基于模塊化生產加工系統的創新實訓教學

摘 要:本文介紹了廣州廣播電視大學機電分校、廣州機電技師學院實訓中心的模塊化生產加工系統(MPS)進行實訓教學的模式，通過探討創新實訓，不斷提高學生的綜合能力，提高設備的利用率，節約教育成本。

關鍵詞:模塊化生產加工系統 創新 實訓 教學

一、引言

隨著科學技術的發展，機電一體化技術在各個領域得到了越來越廣泛的應用。機電一體化設備成為現代化生產設備的主流。工業自動化設備也越來越復雜，不但涵蓋了電氣控制技術、氣動控制技術、液壓控制技術、傳感器技術，而且也涵蓋了可編程控制技術、伺服驅動、數控技術、機器人技術、通訊技術、柔性制造及計算機集成和總線技術等。廣東省目前正在大力發展裝備工業，制造業自動化水平也在迅速提升，急需大批機電專業的高技能人才。廣東省勞動力資源豐富，但是高素質技能型人才卻比較匱乏，這已經成為制約經濟可持續發展的瓶頸之一。在這樣的背景下，為了更快、更好地培養出符合企業需求的技能型人才，廣州市機電技師學院于2004年組建了機電一體化實驗室。

廣州市機電技師學院機電一體化實驗室主要設備是由德國FESTO公司提供的模塊化生產加工系統(MPS即Modular Production System)。在傳統的教學模式中，每門課程單獨講授，都有單一的特定知識點的設備相匹配，比如電控課程對應電控教學設備、氣動技術對應氣動教學設備、液壓傳動對應液壓教學設備等，這些實訓設備和實際的工業自動化設備都有很大的差距，學生沒有機會了解生產一線的實際情況，不利于學生綜合能力的提高，滿足不了現代化企業的要求。模塊化生產加工系統集氣動技術、機械技術、可編程控制技術、傳感器技術、機器人技術、電工電子技術于一體，可以模擬一個與實際生產情況十分接近的控制過程，實現了理論和實踐的完美結合，從而縮短了理論教學和實際應用之間的距離。

在模塊化生產加工系統實訓教學中，圍繞的中心是:充分發揮學生的主體作用，激發學生的創新能力，培養學生的綜合實踐能力，系統地提高學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，使學生養成自覺遵守工業規則、具有工程意識和團隊合作精神。

模塊化生產加工系統提供了一個半開放式的學習環境。雖然每一個模塊的結構是固定的，但是設備的執行機構怎樣運作、各模塊之間怎樣配合、模擬什么樣的生產加工過程等，學生可以根據自己擁有的知識自行設計。因此在模塊化生產加工系統實訓教學中，以教師為主導，學生為主體，由學生自己組裝、編程、調試、運行、排除故障。這種新的實訓教學模式，充分發揮了學生的主觀能動性，取得了比較好的教學效果，同時提高了設備的利用率，節約了教育成本。

二、教學設備的組成和功能

1.基本組成

(1)TP101(氣動實訓設備)、TP201(電控氣動設備)

TP101和TP201是和模塊化生產加工系統(MPS)教學設備相配套的基礎教學設備，由分立的元件組成。

(2)模塊化生產加工系統(MPS)

由供料單元、檢測單元、加工單元、操作手單元、緩沖單元、機械手單元、組裝單元、成品分揀單元等8個單元組成。每一個單元都有一個控制器可以獨立運行，同時每一個單元都是一個機電一體化系統，每個單元的執行機構主要是氣動執行機構，這些執行機構的位置由傳感器來檢測。

模塊化生產加工系統教學設備上應用了很多傳感器，比如舌簧式行程開關、微動開關、光電傳感器、電感傳感器等。傳感器技術是機電一體化技術中的關鍵技術之一，也是現代工業自動化的重要保證。

控制方面，模塊化生產加工系統教學設備采用PLC控制。用戶可以選用不同廠家的PLC。學生可以編寫一定的生產工藝過程，然后通過對PLC的編程實現對工藝過程的控制，從而實現對模塊化生產加工系統的控制。

2.基本功能

TP101(氣控氣動實訓設備)、TP201(電控氣動設備)是一些分立的元件，學生可以自行設計簡單回路，并進行組裝、調試、運行。這些分立元件都是便捷安裝形式，不需借助工具，便于學生拆裝。

MPS是模擬生產加工系統的教學培訓裝置。MPS將德國的先進的教學理念展現在我們面前。MPS的每一個單元都有自己的控制部分和執行部分，每一個單元都可以單獨運行。MPS設備的每個單元都有最基本的功能，學生在此基礎上進行設計和開發。

(1)供料單元的基本功能:按照需要將放在料倉中的工件逐一提取，并放置在第二單元的起始位置。

(2)檢測單元的基本功能:將工件進行顏色和材質的識別，并進行高度檢測，符合要求的工件傳送到下一個單元，不符合的工件分流到下方的軌道。

(3)加工單元的基本功能:將工件進行模擬鉆孔加工。

(4)操作手單元基本功能:將工件從加工單元取走，送至緩沖單元。

(5)緩沖單元基本功能:可以存放并分離5個工件。

(6)機械手單元基本功能:將通過滑槽傳送至此單元的工件進行抓取，放置在組裝平臺上。氣抓手上的傳感器可以區分工件的材質，組裝平臺上的傳感器可以檢測工件的方位。根據不同的組合，機械手對工件完成組裝并把工件放置到下成品分揀單元。

