基于FMS的机电一体化教学培训系统开发与实验管理

【摘要】基于FMS技术开发了模块化机电一体化教学培训系统，该系统有助于加深学生对机电一体化系统概念的理解，掌握车间柔性制造的方法，最后以作业计划与调度教学研究性、综合性实验为例，论述了该系统在培养学生理论与实践相结合的能力，提高学生学习兴趣和积极性的重要作用。

【关键词】FMS；机电一体化；教学培训；实验管理

机电一体化又称机械电子工程学，是一门跨学科的综合性高技术，是由微电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术、机械技术、液压技术以及其他技术相互融合而成的一门獨立的交叉学科。机电一体化技术从70年代中期开始在国外机械上得到应用。80年代以微电子技术为核心的高新技术的兴起，推动了机械制造技术的迅速发展，特别是随着微型计算机及微处理技术、传感与检测技术、信息处理技术等的发展及其在机械上的应用，以微电脑或微处理器为核心的电子控制系统在国外机械上的应用已相当普及，在我国也是发展的方向，已成为机械高性能的体现。

为使机械设计制造及其自动化专业学生在学习过程中，有机会将所学到的各门专业课的知识综合性地应用到接近于生产实际的过程中，为他们走上工作岗位后应用这种新的理念打下基础，学院除了建立适合于现代教学法模式的几个独立的专业实验室外，筹建了一个开放式自动化综合实验室。在这个综合实验室中，我们开发了一套完全接近于生产实际的模块化柔性制造系统，由省部共同投资。实验室的开放性主要体现在两个方面：一是系统组成具有开放性，系统中不同生产厂家的设备可相互兼容，便于以后扩展；二是实验室资源具有开放性，实验室可面向校内外各种层次的学生或培训学员，做到资源共享，扩大受益面。

一、FMS系统组成

柔性制造系统机电一体化训练设备，包含一条闭环柔性输送装置和六自由度并联加工中心（加工站）、三自由度数控雕刻机及其控制系统、四自由度上料检测站及其控制系统、搬运站、安装站、安装搬运站、智能分类站、现场总线、多层次立体原料库及其控制系统、多层立体成品库及其控制系统、自动化输送线及变频调速控制系统、PLC数据采集及物料监控系统、系统监控及管理控制软件。

工业控制计算机通过运动控制卡发送位置信号给旋转立体上料库电机驱动器，电机驱动器驱动步进电机旋转一定角度，实现零件位置对准，同时设置检测开关，通过PLC采集至计算机，判断托盘上相应位置是否存在零件。自动上料机器人将待加工物料送至加工位置后，系统驱动锁紧装置进行物料定位固定，上位机按指定程序控制六自由度并联机器人，进行零件前序的加工。在主界面中点击数控雕刻机控制按钮，进人数控雕刻机控制界面，三自由度数控雕刻机主要实现对工件端面的雕刻，通过用户编制G代码也可以用软件将模型转化为G代码，然后通过计算机的串口将G代码传到雕刻机，雕刻机执行G代码。

零件前序加工完毕后，计算机控制零件搬运机器人将加工完的零件搬运至下一工序的加工位置。

在主界面中点击立体仓库状态按钮，进人立体仓库状态界面。立体仓库状态是用来实时显示立体仓库仓位的占用情况，系统实时检测各个仓位的状态，然后系统给码垛机发指令决定码垛机下一次将装配的成品放人哪个仓位，操作者通过观察状态位的图标情况，操作者就可以知道哪个仓位是否为空，并且知道各个仓位物件的重量，通过生产统计还可以知道立体仓库一共有多少个成品，每一类成品的个数及总重量。

二、系统特点

1、包含多种关键技术及单元，使学生了解更多的知识；机器人技术；物流仓储自动控制系统；立体仓库；自动输送线；自动码垛机；物流仓储管理和监控；PLC控制系统；传感器技术；计算机网络通信技术和现场总线技术；计算机控制；网络化视频监控技术；数据库技术；多轴运动控制器；气动技术；步进电机及驱动；伺服电机及驱动；VC、VB等高级语言编程。

