机电一体化开放实验室_2010525.doc

西安科技大学

机电一体化开放实训室
建议方案

内容：
1概述
2机电一体化开放实验设备配置
3机电一体化开放实验室完成的教学功能
4 培训内容举例
5附录 ：MPS工作单元介绍

费斯托（中国）有限公司
２０10年5月

1概述
1.1机械基础开放实验基地构成的宗旨
符合现代社会对高校人才需求，具有先进性的机械基础开放实验室，应该是一个集机、电控制技术于一体的基础和综合性自动化控制技术培训基地，使它真正能够将气动技术、液压技术、传感器技术、PLC控制技术等控制溶于一体，使其成为一个“学习工厂”，以提高学生的实际技能及控制技术等综合运用能力，同时，它也将成为教师和研究生等进行科研开发工作的实验平台。

1.2 机械基础开放实验基地应该具备的特性
该实验基地应具有良好地扩展性能，能够不断随着科学技术的发展而进行补充和扩展，以紧跟时代发展的步伐及工业生产的进程，始终保持其先进性，使我们的教育能够始终领先于工业运用，使我们培训出的学生真正成为企业及社会所需的具有实际能力的人材。

2机电一体化开放实验设备配置
第一部分：气动/液压/传感器等基础实验室：
1）4个气动实验台及1个液压实验台（若实验室面积小，也可以在将气动实验和液压实验合并在同一个实验平台上，且电气元件如PLC、继电器、电传感器等等可以气液实验共用，最大程度实现资源的共享）；
2）接合相应的气动／液压／电气实验教学仿真软件包FluidSIM_P/H 35套及相应PC机，便于老师教学和学生学习。具体使用现场教学参考如下实例：

上海职业培训指导中心费斯托气动／电压液／实训台
实际使用图（配合FluidSIM软件教学）

3）1套 MPS 小系统（供教师衔接高一级机电一体化综合实验教学用）
4）及相应的MPS教学软件 MPS Mechatronics Assistant 15 套

第二部分：MPS机电一体化综合实验室：
该实验室由1套MPS大系统组成。

机电一体化综合技能的训练我们主要是在MPS模块化生产系统上进行。它是当今机电一体化教学中的主流设备，为国际奥林匹克职业技能竞赛机电一体化专业指定设备，并且为“第一届中国青年机电一体化竞赛”中，综合组和组装组的指定设备。MPS的每一个组成单元就相当于生产车间中的一台加工设备，它需要学生在充分掌握了基础知识的基础上，将这些知识相互关联，以训练综合分析问题、解决问题的能力。对更高层次的训练要求，还可以进行工程设计规划、工程管理、生产过程的流通管理及工作小组及团队之间交流及配合等课程的训练，以及进行系统技术文献的整理、补充和技术资料的运用练习。

MPS的 PLC具备现场总线Profibas的接口（选用 Siemens S7-313C-2DP）。这不仅是因为该系列的可编程序控制器在当今的工业系统中被广泛的运用，同时它也具有极强的模块化扩张空间。
系统中所使用的电气元件均为24V直流，传感器包括有开关量的电感式、电容式、光电式（反射式、对射式、光纤）、磁感应式及磁电式、压力开关，同时还有模拟量的位移传感器及模拟量数显压力传感器等等。
系统中的所有电信号连接均采用Syslink标准接口，这使得可编程序控制器控制主板与各工作单元的执行部分，以及基础实验平台中的元器件之间都能十分方便的实现互换。同时，这以统一的连接模式也为今后系统的不断扩展打下了良好的基础。
所以也可以适合较高层次的总线技术培训和利用上位机进行系统管理，建立人机界面等......

气动/液压/传感器等基础实验室俯视效果图1

气动/液压/传感器等基础实验室侧视效果图2

MPS机电一体化综合实验室效果图3
3机电一体化开放实验室完成的教学功能
A. 基础教学功能：
满足机械制造基础、PLC编程技术应用、工业机器人技术、机电一体化技术等基础课程教学面广的需求，可以同时满足30～40个学生训练。具备实际设备与设备同步模拟仿真系统，使每位学生可以同时进行：
i. 基本气动／电气气动回路和液压／电液压回路的设计、模拟搭建及运行（在模拟软件FluidSIM
上完成）；

