馮凌云，徐月華，郭燦彬，吳迪

（廣東機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣技術(shù)學院，廣東 廣州 510515）

交流伺服與變頻技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)之一，在包裝機械、食品機械、造紙機械、物流機械及機器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4].隨著中國“新基建”時代到來，在傳統(tǒng)制造向智能制造全面轉(zhuǎn)型升級的大趨勢下，伺服系統(tǒng)與工業(yè)變頻器正面臨巨大的發(fā)展機遇.為滿足社會發(fā)展的需求，許多高校（特別是高職院校）在機電類專業(yè)中開設(shè)了交流伺服與變頻技術(shù)相關(guān)課程[5-7].該課程實踐性和工程性強，其中的實驗教學是提高教學質(zhì)量和效果的重要環(huán)節(jié)[8].但在多年教學過程中，發(fā)現(xiàn)普遍存在實驗項目脫離工程實際、內(nèi)容缺乏設(shè)計性和創(chuàng)新性等現(xiàn)象，不僅制約學生的學習積極性，也不利于培養(yǎng)學生的工程實踐及創(chuàng)新能力.此外，高職院校生源渠道日趨多元化，學生水平參差不齊，如何滿足新形勢下學生差異化訴求已成為教育教學工作者亟須解決的重要課題.

CDIO 是21 世紀初由美國麻省理工學院等4 所世界知名大學共同研究并提出的新型工程教育理念，其名稱源于構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運行（Operate）4 個英文單詞的縮寫[9].它倡導(dǎo)將教學融入具體的、接近實際的工程應(yīng)用之中，以產(chǎn)品生命周期為載體引入項目情境，激發(fā)學生興趣，引導(dǎo)學生以主動的、實踐的以及發(fā)現(xiàn)性的方式進行學習，從而實現(xiàn)工程基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊合作能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng).CDIO 在中國經(jīng)過20 余年的實踐與創(chuàng)新發(fā)展，已成為推進高等教育教學改革的重要手段，具有很強的實踐可操作性和普遍適應(yīng)性[10-14].因此，將CDIO 理念融入交流伺服與變頻技術(shù)的實驗課程，設(shè)計和實施基于CDIO 的項目式教學，是解決教學現(xiàn)狀諸多問題的有效途徑.

1 實驗平臺及項目簡介

1.1 實驗平臺結(jié)構(gòu)

實驗項目的開展依托學校自主搭建的伺服系統(tǒng)與變頻器實驗平臺，設(shè)備選型貼近工程實際且兼顧經(jīng)濟性，主要由PC 機、PLC、觸摸屏、變頻器、減速電機M1、伺服系統(tǒng)、外部操作盒及相關(guān)連接線纜組成，整體結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 實驗平臺整體結(jié)構(gòu)

PC 內(nèi)安裝Multisim12，STEP7-MicroWIN SMART，WinCC flexible SMART 等軟件，PLC 選用西門子的S7-200 SMART 小型可編程控制器，觸摸屏采用西門子推出的高性價比觸摸屏SMART 700IE，交換機將PC機、PLC 和觸摸屏連接起來組成一個局域網(wǎng)，以便實驗過程中組態(tài)、編程等.外部操作盒（見圖2）是自行設(shè)計制作的外部手動控制設(shè)備，通過快速插拔接線端口能與PLC 或變頻器的DI/AI 相連.操作盒的撥動開關(guān)和旋鈕可自定義使用，實現(xiàn)對變頻器或伺服驅(qū)動器的運行控制.變頻器選用三菱公司E500 系列高性能、經(jīng)濟型產(chǎn)品FR-E540，其三相輸出通過功率電纜與4GN-15K 型減速電機相連，控制回路端子可與PLC或外部操作盒連接.平臺的V80 伺服驅(qū)動系統(tǒng)是西門子公司推出的一款簡易型伺服產(chǎn)品，包括伺服驅(qū)動器和伺服電機M2 兩部分.伺服驅(qū)動器總是與其對應(yīng)的同等功率的伺服電機一起配套使用，其指令脈沖及I/O連接端口X1 可通過專用信號電纜與PLC 的輸入輸出端子連接.此外，還準備了傳送帶、迷你風機等控制對象，可通過聯(lián)軸器連接電機，從而模擬變頻器與伺服控制器在工業(yè)現(xiàn)場的控制過程，使學生在實驗中成為工程實踐者.

