基于PLC控制的机电一体化多功能教学实验台设计

基于 PLC控制的机电一体化多功能教学实验台设计

张浩

身份证号码： 41150219870608**** 河南郑州 450000

摘要：开展机电一体化教学工作首先要合理的解决设备不足的问题，深化机电一体化的学科内涵，扩展机电一体化的发展前景。“机电一体化系统”课程的内容是一个不断发展更新的课程，教学的理念和方式方法需要不断改革，在授课过程中不断发现问题，及时调整教学方法。综合性强的课程要注重授课内容梳理，理清主次，避免新旧知识重复，保持学生学习积极性。教学过程中以学生为主体，在关注知识传授的同时更要注意学生知识吸收情况，充分利用网络工具，培养学生学习兴趣，提高教学质量，为培养适应社会发展的应用型人才贡献力量。

关键词：PLC；机电一体化；多功能教学；实验台设计

引言

基于PLC控制的机电一体化是多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。“机电一体化系统”课程是多学科交叉、渗透的综合性课程，是机械电子工程专业课程的重要组成部分，对学生系统性掌握“机电一体化系统”中各单元选型和设计能力、动手能力及创新能力具有重要作用。

1机电一体化的概述

机电一体化即机械电子工程，是工科专业中机械工程与自动化的一部分。它融合了机械技术、微电子技术、信号变换技术、信息技术、电工电子技术、传感器技术和接口技术等多种先进的电子信息技术，对专业技能与信息素养都有着较高的要求。对于现代科技信息社会而言，几乎所有人性化技术工具、智能化机械设备的生产制造都离不开机电一体化技术。建设网络化、模块化社会交往空间与技术交流平台，打造高质量现代化企业，培养应用型、技能型人才均需要以其为支撑。中职院校应将机电一体化实践教学作为提升中职生信息素养的手段，促进学生个人能力综合发展，为社会转型与国家建设培养更多专业人才。

机电一体化技术基础课程以机电融合的理论知识为基础，以掌握机电融合技术为手段，以设计机电融合系统为成果，结合创新教育系统“讲—演—练—评”的实践教学内容，开展简单系统到复杂系统的难度递进讲解、演示，开展机电加工系统的训练，根据训练成果给出学生成绩。机电一体化技术基础的课程目标是激发学生学习机电一体化技术的兴趣，通过学习机械传动、机构组成、传感技术、数控加工技术、机床电路等工程技术，使学生具有“能想能做”的机电产品使用能力，达到机电工程师的素质。

2基于PLC控制的机电一体化多功能教学实验台设计

2.1传送部分设计

传送与分拣部分主要由输送带、驱动电机、传感器、旋转臂与气缸组成，功能实现方法：（1）传送功能由输送带实现；（2）分拣功能由传感器、机械臂以及推料气缸实现。传送部分主要由机架、步进电机、主动滚筒、从动滚筒、输送带、拉紧机构等组成。工件采用直径30mm高度25mm的圆柱块，输送带传送最大工件数为26件。

2.2分拣部分设计

2.2.1分拣功能要求分析

主要实现分拣功能：（1）利用金属接近开关识别金属工件，旋转臂对金属工件进行转移做下一步的加工操作；（2）利用色标传感器对塑料金属工件颜色识别，利用气缸将对应的塑料工件推至滑道内，完成不同颜色工件的收集。

2.2.2功能实现方法

旋转臂设计：旋转臂可分为旋转驱动器、转臂和工件吸盘三部分。旋转驱动器采用电动分度盘对转臂进行驱动，使其做旋转运动，利用电吸盘对检测的金属工件进行吸取转移，电吸盘固定于与转臂固定连接的气缸轴上，利用气缸控制电吸盘的上下运动。推料气缸与滑道设计：推料气缸与颜色识别传感器共同使用，当颜色识别传感器检测到相应的工件时，通过信号传递给控制器，控制器控制气缸电磁阀从而使气缸工作，将工件推下输送带经过滑道滑落至收集箱中，完成此种颜色工件的分拣。另一种颜色的工件随输送带继续移动，在输送带末端自动落入滑道，完成剩余工件的收集工作。

