機電一體化實驗教學改革探索與實踐*

邵園園 玄冠濤

山東農業(yè)大學 山東泰安 271018

機電一體化實驗教學改革探索與實踐*

邵園園 玄冠濤

山東農業(yè)大學 山東泰安 271018

文章針對當前高校機電一體化實驗教學中存在的不足，從改革實驗教學模式入手，給出了一種機電一體化實踐教學新模式，對其主要內容和特點進行了介紹。通過實踐，使學生的觀察能力、綜合設計與創(chuàng)新能力、實踐動手能力及分析和解決問題的能力得到明顯的提高，為培養(yǎng)綜合實用型人才打下了堅實基礎。

機電一體化；實驗教學；改革

機電一體化系統(tǒng)設計作為機械電子專業(yè)的一門專業(yè)課，涉及領域廣泛、內容豐富，機電結合，信息更新快，實踐要求高，在學習中不僅要求學生熟悉機械、微電子、控制、測試等機電一體化的關鍵技術，還要真正理解和掌握機電一體化的內涵及其設計的理論和方法，從而能夠靈活地綜合運用這些技術進行機電一體化產品的分析、設計與開發(fā)。但是由于種種原因“偏機類”學生在信息、控制及系統(tǒng)論方面知識一般都比較欠缺，而且實驗設備有限，相關實驗較少，給學習帶來較大困難。在這種情況下，如何充分利用現(xiàn)有的實驗設備和資源，在較短的時間內，將課程中所涉及的各方面比較抽象和深奧的知識融匯貫通，并能夠充分理解和掌握，是機電一體化實驗教學中值得探討的課題。

一、機電一體化實驗教學的新模式

1.實驗改革內容

我校引進了一套機電一體化實訓操作系統(tǒng)，機電一體化實驗教學以該系統(tǒng)為載體，綜合應用傳感器技術、PLC編程、電氣設計、控制理論、電機驅動、機械傳動和執(zhí)行機構等技術，進行機電一體化設計的實踐，開展機電一體化系統(tǒng)實驗。

該系統(tǒng)由10個單元組成，分別是儲料單元、翻轉送料單元、尺寸檢測單元、材質檢測單元、機械手送料單元、加工單元、搬運單元、分檢單元、翻轉送料單元和立體倉儲單元。每個單元有各自動作特點和要求，可成組編程，也可以單元分步編程，其工作任務是將φ20x25的工件由原料倉庫取出，經過質量檢測，材質檢測，然后對非金屬工件進行加工，最后按材料的不同將加工過的工件進行分撿入庫。同時在幾個工作單元之間配以不同形式的工件傳送裝置最終完成一整套工作及工藝過程。

2.新模式的特點

(1)綜合性：包括機電一體化課本里面講到的傳感器技術、控制理論、機械傳動等內容，給學生創(chuàng)造性綜合應用知識的機會。

(2)創(chuàng)新性：電機的選擇，傳感器的選擇，電氣系統(tǒng)的巧妙設計，具體接線，繼電器的巧妙應用等。

(3)強調學生能力的培養(yǎng)：包括動手能力、挖掘問題和解決問題的能力、理論聯(lián)系實際的能力和自學能力的培養(yǎng)等。

(4)團隊協(xié)作精神：一個小組的同學在有限的時間內完成很重的任務，需要小組成員相互協(xié)調來解決問題。

二、實驗改革方法

1.總體實驗

實驗內容：使學生認識該實訓系統(tǒng)從料出庫—檢測—加工—分揀—運輸—入庫的整個流程。

實驗方法：按照先獨立手動單步，獨立手動單循環(huán)，然后從最后一站逐步向前站聯(lián)合，最后整個10站同時聯(lián)合的原則，對該實訓系統(tǒng)進行操作，了解實訓臺每站的基本結構及功能。

實驗特點：增強學生對各種機電元件（空氣開關、繼電器、PLC、傳感器、真空發(fā)生器、機械手、接線盒等。）的感性認識，理解其作用和工作原理，形成機電一體化系統(tǒng)分析和設計的基本理念。

2.電氣接線實驗

實驗目的：提高學生閱讀電氣原理圖的能力，掌握正確的布線方法。

實驗方法：關閉系統(tǒng)的氣源、電源，手動拆除系統(tǒng)接線，然后讓學生根據(jù)每一站的電氣原理圖，完成系統(tǒng)布線并恢復系統(tǒng)原有功能（如圖1）。

圖1 材質檢測單元的電氣接線圖

實驗特點：在布線中能更進一步了解和掌握電氣元件的功能和作用。在電氣布線過程中可人為設置和排查故障，增強學生的動手能力和靈活使用各種電氣原件的能力。

3.傳感器實驗

實驗目的：正確認識和理解各類傳感器的在機電一體化系統(tǒng)中的作用。

實驗方法：改變系統(tǒng)中各傳感器（光電傳感器、電容傳感器、電感傳感器、接近開關、霍爾傳感器、磁性傳感器等）的狀態(tài)，觀察輸出信號的變化，分析其對系統(tǒng)工作的影響（如圖2）。