1） 该软件包可以进行液压回路、电气液压回路、气动回路和电气气动回路等四类回路的设计和模拟仿真，并且在实时仿真运行前，排除回路设计中的错误；
2） 该软件包含大量接合实际工程如车载液压设备的习题、回路图、实际工程的背景知识，以及实际生产中气动、液压技术的应用等20多段教学影片，可以使课堂教学即生动又接合实际生产；
3） 软件中具有气动、液压等元件原理结构动画效果图、各种类型元件的真实照片及相应主题的应用等课件，如风力发电机中比例阀的应用、插装阀的工作原理及应用机械升降机的应用等等，并且可以根据老师上课的内容进行编辑；
4） 该软件可以通过DDE和OPC及EasyPort与真实的气动、液压系统通讯，模拟仿真系统的运行过程；
可以在该软件中进行Siemens PLC LOGO编程，并且通过虚拟PLC对所设计的回路进行控制。

柱塞泵的原理Flash课件

ii. 机械结构及电气综合布线（或称为逆向工程）基础实验（可在MPS硬件及模拟软件MPS Assistant上完成）
以进料工作单元为例，机电一体化助手软件中有详细的安装图及动化用来演示工作单元的构建过程。如图中介绍了如何使用不同的模块完成供料工作单元,MPS产品完全是由工业元件组成，并且可以在正确使用的情况下进行多次拆装实验，提高学生对机械产品的直观认知性和技能操作水平，从而达到老师教学的目的和实现机电一体化教学的真正意义。

iii. MPS工作站控制动作操作、对实际MPS及虚拟三维MPS进行PLC编程控制(可在MPS硬件及CIROS Mechatronics MPS仿真软件上完成)

PLC输入信号

PLC输出信号

PLC程序状态

iv. 各类工业机械手（ABB、KUKA、Fanuc、三菱等）编程及对MPS制造系统的组态、仿真控制（在CIROS® automation Suite仿真软件上完成）

B. 综合教学功能：
组合成不同大小的机电一体化系统，对其进行安装、调试、通讯、故障分析与排除、设备维护等综合课程的需求；

组合方式之一：
MPS分装系统

组合方式之二：
MPS输送系统

组合方式之三：
MPS测试系统

i. MPS控制系统安装、调试，气、电实际故障设置及排除；
ii. 对虚拟三维MPS进行气、电实际故障设置及排除(可在CIROS Mechatronics MPS仿真软件对每个工作站设置20多种机械、电气、PLC通讯等故障)

教师对工作站各类故障进行设置

C. 机电一体化项目教学功能：
i. 现场总线技术、PLC应用如Siemens 300系列PLC、Siemens LOGO控制器等、工业机器人与装配技术、Handling技术、测试技术、物流传输系统构建、远程通讯技术等等由基础到复杂的项目培训（学校可根据教学要求建立项目）
例如：现场总线Profibus技术培训：
PLC的输入/输出通讯及工作配合
Profibus总线技术
– Fieldbus 系统在自动化领域的应用
– Fieldbus 系统应用标准
– 各种 fieldbus 系统的比较
– 网络布局及访问方式
– ISO/OSI 7 层模式
– 总线 工作单元的连接和编程
– Profibus-DP 基础知识
– Profibus-DP 传输系统
– Profibus-DP 主/从
– 通过STEP 7 配置Profibus-DP 系统
– 连接总线 工作单元及编程

ii. 实际工业的项目培训等等（学校在取得费斯托机电一体化培训授权，可以根据社会、企业需求，开设项目培训等），例如：
如：

4 培训内容举例

1. 气动实验内容
– 物理基础知识
– 控制技术的基础知识及相关术语: 控制回路、信号流，回路图的构成及绘制
– 气动线性工作元件
– 气动换向阀的结构及其原理
– 压力阀、节流阀、开关阀等常用阀的工作原理
– 具有逻辑功能气动元件的工作原理及逻辑控制回路
– 基本控制回路
– 安全防护措施
– 气动元件的结构和功能
– 复合控制
–顺序控制
– 实验回路故障分析及排除

实例：实验名称：油漆桶振荡器

实验目的：
■ 双作用气缸的间接控制使用
■ 在气缸的中间位置使用气动行程开关
■ 在局部范围实现快速移动
■ 根据流量速度确认震动频率
■ 熟悉气动延时阀的结构

实验要求：
■ 画出位移图
■ 搭建气动回路图
■ 比较个人解决方案与最终方案的差异
■ 功能检查
■ 通过调速阀控制搅拌频率
■ 分析气动回路

工况描述
当彩色油漆被到进调漆桶里，他们就在调漆桶里进行融合调配。
按下按钮，伸出的气缸完全缩回并移动到前部的行程范围。通过气动行程开关和气缸中间的气动行程开关搅拌器被限制到气缸缩回位，搅拌器的频率通过减压阀控制，设定压力4bar。
经过一段时间，双作用气缸完全伸出碰到第三个气动行程开关。设定震动时间5s.

