自動(dòng)化生產(chǎn)線為載體的機(jī)電一體化專業(yè)課整合

[摘 要] 生產(chǎn)線自動(dòng)化仿制項(xiàng)目恰恰包含了機(jī)械設(shè)計(jì)制造、機(jī)械安裝與調(diào)試、傳感器、氣動(dòng)控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)界面及組態(tài)技術(shù)、可編程控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場總線技術(shù)、伺服變頻器電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、PLC通信技術(shù)、C語言編程技術(shù)、電子電路設(shè)計(jì)印刷與焊接技術(shù)、無線通信與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、工業(yè)圖像處理技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、服務(wù)型機(jī)器人輔助等一體的非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)，通過生產(chǎn)線自動(dòng)化改造項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與實(shí)施，將機(jī)電一體化專業(yè)所學(xué)習(xí)內(nèi)容有效地進(jìn)行整合和應(yīng)用，所謂整合通過課程內(nèi)容的有邏輯的循序漸進(jìn)的安排使得學(xué)習(xí)達(dá)到某設(shè)定目標(biāo)，從中將學(xué)習(xí)知識點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行有邏輯的布置和整合。

[關(guān)鍵詞] 學(xué)習(xí)目標(biāo)分析;分類整合分析;單線學(xué)習(xí);多線綜合實(shí)施;虛擬仿真整體實(shí)現(xiàn)

[作者簡介] 張維昱（1986—）男，青?；∪耍瑢W(xué)士，青海柴達(dá)木職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系助理講師，主要從事機(jī)電專業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)研究。

[中圖分類號] TH-39 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）52-0161-04 ? [收稿日期] 2021-04-22

《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》《教育部辦公廳關(guān)于實(shí)施一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬計(jì)劃”的通知》《關(guān)于實(shí)施中國特色高水平高職學(xué)校和專業(yè)建設(shè)計(jì)劃的意見》《職業(yè)技能提升行動(dòng)方案（2019—2021年）》等提升職業(yè)教育質(zhì)量相關(guān)政策的出臺是繼高職示范校（骨干校）項(xiàng)目之后，面對以人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)為主的新經(jīng)濟(jì)、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)的新一輪產(chǎn)業(yè)革命挑戰(zhàn)下的中國高等職業(yè)教育的重要戰(zhàn)略部署。機(jī)電一體化專業(yè)是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等相融合構(gòu)成的一門獨(dú)立的交叉學(xué)科，其迎來了前所未有的發(fā)展良機(jī)。由于機(jī)電一體化專業(yè)涵蓋面廣，知識內(nèi)容多，學(xué)生無法做到全面掌握和熟練應(yīng)用，因此對課程體系進(jìn)行合理的整合勢在必行，然而目前教學(xué)內(nèi)容缺乏一個(gè)整體、合理的整合載體，去繁除簡有效整合機(jī)電一體化專業(yè)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的優(yōu)化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率從而提升專業(yè)教學(xué)質(zhì)量。

一、機(jī)電一體化專業(yè)涵蓋內(nèi)容及學(xué)習(xí)目標(biāo)的分析

所謂機(jī)電一體化專業(yè)所涵蓋內(nèi)容從內(nèi)容上分析主要有“機(jī)”加“電”。電根據(jù)應(yīng)用場合可分為高壓、低壓和弱電。高壓電相關(guān)主要有電力相關(guān)專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，作為機(jī)電一體化專業(yè)強(qiáng)調(diào)的是低壓電驅(qū)動(dòng)或弱電控制。

機(jī)械類能夠熟知機(jī)械原理，加工工藝，繪制圖面，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)為最高目標(biāo);能夠進(jìn)行零件加工制造為次級目標(biāo);能夠看懂圖紙并能進(jìn)行某項(xiàng)工種的熟練操作和加工及安裝調(diào)試為第三級目標(biāo)。

低壓電器方面能夠圍繞電控器件，組合電機(jī)拖動(dòng)，應(yīng)用伺服、變頻方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的力量、方向、轉(zhuǎn)速、位置控制，以及人機(jī)觸摸屏和傳感器件實(shí)現(xiàn)整個(gè)人機(jī)交互的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為最高目標(biāo);能夠熟練應(yīng)用PLC等器件通過自動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)某設(shè)備控制功能為次級目標(biāo);能夠看懂圖紙，進(jìn)行電氣線路的搭接、檢測，能夠進(jìn)行編程等最終能實(shí)現(xiàn)電氣故障檢修維三級目標(biāo)。

