目標式實驗教學探索與綜合實驗平臺研制

付勝杰++高麗華++任好玲++林添良

摘 要 為培養(yǎng)滿足企業(yè)與社會實際生產需求的應用型人才，研制出層次分明、目的明確的工業(yè)自動化綜合實驗平臺，該平臺以典型工業(yè)自動化工程案例為背景，以功能實現(xiàn)型與功能拓展型實驗為主體，形成立體化與循環(huán)促進式的實踐教學模式，增強本科生的工程實踐能力與創(chuàng)造、創(chuàng)新能力，在實踐教學過程中取得良好效果。

關鍵詞 自動化綜合實驗平臺；機械電子工程課程；實踐教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）10-0015-03

Exploration of Experimental Teaching with Clear Objectives and

Development of Experimental Platform//FU Shengjie， GAO Li-hua， REN Haoling， LIN Tianliang

Abstract A comprehensive experimental platform of industrial auto-mation，which has distinct levels and clear purpose， is developed in order to meet the actual needs of enterprises and social production. The platform，made of function realization type experiment and function expanding experiment，is based on typical industrial auto-mation engineering cases. The practical teaching mode has been formed， which has enhanced the engineering practice ability and creativity and innovation ability of undergraduates. Good results have been achieved in the practice teaching process.

Key words automatic comprehensive test platform； mechatronic engineering； practical teaching

1 前言

加強實踐教學，積極推進實踐教學改革，以切實有效的實踐教學培養(yǎng)適應地方經濟建設與社會發(fā)展需要，具有創(chuàng)新精神與實踐能力的應用型人才，是大學教育的必然選擇[1-4]。在高校，依托具有專業(yè)特色的實驗平臺，制定合理且與之匹配的實驗內容，是促進實踐教學、專業(yè)教育的重要途徑之一[5-7]。傳統(tǒng)實驗平臺往往以課程為中心，為特定課程服務，帶來實踐教學本身應用背景不明確、工程技術單一等弊端，導致實踐過程的盲目性與機械性。

本文以典型工業(yè)自動化應用為背景，結合華僑大學機械電子工程課程特點，研制自動化綜合實驗平臺，旨在促進學科交叉應用，體現(xiàn)“所學即所用”，增強實踐教學的自主性與創(chuàng)造性，形成目標明確、強化工程實踐和多學科融合、多層次循序漸進的立體化實踐教學模式。

2 綜合實驗平臺架構

綜合實驗平臺主體分為三個部分，即典型工業(yè)自動化設備、功能實現(xiàn)實驗及拓展性實驗等，其架構如圖1所示。在圖1中，功能實現(xiàn)實驗部分為驗證性實驗環(huán)節(jié)，其設置依據(jù)為典型工業(yè)自動化設備的功能實現(xiàn)；拓展性實驗在功能實現(xiàn)實驗的基礎上設置，主要由學生自主完成所選典型工業(yè)自動化設備的性能改進或性能改變。

為增強實踐教學的工程性，明確實踐教學目的，選擇既功能明確，又融合本專業(yè)多學科知識，且依托實際校企合作科研項目的典型工業(yè)自動化設備作為該實驗平臺的工程應用背景；依據(jù)各功能實現(xiàn)及所涉及學科知識，將該典型設備拆分為不同環(huán)節(jié)，以環(huán)節(jié)來設置實驗內容，再通過環(huán)節(jié)實驗逐步構建系統(tǒng)，形成“系統(tǒng)—環(huán)節(jié)—系統(tǒng)”的目標明確、層次分明、依次遞進的驗證性實驗環(huán)節(jié)，其目的在于認知工業(yè)自動化設備，認知及訓練使用工業(yè)自動化典型部件，認知理論知識與工程實踐的關聯(lián)性，以及建立由部件依照功能實現(xiàn)構建復雜自動化系統(tǒng)的機電一體化思想等。

在功能實現(xiàn)型實驗的基礎上，為提高實踐教學的自主性與靈活性，提高學生的工程實踐能力與解決工程問題的能力，規(guī)劃功能拓展與功能改進型實驗：

1）對功能改進型實驗，依據(jù)工程實際，針對所選取的典型工業(yè)自動化設備某些性能指標提出改進要求，由學生自主思考、自己動手，通過環(huán)節(jié)、部件性能的改進或控制方法的優(yōu)化等措施，滿足所提性能指標；

2）對功能拓展性實驗，通過執(zhí)行環(huán)節(jié)的替換或重新設計，在原有系統(tǒng)的基礎上實現(xiàn)新的自動化功能。

3 綜合實驗平臺研制

根據(jù)上述，綜合實驗平臺選擇本專業(yè)校企合作項目中所設計的自動滴液機為典型工業(yè)自動化設備。自動滴液機，如圖2所示，是一種按任意指定比例配置混合溶液的自動化設備，其主要功能為：由固定于Z軸的機械夾在母液區(qū)夾持指定母液注射器并汲取相應母液，汲取完畢后，到滴定區(qū)進行定量液體的滴定；X-Y二維直線運動平臺負責Z軸的定位輸送，Z軸的直線運動負責液體汲取與定量滴定；所有環(huán)節(jié)均由PLC集中管理與控制。

