基于FESTO氣動教學平臺的CDIO教學實踐

任永良，賈光政，王金東，高勝

(東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶 163318)

基于FESTO氣動教學平臺的CDIO教學實踐

任永良，賈光政，王金東，高勝

(東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶 163318)

基于CDIO的教育是培養(yǎng)團隊精神、動手實踐能力的一種先進教育理念。液壓與氣動課程是一門實踐性較強的課程，將CDIO教育理念運用到液壓與氣動教學中，能取得顯著的教學效果。運用德國FESTO公司的氣動教學平臺和液壓氣動仿真軟件FluidSIM，建立了開放性的仿真實驗系統(tǒng)，每個實驗小組有3～6名學生，利用該仿真實驗系統(tǒng)，自由進行實驗設(shè)計并獨立解決問題，從而達到CDIO培養(yǎng)目的。

FESTO氣動教學平臺;CDIO教學實踐;仿真

CDIO教學模式是目前國際上比較先進的工科院校教學理念，起源于麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學歷時4年的研究成果。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生具備能夠主動應用所學的綜合知識來解決實踐問題的能力，強調(diào)學生的動手能力和團隊協(xié)作精神的培養(yǎng)［1－2］，這對解決我國高等教育中普遍存在的問題如重理論輕實踐、重學習輕創(chuàng)新及缺乏協(xié)作精神等具有非常重要的意義。其教育理念在歐美發(fā)達國家也得到普遍的推崇［3］。CDIO教學模式重點培養(yǎng)工程技術(shù)人而非研究型人才，因此適合于國內(nèi)大部分工科院校工程類專業(yè)學生的培養(yǎng)。某校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)是教育部CDIO工程教育模式改革試點專業(yè)，針對CDIO教學要求，對各門專業(yè)課程進行了相應的改革，減少理論課程，突出實踐和實驗課程，重點培養(yǎng)學生協(xié)作及實驗動手能力。

液壓與氣動是一門理論性和實踐應用性都很強的機械類專業(yè)課程，其所涉及到的知識和技術(shù)在國民經(jīng)濟的各個部門均有體現(xiàn)。為配合CDIO教學要求，將該課程的實驗課時增加為8學時，新購置4套FESTO氣動教學平臺，加上實驗室原先的液壓試驗臺，配合FESTO公司提供的液壓與氣動仿真軟件 FluidSIM［4］，創(chuàng)建了開放式的流體傳動與控制實驗室，供專業(yè)學生在課上完成大綱要求的實驗課題，課下則由學生根據(jù)愛好，3～6人自由組成興趣小組，自由設(shè)計實驗內(nèi)容和實驗方案，并進行實驗操作。學生在實驗過程中，教師一般不參與其中，遇到問題學生團隊內(nèi)部尋找解決辦法。在液壓與氣動課程CDIO教學模式下，學生成為實驗教學活動的主角，教師成為輔助人員，其作用僅限于保證實驗安全、對實驗臺儀器進行維護和提供必要的操作說明。

由于液壓傳動與氣壓傳動都是依靠流體來傳遞動力和運動，因此具有很多相通點，兩者的很多控制回路基本上是可通用的。相對于液壓傳動實驗來說，氣壓傳動實驗具有成本低、無污染、回路連接快捷、方便以及實驗元器件體積較小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，因此，在學生進行實驗設(shè)計時，盡量先利用液壓與氣動仿真軟件FluidSIM進行模擬，然后利用氣動試驗臺進行實際的管線連接實驗以驗證模擬結(jié)果。

1 實踐舉例

1.1 帶延時功能的壓力順序自動控制回路

圖1 帶延時功能的壓力順序自動控制回路

實驗原理如圖1所示，目的主要使學生了解壓力順序閥和延時閥的工作原理以及在具體回路中的應用、了解和掌握行程開關(guān)在控制回路中的應用。實驗所需元件有:氣動二聯(lián)件1個、機控二位三通閥2個、氣控二位五通閥1個、常閉式延時閥1個、壓力順序閥1個、雙作用氣壓缸1個、氣源1個、分氣站1個、氣動連接管線若干，兩機控閥開關(guān)作為雙作用氣缸活塞桿的行程開關(guān)，分別設(shè)置在0和100 mm行程位置。打開氣源開關(guān)后，氣壓缸活塞自動伸出，達到行程100 mm后，觸動行程開關(guān)S2，延時一定時間后，換向閥切換，氣缸活塞自動縮回，從而完成一個工作周期;然后再自動伸出、延時、回縮，周而復始。

首先利用氣動仿真軟件FluidSIM按照圖1連接氣動元件，設(shè)定各元件的系統(tǒng)參數(shù)，運行仿真，仿真結(jié)果如圖1所示。通過該軟件仿真，可檢驗管路連接情況、邏輯設(shè)計情況及運行參數(shù)情況，供設(shè)計者參考。通過軟件仿真模擬無誤后，在氣動實驗臺上按照圖1的原理連接氣動回路，進行實際操作實驗。

