CN105390048A - 一种并行多用途教学实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并行多用途教学实验平台，包括仓库，所述仓库用来存放实验部件；连接入仓库内实验部件的自动出库单元，该自动出库单元与实验器材领用终端连接；实验器材领用和归还终端，用于学生领用和归还实验器材；实验操作平台，用于学生进行实验操作和远程在线交互；门禁系统，用于鉴权进入者信息。本发明公开的技术方案，提高了智能无人化管理水平，降低了学校的教学实验设备投入，可以并行为多个学生同时提供实验器材，且有效降低了实验教师的工作压力。

Description

一种并行多用途教学实验平台

技术领域

本发明涉及一种教学实验平台，具体应用于学校教学进行机电一体化综合教学实验。

背景技术

机械基础实验室是机械本科生学习机械基础类课程的主要实验场所，受制于实验室中场地大小、设备容量和教学时间的限制，学生只能做一些简单、经典的认知实验(陈列柜)、拆装实验和测绘实验(减速器、发动机、变速器、小型台钻等)等，实验内容验证性的居多，缺乏主动性和独立思考能力的训练，不利于学生动手能力和创新能力的培养。

近年来新兴的机械创新(设计)实验室，尽管加入了若干可通过调节参数改变机械性能的新实验设备，并能够进行机构的平面运动和三维运动组合设计，提高了实验的灵活性，但整个结构依旧受制于固有的实验台限制，无法实现新功能的添加。

申请人综合分析了导致上述这些问题的原因，发现主要是实验室内部空间利用率过低、实验器材缺乏组合使用的灵活性导致的，如果能够找到一种提高机械基础实验室的空间利用率，减小设备重复投入并提高实验器件和设备的利用率的技术方案，显然有助于提高学生的实验热情，降低实验室的管理和使用成本。

发明内容

针对现有技术的需要，申请人经过大量实践和研发，将仓储技术、信息技术相结合，获得了一种适用于实验室环境的教学实验平台，该平台实现了不同学生存取实验器材的并行化处理，且实验器材利用率提高。

具体的说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种并行多用途教学实验平台，包括仓库，所述仓库用来存放实验部件；连接入仓库内实验部件的自动出库单元，该自动出库单元与实验器材领用终端连接；实验器材领用和归还终端，用于学生领用和归还实验器材；实验操作平台，用于学生进行实验操作和远程在线交互；门禁系统，用于鉴权进入者信息。

为了便于获取实验器材信息，在实验器材单体内部嵌有RFID标签，标签内含有该实验器材的基本信息。在使用时，实验器材领用和归还终端、实验操作平台上的电脑可均安装和连接RFID读卡器，以便及时读取和获得实验器材的信息，或在电脑上显示与该器材有关的实验内容和使用方法。

本发明的实验平台在使用时，工作流程为：(1)学生自主通过实验室门禁系统进入实验室；(2)然后在领用终端使用电脑选择试验所需要的实验部件；(3)自动出库单元将学生选取的部件运送给学生；(4)学生取到部件后来到实验操作平台独立完成实验，如有问题可以通过呼叫按钮或者电脑的的交流软件寻求指导老师的帮助；(5)试验完成后，在必要情况下指导老师可通过远程视频对学生此次实验进行评价打分；(6)学生归还部件到归还终端，入库；(7)以上整个过程在实验室的服务软件中记录，以备查询。

为了提高仓库的存储和使用效率，便于分类管理，所述仓位为立体仓储结构，内部由多个仓库隔间构成，每个仓位具有一套自动出仓机械装置，每个仓库隔间具有门。

在此基础上，为了与自动出库单元对接，实现自动化操作，所述自动出仓机械装置具有所放部件的特征，且不失一般性；所述门由具有计数功能的电磁锁开关。该电磁锁连接到自动出库单元，由自动出库单元控制其开启和关闭。

在本发明的技术方案中，自动出库单元是整个装置的运转核心，利用自动出库单元实现实验器材的快速运输。

其中，所述自动出库单元包括机械单元和控制单元，其中机械单元包括安装在输送带支架上的辊轴，辊轴上具有由电动机通过链传动带动的皮带；控制单元包括处理器，在处理器上连接有键盘模块、电源模块和Flash存储模块，该处理器通过电机驱动器与机械单元的电动机连接。

通过上述结构，电动机带动皮带将仓库中的实验器材快速运出；而控制单元从电脑得到学生选择器件信息(器件名称、个数)，将数据通过RS485总线传输到下位机的处理器，从而控制机械部分准确到达所指定位置选取器材并传送到选取器材终端。

其中，控制单元的处理器还连接有LED指示灯，该LED指示灯安装于仓库的门。

利用LED灯作为指示器，能够便捷、快速、可视化的显示仓库的开关。

其中，控制单元的处理器还连接自动出仓机械装置控制器，用于将部件自动运出所在的仓位；连接电磁锁驱动电路，用于开关仓库隔间门上的具有计数功能的电磁锁。

利用该结构，仓库内的隔间(仓位)可自动根据获取实验器材需要开启电磁锁，取出实验器材。

进一步的，控制单元的处理器还连接有RFID读卡模块，该RFID读卡模块用于读取操作者信息和鉴权；无线通信模块，用于操作者在移动状态下控制自动出库单元。

上述的无线通信模块可以是蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等，考虑到功耗、成本等需要，优选为蓝牙无线通信模块。

