基于案例驅(qū)動(dòng)的“機(jī)床電氣控制與PLC”教學(xué)探索與實(shí)踐

摘?要：“機(jī)床電氣控制與PLC”是機(jī)械工程專業(yè)課程，隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，PLC技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，現(xiàn)階段已經(jīng)發(fā)展成為自動(dòng)化行業(yè)的主流技術(shù)之一。本文結(jié)合我校應(yīng)用型大學(xué)的辦學(xué)理念，側(cè)重于學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)，教學(xué)過(guò)程中以實(shí)際工程案例為驅(qū)動(dòng)，將理論應(yīng)用于實(shí)踐中，在知識(shí)傳授的同時(shí)，將德育元素融入教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)課程知識(shí)與工程實(shí)踐聯(lián)系，推進(jìn)全員、全過(guò)程、全方位育人。

關(guān)鍵詞：機(jī)床電氣控制；PLC技術(shù)；教學(xué)改革；案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Exploration?and?Practice?of?CaseDriven?Teaching

of?"Electrical?Control?of?Tool?Machine?and?PLC"

Chen?Hongsheng

School?of?Mechanical?Engineering，Taishan?University?ShandongTai’an?271000

Abstract："?Electrical?Control?of?Tool?Machine?and?PLC"?is?a?mechanical?engineering?course，with?the?development?of?industrial?robots，PLC?technology?plays?an?increasingly?important?role?in?industrial?control?systems，and?at?this?stage?has?developed?into?one?of?the?mainstream?technologies?in?the?automation?industry.This?paper?combines?the?philosophy?of?our?students'?applicationoriented?university，focusing?on?the?cultivation?of?students'?practical?ability，the?teaching?process?is?driven?by?actual?engineering?cases，applying?theories?in?practice，integrating?moral?education?elements?into?the?teaching?content?while?imparting?knowledge，and?promoting?allround，allprocess，allround?education?through?the?linkage?of?course?knowledge?and?engineering?practice.

Keywords：Electrical?control?of?tool?machine；PLC?technology；teaching?reform；casedriven?teaching

黨的二十大報(bào)告中指出“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐”［1］。隨著科技的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在不同生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了普及，成為提升企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵構(gòu)成部分。編程邏輯控制器（Programmable?Logic?Controller，簡(jiǎn)稱PLC）［2］專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是工業(yè)機(jī)器人中核心的控制部件，通過(guò)優(yōu)化其設(shè)計(jì)方案，能夠推動(dòng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的前行與發(fā)展［3］。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并正在迅速擴(kuò)大。對(duì)于早期的PLC，凡是有繼電器的地方，都可采用。而對(duì)于當(dāng)今的PLC，幾乎可以說(shuō)凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC。PLC技術(shù)有效結(jié)合了自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，屬于一種新型現(xiàn)代技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制方面，其中包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入出接口、外部編程設(shè)備等部分。其特點(diǎn)有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單、使用方便，功能完善、適應(yīng)性強(qiáng)，使用簡(jiǎn)單，調(diào)試維修方便，體積小、功耗低、重量輕等。

1?“機(jī)床電氣控制與PLC”課程簡(jiǎn)介及培養(yǎng)目標(biāo)

“機(jī)床電氣控制與PLC”是一門工程實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程，授課對(duì)象為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)及智能制造工程專業(yè)學(xué)生。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，擬達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo)：

1.1?知識(shí)目標(biāo)

（1）掌握常用低壓電器的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理。

（2）掌握機(jī)床電氣原理圖的畫法和閱讀方法。

（3）熟練掌握三相異步電動(dòng)機(jī)基本控制電路的原理。

1.2?能力目標(biāo)

（1）掌握常用低壓電器元件的正確使用和選用方法。

（2）掌握簡(jiǎn)單電路的板前線槽配線方法。

（3）掌握基本控制電路的故障檢修方法。

1.3?素養(yǎng)目標(biāo)

（1）培養(yǎng)學(xué)生尊重行業(yè)規(guī)范、實(shí)事求是的精神。

（2）培養(yǎng)學(xué)生理論應(yīng)用于實(shí)踐、積極探索、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力。

2?案例驅(qū)動(dòng)課程建設(shè)思路

2.1?建設(shè)目標(biāo)

