光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置在機(jī)電類課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘要:傳統(tǒng)的教學(xué)儀器設(shè)備主要為了滿足某門課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的需要，缺乏對學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置融合了機(jī)械、電氣、PLC、氣動(dòng)、傳感等多種技術(shù)，采用了開放式和模塊式結(jié)構(gòu)，方便對學(xué)生進(jìn)行綜合技能的培養(yǎng)。本文主要針對光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置的基本構(gòu)成、主要功能進(jìn)行了闡述，并基于此裝置進(jìn)行機(jī)電類課程模塊設(shè)計(jì)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，以《電氣控制與PLC》課程為例，探索理實(shí)一體化教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞:光機(jī)電一體化;實(shí)訓(xùn)裝置;理實(shí)一體化教學(xué);項(xiàng)目化教學(xué);模塊化教學(xué)

中圖法分類號:TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)01-254-03

Application of the Opto-Mechatronics Practice Training Equipment in Course Teaching of Mechanical Specialty

FANG Gui-sheng， SUN Ping

(Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College， Hangzhou 310018， China)

Abstract: The traditional teaching equipment is mainly used to verification experimental teaching. It is deficient to foster students practical ability and creativity. The opto-mechatronics practice training equipment which adopts open architecture and modular structure， applies various technologies， such as mechanical technology， electrical control technology， PLC technology， pneumatic technology， sensing technology to train students comprehensive ability. In this paper basic structure and main functions of the opto-mechatronics practice training equipment are introduced. Some course modules and course projects of mechanical specialty are designed based on the equipment. Finally， by making an example in the electrical control and PLC course teaching， the teaching method combining theory with practice is described.

Key words: opto-mechatronics; practice training equipment; teaching combining theory with practice; project teaching; modular teaching

1 概述

職業(yè)教育的核心是提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和分析解決實(shí)際問題的能力。傳統(tǒng)的職業(yè)教育模式是專業(yè)理論課和實(shí)訓(xùn)課分開進(jìn)行，其弊端是理論和實(shí)踐相分離，重理論而輕實(shí)踐，教師教學(xué)缺乏新意，上課枯燥乏味，學(xué)生聽課不感興趣，上課昏昏欲睡，這樣直接造成的后果就是培養(yǎng)的學(xué)生動(dòng)手能力差，解決實(shí)際問題的能力差，課程教學(xué)難以達(dá)到職業(yè)教育培養(yǎng)目標(biāo)的要求。解決該問題的關(guān)鍵是適當(dāng)引入實(shí)訓(xùn)設(shè)備，探索理實(shí)一體化教學(xué)模式。

理實(shí)一體化教學(xué)作為職業(yè)院校專業(yè)教學(xué)中探索創(chuàng)新的一種教學(xué)模式，它強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，將理論學(xué)習(xí)和實(shí)際訓(xùn)練緊密結(jié)合起來，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，全程構(gòu)建素質(zhì)和技能培養(yǎng)框架，豐富課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)質(zhì)量。理實(shí)一體化教學(xué)要求學(xué)校建立專業(yè)教室，配備相應(yīng)的專業(yè)設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)設(shè)施，將有關(guān)專業(yè)設(shè)備和教學(xué)設(shè)備同置一室，將專業(yè)理論課和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)安排在專業(yè)教室中進(jìn)行教學(xué)[1-2]。

高職高專機(jī)電類課程教學(xué)大多需要實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的支撐。傳統(tǒng)的教學(xué)儀器設(shè)備主要為了滿足某門課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的需要，缺乏對學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置融合了機(jī)械、電氣、PLC、氣動(dòng)、傳感等多種技術(shù)，采用了開放式和模塊式結(jié)構(gòu)，可滿足《電氣控制與PLC》、《機(jī)電一體化設(shè)備安裝與維護(hù)》等多門課程理論實(shí)踐一體化教學(xué)的需要。正是基于以上考慮，我校在省財(cái)政的支持下，面向機(jī)電一體化、數(shù)控技術(shù)、電氣自動(dòng)化等專業(yè)課程教學(xué)的需要，引入了光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置和模塊化生產(chǎn)線等設(shè)備，并積極探索理實(shí)一體化教學(xué)模式，取得了初步成效，顯著提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和社會競爭力。

