機電一體化工程強化訓練實驗設計與實踐

　　摘要：本文介紹了在華南理工大學廣州學院中，對機械工程學院機電一體化方向開設的工程強化訓練的實驗設計和實踐。對于在獨立院校中，結合職業技能考證開展工程訓練，培養機電一體化方向的應用型、創新型人才的方法進行了探索。
　　關鍵詞：機電一體化 工程訓練 實驗設計
　　中圖分類號：G4文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（b）-0243-02
　　在機電一體化方向的學習中，涉及到的基礎課程很多，包括PLC應用技術、觸摸屏應用技術、液壓氣動技術、傳感器與檢測技術、機電傳動控制技術以及網絡通訊技術等。從單個課程來說，這些科目，應用性都很強。如果僅僅通過理論教學，難以達到教學目的，必須配以足夠多的動手實踐。而在傳統的本科教學當中，學生動手不多，對理解課本上所講述的內容會產生困難。從整個機電一體化的教學來說，其各個基礎課程雖然分開學習，但必須結合應用。在實踐訓練中，認知階段可以分開獨立實驗，關鍵是到了深入階段，要把各個課程結合起來，體現出“一體化”，這樣才能在機電一體化方向的學習中得到提高與突破。為了盡量貼合工業實際，我校為機電一體化方向的學生開設了的工程強化訓練。該工程訓練目的為全面提高機電一體化方向學生的工程實踐能力，鼓勵學生考取可編程序控制系統設計師。這對于本學院來說，是一種新的嘗試，并希望通過對該工程訓練實驗設計的實踐，能夠探索出一種比較適合機電一體化應用型、創新型人才的培養方法。
　　1 實驗設備
　　在工程強化訓練中，最主要的目的是希望學生能夠通過動手實踐，掌握機電一體化的各個基礎課程，并將各個課程從總體上得到把握，從而提高工程實踐能力。其中，學生接觸到的應該是最接近當今工業現場的工程訓練環境。為此，工程訓練所用的實驗設備，應當能夠涵蓋機電一體化的各個訓練內容，具有開放式的，貼近工業現場的操作對象。
　　為此，本學院機械工程學院從廣東省自動化與信息技術轉移中心購置了8臺可編程序控制系統設計師考證設備（以下簡稱“考證臺”）。考證臺能夠實現工件的姿勢辨別，以及工件顏色、材質的分揀。該考證臺作為可編程序控制系統設計師的考證平臺，能夠很好地訓練到了機電一體化的各項內容。
　　為了配合工程訓練中的基礎性練習，一些具有單一功能的實驗設備也參與其中。包括PLC實驗臺、氣動實驗臺、小型分揀機構、小型機械手以及小型數控平臺等。
　　2 實驗課程設計
　　工程強化訓練安排在學期末，每位學生有4周的訓練時間。其中，理論知識還是有必要進行復習和整合，所以安排了一定時間的理論課。理論課與實操課的比例大概為1∶5。本文講述的就是實操課部分的實驗設計。
　　實操部分是采用先整體認識，然后分步練習，最后進行綜合訓練的方式安排實驗時間。實驗基本上分為3個層次進行：（1）整體認識。將考證臺的完整分揀動作做出演示。此時即可向學生闡述本次工程強化訓練的最終訓練效果，以及要達到這個訓練效果所要掌握的技能：PLC應用技術、傳感技術、氣動技術、電機及傳動技術以及一定的電氣知識。（2）分步練習。為了讓學生在進行考證臺上機前打好基礎，對于參加工程訓練的整批學生，分組按順序地先進行基礎訓練。結合現有的實驗設備，基礎訓練內容有：在PLC實驗臺上訓練PLC基本指令以及編程技巧；在氣動實驗臺上認識氣動系統和氣動回路；在小型分揀機構上訓練利用傳感器分揀不同顏色的工件；而通過小型機械手和小型數控平臺的訓練，提高了學生對一個小型項目的設計、安裝、編程到調試的能力，為在考證臺上機前打好基礎。（3）綜合訓練。學生正式在考證臺上機練習，在老師的指導下，完成逐個動作，最后完成整個動作。該部分占據大部分訓練時間。
　　3 實驗內容設計
　　3.1 PLC實驗
　　所使用的實驗臺為傳統的實驗設備，控制對象用彩色LED燈模擬顯示。對于初始階段的PLC學習，該種實驗臺可以滿足訓練要求。該部分的實驗，實驗內容有彩燈交替顯示、數字顯示等比較經典的內容。其實驗重點不在結果，在于過程。對于同一個顯示功能，如何用多種編程方法來完成，這是練習的重點。通過反復地練習這種PLC基礎實驗，能夠讓基礎不扎實的學生得到鞏固，同時也可以鍛煉PLC的編程技巧，以及提高對編程軟件的熟練程度。
