邵園園 玄冠濤

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東泰安 271018

機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐*

邵園園 玄冠濤

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東泰安 271018

文章針對當(dāng)前高校機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，從改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式入手，給出了一種機(jī)電一體化實(shí)踐教學(xué)新模式，對其主要內(nèi)容和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。通過實(shí)踐，使學(xué)生的觀察能力、綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力及分析和解決問題的能力得到明顯的提高，為培養(yǎng)綜合實(shí)用型人才打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

機(jī)電一體化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為機(jī)械電子專業(yè)的一門專業(yè)課，涉及領(lǐng)域廣泛、內(nèi)容豐富，機(jī)電結(jié)合，信息更新快，實(shí)踐要求高，在學(xué)習(xí)中不僅要求學(xué)生熟悉機(jī)械、微電子、控制、測試等機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)，還要真正理解和掌握機(jī)電一體化的內(nèi)涵及其設(shè)計(jì)的理論和方法，從而能夠靈活地綜合運(yùn)用這些技術(shù)進(jìn)行機(jī)電一體化產(chǎn)品的分析、設(shè)計(jì)與開發(fā)。但是由于種種原因“偏機(jī)類”學(xué)生在信息、控制及系統(tǒng)論方面知識一般都比較欠缺，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，相關(guān)實(shí)驗(yàn)較少，給學(xué)習(xí)帶來較大困難。在這種情況下，如何充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資源，在較短的時(shí)間內(nèi)，將課程中所涉及的各方面比較抽象和深?yuàn)W的知識融匯貫通，并能夠充分理解和掌握，是機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中值得探討的課題。

一、機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式

1.實(shí)驗(yàn)改革內(nèi)容

我校引進(jìn)了一套機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)，機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)以該系統(tǒng)為載體，綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、PLC編程、電氣設(shè)計(jì)、控制理論、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等技術(shù)，進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的實(shí)踐，開展機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

該系統(tǒng)由10個(gè)單元組成，分別是儲(chǔ)料單元、翻轉(zhuǎn)送料單元、尺寸檢測單元、材質(zhì)檢測單元、機(jī)械手送料單元、加工單元、搬運(yùn)單元、分檢單元、翻轉(zhuǎn)送料單元和立體倉儲(chǔ)單元。每個(gè)單元有各自動(dòng)作特點(diǎn)和要求，可成組編程，也可以單元分步編程，其工作任務(wù)是將φ20x25的工件由原料倉庫取出，經(jīng)過質(zhì)量檢測，材質(zhì)檢測，然后對非金屬工件進(jìn)行加工，最后按材料的不同將加工過的工件進(jìn)行分撿入庫。同時(shí)在幾個(gè)工作單元之間配以不同形式的工件傳送裝置最終完成一整套工作及工藝過程。

2.新模式的特點(diǎn)

(1)綜合性：包括機(jī)電一體化課本里面講到的傳感器技術(shù)、控制理論、機(jī)械傳動(dòng)等內(nèi)容，給學(xué)生創(chuàng)造性綜合應(yīng)用知識的機(jī)會(huì)。

(2)創(chuàng)新性：電機(jī)的選擇，傳感器的選擇，電氣系統(tǒng)的巧妙設(shè)計(jì)，具體接線，繼電器的巧妙應(yīng)用等。

(3)強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力的培養(yǎng)：包括動(dòng)手能力、挖掘問題和解決問題的能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力和自學(xué)能力的培養(yǎng)等。

(4)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神：一個(gè)小組的同學(xué)在有限的時(shí)間內(nèi)完成很重的任務(wù)，需要小組成員相互協(xié)調(diào)來解決問題。

二、實(shí)驗(yàn)改革方法

1.總體實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：使學(xué)生認(rèn)識該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)從料出庫—檢測—加工—分揀—運(yùn)輸—入庫的整個(gè)流程。

實(shí)驗(yàn)方法：按照先獨(dú)立手動(dòng)單步，獨(dú)立手動(dòng)單循環(huán)，然后從最后一站逐步向前站聯(lián)合，最后整個(gè)10站同時(shí)聯(lián)合的原則，對該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行操作，了解實(shí)訓(xùn)臺每站的基本結(jié)構(gòu)及功能。

實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：增強(qiáng)學(xué)生對各種機(jī)電元件（空氣開關(guān)、繼電器、PLC、傳感器、真空發(fā)生器、機(jī)械手、接線盒等。）的感性認(rèn)識，理解其作用和工作原理，形成機(jī)電一體化系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本理念。

2.電氣接線實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾岣邔W(xué)生閱讀電氣原理圖的能力，掌握正確的布線方法。

實(shí)驗(yàn)方法：關(guān)閉系統(tǒng)的氣源、電源，手動(dòng)拆除系統(tǒng)接線，然后讓學(xué)生根據(jù)每一站的電氣原理圖，完成系統(tǒng)布線并恢復(fù)系統(tǒng)原有功能（如圖1）。

圖1 材質(zhì)檢測單元的電氣接線圖

實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：在布線中能更進(jìn)一步了解和掌握電氣元件的功能和作用。在電氣布線過程中可人為設(shè)置和排查故障，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和靈活使用各種電氣原件的能力。

