姚佳 黃有全

摘? 要：貫穿式項(xiàng)目制教學(xué)是當(dāng)今職業(yè)教育的發(fā)展趨勢(shì)，該文以機(jī)電一體化專業(yè)為例，依照教學(xué)項(xiàng)目來(lái)源于企業(yè)又適用于教學(xué)的原則，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易挖掘機(jī)。從整體設(shè)計(jì)思路、挖掘機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)、電氣及控制程序設(shè)計(jì)方面介紹了挖掘機(jī)的開發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程，并進(jìn)行了實(shí)物制作，依托該項(xiàng)目開展了常規(guī)教學(xué)和國(guó)際培訓(xùn)等一系列教學(xué)活動(dòng)。實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、知識(shí)和技能的綜合運(yùn)用能力方面有很好的成效。

關(guān)鍵詞：貫穿式? 項(xiàng)目制? 簡(jiǎn)易挖掘機(jī)? 機(jī)電一體化

中圖分類號(hào)：TH132? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（a）-0077-05

A Design and Manufacture of a Simple Excavator Based on the Through Project System

YAO Jia? HUANG Youquan

（Electronic and Information Engineering Department of Changsha Social Work College， Changsha， Hunan Province， 410004? China）

Abstract： Through project teaching is the development trend of vocational education. Taking Mechatronics as an example， according to the principle that teaching project comes from enterprise and is suitable for teaching， a simple excavator is designed. This paper introduces the development and design process of excavator from the aspects of overall design idea， mechanical part design of excavator， electrical and control program design， and makes physical production. Relying on the project， a series of teaching activities such as routine teaching and international training are carried out. The practice shows that the design is effective in cultivating students' hands-on ability， improving students' working ability and improving students' quality The comprehensive application of knowledge and skills has achieved good results.

Key Words： Through type;Project scheme;Simple excavator model;Mechatronics

當(dāng)今社會(huì)，科技快速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域都大量需要技能型的高素質(zhì)人才，國(guó)家大力發(fā)展職業(yè)教育，推行產(chǎn)教融合、校企合作，企業(yè)對(duì)于學(xué)生綜合能力的重視，急需教學(xué)方式和內(nèi)容的改革，如何培養(yǎng)適應(yīng)中國(guó)制造行業(yè)所需要的高素質(zhì)綜合性人才，是當(dāng)今社會(huì)研究的熱點(diǎn)。

國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案提出了推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容的改革，通過(guò)構(gòu)建企業(yè)真實(shí)的案例、真實(shí)項(xiàng)目來(lái)激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和職業(yè)興趣[1]。以往職業(yè)教育中存在重知識(shí)輕技能、重專業(yè)技能輕職業(yè)能力培養(yǎng)的問(wèn)題，當(dāng)今學(xué)科之間的界限已經(jīng)不那么明顯了，課程之間的知識(shí)和技能是聯(lián)系緊密且相互交融的，而往往學(xué)生對(duì)專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)以及專業(yè)系統(tǒng)性的認(rèn)知不足，導(dǎo)致學(xué)生被培養(yǎng)出來(lái)的能力與社會(huì)需求的脫節(jié)[2]，已無(wú)法適應(yīng)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。因此，采用貫穿多門課程的項(xiàng)目制教學(xué)，以企業(yè)真實(shí)的案例來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，培養(yǎng)具有項(xiàng)目整體制作能力和創(chuàng)新能力的人才，提高教學(xué)質(zhì)量，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 貫穿式項(xiàng)目制教學(xué)模式

現(xiàn)代職業(yè)教育廣泛采用行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)、項(xiàng)目制教學(xué)和基于工作過(guò)程的教學(xué)模式[3-4]，對(duì)于機(jī)電一體化這樣典型的工科專業(yè)來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能和素質(zhì)是核心，而采用項(xiàng)目制教學(xué)則是其中一種很好的方式。

項(xiàng)目教學(xué)法在我國(guó)高等職業(yè)教育中已經(jīng)被廣泛使用，像機(jī)電一體化課程中的金屬加工、電氣控制技術(shù)、可編程控制技術(shù)等課程基本上都是采用項(xiàng)目制教學(xué)，每門課程設(shè)置多個(gè)由淺入深的項(xiàng)目，學(xué)生在項(xiàng)目中學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識(shí)和技能，培養(yǎng)職業(yè)素質(zhì)[5-6]。當(dāng)前的項(xiàng)目制教學(xué)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：第一，項(xiàng)目都是針對(duì)單門課程來(lái)設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)綜合的項(xiàng)目，將課程貫穿起來(lái)的做法很少;第二，項(xiàng)目不是來(lái)自企業(yè)真實(shí)的案例，沒(méi)來(lái)自企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;第三，有的項(xiàng)目難度過(guò)大，內(nèi)容上不可拓展，不太適用于教學(xué)。

