机电一体化教育实验室——可编程逻辑控制器和物料搬运实验

机电一体化教育实验室

——可编程逻辑控制器和物料搬运实验

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 States

B Engineering Technologies and Engineering Transfer Midlands Technical College, Columbia,

SC 29202, USA

Received 13 February 2006; accepted 19 June 2007

摘要

在制造业和物料运输流程系统中，机器、传输带、传感器以及可编程控制器的集成需要工程师的技术技能以及专业知识。对于成功的系统开发，协调好装配操作以及管理控制需要熟悉机械和电气设计、仪表、执行器、计算机编程等相关知识。本文提出的教育机电一体化实验室，鼓励多学科、实践性以及具有团队性的工程项目系统集成。并重点叙述了三个渐进的实验，允许学生编程以及操作可编程逻辑控制器，传统的输送机系统,分布式伺服马达的基础输送机。学生们还计划和实现两个机械手材料处理应用程序。设备，学习目标，每个实验室的实验方法引导学生更好的思考以及洞察问题。一个协同设计方案的研究出现在能够创造智能物料搬运系统的学生团队中。总的来说,工程毕业生一般都要求学习物料搬运和其他多学科领域的概念,因此,一个丰富的工程课程应包含机电一体化的教室和实验室。

2007爱思唯尔有限公司。版权所有。

关键词:机电一体化;可编程逻辑控制器;输送机;机器人;传感器

1.介绍

消费产品制造商越来越多地依赖于多学科的合作开发技术系统,经常会涉及电气、机械和工业工程领域。设计和生产的工程师们常常被组织成一个跨功能团队，他们给团队带来了决定性的技能。为了促进多学科的团队,工程师必须发展他们的团队合作，解决问题，协同设计，和沟通技巧以及传统的技术能力[2、3]。进一步假设，越来越多的工程毕业生将各司其职并能很好地第一时刻为团队做出贡献[4]。本质上，在所有工程系统中，传感器，执行器以及数字控制器的广泛使用要求学生具有机电一体化的视角[5] ，这个视角给学生提供一个机会，去发展他们的领导能力，沟通能力以及人际交往技巧。具有工程学的机电一体化课程的有效性，可以为全球职场培养人才。在过去的十年间，机电一体化在全球各地受到广泛的关注。为了适应大量的工程学生，Ranaweera等人在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校讨论所需的介绍性机电实验室课程，侧重于对传感器和执行器的讨论研究。Grimheden[7]在KIH大学机电一体化课程所做的报告，并指出通过全球协作来为全球职场准备工程师。Surgenor等人使用主动学习策略包括讲座、教程、实验室、和在皇后大学的机电一体化选修课程中关于集成传感器的合作设计项目方案。学生团队应用电子和微控制器设计的移动机器人。Minor M, Meek G在犹他大学关于集成化系统的开放性问题中强调机电一体化课程必须分为两个学期的学习。巴克内尔大学的机电一体化课程强调跨学科学生团队和主动学习策略[10]。Bushnell and Crick[11]在华盛顿大学通过三个自制机器人课程给学生提供了实践经验。最后，马里兰大学[12]建立了一个特色的机电

一体化实验室，拥有一个工业机器人铰接式手臂，在机器臂上带有机器视觉，可起到引导和检查的功能。

在克莱姆森大学机械工程系已经发展了教育机电一体化实验室[13]。这些实验是学生团队基于指定的设计项目设计,装配,实现,和演示的。通过这种方式,学生们能够自主完成实验室的创建过程。注意,一些设计项目可能持续多个学期由于其复杂性。实验室功能工作站的机电、气动和液压系统由可编程逻辑控制器(plc)和个人电脑运行的虚拟仪器（LabVIEW）控制。这些系统包括一个基本的“工业光堆栈”实验,气动执行机构、电机控制与转矩测量,液压缸/马达控制、车辆悬架系统、机器人手臂,牵链输送机系统,和“智能”MicroRollerTM2建立输送机部分。学生拥有基本的编程技能，只是没有机电一体化系统的设计经验，但是能很快的学会怎样组成控制体系。机电一体化的一个子类,值得关注是物料搬运系统,包括机器臂对象位置、输送机运输,

