長江職業(yè)學(xué)院 李莎

1 研究意義

《PLC應(yīng)用技術(shù)》《變頻器技術(shù)》《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》等課程是高職機(jī)電類專業(yè)重要的專業(yè)核心課程，與之配套的實踐環(huán)節(jié)也是培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能的重要途徑。很多院校機(jī)電類專業(yè)的核心課程的實踐教學(xué)主要依賴于以驗證性為主的老式實訓(xùn)臺或電腦軟件仿真，且未能將電氣類課程與機(jī)械類進(jìn)行有機(jī)整合，采用的是相對獨立的實訓(xùn)設(shè)備，配套設(shè)備多、成本高，造成實訓(xùn)室資源的浪費且存在設(shè)備老化、能開設(shè)的實訓(xùn)項目不能很好地滿足教學(xué)需求等問題。

同時也有部分高校采用了新型智能實訓(xùn)箱，但也存在工作穩(wěn)定度不高、后期維護(hù)難、能開設(shè)的實訓(xùn)項目不能很好地滿足教學(xué)需求等問題。而且因為工科實訓(xùn)普遍存在的開設(shè)模式單一、受時空限制嚴(yán)重的特點，使學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下。因此，研制一款既適合高職機(jī)電類實訓(xùn)教學(xué)，又能夠調(diào)動學(xué)生實踐積極性的綜合實訓(xùn)系統(tǒng)具有重要意義。

2 項目簡介

本項目通過自主研發(fā)的機(jī)電類綜合創(chuàng)新實訓(xùn)裝置，該裝置充分地整合了機(jī)電一體化類專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)平面連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)械設(shè)計與制造，數(shù)控技術(shù)，可編程控制器、變頻器、電機(jī)與電氣控制，傳感器、組態(tài)技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等課程技能并進(jìn)行實訓(xùn)，以職業(yè)崗位能力培養(yǎng)為主線，就真實工業(yè)現(xiàn)場項目從方案設(shè)計、系統(tǒng)配置、安裝調(diào)試、運行維護(hù)等完整的項目內(nèi)容進(jìn)行實踐操作，以實訓(xùn)裝置為載體進(jìn)行“技術(shù)技能”人才培養(yǎng)。

該裝置在原有項目的基礎(chǔ)上進(jìn)行外觀改造、尺寸縮小、性能優(yōu)化，可放置于實訓(xùn)臺上，學(xué)生可對其進(jìn)行拆卸與組裝，了解機(jī)械構(gòu)造原理、掌握各機(jī)械零件結(jié)構(gòu)、掌握機(jī)械零件的拆裝；同時性能也得到了優(yōu)化，改良之后的裝置更加適用于實踐操作、綜合實訓(xùn)等教學(xué)工作，更加有效的培養(yǎng)學(xué)生地綜合職業(yè)技能。

3 研究思路

3.1 設(shè)計思路

3.1.1 在實訓(xùn)箱內(nèi)嵌入常用電氣控制類設(shè)備，如PLC、變頻器、電機(jī)、低壓電器等，大大減少實訓(xùn)設(shè)備配置，從而大幅度降低設(shè)備成本。

3.1.2 包含了自動化和機(jī)電一體化類專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的平面連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)械設(shè)計與制造，數(shù)控技術(shù)，可編程控制器、變頻器、電機(jī)與電氣控制，傳感器、組態(tài)技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等課程技能并進(jìn)行實訓(xùn)，集成為可拆卸式實訓(xùn)模塊，一箱多用，開放式設(shè)計提高實訓(xùn)系統(tǒng)的利用率。

3.1.3 依托與省重點科研項目“監(jiān)控技術(shù)在大型廣告屏上的應(yīng)用”的原型，在原有項目的基礎(chǔ)上進(jìn)行外觀改造、尺寸縮小、性能優(yōu)化，可放置于實訓(xùn)臺上，學(xué)生可對其進(jìn)行拆卸與組裝。

3.1.4 一體化便攜式箱式結(jié)構(gòu)打破教學(xué)時空界限。

3.1.5 實訓(xùn)箱人性化設(shè)計，采用端子排設(shè)計，確保學(xué)生不會因操作失誤而損壞設(shè)備，提高實訓(xùn)系統(tǒng)整體的可靠性、安全性。

3.2 項目設(shè)計

3.2.1 實訓(xùn)箱基礎(chǔ)框架設(shè)計

實訓(xùn)箱既要集成常規(guī)機(jī)電設(shè)備，又需采取開放式結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展多門課程實訓(xùn)內(nèi)容，模塊眾多，如何布局使系統(tǒng)具有良好的性能，并保持漂亮的外觀是產(chǎn)品設(shè)計需要首先重點考慮的問題。