圖2 材質檢測單元實物

實驗特點：可在線檢測傳感器工作狀態(tài)，在機電一體化設計中靈活使用各類不同傳感器。

4.PLC編程實驗

實驗目的：掌握PLC編程的方法，學會設計PLC控制系統(tǒng)（見表1）。

表1 材質檢測單元的程序輸入輸出分配表

實驗方法：依據(jù)每一站的動作功能，提供PLC程序流程圖，源程序。要求學生：

(1)結合操作手冊寫出每一單元的工藝過程、實現(xiàn)目的、實現(xiàn)方法、動作過程、聯(lián)鎖條件。

(2)結合程序流程圖分析演示程序。

(3)總結出編程思路。

(4)可打亂原有的輸入、輸出端子由學生自己重新編排，自主編程。

實驗特點：使學生真正掌握了PLC控制的方法和一般流程，提升學生自主開發(fā)PLC控制系統(tǒng)的能力和水平。

5.創(chuàng)新組合實驗

實驗內容：學生自己進行創(chuàng)意設計，實現(xiàn)生產實際中一個機電一體化系統(tǒng)（如圖3）。

圖3 學生組合的立體倉庫

實驗方法：把實訓臺各站進行創(chuàng)意組合，并根據(jù)系統(tǒng)要求進行改進和優(yōu)化，設計出另外一種能實現(xiàn)特定功能的機電一體化產品來。

實驗特點：培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高學生機電一體化產品研發(fā)水平，為以后工作打下堅實的基礎。

三、實驗教學新模式效果

1.培養(yǎng)學生動手的能力

最初在同學們面前的只是一個空空的接線盒，看著黃色的和藍色的接線端子不知道如何接線。慢慢地弄清哪根是傳感器的電源線，信號輸出線等，對著接線圖完成整個線的接線。也搞清楚了整個機電一體化系統(tǒng)信號的傳輸方向。

2.培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

比如認識傳感器的環(huán)節(jié)，學生對照各種傳感器的不同原理，想到了很多方法來驗證。把手指擋住光電傳感器，觀察傳感器的燈是否亮；用手撥動漸進開關的觸點；把霍爾傳感器和磁傳感器倒換位置試驗。大大的提高了學生的創(chuàng)新能力。

3.培養(yǎng)學生系統(tǒng)學習的能力

通過這個實驗，學生能夠把所學的知識串起來。原來單獨學過的課程電工、機械設計、控制理論、PLC，現(xiàn)在通過自己完成整個系統(tǒng)的設計，理解了這些單點知識之間的相互聯(lián)系，腦海中有一個整體的概念，知道學有所用。

4.培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力

這門課的最大價值就在于它的實踐性，通過這個實驗，學生自然而然地想到機器人手臂的翻轉動作，手的抓握動作。想到改善汽缸推出物料的軌道。大大提高了理論聯(lián)系實際的能力。

5.培養(yǎng)學生團結協(xié)作的精神

與人協(xié)作能力、團隊意識的重要性在這次實踐中得到突出體現(xiàn)。這個實驗為大家開展合作提供了廣闊的舞臺，不僅僅是小組內部，各小組之間也有交流、合作，是傳統(tǒng)課程設計教學所不能提供的。

四、結束語

實踐證明，該機電一體化創(chuàng)新設計實踐，是根據(jù)實驗教學目標，以實驗技術為主線，綜合運用了傳感器技術、PLC編程、電氣設計、運動控制、電機驅動、執(zhí)行機構、導向和傳動機構等技術，充分體現(xiàn)機械和電子技術的聯(lián)系，對培養(yǎng)學生綜合應用所學知識分析、解決工程實際問題的能力，提高學生的動手能力和研發(fā)水平具有重要的作用。

[1]葉大鵬.計算機仿真技術在機電一體化系統(tǒng)設計教學中的應用[J].建農林大學學報(自然科學版)，2004,33(4)

[2]李成華,楊世風.機電一體化技術[M].北京：農業(yè)大學出版社，2001

[3]李凈，楊俊武，錢旭.機電一體化培訓系統(tǒng)中MSM - 2102軟件的開發(fā)與應用[J].計算機應用，2000,20（12）

Usage of multimedia timer in real-time data collecting in construction machinery

Shao Yuanyuan, Xuan Guantao
Shandong university of agriculture，Taian, 271018，China

This paper analyses the problems which currently exist in the experimental teaching of mechatronics at colleges, offers one new pattern in experimental teaching of mechatronics based on the theme of innovation and practice from the experimental teaching pattern, introduces its main content and characteristic. By practice,students’ pability of observation integrative design and innovation practice, the analysis and settlement o f problems are obviously enhanced and imp roved, which established the foundation for the cultivation of app lied talents with comprehensive competence.

mechatronics; experimental teaching; innovation

2009-12-17

邵園園，講師。

*本文系國家自然科學基金項目：50875158。國家“十一五”科技支撐計劃：2006BAB11B05。山東省自然科學杰出青年基金資助項目：JQ200816。