自動化生產線為載體的機電一體化專業課整合

[摘 要] 生產線自動化仿制項目恰恰包含了機械設計制造、機械安裝與調試、傳感器、氣動控制單元、執行機構、人機界面及組態技術、可編程控制器、工業控制計算機、現場總線技術、伺服變頻器電機驅動技術、PLC通信技術、C語言編程技術、電子電路設計印刷與焊接技術、無線通信與數據傳輸技術、工業圖像處理技術、工業機器人應用技術、服務型機器人輔助等一體的非標設備設計開發，通過生產線自動化改造項目的學習與實施，將機電一體化專業所學習內容有效地進行整合和應用，所謂整合通過課程內容的有邏輯的循序漸進的安排使得學習達到某設定目標，從中將學習知識點內容進行有邏輯的布置和整合。

[關鍵詞] 學習目標分析;分類整合分析;單線學習;多線綜合實施;虛擬仿真整體實現

[作者簡介] 張維昱（1986—）男，青?；∪?，學士，青海柴達木職業技術學院機電工程系助理講師，主要從事機電專業實訓實踐教學研究。

[中圖分類號] TH-39 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）52-0161-04 ? [收稿日期] 2021-04-22

《國家職業教育改革實施方案》《教育部辦公廳關于實施一流本科專業建設“雙萬計劃”的通知》《關于實施中國特色高水平高職學校和專業建設計劃的意見》《職業技能提升行動方案（2019—2021年）》等提升職業教育質量相關政策的出臺是繼高職示范校（骨干校）項目之后，面對以人工智能、“互聯網+”、大數據為主的新經濟、新技術、新業態的新一輪產業革命挑戰下的中國高等職業教育的重要戰略部署。機電一體化專業是由計算機技術、信息技術、機械技術、電子技術、控制技術、光學技術等相融合構成的一門獨立的交叉學科，其迎來了前所未有的發展良機。由于機電一體化專業涵蓋面廣，知識內容多，學生無法做到全面掌握和熟練應用，因此對課程體系進行合理的整合勢在必行，然而目前教學內容缺乏一個整體、合理的整合載體，去繁除簡有效整合機電一體化專業內容，實現課程學習內容的優化，提高學生學習效率從而提升專業教學質量。

一、機電一體化專業涵蓋內容及學習目標的分析

所謂機電一體化專業所涵蓋內容從內容上分析主要有“機”加“電”。電根據應用場合可分為高壓、低壓和弱電。高壓電相關主要有電力相關專業應用領域，作為機電一體化專業強調的是低壓電驅動或弱電控制。

機械類能夠熟知機械原理，加工工藝，繪制圖面，從而實現機械設計為最高目標;能夠進行零件加工制造為次級目標;能夠看懂圖紙并能進行某項工種的熟練操作和加工及安裝調試為第三級目標。

低壓電器方面能夠圍繞電控器件，組合電機拖動，應用伺服、變頻方式實現電機的力量、方向、轉速、位置控制，以及人機觸摸屏和傳感器件實現整個人機交互的控制系統設計為最高目標;能夠熟練應用PLC等器件通過自動編程實現某設備控制功能為次級目標;能夠看懂圖紙，進行電氣線路的搭接、檢測，能夠進行編程等最終能實現電氣故障檢修維三級目標。

弱電方面能夠圍繞單片機等可編程控制器件，一些繼電器、傳感器件、電子電路等實現電路設計（PCB板設計）、計算機程序設計、外圍器件控制輸出、數據類型的轉換、數據的通信傳輸等實現弱電電路控制系統設計為最高目標;能夠看懂電路原理圖，知道器件控制原理，通過計算機編程，實現一定功能為次級目標;能夠對一些電路進行電流電壓的檢測，進行電器設備故障檢測與、器件更換等為第三級目標[1]。

二、機電一體化專業課程內容的分類整合分析

所謂整合，即通過課程內容有邏輯、循序漸進的安排使學習達到某設定目標，從中將學習知識點內容進行有邏輯地布置，這就要遵從所設定目標來設置，下文將分類說明。

（一）機械類課程內容的整合分析

以給定目標零件，根據零件，第一步，進行零件的測量繪制、測量工具及方法的學習（手工繪制草圖—計算機繪制平面零件圖—三維建模）;第二步，學會分析圖紙、學習尺寸、公差含義及參數來源;第三步，學習各類加工方法及工藝，并能夠熟悉多種加工方法并能加工零件;第四步，學習機構傳動原理，方法優缺點;第五步，進行零件的安裝與調試;第六步，進行裝置改造。如圖1所示。

（二）電工類課程內容整合分析

以控制系統設計為最高目標實現機械設備控制，除機械控制外主要控制以電動機為主要的驅動裝置，控制電機轉速，轉向，轉動圈數等。如圖2所示，以PLC為主的可編程控制器為中心，外接一些低壓器件、傳感器件、顯示器件等實現信息采集，控制設備執行裝置的啟停、位置、速度等實現設備的功能和人機交互[2]。

