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淺談析基于FMS的機電一體化教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)工學(xué)論文
論文關(guān)鍵詞：柔性制造系統(tǒng)；作業(yè)計劃與調(diào)度；教學(xué)培訓(xùn)
論文摘要：基于FMS技術(shù)開發(fā)了模塊化機電一體化教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于加深學(xué)生對機電一體化系統(tǒng)概念的理解，掌握車間柔性制造的方法，最后以作業(yè)計劃與調(diào)度教學(xué)研究性、綜合性實驗為例，論述了該系統(tǒng)在培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性的重要作用。
為使機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，有機會將所學(xué)到的各門專業(yè)課的知識綜合性地應(yīng)用到接近于生產(chǎn)實際的過程中，為他們走上工作崗位后應(yīng)用這種新的理念打下基礎(chǔ)，學(xué)院除了建立適合于現(xiàn)代教學(xué)法模式的幾個獨立的專業(yè)實驗室外，籌建了一個開放式自動化綜合實驗室。在這個綜合實驗室中，我們開發(fā)了一套完全接近于生產(chǎn)實際的模塊化柔性制造系統(tǒng)，由省部共同投資。實驗室的開放性主要體現(xiàn)在兩個方面:一是系統(tǒng)組成具有開放性，系統(tǒng)中不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備可相互兼容，便于以后擴展;二是實驗室資源具有開放性，實驗室可面向校內(nèi)外各種層次的學(xué)生或培訓(xùn)學(xué)員，做到資源共享，擴大受益面。
1 FMS系統(tǒng)組成
柔性制造系統(tǒng)機電一體化訓(xùn)練設(shè)備，包含一條閉環(huán)柔性輸送裝置和六自由度并聯(lián)加工中心(加工站)、三自由度數(shù)控雕刻機及其控制系統(tǒng)、四自由度上料檢測站及其控制系統(tǒng)、搬運站、安裝站、安裝搬運站、智能分類站、現(xiàn)場總線、多層次立體原料庫及其控制系統(tǒng)、多層立體成品庫及其控制系統(tǒng)、自動化輸送線及變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、PLC數(shù)據(jù)采集及物料監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控及管理控制軟件。
工業(yè)控制計算機通過運動控制卡發(fā)送位置信號給旋轉(zhuǎn)立體上料庫電機驅(qū)動器，電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)零件位置對準，同時設(shè)置檢測開關(guān)，通過PLC采集至計算機，判斷托盤上相應(yīng)位置是否存在零件。自動上料機器人將待加工物料送至加工位置后，系統(tǒng)驅(qū)動鎖緊裝置進行物料定位固定，上位機按指定程序控制六自由度并聯(lián)機器人，進行零件前序的加工。在主界面中點擊數(shù)控雕刻機控制按鈕，進人數(shù)控雕刻機控制界面，三自由度數(shù)控雕刻機主要實現(xiàn)對工件端面的雕刻，通過用戶編制G代碼也可以用軟件將模型轉(zhuǎn)化為G代碼，然后通過計算機的串口將G代碼傳到雕刻機，雕刻機執(zhí)行G代碼。
零件前序加工完畢后，計算機控制零件搬運機器人將加工完的零件搬運至下一工序的加工位置。
在主界面中點擊立體倉庫狀態(tài)按鈕，進人立體倉庫狀態(tài)界面。立體倉庫狀態(tài)是用來實時顯示立體倉庫倉位的占用情況，系統(tǒng)實時檢測各個倉位的狀態(tài)，然后系統(tǒng)給碼垛機發(fā)指令決定碼垛機下一次將裝配的成品放人哪個倉位，操作者通過觀察狀態(tài)位的圖標情況，操作者就可以知道哪個倉位是否為空，并且知道各個倉位物件的重量，通過生產(chǎn)統(tǒng)計還可以知道立體倉庫一共有多少個成品，每一類成品的個數(shù)及總重量。
