南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 江蘇南京 211167

項(xiàng)目教學(xué)法[1]就是在教師的指導(dǎo)下，通過(guò)將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)項(xiàng)目，從資料收集、方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施及評(píng)價(jià)，都交由學(xué)生自己負(fù)責(zé)和完成，使得學(xué)生掌握項(xiàng)目每個(gè)環(huán)節(jié)的基本要求，有助于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的能力和提高學(xué)生的動(dòng)手能力及應(yīng)用能力。隨著多學(xué)科的交叉應(yīng)用日益突出，對(duì)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力要求越來(lái)越高。而如何有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，是高等教育的研究熱點(diǎn)。其中，多課程綜合項(xiàng)目教學(xué)是一種有效的方法，它圍繞工程項(xiàng)目展開(kāi)，使得學(xué)生融會(huì)貫通各課程間的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力[2]。特別是像液壓與氣動(dòng)等實(shí)踐性強(qiáng)的課程，與其他的課程，如電氣控制與PLC等課程聯(lián)系緊密。因此，進(jìn)行跨課程的項(xiàng)目教學(xué)法在液壓與氣動(dòng)的課程教學(xué)尤為重要，它使學(xué)生能具有獨(dú)立應(yīng)用液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的能力。但是進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)所需的硬件設(shè)施成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)、靈活性差等缺點(diǎn)；且學(xué)校往往因經(jīng)費(fèi)問(wèn)題不能提供強(qiáng)有力的硬件支持；不少教師也常以硬件不足等借口，停止了項(xiàng)目教學(xué)法在教學(xué)中的應(yīng)用。上述種種因素嚴(yán)重限制了項(xiàng)目教學(xué)法的廣泛應(yīng)用，使得項(xiàng)目教學(xué)法在高校的應(yīng)用仍處于低級(jí)階段，廣度和深度不夠[3]。

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域已有很多成果案例，如元器件的虛擬動(dòng)畫(huà)原理展示、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等，使得深?yuàn)W的理論內(nèi)容變成生動(dòng)、形象的學(xué)習(xí)過(guò)程，能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生目光，改善教學(xué)效果。液壓與氣動(dòng)課程通過(guò)計(jì)算虛擬仿真技術(shù)，能對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓或氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行整體的分析，又不需要投入高額的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并能結(jié)合其他課程內(nèi)容，使得跨課程的項(xiàng)目教學(xué)法成為可能[4]。本文利用Automation Studio仿真軟件[5]實(shí)施了一個(gè)關(guān)于氣動(dòng)機(jī)器人分析與PLC編程的項(xiàng)目教學(xué)案例，探討虛擬仿真技術(shù)在液壓與氣動(dòng)、電氣控制與PLC等多課程聯(lián)合的項(xiàng)目教學(xué)中的具體應(yīng)用。

1 項(xiàng)目設(shè)置

在不同專(zhuān)業(yè)體系下，液壓與氣動(dòng)課程的內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)也不一，因此，應(yīng)有的放矢，針對(duì)不同的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，設(shè)置合適的項(xiàng)目課題。以機(jī)器人專(zhuān)業(yè)為例，可設(shè)置關(guān)節(jié)型氣動(dòng)機(jī)器人分析與仿真、氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人分析與仿真等；而對(duì)于數(shù)控專(zhuān)業(yè)來(lái)講，可設(shè)置多缸順序?qū)Ｓ勉姶惨簤簜鲃?dòng)系統(tǒng)的分析與仿真等。

以圖1所示的氣動(dòng)機(jī)器人為例[6]，教師通過(guò)講授該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，使得學(xué)生了解工作過(guò)程，并布置項(xiàng)目要求：(1)根據(jù)圖1所示的機(jī)器人原理圖，對(duì)其各個(gè)關(guān)節(jié)處氣缸進(jìn)行氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)與電氣原理圖的設(shè)計(jì)；(2)在Automation Studio軟件搭建其氣動(dòng)回路和電氣回路；(3)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行PLC編程，并結(jié)合Automation Studio軟件，進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，觀察各氣缸的工作過(guò)程及驗(yàn)證所編寫(xiě)的PLC程序是否正確。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生只要使用自己的計(jì)算機(jī)和Automation Studio仿真軟件，就能行動(dòng)起來(lái)，模擬完成一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目，且不受硬件設(shè)施的限制，每組人數(shù)可設(shè)置1～3名，充分讓每個(gè)學(xué)生都能參與其中，避免人數(shù)多存在渾水摸魚(yú)的情況。