2.3加工部分设计

加工台部分参考数控工作台结构设计，主要由加工平台、推料气缸、导轨底座、导轨移动滑块、模拟加工刀架台、滚珠丝杠副以及伺服电动机等部件组成。其工作流程为：旋转臂将金属工件吸夹送至工作台，由传感器检测是否有工件送至加工台，如果检测到有工件送达，则由步进电机驱动滚珠丝杠旋转，带动刀架台做上下移动动作，刀架台的上下动作模拟工件的加工过程。由于设计只是模拟加工操作，因此刀具与工件之间始终不接触，待模拟加工动作完成后，由推料气缸将工件推入滑道落入收集箱中；如果传感器检测无工件送达，则刀架台无上下移动动作。刀架台由托板、电动机与钻头组成。导轨上面移动部件的重量，包括托板、电动机与钻头等，估计重量约为4kg，故G=40N。由于实验工作台加工部分为模拟加工，并未真实接触，因此切削力为0N。设备中刀架台移动方式为垂直上下移动，拖动载荷不大，因此采用双导轨、双滑块的支撑方式，通过导轨上移动部件的重量估算导轨的工作载荷。

2.4供料机构设计

供料部分采用振动供料盘与间歇推料机构，对混杂的工件进行排列整理并输送至输送带。配合间歇机构的使用，可以调整工件在输送带上的间距，方便进一步的分拣。间歇推料机构由支撑架、托板、电动机，推料盘组成。工件由振动供料盘整理排列后送出，经过滑道下滑至推料机构托板处，由电动机驱动的推料盘做旋转运动，每旋转一圈只能推送一件工件，利用推料盘将工件推送至输送带，工件随输送带开始运动。在推料盘旋转推动工件时，其余工件被推料盘圆弧处挡住，防止工件继续下滑。电动机驱动推料盘以较慢的速度旋转，从而实现工件在输送带上等距排列。

3实验工作台控制

实验工作台控制主要包括气动控制部分和电动控制部分。气动控制部分包括空气压缩机、电磁阀、气缸以及排气节流阀等。利用空气压缩机为气缸提供动力，通过PLC控制电磁阀从而控制气缸的运动状态。排气节流阀通过调节通流面积来调节阀的流量，通过排气节流阀调节气缸活塞杆的伸出到位或缩回到位的运动速度，从而满足输送带以不同运动速度运动时气缸的推料速度。

电动控制部分包括空气压缩机、电动机（包括驱动间歇拨料盘的电动机、驱动传送带的电动机、旋转臂分度盘、驱动丝杠旋转的步进电动机、模拟加工操作控制钻头做旋转运动的电动机）、按键开关、电路保护元器件（包括空气开关、熔断器（电路过载时自动熔断，保护电路）以及热继电器（对元器件起到过载保护作用）等，通过开关或后期用于人机交互的触摸屏来控制系统的运行状态。其中接触器和中间继电器为开关量，由PLC进行控制。

本设备中以西门子S7-200系列的224PLC作为主要控制单元。通过金属接近开关与色标传感器采集信息，PLC根据传感器的反馈信号对各个电动机以及电磁阀进行控制，从而控制整个分拣系统的顺利运行。通过红黄绿信号灯的显示直观反映整个工作台的运动状态。

本设备中，触摸屏界面要包含日期、启动、急停、停止按钮，同时包含反映整个实验工作台运动状态的红黄绿报警指示灯，可以通过观察实验桌面上指示灯的状态来反映整个实验工作台的实时工作状态。

结语

机电一体化技术并不是一种简单的拼凑，而是一组技术的有机集成。它是由机械、电气电子以及信息传感技术等多种技术组成，可以相互结合应用到综合技术的实际需要领域。在此背景下开展机电一体化的实验教学来培养学生的创新思维和实践动手能力，以此来提高教学水平，实现教学目标，保障教学质量，让学生学习和掌握更多机电设备基础知识。

参考文献

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