雷利 馮嵩 孫楊 陳麗娜 孫雪

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

一、課程實(shí)踐環(huán)節(jié)研究的必要性

機(jī)電傳動與控制是一門理論性非常強(qiáng)的課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)的機(jī)械電子專業(yè)核心課程。由于它在工程應(yīng)用中的重要性，在實(shí)踐應(yīng)用中非常廣泛，因此機(jī)電傳動與控制的實(shí)踐環(huán)節(jié)部分顯得尤為重要。該課程主要以電機(jī)、電器、控制等基本理論和基本知識為支撐，本著原理與應(yīng)用兩頭并重，元件與系統(tǒng)二者緊密結(jié)合的理論。通過實(shí)踐環(huán)節(jié)，不斷能消化、理解學(xué)生課堂上學(xué)到的理論知識，提高動手能力，而且能培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，為進(jìn)一步深造及畢業(yè)后從事專業(yè)工作打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。

機(jī)械電子工程專業(yè)基于0BE 理念建立了新的人才培養(yǎng)方案，理論課教學(xué)大綱的教改下，課程理論性強(qiáng)以及學(xué)生上課的興趣不足，實(shí)踐環(huán)節(jié)反饋不佳等情況下，課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究和改革迫在眉睫。機(jī)電傳動與控制的實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究和改革，將實(shí)踐教學(xué)分為三部分，第一部分引進(jìn)理論教學(xué)，第二部分建立獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程，將多課程進(jìn)融合的實(shí)踐教學(xué)；第三部分為課外環(huán)節(jié)；從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的積極性和有效性。

二、課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究路徑和研究的內(nèi)容

（一）研究路徑

如圖1 所示研究的對象，該課程建設(shè)是機(jī)電傳動與控制實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究和改革，是圍繞理論課的，是將理論和實(shí)踐相結(jié)合。以機(jī)械電子工程專業(yè)新的人才培養(yǎng)方案中的各個(gè)畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)為背景，將實(shí)踐教學(xué)不僅引進(jìn)理論教學(xué)和建立獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課的研究方向，也將課程內(nèi)容引入課外，達(dá)到培養(yǎng)具有一定工程實(shí)踐能力的機(jī)電類應(yīng)用復(fù)合型人才的目的。

（二）研究內(nèi)容

按照上述的研究路徑，該課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究內(nèi)容可以從三個(gè)方面展開，一個(gè)是“看中學(xué)”的理論課環(huán)節(jié)，一個(gè)是“做中學(xué)”的實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)，一個(gè)是“用中學(xué)”的課外環(huán)節(jié)。

以機(jī)電傳動與控制理論課為載體，一方面實(shí)踐環(huán)節(jié)通過“看中學(xué)”的方法，將電動機(jī)的啟動、調(diào)試、制動等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)引進(jìn)理論課堂。例如理論課第一章主要講授知識點(diǎn)的是直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理；他勵(lì)式直流電動機(jī)的機(jī)械特性；以及他勵(lì)式直流電動機(jī)的啟動、調(diào)試和制動。希望同學(xué)們通過該理論知識的學(xué)習(xí)，掌握直流電動機(jī)的選擇以及應(yīng)用。該部分的應(yīng)用部分主要是以直流電動機(jī)的機(jī)械特性和運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)相匹配的，為了讓同學(xué)們更好的理解直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性，以及啟動和調(diào)速的方式和方法，故設(shè)計(jì)了直流電動機(jī)的運(yùn)動實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)以自制的可移動的機(jī)電基礎(chǔ)試驗(yàn)臺為載體，用改變電壓和電阻的方式驗(yàn)證直流電動機(jī)的人為機(jī)械特性曲線的變化方向；用測速工具驗(yàn)證降低電壓和串聯(lián)電阻對直流電動機(jī)控制的直線滑臺運(yùn)行速度的影響。

