課程設計實施方案:設計報告書是對整個設計過程的總結和提升,也是進行工程交流的重要文獻資料,通過指導學生撰寫課程設計報告書,培養學生撰寫工程技術文檔的能力。對設計說明書的撰寫,提出如下要求:1)嚴禁課程設計報告抄襲,基本工作獨立完成;2)根據任務書能提出合理的設計方案和機構的工作原理;3)設計要符合國家標準,學會使用設計手冊、專業術語、專業名詞規范;4)設計圖圖紙規范,符合設計說明書的要求,不照抄手冊和案例,設計參數與圖紙相一致;5)學會使用專業相關軟件,對設計的機械機構和控制部分進行分析和仿真,是驗證設計正確的有效手段之一;6)課程設計配備了一些實際的零部件可供學生設計使用,以及基本的控制電路,學生要具備一定的實踐操作能力,掌握器件的選擇與焊接,會進行程序的編寫,掌握系統故障的檢測與維修能力。課程設計采用分組式進行,每個小組3~5人,視工作量而定。課題難度較大可以分五人,原則上一般三人為一組。每個小組在規定的時間完成基本要求,每個學生都要參與該組課程設計答辯,通過問題了解學生在課程設計中所做的主要工作,檢查有無抄襲情況、有無坐享其成的學生,結合設計報告書的撰寫質量和實際所做的產品質量進行綜合評定。
3實施效果
通過在重慶大學機械電子工程專業的實踐,在機械電子工程專業中開設機電一體化課程設計,已基本摸索出培養機電復合型技術人才的規律。普通型題目實現機電融合、知識整合理論教學與工程實踐并重。由于在教學中缺乏機電知識綜合運用能力的培養和訓練,學生在學習了機械設計、機械制造和電子技術、計算機技術和傳感器技術等基礎課程后,不能很好地將機、電的知識融會貫通,大多數學生也只是了解基本的機電設備的基本功能,在系統運用中存在問題,在機電一體化系統的綜合設計方面存在不少困難。通過開設機電一體化課程設計實踐教學環節,通過理論設計與實際操作,比如數控工作臺進給系統的設計,從電機、聯軸器、絲杠、導軌的設計到型號的選擇、控制單片機的設計與仿真,最終實現數控工作臺進給系統的裝配與調試。機電一體化課程設計對學生的理論知識與實踐緊密地連接起來,提高了學生的綜合應用能力。創新型題目為學生參加機械創新競賽做了鋪墊通過課程設計,為機械學科學生參加如全國大學生機械創新設計大賽做了鋪墊。在第六屆全國大學生機械創新設計大賽(重慶賽區)中,學生榮獲重慶賽區一等獎一項、二等獎一項。其中,“幻顯黑板”作品獲得國家專利。該作品包括了框架的設計、傳動系統布置,控制系統采用單片機控制,執行元件有步進電機、直流電機、電磁離合器、電磁制動器、光電編碼器等器件。本次參賽作品充分運用機電一體化技術,機電一體化課程設計改革效果顯著。
4結語
篇7
關鍵詞:高職;機電;一體化模塊
一、一體化模塊教學概述
一體化教學模式是指在企業里學習實際操作和在職業學校學習理論知識平行進行,是企業訓練與學校教育密切結合起來。接受雙元制職業教育的學生,70%的時間在企業,30%的時間在學校。一體化教學是順應當前職業技術教育發展而產生的一種教學模式,理論一實踐一體化,即將課堂教學搬到實際操作室,把理論教學與實際操作融為一體,通過一體化教師的講解、演示、巡回輔導等教學手段,讓學生通過聽、看、練等手法全面調動大腦的學習動機,使學生更快,更牢固地掌握所學知識。其主要特征是強調學生參與教學全過程,強調學生互相合作解決實際問題,強調以模塊為基礎的經驗性知識培養。一體化模塊教學模式要求理論教學與實踐教學內容的一體化,課程以模塊的形式組織,教師在知識、技能、教學能力上的一體化,同時還包含教學場所的一體化、教材教案的一體化、教學組織過程的一體化。
(一)機電一體化模塊教學的內涵