在Festo氣動實驗臺上按照圖1所示的元件連接順序，組裝成回路，如圖2所示。按下氣源開關(guān)，由于氣缸活塞桿處于行程開關(guān)S1位置，與S1相連的二位三通閥自動調(diào)整到左位，使二位五通閥左位通氣從而控制雙作用缸的伸出;在活塞桿伸出過程中，當進氣壓力達到設(shè)定壓力時，壓力順序閥被打開;當活塞桿達到終點時，行程開關(guān)S2被打開，與其相連的二位三通切換到左位，壓力順序閥接通，向延時閥供氣，延時到設(shè)定時間，延時閥導通，使二位五通閥切換到右位從而控制雙作用氣缸活塞桿回縮。調(diào)整S1、S2的位置，可以控制氣缸活塞的行程和切換頻率;調(diào)整延時閥旋鈕可以調(diào)整延時時間;調(diào)整壓力順序開關(guān)旋鈕的設(shè)定壓力，可以觀測到壓力順序閥的開啟時間。

通過該氣動試驗回路的設(shè)計、模擬及實際連接實現(xiàn)，學生既達到了對理論知識的掌握，也增強了對實踐活動的認識。在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)，學生掌握理論只是比較快，經(jīng)過簡單培訓就可以用FluidSIM軟件模擬操作并進行實驗設(shè)計，但在實驗臺上進行實際回路連接時就容易犯很多毛病，總結(jié)如下:

(1)實驗團隊組員的參與度不夠。每個實驗團隊一般都具有很好的協(xié)作精神，組員都能積極參與設(shè)計和解決問題，但是動手時總是只有1～2個人參與，其他人旁觀，導致參與度不夠。

圖2 帶延時的壓力順序自動控制回路連接圖

(2)氣動原理圖中的元件符號與實際元件對不上號。出現(xiàn)問題最多的就是行程開關(guān)，由于氣動試驗臺上的機控二位三通的換向開關(guān)充當了氣缸活塞桿的行程開關(guān)，因此很多學生剛開始并沒有這種意識，總以為行程開關(guān)應該是一個單獨的元件。

(3)對換向閥接口認識不清。氣動換向閥每個口的布局并不一定和原理圖或模擬圖中一一對應，導致很多實驗團隊連接回路出錯。尤其是氣控五通閥的連接，由于氣控五通閥的兩端控制口與原理圖中位置正好相反，導致很多學生接錯。

(4)出現(xiàn)問題不會調(diào)試。氣動回路連接正確，也會出現(xiàn)回路不通的情況，此時，很多組員不知道該如何調(diào)試，總是胡亂插拔連接管線。出現(xiàn)該問題的原因大部分都是因為氣動連接部分接觸不良，需要根據(jù)回路的邏輯關(guān)系，按照順序進行逐步調(diào)試。

上述問題隨著參與實驗次數(shù)的增多逐漸得到改正。對于參與實驗的同學來說，實驗中出現(xiàn)的任何問題及其解決辦法都給其帶來了書本上無法學到的經(jīng)驗和教訓，必將對其以后參與解決實際問題提供有益的幫助。

1.2 聯(lián)動同步動作回路

實驗原理如圖3所示，實驗目的是學會控制兩個有聯(lián)動關(guān)系的氣缸進行同步推進和縮退。實驗所需元件有:雙作用氣缸2個、氣控二位五通閥2個、機控二位三通閥2個、三通若干、管線若干。行程開關(guān)位于氣缸1的左右行程終點。

圖3 聯(lián)動回路

在FluidSIM氣動仿真軟件中按照圖示的元件連接順序，組裝成回路。設(shè)置好2個機控二位三通閥的機控符號，使之分別與S1和S2對應上 (如圖3所示)。點擊運行按鈕，則由于S1被觸發(fā)的原因，二位五通閥1左位開通，則氣缸1活塞伸出，同時由于氣缸1左端壓力信號觸發(fā)二位五通2換向，使之左端開通，從而使氣缸2活塞伸出;當氣缸1活塞到達最右端時，觸發(fā)行程開關(guān)S2，從而使與其相連的二位三通閥換向?qū)?，使二位五?換向為右位開通，氣缸1活塞縮回，同時，其氣壓信號使二位五通2換向為右位開通，進而使氣缸2活塞回退，完成一個自動循環(huán)周期。部分部件仿真輸出如圖4所示，氣動試驗臺連接如圖5所示 (為了便于控制，該連接圖加了一個手動的二位三通閥作為控制開關(guān)，如圖5中的綠色按鈕為該閥的開關(guān))。