（三）電子類課程內容整合分析

從弱電電路控制系統設計為最高目標出發可知，電子知識主要內容包含電子元器件工作原理，數據轉換原理，電流、電壓、電場信號的放大與縮小，電子器件通斷控制原理，加上一些集成電子器件，門電路等通過元器件間的互相作用實現，數據儲存運算，數據型號的轉換，設備通信交換，以弱電控制強電等。如圖3所示。從而可擴展為計算機控制系統、通信工程、物聯網、嵌入式開發等相關領域與機械加工領域相互結合。

三、通過產線自動化仿制項目實現機電一體化專業所有課程內容整合實施

生產線自動化改造項目恰恰包含了機械設計制造、機械安裝與調試、傳感器、氣動控制單元、執行機構、人機界面及組態技術、可編程控制器、工業控制計算機、現場總線技術、伺服變頻器電機驅動技術、PLC通信技術、C語言編程技術、電子電路設計印刷與焊接技術、無線通信與數據傳輸技術、工業圖像處理技術、工業機器人應用技術、服務型機器人輔助等一體的非標設備設計開發，通過生產線自動化改造項目的學習與實施，將機電一體化專業所學習內容有效地進行整合和應用。

根據生產產品的工藝流程設計制作物料上料，傳輸，定位，加工，工位間的傳送，質量檢測，包裝，入庫，通過工作站的形式串聯起來，再通過工業機械人（短距離傳遞輔助加工）和AGV小車長距離運送輔助形成一條自動化或半自動化生產線。在整個課程整合應用過程中始終堅持分單元模塊化的設計和實施。課程內容上也是從單線學習到三條線綜合訓練實施，在實施過程中不可能一一執行全部內容，將整個設備的典型模塊，作為通例進行制作，其余的通過結合一些仿真軟件進行仿真模擬來完成[3]。

（一）單線內容學習過程

機械內容抽取幾個典型組件，從非標測量與手繪草圖、標準零件的選用、計算機二維制圖、非標件公差選配到三維模型的繪制與模擬裝配檢測、非標零件加工工藝的制定、實施加工到組件安裝與裝配精度測量為第一階段。將電氣電機控制作為電氣典型案例從電氣元器件的功能參數了解、電氣線路手動控制、應用PLC和傳感器件實現自動控制、伺服控制器精確位置控制、變頻驅動器的速度調節、人機面板組態實現人機互動為第二階段。將AGV小車制作作為電子設計的典型案例，從電路電源轉換電路開始，單片機最小系統、單片機外設電路設計、應用傳感器進行數據信息的采集到轉換、C語言程序設計實現簡單功能、電機控制、多芯片多機通訊（全部采用仿真軟件實現）、pcb板的設計制作、電子元器件焊接、AGV小車制作完成為第三階段。

（二）多線綜合實施過程

在前三階段的基礎上抽取自動化生產線某典型工作站作為實際實訓案例，將整個工作站精心設計制作，在前三個階段基礎上增加氣液傳動模塊、工業機器人應用模塊和PLC多機實現總線控制，應用傳感器將機械設備、電氣控制系統、AGV服務型機器人直接或間接進行連接通信，實現數據的交換協調運作。

（三）虛擬仿真實現整個自動化生產線的動態運行

通過三維繪圖軟件實現機械部分的設計繪制與組裝生成零件圖與裝配圖（爆炸圖），通過機械加工車間虛擬工廠軟件進行非標零件的加工工藝與零件的加工仿真，通過機械裝調軟件進行零件的安裝測量，通過機電一體化仿真軟件實現電氣線路與PLC控制程序的實現，通過電子設計與仿真軟件實現AGV輔助機器人輔助程序設計與輔助功能，借助傳感元件進行多機數據交換的實現，通過液壓與氣壓系統設計仿真軟件實現氣壓系統回路設計與仿真，通過工業機器人工作站設計與仿真實現工業機器人輔助加工功能的實現，最后通過電氣原動件，檢測傳感元件與三維原件模型進行一對一的綁定實現整個自動化生產線的三維動態可控模型演示[4]。

四、結語

機電一體化專業綜合性強、實踐性強專業，只有通過實際制作加工加上虛擬仿真技術才能真正實現綜合應用的目標，通過單線的基礎學習與綜合實踐型學習的有效結合才能提高教學質量。作為學生不可能達到完整的設計和生產出昂貴的生產系統，單通過一個模塊的實際生產再結合多種仿真軟件的虛擬生產，將機電一體化專業的所有課程進行整合實踐，才能達成較低成本高質量的教學目標。

參考文獻

[1]鄭永鋒.高職機電一體化專業項目驅動課程體系研究[D].金華：浙江師范大學，2014.

[2]王海山.虛擬仿真教學在高校實訓培訓中的探索[J].教育教學論壇，2019（51）：161-162.

[3]胥徐.高職校機械機電一體化專業課程體系的改革與優化[J].中國金屬通報，2019（7）：238+240.

[4]查堅強.機電一體化課程教學改革與實踐教學[J].科學大眾（科學教育），2019（7）：118.