圖2 外部操作盒

1.2 實驗項目簡介

交流伺服與變頻技術(shù)課程的實驗項目共5 個，每個項目安排課內(nèi)2 學時完成，詳見表1.通過實驗，讓學生掌握伺服系統(tǒng)與變頻器應(yīng)用所需的理論知識；能熟練操作、使用通用型變頻器和伺服驅(qū)動器，并初步具備故障的分析與處理能力；能夠根據(jù)不同的控制要求，規(guī)劃問題解決方案，利用變頻器和伺服驅(qū)動器解決工程實際問題.為學生學習后續(xù)專業(yè)核心課程、畢業(yè)綜合實踐及今后走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ).

表1 交流伺服與變頻技術(shù)實驗項目

2 基于CDIO 的實驗項目設(shè)計

項目設(shè)計是CDIO 工程教育的精髓，也是能否實現(xiàn)既定教學目標的關(guān)鍵.以項目5 為例，按照CDIO理念分構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行4 個環(huán)節(jié)闡述實驗項目的設(shè)計.伺服系統(tǒng)是工業(yè)自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)精確定位、精準運動的必要途徑.實驗平臺中V80 伺服系統(tǒng)與S7-200 PLC 可以構(gòu)成簡單經(jīng)濟的伺服定位系統(tǒng)，在各種需要精密定位的場景中進行應(yīng)用[15].

2.1 構(gòu)思：產(chǎn)品構(gòu)思

本環(huán)節(jié)立足項目知識重點，即“伺服定位控制技術(shù)”.通過對相關(guān)領(lǐng)域行業(yè)的需求挖掘和分析，提出一個具有市場前景的產(chǎn)品，并充分利用實驗平臺軟、硬件資源形成產(chǎn)品的構(gòu)思.以物流快遞行業(yè)為例，近幾年隨著電子商務(wù)的興起飛速發(fā)展.物流快遞整個運轉(zhuǎn)作業(yè)中，物流分撥環(huán)節(jié)極為重要，需要實現(xiàn)快遞包裹的準確分揀和快速輸送.物流分揀傳輸帶的出現(xiàn)大大提高了生產(chǎn)效率，有很好的市場前景.它是伺服定位控制技術(shù)的典型應(yīng)用，實驗平臺能體現(xiàn)該產(chǎn)品的實際工程環(huán)境.產(chǎn)品構(gòu)思：通過PLC 和伺服系統(tǒng)控制傳送帶將位于初始位置的物料塊運送至目標位置，模擬物流快遞企業(yè)使用傳送帶將快遞包裹運送至指定的分揀道口，以便進行后續(xù)堆碼、裝車作業(yè).

2.2 設(shè)計：方案設(shè)計

本環(huán)節(jié)根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)思進行硬件、軟件、控制算法詳細方案的設(shè)計.

2.2.1 硬件方案 硬件上，以實驗平臺為基礎(chǔ)設(shè)計產(chǎn)品的樣品.使用聯(lián)軸器將伺服電機與傳送帶連接，通過伺服電機帶動傳送帶運行，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動.通過改變伺服驅(qū)動器輸入脈沖的個數(shù)和頻率，實現(xiàn)傳送帶行程和速度的高精度控制.此外，沿傳送帶方向等間隔設(shè)置若干位置點并做好標記（見圖3）.其中，#0 點位為物料塊初始位置，#1～#8 點位為8 個目標位置.

圖3 物流分揀傳輸帶

2.2.2 控制算法 為實現(xiàn)傳送帶精準定位控制，需要進行行程脈沖計算.實驗平臺中伺服電機在輸入脈沖數(shù)N時轉(zhuǎn)動1 圈同時帶動傳送帶移動距離d，則脈沖當量δ為

人工測得#0～#8 點位間長度為L，于是可得到行程脈沖計算公式

即將物料塊從#0 點位運送至#n點位所需的脈沖總數(shù).式中：1＜n＜8 為目標位置編號；N為電機每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，由伺服驅(qū)動器上指令脈沖旋鈕開關(guān)確定，本例中設(shè)置為1 000.