2系統(tǒng)特點
(1)包含多種關(guān)鍵技術(shù)及單元，使學(xué)生了解更多的知識;機器人技術(shù);物流倉儲自動控制系統(tǒng);立體倉庫;自動輸送線;自動碼垛機;物流倉儲管理和監(jiān)控;PLC控制系統(tǒng);傳感器技術(shù);計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù);計算機控制;網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控技術(shù);數(shù)據(jù)庫技術(shù);多軸運動控制器;氣動技術(shù);步進電機及驅(qū)動;伺服電機及驅(qū)動;VC,VB等高級語言編程。
(2)結(jié)合機電教學(xué)，編制了的實驗指導(dǎo)書，包含多個實驗:為了方便教學(xué)實際使用，我們?yōu)橄到y(tǒng)提供了專門實驗指導(dǎo)書，其內(nèi)容涵蓋機械、控制、機器人示教、插補、自動裝配、碼垛等多項實驗，供本科生、�？粕脱芯可鷮I(yè)選開，教師也可以根據(jù)實際情況，在實驗指導(dǎo)書的基礎(chǔ)上增開設(shè)計性、綜合性實驗。
(3)交互式圖形化操作界面:系統(tǒng)控制軟件采用WINDOWS操作系統(tǒng)，具有交互式和圖形化特點，操作簡單易學(xué)，自動化程度高，使教師和學(xué)生在很短的時間之內(nèi)就可以掌握對系統(tǒng)的操作。
(4)豐富的狀態(tài)反饋功能:通過計算機與各單元及傳感器的通訊，將系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的狀態(tài)顯示在操作界面上，使操作者通過計算機隨時了解系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工況、狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)，掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)。
(5)完善的生產(chǎn)及物料存儲統(tǒng)計功能:根據(jù)現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)的特點及倉儲物流的發(fā)展動向，不但在工作過程和原理上仿真實際生產(chǎn)過程，而且開發(fā)了生產(chǎn)及物料存儲數(shù)據(jù)庫，根據(jù)系統(tǒng)的運行隨時記錄和分析生產(chǎn)和存儲數(shù)據(jù)。
(6)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu):為了增強學(xué)生的參與性，系統(tǒng)采用了開放式結(jié)構(gòu)，提供了完善的控制功能動態(tài)鏈接庫和二次開發(fā)函數(shù)，不用了解底層復(fù)雜的時序和操作過程，只需要在VC或VB中簡單的幾行代碼，學(xué)生即可開發(fā)出自己的運動或控制功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
(7)網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控:系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控模塊，使操作者在操作系統(tǒng)的同時，也可通過電腦屏幕實時觀看系統(tǒng)的實際運行狀況。同時對于有條件的學(xué)校，可將控制計算機與校園網(wǎng)相連解，使更多的學(xué)生和老師通過網(wǎng)絡(luò)觀看現(xiàn)場實驗過程，提高系統(tǒng)利用率，也可實現(xiàn)遠程教學(xué)。
3如何應(yīng)用FMS進行本科實驗教學(xué)
由于近年來高校的擴招，學(xué)生人數(shù)大幅上升，而大型實驗設(shè)備臺套數(shù)少;而且大型實驗設(shè)備的實驗通常包括編程、上機、結(jié)果分析等，需要的時間較長。因此，大型設(shè)備開設(shè)的實驗不能簡單的照搬其它實驗教學(xué)的模式。我們分別探索了以下幾種模式:
3. 1開設(shè)綜合設(shè)計性實驗
