陳衛(wèi)國

摘? 要：以自動生產(chǎn)線設(shè)備引進、自動生產(chǎn)線實驗室建設(shè)項目為驅(qū)動，對應(yīng)用型本科機械電子工程人才培養(yǎng)方案的課程體系、教學(xué)內(nèi)容、實踐教學(xué)等方面進行了調(diào)整，提出了一種簡明的自動生產(chǎn)線教學(xué)模式。通過近兩年的探索和實踐，成功地將變頻控制技術(shù)、組態(tài)控制技術(shù)、步進驅(qū)動控制技術(shù)等自動控制關(guān)鍵技術(shù)引入到應(yīng)用型本科教學(xué)中，填補了原有人才培養(yǎng)方案的內(nèi)容，提高了機電學(xué)生的核心競爭力。

關(guān)鍵詞：自動生產(chǎn)線? 變頻器? MCGS組態(tài)? 步進電機

中圖分類號：G647??????????? 文獻標(biāo)識碼：A? ???????????? 文章編號：1672-3791（2021）01（a）-0068-07

Practice and Exploration of the Construction of the Second Section Automatic Production Line Laboratory

CHEN Weiguo

（Hunan University of Arts and Sciences， Changde， Hunan Province， 415000 China）

Abstract： Driven by the introduction of automatic production line equipment and automatic production line laboratory construction projects， the curriculum system， teaching content， practical teaching and other aspects of the application-oriented undergraduate mechanical and electronic engineering talent training program were adjusted， and a concise automatic production line teaching mode was proposed. Through the exploration and practice in the past two years， the key technologies of automatic control such as frequency conversion control technology， configuration control technology， stepping drive control technology and other automatic control have been successfully introduced into the application-oriented undergraduate teaching， which has filled the content of the original talent training program and improved The core competitiveness of electromechanical students.

Key Words：Automatic production line; Frequency converter; MCGS configuration; Stepper motor

隨著工業(yè)4.0進一步推動，網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢使得機械電子工程專業(yè)的知識體系更加膨大，新工科建設(shè)對機電類人才質(zhì)量提出了新的要求，應(yīng)用型本科教學(xué)需要引進機電控制的一些關(guān)鍵技術(shù)，如三相電機變頻控制技術(shù)、步進電機細(xì)分驅(qū)動伺服控制技術(shù)、交流電機伺服控制技術(shù)、觸摸屏+MCGS組態(tài)控制技術(shù)、PLC以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)等。該文介紹了我們通過自動生產(chǎn)線引進、圍繞自動生產(chǎn)線進行的機械電子工程人才培養(yǎng)方案調(diào)整所做的工作，同時具體介紹了我們在自動生產(chǎn)線理論及實踐教學(xué)所做的探索和實踐工作，希望能為同類院校的教學(xué)提供一些參考。

1? 自動生產(chǎn)線實驗室建設(shè)面臨的問題

自動生產(chǎn)線實驗室建設(shè)的目的之一，是學(xué)習(xí)機電控制的一些關(guān)鍵技術(shù)，但是在生產(chǎn)線使用上面臨著一些問題。

（1）技術(shù)復(fù)雜。

SKGMT-42型自動化生產(chǎn)線是一個大型的機、電、液、氣綜合機電設(shè)備，僅僅控制技術(shù)就涵蓋了三相電機變頻控制技術(shù)、步進電機細(xì)分驅(qū)動伺服控制技術(shù)、交流電機伺服控制技術(shù)、觸摸屏+MCGS組態(tài)控制技術(shù)、PLC以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、伺服控制技術(shù)、傳感技術(shù)、氣動控制等多項控制技術(shù)，學(xué)生在學(xué)習(xí)上不容易上手。

（2）教學(xué)內(nèi)容缺失。

原有人才培養(yǎng)方案在理論和實踐教學(xué)中沒有完整的組態(tài)控制、伺服控制、變頻控制、以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)教學(xué)內(nèi)容，因此在進入實踐環(huán)節(jié)前必須進行必要的理論學(xué)習(xí)。

（3）教學(xué)課時不夠。

受限于機械電子工程人才培養(yǎng)模式，不太可能大規(guī)模增加理論課程和實踐課程，而自動生產(chǎn)線有許多控制技術(shù)需要學(xué)習(xí)，需要對原有的課程內(nèi)容進行調(diào)整，同時需要一種新的教學(xué)模式。