2.2.3 軟件方案 軟件開發(fā)采用西門子S7-200 SMART 控制器專用軟件STEP7-MicroWIN SMART.首先，建立軟件與控制器間的通信連接；其次，通過軟件中“運動向?qū)А惫δ芙M態(tài)運動軸；然后，調(diào)用生成的運動控制子例程編寫初始化、參考點搜索、傳送帶行走定位等PLC 程序；最后，將程序下載至控制器中進行調(diào)試和運行.

2.3 實現(xiàn)：制作實現(xiàn)

制作實現(xiàn)是將設(shè)計方案付諸實際，形成產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要完成電氣接線、運動軸組態(tài)和PLC 程序編寫等任務(wù).

2.3.1 電氣接線 根據(jù)圖1 使用相關(guān)線纜把伺服電機、伺服驅(qū)動器、外部操作盒、PLC 等設(shè)備連接起來，完成產(chǎn)品電氣接線，PLC 的I/O 地址分配使用見表2.

表2 I/O 分配表

2.3.2 組態(tài)運動軸 S7-200 SMART 的運動軸功能為伺服電機的速度和位置控制提供了統(tǒng)一的解決方案，可在STEP7-MicroWIN SMART 軟件中使用“運動向?qū)А惫δ芙M態(tài)運動軸控制伺服電機.本例中關(guān)鍵步驟包括：組態(tài)“軸0”；測量系統(tǒng)選擇“相對脈沖”；脈沖輸出方式設(shè)為單向（2 輸出），Q0.0 為脈沖信號輸出口，Q0.2 為方向控制輸出口；啟用參考點開關(guān)輸入并設(shè)置為I1.0；啟用伺服使能輸出并設(shè)置為Q0.4；存儲器按“建議”方式或根據(jù)實際需要進行分配，詳細步驟見表3.配置完成后，即可在程序里調(diào)用相關(guān)指令例程用于伺服電機控制.

表3 運動軸組態(tài)步驟

2.3.3 編寫程序 采用典型的順序控制結(jié)構(gòu)編寫PLC 程序并下載至控制器，程序流程見圖4.

圖4 程序流程

整個程序需要用到AXIS0_CTRL（啟用和初始化運動軸）、AXIS0_DIS（啟用/禁用電機）、AXIS0_RSEEK（搜索參考點）、AXIS0_GOTO（命令軸轉(zhuǎn)動到所需位置）等運動軸子例程.其中AXIS0_GOTO子例程是傳送帶行走定位的關(guān)鍵，首先通過4個輸入開關(guān)I0.0～I0.3構(gòu)成組信號映射至內(nèi)部存儲器模擬目標位置編號（即數(shù)值0～8），然后根據(jù)式（2）計算出行程脈沖，最后AXIS0_GOTO子例程按照給定的速度值（Speed）、行程脈沖（Pos）和運動模式（Mode）控制傳送帶將物料塊準確運送到指定位置.

2.4 運行：運行測試

本環(huán)節(jié)主要對產(chǎn)品進行試運行和測試，檢驗產(chǎn)品是否達到構(gòu)思、設(shè)計的預(yù)期效果.本例中測試物流分揀傳送帶的運行效果：系統(tǒng)啟動后首先初始化并通過I0.4啟用電機；接著通過I1.1啟動參考點搜索，I1.0確定傳送帶零點位置；然后將物料塊放在零點位置即#0點位，并組合使用I0.3～I0.0確定目標位置（如0111表示#7點位）；最后接通I0.5命令傳送帶將物料塊運送至目標位置，運送過程中如遇緊急情況可隨時使用I0.6停止傳送帶.完成一次分揀運送后，將I0.3～I0.0均斷開使傳送帶返回原點，準備第2次分揀運送，以此類推.

產(chǎn)品不足及改進措施見表4，產(chǎn)品試運行測試過程中會發(fā)現(xiàn)問題或不足，要對之前的構(gòu)思、設(shè)計、實施過程重新評估和改進.通過不斷改進形成最優(yōu)產(chǎn)品，這與實際工程項目中產(chǎn)品迭代的過程是相似的.