所研制的自動化綜合實驗平臺以實現(xiàn)多種液體的定量滴定功能為最終目標，實現(xiàn)該目標所運用的主要技術如圖3所示，包括PLC控制技術、機械傳動、伺服驅動、單機械臂定位控制技術、多軸定位控制技術、流體控制等。

在實驗設置及實施方面，第一階段是認知實驗環(huán)節(jié)。在該階段讓學生了解自動滴液機的工作流程及本實驗平臺需要實現(xiàn)的功能，同時分析要實現(xiàn)該功能需要什么知識、設備及部件。比如：要實現(xiàn)液體定量滴定，需要精確的直線位移控制，而實現(xiàn)直線位移控制，需要伺服電機、旋轉變直線的機械傳動機構及PLC控制單元等。通過該環(huán)節(jié)，完成PLC、絲杠—螺母副傳動、帶傳動、伺服電機及驅動器、單軸機械臂、二維機械臂、氣動機械夾等主要的工業(yè)自動化元件，以及初步形成分解復雜自動化系統(tǒng)的能力。endprint

在認知環(huán)節(jié)后設置第二階段的功能實現(xiàn)型基礎實驗。該階段同樣以實現(xiàn)滴液機主體功能為最終目標，分別設置PLC輸入/輸出實驗、PLC伺服控制接口、單軸機械臂定位控制、雙軸定位控制等環(huán)節(jié)實驗項目，在環(huán)節(jié)實驗項目的基礎上，構建三維機械臂系統(tǒng)，并由PLC進行協(xié)調控制。此階段的直接目的在于掌握所涉及的工業(yè)自動化元件的使用方法、環(huán)節(jié)功能調試以及設備選型方法等技能，初步形成分析、解決工程問題的能力。

第三階段為科技創(chuàng)新實驗，主要包括兩個方面的內容。

1）自動滴液機功能完善或改進型實驗，比如：如何提高滴定精度？以開環(huán)式位置控制方式進行Z軸的滴定操作，與以電子天平對滴定質量進行反饋的控制方法的實現(xiàn)與滴定結果進行對比等。以此類實驗，提高學生思考與解決工程問題的能力。

2）功能實現(xiàn)型實驗。該類型實驗是在三維機械臂系統(tǒng)中設計新的滿足科創(chuàng)需求的執(zhí)行環(huán)節(jié)，取代Z軸定量液體滴定單元，從而實現(xiàn)其他工業(yè)應用中的自動化系統(tǒng)，如點膠機、物料自動插裝系統(tǒng)、物料分揀系統(tǒng)等。

4 實驗內容規(guī)劃

如上所述，綜合實驗平臺在實驗內容的設置方面避免傳統(tǒng)的以課程為中心的實驗內容，即實驗不為某一單獨的理論課程服務，而是一種理論知識的綜合應用與工程能力的培養(yǎng)，把傳統(tǒng)教學中的盲目性、機械性及追隨性實踐轉換為自主性、探索性實踐。工業(yè)自動化綜合實驗平臺以功能實現(xiàn)為出發(fā)點，合理設置實踐教學內容，構建如表1所示目標明確、層次分明的實踐教學內容。按照“基礎→綜合→創(chuàng)新”的步驟，由淺入深、由簡入繁，形成以系統(tǒng)認知帶動環(huán)節(jié)認知，以簡單環(huán)節(jié)構建復雜系統(tǒng)，環(huán)環(huán)相扣、目標明確、層次豐富的新型實踐教學。

5 綜合實驗平臺

根據(jù)實驗要求建立圖4、圖5所示綜合實驗平臺，主體由環(huán)節(jié)實驗平臺和自動化系統(tǒng)實驗平臺兩部分構成，其中環(huán)節(jié)實驗平臺主要包括PLC、接觸器、伺服驅動器、伺服電機、單軸機械臂（聯(lián)軸器直連、螺桿螺距5 mm）等設備，主要對應于表1中認知實驗與基礎實驗中前三部分內容；自動化系統(tǒng)實驗平臺主要為三維機械臂組合平臺和自動滴液機，三維平臺主要側重于X-Y-Z三維坐標系內定位控制或三軸協(xié)調控制，服務于表1中基礎實驗的后兩部分以及為拓展實驗提供物理平臺；自動滴液機為專業(yè)校企合作項目中的實體開發(fā)與應用對象，也是本系列實驗開設所依托的工程背景。

6 結束語

工業(yè)自動化實驗室的建設始終以培養(yǎng)高素質、應用型人才為目標，其特色在于從實際工業(yè)應用出發(fā)，以鮮明的工程應用為背景，以系統(tǒng)促進認知環(huán)節(jié)，以環(huán)節(jié)實驗提升系統(tǒng)構建能力；注重專業(yè)知識的學習與應用的同時，強化多學科知識的融合以及教學與科研的結合，是提高學生實踐能力和工程技能的有效途徑之一?！?/p>

參考文獻

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