（4）技術(shù)難度大。

伺服控制、變頻控制設(shè)計的難度較大，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒。

2? 解決措施

首先，我們建立了自動化生產(chǎn)線實驗室，以自動生產(chǎn)線項目帶動人才培養(yǎng)方案調(diào)整，在保障實驗室建設(shè)和學(xué)科發(fā)展協(xié)調(diào)同步的同時，也提供一個綜合實踐平臺，讓學(xué)生將所學(xué)的知識串接起來，同時提高學(xué)生的綜合動手能力和興趣。

其次，將自動生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)進行細(xì)化分解，分配到課堂教學(xué)、實驗、課程設(shè)計、技能訓(xùn)練等不同的原有教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，適當(dāng)新開設(shè)了對應(yīng)的課程設(shè)計及課程，實驗主要針對單一關(guān)鍵技術(shù)，課程設(shè)計會設(shè)置一些融合幾個關(guān)鍵技術(shù)項目，應(yīng)用“案例教學(xué)法”完成設(shè)計。

最后，自動生產(chǎn)線理論和實踐教學(xué)中，依據(jù)CDIO理念，先盡可能地選取簡明方式教學(xué)，采用弱化理論推導(dǎo)，突出應(yīng)用能力原則，讓學(xué)生盡快上手，對有能力的學(xué)生，通過畢業(yè)設(shè)計、競賽的不同形式進一步提高，最終達(dá)到全面掌握生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)目的。

3? 教學(xué)設(shè)計

3.1 變頻控制課程實驗設(shè)計

自動生產(chǎn)線采用變頻器控制電機完成傳輸帶的變速運動。為了掌握變頻控制技術(shù)，在“電工學(xué)”課程中，以西門子V20變頻器和41K25GN-Y三相交流減速電機為案例，講解變頻器硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)原理及參數(shù)設(shè)置、變頻器主電路和控制電路的連線方式等知識，讓學(xué)生明白制動電阻、壓敏電阻、電流傳感器的作用，了解變頻器故障判斷方法和模塊檢查的方法。變頻器實驗的重點是掌握變頻器參數(shù)設(shè)置方法，特別是掌握恢復(fù)出廠設(shè)置和根據(jù)電機銘牌參數(shù)完成快速調(diào)試參數(shù)設(shè)置。為了簡化參數(shù)設(shè)置，案例中變頻器使用連接宏CN003，通過3個數(shù)字量開關(guān)輸入改變電機轉(zhuǎn)速。學(xué)生完成變頻器固定轉(zhuǎn)速實操后，學(xué)生的興趣和信心可以得到提高，進一步通過V20變頻器手冊自學(xué)，提升變頻器使用技能。變頻器實驗需要完成的主要工作及安排見表1。

為保護變頻器，變頻器主電路和控制回路電路圖在實驗前根據(jù)V20變頻器手冊給出參考圖，如圖1、圖2所示。為節(jié)約課時，學(xué)生只完成測繪，實際連線不再進行。

從實驗的結(jié)果看，學(xué)生可以完成變頻器恢復(fù)出廠設(shè)置、快速參數(shù)設(shè)置，可以通過變頻器面板或開關(guān)，控制生產(chǎn)線輸送帶以設(shè)定的速度運動。這樣，通過課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和實驗調(diào)整，學(xué)生可以初步掌握自動生產(chǎn)線變頻器控制技術(shù)，了解了CN003連接宏使用后，其他連接宏的參數(shù)設(shè)置及電路設(shè)計，學(xué)生完全可以通過自學(xué)掌握。

3.2 步進電機組態(tài)控制課程設(shè)計

我們在機械電子工程人才培養(yǎng)方案中，增設(shè)了“自動生產(chǎn)線綜合課程設(shè)計”，“步進電機組態(tài)控制課程設(shè)計”是“自動生產(chǎn)線綜合課程設(shè)計”的子項，目的是通過課程設(shè)計使學(xué)生掌握觸摸屏組態(tài)控制技術(shù)、PLC編程技術(shù)、步進電機驅(qū)動控制，要求完成觸摸屏控制滑臺往返運動設(shè)計和實物調(diào)試。其中，PLC采用S7-200 SMART PLC ST30，編程環(huán)境為STEP7-MicroWIN SMART，觸摸屏采用TPC1061Ti，使用昆侖通泰MCGS組態(tài)軟件，步進電機57BYGH201由步進電機細(xì)分驅(qū)動器SH2024MCGS驅(qū)動，觸摸屏和PLC采用以太網(wǎng)通信，總的要求是完成滑臺的往返運動，啟、停由觸摸屏按鈕控制。步進電機組態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

