“自動(dòng)造材機(jī)設(shè)計(jì)”在森工機(jī)械與裝備課程教學(xué)中的實(shí)踐

楊鐵濱，薛 偉，辛 穎，李耀翔

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院哈爾濱 150040)

森工機(jī)械與裝備是高等林業(yè)院校森林工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)學(xué)生掌握森工生產(chǎn)中常用的森林采伐機(jī)械與裝備的一門(mén)課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握木材鋸切的基本原理和采伐裝備的構(gòu)造，并運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、工程測(cè)試、電工電子、微機(jī)原理等先修課程的知識(shí)，結(jié)合木材生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行采伐裝備總體方案的分析與設(shè)計(jì)［1－2］。

在傳統(tǒng)的《森工機(jī)械與裝備》課程教學(xué)中，以教師課堂授課和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)為主。在這一教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生總是被動(dòng)地聽(tīng)講，記筆記，極少有師生之間或?qū)W生之間對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)充分的討論。此外，《森工機(jī)械與裝備》課程教學(xué)內(nèi)容涉及眾多學(xué)科，知識(shí)點(diǎn)比較分散，缺少將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)橫向聯(lián)系起來(lái)的綱領(lǐng)性的習(xí)題或?qū)嵺`課。這些問(wèn)題都不利于推進(jìn)學(xué)生素質(zhì)教育和培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力［2］。

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，并盡量將先修課與本課程的內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，本課題組以自動(dòng)造材機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，采用經(jīng)過(guò)調(diào)整的PBL教學(xué)法，開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐［3］。實(shí)踐表明，該教學(xué)內(nèi)容對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的求新、創(chuàng)新能力，有較大的作用，收到了良好的效果。

1 自動(dòng)造材機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)任務(wù)為:將打枝后的原條按操作者的要求尺寸進(jìn)行造材，并根據(jù)造材后的原木尺寸進(jìn)行分選。技術(shù)要求如下。

(1)造材尺寸:2 m、3 m、3.5 m和4 m。

(2)原條最大直徑＜500 mm，原條長(zhǎng)度5～20 m。

(3)原條最大密度＜1.4×103kg/m3。

同時(shí)考慮設(shè)計(jì)問(wèn)題的開(kāi)放性和學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)間和能力，不對(duì)造材效率和設(shè)備成本控制提出具體要求。

設(shè)計(jì)內(nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)主要部分。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)方案、實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)等，由于學(xué)時(shí)的限制，不要求進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括系統(tǒng)方案、選擇傳感器和數(shù)據(jù)采集方式等?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括工藝流程、選擇控制器和執(zhí)行器、選擇軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)、設(shè)計(jì)程序框圖等，不要求編寫(xiě)程序。

2 設(shè)計(jì)方案與實(shí)例

學(xué)生根據(jù)上述設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合本課程和先修課程的知識(shí)，分組設(shè)計(jì)了不同的實(shí)現(xiàn)方案與實(shí)例。通過(guò)課堂討論、課后參觀和教師指導(dǎo)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。以下是部分學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)例。

2.1 自動(dòng)造材機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)造材機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。機(jī)械系統(tǒng)包括上木、送料、切削、分選四個(gè)部分。測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量原條長(zhǎng)度、造材長(zhǎng)度、造材直徑，并監(jiān)控系統(tǒng)安全狀態(tài)等?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)，控制造材位置，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和安全保護(hù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示。

圖1 自動(dòng)造材機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of automatic bucking system