和过程控制(参见图1)。

传统的输送机系统已成功地应用于制造业和物料搬运系统多年。在标准配置中,一个单电机驱动一个滑轮，该滑轮是轮流带动重力滚轮和惰轮上的橡胶传输带(如。[14])。然而，传统的输送带系统技术有一个缺点，带上的每一个点只能以同样的时间和速度运动。因此，个人装配步骤并不存在一些优势。越来越多的工程师将输送带系统划分为更小的子系统，这些子系统依靠以下的因素可以被独立控制，如：地区产品流动率；产品缓冲的需要；流程不一致。一个构建输送带系统的方案需要用到单独的机构滚轴，如小型的滚轴，包括集成的直流电机以及驱动模块，这样能很好的被PLC所控制。

本文组织如下。第二节介绍了可编程逻辑控制器和灯堆栈实验。第三节讨论了传统的和智能的输送机系统实验。第四节给出教育和工业机器手臂运动以及操作部分。第五节提供一个学生设计项目的案例研究；在这个案例中，两个设计团队设计了一个智能搬运系统。最后,第六节包含摘要。

2.可编程序逻辑控制器实验

在机电一体化实验室,学生学习编写plc程序[15],然后应用于控制设备的机电和气动系统。尽管其他PLC编程语言(如。、顺序功能图、功能框图,结构化文本,和指令表)，除了梯形图以外已经被标准化，但是实验室更注重后者。PLC在工业过程中的广泛运用证实了实验室以及讲座关于PLC硬件系统和程序编写的地位。实验室突出让多种多样的学生组合实验，其中有五个是利用llen–Bradley PLCs

(MicroLogixTM3 1000 and 1500)控制的。个人电脑使用软件包RSLogix 500来对PLC进行编程,它提供了一个图形用户界面(GUI)来创建梯子逻辑“梯级”。第一个PLC实验是对Allen–Bradley industrial light stack (855E)控制，包括红、黄、绿24V直流灯具以及一个声音报警器。在制造过程中，这些设备常常被用来发出信号，如：系统正准备工作、忙碌或者出错。对于第一个“开/关”实验，这些灯被编程为交通灯的顺序。

图2。可编程逻辑控制器与光堆栈:(一)外部视图,(b)电气布局。

见图2，电器柜包含了MicroLogix 1000 PLC，一个SOLA2.5A，24V直流电压源，以及各种供用户选择的面板和指示灯。为读者提供接线原理图。使用基本的梯形图，学生编写PLC程序让灯按照顺序点亮。步骤0:程序开始于塔1的红色灯和塔2的绿色灯。步骤1:塔2切换到黄色，塔1仍然是红色的。步骤2:塔1转化为绿，塔2切换到红色。步骤3:塔1转化到黄色，塔2仍然是红色的。按照上述步骤重复，直至用户停止。交通灯实验的学习目标是：(1)了解PLC系统结构、控制器内部线路、以及外部设备的接口；(2)掌握基本PLC的I/O

口操作；（3）设计一个控制算法来编写“交通灯”的程序，并设置程序时间。

3.物料搬运系统的输送机

两道工序之间的自动化物料搬运系统在工厂地面上是常见的过程。机电一体化实验室正在研究两个不同的传输系统。第一个是一个常见的双线式牵引链输送机系统，该系统提供统一的运动路径，沿着外边沿的胶带运动。第二个是一个分布式电动滚筒输送机系统，并提供基于多种双向滚轴可用性的包装运动。另一方面，物料运输系统可以单独的与平台上的传感器配合使用。

3.1传统的输送机实验

一个自定义的按比例缩小的输送带系统,如图3所示，工程学生能够运用集成的执行器，传感器以及PLC来控制。工业级的双链拉输送机系统在电脑的控制下由208V AC单向电机以及连续的皮带带动。这样的电机由电气继电器操作，而继电器则由PLC来控制开合。一个光电距离传感器(Square D PE8TANSS)，拥有50mm的检测范围，并能检测皮带上铝制托盘的位置。一个检测范围为3mm的感应式接近开关(Square D PJD312N)为气阀门提供其检测到的信息。系统还有一个垂直安装的SMC启动装置(NCDMW-075-0605)，它的汽缸依附于一个“钩子”，并使它能从皮带表面上升。这款型号为MicroLogix 1000 的PLC被编程来控制皮带直到托盘被放置到正确的位置以及启

动装置恢复。一个气动分配阀箱,包含一系列的plc控制的24伏直流电SMC电磁阀(VQ2101-5),调节空气供给的致动器。一个气动分配阀箱,包含一系列的plc控制的24伏直流SMC电磁阀(VQ2101-5),并调节空气供给各执行器。用于交通信号控制实验的Allen–Bradley光堆栈和报警器给系统提供视觉以及声音的反馈。

