基于工程任務的模擬實訓教學設計及實踐

單光坤 孫興偉 梁全 姜彤

摘? 要 實訓以工程設計任務的形式下達，學生在模擬實訓教學過程中要綜合運用PLC控制技術、氣動應用技術、傳感器技術、機器人應用技術等知識，完成復雜系統的控制、編程、裝配和調試任務。本實訓作為一條教學主線，將多門專業知識貫穿起來，使之成為骨肉相連的有機整體，促進學生主動學習，提高學生的實踐操作能力。

關鍵詞 機械制造及其自動化;實訓教學;工程教育;PLC控制

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）10-0134-03

Abstract Practical training is issued in the form of engineering design tasks. In the process of simulating practical training， students should comprehensively apply PLC control technology， pneumatic application technology， sensor technology， robot application tech-nology and other knowledge to complete the control， programming， assembly and debugging tasks of complex systems. As a main line?of teaching， this practical training runs through multiple professional knowledge， making it an organic whole， stimulating students lear-ning initiative and improving students engineering practice ability.Key words machinery manufacturing and automation; practical trai-ning teaching; engineering education; PLC control

1 引言

全球的經濟發展推動高等教育邁向工程教育范式，我國的高等教育追隨社會的進步，已經從過去的“精英型”走向“大眾化”。用人單位對高校畢業生的要求越來越高，既要求高校畢業生具有優秀的專業成績，還要求學生誠實守信，有較強的敬業精神、良好的團隊精神和創新意識。此外，學生的心理素質和環境適應能力也是用人單位關注的主要方面[1-2]。社會需要能適應和滿足工程技術發展的人才，更渴望能夠引領未來發展的綜合型人才。高等教育就是要培養我國產業發展所需要的人才，這是教育的根本。

針對人才需求與大學畢業生工程能力的銜接問題，沈陽工業大學將CDIO工程教育理念應用到機械制造及其自動化專業實際的教學環節中，構建機電一體化實訓項目[3-4]。實訓項目以提高綜合工程項目設計能力為教學目的[5]，以學生主動學習專業知識、教師負責知識引領為教學方法，以學生自己動手設計并搭建生產設備的控制平臺、教師全過程監控為教學手段，達到激發學生學習的主動性，提高學生工程實踐能力，增強學生就業競爭力的效果。

2 實訓教學培養目標

沈陽工業大學機械工程學院為加強實訓教學環節，基于機械制造及其自動化專業的課程體系實施項目教學，其中三級項目為與課程配套的實驗、課程設計和專業實習，二級項目為專業實訓，一級項目為頂崗實習和畢業設計。

在二級項目中增設機電傳動與控制大型集中項目訓練這個實訓環節，它的作用就像人體的脊椎一樣，將機械制造及其自動化專業現有的理論課程和實踐環節緊密地串連成完整的體系。實訓要求在掌握伺服電機、PLC硬件、機械手、電磁閥、氣缸、傳感器等機構的結構和工作原理基礎上，熟悉氣動原理、檢測原理、機械運動原理和電氣控制原理，實現復雜工程任務的設計，最終完成系統的搭建和運動控制。

該實訓是在專業理論知識尚未講授時，將實際的工程設計任務交給學生，在之后的1～2個學期里，學生帶著設計遇到的問題一邊設計一邊學習，帶著疑問在課堂或書本里尋求解決的知識和方法，以設計報告和現場答辯的形式完成實訓，并在實訓生產線上完成設備連接、程序編寫及調試。

3 實訓項目教學的實施

實訓教學是在校企合作實訓基地展開的。首先，由指導教師介紹實訓生產線的基本構成;然后，學生在熟悉生產線的硬件組成的基礎上完成機構運動簡圖繪制、電氣原理圖繪制和控制程序編寫;最后，學生在自動生產線上調試控制程序，完成設計任務要求的設備運動。

學生領到設計任務后，首先利用大約半年時間，在相關專業課程中尋找技術支撐，在了解組成自動生產線的機械結構和電器元件后，著手進行工程任務設計。在此期間，實訓教室向學生開放，為學生了解自動生產線、組裝、調試程序提供便利條件。完成設計后，提出答辯申請，通過在現場設備上的調試運行，完成答辯環節，并上交設計資料。以自動生產線第一站為例，闡述學生的設計工作。

第一站是雙料倉上料檢測站，主要功能是完成加工件從料斗分類輸送到檢測工位，提供物料給下一站，主要機構有送料機構、推料機構、檢測機構、物料機構。該站各機構動作簡要流程順序為滑臺氣缸（2缸）帶動料倉移動，迷你氣缸（1缸）將加工件從料倉中推出，然后緊湊型氣缸（4缸）伸出，檢測加工件正反面，并將數據輸出給第二站。無論加工件放置是否正確，雙軸氣缸（3缸）將加工件推至材料與顏色檢測工位檢測有關屬性，并將數據傳輸至第六站分類入庫。隨后，下一站將檢測完的加工件取走。