一體化模塊教學模式要求理論教學與實踐教學內容的一體化,課程以模塊的形式組織,教師在知識、技能、教學能力上的一體化,同時還包含教學場所的一體化、教材教案的一體化、教學組織過程的一體化。因此,一體化模塊教學絕不是理論教學和實習教學在形式上的簡單組合,而是從學生技能技巧形成的認知規律出發,實現理論與實踐的有機結合。
通過一體化模塊教學,實現了理論和實踐的高度統一,教學更加直觀、更加易學,突出操作技能的訓練,使學生既具備必要的理論知識,又具備熟練的操作技能,還具有較強的發展潛能,學生畢業后能很快適應生產崗位,體現技工學校教育的特色,為社會輸送高素質的技能型人才。
(二)機電一體化模塊教學的基本特征
一體化模塊教學具有很多明顯的特征,它與傳統的教學模式相比較主要具有職業定向性,情境性,互動性,實用性,高效性等基本特征。
1.職業定向性
一體化模塊教學能夠實現與專業培養目標的一致性。一體化模塊教學的教學內容是以模塊的形式來劃分的,它不僅能滿足學校教學大綱的要求,還能根據實際情況與企業生產實踐相對應,有的甚至可以與工作崗位相吻合,因此課程的職業定向性十分明確。一體化模塊教學的教學形式,以及課程內容都體現出很好的職業定向性。
2.情境性
一體化模塊教學把理論教學與技能訓練融為一體,學生在教師的指導下,通過對課程,對生產,對社會實踐創設有挑戰性的問題情境,實現教學與現實情境的溝通與融合。一體化模塊教學能使學生在真實的現場來感知所學的內容,能在現實的操作過程中學習專業技能知識,進一步理解消化專業理論知識。
3.互動性
一體化模塊教學的學習不是既定的,而是動態變化的,是由模塊教學內容和研究方式交互作用而生成的。一方面,學習者不斷地從模塊課程內容中感知、提取信息,進行“交互”,正確理解事物運動狀態與規律的表征,形成自己的心智結構;另一方面,不同學習者具有不同的經驗世界,從而對某個問題有不同的看法,通過相互爭辯,討論,交流,實踐,共同解決問題,可以形成更豐富、深刻的理解,從而獲取更多的知識與經驗。
4.實用性
“一體化模塊教學”可以實現理論與實踐的一體化,課程內容是經過教師反復篩選編制的,課程內容的深度和廣度以實際工作需要為尺度的,課程重點在于職業技能的學習和養成,突出“寬基礎”和“雙融合”的原則。一體化模塊教學的課程以能力為導向,能合理的處理專業基礎知識與專業技能之間的關系,產學結合,突出實踐,從而形成連貫的、全面的、完整的教學體系,具有很強的實用性。
5.高效性
“一體化模塊教學"的課程設置打破了原有課程的模式,對知識和技能體系重新組合,刪除了那些交叉重復的內容,可以有效的避免講授知識的重復和理論實訓課程的脫節,使學生的專業知識學習和專業技能的掌握相輔相承。
二、確立機電專業一體化教學采取的措施
(一)機電理論和實踐一體化教學體系
樹立綜合職業能力的課程觀,確立適合地域經濟發展的機電專業的培養目標現代職業教育課程觀的主要體現在以下幾個方面:第一,課程目標由“知識主體”轉變為“學生主體”。教學目標是學生個體以及他們心理和行為的變化。為此要研究學生的認識和學習規律,要使學生的各種學習任務與學生的學習規律保持一致。第二,教育導向要逐步轉變為“企業專家導向”。傳統的課程的設計通常由教育部門來決定,由于角色和角度的約束,課程往往側重學科知識的系統性,易脫離市場實際。一體化本位課程則要求更多地聽取、吸收、采納機電行業專家們的意見和建議,以更好地把握職業崗位現在和將來對從業人員的能力要求。第三,綜合職業教育能力課程的中心是學生,教師將成為學習的促進者和組織者。為適應個體差異,學生可以有不同的課程內容和學習進度。
(二)構建一體化實訓教學場所