此外“看中學(xué)”課堂實(shí)踐項(xiàng)目的研究方向，還可以從電動機(jī)的制動進(jìn)行入手，驗(yàn)證能耗制動、反接制動以及回饋制動的區(qū)別。通過實(shí)踐內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生思考以自行車、汽車等電動的設(shè)備是如何實(shí)現(xiàn)制動的，引導(dǎo)學(xué)生通過生產(chǎn)工藝選擇合適的制動方法。

一方面實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究內(nèi)容是建立獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課。將其實(shí)驗(yàn)課改革為設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)，主要通過“做中學(xué)”的方式，加強(qiáng)學(xué)生對機(jī)電與控制相結(jié)合的系統(tǒng)的理解和學(xué)習(xí)。例如機(jī)電傳動與控制課程的第五章為控制電路與繼電器-接觸器控制電路的設(shè)計(jì)，為了讓學(xué)生充分掌握低壓控制電路的設(shè)計(jì)方法，對該章的內(nèi)容研究了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓同學(xué)們在“做中學(xué)”中充分掌握電動機(jī)、電器元件、電力電子裝置之間的關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)以機(jī)電基礎(chǔ)試驗(yàn)臺為載體，以實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書為指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。該實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性，要求學(xué)生根據(jù)控制要求，選擇合適的低壓電器元件，完成直流電動機(jī)對滑臺的控制要求。該實(shí)驗(yàn)是“一人一題”，不僅要求學(xué)生選擇合適的低壓電器元件，完成控制電路圖的設(shè)計(jì)與布置，還要求學(xué)生接線實(shí)現(xiàn)控制要求；這個(gè)實(shí)驗(yàn)充分鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動手能力和綜合應(yīng)用能力。

獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課的“做中學(xué)”項(xiàng)目也可以進(jìn)行延伸，例如研究直流電動機(jī)的PWM 調(diào)速，研究開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)在機(jī)電傳動與控制中的重要性。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，不僅僅是要求同學(xué)們實(shí)現(xiàn)控制要求，更多的需要學(xué)生有一定的分析能力和設(shè)計(jì)能力，明確開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別，以及系統(tǒng)組成。

此外，實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容能夠延伸至課外，以學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室和研究中心為載體，鼓勵(lì)學(xué)生們參加各種學(xué)科類競賽，例如工程訓(xùn)練比賽、機(jī)器人比賽、系統(tǒng)集成類比賽等。

（三）進(jìn)一步研究的方向

實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究內(nèi)容不僅僅圍繞機(jī)電傳動與控制本身，而是要將其與其它專業(yè)課緊密聯(lián)系起來。從機(jī)械電子工程專業(yè)的課程體系來說，獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課可以分成兩部分，一部分主要圍繞機(jī)電傳動與控制、傳感器與應(yīng)用、單片機(jī)應(yīng)用三門課程展開。一部分圍繞機(jī)電傳動與控制、電氣控制與PLC應(yīng)用、現(xiàn)場總線、工業(yè)機(jī)器人等課程展開。

圍繞機(jī)電傳動控制、傳感器應(yīng)用、單片機(jī)應(yīng)用的這個(gè)方向，可以以機(jī)電實(shí)驗(yàn)室的機(jī)電基礎(chǔ)試驗(yàn)臺為載體，研究各種設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如直線滑臺半閉環(huán)控制，該實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)合了機(jī)電傳動與控制和單片機(jī)應(yīng)用的知識，要求學(xué)生能夠應(yīng)用編碼器測量步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。能夠應(yīng)用PID 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、滑臺位置。例如電機(jī)控制及測速實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)，結(jié)合了機(jī)電傳動與控制、傳感器應(yīng)用、單片機(jī)應(yīng)用的知識，要求學(xué)生能夠掌握光電編碼器的原理和使用方法，掌握電機(jī)驅(qū)動器、光電開關(guān)、繼電器、接近開關(guān)的使用方法。以及結(jié)合arduino 開發(fā)板搭建正確的測量電路，并進(jìn)行編程及調(diào)試。