(7)組裝單元基本功能:必須與機械手一起使用，為工件的組裝提供工件。

(8)成品分揀單元基本功能:將工件按顏色和材質不同，分別從不同的滑槽分流。

三、實訓教學的開展

根據機電一體化實驗室的配置情況，實訓教學分兩個層次進行實施。

1.基礎部分(TP101和TP201)

與模塊化生產加工系統教學設備配套的基礎實訓設備有TP101和TP201兩種實訓設備，每一種設備共有9套。

實訓教學流程:

(1)將學生分成9個小組，自主產生組長，負責實訓過程的管理。

(2)元器件的識別。

(3)元器件的拆卸。

(4)用FluidSIM軟件進行回路設計(包括氣回路和電氣回路)。

(5)PLC編程、下載。

(6)回路連接。

(7)回路調試、故障排除和正常運行。

(8)實訓結束。

整個實訓過程以學生為主體，教師為指導者，學生分組實訓，教師巡回指導和評判，及時掌握和評判實際的操作過程，評判采用計時或分段檢查的方法。充分發揮學生的主觀能動性，激發學生的學習興趣，培養學生利用所學知識加以綜合運用的能力、獨立思考能力和團隊合作精神。

2.提高部分

提高部分以模塊化生產加工系統教學設備為平臺，對模塊化生產加工系統進行解剖分析、裝配、編程、調試、糾錯，對自動生產線系統的組成、結構、原理、系統控制等進行深入了解，進一步培養感性認識和實際動手能力。要求學生能夠利用所學知識熟練進行自動化生產線組裝、故障診斷排除等。MPS采用和實際生產相同的工業元件，猶如親臨生產現場。

實訓教學流程:

(1)MPS運行介紹。

(2)各工作站的分析。

(3)各工作站的拆解。

(4)單臺工作站的拆解分析。

(5)單臺工作站的解剖分析。

(6)單臺工作站的組裝。

(7)單臺工作站的氣路連接。

(8)單臺工作站的電路連接。

(9)單臺工作站的電氣路故障排除。

(10)單臺工作站的電氣路的調試。

(11)工作站連調、糾錯。

(12)系統正常運行。

實訓過程的具體步驟:

(1)工作站工藝流程分析。

(2)元器件的識別。

(3)工作站的拆解。

(4)工作站的安裝。

(5)氣動回路圖的分析。

(6)調節氣動回路。

(7)電路圖的分析與設計。

(8)電器元件的安裝。

(9)I/O分配。

(10)PLC程序編程、下載。

(11)氣電綜合調試。

(12)工作站之間的通訊、調試。

(13)MPS運行正常。

(14)更換不同廠家的PLC，比如用三菱的FX2N-48MR取代西門子的S7-300。重復以上步驟。

(15)實訓結束，整理工位。

在實際的實操教學中，每個教學班分成9個實訓小組，每一個學生均衡承擔一定的獨立任務。在整個實操過程中，學生是主體，教師是指導者，及時指導和評判，及時掌握和評判實際的操作過程。在實訓方法上，為了激發學生參與的熱情、主動性和團隊合作精神，穿插小組之間或個人之間的指定競賽項目，比如:工作站的組裝競賽、編程競賽等。各項目的評判采用計時或者分段檢查等方法。實踐證明，這是一種有效的方法，學生的責任心、組織技巧、理論指導實踐的能力、分析問題和解決問題的能力、判斷能力被高度調動起來。本課程的實訓理念是:在輕松的訓練環境中，使學生完成對機電一體化設備組成、結構原理、系統控制的學習。

在機電一體化的培訓過程中培養了學生三個方面的能力:第一是職業能力;第二是個人能力;第三是社會能力。使學生的綜合素質得到全面提升。

四、結束語

利用模塊化生產加工系統進行實訓，氣動技術、電氣技術、傳感器技術、可編程控制技術既可以分別學習和訓練，又可以相互結合組成綜合的訓練系統，形成真正的機電一體化的訓練裝置。每個學生都能參與其中，又共同協作，極大地提高了學生的積極性，培養了學生的職業能力、個人能力和社會能力。模塊化生產加工系統采用實際的工業元件，更大限度地接近生產實際，實現學校和企業的無縫對接，符合“校企合一”的教學理念，更好地滿足現代化企業的要求，為學生的就業打下良好的基礎。同時采用半開放式的實訓教學，既可以完成西門子PLC的學習，還可以完成三菱PLC的學習，除了提高學生的職業能力以外，還充分提高了設備的利用率，節約教育成本。

參考文獻:

1.劉增輝主編.《模塊化生產加工系統應用技術》.電子工業出版社

2.莊煥偉.《基于柔性制造系統的創新實訓教學》.廣東技術師范學院學報.2008年第12期

3.MPS使用說明及實驗指導書》.FESTO有限公司上海培訓部

4.《氣壓與液壓傳動控制技能訓練》.任惠榮主編

5.FESTO有限公司提供的相關資料