圖2 自動(dòng)造材機(jī)工藝流程圖Fig.2 Technical flow of automatic bucking system

圖3 機(jī)械系統(tǒng)子功能工藝流程圖Fig.3 Technical flows of mechanical system

2.2 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

送料系統(tǒng)采用鏈條式輸送機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)M1、減速器和多個(gè)摩擦輪驅(qū)動(dòng)。輸送機(jī)構(gòu)中間用圓錐形鐵輥定位并支撐。切削系統(tǒng)包括夾緊裝置、送鋸機(jī)構(gòu)和鋸木機(jī)構(gòu)。夾緊裝置以壓縮空氣為動(dòng)力夾緊原條，并在鋸木結(jié)束后松開(kāi)原條。送鋸機(jī)構(gòu)由送鋸電機(jī)M2、減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、安全換向器等組成。鋸木機(jī)構(gòu)由鋸木電機(jī)、減速器、帶傳動(dòng)、圓鋸片等組成。分選系統(tǒng)包括出料機(jī)構(gòu)和拋木機(jī)構(gòu)兩部分。出料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與送料機(jī)構(gòu)相同，采用鏈條式輸送機(jī)。拋木機(jī)構(gòu)以壓縮空氣為動(dòng)力，由氣缸、活塞桿和拋木連桿組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1左上角“拋木機(jī)構(gòu)”所示。機(jī)械系統(tǒng)各子功能工藝流程圖如圖3所示。

2.3 測(cè)控系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。為了擴(kuò)展學(xué)習(xí)內(nèi)容，系統(tǒng)采用PC機(jī)作為控制器，前向通道采用傳感器－采集卡方式。原條的定位和長(zhǎng)度測(cè)量主要采用光電反射式傳感器，原條直徑的測(cè)量采用電阻式傳感器。在PC機(jī)上采用LABVIEW開(kāi)發(fā)主程序，后向通道采用PLC建立外圍控制電路。這樣較多地運(yùn)用了學(xué)生所學(xué)的知識(shí)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，也便于分組討論。學(xué)生開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Configuration of measuring and control system

圖5 控制面板Fig.5 Control setup screen

3 實(shí)施效果與改進(jìn)方向

自動(dòng)造材機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為《森工機(jī)械與裝備》課程不可或缺的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。它調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造力。符合推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的教育發(fā)展要求。在這一實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施過(guò)程中，同學(xué)們普遍認(rèn)為，他們對(duì)森工裝備設(shè)計(jì)有了較全面的了解，明確了如何著手分步解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，消除了“恐懼感”。同時(shí)也學(xué)會(huì)了分工合作和答辯技巧，對(duì)畢業(yè)論文工作的開(kāi)展有較大的幫助。

通過(guò)兩個(gè)教學(xué)年度的教學(xué)實(shí)踐，這一教學(xué)環(huán)節(jié)存在的主要問(wèn)題如下。

(1)學(xué)生提出的方案比較多，各方案之間可能有一些沖突，給后面的各組成部分設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。

(2)如果分組不當(dāng)，各組學(xué)生的學(xué)習(xí)能力不平均，就會(huì)造成設(shè)計(jì)結(jié)果不合理，甚至不能完成設(shè)計(jì)。

(3)部分同學(xué)反映占用課外時(shí)間比較多，展示設(shè)計(jì)成果的時(shí)間和機(jī)會(huì)卻比較少。

根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以上存在的問(wèn)題通過(guò)調(diào)整教學(xué)方法可能得到改進(jìn)。首先將設(shè)計(jì)過(guò)程分成兩步，第一步進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，全體同學(xué)參加。通過(guò)課內(nèi)外討論，根據(jù)學(xué)生人數(shù)，確定1～2個(gè)總體方案，并且明確每一個(gè)組成部分的功能。然后根據(jù)學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力，對(duì)學(xué)生分組，進(jìn)行組成部分設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)行分組討論和相互學(xué)習(xí)。其次，讓學(xué)生嘗試制作可以組裝、分解的造材機(jī)教學(xué)模型，對(duì)提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力、節(jié)約課內(nèi)外時(shí)間有很大幫助。

自動(dòng)造材機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)為學(xué)生提供了開(kāi)放、實(shí)用的教學(xué)環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)森工機(jī)械與裝備課程的積極性和自主學(xué)習(xí)精神，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力起到了積極的作用。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］蘇初旺，周叢矩，梁炳釗，等．森林工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)建設(shè)與改革的實(shí)踐［J］．森林工程，2004，20(5):45 －46．

［2］楊鐵濱，薛 偉，辛 穎．《森工機(jī)械與裝備》課程教學(xué)改革探索［J］．森林工程，2011，27(4):85 －87．

［3］楊鐵濱，薛 偉，沈博昌，等．“PBL”教學(xué)法在《森工機(jī)械與裝備》課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］．森林工程，2012，28(1):90 －92．