機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

龐在祥, 顧憲強(qiáng), 張邦成, 潘 宇, 李沅先, 趙俊鵬

(1. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 吉林 長(zhǎng)春 130012; 2. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130012)

機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

龐在祥1, 顧憲強(qiáng)2, 張邦成2, 潘 宇2, 李沅先2, 趙俊鵬2

(1. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 吉林 長(zhǎng)春 130012; 2. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130012)

為滿(mǎn)足機(jī)電專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新需要,基于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x基本框架設(shè)計(jì)了機(jī)電綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；赑CI-1240U控制卡,設(shè)計(jì)了機(jī)電綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng);采用PC為上位機(jī)、STC12C5A60S2單片機(jī)為下位機(jī),設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件電路；基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)軟件，采用PID控制算法對(duì)直流電機(jī)的反饋信號(hào)進(jìn)行處理,提高電機(jī)的工作精度,降低系統(tǒng)誤差。實(shí)際應(yīng)用效果表明,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)位移、開(kāi)關(guān)量、AD/DA轉(zhuǎn)換等控制要求,能夠滿(mǎn)足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 三坐標(biāo)測(cè)量; PID算法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用,機(jī)電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展。培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)需求,具有機(jī)電一體化綜合技術(shù)能力的人才勢(shì)在必行[1-2]。隨著科技的發(fā)展,機(jī)電綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)中占有越來(lái)越重要的地位,但現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置功能不夠完善,只能滿(mǎn)足部分教學(xué)要求,學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)只能進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合性不強(qiáng),具有局限性,不能滿(mǎn)足創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)要求,也不能滿(mǎn)足當(dāng)今實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求[3-5]。市場(chǎng)上商品化的教學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備多按實(shí)驗(yàn)臺(tái)或多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的模式開(kāi)發(fā)的,只能完成數(shù)量有限的教學(xué)實(shí)驗(yàn),工程真實(shí)性差[6]。

我們?cè)诂F(xiàn)有三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,研究開(kāi)發(fā)機(jī)電綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái))。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以在深入了解機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的方式和方法的同時(shí),對(duì)現(xiàn)代機(jī)電控制領(lǐng)域中的各種電子、電氣及機(jī)械部件進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解,促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論進(jìn)行主動(dòng)驗(yàn)證,同時(shí)提高動(dòng)手能力。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì),提高了機(jī)電綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)集成水平和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率,具有一定的教學(xué)意義和使用價(jià)值,為類(lèi)似機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有效的理論依據(jù)。

1 機(jī)電綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作機(jī)理分析

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要完成空間位置的測(cè)量和繪制線段、圓弧。繪制的圖形由軟件設(shè)定,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作行程為80 mm,A/D實(shí)驗(yàn)部分采用工控機(jī)+PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電壓的測(cè)量并記錄電壓曲線,電壓范圍為-10 V～+10 V,電壓精度為0.1 mV；PC端可控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速范圍為20～255 r/min；采用SH-20403兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),驅(qū)動(dòng)器具有最大值為3.0 A的8種輸出電流和最大128細(xì)分的7種細(xì)分模式,保證了反饋信號(hào)的精度和反應(yīng)時(shí)間；4只萬(wàn)向輪支腳可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的任意方向移動(dòng)。急停裝置能在緊急情況下保護(hù)實(shí)驗(yàn)臺(tái),避免不必要的損失。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 傳動(dòng)方式選擇

考慮到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)精度和穩(wěn)定性的要求,傳動(dòng)方式采用滾珠絲杠。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中三坐標(biāo)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 三坐標(biāo)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 驅(qū)動(dòng)方式及外部殼體的選擇

驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)工作臺(tái)到達(dá)指定位置的動(dòng)力源。綜合考慮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)位置精度要求,且需要良好的啟停和正反方向響應(yīng),選擇異步電動(dòng)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置,同時(shí)安裝與之相匹配的聯(lián)軸器和編碼器。采用45#鋼作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)三坐標(biāo)儀的機(jī)身材料,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制柜殼體材料選用10 mm有機(jī)玻璃板材,工業(yè)鋁合金型材作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的4只支撐腳,4只帶鎖萬(wàn)向輪作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支腳。

2 機(jī)電綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

目前,控制方式主要有繼電器控制、PLC控制、微機(jī)控制,其中繼電器控制設(shè)計(jì)復(fù)雜,接線繁瑣,抗干擾能力差,故障多,維修困難；PLC控制方式運(yùn)行可靠,編程簡(jiǎn)單,抗干擾強(qiáng)[6],但控制精度不高；微機(jī)控制方式響應(yīng)速度快,精度高,但體積龐大。通過(guò)分析和研究以上3種控制方式,充分考慮每種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制要求,選擇上位機(jī)與單片機(jī)相結(jié)合的控制方式。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)主要包括STC12C5A60S2單片機(jī),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,電源供電電路,LED燈控制電路,編碼開(kāi)關(guān)反饋電路,A/D控制電路,直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等模塊。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)主要以STC12C5A60S2芯片為核心,通過(guò)它發(fā)出指令及接收數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)線與PC機(jī)建立連接,將編碼開(kāi)關(guān)反饋的數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī),運(yùn)用PID算法整定數(shù)據(jù),傳給上位機(jī)PC端,通過(guò)對(duì)軟件編程和開(kāi)發(fā),將反饋的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上,下位機(jī)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力和工作的可靠性[7]。系統(tǒng)硬件示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件示意圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID算法控制