5 附录： MPS工作单元介绍
料仓仓库工作单元（S）

功能:

立体仓库分三层，每层可容纳六个工件，分为红色、银色和黑色两组不同的加工工件，如气缸工件和表工件等。两组工件用气抓抓取，线性运动由控制器控制直线气缸完成，旋转运动由集成的伺服驱动装置控制旋转气缸完成。不同的工件生产是根据上位管理机的加工配料单进行的。

技术数据：
– 工作压力 600 kPa (6 bar)
– 稳压电源 24 V DC
– 7 数字量输入
– 5数字量输出

相关附件:
– 仿真盒, 数字量
(订货号： 170 643)
– 加工工件 “气缸缸体”
(订货号： 167 021) 或
“气缸组装件”
(订货号： 162 239)
– 台式稳压电源

用户可根据自己的需要选择PLC控制器装配PLC控制板。

元器件
数量

工作站资料
1

铝合金底板
1

电气设备安装系统
1

I/O 接线端
1
PHOENIX公司
电缆支架
10

铝合金底板连接件
1

工作单元连接发射器
1

工作单元连接接受器
1

过滤调压组件, 40 µm
1

CP 阀岛
1

传送带模块 300mm
2

模拟量光电检测
1

气控分拣模块
1

阻断气缸
1

光电式传感器
4

传输分拣工作单元（T）

功能:

传输及分拣单元可以在系统中作为一个传送带使用，也可以作为加工过程中，加工工件的分流，通过模拟量的光电传感器，对工件进行检测，按照不同类别进行分流，以完成后续不同的工作。
这个工作单元也可以作为加工过程中的缓存，将多处的工件传入纵向的传送带，待工件不足时，再传出，以补充加工的需要。

可能的组合方式
V
H
T
B
SH
HK
HV
M
S
下一个工作站

上一个工作站

技术数据：
– 工作压力 600 kPa (6 bar)
– 稳压电源 24 V DC
– 7 数字量输入
– 5数字量输出

相关附件:
– 仿真盒, 数字量
(订货号： 170 643)
– 加工工件 “气缸缸体”
(订货号： 167 021) 或
“气缸组装件”
(订货号： 162 239)
– 台式稳压电源

用户可根据自己的需要选择PLC控制器装配PLC控制板。

元器件
数量

工作站资料
1

铝合金底板
1

电气设备安装系统
1

I/O 接线端
1
PHOENIX公司
电缆支架
10

铝合金底板连接件
1

工作单元连接发射器
1

工作单元连接接受器
1

过滤调压组件, 40 µm
1

CP 阀岛
1

传送带模块 300mm
2

模拟量光电检测
1

气控分拣模块
1

阻断气缸
1

光电式传感器
4

机械手工作单元

功能:

机械手工作单元将通过滑槽传送至此单元的工件传送到组装平台上。气抓手上的传感器根据颜色（黑色/非黑色）区分工件。组装平台上的传感器监测工件的方位。从组装平台开始，机械手将对工件进行分类并相应放入不同的料仓或直接放到下一个工作单元。将其他工作单元与机械手工作单元组合可完成加工工件的组装。

元器件
数量
订货号：

工作站资料
1
648 814

铝合金底板
1
170 395

电气设备安装系统
1
196 958

I/O 接线端
1
034 035

电缆支架
10
196 965

铝合金底板连接件
2
162 228

工作单元连接接收器
1
196 964

工作单元连接发射器
1
196 963

过滤调压组件, 40 µm
1
152 894

机械手 RV-2AJ，带驱动单元和示教盒
1
197 522

气动抓手控制卡
1
197 529

机械手电气电缆
1
529 137

机械手阀电缆
2
526 890

机械手基座
1
654 970

CP 电磁阀
1
526 223

料仓模块
2
035 646

组装支架模块
1
526 879

气动抓手
1
197 528

滑槽模块
1
660 546

支架模块
1
529 138

漫射传感器
3
526 212

端子板
1
255 833

电缆支架
1
258 235

电缆适配器
1
195 758

小附件 (气管, 扎线带, 导线封套)
1
526 893

完整的工作单元

195 788

底车

120 856

机械手单元
订货号：195 788

技术数据：
– 工作压力 600 kPa (6 bar)
– 稳压电源 24 V DC

编程软件:
– COSIMIR® 工业版
(内容详见软件章节)