圖4 仿真結(jié)果曲線

圖5 聯(lián)動回路連接圖

實驗2是在指導老師提出目標要求的前提下，某一CDIO實驗小組自己設(shè)計的回路，通過該組5名同學的集體協(xié)商而成。由于有了前期的實驗操作基礎(chǔ)，實驗2基本上沒有出現(xiàn)實驗1所遇到的問題，同學們都能很好掌握氣動元件的識別與連接，相互之間的協(xié)作也得到明顯的提升，達到了CDIO教學實踐的目的。唯一存在的問題是:很多同學認為在氣缸無載荷的情況下，理論上二位五通閥2應該是在氣缸1到達行程S2后才切換為左位，也就是說氣缸2應該在氣缸1伸出并達到最大位移時才開始伸出，兩者之間不應該是同步而應該是順序回路。理由是在無載荷情況下，氣缸1伸出時，其左端進氣端壓強比較低，不足以驅(qū)動二位五通閥2換向，只有當氣缸1到達其行程最右端時，其左端進氣端壓強升高，這時才能驅(qū)動二位五通閥2換向。因此該回路應該是順序回路而不應該是同步回路。但在軟件模擬和實際連接回路運行下發(fā)現(xiàn)，該回路確實是同步回路而不是順序回路。因此，這些同學剛開始對此很是不理解。后來經(jīng)過分析認為:由于氣缸1中活塞存在摩擦力，其進氣端為了將活塞桿推出，必須克服摩擦力，因此必須具備一定的壓強;同時，二位五通閥閥芯摩擦力較小，用較低的氣控壓強就可以推動其換向，所以在無載荷下該回路不是順序回路而是同步回路;在氣缸有載荷情況下，就更不可能是順序回路。

2 總結(jié)

液壓與氣動課程是一門與實踐聯(lián)系較為緊密的課程，其內(nèi)容比較形象且貼近工程實際，因此，該課程非常適合于CDIO教學實驗。開展以實驗為主、教學與實驗并重的CDIO教學改革，要求在實驗和學習過程中，學生以小組為單位，獨立完成設(shè)計任務，獨立分析設(shè)計中所遇到的問題，這就要求小組中每個個體之間要相互協(xié)作、相互配合，遇到問題要相互探討，提高了組員之間的協(xié)作精神?？萍家匀藶楸?，在現(xiàn)代化的科研和生產(chǎn)過程中，也需要多部門、多學科之間的相互配合和協(xié)作?；贑DIO教育的課程改革適應了現(xiàn)在社會對學科與團隊協(xié)作與實踐精神的需求。該校作為普通的工科院校，并不以培養(yǎng)高級研究型人才為主，而是以培養(yǎng)社會廣泛需求的實踐性、團隊協(xié)作性的工程技術(shù)人員為主，因此，CDIO教育的意義就體現(xiàn)在這里。具體到液壓與氣動課程來說，CDIO教學理念+專業(yè)課程改革+FESTO氣動實驗臺+Fluid-SIM仿真軟件能夠充分體現(xiàn)液壓與氣動CDIO本質(zhì)。從教學效果來看，該方法能大大促進學生的自主學習積極性，使學生不僅能掌握基礎(chǔ)理論知識，更主要的是能把這些知識運用到實踐中去，且能夠?qū)栴}進行深入思考，這是傳統(tǒng)教學難以實現(xiàn)的。

［1］王碩旺，洪成文.CDIO:美國麻省理工學院工程教育的經(jīng)典模式—基于對CDIO課程大綱的解讀［J］.理工高教研究，2009，28(4):116 －119.

［2］王亞良，張燁，陳勇，等.基于CDIO的實驗項目開發(fā)與實踐［J］.試驗技術(shù)與管理，2010，27(2):119 －121.

［3］BANKEL Johan，BLOM Karin，CRAWLEY Edward F，et al.The CDIO Syllabus A Comparative Study of Expected Student Proficiency［J］.European Journal of Engineering Education，2003，28(3):26.

［4］張海，王小明.FESTO MPS自動化控制系統(tǒng)在實驗教學上的應用［J］.機床與液壓，2007，35(11):134－136.

CDIO Teaching Practice Based on FESTO Pneumatic Teaching Platform

REN Yongliang，JIA Guangzheng，WANG Jindong，GAO Sheng
(Mechanical Science and Engineering College of Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China)

The education based on CDIO is an advanced education idea，which develops team spirit and improves practical ability.Hydraulic＆ pneumatic is a strong practical course.Remarkable effect can be achieved by using the CDIO theory in hydraulic ＆pneumatic teaching.The opening simulation experiment system was established through using German FESTO company's pneumatic teaching platform and hydraulic＆ pneumatic simulation software—FluidSIM.The experimental team was composed of 3～6 students.They could be free to design experiments by using the simulation experiment system and solve all problems independently.Thus the CDIO training goal is achieved.

FESTO pneumatic teaching platform;CDIO teaching practice;Simulation

TH138.9

B

1001－3881(2014)10－114－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.035

2013－04－18

任永良 (1973—)，男，博士，副教授，從事油田地面工程及流體傳動控制研究。E－mail:rrryyylll@126.com。