面向工程能力培養(yǎng)的智能洗車(chē)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

雷翔霄

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410004）

工程能力是指應(yīng)用工程科學(xué)和技術(shù)，解決企業(yè)實(shí)際工程問(wèn)題，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的能力，亦即解決企業(yè)實(shí)際工程實(shí)踐問(wèn)題的能力。它通常包括：知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力、思維判斷與分析能力、工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力等[1]。制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐和國(guó)家安全的重要保障[2],是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基[3]。歐美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)4.0”等發(fā)展戰(zhàn)略，吹響了第四次工業(yè)革命的號(hào)角。2015 年5 月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)制造2025》以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線(xiàn)，著力推進(jìn)智能制造的升級(jí)換代，推動(dòng)制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展。2016 年《中共中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)人才工作的決定》指出：實(shí)現(xiàn)制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型，離不開(kāi)高層次、高技能和復(fù)合型人才的支撐[4]。高職院校作為高素質(zhì)復(fù)合型技術(shù)技能型人才培養(yǎng)和供給的主體，是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的主要平臺(tái)，承擔(dān)著復(fù)合型技術(shù)技能人才培養(yǎng)的重任，在壯大先進(jìn)制造業(yè)人才隊(duì)伍方面發(fā)揮著巨大的作用。

在實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，由于自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一些“三無(wú)工廠(chǎng)”開(kāi)始出現(xiàn)，導(dǎo)致生產(chǎn)一線(xiàn)從業(yè)人員的數(shù)量降低，但對(duì)從業(yè)人員的綜合能力要求在提高，尤其是對(duì)從業(yè)人員工程實(shí)踐能力的要求。在一定程度上可以說(shuō)，中國(guó)制造業(yè)要在激烈的環(huán)境中立足并發(fā)展，進(jìn)而形成一定的優(yōu)勢(shì)，從業(yè)人員綜合工程能力的高低是關(guān)鍵性因素[3]。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，美國(guó)賓州州立大學(xué)工學(xué)院通過(guò)學(xué)習(xí)工廠(chǎng)模式培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，給學(xué)生在真實(shí)的制造環(huán)境中實(shí)踐學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，是綜合性的實(shí)踐模式[5]。德國(guó)的雙元制和行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法，采用工程性較強(qiáng)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備開(kāi)展教學(xué)，非常重視學(xué)生工程能力的培養(yǎng)[6]。陳波[1]等提出以培養(yǎng)工程能力為目標(biāo)的“N-CDIO 工程教育模式”。張曉琳[7]等提出通過(guò)課內(nèi)外理論類(lèi)課程的改進(jìn)、實(shí)踐類(lèi)課程的改進(jìn)以及利用網(wǎng)絡(luò)資源培養(yǎng)化工類(lèi)學(xué)生的工程能力。李平[2]等從工程訓(xùn)練中心的建設(shè)、工程訓(xùn)練教學(xué)改革等方面對(duì)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)提出了思考。近年來(lái)，隨著加入《華盛頓協(xié)議》和開(kāi)展現(xiàn)代學(xué)徒制，學(xué)生的工程能力得到了一定程度的提高，但由于高職院校的實(shí)訓(xùn)設(shè)施脫離工程背景、滯后于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展，且大多為驗(yàn)證性實(shí)訓(xùn)設(shè)備[8]，在一定程度上影響了學(xué)生工程能力的培養(yǎng)。在長(zhǎng)期的教學(xué)、指導(dǎo)學(xué)生參加技能競(jìng)賽以及參與企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：鍛煉學(xué)生工程能力的最有效方法，一是指導(dǎo)學(xué)生直接參與企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)，但此類(lèi)可遇而不可求，不適宜大規(guī)模推廣；二是因地制宜，自制實(shí)訓(xùn)設(shè)備，通過(guò)研發(fā)貼近行業(yè)實(shí)際的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的工程能力。

本文以工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻電機(jī)、三相異步電機(jī)、單相電機(jī)、傳感器等為對(duì)象，綜合考慮高職學(xué)生的認(rèn)知能力和企業(yè)崗位技能需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套非接觸式智能洗車(chē)機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

1 綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)理念

（1）來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。設(shè)備載體來(lái)自近年來(lái)迅猛發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)洗車(chē)機(jī)行業(yè)，為學(xué)生所易于理解和接受。伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、三相異步電機(jī)、單相電機(jī)、超聲波測(cè)距、無(wú)線(xiàn)遙控、各類(lèi)傳感器、電磁閥等集中在一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，串聯(lián)起電氣自動(dòng)化技術(shù)專(zhuān)業(yè)大學(xué)三年的核心知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生能更加直觀(guān)地對(duì)所學(xué)知識(shí)的具體應(yīng)用領(lǐng)域有基本認(rèn)知。

（2）集成各種典型自動(dòng)化技術(shù)。集電氣裝配、PLC 程序編寫(xiě)與調(diào)試、故障診斷與排除、伺服控制、通信技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)于一體。具備智能測(cè)距、位置檢測(cè)、狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)通信及控制等一系列功能，學(xué)生可在非接觸式智能洗車(chē)機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上完成專(zhuān)業(yè)核心技能的訓(xùn)練。