“機(jī)床電氣控制與PLC”課程牽涉到電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)、電工基礎(chǔ)、檢測(cè)知識(shí)、機(jī)械基礎(chǔ)等基礎(chǔ)知識(shí)［4］。各教學(xué)項(xiàng)目根據(jù)能力培養(yǎng)目標(biāo)的要點(diǎn)下設(shè)若干個(gè)教學(xué)任務(wù)，課程教學(xué)過(guò)程以項(xiàng)目的形式來(lái)組織與實(shí)施，每個(gè)教學(xué)任務(wù)均以典型設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)為載體，并由故障案例或者設(shè)定的教學(xué)任務(wù)引出課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，并在學(xué)習(xí)過(guò)程中加深對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用［5］。

2.2?案例選擇

我?！皺C(jī)床電氣控制與PLC”課程中選用的工程案例，如表2所示，將授課內(nèi)容與先進(jìn)的科技結(jié)合在一起，與人們的日常生活結(jié)合起來(lái)，同時(shí)注重工程案例的創(chuàng)新，盡量開闊學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，這就可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與度和積極性。例如在物流搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生很快會(huì)被先進(jìn)的物流技術(shù)所感染，繼而主動(dòng)去調(diào)研文獻(xiàn)，查閱相關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并主動(dòng)在課堂實(shí)踐環(huán)節(jié)分享交流。

2.3?課程思政

“機(jī)床電氣控制與維修”是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的專業(yè)必修課，在授課過(guò)程中有機(jī)融入課程思政元素，在知識(shí)傳授的同時(shí)，潛移默化中達(dá)到育人目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)全員、全程、全方位育人。

結(jié)合理論知識(shí)，側(cè)重實(shí)踐教學(xué)，結(jié)合表2中的教學(xué)案例，激發(fā)學(xué)生課堂參與度和積極性，以工程實(shí)例為驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐操作能力，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和創(chuàng)新能力。

例如在講授電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，講解行業(yè)規(guī)范，觀看因?qū)嵺`操作不規(guī)范造成的實(shí)驗(yàn)室安全事故等警示案例視頻，提醒同學(xué)們時(shí)刻注意安全、敬畏生命，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、一絲不茍的職業(yè)精神，如表3所示。

3?教學(xué)實(shí)施

3.1?課程內(nèi)容引入

智能快遞柜是一種自助式信息設(shè)備，可以讓客戶隨時(shí)訪問(wèn)他們的物品，具有信息化、自助化的特點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)的智能化設(shè)備。智能快遞柜由柜體和控制系統(tǒng)兩部分組成。柜體由控制箱和大量的儲(chǔ)物空間組成，控制系統(tǒng)除電磁鎖和物品檢測(cè)傳感器都安裝在控制箱內(nèi)，儲(chǔ)物空間分布在控制箱的四周用于存儲(chǔ)郵件，用于控制儲(chǔ)物空間柜門打開的電磁鎖和檢測(cè)儲(chǔ)物空間狀態(tài)的紅外檢測(cè)傳感器分別安裝在每一個(gè)儲(chǔ)物間內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)組成。

目前，快遞柜安裝在住宅小區(qū)、學(xué)校、企事業(yè)單位，主要利用現(xiàn)有的小空間布設(shè)。經(jīng)常出現(xiàn)空間受限與需求量較大之間的矛盾，快遞柜向上空發(fā)展是快遞柜設(shè)計(jì)的基本思路，可是快遞柜過(guò)高又給存取快遞帶來(lái)不便。本案例提出了較新的設(shè)計(jì)思路以解決這一矛盾。

本案例中的快遞柜采用超高設(shè)計(jì)，超過(guò)人體尺寸部分的存取采用升降平臺(tái)加自動(dòng)抽屜的設(shè)計(jì)，用戶不管是存還是取，均由升降平臺(tái)和自動(dòng)抽屜來(lái)自動(dòng)完成。升降臺(tái)閑時(shí)，向上折疊，工作面向里，這樣既可以保護(hù)工作面，也可以保證工作面潔凈。工作臺(tái)工作時(shí)，由電缸打開，工作臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)由快遞柜兩側(cè)的鏈條驅(qū)動(dòng)，行程由接近開關(guān)控制。存物品時(shí)升降臺(tái)略高于空格底面，取物品時(shí)，升降臺(tái)略低于空格底面，以方便存取。

自動(dòng)抽屜由電缸驅(qū)動(dòng)通過(guò)電路中的電流變化控制行程，外止點(diǎn)和內(nèi)止點(diǎn)設(shè)有擋鐵，當(dāng)抽屜遇到擋鐵受到阻礙時(shí)，電缸中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電路中的電流升高，當(dāng)檢測(cè)到這一電流的變化，即認(rèn)可抽屜到達(dá)止點(diǎn)。