二本機電學(xué)生完成步進電機組態(tài)控制課程設(shè)計需要補充3個基本知識，一是組態(tài)控制技術(shù)，二是步進電機控制技術(shù)，三是PLC運動向?qū)Ь幊?，為此需要在課程設(shè)計中安排相應(yīng)的理論教學(xué)和3個單項實驗，其中理論教學(xué)采用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和教師授課相結(jié)合的方式進行，單項實驗是將步進電機課程設(shè)計進一步分解，目的是先掌握單項技術(shù)，再將個分技術(shù)組合完成課程設(shè)計，步進電機組態(tài)控制課程設(shè)計主要安排見表2。

3.2.1 觸摸屏實驗

昆侖通態(tài)MCGS組態(tài)設(shè)計，一個按鈕控制PLC的Q0.0，學(xué)生自學(xué)后需進行答辯，實驗前需清楚回答問題，確認(rèn)學(xué)生清楚觸摸屏控制的基本概念。

（1）TPC1061Ti觸摸屏IP地址設(shè)置;

（2）S7-200 SMART的IP地址設(shè)置，下載系統(tǒng)塊，并保證TPC1061Ti觸摸屏IP地址和ST30的IP地址在同一網(wǎng)段上;

（3）從設(shè)備窗口增加西門子Smart200設(shè)備;

（4）設(shè)備編輯界面設(shè)置觸摸屏與PLC的IP地址;

（5）編輯要使用的變量;

（6）用戶窗口HMI界面編輯;

（7）模擬運行。

3.2.2 步進電機選型及細(xì)分驅(qū)動設(shè)置與連線實驗

機械電子工程專業(yè)的學(xué)生，應(yīng)能根據(jù)機械系統(tǒng)的機構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)，計算步進電機的步進角、保持轉(zhuǎn)矩、空載啟動頻率等指標(biāo)，完成步進電機選型。建議學(xué)生選用兩相混合式步進電機。二本應(yīng)用型的學(xué)生，應(yīng)該知道步進電機選型計算除了公式計算外，也可以采用SolidWorks自帶的電機選型模塊或企業(yè)的電機選型軟件完成步進電機選型。公式計算在課程中已涉及，這里不重復(fù)，公式計算比較復(fù)雜，計算量大，在課程設(shè)計中，我們給學(xué)生介紹電機選型軟件的使用，以加快設(shè)計速度。我們采用的電機選型軟件是東方馬達(dá)的ORIENTALMOTOR_CONTROL_MOTOR _SIZING，通過選擇驅(qū)動機構(gòu)、輸入機械裝置參數(shù)、輸入運行條件、電機選擇4個步驟完成選型，如圖4至圖7所示。

步進電機系統(tǒng)驅(qū)動器設(shè)置及連線，調(diào)整到《單片機》課程中進行教學(xué)，由于其原理比較簡單，這里不再贅述。

電機選型軟件具有一定的可靠性，在ROBOCON機器人大賽和機械創(chuàng)新大賽中，選用的電機工作可靠。

3.2.3 S7-200 SMART運動向?qū)Ь幊虒嶒?/p>

步進電機PLC編程采用STEP 7-MicroWIN SMART運動向?qū)山M件（見圖8），設(shè)置參數(shù)如表3所示。

組件生成后，使用組件編程，以簡化編程過程，如圖9所示。

3.2.4 往返運動控制

為了在實驗中盡量不改動生產(chǎn)線的連線，可以建議學(xué)生采用STEP 7-MicroWIN SMART的運動控制面板進行。

從完成的步進電機組態(tài)控制設(shè)計課程設(shè)計來看，絕大多數(shù)同學(xué)能夠通過編程，完成機械裝置的往返運動，完成了組態(tài)技術(shù)、步進控制、運動向?qū)褂玫募夹g(shù)學(xué)習(xí)，達(dá)到了課程設(shè)計目的。

4? 結(jié)語

在引進生產(chǎn)線的同時，對機械電子工程人才培養(yǎng)方案進行了調(diào)整，增設(shè)了自動生產(chǎn)線課程設(shè)計和電工技術(shù)課程，在教學(xué)中采用最簡明的方法讓學(xué)生盡快入門。通過近兩年的努力，成功將機電控制的一些關(guān)鍵技術(shù)納入教學(xué)體系中，達(dá)到了生產(chǎn)線實驗室建設(shè)的目的。

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