弱電方面能夠圍繞單片機(jī)等可編程控制器件，一些繼電器、傳感器件、電子電路等實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)（PCB板設(shè)計(jì)）、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、外圍器件控制輸出、數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的通信傳輸?shù)葘?shí)現(xiàn)弱電電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為最高目標(biāo);能夠看懂電路原理圖，知道器件控制原理，通過計(jì)算機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)一定功能為次級目標(biāo);能夠?qū)σ恍╇娐愤M(jìn)行電流電壓的檢測，進(jìn)行電器設(shè)備故障檢測與、器件更換等為第三級目標(biāo)[1]。

二、機(jī)電一體化專業(yè)課程內(nèi)容的分類整合分析

所謂整合，即通過課程內(nèi)容有邏輯、循序漸進(jìn)的安排使學(xué)習(xí)達(dá)到某設(shè)定目標(biāo)，從中將學(xué)習(xí)知識點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行有邏輯地布置，這就要遵從所設(shè)定目標(biāo)來設(shè)置，下文將分類說明。

（一）機(jī)械類課程內(nèi)容的整合分析

以給定目標(biāo)零件，根據(jù)零件，第一步，進(jìn)行零件的測量繪制、測量工具及方法的學(xué)習(xí)（手工繪制草圖—計(jì)算機(jī)繪制平面零件圖—三維建模）;第二步，學(xué)會(huì)分析圖紙、學(xué)習(xí)尺寸、公差含義及參數(shù)來源;第三步，學(xué)習(xí)各類加工方法及工藝，并能夠熟悉多種加工方法并能加工零件;第四步，學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理，方法優(yōu)缺點(diǎn);第五步，進(jìn)行零件的安裝與調(diào)試;第六步，進(jìn)行裝置改造。如圖1所示。

（二）電工類課程內(nèi)容整合分析

以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為最高目標(biāo)實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備控制，除機(jī)械控制外主要控制以電動(dòng)機(jī)為主要的驅(qū)動(dòng)裝置，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)等。如圖2所示，以PLC為主的可編程控制器為中心，外接一些低壓器件、傳感器件、顯示器件等實(shí)現(xiàn)信息采集，控制設(shè)備執(zhí)行裝置的啟停、位置、速度等實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能和人機(jī)交互[2]。

（三）電子類課程內(nèi)容整合分析

從弱電電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為最高目標(biāo)出發(fā)可知，電子知識主要內(nèi)容包含電子元器件工作原理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電流、電壓、電場信號的放大與縮小，電子器件通斷控制原理，加上一些集成電子器件，門電路等通過元器件間的互相作用實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)儲存運(yùn)算，數(shù)據(jù)型號的轉(zhuǎn)換，設(shè)備通信交換，以弱電控制強(qiáng)電等。如圖3所示。從而可擴(kuò)展為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式開發(fā)等相關(guān)領(lǐng)域與機(jī)械加工領(lǐng)域相互結(jié)合。

三、通過產(chǎn)線自動(dòng)化仿制項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化專業(yè)所有課程內(nèi)容整合實(shí)施

生產(chǎn)線自動(dòng)化改造項(xiàng)目恰恰包含了機(jī)械設(shè)計(jì)制造、機(jī)械安裝與調(diào)試、傳感器、氣動(dòng)控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)界面及組態(tài)技術(shù)、可編程控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場總線技術(shù)、伺服變頻器電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、PLC通信技術(shù)、C語言編程技術(shù)、電子電路設(shè)計(jì)印刷與焊接技術(shù)、無線通信與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、工業(yè)圖像處理技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、服務(wù)型機(jī)器人輔助等一體的非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)，通過生產(chǎn)線自動(dòng)化改造項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與實(shí)施，將機(jī)電一體化專業(yè)所學(xué)習(xí)內(nèi)容有效地進(jìn)行整合和應(yīng)用。

根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝流程設(shè)計(jì)制作物料上料，傳輸，定位，加工，工位間的傳送，質(zhì)量檢測，包裝，入庫，通過工作站的形式串聯(lián)起來，再通過工業(yè)機(jī)械人（短距離傳遞輔助加工）和AGV小車長距離運(yùn)送輔助形成一條自動(dòng)化或半自動(dòng)化生產(chǎn)線。在整個(gè)課程整合應(yīng)用過程中始終堅(jiān)持分單元模塊化的設(shè)計(jì)和實(shí)施。課程內(nèi)容上也是從單線學(xué)習(xí)到三條線綜合訓(xùn)練實(shí)施，在實(shí)施過程中不可能一一執(zhí)行全部內(nèi)容，將整個(gè)設(shè)備的典型模塊，作為通例進(jìn)行制作，其余的通過結(jié)合一些仿真軟件進(jìn)行仿真模擬來完成[3]。