實訓(xùn)箱體仍沿用傳統(tǒng)便攜結(jié)構(gòu)。為了便于學(xué)生觀測又不影響學(xué)生實訓(xùn)操作，除了電機(jī)等木塊固定以外，其余模塊位置可以隨意調(diào)換、拆卸。采用這種基礎(chǔ)框架既能保證性能，又能讓系統(tǒng)擁有較好的外觀。

實訓(xùn)箱依托省重點科研項目“監(jiān)控技術(shù)在大型廣告屏上的應(yīng)用”為原型，以孔雀開屏為主項目，運行時，當(dāng)用戶將一元硬幣投入投幣箱中時，控制系統(tǒng)被啟動，驅(qū)動在某一弧度印有孔雀圖案的電動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一次，該轉(zhuǎn)盤的停止方式為自由停止。若停止時，固定指針正好指向電動轉(zhuǎn)盤盤面上的孔雀圖案，控制系統(tǒng)控制機(jī)械孔雀裝置，孔雀緩緩開屏與收屏。同時，可編程控制器程序數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到計算機(jī)，由計算機(jī)控制顯示孔雀畫面，該畫面與機(jī)械孔雀裝置，作同步開屏與收屏動畫顯示。

3.2.2 硬件功能模塊

實訓(xùn)箱主要由機(jī)械部分和電氣部分兩塊組成。其中機(jī)械部分包括外觀設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、連桿裝置設(shè)計等部分；電氣部分包括變頻器、PLC控制、監(jiān)控組態(tài)畫面設(shè)計、電氣柜的設(shè)計等多個部分。

1機(jī)械模塊

開屏的機(jī)構(gòu)運動過程主要由電機(jī)驅(qū)動，鏈傳動帶動齒輪運動，齒輪運動帶動四桿機(jī)構(gòu)運動，四桿帶動葉片，最后達(dá)到開屏的效果。

2電氣模塊

該控制系統(tǒng)由PLC、低壓電器、變頻器、計算機(jī)組成，被控對象是拖動孔雀機(jī)械裝置和轉(zhuǎn)盤的三相異步電動機(jī)。

控制系統(tǒng)中的PLC主要作用是管理整個系統(tǒng)信號的輸入和輸出，與變頻器一起驅(qū)動電動機(jī)運行，并且，可通過工業(yè)以太網(wǎng)，以有線通訊或無線通訊的方式與計算機(jī)通訊，遠(yuǎn)距離使系統(tǒng)信息在PLC與計算機(jī)之間雙向流通，完成對被控對象的工況的監(jiān)視和控制。

變頻器作為電機(jī)的驅(qū)動單元，對電機(jī)實施無級調(diào)速。

計算機(jī)和組態(tài)軟件組成系統(tǒng)控制的人機(jī)界面，完成對孔雀機(jī)械裝置的可視化實時控制。

4 研究目標(biāo)

本課題主要介紹自主研發(fā)的機(jī)電類綜合創(chuàng)新實訓(xùn)裝置，該裝置充分地整合了自動化和機(jī)電一體化類專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)可編程控制器、變頻器、交直流電機(jī)、傳感器、組態(tài)控制、液壓與氣動、數(shù)控加工、機(jī)械設(shè)計與制造等課程的實訓(xùn)和實習(xí)，以職業(yè)崗位能力培養(yǎng)為主線，按真實工業(yè)現(xiàn)場項目從方案設(shè)計、系統(tǒng)配置、安裝調(diào)試、運行維護(hù)等完整的項目內(nèi)容進(jìn)行實踐操作，以實訓(xùn)裝置為載體進(jìn)行“技術(shù)技能”人才培養(yǎng)。

4.1 研究內(nèi)容

1校企合作研發(fā)的機(jī)電類綜合創(chuàng)新實訓(xùn)裝置，為實現(xiàn)教學(xué)改革提供硬件保障

該裝置包括機(jī)械與電氣兩部分，機(jī)械部分包括外觀設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、連桿裝置設(shè)計等部分；電氣部分包括變頻器、PLC控制、監(jiān)控組態(tài)畫面設(shè)計、電氣柜的設(shè)計等多個部分。其中機(jī)械部分的設(shè)計由本校老師與學(xué)生自行完成，機(jī)械部分的加工由企業(yè)完成，電氣部分的設(shè)計和調(diào)試由本校老師與學(xué)生共同完成。