表4 產(chǎn)品不足及改進措施

3 “循環(huán)分段”教學實施方法

基于CDIO 理念設(shè)計的實驗項目將知識點以完整的工程項目形式串成整體，能夠在產(chǎn)品生命周期整個活動過程中幫助學生自主構(gòu)建知識體系，培養(yǎng)學生工程調(diào)試能力、系統(tǒng)設(shè)計能力和綜合創(chuàng)新能力.但是高職院校面臨的現(xiàn)狀是，同一個班級內(nèi)生源結(jié)構(gòu)組成包括高考普招生、注冊生、中專單招生、自主單招生等，甚至還會有下崗職工、農(nóng)民工等社會擴招生[16].由于基礎(chǔ)不同，學生學習能力存在很大差異.部分學生覺得教學進度緩慢、實驗內(nèi)容不夠豐富，部分學生卻跟不上進度，任務(wù)也難以完成.在整個班級中開展完整的CDIO 項目教學效果并不理想.針對這個問題，采用了一種循環(huán)分段方式實施教學，具體分成3 個階段（見圖5）.

圖5 CDIO 循環(huán)分段式教學實施流程

3.1 第1階段（S1-E1）

全部學生都要完成本階段實驗.由教師提供案例，精講產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計方案，學生負責制作產(chǎn)品和運行測試，即教師負責C 和D，學生進行I 和O.通過本階段練習，學生能夠掌握基本知識，做到理論聯(lián)系實際，具備工程調(diào)試能力.

3.2 第2階段（S2-E2）

擁有高中基礎(chǔ)的學生必須完成本階段實驗，其余學生不做強制要求.由教師指定產(chǎn)品，學生參與方案設(shè)計，然后制作和測試.實驗任務(wù)強化到D，I，O 的3 個內(nèi)容，學生能力鍛煉進一步拓展到系統(tǒng)設(shè)計能力.

3.3 第3階段（S3-E3）

針對思維活躍、學有余力的學生.完全由學生主導(dǎo)，自行發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，感受創(chuàng)新的艱辛與樂趣，完成整個CDIO 的全過程，學生綜合創(chuàng)新能力得到提高.教師在這個過程中主要提供技術(shù)支持和指導(dǎo).

通過3個階段由簡到難開展實驗教學，不同水平層次的學生都能在實踐中得到滿足感和獲得感，實現(xiàn)個人能力的分段訓練、遞進提升.

4 結(jié)語

近2 年，在機電一體化、工業(yè)機器人技術(shù)等機電類專業(yè)交流伺服與變頻技術(shù)的實驗課中基于CDIO 理念，采用循環(huán)分段教學方法，學生參與實驗的積極性和主動性明顯提高.問卷調(diào)查顯示，大部分學生認同并享受這樣的教學方式，已畢業(yè)學生普遍認為實驗內(nèi)容與工程實際緊密對接，進入企業(yè)后在較短時間內(nèi)能適應(yīng)和勝任相關(guān)工作崗位.不同基礎(chǔ)的學生通過實驗取得了進步，部分學生組隊參加全國職業(yè)院校技能大賽，榮獲國賽二等獎2 次、三等獎1 次及省賽一等獎6 次、二等獎5 次、三等獎4 次；在挑戰(zhàn)杯、“互聯(lián)網(wǎng)+”等大學生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽中獲省一等獎2 次、三等獎4 次，獲獎學生中有34%是由中職升學而來.

交流伺服與變頻技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)，在高職院校機電類專業(yè)教學中越來越得到重視.為解決該課程傳統(tǒng)實驗教學的不足，專業(yè)教師自主開發(fā)了貼近工程實際的經(jīng)濟型實驗平臺，并將CDIO工程教育理念融入實驗項目中，實現(xiàn)實驗教學過程與產(chǎn)品生產(chǎn)過程的無縫對接，有效激發(fā)了學生興趣和動手實驗的積極性，促進工程實踐及創(chuàng)新能力的培養(yǎng).同時，針對當前生源結(jié)構(gòu)多元化的形勢和趨勢，提出采用循環(huán)分段方式實施教學，滿足了學生的差異化訴求.