（3）項(xiàng)目設(shè)置靈活，便于開(kāi)拓性學(xué)習(xí)。系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)置靈活，彼此相對(duì)獨(dú)立，不同年級(jí)的學(xué)生均可靈活地根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況選取實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，同時(shí)完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目又是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)有效組成部分。如三相異步電機(jī)的星三角啟動(dòng)控制；三相異步電機(jī)+電磁閥的組合可以完成系統(tǒng)的底盤(pán)沖洗功能；三相異步電機(jī)+電磁閥+變頻電機(jī)可完成車(chē)輛的前后高壓沖洗；同時(shí)所有項(xiàng)目完成后就是一個(gè)獨(dú)立的非接觸式洗車(chē)機(jī)系統(tǒng)，可滿(mǎn)足不同課程、不同層次教學(xué)的需要。

2 非接觸式智能洗車(chē)機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

非接觸式智能洗車(chē)機(jī)系統(tǒng)包含機(jī)械設(shè)計(jì)部分和電氣設(shè)計(jì)部分。機(jī)械設(shè)計(jì)部分由于與電氣自動(dòng)化技術(shù)專(zhuān)業(yè)的核心培養(yǎng)目標(biāo)關(guān)聯(lián)不大，在此就不贅述。電氣設(shè)計(jì)部分分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)包含無(wú)線(xiàn)遙控、LED 顯示、RFID 刷卡電路以及PLC 控制電路，硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，圖2 為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖1 非接觸式智能洗車(chē)機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 非接觸式智能洗車(chē)機(jī)實(shí)物圖

非接觸式智能洗車(chē)機(jī)能實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）利用超聲波傳感器自動(dòng)檢測(cè)車(chē)輛寬度，從而確定洗車(chē)機(jī)的橫向移動(dòng)距離，以確保最佳沖洗效果；

（2）利用紅外對(duì)射傳感器檢測(cè)車(chē)輛停放位置，確保待洗車(chē)輛停在指定區(qū)域，保證洗車(chē)過(guò)程中車(chē)輛不受洗車(chē)臂的損壞；

（3）RFID 刷卡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)付費(fèi)后自動(dòng)啟動(dòng)智能洗車(chē)流程；

（4）語(yǔ)音與顯示部分提示駕駛?cè)藛T車(chē)輛正確的停放位置及洗車(chē)的具體進(jìn)展；

（5）無(wú)線(xiàn)遙控部分可實(shí)現(xiàn)刷卡后手動(dòng)遙控洗車(chē)；

（6）三相高壓泵電路啟動(dòng)高壓泵，通過(guò)與電磁閥的組合可實(shí)現(xiàn)底盤(pán)沖洗和高壓清水洗車(chē)時(shí)，水壓能達(dá)到足夠的沖洗壓力；

（7）單相泡沫泵啟動(dòng)泡沫泵，通過(guò)與電磁閥的組合可實(shí)現(xiàn)不同泡沫進(jìn)行洗車(chē)；

（8）觸摸屏可顯示系統(tǒng)各傳感器狀態(tài)、選擇洗車(chē)模式、重新設(shè)置洗車(chē)模式、初始參數(shù)設(shè)置等；

（9）變頻電機(jī)可實(shí)現(xiàn)智能洗車(chē)機(jī)活動(dòng)部分的縱向移動(dòng)，從車(chē)頭運(yùn)動(dòng)到車(chē)尾；

（10）伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)智能洗車(chē)機(jī)的橫向運(yùn)動(dòng)，從車(chē)輛左側(cè)運(yùn)動(dòng)到車(chē)輛右側(cè)；

（11）步進(jìn)電機(jī)控制洗車(chē)臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證洗車(chē)臂圍繞車(chē)身旋轉(zhuǎn)，車(chē)輛的前臉、尾部、左側(cè)、右側(cè)均能洗到；

（12）通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)PLC 之間數(shù)據(jù)信息的傳遞。

智能洗車(chē)機(jī)的實(shí)踐分為基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)和拓展實(shí)訓(xùn)兩大類(lèi)，基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)以功能性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為主，讓學(xué)生利用開(kāi)發(fā)的智能洗車(chē)機(jī)硬件平臺(tái)完成基本洗車(chē)功能的實(shí)訓(xùn)；拓展性實(shí)訓(xùn)由學(xué)生發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)性，自主設(shè)計(jì)部分硬件電路/所有硬件電路和完成部分軟件設(shè)計(jì)/全部軟件設(shè)計(jì)，自由探索解決路徑，全流程參與方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)綜合調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

3 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

基于智能洗車(chē)機(jī)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)如表1 所示。

表1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

表1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的非接觸式智能洗車(chē)機(jī)來(lái)自實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品，涵蓋了高職電氣自動(dòng)化技術(shù)專(zhuān)業(yè)的所有核心能力點(diǎn)，能滿(mǎn)足高職電氣自動(dòng)化技術(shù)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)的基本教學(xué)要求與技能拓展訓(xùn)練需求，以加強(qiáng)學(xué)生的工程概念、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)，滿(mǎn)足企業(yè)崗位實(shí)際技能需求為目標(biāo)。能夠有效地完成PLC 技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、變頻控制技術(shù)、伺服電機(jī)控制技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)等課程的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，能將課堂知識(shí)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，有利于提升教學(xué)效果和培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。