(1)在實訓基地仿真實訓。校內實訓基地應滿足機電仿真實訓f的需要,加大軟、硬件設施投入,再造校內實習、實訓真實工作場景,使學生在校內基地進行仿真實踐,切實培養其職業素養和技能。機電專業教師進行相應實訓指導,實現職業技能與職業素養一體化培養。
(2)在校外實訓基地現場實訓。校外實訓基地主要是企業,為高職院校學生提供包括基本技能和綜合能力兩方面的真實的實踐環境。由于學生在校外實訓基地是頂崗培訓,在各個實訓項目中均安排了技能訓練。通過有關設備及工具的使用,掌握本專業儀器設備的操作技能并熟悉其原理、結構和性能等,為學生今后工作打下基礎。另外,學生在實習期間不僅能取得實際工作經驗,還能培養團隊協作精神、群體溝通技巧、組織管理能力和領導藝術才能等個人綜合素質。
參考文獻:
[1]陶曉峰.高職機電實訓一體化教學改革研究.南昌大學,2010-2
篇8
關鍵詞:機電一體化;執行元件;方案設計
機電一體化技術的迅速發展使得機構在實現原理和組成內容等方面有了突破性的進展,發展成為具有更廣泛意義的廣義執行機構。廣義執行機構是由是驅動元件與執行件(或執行機構)組成的可控執行機構,是機電一體化系統的核心。廣義執行機構最主要的特點就是可控性,它的輸出運動是由機構參數和輸入函數共同決定的,改變控制程序就可使同一機構系統實現不同需要的輸出運動或改進機構的運動和動力參數,因此廣義執行機構具有傳統機構無可比擬的優越性和更大的設計空間。電動機是將電能轉化為機械能的裝置,可以說是現在世界上使用最普遍的裝置,如果沒有電機這樣的裝置,我們甚至無法想象我們這個世界會是什么樣子。但原始的電機的功能卻是單一的,就是接受電流以后轉動,轉數是恒定的,然而,人們對生產、生活的速度要求卻是多種多樣的,由它帶動的機械對轉數的要求也是多種多樣化。
一、總體方案設計思路
1.總體設計要求
蓋板能夠實現可靠的打開及關閉是實現遠程操控系統在各種惡劣環境下可靠地執行勤務和值守任務的保障,也是遠程操控系統實現從勤務狀態到戒備值守狀態快捷、可靠、準確轉換的關鍵。因此,為使此機電一體化執行元件在遠程操控的各種工作狀況下均能可靠地工作,其總體設計應滿足如下要求:(1)應保證蓋板在關閉狀態下,密封可靠.具有防雨、防潮、防鹽霧侵入等功能,并且使關閉后的蓋板結構牢同,具有防盜、防撬和防撞擊功能。保證此機電一體化執行元件在承受較大的外力撞擊后,仍能正常可靠地工作,蓋板仍能正常、輕松地開啟。(2)蓋板的開啟和關閉應平穩、可靠、快捷,并可同時實現自動扁閉和應急人工手動啟閉。具有機電聯動互鎖功能,保證自動啟閉可靠、準確,手動扁閉輕松、方便,不誤動,不鎖死。(3)此機電一體化執行元件結構應盡量緊湊、體積小、重量輕,以便于在整個系統中的結構布置。(4)所控制的蓋板在開啟位置同樣應保持鎖定狀態,并能保證在承受高頻、強沖擊載荷作用下不致松脫,從而造成誤關閉的現象。
根據以上總體設計的要求,初步設想蓋板采用骨架式蒙皮結構,為防止盜撬并適應各種惡劣的工作環境,蓋板的啟閉門軸以及啟閉用機電器件在蓋板關閉的狀態下均應藏在平臺本體的內側。蓋板關閉的鎖定裝置考慮采用具有防盜撬功能,能同時承受縱橫向載荷的卡板式機械電子雙控互鎖式門鎖,要求門鎖在蓋板承受較大的撞擊后,仍不失效且能正常開啟。另外,卡鎖裝置應與蓋板自動啟閉驅動和傳動裝置實現聯動。當采用電子開鎖時,應在開鎖同時,接通驅動電機和電磁離合器,使蓋板自動啟閉。而當采用機械開鎖時,則應切斷驅動電源并使離合器分離。
2.機電一體化執行元件組成和接口
本文所研究的機電一體化執行元件主要分為三個部分:機械部分、電驅動執行部分、信號檢測及控制部分,機械部分主要包括蓋板、滑軌、減速器、絲杠等構件。電驅動執行部分主要包括驅動電機、電磁離合器以及卡鎖電磁鐵等構件。信號檢測及控制部分主要有單片機、各傳感器及數據傳輸總線組成。機械部分和電驅動執行部分完成整個過程巾的運動和能屠傳遞,信號檢測及控制部分負責監測和接收蓋板的狀態信號,對數據和信息進行存儲、變換等處理,并發送指令給驅動電路,以完成規定動作。