　　3.2 氣動實訓
　　在氣動實驗臺上完成幾個基本氣動回路實驗：雙作用氣缸的換向回路、雙氣缸并聯同步回路、雙氣缸串聯同步回路、應用接近開關的順序控制回路。經過這幾個氣動回路的搭建，熟悉氣動系統的組成，熟悉電磁閥的使用。
　　3.3 小型分揀機構
　　分揀機構在考證臺上是比較重要的一部分。利用光電傳感器，能夠將工件的顏色特征加以區分，再通過程序，準確地將符合條件的工件，由氣缸推出。通過這樣一種小型分揀機構，就能夠在進行綜合訓練之前，將“分揀”的幾個核心內容都預先進行練習了。那么，在綜合訓練的時候，“分揀”這部分就會變得相當熟悉了。
　　3.4 考證臺系統綜合設計與調試
　　在考證臺上，一開始就安排了動作演示。并且，給出了各個需要掌握的知識點。當學生上機時，在老師指導下，循序漸進地進行練習。在編程方面，大部分學生使用狀態轉移的方法會比較容易入手。可是，很多細節問題要在練習當中不斷改進。
　　在PLC方面，編程是重點。然而，由于傳統的PLC實驗的控制對象是模擬的，導致在面對實實在在具有機械結構的控制對象時，學生可能會一時不能上手。并且，必須引導學生，要動手調試硬件，使硬件配合所編寫的程序，最后整個系統才能無阻地運行起來。可能會出現這種情況，同一段程序，在機器一上能夠運行，在機器二上卻不可以，這就是因為硬件要做出調試，才能夠適應程序。對于部分接受能力強的學生，可以先介紹PLC的接線，將整臺設備的電氣接線都理清一遍，這對于學生以后完成工程有很大好處。
　　在機電傳動方面，主要的是變頻器的使用。這一部分，要引導學生自己查閱變頻器使用手冊。參數的設置、故障的排除等等。掌握了這一技能，學生在以后的工作當中，即使遇到不同型號的變頻器，只要有一本使用說明書，就可以自己解決問題了。
　　傳感技術方面，電容傳感器、電感傳感器、光電傳感器、磁性開關等，在考證臺上都有應用，最起碼要辨別傳感器的類型，并清楚該種傳感器的使用場合。在使用當中，由于傳感器的檢測距離問題，要適當調整其位置，以及靈敏度，這就是之前所說的硬件調試的一部分。
　　氣動部分，要求學生自己使用電磁閥的開關做出氣路的通斷，從而方便進行其他的工作，如查找PLC的I/O、改變系統機構的位置等。
　　從學生接觸設備到完全能夠獨立練習，需要一個過程，最主要是心理過程。很多學生就是不敢獨立去動手操作，連程序也要有個參考才做下去，這樣只會阻礙學習的進度。應該鼓勵學生走出第一步，編寫程序，然后調試，只要第一步做出來了，以后按步驟地練習，到完成整個動作，這個過程也不需要太久。當練習到一定程度，就可以給出幾個完整的項目，讓學生進行獨立練習了。
　　4 實驗管理組織
　　4.1 分組
　　我校機電方向08級有200人，分兩個班每個班各100人，分別有4周的強化訓練時間。為便于上課管理，每班分為4個小組，每組25人。實驗分組與實驗設備、實驗內容有關，同時考慮到每位學生在實操現場能夠自主完成的內容。
　　學生的分組，應該是既能使每位學生都有獨立完成實驗的機會，同時也能鍛煉學生分工合作的團隊精神。而且，分組之后，實驗設備應能夠在使用合理的情況下，盡可能多地使用。
　　4.2 聯系與交流
　　每個小組設立2名小組長，方便平時實驗的管理與組織。設立了專屬的QQ群。可以隨時進行師生交流。一些消息能夠及時做出公布。平時練習的資料，可供參考的資料，可以實現共享。
　　5 成績考核
　　最后成績，由上機實操考核得出。由于參加實訓的學生人數多，只好采用多人合作完成上機任務的方式來進行考核。最后確定3人一組，在2個小時內，完成一個項目，該項目根據可編程序控制系統設計師（四級）考核來制訂，難度還稍稍降低一點。從考試結果來看，至少60%的同學已經接受了該種實訓方式，能夠達到預期的強化訓練的效果。
　　6 結語
　　在機電一體化方向的學習中，創立工程強化訓練，將傳統的機電一體化實驗模式進行一定的改革，實實在在地將實驗設備設置為貼近工業環境，達到鍛煉學生工程實踐能力的目的。并且，將工程訓練聯系上技能職業證書的考取，能夠幫助學生在以后的社會實踐中增加競爭