段振華， 吳張永， 溫成卓， 吳 喜， 王慶輝

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明650093)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)大學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的要求越來(lái)越高。創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)成為各教育工作者的艱巨任務(wù)與使命。自2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)許多高校陸續(xù)購(gòu)置了慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型，并開(kāi)設(shè)了相關(guān)的實(shí)踐課程［1］。我校于2001年引進(jìn)了慧魚(yú)教具模型，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新性教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型簡(jiǎn)介

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型簡(jiǎn)稱(chēng)“慧魚(yú)”系在德國(guó)Arthur Fischer博士的專(zhuān)利“六面拼接體”基礎(chǔ)上發(fā)明的工程技術(shù)類(lèi)智趣拼裝模型。自慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型面世以來(lái)，由于其擴(kuò)展性、啟發(fā)性強(qiáng)，覆蓋科學(xué)知識(shí)領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)實(shí)際等方面。世界知名的德國(guó)西門(mén)子、德國(guó)寶馬、美國(guó)IBM等一大批著名公司都采用慧魚(yú)模型來(lái)論證生產(chǎn)流水線(xiàn)。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)為代表的一批高校建立的慧魚(yú)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室利用慧魚(yú)模型組合包系列建立了工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展創(chuàng)新教育和技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)［2-4］。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型通過(guò)各種各樣的構(gòu)件(功能模塊)組合拼裝而成，主要構(gòu)件采用優(yōu)質(zhì)尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損。連接方式采用燕尾槽插接方式，可以實(shí)現(xiàn)六面拼接、多次拆裝和反復(fù)使用。模型的構(gòu)件主要分為 3 類(lèi)［5-6］:

(1)機(jī)械構(gòu)件。凸輪、彈簧、曲軸、萬(wàn)向節(jié)、差速器、齒輪箱、鉸鏈、齒輪、連桿、鏈條、履帶、齒軸、齒條、渦輪及渦桿等。

(2)電器構(gòu)件。發(fā)光器件、電磁氣閥、接口電路板、可調(diào)直線(xiàn)變壓器、直流電機(jī)、紅外線(xiàn)發(fā)射接線(xiàn)裝置、傳感器(光敏、熱敏、磁敏等)、接口電路板及PLC接口板等。

(3)氣動(dòng)構(gòu)件。儲(chǔ)氣罐、汽缸、活塞、氣彎頭、手動(dòng)氣閥、電磁氣閥、氣管等。

2 慧魚(yú)模型的控制方式

慧魚(yú)模型的控制方式通過(guò)電腦(PC)接口板或可編程控制器(PLC)接口進(jìn)行程序控制［7］。

采用PLC控制時(shí)，PLC控制接口板直接與PLC相連，采用梯形圖進(jìn)行編程［8］。PLC控制方式廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的控制領(lǐng)域中，但PLC的體系結(jié)構(gòu)是封閉的，各PLC廠(chǎng)家的硬件體系兼容性差，編程語(yǔ)言及指令系統(tǒng)也各異，當(dāng)用戶(hù)選擇了PLC產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程，并且需要學(xué)習(xí)特定的編程語(yǔ)言。

采用電腦控制時(shí)，通過(guò)RS232串口與電腦連接，電腦接口板自帶微處理器，編輯好的控制程序可直接寫(xiě)入微處理器，控制模型動(dòng)作［9］。電腦控制不僅能實(shí)現(xiàn)PLC的控制功能，并且具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能以及能夠執(zhí)行比較復(fù)雜的控制算法和其近乎無(wú)限制的存儲(chǔ)容量等優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用電腦接口板對(duì)慧魚(yú)模型進(jìn)行控制時(shí)，可以采用慧魚(yú)公司的LLWin軟件或高級(jí)語(yǔ)言C、C++、VB等進(jìn)行編程控制［10］。但由于高級(jí)語(yǔ)言的命令眾多，程序復(fù)雜且不易記憶等語(yǔ)言本身存在的復(fù)雜性因素，使初學(xué)者不容易掌握，使用者在編程過(guò)程中容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。而LLWin編程軟件以其直觀(guān)的圖形化編程語(yǔ)言，易于操作等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程實(shí)踐方面。本文通過(guò)電腦接口板，采用LLWin編程軟件對(duì)慧魚(yú)模型進(jìn)行控制和應(yīng)用研究。