這一設(shè)計(jì)思路可以較全面地運(yùn)用本門課所學(xué)的知識(shí)，可以得到較全面的實(shí)際體驗(yàn)，較全面、較深刻地理解理論知識(shí)。

3.2?參與式學(xué)習(xí)

（1）基于三菱FX系列PLC的設(shè)計(jì)。三菱公司是日本乃至亞洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商之一，三菱公司生產(chǎn)的FX系列可編程序控制器功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠，深受工程技術(shù)人員歡迎，在市場(chǎng)中占有比較大的份額。FX系列［6］是一類微型可編程序控制器，這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制需要。由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格以及強(qiáng)大的指令和基于Windows的編程工具，使得FX系列PLC可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求，是各種小型控制任務(wù)很理想的控制“心臟”。此外，有三種輸出類型可選、多種輸入輸出點(diǎn)數(shù)可選，這使其在解決不同的工業(yè)自動(dòng)化問(wèn)題時(shí)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。FX系列PLC具有高性能處理器和多種外設(shè)接口，以及支持多種編程語(yǔ)言和通信協(xié)議的能力，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，也可以適應(yīng)不同人群的應(yīng)用習(xí)慣。在此基礎(chǔ)上，該P(yáng)LC系統(tǒng)還有較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，能完成較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

（2）升降臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？紤]到快遞柜需要對(duì)包裹進(jìn)行分層擺放，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)層數(shù)時(shí)，需要通過(guò)光電感應(yīng)開關(guān)或接近開關(guān)來(lái)停止升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。為了盡可能節(jié)約空間，快遞柜類型為下大上小的存放空間，大物品一般重量較大，安放在下方，小物品一般重量較輕，安放在上方，升降時(shí)利于節(jié)能。升降臺(tái)與儲(chǔ)物空間需要有較好的配合以便于存取物品。

（3）自動(dòng)抽屜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。自動(dòng)抽屜由電缸控制，可以一次存入或取出多個(gè)空間的物品，也可以一物一存取。多電缸控制回路通常由多個(gè)動(dòng)作單元組成，每個(gè)動(dòng)作單元負(fù)責(zé)控制一個(gè)或多個(gè)電缸執(zhí)行伸縮。這些動(dòng)作單元將在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候按照特定的順序依次運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)多電缸控制回路的高效運(yùn)行。動(dòng)作單元使用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，以及傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)與多電缸控制回路的連接。在控制系統(tǒng)的控制下，動(dòng)作單元會(huì)根據(jù)特定的順序完成每個(gè)動(dòng)作單元所負(fù)責(zé)的運(yùn)動(dòng)控制。比如，在自動(dòng)存取高層快遞柜的設(shè)計(jì)中，動(dòng)作單元會(huì)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行流程，控制升降臺(tái)的升降，自動(dòng)抽屜的伸縮等操作，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)存取過(guò)程的高效自動(dòng)化控制。

（4）以小組為單位，完成快遞柜控制流程圖，電路接線圖以及梯形圖程序，實(shí)現(xiàn)智能快遞柜的智能存取功能。

4?課程目標(biāo)的評(píng)價(jià)內(nèi)容與方式

采用多元化評(píng)價(jià)方式，由傳統(tǒng)的知識(shí)考核轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)+能力考核，加大對(duì)過(guò)程考核的比重，具體考核內(nèi)容及評(píng)價(jià)方式如表4所示。

結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合我校應(yīng)用型大學(xué)的辦學(xué)理念，對(duì)“機(jī)床電氣控制及PLC”課程進(jìn)行了課程改革，側(cè)重于學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)，教學(xué)過(guò)程中以實(shí)際工程案例為驅(qū)動(dòng)，將理論應(yīng)用于實(shí)踐中，在知識(shí)傳授的同時(shí)，將德育元素融入教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)課程知識(shí)與工程實(shí)踐聯(lián)系，推進(jìn)全員、全過(guò)程、全方位育人。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，基于工程案例的課程教學(xué)模式有效提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情和參與度。

參考文獻(xiàn)：

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［3］趙勇，李洋.PLC在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.南方農(nóng)機(jī)，2023，54（19）：152155.

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作者簡(jiǎn)介：陳宏圣（1968—?），男，漢族，山東泰安人，副教授，主要從事機(jī)械工程專業(yè)教學(xué)與科研工作。