二、各組成部分方案設計
1.機械傳動部分設計
本機電一體化執行元件的傳動機構主要由電機、減速機構、離合器和絲杠等組成。通過驅動電機,經減速器帶動絲杠轉動,然后再通過與之配合的螺母把絲杠的旋轉運動轉變為蓋板的平行運動,從而控制蓋板的打開與關閉。減速器采用齒輪減速,主要是考慮其體積小,重量輕,傳遞轉矩大,并且啟動時轉動慣量較小。采用滾珠絲杠主要是考慮其傳動比大,軸向推力大,可使蓋板肩閉輕松方便,另外,滾珠絲杠為非自鎖絲柙,其傳動具有可逆性,當位于減速器與滾珠絲杠之間的離合器脫離時,蓋板町采用手動啟閉,而不會由于傳動鏈逆向自鎖而卡死。
2.機電一體化執行元件工作流程分析
此機電一體化執行元件要實現遠程控制,通過操作上位機發出指令來控制遠程的電機正反轉以及停轉來控制蓋板的打開和關閉。并通過檢測裝置檢測蓋板的位置和工作情況,并把蓋板的工作狀態反饋給上位機。在本機電一體化執行元件中主要是對蓋板打開以及閉合的控制、卡銷電磁鐵和電磁離合器的控制。經過各方面的考慮,其中包括成本的考慮,選擇采用位置控制的方式。通過對被控對象位置的檢測達到系統控制的目的。蓋板開啟至工作位置時的鎖定可采用常閉式電磁鐵控制鎖定銷的運動來實現。在開啟位置卡鎖電磁鐵斷電將蓋板鎖定。而要將蓋板關閉時,電磁鐵工作,蓋板解鎖,即可在動力驅動下關閉。蓋板的鎖定機構要同時具有手工解鎖功能,以備手動啟閉蓋板之需。
三、信號檢測與控制部分方案設計
在蓋板平臺的控制系統中,單片機控制器通過CAN總線可以從上位機獲得控制指令和運動數據,控制器輸出的控制信號,經電機驅動器處理后控制直流電動機,從而控制蓋板的運動。主控模塊作為控制系統的核心部分對此機電一體化執行元件進行統一安排和調度,它通過分析監控平臺傳送的控制指令、系統狀態和全局環境信息,規劃蓋板運動的軌跡并完成相應的運動控制。控制部分實現的功能:(1)實現蓋板的開關動作:在單片機的作用下,控制電機實現蓋板的開關動作。(2)實現微機軟件控制蓋板:利用計算機的軟件實現單片機與上位機的通信,完成蓋板的開關動作。其中系統的主要部分就是單片機控制外部電機的轉動以及單片機和上位計算機的通信。這兩個功能正是單片機系統中常用的關鍵技術,本論文在后面的章節中將會著重介紹這兩個方面的功能。此系統具有以下特點:(1)使用方便:體積小,重量輕,不占用太多的空間。(2)操作簡單:操作人員通過遠程計算機實現蓋板的開關動作。(3)程序簡單:無論是計算機還是單片機的程序都很簡單,不占用太多的程序空間。(4)成本低:使用最為簡單的控制方案。本系統對蓋板的控制更加智能化,開關過程更加可控化,可以利用一個單片機控制多個蓋板的開關動作。甚至可以通過微機和單片機的連接,在用戶的可視化窗口上隨時控制蓋板的開關,從而形成一個較為智能的蓋板控制系統。基于單片機的蓋板檢測與控制系統可以分為:(1)微機及控制軟件:提供用戶微機程序界面,并將用戶對蓋板的操控轉化為控制指令發送到下位機。(2)單片機控制單元:監測和接收外部狀態信號,并發送指令給驅動電路,控制蓋板的開關。(3)驅動電路:驅動蓋板的電機動作,帶動傳動機構實現蓋板的開關。(4)檢測部分:利用傳感器檢測各器件的狀態,并進行反饋。
總之,隨著科學技術的飛速發展,特別是機電一體化技術在諸多領域的應用,促使系統的智能化程度越來越高,并日益成為此類執行元件發展的一大趨勢。
參考文獻:
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篇9