在機(jī)電控制教學(xué)中,PID算法控制是一種最常用的控制方式[8-9]。學(xué)生在理論課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)PID算法控制,但是由于沒(méi)有在實(shí)際的機(jī)構(gòu)上進(jìn)行過(guò)相關(guān)的控制實(shí)驗(yàn),使學(xué)生缺少在實(shí)際應(yīng)用中PID參數(shù)的整定經(jīng)驗(yàn)。為此，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)首先會(huì)自動(dòng)整定一個(gè)合適的PID控制參數(shù)來(lái)控制直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),并將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)通過(guò)編碼器反饋,通過(guò)開(kāi)發(fā)LabVIEW軟件平臺(tái),將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上。另外，學(xué)生可以通過(guò)LabVIEW軟件平臺(tái)調(diào)整系統(tǒng)的PID參數(shù),調(diào)整后直流電機(jī)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn),甚至停轉(zhuǎn)等異常情況。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以更加清晰深刻地認(rèn)識(shí)PID算法調(diào)節(jié)及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的概念。PID控制及反饋界面如圖3所示。

圖3 PID控制及反饋界面

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.2.1 電機(jī)控制界面

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用PCI-1240U控制卡對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制和采集信息,并采用Advantech Motion Utilit軟件顯示反饋信息和控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn),具有單軸運(yùn)動(dòng)和多軸聯(lián)動(dòng)等方式可供選擇,實(shí)驗(yàn)人員可手動(dòng)設(shè)置轉(zhuǎn)速、加速度、減速度以及位移量,當(dāng)3個(gè)軸運(yùn)動(dòng)到各極限位置會(huì)觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān),通過(guò)反饋停止電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),防止損壞電機(jī)；當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),通過(guò)聯(lián)軸器連接的編碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋,最終將工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)路徑在顯示器上顯示出來(lái)[10]。圖4為Advantech Motion Utilit軟件操作界面。

圖4 Advantech Motion Utilit 軟件操作界面

3.2.2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)界面

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用LabVIEW軟件[11-12],通過(guò)圖形編程,在PC端建立自己的虛擬機(jī),顯示A/D采樣的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、波動(dòng)范圍和波動(dòng)趨勢(shì)并記錄,便于操作人員分析歸納總結(jié)。在控制直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),通過(guò)對(duì)軟件編程,實(shí)現(xiàn)了控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),并且通過(guò)編碼器的反饋實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過(guò)PID算法對(duì)模糊參數(shù)的整定,可以使電機(jī)在受到外界干擾的情況下不會(huì)發(fā)生太大偏差。圖5為L(zhǎng)abVIEW軟件界面。

圖5 LabVIEW軟件界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)與計(jì)算,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可完成預(yù)期的要求,坐標(biāo)臺(tái)可完成直線、圓弧的繪畫(huà),完成單軸、多軸運(yùn)動(dòng),以及對(duì)異步電機(jī)加速度、減速度和轉(zhuǎn)速的設(shè)定；A/D實(shí)驗(yàn)部分可完成對(duì)外部電壓的測(cè)量,電壓幅值為-10～+10 V,并記錄電壓曲線；直流電機(jī)控制部分也可完成對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定,通過(guò)編碼器的反饋,運(yùn)用PID算法對(duì)參數(shù)整定,使轉(zhuǎn)速更接近設(shè)定值,減小誤差率。

5 結(jié)束語(yǔ)

人才培養(yǎng)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。本文從實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、機(jī)電控制系統(tǒng)性能分析等幾個(gè)方面對(duì)機(jī)電綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做了介紹。實(shí)踐表明,該實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能完備,操作控制簡(jiǎn)單易懂,學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富,能夠用于機(jī)電工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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Comprehensive teaching experimental platform for Mechatronics

Pang Zaixiang1, Gu Xianqiang2, Zhang Bangcheng2, Pan Yu2, Li Yuanxian2, Zhao Junpeng2

(1. School of Engineering Training Center,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China；2. School of Mechanical and Electric Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)

For satisfying the experimental teaching and innovation demand of the major in mechanic and electric,the comprehensive teaching experimental platform for Mechatronics was designed based on the existing three coordinate measuring instruments. Based on PC-1240U control card,the control system of comprehensive experimental teaching platform for mechanical and electrical was designed,PC as host computer,STC12C5A60S2 MCU as the lower computer,the hardware circuit of the control system was designed.Based on the LabVIEW software the control system software was designed.The PID feedback signal control algorithm for DC motor processing can improve the motor work precision, and reduce the system error. The practical application effect shows that the experimental platform can achieve the displacement control,switch and AD/DA conversion control requirements,to meet the current requirements of experimental teaching.

experimental platform； three coordinate measuring； PID algorithm

2015- 01- 15 修改日期：2015- 03- 27

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410190044)

龐在祥(1982—)，男，吉林省吉林市，碩士，講師，主要從事機(jī)械制造自動(dòng)化研究

E-mail：pangzaixiang@ccut.edu.cn

張邦成(1972—)，男，吉林敦化，博士，教授，主要從事非線性系統(tǒng)最優(yōu)維護(hù)和故障診斷研究.

E-mail：zhangbangcheng@ccut.edu.cn

TP23;G642.0

A

1002-4956(2015)8- 0097- 03