图3、阻力带式输送机系统与气动执行机构:(一)布局,和(b)信号原理。

在本科课程中，这是第一次与实际工业化系统相结合。灵活的输送机系统设计允许学生团队去整合不同的传感器来获取托盘的运动以及探索不同的控制策略。输送机的基本功能是将一些小托盘按照顺序排列并用气动装置来驱动它们。学习这个实验室实验的目标是:（1）了解光电传感器以及感应式传感器的操作和应用；（2）探索传感器、执行器以及PLC控制器的集成问题；（3）设计梯形图来控制托盘控制；（4）创建测试场景来验证控制器的功能。

3.2智能输送机系统

第二个输送机系统，如图4所示，是一个智能的系统，相比较传统的牵连输送机而言，它有不同的原则。这个输送机包括三个MicroRollers(24 v直流无刷电机,直径4.8厘米, 长35.6厘米)，每个带有13个常见的非机动惰辊。各种各样的可操作配置都是很有可能的。例如,每个机动的和相邻的非机动滚轴，都可以用橡胶皮带连接起来并创建独立的控制单元，使得输送机系统得以延长。每个MicroRoller 都有对应的控制开关命令、方向命令、并且有24V直流电源供电。滚轴的速度可调，但是驱动卡并没有为电子控制做当前配置。传输带是由MicroLogix 1500 PLC所控制的。与型号为MicroLogix 1000不同的是，MicroLogix 1500 PLC可以扩充其硬件接口，能够适应大量的数据和模拟设备。目前，一个24V直流电压源为PLC以及运动滚轴MicroRoller提供电源。这个实验系统还包括了一个Allen–Bradley 灯光堆栈、声音警报器（类似于第二章提及的），以及在输送带边沿上的可移动式光电传感器，以及一组可以被学生编程的控制面板按

钮。使用一个模块构建方法，121.9cm倍数长的统一输送机系统允许一个可重构的物料搬运方法。注意,输送机系统是由一个单一的MicroLogix 1500 PLC来控制。

图4。智能输送系统与PLC和灯塔:(一)布局,和(b)信号原理。

在这个实验室里，学生团队被要求编写PLC程序，通过机器臂检测输送皮带的一部分位置。例如，PLC利用独立空间的控制概念来编程，让皮带上新到达的部分连续运动，直到皮带上所有空间都被装载。接下来，PLC可以监控整个输送带系统的卸载。这个实验的学习目标是：（1）使用感应式距离传感器控制输送机系统上的物体运动；（2）MicroLogix 1500 PLC(相比1000年MicroLogix PLC)的程序能让输送带系统的每一部分连续运动；（3）输送机系统由多个机器臂集成，能更好的进行物料搬运；（4）控制和协调多个输送机系统并进行各种操作。

图5。机械手的编程和材料处理:(a)UMI RT100 (b) Staubli RX130.

4.机器人手臂——编程和系统集成

用于制造过程的工业机器人系统一般有三个基本规则：（1）部分选择/位置操作；（2）基于非接触式导轨的任务(例如焊接)；（3）把

系统装配起来的任务包括零件组装。机电一体化实验室有两个机器臂，一个UMI RT100 以及一个Staubli RX130，学生可以把它接入输送机系统，并通过接口界面对其进行编程（参见图5）。RT100的机械臂为总体介绍和初始设置的编程任务提供了一个良好的平台。接下来，工业级为RX130的机器臂在储存箱以及输送机系统之间被编写程序来搬运物料，使得物料搬运系统更加完善。

4.1UMI RT100机械手臂

UMI RT100是选择性的，顺从的装配用机器臂(SCARA)，该机器臂拥有六自由度（DOF（例如：垂直面，肩膀，肘部，旋转，俯仰，滚动）以及一个附加给机器臂末端夹子的自由度。每一个关节的运动都是由步进电机所控制。机器臂的运动是通过皮带传动，并用电机调动指定关节的，而皮带传动的作用是起到一个机械“保险丝”来促进一个安全的环境，让学生可以使用机器臂。在机器人手臂和主机电脑之间通信，使用的是一种智能外设通信协议(IPC)以及RS232串行连接。IPC协议构成的通信等级,可以通过特定的命令直接使用。数据以及命令的传输是8.0e-03s通信结构下被实施的；实际的时间数量取决于行动。通信结构剩余的部分被指定为两个TPC协议，并用来控制关节运动。在电脑主机上，电机控制命令是包含在RT100的库函数中，而库函数则是被嵌入在PASCAL或者C++语言中。所需要的机器臂末端夹子的坐标，是以编码器的形式来计算每一个电机从原位置到指定的特殊旋转角。而所需的机器臂速度则是以最高速度的百分比被输进电脑主机。