關鍵詞:機電一體化 互動教學 實踐教學 項目教學
科學技術的高速發展和不斷進步使機械制造業發生了巨大的變化。以信息技術為代表的高新科技向機械行業的滲透,使得現代機電產品不再是單純的機械構件,而是機械、電子、計算機等集成的所謂機電一體化產品[1]。社會對機械專業人才的要求越來越趨向于復合型、應用型,因此高校教師在傳授專業知識的同時必須注重學生知識的拓展和綜合應用。機電一體化系統設計是一門融合了機械、電子、控制等多學科的綜合性課程,對培養學生的綜合設計能力以及系統工程意識具有重要作用。
1課程理念及體系構建
機電一體化系統設計是機械設計制造及自動化專業的一門重要專業課程。本課程融合了機械技術、電子技術、傳感檢測技術、自動控制技術、信息處理技術等多種技術于一體,是對基礎課、專業基礎課等知識的綜合應用,也是理論與工程實踐相結合的課程[2]。
本課程主要介紹了機電一體化系統的基本構成、執行裝置、檢測元件、控制系統等內容,各章節結構圖如圖1所示[3]。第一、二章是機電一體化系統及設計方法的概述。第三、四章介紹各種執行裝置和檢測元件的構造、原理及使用方法。第五章講解控制系統及接口的設計。第六章是前面章節知識的綜合與應用。
圖1 機電一體化系統設計課程章節結構圖
由于在本課程開設之前,學生已經學習了機械原理、控制理論、檢測技術等相關課程,因此應該著眼于學生綜合設計能力和系統工程意識的培養,而不只是各部分知識的簡單重復和回顧。此外,由于本課程與生產、生活實際緊密聯系,可以結合案例分析、討論與互動、實踐教學等多種方式開展教學活動。
2 教學方法改革
由于受傳統教育觀念和教學條件的限制,機電一體化系統設計課程過去以教師講授為主,學生只能被動地接受,學習的主動性和積極性不能有效發揮。本文依據該課程各章節教學重點的不同,采用不同的教學方法對學生進行引導,培養學生學習的興趣,提高學生的綜合能力和素質。
2.1 知識精講
機電一體化系統設計課程涉及的知識面廣、綜合型強,但理論課時并不多。因此,需調整與先修課程的關系,刪減重復部分,精講內容要少而精,重點介紹機電一體化系統各組成部分的原理、作用及相互聯系。理論知識講解的同時需結合案例分析,加深學生對相關知識的理解。此外,還可以利用動畫、視頻等多媒體手段,幫助學生了解最新的研究成果,掌握最新的行業動態,避免教學與生產實際脫離。例如,在講授執行裝置構造及使用方法時,可以略過學生已經重點學習過的電動機工作原理及特性,對液壓和氣動執行裝置也只做簡單介紹,而重點比較三種執行裝置的性能、適用范圍及應用。通過對工件輸送系統的分析,學生理解氣動執行裝置的原理以及在機電一體化設備中的作用。采用視頻資料與教師講解相結合的方式,介紹壓電、靜電、形狀記憶合金等新型執行裝置,在開闊學生視野的同時加深其對執行裝置的理解。
2.2 討論與互動式教學
教學過程是教師和學生以信息為載體的互動過程[4]。為了讓學生參與到課堂教學中來,體現學生學習的主體性,而不是作為課堂的看客或被灌輸的對象,可以在知識精講的基礎上融入討論與互動式教學方法。教師通過本課程的重點、難點、疑點問題,引導和啟發學生思考,激發學生聽課的熱情和積極性,實現師生互動[5]。例如,在介紹機電一體化系統的基本構成時,安排學生分組了解一種機電一體化設備,掌握其基本工作原理及組成要素,并在課堂上利用PPT、視頻資料進行講解。教師針對該設備的工作原理及過程進行提問,同組同學展開討論并進行解答。討論課氣氛活躍,學生積極性較高,達到較好的教學效果。
2.3 實踐教學