貫穿式項(xiàng)目制是指設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目，將其應(yīng)用到專業(yè)的核心課程之中的教學(xué)方式，我們通過(guò)企業(yè)調(diào)研并結(jié)合湖南省的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)工程機(jī)械作為出發(fā)點(diǎn)，選取了生活中常見的一個(gè)機(jī)電產(chǎn)品挖掘機(jī)來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，在項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中本著適用于教學(xué)、提高學(xué)生興趣的思想，最終設(shè)計(jì)了一個(gè)氣動(dòng)控制的簡(jiǎn)易挖掘機(jī)。下一節(jié)將詳細(xì)介紹建議挖掘機(jī)涉及與制作的相關(guān)內(nèi)容。

2? 簡(jiǎn)易挖掘機(jī)設(shè)計(jì)與制作

2.1 設(shè)計(jì)思路

挖掘機(jī)按照驅(qū)動(dòng)行走的方式不同可分為履帶式挖掘機(jī)和輪式挖掘機(jī)，根據(jù)其常用的應(yīng)用場(chǎng)景，該設(shè)計(jì)采用履帶式挖掘機(jī)。根據(jù)其常用的傳動(dòng)控制方式，選擇液壓控制，但由于考慮教學(xué)實(shí)際，現(xiàn)階段該挖掘機(jī)采用氣動(dòng)控制（氣動(dòng)控制和液壓控制在此處的原理是類似的）。按驅(qū)動(dòng)方式有內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)兩種，根據(jù)機(jī)電專業(yè)對(duì)電氣方面教學(xué)內(nèi)容的要求，該挖掘機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)。

該挖掘機(jī)主要由機(jī)身、手臂、挖斗、行走系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行氣缸等部分組成。具體的結(jié)構(gòu)功能示意圖如圖1所示。整個(gè)裝置由手持控制盒進(jìn)行控制，可以控制簡(jiǎn)易挖掘機(jī)模型履帶的行走、機(jī)械臂的伸出和縮回、挖斗的挖掘動(dòng)作等，是一結(jié)合了機(jī)械、電氣、控制等多門課程的綜合項(xiàng)目。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考實(shí)際挖掘機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)機(jī)械部分由12個(gè)基本零件組成，包括氣缸支架、手臂支架、挖斗等。

將設(shè)計(jì)的各個(gè)零件進(jìn)行裝配，組成簡(jiǎn)易挖掘機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)三維圖，如圖2所示。具體的零件清單見表1。

從表1中可以看出，設(shè)計(jì)的零件包括機(jī)械制圖、機(jī)械測(cè)繪、機(jī)械加工等機(jī)械類核心課程，學(xué)生先對(duì)設(shè)計(jì)好的零件圖進(jìn)行識(shí)圖，也可進(jìn)行相應(yīng)軟件的畫圖，之后再進(jìn)行加工，加工中涉及了鉗工、車工、銑工等機(jī)械加工常見的技能的應(yīng)用，且難度設(shè)計(jì)合理。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生可以切身體會(huì)到課程之間的關(guān)聯(lián)，機(jī)械識(shí)圖和計(jì)算機(jī)繪圖是后續(xù)機(jī)械加工的基礎(chǔ)，識(shí)圖是否正確會(huì)直接影響到后續(xù)加工項(xiàng)目的實(shí)施以及零件裝配。該挖掘機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)可滿足挖掘機(jī)基本動(dòng)作要求，結(jié)構(gòu)可靠合理，尺寸大小合適，制作成本低，適合于教學(xué)。

2.3 電氣及控制程序設(shè)計(jì)

該簡(jiǎn)易挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)由微控制電路制作與調(diào)試、直流電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)與調(diào)試、按鈕搖桿控制挖掘機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)裝調(diào)、搖桿控制挖掘機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)試、氣動(dòng)系統(tǒng)控制運(yùn)行與調(diào)試等模塊組成。