学生团队的任务是通过编写程序来控制机器臂从前端零件平台抓取部件，并将其安置在智能输送机上。传送带通过一系列的传感器区域运送物体到皮带终端，并进入下一步处理阶段。为了更加便捷的编程，机器臂的位置（或者说姿势）已经被预先确定相应程序，并且提供给学生直接调用。这些关键的部位包括“等待”（例如：在某一部分上盘旋）以及“拾取”（例如：位置夹子的开合），而这些部位为每一环节摆好动作，并被放置在输送机上。类似的，可以定义各种动作让输送机进行装卸。这个实验的学习目标可以概括为:（1）了解机器臂的基本操作以及相关运用，包括库函数以及通信协议；（2）开发算法来控制机器臂进行拾取/放置的动作；（3）调查开环运行放置物体的局限性；（4）应用解决问题(软件和硬件)的技能来实现更加适合机器人的系统操作。

4.2Sta¨ ubli RX130机器臂

Sta¨ ubli RX130机器臂是工业级六自由度机器臂，并且伴随有控制箱以及计算机操作台。每一个机器臂关节都是由无刷异步电动机通过齿轮传动来驱动的；关节速度不同的是肩关节速度为185°/s，而末端执行器的速度为580°/s。机器臂系统包含两个气动电磁阀，而气动电磁阀通过连接在底部的外部连接器，来激活其可选择性的外部设备。控制柜包含一个Adept CS7控制器以及一个电源功率放大器，并用来驱动电机。与Adept CS7控制器进行通信有三种方法：（1）连接到机箱的控制柜具有预先设定机器臂操作以及动作的功能；（2）计算机终端通过使用V +语言命令或Windowsbased GUI与控制器进行

通信；（3）与远程计算机终端通过网络连接进行通信。

机器人系统的复杂性提供了多种多样的教育挑战，接下来将会对三个连续的任务进行讨论。首先,学生复习安全指导方针以及工业级机器人的多方面功能。第二,学生学习V +界面语言，并通过编程使机器人进行基本的运动。机器臂应该能够实现从分段运输平台取回零件，并且将它们安置在固定的输送机上；相反的操作也应该是被证实的。第三，学生团队将机器臂整合进物料搬运系统。机器臂从存储平台获取零件，并安放在输送机系统上；然后输送机运输零件至下一环节；随后再由机器臂分检零件。Sta¨ ubli RX130机器臂实验的学习目标包括：（1）对工业机器人的安全规程的重视；（2）在工作场所中了解典型的机器人的基本操作以及应用；（3）学习V +语言命令；（4）创建V+算法对机器臂进行编程，实现对物体拾取/放置的操作；（5）了解开环操作以及闭环操作的区别；（6）将机器臂以及智能输送机系统进行整合。

5.案例研究——智能物料搬运系统

这一门技术性选修课的一个重要方面是学生团队“独立实践”设计项目的完成，通过实验室用户手册以及一系列工程项目，让学生更加专注于创造教育性实验室实验。团队大约由6-8名机电工程本科/研究生组成，并通过在各种工程学课程上所学的理论知识对机电一体化系统进行设计、分析、采购、制作、演示、以及安全防护等。在这个案例研究中，两个团队合作创建一个智能化物料搬运系统，其中包含模块化的输送机系统原理（3.2节）以及机械手臂(4.2节)等，来

实现零件的搬运/安置/运输等操作。

输送机系统(团队1)：一个物料搬运系统将被创建和应用于演示零件的运输以及通过机器臂对零件的交换放置。团队任务包括：（1）创建一个121.9 cm长的输送机部分，并伴随有小的滚轴与现有部分进行结合；（2）设计以及制作一个90°的“转台”来实现两个输送机之间的物体移动；（3）通过PLC编程来对运作进行控制；（4）协调机器臂和输送机来进行物料的获取以及放置；（5）创建实验室手册。机器手的编程（团队2）：一个工业级的Sta¨ubli RX130机器臂被安置在COOK hall中的安全罩内。团队的任务包含：（1）为更好的操作机器臂开发安全协议；（2）安装额外的安全设备；（3）为机器臂设计一个气动夹子来抓取物体；（4）对机器臂进行编程，控制机器臂从输送机上获取/安置物体；（5）创建一个实验室手册与练习。