3 LLWin 編程軟件簡(jiǎn)介［11-12］

LLWin編程軟件是慧魚(yú)公司推出的圖形化、模塊化編程軟件，與智能接口配套使用，語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、直觀(guān)、易懂，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模型的實(shí)時(shí)控制。它采用圖形化編程語(yǔ)言，運(yùn)用形象、直觀(guān)的圖標(biāo)來(lái)表示運(yùn)行的程序。用戶(hù)界面清晰簡(jiǎn)潔，主界面如圖1所示。其中，工作區(qū)是編制控制程序的場(chǎng)所;菜單欄里包含著軟件的各類(lèi)操作命令;工具條中存放著常用的重要操作命令，包括初始化、開(kāi)始/停止、連線(xiàn)等;工具箱里包含了編制控制程序時(shí)的功能模塊，其中共有18個(gè)功能模塊，編程時(shí)只需用鼠標(biāo)按住所需的模塊將其拖入工作區(qū)，并做相應(yīng)設(shè)置，按控制要求將各個(gè)模塊連接好，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制。

圖1 用戶(hù)界面截圖

運(yùn)用該軟件編制控制程序方便快捷，無(wú)需手工輸入大量的代碼，極大地縮短了程序的編制和調(diào)試周期，有利于設(shè)計(jì)人員各種設(shè)計(jì)意圖的快速實(shí)現(xiàn)和各種設(shè)計(jì)思想的對(duì)比優(yōu)化。

4 自動(dòng)物流分揀輸送線(xiàn)模型應(yīng)用實(shí)例

4.1 自動(dòng)物流分揀輸送線(xiàn)的工藝流程［13-14］

自動(dòng)物流分揀輸送線(xiàn)屬于現(xiàn)代化機(jī)械系統(tǒng)，其工藝流程主要包括:①系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)工件的屬性將其分類(lèi)分離;②根據(jù)預(yù)設(shè)的程序?qū)⒎蛛x后的物料送入相應(yīng)的提升裝置;③通過(guò)末端物料轉(zhuǎn)移裝置將其送入相應(yīng)的存放位置。

4.2 自動(dòng)物流分揀輸送線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)物流分揀輸送線(xiàn)的工藝流程可以將其結(jié)構(gòu)分為以下3部分:

(1)分離裝置。通過(guò)磁性裝置分離磁性和非磁性物質(zhì)，并分配到不同的輸送路線(xiàn)上。

(2)提升/下降裝置。將物料輸送到不同的空間實(shí)現(xiàn)立體分揀。

(3)推動(dòng)輸送裝置。將分離輸送到位的物理推送到倉(cāng)庫(kù)中。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型組裝的事物模型如圖2所示。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1 控制任務(wù)

圖2 自動(dòng)物流分揀輸送線(xiàn)慧魚(yú)模型

首先通過(guò)磁電式傳感器區(qū)分磁性和非磁性物料，將非磁性物料送入存儲(chǔ)位置1，磁性物料通過(guò)升降裝置1送入2層分揀線(xiàn)。物料到達(dá)第2層分揀轉(zhuǎn)盤(pán)，再次通過(guò)磁電傳感器進(jìn)行分揀，將分揀出的非磁性物料送入存儲(chǔ)位置2，磁性物料經(jīng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°將物料送入升降裝置2，升降機(jī)2將物料送入指定位置后由推送裝置將物料送入存儲(chǔ)位置3，完成動(dòng)作。

根據(jù)自動(dòng)物流分揀輸送線(xiàn)控制任務(wù)完成控制流程框圖，如圖3所示。

圖3 控制流程圖

4.3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［15-16］

用1臺(tái)微型計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)，參數(shù)檢測(cè)部分采用慧魚(yú)自帶的光電開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)和磁電式傳感器。輸出驅(qū)動(dòng)部分采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。連接部分采用慧魚(yú)智能接口板作為I/O通道，慧魚(yú)智能接口板集成了4路輸出接口，可以連接電動(dòng)機(jī)、電磁鐵或燈等。還有8路輸入接口，可以連接開(kāi)關(guān)、光敏、電敏、磁敏傳感器等。板上自帶微處理器，通過(guò)串口就可以與計(jì)算機(jī)連接，在計(jì)算機(jī)上編好了程序可以移植到接口板的微處理器上，對(duì)模型進(jìn)行控制。