2 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

2.1 設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路與電氣回路

“學(xué)以致用”的本質(zhì)就是要讓學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，在以后的工作實(shí)踐中能設(shè)計(jì)出符合要求的系統(tǒng)。而對(duì)于大多數(shù)課程，由于課時(shí)的限制，對(duì)學(xué)生的“設(shè)計(jì)”鍛煉是相對(duì)偏少的。通過(guò)該項(xiàng)目的鍛煉，學(xué)生根據(jù)上課所學(xué)的內(nèi)容，對(duì)氣動(dòng)機(jī)器人所需的氣動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行計(jì)算和選型，并設(shè)計(jì)出合理的氣動(dòng)控制回路，同時(shí)，也確定了PLC的CPU型號(hào)以及它的輸入輸出端口分配，并設(shè)計(jì)出電氣原理圖。通過(guò)此過(guò)程，加深學(xué)生課本所學(xué)，聯(lián)通理論與實(shí)踐，并提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

2.2 利用Automation Studio軟件搭建仿真模型

Automation studio是加拿大貝加萊公司出款的一種集液壓與氣動(dòng)、機(jī)電一體化的綜合性仿真軟件，更加面向工程實(shí)踐，同時(shí)與電氣PLC控制等具有聯(lián)合仿真功能，在課程教學(xué)和工程實(shí)踐廣泛應(yīng)用。根據(jù)項(xiàng)目要求，學(xué)生在掌握氣動(dòng)回路的基礎(chǔ)上，從軟件的元件庫(kù)里選出所需的電氣元件，調(diào)好位置，并連接線路(如圖2所示)。利用該軟件動(dòng)態(tài)仿真該元件的工作過(guò)程，幫助學(xué)生加深對(duì)抽象理論知識(shí)的理解，同時(shí)，掌握了一種設(shè)計(jì)軟件，為以后的上班多提供一種技能。

圖2 調(diào)用元件

2.3 PLC編程與聯(lián)合仿真模型仿真實(shí)驗(yàn)

學(xué)生選用上課所學(xué)的PLC控制器，如西門(mén)子S7-200，設(shè)計(jì)I/O分配表及外部接線圖，并在s7 MicroWIN進(jìn)行梯形圖編程，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，連接Automation Studio軟件，實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)合仿真模型(如圖3所示)。在此基礎(chǔ)上點(diǎn)擊“啟動(dòng)按鈕”可以進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所編寫(xiě)的PLC程序是否正確。在仿真時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)顯示I/O端的通斷情況，各關(guān)節(jié)氣缸的動(dòng)態(tài)過(guò)程也會(huì)實(shí)時(shí)顯示，相對(duì)應(yīng)的PLC程序也會(huì)運(yùn)行。同時(shí)，利用虛擬壓力傳感器可以分析各氣缸兩腔的工作壓力變化過(guò)程，通過(guò)這些具體的數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生理解氣動(dòng)回路的速度、方向的控制，加深對(duì)課本所學(xué)知識(shí)的認(rèn)知。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生修改并驗(yàn)證了所編寫(xiě)的PLC程序的正確性，并驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的方案是否正確。

圖3 聯(lián)合仿真模型

3 項(xiàng)目驗(yàn)收

讓學(xué)生自己操作該仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果判斷所設(shè)計(jì)方案是否合理，通過(guò)對(duì)學(xué)生的問(wèn)答判斷學(xué)生的掌握程度，并給出相應(yīng)的分值。最后，學(xué)生總結(jié)所有材料，給出一份設(shè)計(jì)報(bào)告。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，使得學(xué)生能?chē)@給定的任務(wù)，結(jié)合課本所學(xué)內(nèi)容，檢索相關(guān)資料，學(xué)習(xí)Automation Studio，PLC等軟件，設(shè)計(jì)出方案，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并最終形成一份項(xiàng)目報(bào)告，進(jìn)行口頭匯報(bào)，使得學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能、軟件操作、組織能力、寫(xiě)作能力、語(yǔ)言表達(dá)能力都有不同程度的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

如何提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和工程實(shí)際應(yīng)用能力，多課程聯(lián)合的項(xiàng)目訓(xùn)練法是一種有效教學(xué)方法。但由于開(kāi)展項(xiàng)目訓(xùn)練所需硬件投入成本高、建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，硬件容易損耗等問(wèn)題，使得項(xiàng)目訓(xùn)練法在高校的應(yīng)用不深。借助于虛擬仿真技術(shù)，采用Automation Studio軟件進(jìn)行液壓與氣動(dòng)課程項(xiàng)目教學(xué)法的研究，并給出了一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例。通過(guò)虛擬項(xiàng)目教學(xué)，使得學(xué)生掌握了液壓與氣動(dòng)、電氣控制與PLC等課程的綜合應(yīng)用能力，從方案設(shè)計(jì)、元器件計(jì)算與選型、PLC編程、軟件仿真等每個(gè)環(huán)節(jié)都獨(dú)立完成，增強(qiáng)了學(xué)生的理論知識(shí)認(rèn)知，并提高其動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

[1] 黃永娜.項(xiàng)目教學(xué)法在“數(shù)控編程與操作”課程的應(yīng)用實(shí)例[J].中國(guó)電力教育,2012(26): 74-75.

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[6] 李桂海.全氣動(dòng)多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人的研制[D].南京:南京理工大學(xué),2005.