3.傳感器實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫_認(rèn)識和理解各類傳感器的在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用。

實(shí)驗(yàn)方法：改變系統(tǒng)中各傳感器（光電傳感器、電容傳感器、電感傳感器、接近開關(guān)、霍爾傳感器、磁性傳感器等）的狀態(tài)，觀察輸出信號的變化，分析其對系統(tǒng)工作的影響（如圖2）。

圖2 材質(zhì)檢測單元實(shí)物

實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：可在線檢測傳感器工作狀態(tài)，在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中靈活使用各類不同傳感器。

4.PLC編程實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誔LC編程的方法，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)（見表1）。

表1 材質(zhì)檢測單元的程序輸入輸出分配表

實(shí)驗(yàn)方法：依據(jù)每一站的動(dòng)作功能，提供PLC程序流程圖，源程序。要求學(xué)生：

(1)結(jié)合操作手冊寫出每一單元的工藝過程、實(shí)現(xiàn)目的、實(shí)現(xiàn)方法、動(dòng)作過程、聯(lián)鎖條件。

(2)結(jié)合程序流程圖分析演示程序。

(3)總結(jié)出編程思路。

(4)可打亂原有的輸入、輸出端子由學(xué)生自己重新編排，自主編程。

實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：使學(xué)生真正掌握了PLC控制的方法和一般流程，提升學(xué)生自主開發(fā)PLC控制系統(tǒng)的能力和水平。

5.創(chuàng)新組合實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：學(xué)生自己進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)際中一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)（如圖3）。

圖3 學(xué)生組合的立體倉庫

實(shí)驗(yàn)方法：把實(shí)訓(xùn)臺各站進(jìn)行創(chuàng)意組合，并根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出另外一種能實(shí)現(xiàn)特定功能的機(jī)電一體化產(chǎn)品來。

實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生機(jī)電一體化產(chǎn)品研發(fā)水平，為以后工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式效果

1.培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手的能力

最初在同學(xué)們面前的只是一個(gè)空空的接線盒，看著黃色的和藍(lán)色的接線端子不知道如何接線。慢慢地弄清哪根是傳感器的電源線，信號輸出線等，對著接線圖完成整個(gè)線的接線。也搞清楚了整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)信號的傳輸方向。

2.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

比如認(rèn)識傳感器的環(huán)節(jié)，學(xué)生對照各種傳感器的不同原理，想到了很多方法來驗(yàn)證。把手指擋住光電傳感器，觀察傳感器的燈是否亮；用手撥動(dòng)漸進(jìn)開關(guān)的觸點(diǎn)；把霍爾傳感器和磁傳感器倒換位置試驗(yàn)。大大的提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)的能力

通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠把所學(xué)的知識串起來。原來單獨(dú)學(xué)過的課程電工、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制理論、PLC，現(xiàn)在通過自己完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，理解了這些單點(diǎn)知識之間的相互聯(lián)系，腦海中有一個(gè)整體的概念，知道學(xué)有所用。

4.培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力

這門課的最大價(jià)值就在于它的實(shí)踐性，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自然而然地想到機(jī)器人手臂的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，手的抓握動(dòng)作。想到改善汽缸推出物料的軌道。大大提高了理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

5.培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神

與人協(xié)作能力、團(tuán)隊(duì)意識的重要性在這次實(shí)踐中得到突出體現(xiàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)為大家開展合作提供了廣闊的舞臺，不僅僅是小組內(nèi)部，各小組之間也有交流、合作，是傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)所不能提供的。

四、結(jié)束語

實(shí)踐證明，該機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)技術(shù)為主線，綜合運(yùn)用了傳感器技術(shù)、PLC編程、電氣設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等技術(shù)，充分體現(xiàn)機(jī)械和電子技術(shù)的聯(lián)系，對培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識分析、解決工程實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和研發(fā)水平具有重要的作用。

[1]葉大鵬.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用[J].建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004,33(4)

[2]李成華,楊世風(fēng).機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京：農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2001

[3]李凈，楊俊武，錢旭.機(jī)電一體化培訓(xùn)系統(tǒng)中MSM - 2102軟件的開發(fā)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000,20（12）

Usage of multimedia timer in real-time data collecting in construction machinery

Shao Yuanyuan, Xuan Guantao
Shandong university of agriculture，Taian, 271018，China

This paper analyses the problems which currently exist in the experimental teaching of mechatronics at colleges, offers one new pattern in experimental teaching of mechatronics based on the theme of innovation and practice from the experimental teaching pattern, introduces its main content and characteristic. By practice,students’ pability of observation integrative design and innovation practice, the analysis and settlement o f problems are obviously enhanced and imp roved, which established the foundation for the cultivation of app lied talents with comprehensive competence.

mechatronics; experimental teaching; innovation

2009-12-17

邵園園，講師。

*本文系國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：50875158。國家“十一五”科技支撐計(jì)劃：2006BAB11B05。山東省自然科學(xué)杰出青年基金資助項(xiàng)目：JQ200816。