4.3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用LLWin軟件編寫(xiě)控制程序。根據(jù)系統(tǒng)的控制流程框圖，明確各個(gè)部件的動(dòng)作順序和動(dòng)作時(shí)間，在編輯窗口中插入所需要的功能控制模塊。按邏輯關(guān)系連好各個(gè)模塊間的連線(xiàn)，在需要賦值的模塊中填入所需的參數(shù)。LLWin主程序控制流程圖如圖4所示。

圖4 主程序圖

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)物流分揀輸送線(xiàn)系統(tǒng)模型能夠完成設(shè)計(jì)工藝過(guò)程。系統(tǒng)能夠按著控制要求中的運(yùn)動(dòng)順序，運(yùn)動(dòng)時(shí)間準(zhǔn)確運(yùn)行，但系統(tǒng)運(yùn)行中的啟停位置與控制要求略有偏差，這是由于受到模型本身的行程開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)精度的影響。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)使用要求選擇較高精度的傳感器，即可改善精度方面的不足。

實(shí)踐證明采用模塊化編程語(yǔ)言L(fǎng)LWin控制的慧魚(yú)模型不僅可以用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。還可以應(yīng)用在工程實(shí)踐中模擬現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題進(jìn)行模擬驗(yàn)證，可以縮減設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化控制系統(tǒng)，節(jié)約工程成本。

［1］ 唐東煒，安 軍，肖周勇.基于LabVIEW的慧魚(yú)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2008(11):50-51.

［2］ 華 蕊，唐東煒，譚偉潦.基于VB對(duì)慧魚(yú)模型遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代制造工程，2004(6):72-74.

［3］ 楊松濤，張 新.慧魚(yú)模型在機(jī)電類(lèi)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的應(yīng)用［J］.科技信息，2010(20):24-26.

［4］ 蔡 理，郭魯家.慧魚(yú)模型在本科教學(xué)中的多層次應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23(7):81-83.

［5］ 朱志松，徐海黎，朱龍彪.機(jī)電專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(9):8-10.

［6］ 劉曉敘，劉 康，符純?nèi)A.運(yùn)用fischertechnik(慧魚(yú))創(chuàng)意模型培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的研究［C］//全國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)研討會(huì)議，2004.

［7］ 萬(wàn)書(shū)亭，韓 蕾.基于PLC控制的柔性制造系統(tǒng)的研究［J］.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，9(4):67-70.

［8］ 陳 晟，張海軍.應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)慧魚(yú)機(jī)器人的控制［J］.農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備，2008(2):59-60.

［9］ 曹紅英，鄧 娜.基于慧魚(yú)模型的無(wú)碰撞避障機(jī)器人研究［J］.儀器儀表用戶(hù)，2009，16(2):7-9.

［10］ 王大龍.柔性加工生產(chǎn)線(xiàn)的計(jì)算機(jī)控制的快速仿真研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2005，18(3):102-103.

［11］ 戴 娟.基于LLWin模塊化語(yǔ)言與嵌入式設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(1-2):212-214.

［12］ 漆向軍，陳 霖.基于 LLWin3.0控制Fischertechnik模型實(shí)例［J］.農(nóng)業(yè)化研究，2004(4):194-196.

［13］ 王 松，王培俊，李 聰.基于Web的物流自動(dòng)化分揀系統(tǒng)虛擬實(shí)時(shí)定制設(shè)計(jì)［J］.物流技術(shù)，2010(9):124-125.

［14］ 洪 超，徐清華，樓冬梅.VIPA 300S系列PLC在煙草物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2010(4):1-2.

［15］ 季永欣.現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)成及其控制方法研究——在組合模型上的應(yīng)用［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2005.

［16］ 季永欣，何邦貴，彭軍祥.雙工作臺(tái)柔性制造系統(tǒng)模型的計(jì)算機(jī)控制及實(shí)現(xiàn)［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2005，30(3):38-41.