本中心老師提出項目申請，參加學(xué)校實驗室設(shè)備管理處組織的“工程實踐”和機電工程學(xué)院組織的“機電一體化實訓(xùn)中心”項目。這些項目結(jié)合指導(dǎo)老師的科研項目，通過雙向選擇接受學(xué)校相關(guān)專業(yè)本科三年級以上的學(xué)生參加。學(xué)生分為2-4人一組;在教師的指導(dǎo)下，首先查閱文獻和學(xué)習(xí)FMS的有關(guān)知識，編制程序，上機測試;實驗的內(nèi)容根據(jù)項目的研究內(nèi)容而定，一般涉及多種設(shè)備;實驗時間根據(jù)老師和學(xué)生雙方商定，實行彈性制，不拘泥于課堂安排的時間。由于學(xué)生人數(shù)少，在實驗過程中可以做到師生面對面的隨時交流。
例如:作業(yè)計劃與調(diào)度教學(xué)實驗。
“作業(yè)計劃與調(diào)度教學(xué)實驗”的內(nèi)容是讓學(xué)生根據(jù)給定的加工工件信息，設(shè)計一個單件小批量零件加工的“作業(yè)計劃與調(diào)度”的仿真系統(tǒng)，使目標函數(shù)“最長流程時間”的值最小，然后對仿真結(jié)果進行驗證。實驗的目標是:使學(xué)生加深對“作業(yè)計劃與調(diào)度”概念的理解，掌握車間調(diào)度的方法，培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。實驗系統(tǒng)要具備以下功能:
(1)提供一個很好的、有代表性的研究對象，也就是使學(xué)生知道他們是在那個車間、那個環(huán)境為加工那些工件設(shè)計“作業(yè)計劃與調(diào)度”的方案;
(2)提供一個很好的仿真環(huán)境及工具，用來建立仿真模型，使學(xué)生形象直觀地看到車間調(diào)度的運行過程;
(3)提供實現(xiàn)“作業(yè)計劃與調(diào)度”的算法和軟件開發(fā)環(huán)境，使學(xué)生了解并掌握該算法的原理，并在仿真環(huán)境中實現(xiàn)算法，得到仿真結(jié)果;
(4)提供一個真實環(huán)境，如FMS車間或可真正運行的FMS車間模型，在此環(huán)境中對上面得到的仿真結(jié)果進行驗證。
針對“FMS教學(xué)實驗系統(tǒng)”只討論一種特殊情況，即最長流程時間Fmax的計算先討論n/m/P/Fmax問題，目標函數(shù)是使最長流程時間最短。最長流程時間又稱作加工周期，它是從第一個工件在第一臺機器開始加工時算起，到最后一個工件在最后一臺機器上完成加工時為止所經(jīng)過的時間，由于假設(shè)所有工件的到達時間都為零(Ri,I=1 ,2 ,3，…,n)，所以Fmax等于排在末位加工的工件在車間的停留時間，也等于一批工件的最長完工時間C max 。
設(shè)n個工件的加工順序為S=(S1 ,.S2 , ……，,Sn)，其中Si為排第i位加工的工件的代號。以CK(Si)表示工件Si在機器Mk上的完工時間，Pk表示工件Si在Mk上的加工時間，K=1,2,3,……,m；i=1 ,2, ……,n,
式(1)是一個遞推公式，當由式(1)得出Cm(sn)時，F(xiàn)max、就求得了。在熟悉以上公式之后，可以直接在加工時間矩陣上從左向右計算完工時間。對于某一工作地，在給定的一段時間內(nèi)，順次決定下一個被加工的工件。
3. 2開設(shè)選修課
由于學(xué)習(xí)FMS的有關(guān)知識，需要學(xué)生們具有一定的專業(yè)知識;而且大型設(shè)備一般只有一套設(shè)備，要面向?qū)W生人數(shù)眾多的本科生開設(shè)實驗課有一定的難度。因此，我們首先開設(shè)了FMS的選修課。在講授FMS技術(shù)的理論知識的基礎(chǔ)上，開設(shè)FMS的上機實驗課，學(xué)生分為3 -5人一組。由于課堂講授FMS的時間有限，加之是選修課;因此，在實驗課之前，面對設(shè)備再介紹一次設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)和用途等，以加深學(xué)生的印象;然后指導(dǎo)學(xué)生編制程序、適當?shù)纳蠙C操作，輔導(dǎo)學(xué)生處理實驗結(jié)果。
3. 3為本科畢業(yè)設(shè)計提供實驗