機電一體化系統設計是一門與生產、生活實際緊密結合的課程,因此在課堂教學之外還應當利用已有的教學和實驗條件讓學生接觸實際的機電系統。在檢測與傳感器技術的授課過程中,筆者利用數控加工中心和工業機器人進行實踐教學。學生通過觀察兩種設備所使用的光電編碼器、直線光柵尺和接近開關,對傳感器的工作原理有了進一步的認識。在操縱數控機床和工業機器人的過程中,學生可以掌握傳感器在各自系統中的作用。此外,通過對數控機床和工業機器人所使用的交、直流電機以及液壓和氣動系統的介紹可以幫助學生鞏固執行裝置部分的知識點,起到溫故而知新的作用。總之,實踐教學可以加深學生對知識的理解,密切知識體系間的聯系。
2.4項目教學
為了提高學生系統設計能力和工程意識,將所學知識融會貫通,在本課程的授課過程中采用了項目任務教學的方法。項目教學是以工程實踐為導向,通過完成一個完整的“項目”工作而進行的實踐教學活動[6]。將本課程所涉及的知識點通過一個明確的“項目任務”布置給學生,學生根據任務要求,進行資料整理―系統方案設計―子系統設計及實現―系統方案優化。
全方位移動機器人設計就是適合本課程的一個較好的“項目任務”。該項目集硬件與軟件設計于一體,所涉及知識包括執行裝置、傳感器、控制系統及接口電路等,對于鞏固知識、培養綜合設計能力具有重要作用。學生選定題目后:(1)查找相關資料了解全方位移動機器人的基本技術。此過程培養了學生檢索科技文獻的能力,為隨后的畢業設計奠定了良好的基礎。(2)確定全方位移動方案,并將機器人分為移動機構、控制系統、傳感器模塊、通訊模塊等,繪制基本的硬件結構框圖和總體的軟件流程圖。在這部分主要培養學生的系統觀念,使其能夠從宏觀上把握全局,制訂合理且可行的方案。(3)各子系統的硬件、軟件設計及實現。子系統的設計過程也是知識的掌握和應用過程,明確的學習目的能夠有效提高學生的學習效率。(4)機器人各子系統的聯合調試及方案優化。子系統聯調過程必然會出現沖突和矛盾,如何從系統角度出發解決出現的問題并進行方案的優化,同樣是對學生綜合能力的培養和鍛煉。
通過全方位移動機器人設計這一項目,學生明確了學習的目標和任務,積極性和主動性有較大提高。在完成項目任務過程中,學生加深了機電一體化相關知識的理解,并將各部分知識融會貫通,有效培養了學生的系統觀念和工程意識。此外,以團隊形式來完成任務有利于學生協作意識的培養及綜合素質的提高。
3 結束語
在機電一體化系統設計課程中采用知識精講、討論與互動式教學、實踐教學、項目教學等多種方法相結合的方式進行教學改革和探索。教學實踐表明幾種教學方法相結合的方式可以讓學生參與到教學活動中來,提高學生學習的積極性和主動性,對于培養學生的綜合設計能力和工程應用能力具有積極作用。
參考文獻
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篇10
關鍵詞: 機電一體化 系統設計 綜合實驗 改革實踐路徑
機電一體化課程設置的基礎是讓學生掌握機械系統的具體設計方法和設置步驟,并在此鍛煉學生的數控編程能力,但是受到新的發展形式的影響,該課程的很多弊端逐步暴露出來。如,設備只有一臺,學生多次拆裝后,設備中的很多元器件已經被損壞,或者絲杠和導管出現不同程度的磨損,不能驗證編制程序,這將對培養學生動手能力起到阻礙作用,故此該教學環節需進行改革與優化。
一、機電一體化綜合實踐設備改革的前提條件
(一)配備高素養的師資隊伍
由于機電一體化需要涉及機械、電工、電子等相關專業,在專業化基礎建設的過程中,每一個部分都要設置相關的教師開展專業化的指導,這是實現機電一體化的前提條件。同時要求機電一體化教研時和實驗室需經多方切磋做好專業教學評定,并追蹤確立專業指導教師,這些教師中有專業任課教師、專業實驗教師,兼顧設備設計中的各個專項領域,為學生的實驗教學活動保駕護航。