2完善教學(xué)資源，建立基于自制實訓(xùn)裝置的實訓(xùn)教學(xué)包

通過建立綜合實訓(xùn)教學(xué)包，為學(xué)生創(chuàng)建良好的自學(xué)環(huán)境。根據(jù)自主創(chuàng)新綜合實訓(xùn)裝置的特點和內(nèi)容，開發(fā)與之配套的學(xué)習(xí)資料和軟硬件資源，方便教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué);同時結(jié)合本院學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和能力，編寫與實訓(xùn)裝置配套的項目化教材，在教材中融入企業(yè)真實案例，為學(xué)生的自學(xué)和發(fā)展提供素材，教材中的硬件設(shè)計與自制平臺一致，學(xué)生可以邊看書邊調(diào)試軟硬件，提高了學(xué)習(xí)的效率和教材的實用性。

同時建立信息化教學(xué)資源，較好地平衡了“教”與“學(xué)”之間的關(guān)系。包括以下幾個模塊:

（1）基于實訓(xùn)裝置的教學(xué)視頻錄像模塊。學(xué)生根據(jù)需要，可重復(fù)觀看教學(xué)錄像，視頻有助于學(xué)生自學(xué)，相當(dāng)于老師在實驗室手把手地指導(dǎo)，起到示教的作用，學(xué)生因此可以在課前課后參照視頻進(jìn)行實驗實訓(xùn)的操作。

（2）覆蓋全部學(xué)時的多媒體課件模塊。包括了實際授課中所使用的理論課、實踐課教學(xué)課件，在課件中還包括圖片、動畫、視頻等，使教學(xué)內(nèi)容以直觀、生動的形式表呈現(xiàn)出來，解決了教學(xué)中的重點、難點問題，提高了教學(xué)效率和質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

3采用形成性考核方式，建立基于工作過程的評價體系

將基于過程的評價體系與各軟硬件平臺實訓(xùn)教學(xué)包相結(jié)合，從資料收集、電路設(shè)計、程序調(diào)試、小組匯報，到文檔整理，項目的完成中每個步驟都需要學(xué)生發(fā)揮自己的主觀能動性，并且每個項目學(xué)生都能在實訓(xùn)平臺上通過不斷調(diào)試驗證最終完成，使學(xué)生在挫折中不斷成長。

5 創(chuàng)新點

5.1 集成化

本產(chǎn)品把傳統(tǒng)實訓(xùn)室必備的多種設(shè)備集成于實訓(xùn)箱中。

（1)性價比高

傳統(tǒng)的PLC、變頻器、組態(tài)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械設(shè)計等課程的實訓(xùn)設(shè)備購買價值幾十萬元，而本產(chǎn)品總體價格只有幾萬元,節(jié)約了高校的采購經(jīng)費，同時不影響實訓(xùn)質(zhì)量。

（2）占用空間小

原來的實訓(xùn)室只能一桌一臺一課程，而本產(chǎn)品卻可以一桌一箱多課程；目前很多的實訓(xùn)都必須依靠多個實訓(xùn)室來開展實訓(xùn)，而現(xiàn)在卻可以集成到一個實訓(xùn)箱。

（3）便攜性

1）現(xiàn)在大部分實訓(xùn)只能在實訓(xùn)室內(nèi)完成，而我們的產(chǎn)品卻擺脫了這個局限。實訓(xùn)可以在教室或者寢室完成，同時也便于師生之間進(jìn)行交流，以及提高學(xué)生們的效率。

2）產(chǎn)品體積小，移動方便，需要連接的儀器設(shè)備很少，便于操作和減少實訓(xùn)誤差。

5.2 模塊化

模塊化是本產(chǎn)品的一大特點，本實訓(xùn)箱現(xiàn)今是由可拆卸的多個模塊組成的，而模塊化帶具有諸多好處。

1便于設(shè)備更換和維護(hù)

當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)故障時只要替換出故障的模塊，產(chǎn)品還可繼續(xù)使用。

2可定制的實訓(xùn)模塊

由于模塊化，所以能夠根據(jù)客戶的不同需求，定制不同的實訓(xùn)模塊。

3便于產(chǎn)品升級

當(dāng)開發(fā)出新產(chǎn)品時，用戶只需直接更換相應(yīng)的模塊即可使用新產(chǎn)品；當(dāng)用戶進(jìn)行系統(tǒng)升級時，不需更換整個實訓(xùn)箱，只要購買相應(yīng)的升級模塊即可。

5.3 安全可靠性

系統(tǒng)采用端子排及安全報警模塊，充分考慮了實訓(xùn)者的實際實訓(xùn)操作可能出現(xiàn)的各種違規(guī)操作事故，確保在實訓(xùn)過程中能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行最大限度的自我保護(hù)。同時箱體模塊人性化的設(shè)計理念均提高了硬件系統(tǒng)的可靠性。上述設(shè)計在國內(nèi)同類產(chǎn)品中尚未有類似的設(shè)計，具有較強(qiáng)的競爭力。