張萬奎

(湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

《機電傳動控制》課程教學研究與實踐

張萬奎

(湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

針對本科機械類專業(yè)的主要課程——《機電傳動控制》, 提出了課程教學與生產(chǎn)實習相結合, 課程教學與畢業(yè)設計相結合的一體化教學模式, 從而理順課程內(nèi)容體系, 提高學生的工程應用能力.

課程教學; 一體化教學模式; 工程應用

要實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品的高質(zhì)量和技術的高水平, 關鍵是機電一體化技術人才的培養(yǎng). 《機電傳動控制》課程是機械設計制造及其自動化專業(yè)、機械電子工程專業(yè)的一門必修課程, 它是機電一體化人才所需電知識結構的驅(qū)體.

《機電傳動控制》課程是機械設計制造及其自動化專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的主要課程, 其教學任務是使學生在學習和復習動力學方程式有關知識的基礎上, 掌握直流電動機和交流電動機的機械特性(自然特性與人工特性), 掌握電力拖動方面的知識, 掌握常用的斷續(xù)控制、連續(xù)控制系統(tǒng)的工作原理、特點、性能及應用場合, 了解最新控制技術在機械設備中的應用.

1 《機電傳動控制》課程體系

《機電傳動控制》課程建立了一套全新的課程體系, 課程內(nèi)容涉及電機學(直流電動機的工作原理與特性、交流電動機的工作原理與特性、控制電機)、低壓控制電器、繼電器—接觸器控制(斷續(xù)控制)、可編程序控制器(PLC)、電力電子技術基礎知識、直流與交流調(diào)速系統(tǒng)(連續(xù)控制)等內(nèi)容. 課程根據(jù)學科的發(fā)展與其內(nèi)在的規(guī)律, 以伺服驅(qū)動系統(tǒng)為主導, 以控制為線索, 將電氣元件與伺服控制系統(tǒng)有機結合在一起, 也就是將機電一體化技術所需的電力控制知識集中在《機電傳動控制》課程中. 這樣一來, 既避免了課程內(nèi)容的重復, 減少了學習的學時, 增強了課程的系統(tǒng)性; 又能使學生對機電一體化產(chǎn)品中電氣控制技術, 包括電力控制(強電部分)和電子控制(弱電部分)有一個全面系統(tǒng)的了解.

另一方面, 《機電傳動控制》課程涉及多門其他課程的內(nèi)容, 這些課程知識點繁多. 經(jīng)過多年的教學實踐, 找出了《機電傳動控制》的各部分內(nèi)容存在著一定聯(lián)系. 機電傳動系統(tǒng)動力學方程為

其中:TM為電動機輸出軸上的轉(zhuǎn)矩;TL為單軸傳動系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩;J為單軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量;ω為單軸傳動系統(tǒng)的角速度;t為時間變量.

《機電傳動控制》課程體系的重點, 是深入學習電動機轉(zhuǎn)矩TM、學習直流電動機、交流電動機、控制電機的機械特性以及電力拖動的課程內(nèi)容; 然后, 從電動機的控制入手, 課程內(nèi)容進入到繼電器—接觸器控制(斷續(xù)控制)、自動調(diào)速控制(連續(xù)控制)和伺服控制方面; 最后, 學習系統(tǒng)電氣設計和PLC 編程, 完成《機電傳動控制》課程的教學任務.

2 一體化教學模式

《機電傳動控制》是教育部本科專業(yè)目錄中機械類專業(yè)的主要課程, 在課程教學的實踐中, 我們編寫了適合地方院校使用的教材, 組織實施了一體化教學新模式.

一是課程教學跟蹤電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展. 電氣控制系統(tǒng)主要經(jīng)歷了以下四個發(fā)展階段.

第一個階段為繼電器—接觸器控制系統(tǒng)(斷續(xù)控制系統(tǒng)), 斷續(xù)控制系統(tǒng)能實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的起動控制、正反轉(zhuǎn)控制、順序控制、制動控制、簡單的調(diào)速控制. 斷續(xù)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是控制方法簡單, 工作穩(wěn)定可靠; 缺點是控制速度慢, 控制精度差.

第二個階段為自動控制系統(tǒng)(連續(xù)控制系統(tǒng)), 從20世紀30年代開始, 電機放大機在龍門刨床上得到應用, 使控制系統(tǒng)從斷續(xù)控制發(fā)展到連續(xù)控制. 連續(xù)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是控制的快速性和控制精度大大提高, 它能隨機檢測出控制對象的工作狀態(tài), 將控制系統(tǒng)的輸出量與給定量進行比較, 再根據(jù)輸出值與給定值的偏差(凈輸入信號), 對控制對象進行自動調(diào)整. 同時, 簡化了控制系統(tǒng), 由于減少了電路中的觸點,從而提高了工作的可靠性和生產(chǎn)效率. 20世紀40年代出現(xiàn)了磁放大器, 50年代又出現(xiàn)了水銀整流器, 特別是1958年美國通用電氣公司研發(fā)出世界上第一支晶閘管(額定電流16A), 開創(chuàng)了連續(xù)控制的新時代. 隨之出現(xiàn)了晶閘管—直流電動機無級調(diào)速系統(tǒng). 從80年代開始, 新型電力電子元件—交流電動機無級調(diào)速技術有了迅速的發(fā)展.