2、结合机电教学，编制了的实验指导书，包含多个实验：为了方便教学实际使用，我们为系统提供了专门实验指导书，其内容涵盖机械、控制、机器人示教、插补、自动装配、码垛等多项实验，供本科生、专科生和研究生专业选开，教师也可以根据实际情况，在实验指导书的基础上增开设计性、综合性实验。

3、交互式图形化操作界面：系统控制软件采用WINDOWS操作系统，具有交互式和图形化特点，操作简单易学，自动化程度高，使教师和学生在很短的时间之内就可以掌握对系统的操作。

4、丰富的状态反馈功能：通过计算机与各单元及传感器的通讯，将系统中各环节的状态显示在操作界面上，使操作者通过计算机随时了解系统各环节的工况、状态、运行数据，掌握系统运行状态。

5、完善的生产及物料存储统计功能：根据现代柔性制造系统的特点及仓储物流的发展动向，不但在工作过程和原理上仿真实际生产过程，而且开发了生产及物料存储数据库，根据系统的运行随时记录和分析生产和存储数据。

6、开放式系统结构：为了增强学生的参与性，系统采用了开放式结构，提供了完善的控制功能动态链接库和二次开发函数，不用了解底层复杂的时序和操作过程，只需要在VC或VB中简单的几行代码，学生即可开发出自己的运动或控制功能，激发学生的学习兴趣。

7、网络化视频监控：系统提供网络化视频监控模块，使操作者在操作系统的同时，也可通过电脑屏幕实时观看系统的实际运行状况。同时对于有条件的学校，可将控制计算机与校园网相连解，使更多的学生和老师通过网络观看现场实验过程，提高系统利用率，也可实现远程教学。

三、如何应用FMS进行本科实验教学

由于近年来高校的扩招，学生人数大幅上升，而大型实验设备台套数少；而且大型实验设备的实验通常包括编程、上机、结果分析等，需要的时间较长。因此，大型设备开设的实验不能简单的照搬其它实验教学的模式。我们分别探索了以下几种模式：

1、开设综合设计性实验。本中心老师提出项目申请，参加学校实验室设备管理处组织的“工程实践”和机电工程学院组织的“机电一体化实训中心”项目。这些项目结合指导老师的科研项目，通过双向选择接受学校相关专业本科三年级以上的学生参加。学生分为2-4人一组；在教师的指导下，首先查阅文献和学习FMS的有关知识，编制程序，上机测试；实验的内容根据项目的研究内容而定，一般涉及多种设备；实验时间根据老师和学生双方商定，实行弹性制，不拘泥于课堂安排的时间。由于学生人数少，在实验过程中可以做到师生面对面的随时交流。

2、实验环节的安排要围绕机电一体化各知识点，由单一到综合，由易到难实训项目要根据实训室的具体条件进行设置，实践教学计划与大纲要明确各阶段学生做什么、怎样做、完成什么、达到什么标准等，据此制定具体量化的内容。安排若干与专业课程相对应的、典型的专题实验项目，使学生对知识要领在机电一体化系统中的应用产生感性的认识，为系统综合性设计和实验奠定基础。实训项目按基本技能、专业技能、综合应用模块分类，其中综合应用项目可独立设置为实训课程。

3、淘汰过时实验内容，以适应新形势现今开设的实验中有许多已不适应技术的发展。对于机械专业的学生来讲，电类基础课应该以应用为主，现在其他高校早已淘汰了此种方式，采用的是将汇编语言直接输入计算机，由计算机直接翻译成机器码自动运行。计算机在翻译的过程中如出现错误，会相应地提示用户，用户只需对汇编程序修改即可。这样可大大提高实验效率。学生可通过选做多个实验来巩固所学的知识，而不用在改错的环节上浪费大量的时间。

【作者简介】

马世光（1982—），男，吉林市人，吉林化工学院航空工程职业技术学院讲师，主要研究方向：电气与机电教学。