机电团队已经被分配好任务，学生成员迅速的选择了自己的带队工程师，并且确定了一个项目时间表。最初的一些团队活动包括关于工程项目的集体讨论，创建系统图来分享以及交流关键信息，创建需求文档，材料清单，以及识别可能的供应商。在这一点上，学生和老师一起进行工程项目审查。一旦收到项目批准,团队则可以立刻进行分析、重新设计、采购、捏造、实现和测试他们的设计。每一个小组写一份详细、全面的技术报告，包含各种文档以及实验室操作手册章节。最后，该工程项目将在课程的最后一天进行展示。两个团队之间的协作活动以及交流在学生和老师之间不断的进行着。完成机构设

计，学生可以访问设备齐全的学生机械室。

5.1输送机系统项目

学生团队很成功的复制了一个121.9cm长的输送机部分(参见3.2节)以及通过相同原理设计了一个创新性的90°转台来实现两个输送机之间的零件搬运。如图6a所示，铝合金的托盘在输送机上运动，直至遇见转台，将会继续运动到末端的待命曲，并由机器臂对其重新定位。例如，通过PLC编程来控制物体的调动，从机器臂到第一个输送机平台，到转台，最后，再到第二个输送机平台。转台的操作通过气动控制，执行三个顺序步骤。首先，一个气动活塞让转台抬高，使得方形台能旋转规定的90°角。第二,一个小气缸转动转台。最后，转台下降到与输送机部分相同的水平高度。输送机踏板的接收以及递送是由两个集成的小滚轴MicroRoller元素所执行的。

5.2机械臂和夹子的相关项目

一个最初的任务是复习安全规程以及为机械手臂安装安全设备。如图5b所示，一个金属网将机器臂隔离起来。有一个门限开关来控制机器的电源，但开启时，警报指示灯闪烁的时候显示机器臂的状态，可以断掉电源。为了在机器人的附近工作，学生们还开发了一个完整的记录标记/锁定程序。接下来是启动夹子的设计，以及制作，并在机器臂上进行调试工作，目的是为了让学生能从机械设计、材料力学、制造过程中综合思想以及概念（参考图6 b和c）。这个性价比高的架

子，是由铝制成的，并由从机器臂引出的压缩空气来控制其唯一的气缸。夹具可以抓取17cm*17cm的以及重量为50kg的正方形物块。最后机器臂以及夹子将如前面所叙述那样，和输送架系统进行一个良好的配合操作。注意，传感器的集成使用对于机器臂来说，是一个很重要的正在进行的任务。

图6。智能材料处理系统:(1)伺服马达输送机和转盘(2)工业机器人手臂气动夹持(3)夹子

5.3设计项目的成就和观察

在学期末的时候，机电一体化团队在户外会议上演示了他们的项目设计。智能搬运系统演示突出了一系列由输送机以及Sta¨ubli机器臂运输的铝制托盘。托盘在输送机以及转台动作的配合下，一直在动作。总的来说，学生通过设计机电一体化物料搬运系统，有机会运用工业级的设备、发展合作、交流技术水平、并且将理论知识运用在实践当中。设计团队的形成、总工程师的选择、学生工作任务的分配、以及频繁的学生团队交流，让学生在实验室的学习过程更加具有自主

主动权。一个有趣的观察是，学生们在解决问题方面的毅力，正如工厂技师在解决电气问题时的故障检修以及最后冲刺的情况，模拟了一个传统的工作场景。此外，学生们都很感激有这么一个机会来接触如此复杂的项目设计，为此提出了重要的需求，但是却为创新提供了很多机会。

总结

Clemson大学机械工程系的机电一体化实验室教育通过全体教员、职员、学生以及工业赞助商的不断努力已经创建。多种学科的团队通过实验室实验探究实践，使得自身对仪器仪表、传感器、执行器、实时控制器的运用更加熟悉。更近一步说，实验系统的设计、制作、集成、控制，从普通的物料搬运、制造业、运输系统中获取灵感以及动力，能够激发学生的学业以及提供更多的就业机会，并让学生在越来越少关注传统工程学科界限的全球职场中做好准备。

鸣谢

作者感谢由Rockwell Automation Corporation of Greenville, SC, 以及Sparks Belting Corporation of Fort Mill, SC 提供的设备资助, 同样也感谢来自Clemson大学机械工程系技术员的杰出贡献。

The authors acknowledge 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

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