本科生的畢業(yè)論文是進行專業(yè)基本技能培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，同時也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維方法、提高動手和解決問題能力的不可缺少的過程。參加本科畢業(yè)論文的學(xué)生，有充分的時間利用所掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決具體的問題;因此畢業(yè)論文是本科生學(xué)習(xí)和掌握大型實驗設(shè)備的一個非常好的機會。
4 FMS進行本科教學(xué)的體會和希望
4. 1 FMS進行本科教學(xué)的效果
通過上述三種方式向本科生開放大型實驗設(shè)備，對學(xué)生選擇專業(yè)有一定的幫助，也增加了學(xué)生參加推薦免試研究生和就業(yè)等的競爭力。例如，一名機電學(xué)院的學(xué)生參加了“FMS研究”項目后，對數(shù)控技術(shù)有關(guān)知識和應(yīng)用有了一定的了解和興趣，報考研究生時選擇數(shù)控技術(shù)專業(yè)。另一名機電學(xué)院的學(xué)生參加“開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究”，學(xué)習(xí)了切削圖形設(shè)計、數(shù)控雕刻機及其控制系統(tǒng)等一系列操作，在老師的指導(dǎo)下自己操作選擇刀具和切削參數(shù)，觀察不同的切削過程，加深了所學(xué)的理論知識，熟悉了作業(yè)計劃與調(diào)度的原理、立體倉庫的基本操作;該生通過面試后順利地被華中科技大學(xué)錄取為研究生。
近年來為了適應(yīng)地方經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，拓寬人才培養(yǎng)領(lǐng)域，在開設(shè)綜合性實驗項目和選修課時，也接受其他學(xué)院的學(xué)生。學(xué)生結(jié)束項目后，對所參加的研究工作非常有興趣。
相比較而言，綜合設(shè)計性實驗效果明顯好于選修課的實驗。前者由于有充分的時間，我們摒棄了傳統(tǒng)的驗證實驗的模式，采取了“雙向互動”，教師以更多的精力啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，調(diào)動其主動性和積極性，發(fā)揮他們運用所學(xué)的知識去解決實際問題。對這種實驗?zāi)Ｊ�，學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣。這種實驗教學(xué)模式，不僅拓展了學(xué)生現(xiàn)代科學(xué)技能的理論和知識;在實驗方法，應(yīng)用技能方面也得到了提高，為他們今后走上社會，服務(wù)于社會，縮短理論與實踐的差距奠定了良好的基礎(chǔ)。
4. 2存在的問題
通過參加上述教學(xué)實驗活動，我們也發(fā)現(xiàn)仍有一些問題急待解決。實現(xiàn)大型實驗設(shè)備的本科教學(xué)，需要一批技術(shù)水平高，有責(zé)任心和敬業(yè)精神的技術(shù)人員，并有相應(yīng)的政策或辦法加強大型實驗設(shè)備管理和使用。一方面需要制定激勵老師開展實驗教學(xué)工作的政策，充分調(diào)動在崗老師的積極性;另一方面，要加強實驗室老師的進修和業(yè)務(wù)培訓(xùn)，因為實驗老師的業(yè)務(wù)水平將直接影響到實驗教學(xué)質(zhì)量和科研水平。
在科學(xué)和教育飛速發(fā)展的今天，協(xié)作和資源共享對大型實驗設(shè)備的使用提出了新的要求。通過開展上述本科生的教學(xué)實驗活動，擴大了對學(xué)生能力培養(yǎng)的范圍，提高學(xué)生的實驗技能，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，促進教學(xué)質(zhì)量的提高，達到高校素質(zhì)教育的目的。此外，也提高了大型實驗設(shè)備的使用效率，提高了教師的學(xué)術(shù)水平和專業(yè)技能。
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