（一）單線內(nèi)容學(xué)習(xí)過程

機(jī)械內(nèi)容抽取幾個(gè)典型組件，從非標(biāo)測量與手繪草圖、標(biāo)準(zhǔn)零件的選用、計(jì)算機(jī)二維制圖、非標(biāo)件公差選配到三維模型的繪制與模擬裝配檢測、非標(biāo)零件加工工藝的制定、實(shí)施加工到組件安裝與裝配精度測量為第一階段。將電氣電機(jī)控制作為電氣典型案例從電氣元器件的功能參數(shù)了解、電氣線路手動(dòng)控制、應(yīng)用PLC和傳感器件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、伺服控制器精確位置控制、變頻驅(qū)動(dòng)器的速度調(diào)節(jié)、人機(jī)面板組態(tài)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)為第二階段。將AGV小車制作作為電子設(shè)計(jì)的典型案例，從電路電源轉(zhuǎn)換電路開始，單片機(jī)最小系統(tǒng)、單片機(jī)外設(shè)電路設(shè)計(jì)、應(yīng)用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集到轉(zhuǎn)換、C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡單功能、電機(jī)控制、多芯片多機(jī)通訊（全部采用仿真軟件實(shí)現(xiàn)）、pcb板的設(shè)計(jì)制作、電子元器件焊接、AGV小車制作完成為第三階段。

（二）多線綜合實(shí)施過程

在前三階段的基礎(chǔ)上抽取自動(dòng)化生產(chǎn)線某典型工作站作為實(shí)際實(shí)訓(xùn)案例，將整個(gè)工作站精心設(shè)計(jì)制作，在前三個(gè)階段基礎(chǔ)上增加氣液傳動(dòng)模塊、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用模塊和PLC多機(jī)實(shí)現(xiàn)總線控制，應(yīng)用傳感器將機(jī)械設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)、AGV服務(wù)型機(jī)器人直接或間接進(jìn)行連接通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換協(xié)調(diào)運(yùn)作。

（三）虛擬仿真實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的動(dòng)態(tài)運(yùn)行

通過三維繪圖軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)繪制與組裝生成零件圖與裝配圖（爆炸圖），通過機(jī)械加工車間虛擬工廠軟件進(jìn)行非標(biāo)零件的加工工藝與零件的加工仿真，通過機(jī)械裝調(diào)軟件進(jìn)行零件的安裝測量，通過機(jī)電一體化仿真軟件實(shí)現(xiàn)電氣線路與PLC控制程序的實(shí)現(xiàn)，通過電子設(shè)計(jì)與仿真軟件實(shí)現(xiàn)AGV輔助機(jī)器人輔助程序設(shè)計(jì)與輔助功能，借助傳感元件進(jìn)行多機(jī)數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)，通過液壓與氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件實(shí)現(xiàn)氣壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)與仿真，通過工業(yè)機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人輔助加工功能的實(shí)現(xiàn)，最后通過電氣原動(dòng)件，檢測傳感元件與三維原件模型進(jìn)行一對一的綁定實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的三維動(dòng)態(tài)可控模型演示[4]。

四、結(jié)語

機(jī)電一體化專業(yè)綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)專業(yè)，只有通過實(shí)際制作加工加上虛擬仿真技術(shù)才能真正實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用的目標(biāo)，通過單線的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)與綜合實(shí)踐型學(xué)習(xí)的有效結(jié)合才能提高教學(xué)質(zhì)量。作為學(xué)生不可能達(dá)到完整的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出昂貴的生產(chǎn)系統(tǒng)，單通過一個(gè)模塊的實(shí)際生產(chǎn)再結(jié)合多種仿真軟件的虛擬生產(chǎn)，將機(jī)電一體化專業(yè)的所有課程進(jìn)行整合實(shí)踐，才能達(dá)成較低成本高質(zhì)量的教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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[2]王海山.虛擬仿真教學(xué)在高校實(shí)訓(xùn)培訓(xùn)中的探索[J].教育教學(xué)論壇，2019（51）：161-162.

[3]胥徐.高職校機(jī)械機(jī)電一體化專業(yè)課程體系的改革與優(yōu)化[J].中國金屬通報(bào)，2019（7）：238+240.

[4]查堅(jiān)強(qiáng).機(jī)電一體化課程教學(xué)改革與實(shí)踐教學(xué)[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2019（7）：118.