其中，实验操作平台设有电脑、实验区域、摄像头、呼叫按钮和学生卡读卡器。

上述的学生卡读卡器连接到实验操作平台上的电脑，用于获取和记录学生的信息；上述摄像头，用于指导老师远程检查实验结果，给学生评分；上述的呼叫按钮，用于向值班教师产生呼叫信号，以便教师及时解答学生的问题；上述的电脑可以用于播放实验教学视频、实验用配套软件和远程交流等；上述的实验区域用于存放领用的实验器材和实验必须的工具，并进行实验。

在本发明中，实验器材领用和归还终端设有电脑，该电脑连接至自动出库单元、与电脑连接的RFID读卡器、与电脑连接的手持扫描装置。

通过该结构，RFID读卡器用于读取、验证学生身份，电脑对学生所选器材的信息进行分类管理和记录，并将所需器材信息传输到自动出库单元由其将相关实验器材从仓库运输到终端；上述的手持扫描装置扫描学生所归还的实验器材，并传送到电脑数据库，在对应学生的信息栏下，对其所借出的实验器材进行归库整理。

本领域技术人员容易理解，为了加快实验器材的领用和归还效率，可将二者分开设置于不同位置，以便使学生领用和归还器材更有秩序。

由于上述整个教学实验平台分布在教学实验室内，需要在实验室的入口门设置门禁系统，此门禁系统在硬件上包括电磁锁、RFID卡读卡器、执行机构，可读取学生卡等信息，并执行门的打开和关闭从而控制和管理学生的出入。

在进一步改进中，可在门禁系统中设置无线通讯系统，便于进行远程集中管理和监控。

本发明的技术方案，减少了实验室场地需求和实验室管理成本，降低了实验室设备投入，提高实验室设备的利用率，减轻了专任教师带实验课程的工作量，有助于学生充分利用器材提高学习积极性和发挥创造能力，几乎实现了实验室的智能无人化管理。

附图说明

图1为本发明教学实验平台的结构体系示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明技术方案的原理，申请人在下述实施中提供了本发明的具体实现以及可采用的各种元件和器件。如下所提供的装置和结构仅为示意性的，并不对本发明构成特别限定。

参考图1，本发明的教学实验平台，包括有多个隔间(仓位)10构成的立体仓库1；贯穿整个仓库并延伸至实验器材领用终端31的自动出库单元2；在领用终端的另一侧设有实验器材归还终端32；在实验室的实验区域设有多个实验操作平台4，每个实验平台上均设有安装了电脑的实验桌41；在实验室的出口处设有安装了门禁系统的门5。

其中，仓库采用多个隔间(仓位)构成的立体仓库，每个隔间用于存放不同种类的机械零件、机构、典型机器部件。每个仓库隔间采用单独管理，且设计有独立的门和自动出仓机械装置，门配有具有计数功能的电磁锁，该电磁锁的开关由自动出库单元的处理器控制。

其中，自动出库单元根据领用终端的PC机得到的学生选择器件信息(器件名称、个数)，将数据传输到出库单元的处理器，由处理器控制机械部分准确地到达所指定位置选取器材并传送到选取器材终端。自动出库装置分为机械和电子设计两部分。

在机械单元中，其基本结构为输送带支架、皮带及辊轴、电动机，其中，输送带安装在整个输送带支架上，在输送带支架的两端设置有伸缩装置，方便皮带的张紧。所用的输送带根据所需理化性能选择合适的材料制成，一般选用聚酯织物芯输送带。输送带在辊轴带动下运动，辊轴可从市场上购买，一般由转轴、轴承、挡圈及辊套组成。电动机通过传动链条带动辊轴实现输送带的移动，考虑到实验室环境大小，一般选择传动速度0-0.5m/s的小功率带调速功能的减速电机，例如51K60RGN-CF减速电机，其工作电压为220v，输出功率为60w，输出转速为50-100转/min，自带调速功能。与该电机相匹配的链传动结构设有增速机构。通过采用链传动，避免了弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比，需要的张紧力小，作用在轴上的径向压力也小，可减少轴承的摩擦损失。

链传动的结构设计可以根据电机的工作参数做相应调整。具体到本发明所用的51K60RGN-CF，采用的链条参数为链轮齿数传动比0.52、链条节数47节、链条节距6mm、中心距84mm。

在上述结构中，主动链轮分度圆直径D1＝56mm，从动链轮分度圆直径D2＝28mm；内链板高度：h1＝4.8mm，h2＝2.4mm；链轮齿宽：bb1＝4mm，bb2＝4mm。如上参数仅为一种示例。

在上述中，所用输送带辊轴采用60000系列的深沟球轴承，例如61801深沟球轴承，即可与辊套及转轴配合。

在控制单元中，由于处理器只需要控制简单的开关变量，为降低成本，提高系统的可靠性，所述处理器优选采用STC系列的单片机，例如具有双串口的STC12C5A60AD单片机。