(二)專業化教材編寫
機械一體化教材的編寫需要從頭開始,這是促進學生專業發展的關鍵要素。由于教材是學生獲取知識的“陣地”,好的教材能夠給學生提供更好的指導作用,學生根據教材的章節設置要求,能夠制訂教學計劃,并結合教材開展實驗教學活動,教學內容涉及基本信息評定、實驗目的、實驗任務等相關的流程。
二、綜合實驗開展的特色化表現
(一)機電一體化產品
MPS即模塊化生產加工系統,是德國的FESTO公司在結合現代化工業特色的前提下研發出的模擬自動化生產流程,主要工作過程過程包括供料工作站、檢測工作站、加工工作站等幾部分,控制時主要通過I/O數據通訊方式控制整個工作站的具體狀況。由于該教學培訓系統主要蘊含的內容包括:機械設計、傳感器設計、氣動技術等。故此,該技術是在工業自動化領域內建立的完整的教學系統。
(二)面向實際的培訓設備
從工廠的角度出發,可以獲悉面向實際的培訓是趨向于理想的培訓,工廠在進行實地的培訓會讓生產系統產生故障,并由此引發生產的風險,甚至在整個生產過程中出現破壞的狀況,這一理想通常是不可行的。但是若使用FESTO則能較好地解決這一問題,由于該系統能夠模擬整個實際生產的全部過程,因此在實驗室運行過程中要求技術人員對設備進行安裝、調試和編程等環境的支持,并在此期間維護和確定排除系統故障的工作。
三、綜合實踐成果總結
(一)獨立完成機械圖紙設計
由于該設備使用時沒有提供相關的機械圖紙,學生在實踐過程中需根據裝備初期的狀況做好裝配結構的分析與組成要素,并進行測繪,學生可以在短時間內繪制出每一站的機械系統CAD裝配圖紙,并將各個零部件標注清晰。
(二)獨立完成PLC程序設計
該設備最初配置的PLC是西門子公司的可編程控制器,設備供應商在設備供給時只能提供PLC的程序。但是在課程講解中需要運用歐姆龍公司生產的PLC程序設計,所以學生在使用時更偏重于歐姆龍公司生產的PLC編程模式。設備采購過程中應明確說明安裝歐姆龍公司生產的PLC,取代西門子公司的PLC程序,但是很多設備提供商還不能提供歐姆龍的PLC程序。學生在學習時就要根據光盤提供的每站動作錄像做動作分解,并畫出動作的流程圖或者梯形圖等,編制正確的PLC程序,學生在完成時需要結合以往學習過的知識做新知識的延伸,且由于每個學生對程序有不同的理解,因此學生都能獨立完成學習任務,這將大大提高學生的自主學習能力,并能在此基礎上完善學生的知識體系。
(三)獨立完成電氣原理圖和氣動回路原理圖
在拆裝電氣或者氣路部分的管線裝置,學生能夠了解I/O口線的地址,并連接所有的控制元器件,弄明白氣動電磁閥、氣缸或者電機等元器件的具體工作原理和控制要素,學生通過實際手動操作,對位置有初步了解,繪制電氣原理圖的時候對各個元器件的位置有深刻印象,也能獨立完成電氣原理圖和氣動回路圖,學生在原課本中的知識就能充分運用到實驗過程中,對知識的理解將進一步升華,并對知識的具體使用有新的認識。
(四)答辯夯實畢業設計基礎
答辯時要求小組代表先花費十分鐘的時間整合整個設計過程,并在綜合實踐組織的過程中做好任務的分配和實驗的全過程跟進,然后指導教師結合實驗情況有針對性地對小組成員提出問題,并根據情況做好記錄和評分,這樣才能客觀體現出學生的真實實驗成績。
機電一體化系統設計的綜合實驗主要是運用閉環式的教學模式,其中涉及的內容包括學生四年時間內學習到的機械制圖、機械原理、接卸設計等相關內容。學生在學習期間通過親自動手拆裝和測繪,并在編制和調試的過程中,對知識有新的認識,并且提高動手能力,用以培養創新思維能力。
參考文獻:
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