一種基于貫穿式項目制的簡易挖掘機設(shè)計與制作

姚佳 黃有全

摘? 要：貫穿式項目制教學是當今職業(yè)教育的發(fā)展趨勢，該文以機電一體化專業(yè)為例，依照教學項目來源于企業(yè)又適用于教學的原則，設(shè)計了一種簡易挖掘機。從整體設(shè)計思路、挖掘機機械部分設(shè)計、電氣及控制程序設(shè)計方面介紹了挖掘機的開發(fā)和設(shè)計過程，并進行了實物制作，依托該項目開展了常規(guī)教學和國際培訓等一系列教學活動。實踐表明，該設(shè)計在培養(yǎng)學生動手能力、知識和技能的綜合運用能力方面有很好的成效。

關(guān)鍵詞：貫穿式? 項目制? 簡易挖掘機? 機電一體化

中圖分類號：TH132? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（a）-0077-05

A Design and Manufacture of a Simple Excavator Based on the Through Project System

YAO Jia? HUANG Youquan

（Electronic and Information Engineering Department of Changsha Social Work College， Changsha， Hunan Province， 410004? China）

Abstract： Through project teaching is the development trend of vocational education. Taking Mechatronics as an example， according to the principle that teaching project comes from enterprise and is suitable for teaching， a simple excavator is designed. This paper introduces the development and design process of excavator from the aspects of overall design idea， mechanical part design of excavator， electrical and control program design， and makes physical production. Relying on the project， a series of teaching activities such as routine teaching and international training are carried out. The practice shows that the design is effective in cultivating students' hands-on ability， improving students' working ability and improving students' quality The comprehensive application of knowledge and skills has achieved good results.

Key Words： Through type;Project scheme;Simple excavator model;Mechatronics

當今社會，科技快速發(fā)展，各個領(lǐng)域都大量需要技能型的高素質(zhì)人才，國家大力發(fā)展職業(yè)教育，推行產(chǎn)教融合、校企合作，企業(yè)對于學生綜合能力的重視，急需教學方式和內(nèi)容的改革，如何培養(yǎng)適應中國制造行業(yè)所需要的高素質(zhì)綜合性人才，是當今社會研究的熱點。

國家職業(yè)教育改革實施方案提出了推動教學內(nèi)容的改革，通過構(gòu)建企業(yè)真實的案例、真實項目來激發(fā)學習者的學習興趣和職業(yè)興趣[1]。以往職業(yè)教育中存在重知識輕技能、重專業(yè)技能輕職業(yè)能力培養(yǎng)的問題，當今學科之間的界限已經(jīng)不那么明顯了，課程之間的知識和技能是聯(lián)系緊密且相互交融的，而往往學生對專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)以及專業(yè)系統(tǒng)性的認知不足，導致學生被培養(yǎng)出來的能力與社會需求的脫節(jié)[2]，已無法適應傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。因此，采用貫穿多門課程的項目制教學，以企業(yè)真實的案例來設(shè)計教學項目，培養(yǎng)具有項目整體制作能力和創(chuàng)新能力的人才，提高教學質(zhì)量，具有很好的現(xiàn)實意義。

1? 貫穿式項目制教學模式

現(xiàn)代職業(yè)教育廣泛采用行動導向教學、項目制教學和基于工作過程的教學模式[3-4]，對于機電一體化這樣典型的工科專業(yè)來說，培養(yǎng)學生的職業(yè)技能和素質(zhì)是核心，而采用項目制教學則是其中一種很好的方式。

項目教學法在我國高等職業(yè)教育中已經(jīng)被廣泛使用，像機電一體化課程中的金屬加工、電氣控制技術(shù)、可編程控制技術(shù)等課程基本上都是采用項目制教學，每門課程設(shè)置多個由淺入深的項目，學生在項目中學習相應的知識和技能，培養(yǎng)職業(yè)素質(zhì)[5-6]。當前的項目制教學存在以下幾個問題：第一，項目都是針對單門課程來設(shè)計的，設(shè)計一個或多個綜合的項目，將課程貫穿起來的做法很少;第二，項目不是來自企業(yè)真實的案例，沒來自企業(yè)生產(chǎn)實際，無法激發(fā)學生的學習興趣;第三，有的項目難度過大，內(nèi)容上不可拓展，不太適用于教學。