2 光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置的基本構(gòu)成

2.1 光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置由型材導(dǎo)軌式實(shí)訓(xùn)臺、典型機(jī)電一體化設(shè)備機(jī)械部件、PLC模塊、變頻器模塊、按鈕模塊、電源模塊、低壓電器模塊、模擬生產(chǎn)設(shè)備實(shí)訓(xùn)模塊(包含上料機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)械手、皮帶輸送線、物件分揀等)、接線端子排、各種傳感器、警示燈和氣動(dòng)電磁閥等組成。整體結(jié)構(gòu)采用開放式和拆裝式設(shè)計(jì)，學(xué)生可以組裝、接線、編程和調(diào)試由上料機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)、皮帶輸送線和物料分揀組成的光機(jī)電一體化設(shè)備。裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 裝置主要模塊的基本組成

1) PLC主機(jī):采用了CPU226 AC/DC/晶體管(24路數(shù)字量輸入/16路晶體管輸出)、兩個(gè)RS-485通信口、EM222(8路數(shù)字量輸出)，在PLC的每個(gè)輸入端均有開關(guān)，PLC主機(jī)的輸入/輸出接口均已連到面板上，方便用戶使用。

2) 變頻器模塊:采用西門子MM420變頻器，三相380V供電，輸出功率0.75KW。集成RS-485通訊接口，提供BOP操作面板;集成3路數(shù)字量輸入/1路繼電器輸出，1路模擬量輸入/1路模擬量輸出;具備過電壓、欠電壓保護(hù)，電機(jī)過熱保護(hù)，短路保護(hù)等。提供調(diào)速電位器，所有接口均采用安全插連接。

3) 電機(jī)模塊:包括三相交流異步電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。

4) 低壓電器模塊:配備了交流接觸器、熱繼電器、電子式時(shí)間繼電器、中間繼電器、變壓器、整流電路、能耗制動(dòng)電阻、帶燈按鈕、斷路器、熔斷器、行程開關(guān)、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、速度繼電器、磁性開關(guān)、急停按鈕、復(fù)位按鈕、自鎖按鈕等低壓電器。

5) 氣動(dòng)模塊:包括了靜音氣泵、單桿氣缸、雙桿氣缸、氣動(dòng)手爪、單控電磁閥、雙控電磁閥、旋轉(zhuǎn)氣缸等。

6) 傳感器模塊:具備了電感傳感器、漫反射式光電傳感器、對射式光電傳感器、光纖傳感器，可區(qū)分金屬物料和非金屬物料、不同顏色的物料。

7) 觸摸屏與組態(tài)模塊:配備了深圳步科EVIEW MT4200工業(yè)觸摸屏和EV5000組態(tài)編程軟件。

2.3 裝置主要部件的工作原理[3]

1) 機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)

當(dāng)存放料臺檢測光電傳感器檢測物料到位后，機(jī)械手手臂前伸，手臂伸出限位傳感器檢測到位后，延時(shí)0.5秒，手爪氣缸下降，手爪下降限位傳感器檢測到位后，延時(shí)0.5秒，氣動(dòng)手爪抓取物料，手爪夾緊限位傳感器檢測到夾緊信號后;延時(shí)0.5秒，手爪氣缸上升，手爪提升限位傳感器檢測到位后，手臂氣缸縮回，手臂縮回限位傳感器檢測到位后;手臂向右旋轉(zhuǎn)，手臂旋轉(zhuǎn)一定角度后，手臂前伸，手臂伸出限位傳感器檢測到位后，手爪氣缸下降，手爪下降限位傳感器檢測到位后，延時(shí)0.5秒，氣動(dòng)手爪放開物料，手爪氣缸上升，手爪提升限位傳感器檢測到位后，手臂氣缸縮回，手臂縮回限位傳感器檢測到位后，手臂向左旋轉(zhuǎn)，等待下一個(gè)物料到位，重復(fù)上面的動(dòng)作。在分揀氣缸完成分揀后，再將物料放入輸送線上。