兩處檢測工位為加工件正反面檢測工位和顏色與材料分類工位。

加工件正反面檢測工位工作原理是當加工件到位后，檢測氣缸伸出，若氣缸活塞桿能夠完全伸出到位，則相應的磁感應開關能夠接收到信號，并傳輸給第二站PLC;若氣缸活塞桿不能夠完全伸出到位，則相應的磁感應開關接收不到信號，一段延時（3～5 s）后，傳輸錯誤放置的加工件數據給第二站PLC，從而分類去除。

顏色與材料分類工位工作原理是加工件到位后，有金屬檢測傳感器和顏色檢測傳感器分別對加工件顏色屬性和材料屬性予以分類，并將信號傳輸給第六站（錯誤放置的加工件不計入內），從而達到分類入庫的作用。

學生完成的設計工作有以下五部分：

1）機構簡圖設計，上料檢測站機構簡圖如圖1所示。

2）工藝流程圖，如圖2所示;

3）PLC控制程序，如圖3所示;

4）I/O分配表，如表1所示。

5）動作順序表，如表2所示。

下面介紹其他工作站。

第二站為無桿氣缸分揀站，主要功能是完成將廢品加工件剔除，合格加工件搬運至下一站。該站各機構動作簡要流程順序為：當上一站加工件檢測完畢后，無桿氣缸移至加工件上方，雙軸氣缸伸出，氣爪將加工件抓住，雙軸氣缸縮回;若上一站傳輸的信號顯示本加工件為廢料，則無桿氣缸停在廢料倉上方，雙軸氣缸伸出，氣爪松開廢料，隨后廢料被超薄氣缸推入廢料倉;若上一站傳輸的信號顯示本加工件為良品，則直接傳輸到下一站待加工工位。

第三站為加工站，主要功能是完成用氣動分度盤將工件在四個工位間轉換，模擬電動螺絲緊固。該站各機構動作簡要流程順序為：加工件由上一站運輸到該站轉盤第一工位，此工位下側的接近開關感應到待加工工件到位后，將信號傳送到PLC，后者接收信號控制步進電機轉動90°到第二工位;停止后，迷你氣缸伸出，頂緊待加工件，然后三軸氣缸下壓，將電動螺絲刀送至預定位置后，開始加工此處加工件。隨后，PLC控制步進電機轉90°，第三工位下側的接近開關感應到有工件到位后，將信號傳輸至下一站PLC，其相應的機構將加工件運輸到下一站。

第四站為氣動機械手、輸送帶工作站，主要功能是完成上一站的加工件抓起旋轉角度放入傳送工位，并傳遞到下一工位。該站各機構動作簡要流程順序為：雙軸氣缸和多位置固定型氣缸分別伸出，氣動手指抓取加工件，然后多位置固定型氣缸和雙軸氣缸分別縮回，回轉氣缸擺動90°，將加工件放置在指定位置，經過對射式傳感器后，電動機運轉，由皮帶將加工件運送至下一站，在通過下一組對射式傳感器幾秒后，把加工件放到指定位置。

第五站為氣墊滑道、裝配站，主要功能是完成選擇要安裝工件的料倉，將工件從料倉中推出，完成裝配，輸送至下一站。該站各機構動作簡要流程順序為：當加工件輸送至該站滑道前段時，滑道通氣，形成氣墊，減少加工件與滑道之間的摩擦力，使加工件能夠勻速下滑至裝配區;然后三軸氣缸抬升加工件，經過兩個迷你氣缸對加工件位置的調整，準備裝備小工件;與此同時，多位置固定型氣缸將小加工件推出，由漫反射鏡面傳感器檢測有小工件到位，回轉氣缸擺動擺臂，由真空吸盤將小工件吸起，再擺至加工件處并裝配，完成整個裝配過程。隨后，由下一機構完成后續的入庫工作。

第六站為電缸機械手分類入庫站，主要功能是完成按工件類型分類，將工件推入倉庫存儲。該站各機構動作簡要流程順序為：雙軸氣缸伸出，三軸氣缸下降，氣動手指抓取裝配好的加工件;三軸氣缸抬升，雙軸氣缸縮回，回轉氣缸擺動180°，電缸根據第一站檢測信息，將裝配好的加工件入庫處理。如果第一層裝滿，則三軸氣缸縮回，將裝配好的加工件在下一層中入庫。

4 實訓教學總結

本實訓教學是立足于沈陽工業大學加強實踐型人才培養的目標，開展的具有工程教育特色的教學實踐。通過完成生產過程控制任務的設計及實現，對學生進行貼近生產現場的工程實訓，使學生很好地掌握機械設計、工業自動化控制系統設計的過程和方法，讓學生走進工程，切實感知用理論知識解決工程實際問題，激發學生的創新思維，提高學生解決實踐問題的工程能力。

參考文獻

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[2]華小梅，丁堅勇，康俊明.高校人才培養中存在的問題及對策[J].中國電力教育，2009，3（8）：3-4.

[3]王仲文，段瑞珍.基于CDIO模式的機電一體化專業教學改革初探[J].價值工程，2013，5（15）：238-239.

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[5]鄧月明，錢盛友，薛開伍.CDIO模式下信息類專業大學生創新訓練中心建設及優化[J].計算機教育，2014（14）：92-94.