該簡(jiǎn)易挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的核心為微控制器芯片，由移動(dòng)電源供電，由2臺(tái)直流電機(jī)控制挖掘機(jī)的行走，通過(guò)按鈕和搖桿兩種方式控制氣缸動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的各個(gè)動(dòng)作，具有動(dòng)作反應(yīng)快、可靠度高的特點(diǎn)，在功能上還可以在液晶顯示、紅外探測(cè)等方面拓展。圖3為挖掘機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖。

2.3.1 微控制電路制作與調(diào)試

微控制器板采用模塊式結(jié)構(gòu)、線路連接實(shí)用插接方式，方便實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目開發(fā)。具備程序下載、在線調(diào)試功能，可以用于學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)項(xiàng)目訓(xùn)練、實(shí)用項(xiàng)目開發(fā)實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 直流電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

直流電機(jī)應(yīng)用普遍，且控制方式多樣，成本低，比較適用于教學(xué)，故該設(shè)計(jì)由2臺(tái)直流電機(jī)控制挖掘機(jī)履帶的前進(jìn)、后退以及拐彎。微控制器控制直流電機(jī)控制接口電路見圖4。

2.3.3 手持按鈕盒設(shè)計(jì)與制作

該挖掘機(jī)由手持按鈕盒來(lái)控制挖掘機(jī)的動(dòng)作，有按鈕和搖桿兩種方式來(lái)獨(dú)立控制，按鈕可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)動(dòng)作的運(yùn)行，搖桿可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)作，圖5為挖掘機(jī)按鈕盒接線圖。

2.3.4 氣動(dòng)系統(tǒng)控制運(yùn)行與調(diào)試

該挖掘機(jī)動(dòng)作的執(zhí)行元件為3個(gè)氣缸，3個(gè)氣缸分別控制大臂、中臂和挖斗臂的動(dòng)作。3個(gè)氣缸分別有一個(gè)二位五通換向閥來(lái)控制，通過(guò)節(jié)流閥來(lái)控制挖掘機(jī)動(dòng)作的快慢。圖6為氣動(dòng)控制系統(tǒng)圖。

從以上的設(shè)計(jì)可以看出，挖掘機(jī)電氣及控制程序設(shè)計(jì)部分是氣液傳動(dòng)、電子技術(shù)、電氣與PLC技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等課程知識(shí)和技能的結(jié)合，貫穿了電類的核心課程。綜合機(jī)械和電氣部分來(lái)看，該挖掘機(jī)項(xiàng)目融合貫穿了機(jī)電專業(yè)的主要核心課程，是一個(gè)綜合的項(xiàng)目。

2.4 整體實(shí)物及應(yīng)用

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，對(duì)此挖掘機(jī)進(jìn)行了實(shí)物制作，制作完成的實(shí)物圖見圖7。

該挖掘機(jī)制作項(xiàng)目已經(jīng)在筆者學(xué)校機(jī)電一體化專業(yè)課程教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)施，學(xué)生的積極性和興趣有了很大提高，取得了很好的教學(xué)效果;該項(xiàng)目也在2019湖南—老撾職業(yè)教育機(jī)電一體化師資國(guó)際培訓(xùn)班和2020機(jī)電一體化中高職銜接研修班中進(jìn)行了運(yùn)用，受到了培訓(xùn)教師和老撾教育部的一致好評(píng)。

3? 結(jié)語(yǔ)

基于貫穿式項(xiàng)目制教學(xué)理念，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易挖掘機(jī)模型。該設(shè)計(jì)有以下創(chuàng)新點(diǎn)和建議。

（1）實(shí)現(xiàn)了一個(gè)項(xiàng)目貫穿專業(yè)的多門核心課程，提高了學(xué)生專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

（2）項(xiàng)目來(lái)自企業(yè)，同時(shí)又適用于教學(xué)。開發(fā)者可根據(jù)自己專業(yè)特點(diǎn)和當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的需求設(shè)計(jì)合適的項(xiàng)目載體。

（3）項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)成本低。學(xué)?？梢愿鶕?jù)自身實(shí)際情況和專業(yè)的側(cè)重點(diǎn)對(duì)機(jī)械和電氣控制方面進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的增減。

（4）項(xiàng)目可擴(kuò)展性很大。例如：該設(shè)計(jì)機(jī)械部分沒(méi)有進(jìn)行挖掘機(jī)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，后續(xù)可以完善;控制部分可以增加液晶顯示屏功能，控制方式可以由微控制拓展為PLC控制。

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