第三個階段為可編程序控制器(PLC), 20世紀90年代的大型PLC的發(fā)展使PLC技術成為自動控制的三大支柱(PLC、數(shù)控機床、工業(yè)機器人)之一. PLC的優(yōu)點是, 它不僅能實現(xiàn)邏輯控制、定時/計數(shù)、邏輯運算功能, 還能處理模擬量的I/O、具有數(shù)字運算功能、通信功能. 因此, PLC技術的應用越來越廣泛.

第四個階段為計算機數(shù)字控制系統(tǒng), 20世紀70年代初, 計算機數(shù)字控制系統(tǒng)(CNC)開始應用于機床,產(chǎn)生了數(shù)控機床和加工中心. 數(shù)控機床的優(yōu)點是, 它不僅提高了生產(chǎn)自動化程度, 而且使機床的通用性和加工效率大大提高, 因而在機床工業(yè)中得到廣泛應用. 20世紀80年代以來, 出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)(FMS), FMS系統(tǒng)由數(shù)控機床、工業(yè)機器人、自動搬運車等組成, 由中心計算機控制, 它實際上是真正意義上的的機械加工自動線. 因此, FMS是實現(xiàn)自動化車間和自動化工廠的重要組成部分.

《機電傳動控制》課程的教學內(nèi)容, 是學習斷續(xù)控制、連續(xù)控制和PLC控制, 而數(shù)字控制則安排在后續(xù)課程《數(shù)控機床》中學習.

二是課程教學與生產(chǎn)實習相結合. 在《機電傳動控制》課程教學計劃的這個學期, 機械類專業(yè)的學生安排有3～4周時間的生產(chǎn)實習, 實習地點選擇在岳陽長江動力機械廠、岳陽紅日機械廠. 2010年至2013年間, 通過對畢業(yè)后在珠三角、長三角地區(qū)工作的湖南理工學院機械設計制造及其自動化專業(yè)和機械電子工程專業(yè)畢業(yè)生的走訪調(diào)研, 有相當部分的畢業(yè)生反映, 對生產(chǎn)現(xiàn)場機械設備的電氣原理圖讀圖有一定困難, 設計電氣原理圖拿不準用哪些方法. 針對這一情況, 我們請實習所在工廠的工程技術人員在實習現(xiàn)場, 對照生產(chǎn)機械設備, 講解本廠通用生產(chǎn)機械的電氣控制工程圖紙, 讓學生了解電氣工程圖紙主要包括“二圖一表”, 即電氣原理圖、電氣接線圖和電氣元件明細表. 重點分析課堂教學中沒有涉及的電氣接線圖.由于課堂教學中只學習電氣原理圖, 加上是在生產(chǎn)機械的現(xiàn)場, 一邊講解, 一邊觀摩電氣元件的具體位置和電氣線路的走線, 激發(fā)了學生的學習主動性, 提高了學生對工程電氣圖紙的讀圖能力, 為今后工作中從事電氣維修和電氣設計打下了比較扎實的基礎.

三是課堂教學與畢業(yè)設計相結合. 在機械類專業(yè)學生畢業(yè)設計選題中, 開設了M1040無心磨床導輪電機控制電路設計、Z3040S搖臂鉆床主電機控制電路設計、SA7512螺紋磨床頭架電機控制電路設計、基于PLC的無心磨床導輪電機控制電路設計、基于PLC的搖臂鉆床主電機控制電路設計、基于PLC的螺紋磨床頭架電機控制電路設計等課題, 這些課題的內(nèi)容都來自生產(chǎn)實際的機床電氣控制, 是交、直流轉(zhuǎn)速負反饋或電壓負反饋和電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的實際應用. 通過一個學期在岳陽機床廠、長江動力機械廠等實習基地的畢業(yè)實習和畢業(yè)設計, 有助于提高學生解決工程實際問題的能力.

3 《機電傳動控制》課程教學實踐

湖南理工學院機械電子工程專業(yè)的《機電傳動控制》課程教學安排在三年一期, 理論教學40學時, 實驗教學8學時; 機械設計制造及其自動化專業(yè)的《機電傳動控制》課程教學安排在三年二期, 理論教學32學時, 實驗教學8學時; 3～4周的生產(chǎn)實習都安排有該課程的實踐教學環(huán)節(jié), 提升學生機電一體化知識的工程應用能力.

[1] 張萬奎, 神會存. 機電傳動控制[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2013

[2] 倪 敬, 許 明, 陳國全.《機電傳動控制》課程教學改革研究[J]. 教育教學論壇, 2011(21): 147～148

[3] 張萬奎. 精品課程建設與工程實際應用相結合二例[J]. 湖南理工學院學報, 2010(3): 90～91

Research and Practice on Course Teaching of Machine and Electricity Transmission and Control

ZHANG Wan-kui
(College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

Machine and Electricity Transmission and Controlis the main course for undergraduate mechanical engineering. Course teaching is combined with production practice and graduation design, which can form the integrated teaching mode so as to rationalize the course content system. It can improve the students’ application ability.

course teaching; the integrated teaching mode; engineering application

G642

A

1672-5298(2014)03-0092-03

2014-05-13

張萬奎(1946? ), 男, 湖南臨湘人, 湖南理工學院機械工程學院教授. 主要研究方向: 電氣傳動與控制