18

成品分装单元

功能:

进入成品分装工作单元的加工工件被分别放置在三根不同的滑槽上。当工件被放在传送带起始位置时受到漫射传感器的检测。制动器上方的传感器检测工件的特性（黑色、红色、金属色）。由双作用气缸通过偏针仪控制的分离器将工件分捡到正确的滑槽上。

– 订货号：195 786

技术参数:
– 气动系统工作压力600 kPa (6 bar)
– 工作电压 24 V DC
– 8开关量输入
4 开关量输出

元器件名称
数量
货号
说明手册
1
648 821
铝合金底板
1
170 395
电气安装槽
1
196 958
E/A-接线端
1
034 035
导线固定架
10
196 965
铝合金底板连接件
2
162 228
工作单元的信号发送端
1
196 963
带开关的过滤调压阀，40 µm
1
152 894
CP 阀块
1
196 966
带直流电机的传送带模块，350mm
1
196 962
Leitplankensatz Sortieren
1
654 968
限流控制
1
150 768
摆动模块，（气动）
2
526 230
滑轨模块
3
653 393
阻断模块
1
196 971
反射式光电传感器
2
196 959
光电传感器
1
196 969
电感式传感器
1
196 968
附件
1
526 207
配套组件:

小车

15053852
控制面板

195 764
PLC控制板（ SIMATIC S7-313C-2DP）

533527

17

肌肉缸冲压工作单元（M）

功能:

这个工作单元采用了新型的气动执行元件肌肉气缸，通过压力的调节，控制肌肉气缸的行程，来实现对不同工件的不同冲压加工要求。
肌肉气缸的工作压力可以手动调节，工作单元上也配置了比例压力阀，这样，通过模拟量的控制，也可以很方便的实现自动压力调节（行程调节）。
摆动及直线组合模块，是以一个扁平的道轨气缸与摆动气缸组合构成的。

可能的组合方式
V
H
T
B
SH
HK
HV
M
S
下一个工作站

上一个工作站

技术数据：
– 工作压力 600 kPa (6 bar)
– 稳压电源 24 V DC
– 8 数字量输入
– 7数字量输出

相关附件:
– 仿真盒, 数字量
(订货号： 170 643)
– 加工工件 “气缸缸体”
(订货号： 167 021) 或
“气缸组装件”
(订货号： 162 239)
– 台式稳压电源

用户可根据自己的需要选择PLC控制器装配PLC控制板。

元器件
数量
备注
工作站资料
1

铝合金底板
1

电气设备安装系统
1

I/O 接线端
1
PHOENIX公司
电缆支架
10

铝合金底板连接件
1

工作单元连接发射器
1

工作单元连接接受器
1

过滤调压组件, 40 µm
1

CP 阀岛
1

摆动及直线组合模块
1

肌肉气缸模块
1

压力检测
1

模拟量电信号接线端
1
PHOENIX公司
比例压力阀
1

24

真空取放工作单元（HV）

功能:

真空取放工作单元，可以作为一个进了单元，也可以作为一个补充的加料单元，由扁平气缸构成的二维抓去机构，配以真空吸盘，可将滑轨上滑下的工件，传送到主传送带上，继续传到下一个工作单元。
传送带中部的分拣模块，可以阻挡传送带上的工件，以等待出口或下一工作单元的状态，或等待Pick&Place模块将滑槽上的工件，添加到主传送带上。（如：将表面加到表壳上）

可能的组合方式
V
H
T
B
SH
HK
HV
M
S
下一个工作站

上一个工作站

技术数据：
– 工作压力 600 kPa (6 bar)
– 稳压电源 24 V DC
– 7 数字量输入
– 5数字量输出

相关附件:
– 仿真盒, 数字量
(订货号： 170 643)
– 加工工件 “气缸缸体”
(订货号： 167 021) 或
“气缸组装件”
(订货号： 162 239)
– 台式稳压电源

用户可根据自己的需要选择PLC控制器装配PLC控制板。

元器件
数量

工作站资料
1

铝合金底板
1

电气设备安装系统
1

I/O 接线端
1
PHOENIX公司
电缆支架
10

铝合金底板连接件
1

工作单元连接发射器
1

工作单元连接接受器
1

过滤调压组件, 40 µm
1

CP 阀岛
1

Pick&Place模块
1

电控分拣模块
1

传送带模块 300mm
1

滑漕光电式传感器
3

供料工作单元（V）

功能:

供料工作单元的主要作用是为加工过程逐一提供加工工件。在管状料仓中最多可存放8个工件。供料过程中，双作用气缸从料仓中逐一推出工件，接着，转换模块上的真空吸盘将工件吸起，转换模块的转臂在旋转缸的驱动下将工件移动至下一个工作站的传输位置。

可能的组合方式
V
H
T
B
SH
HK
HV
M
S
下一个工作站

上一个工作站

技术数据：
– 工作压力 600 kPa (6 bar)
– 稳压电源 24 V DC
– 7 数字量输入
– 5数字量输出

相关附件:
– 仿真盒, 数字量
(订货号： 170 643)
– 加工工件 “气缸缸体”
(订货号： 167 021) 或
“气缸组装件”
(订货号： 162 239)
– 台式稳压电源

用户可根据自己的需要选择PLC控制器装配PLC控制板。

元器件
数量
备注
工作站资料
1

铝合金底板
1

电器设备安装系统
1

1/O接线端
1
PHOENIX公司
电缆支架
10

铝合金底板连接件
2

工作单元连接接收器
1

过滤调压组件，40um
1

CP阀岛
1

送料模块
1

转换模块
1

光栅
1

真空压力开关
1

小附件
1

功能:

操作手工作单元配置了柔性2-自由度操作装置。漫反射式光电传感器对放置在支架上的工件进行检测。提取装置上的气抓手将工件从该位置提起，气抓手上装有光电式传感器用于区分“黑色”及“非黑色”工件，并将工件根据检测结果放置在不同的滑槽中。本工作单元可以与其他工作单元组合并定义其他的分类标准，工件可以被直接传输到下一个工作单元。

元器件
数量
订货号：

工作站资料
1
655 633

铝合金底板
1
170 395

电气设备安装系统
1
196 958

I/O 接线端
1
034 035

电缆支架
10
196 965

铝合金底板连接件
2
162 228

工作单元连接接收器
1
196 964

工作单元连接发射器
1
196 963

过滤调压组件, 40 µm
1
152 894

CP 阀岛
1
526 872

支架模块
1
195 777

PickAlfa 模块
1
526 215

滑槽模块
2
653 393

漫射式传感器
2
526 212

小附件 (气管, 扎线带, 导线封套)
1
526 866

底车

15053852

控制面板

195 764

带有SIMATIC S7-313C_2DP 的PLC控制板

195 770

526 875

气操作手单元
订货号：195 783

技术数据：
– 工作压力 600 kPa (6 bar)
– 稳压电源 24 V DC
– 8 数字量输入
– 5 数字量输出

本工作单元的培训内容：
机械:
– 工作单元的机械安装
气动:
– 气动元器件间的管路连接
– 气抓手
– 气动线性驱动器
电气:
– 电气元器件的正确布线
传感器:
– 正确使用限位开关
PLC:
– PLC的编程及应用
– 控制操作手装置
系统调试:
– 完整加工顺序的调试
– 工作周期的优化
– 气源或电源损失情况下的安全措施

功能:
直流电机传送带，长度：700 mm

作为系统工作单元之间的连接和扩展，可以加再任何的工作单元之间，中部配有分拣模块，加上前、后及中部的光电式传感器，可控制工件传送的节奏，起到缓存的作用。
传送带采用SIEMENS公司的LOGO控制器来控制。
作为今后的扩展，也可将电机更换成交流电机，采用SIEMENS的变频器实现交流变频控制。

直流电机传送带单元
订货号：534362

安装系统附件:
– 铝合金底板
350 x 700 mm
–
控制附件:
– LOGO! 微型控制器
LOGO! 编程电缆
编程软件
LOGO! Soft Comfort

元器件名称
数量
订货号：

传送带模块 700
1
532 939

导轨组 700
1
532 947

导轨端盖
1
532 949

导轨安装件
1
532 950

直流电机
1
532 941

启动电流限制器
1
150 768

直流电机连接电缆
1
532 943

夹紧/推料模块
1
532 953

光栅
2
196 960

漫射传感器
2
196 959

I/O 接线端
1
034 035

I/O 数据电缆
1
167 122

4 mm 连接电缆
1
381 525

元件底盘
1
342 034

全套设备订货号

534 362