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)
機(jī)電傳動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí),提高動(dòng)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(dòng)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。
如圖1 所示研究的對(duì)象,該課程建設(shè)是機(jī)電傳動(dòng)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。
按照上述的研究路徑,該課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究?jī)?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(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)試、制動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性;以及他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)試和制動(dòng)。希望同學(xué)們通過該理論知識(shí)的學(xué)習(xí),掌握直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性,以及啟動(dòng)和調(diào)速的方式和方法,故設(shè)計(jì)了直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)以自制的可移動(dòng)的機(jī)電基礎(chǔ)試驗(yàn)臺(tái)為載體,用改變電壓和電阻的方式驗(yàn)證直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性曲線的變化方向;用測(cè)速工具驗(yàn)證降低電壓和串聯(lián)電阻對(duì)直流電動(dòng)機(jī)控制的直線滑臺(tái)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(dòng)機(jī)的制動(dòng)進(jìn)行入手,驗(yàn)證能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)以及回饋制動(dòng)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(dòng)的設(shè)備是如何實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的,引導(dǎo)學(xué)生通過生產(chǎn)工藝選擇合適的制動(dòng)方法。
一方面實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究?jī)?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(duì)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(dòng)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(duì)該章的內(nèi)容研究了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),讓同學(xué)們?cè)凇白鲋袑W(xué)”中充分掌握電動(dòng)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(tái)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(dòng)機(jī)對(duì)滑臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jìng)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。
實(shí)踐環(huán)節(jié)的研究?jī)?nèi)容不僅僅圍繞機(jī)電傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)與控制、電氣控制與PLC應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)機(jī)器人等課程展開。
圍繞機(jī)電傳動(dòng)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(tái)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(tái)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(dòng)與控制和單片機(jī)應(yīng)用的知識(shí),要求學(xué)生能夠應(yīng)用編碼器測(cè)量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。能夠應(yīng)用PID 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、滑臺(tái)位置。例如電機(jī)控制及測(cè)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(dòng)與控制、傳感器應(yīng)用、單片機(jī)應(yīng)用的知識(shí),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(dòng)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(cè)量電路,并進(jìn)行編程及調(diào)試。
圍繞機(jī)電傳動(dòng)控制、傳感器應(yīng)用、電氣控制與PLC 應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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(tái),集成了西門子的S7-1200 的PLC、各種光纖傳感器、直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)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(kù)等機(jī)械活動(dòng)。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(dòng)機(jī)、可編程邏輯控制、傳感器應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。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(dòng)機(jī)與變頻器的關(guān)系,通過變頻器對(duì)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(duì)物料傳送的顏色進(jìn)行識(shí)別。其次要求學(xué)生學(xué)會(huì)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(cè)結(jié)構(gòu)
此外,該試驗(yàn)平臺(tái)還可以設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn),例如機(jī)械臂大臂的反復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn);機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn);機(jī)械手取料入庫(kù)實(shí)驗(yàn)。在這里設(shè)計(jì)的出來點(diǎn)是電動(dòng)機(jī),根據(jù)控制要求,選擇合適的電動(dòng)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。
針對(duì)我校學(xué)生學(xué)情,通過精簡(jiǎn)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(duì)理論知識(shí)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(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(cè)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(cè)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(jìng)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(shí)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(shí)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(cè)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(shí),從而將機(jī)和電有機(jī)結(jié)合,去滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)人才的需要。