机电一体化开放式实验平台设计

机电一体化开放式实验平台设计

冯嵩

沈阳城市建设学院，110167

摘要 机电一体化实验平台在机械电子工程专业应用技术型人才培养和课程教学中越来越重要，为了解决以往实验平台价格昂贵、模块化太强等问题，本文设计出了一款适合应用型机械电子工程专业的机电一体化开放式实验平台，该平台开放性强、可扩展性高、经济实用，学生利用该平台既可做验证性实验，也可做综合性和设计性实验，通过该平台学生的动手操作能力和创新能力能得到极大提高。

关键词 机电一体化；开放式；实验平台

1 引言

如今，国内高校正在大力提倡应用型本科教学改革，目的在于让学生能够应用现有技术，从而进行创新创业[1]。教师的教学内容也将从某一技术的理论教学向这项技术如何使用转变，实训项目将会越来越重要。

本专业是机械电子工程，主要培养具备工学学科基础和扎实的机械、电子和控制等基本理论知识，并掌握机电一体化系统的设计、制造、服务、测试等方面的专业知识的人才[2]。一款合适的机电一体化实验平台可以让学生更好的理解理论知识，可将机械、电子、控制等学科单独的实验转变为综合性实验，激发学生的创新意识。

2 实验平台现状

目前很多教仪设备厂都有机电一体化实训台，这些实训台售价昂贵、模块化太强，只能做些演示、验证性实验,使得学生做完实验后也不能利用实验进行创新，甚至不能自如的控制一台电机[3]。

通过查找近年相关论文，针对机电一体化实验台的研究都局限于实验台的一些特定功能，研究过于理论化，没有可扩展性，不利于促进学生的创新能力，不利于学生掌握机电一体化系统的搭建过程。市场上新推出的机电一体化实验台也只是在结构上有所变化，系统集成化程度高，开放性不强，很难培养出应用技术型人才[4]。因此，开发一台开放性强、可扩展的实验台符合我校机电方向应用技术型人才培养要求，能极大激发学生的创新能力，能大幅度提高教学质量。

3 机电一体化开放式实验平台

为了服务于机电一体化课程改革，本文设计了一款经济实用的机电一体化开放式实验平台，该实验平台几乎包含了机电一体化课程中应用到的全部重要技术，同时可以服务于测试技术、电机拖动、机械人技术等与机电相关的课程。该实验平台可以作为教具在课上演示，也可作为实验台供学生进行操作。

该实验平台的设计包括平台的结构设计、电源及电控部分设计、控制器与各种传感器接口以及人机接口预留设计、基于arduino开发板开发电机控制程序、基于Labview开发上位机控制软件。

平台的结构设计方面，由于该平台是个开放平台，可安装各种电机和传感器，因此需要设计好结构布局，便于各种元器件的安装和拆卸。

电源及电控部分设计方面，为了能够支持各种电机、传感器、驱动器及控制器，平台将提供AC220V、DC24V、DC12V、DC5V多种电源输出，并做好漏电保护。

控制器与各种传感器接口以及人机接口预留设计方面，由于任何机电设备都需要开发者设计操作面板，因此不对接口进行封装，只需合理预留。

基于arduino开发板开发电机控制程序方面，开发以下几种控制方式：直线滑台点动控制和连动控制，让学生掌握2种常用的控制方法，并通过软件编程技术实现这2种控制；直线滑台限位控制，平台采用光电开关作为软限位开关，微动开关作为极限限位开关，让同学们对非接触式开关与接触式开关的区别一目了然，并理解双重限位的作用，其中光电开关作为软限位开关由软件实现控制，微动开关作为极限限位开关靠硬件控制；步进电机转数测量，通过光电门和编码器实现对电机转数的测量，并将数据反馈给控制系统从而实现闭环控制，通过软件编程，可以解决步进电机丢步问题，可将步进电机改成简单的伺服电机；直线滑台无线控制，通过四通道遥控器实现直线滑台的遥控控制，大大减小了设备的体积，同时能让学生感受到无线控制并不复杂，体会模块化带来的好处；步进电机调速、直流电机PWM调速。以上程序完全开源，可以进行任意修改，arduino开发板的编程语言非常易懂。

基于Labview开发上位机控制软件方面，通过Labview软件编写windows控制程序，并生成exe可执行文件，采用蓝牙无线串口通讯模块实现对滑台的控制。

该实验平台可以完成以下几种实验：步进电机调速原理及正反转控制、直流电机PWM调速原理及正反转控制、编码器原理及接线、常用传感器原理及模拟量数字量信号采集实验、平台的开环控制与闭环控制实验、多种控制程序的编写实验、上位机软件设计实验。

本文设计的机电一体化开放式实验平台的最终产品可作为本专业自主研发的实验设备成批量进入机电实验室，既能培养应用技术型人才，为课程改革和高校转型助力，也能为学院采购实验设备节省一大笔开支。

4 结束语

本专业要培养的是机电方面的应用技术型人才，因此教学中的实训项目显得越来越重要，学生通过实训项目可以进一步理解理论知识，锻炼动手操作能力。基于实验平台的实训项目能有助于教师教学和学生学习。本文调研了机电一体化实验平台，由于以往的实验平台不是售价昂贵就是模块化太强，只能做些演示、验证性实验，学生的能力得不到充分的锻炼，因此本文提出了一种机电一体化开放式的实验平台，该平台不仅经济实惠，还开放性强、可扩展性高，既能提高课堂教学效果，提高学生的学习积极性，又能激发学生的创新意识，为其他开放式实验平台的开发提供参考。

参考文献

[1]蔡文斌.应用型本科教学改革的必要性及实践对策[J].长江丛刊,2019(30):119+122.

[2]张蕾,其新.基于开放性实验平台培养机电工程专业学生的实践创新能力[J].教育教学论坛,2017(21):236-237.

[3]庞党锋,杜慧起,崔健.基于TwinCAT的机电传动控制实验平台设计[J].科技与创新,2020(18):130-131.

[4]许明,倪敬,孙珺,陈国金.机电传动与控制开放式综合实验平台开发及实践教学应用[J].实验室研究与探索,2017,36(06):196-200.