在控制单元的电源模块部分，采用12V电源给电磁锁供电，5V给单片机和其它模块供电。上述降压实现是本领域易于实现的。

在控制单元的键盘模块部分，优选采用矩阵按键作为输入设备。

在控制单元连接的LED模块部分，LED灯作为仓库箱子开关的指示灯，默认都是熄灭的，打开时LED点亮，关闭时LED灯熄灭，此外如有突然断电，状态保存到Flash存储芯片中。

在控制单元的Flash模块部分，在电路中添加非易失Flash芯片24C02。24C02是基于I²C-BUS的存储器件，遵循串行二线制协议。

在读卡器部分，控制单元采用了RFID卡读卡模块，具体采用了杭州灿宇科技有限公司的CY-1443A-T非接触式IC卡读写器，该读写器通过串口与控制器连接。

在控制单元的通信模块部分，是用来和作为上位机的电脑进行通讯。在本发明中，选择了KLK-MD-BC04-B蓝牙模块作为通信模块。

在控制单元中，所连接的电磁锁驱动电路，用于开关仓库隔间门上的具有计数功能的电磁锁。该驱动电路采用ULN2003，ULN2003ADR是双列16脚封装，NPN晶体管驱动器芯片。芯片内部资源丰富，由七个硅NPN达林顿管和一个消线圈反电动势二极管组成，可用以驱动继电器。

在本发明中，实验操作台上有装载好机械类专业所需软件的电脑常用实验工具摆放和实验区、摄像头、呼叫按钮和读卡模块。学生选取好所需器材后到该平台进行实验操作，若遇到问题，可随时按呼叫按钮或通过电脑上的交流软件向值班老师或指导老师寻求帮助，实验完成后可以开启摄像头，实现老师对实验结果的远程评价打分。

在本发明中，实验器材领用终端包括电脑和与其连接的RFID读卡器。RFID读卡器负责读取、验证学生身份，通过电脑对其所选器材的信息进行分类管理和记录，学生可自由选取相应的器材。

在本发明中，实验器材归还终端是连接到电脑的配有手持扫描装置的实验台。当学生学习完毕后，归还实验器材时，扫描所用实验器材。扫描装置收集到信息后传送到电脑数据库，在该生的信息栏下，对其所借出的实验器材进行归库整理。

为了保证实验室安全，还可以在实验室上安装完整的门禁系统，门禁系统的单片机通过能够实现机械零部件存取状态判断的智能系统，通过实时监控来达到自动开放和关闭的功能。

通常，上述门禁系统基于RFID的机械电磁锁进行工作，整个门禁系统主要由电磁锁、RFID卡读卡机、执行机构和无线通信模块四部分构成。机械部分采用电磁锁装置，身份验证信息通过RFID卡读卡机读入，并通过无线通信模块将读到的信息上报到实验室的服务软件中记录，执行机构负责门的开启和关闭。

Claims (10)

1.一种并行多用途教学实验平台，其特征在于包括仓库，所述仓库用来存放实验部件；连接入仓库内实验部件的自动出库单元，该自动出库单元与实验器材领用终端连接；实验器材领用和归还终端，用于学生领用和归还实验器材；实验操作平台，用于学生进行实验操作和远程在线交互；门禁系统，用于鉴权进入者信息。

2.根据权利要求1的并行多用途教学实验平台，其特征在于所述仓位为立体仓储结构，内部由多个仓库隔间构成，每个仓位具有一套自动出仓机械装置，每个仓库隔间具有门。

3.根据权利要求2的并行多用途教学实验平台，其特征在于所述门由具有计数功能的电磁锁开关。

4.根据权利要求1的并行多用途教学实验平台，其特征在于所述自动出库单元包括机械单元和控制单元，其中机械单元包括安装在输送带支架上的辊轴，辊轴上具有由电动机通过链传动带动的皮带；控制单元包括处理器，在处理器上连接有键盘模块、电源模块和Flash存储模块，该处理器通过电机驱动器与机械单元的电动机连接。

5.根据权利要求4的并行多用途教学实验平台，其特征在于控制单元的处理器还连接有LED指示灯，该LED指示灯安装于仓库的门。

6.根据权利要求4的并行多用途教学实验平台，其特征在于控制单元的处理器还连接有自动出仓机械装置控制电路，用于自动将仓位中所放的部件自动运送出来.

7.根据权利要求4的并行多用途教学实验平台，其特征在于控制单元的处理器还连接有电磁锁驱动电路，用于开关仓库隔间门上的具有计数功能的电磁锁。

8.根据权利要求4的并行多用途教学实验平台，其特征在于控制单元的处理器还连接有RFID读卡模块，该RFID读卡模块用于读取操作者信息和鉴权；无线通信模块，用于操作者在移动状态下控制自动出库单元。

9.根据权利要求1的并行多用途教学实验平台，其特征在于每个实验器材嵌入有RFID标签，标签内含有该实验器材的信息。

10.根据权利要求1的并行多用途教学实验平台，其特征在于实验器材领用和归还终端设有电脑、与电脑连接的RFID读卡器、与电脑连接的手持扫描装置。