2) 物料分揀機(jī)構(gòu)

當(dāng)入料口光電傳感器檢測到物料時(shí)，變頻器接收啟動(dòng)信號，三相交流異步電機(jī)以30HZ的頻率正轉(zhuǎn)運(yùn)行，皮帶開始輸送工件，當(dāng)料槽一到位檢測傳感器檢測到金屬物料時(shí)，推料一氣缸動(dòng)作，將金屬物料推入一號料槽，料槽檢測傳感器檢測到有工件經(jīng)過時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止;當(dāng)料槽二檢測傳感器檢測到白色物料時(shí)，旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作，將白色物料導(dǎo)入二號料槽，料槽檢測傳感器檢測到有工件經(jīng)過時(shí)，旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)回原位，同時(shí)電動(dòng)機(jī)停止;當(dāng)物料為黑色物料直接導(dǎo)入三號料槽，料槽檢測傳感器檢測到有工件經(jīng)過時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。

3 基于實(shí)訓(xùn)裝置的課程模塊與項(xiàng)目設(shè)計(jì)

光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置融合了機(jī)械、電氣、電動(dòng)機(jī)、PLC、氣動(dòng)、傳感等多項(xiàng)技術(shù)，并面向職業(yè)教育發(fā)展的需要，采用了開放式和拆裝式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)課程內(nèi)容需要選用不同的模塊組合，滿足《電氣控制與PLC》、《液壓與氣動(dòng)控制》、《變頻調(diào)速技術(shù)》、《檢測與傳感技術(shù)》、《機(jī)電一體化設(shè)備安裝與維護(hù)》等多門課程理實(shí)一體化教學(xué)的需要。表1為利用該實(shí)訓(xùn)裝置開發(fā)的課程模塊和教學(xué)項(xiàng)目。

4 基于實(shí)訓(xùn)裝置的理實(shí)一體化教學(xué)

4.1 理實(shí)一體化教學(xué)場地安排

傳統(tǒng)的職業(yè)教育模式是理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)分開進(jìn)行，造成理論與實(shí)踐分離，而且實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室功能單一，設(shè)備利用率低。為了改變這種現(xiàn)狀，突出職業(yè)教育的實(shí)踐性，我校引入了光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置，并根據(jù)現(xiàn)場化教學(xué)的需要，將教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)為現(xiàn)場教學(xué)模式， 建立理論與實(shí)踐一體化教學(xué)的專業(yè)教室，融教室、實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)、考工于一體， 使專業(yè)教室具有傳統(tǒng)教學(xué)、多媒體教學(xué)、實(shí)物展示、演練實(shí)訓(xùn)、考工強(qiáng)化訓(xùn)練和考工等多種功能， 營造出良好的職業(yè)氛圍和環(huán)境。整個(gè)一體化實(shí)訓(xùn)室面積達(dá)150m2，室內(nèi)配備了九臺光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置，一套MPS模塊化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置，以及46臺電腦和投影、音響教學(xué)設(shè)備，配備了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)桌椅、黑板、儀器柜等，可滿足單班課程現(xiàn)場化教學(xué)的需要，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)做于一體，教學(xué)場地布置如圖2所示。

電腦與操作臺區(qū)屬于基礎(chǔ)教學(xué)部分，主要用于知識講解、課程討論、軟件編程、低壓電器實(shí)訓(xùn)等。實(shí)驗(yàn)桌上安裝了網(wǎng)孔板，既用于液晶顯示器的保護(hù)，又可固定常用的低壓電器，作電工實(shí)訓(xùn)用。光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)區(qū)屬于應(yīng)用部分，既可用于單門課程的實(shí)訓(xùn)需要，也可滿足課程綜合教學(xué)的需要，如PLC實(shí)訓(xùn)、變頻調(diào)速實(shí)訓(xùn)、機(jī)電設(shè)備安裝與調(diào)試操作等。模塊化生產(chǎn)線區(qū)屬于高級擴(kuò)展部分，配備了自動(dòng)傳輸、立體倉庫、三坐標(biāo)測量、模擬加工等八個(gè)模塊，模塊與模塊之間采用了以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線進(jìn)行相互連接，側(cè)重于生產(chǎn)線的總體控制實(shí)訓(xùn)等。