圍繞機(jī)電傳動控制、傳感器應(yīng)用、電氣控制與PLC 應(yīng)用、現(xiàn)場總線的這個(gè)方向，可以以工程實(shí)踐中心的機(jī)電一體化試驗(yàn)臺和協(xié)作機(jī)器人智能制造生產(chǎn)線為載體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如機(jī)電一體化的試驗(yàn)臺，集成了西門子的S7-1200 的PLC、各種光纖傳感器、直流電動機(jī)、異步電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、伺服電動機(jī)，能實(shí)現(xiàn)物料的傳送，機(jī)械手搬運(yùn)、物流碼垛入庫等機(jī)械活動。其中物料傳送實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求同學(xué)們能夠掌握變頻器、交流電動機(jī)、可編程邏輯控制、傳感器應(yīng)用等相關(guān)知識。如下圖2 所示。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中要求學(xué)生不僅通過設(shè)計(jì)控制電路和控制程序，完成物流傳送的實(shí)驗(yàn)，還要明確交流電動機(jī)與變頻器的關(guān)系，通過變頻器對調(diào)節(jié)物流傳送的速度；明確使用傳感器的種類、作用以及接線，明確它使用的注意事項(xiàng)，以及使用的必要性。該項(xiàng)目中用到了顏色傳感器，其實(shí)就是光學(xué)傳感器，利用黑白的折射率不同，從而對物料傳送的顏色進(jìn)行識別。其次要求學(xué)生學(xué)會PLC 的編程方法和接線方法，特別是多種編程指令的綜合應(yīng)用。

圖2 上料傳送檢測結(jié)構(gòu)

此外，該試驗(yàn)平臺還可以設(shè)計(jì)直流電動機(jī)運(yùn)動控制的實(shí)驗(yàn)，例如機(jī)械臂大臂的反復(fù)運(yùn)動實(shí)驗(yàn)；機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)；機(jī)械手取料入庫實(shí)驗(yàn)。在這里設(shè)計(jì)的出來點(diǎn)是電動機(jī)，根據(jù)控制要求，選擇合適的電動機(jī)，進(jìn)行可編程控制程序設(shè)計(jì)，最后接線和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)控制要求。

三、總結(jié)

針對我校學(xué)生學(xué)情，通過精簡教材的理論教學(xué)內(nèi)容，增加項(xiàng)目、實(shí)踐教學(xué)來提高學(xué)生對理論知識的理解。通過使用多種教學(xué)手段增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

目前已經(jīng)改革了部分實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容。首先取消了該課課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，然后設(shè)計(jì)了“看中學(xué)”的直流電動機(jī)的運(yùn)動實(shí)驗(yàn)；建立了獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課，設(shè)計(jì)了“做中學(xué)的直流電動機(jī)的控制實(shí)驗(yàn)，以及與傳感器、單片機(jī)、機(jī)電一體化等專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)。例如直流電機(jī)電流檢測實(shí)驗(yàn)，通過掌握PCF8951原理和CS712原理，結(jié)合arduino 開發(fā)板搭建正確的測量電流電路，并進(jìn)行編程及調(diào)試。

其次也在2021 年指導(dǎo)學(xué)生參加各種學(xué)科競賽。例如2021 年上半年舉辦的遼寧工程訓(xùn)練大賽的物流搬運(yùn)機(jī)器人比賽；以及2021 年下半年舉辦的遼寧省機(jī)器人比賽等。學(xué)生通過比賽，將自己的知識體系進(jìn)行重新構(gòu)建。學(xué)生通過這個(gè)過程，能不斷的提升自己和完善自己的知識框架。

總之，通過實(shí)驗(yàn)課程的綜合實(shí)踐教學(xué)，融合傳感與檢測技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用、可編程控制器技術(shù)等多課程的知識，從而將機(jī)和電有機(jī)結(jié)合，去滿足社會發(fā)展對人才的需要。