4.2 《電氣控制與PLC》理實(shí)一體化教學(xué)思路

我校的《電氣控制與PLC》課程在2005年被確定為省級精品課程，四年來項(xiàng)目組老師根據(jù)我校學(xué)生的特點(diǎn)探索了多種現(xiàn)代化教學(xué)方法，其中效果最顯著的當(dāng)屬基于光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置的理實(shí)一體化教學(xué)模式。以下為實(shí)施該教學(xué)模式而采取的一些有效措施:

1) 課前根據(jù)實(shí)訓(xùn)裝置的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，編寫教學(xué)講義，制作多媒體教學(xué)課件和仿真動(dòng)畫，以提高課程教學(xué)的實(shí)用性和針對性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和趣味性。這部分工作是關(guān)鍵所在，直接關(guān)系到理實(shí)一體化教學(xué)模式能否順利進(jìn)行。

2) 在課程教學(xué)之初，組織學(xué)生到校工程訓(xùn)練中心進(jìn)行參觀，增加感性知識，了解普通車床、銑床、鉆床的工作原理和控制要求，以及實(shí)際的電氣控制電路;了解常用低壓電器、PLC在數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

3) 在講解電氣控制部分時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)桌上放一套常用的低壓電器和電工工具，方便學(xué)生了解各種低壓電器的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)基本控制電路的安裝、調(diào)試方法等。

4) 在講解PLC基礎(chǔ)部分時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)桌上放一個(gè)PLC和一套常用的低壓電器，方便學(xué)生了解PLC的結(jié)構(gòu)、接線方法等;方便學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試基于PLC的電機(jī)控制電路等。

5) 根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，實(shí)行分類教學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)生間的傳、幫、帶作用。對于平時(shí)表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，給與較高的要求，安排較難的設(shè)計(jì)任務(wù)，并要求不光自己學(xué)會設(shè)計(jì)和操作，還需要幫助組內(nèi)的同學(xué)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。對于平時(shí)表現(xiàn)一般的學(xué)生，需要加強(qiáng)引導(dǎo)和督促，適當(dāng)加以鼓勵(lì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。對于平時(shí)表現(xiàn)較差的學(xué)生，則需要給予較多的關(guān)注，必要時(shí)采用強(qiáng)制措施，迫使他們掌握本課程的基礎(chǔ)知識和基本技能。

6) 加強(qiáng)中間過程考核和期末實(shí)踐考核，增添答辯環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的口頭表達(dá)能力，強(qiáng)化學(xué)生綜合技能的培養(yǎng)。對教學(xué)過程中的每個(gè)項(xiàng)目組織考核，并根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行打分，計(jì)入平時(shí)成績。在期末再安排一次實(shí)踐考核，隨機(jī)抽取平時(shí)訓(xùn)練過的項(xiàng)目任務(wù)，并給予評分，計(jì)入總評成績。在實(shí)際操作過程中，這一招對平時(shí)不太愛學(xué)習(xí)的學(xué)生有很大的促進(jìn)作用。

5 結(jié)束語

將光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置引入課程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐一體，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)也提高了教師的教學(xué)業(yè)務(wù)能力。整個(gè)實(shí)訓(xùn)裝置包括了機(jī)械、電氣、PLC、組態(tài)設(shè)計(jì)、氣壓、傳感器等多項(xiàng)知識，不僅要求教師要有過硬的理論知識，更重要是具備綜合運(yùn)用知識和解決問題的能力，隨時(shí)解決學(xué)生在操作中碰到的各種問題。另外新的實(shí)訓(xùn)設(shè)備引入，也需要教師根據(jù)實(shí)訓(xùn)裝置編寫合適的講義，探索新的教學(xué)模式，這樣對教師個(gè)人能力的培養(yǎng)也有很大的促進(jìn)作用。

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