貫穿式項目制是指設(shè)計一個或多個項目，將其應用到專業(yè)的核心課程之中的教學方式，我們通過企業(yè)調(diào)研并結(jié)合湖南省的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)工程機械作為出發(fā)點，選取了生活中常見的一個機電產(chǎn)品挖掘機來進行項目開發(fā)，在項目開發(fā)過程中本著適用于教學、提高學生興趣的思想，最終設(shè)計了一個氣動控制的簡易挖掘機。下一節(jié)將詳細介紹建議挖掘機涉及與制作的相關(guān)內(nèi)容。

2? 簡易挖掘機設(shè)計與制作

2.1 設(shè)計思路

挖掘機按照驅(qū)動行走的方式不同可分為履帶式挖掘機和輪式挖掘機，根據(jù)其常用的應用場景，該設(shè)計采用履帶式挖掘機。根據(jù)其常用的傳動控制方式，選擇液壓控制，但由于考慮教學實際，現(xiàn)階段該挖掘機采用氣動控制（氣動控制和液壓控制在此處的原理是類似的）。按驅(qū)動方式有內(nèi)燃機驅(qū)動挖掘機和電力驅(qū)動挖掘機兩種，根據(jù)機電專業(yè)對電氣方面教學內(nèi)容的要求，該挖掘機采用電力驅(qū)動。

該挖掘機主要由機身、手臂、挖斗、行走系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行氣缸等部分組成。具體的結(jié)構(gòu)功能示意圖如圖1所示。整個裝置由手持控制盒進行控制，可以控制簡易挖掘機模型履帶的行走、機械臂的伸出和縮回、挖斗的挖掘動作等，是一結(jié)合了機械、電氣、控制等多門課程的綜合項目。

2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考實際挖掘機的機械結(jié)構(gòu)，將其進行簡化設(shè)計，設(shè)計的挖掘機機械部分由12個基本零件組成，包括氣缸支架、手臂支架、挖斗等。

將設(shè)計的各個零件進行裝配，組成簡易挖掘機的機械結(jié)構(gòu)三維圖，如圖2所示。具體的零件清單見表1。

從表1中可以看出，設(shè)計的零件包括機械制圖、機械測繪、機械加工等機械類核心課程，學生先對設(shè)計好的零件圖進行識圖，也可進行相應軟件的畫圖，之后再進行加工，加工中涉及了鉗工、車工、銑工等機械加工常見的技能的應用，且難度設(shè)計合理。在這個過程中，學生可以切身體會到課程之間的關(guān)聯(lián)，機械識圖和計算機繪圖是后續(xù)機械加工的基礎(chǔ)，識圖是否正確會直接影響到后續(xù)加工項目的實施以及零件裝配。該挖掘機機械部分設(shè)計可滿足挖掘機基本動作要求，結(jié)構(gòu)可靠合理，尺寸大小合適，制作成本低，適合于教學。

2.3 電氣及控制程序設(shè)計

該簡易挖掘機電氣控制系統(tǒng)由微控制電路制作與調(diào)試、直流電機控制程序設(shè)計與調(diào)試、按鈕搖桿控制挖掘機運行系統(tǒng)裝調(diào)、搖桿控制挖掘機運行系統(tǒng)調(diào)試、氣動系統(tǒng)控制運行與調(diào)試等模塊組成。

該簡易挖掘機控制系統(tǒng)的核心為微控制器芯片，由移動電源供電，由2臺直流電機控制挖掘機的行走，通過按鈕和搖桿兩種方式控制氣缸動作來實現(xiàn)挖掘機的各個動作，具有動作反應快、可靠度高的特點，在功能上還可以在液晶顯示、紅外探測等方面拓展。圖3為挖掘機控制系統(tǒng)總體設(shè)計圖。

2.3.1 微控制電路制作與調(diào)試

微控制器板采用模塊式結(jié)構(gòu)、線路連接實用插接方式，方便實驗與項目開發(fā)。具備程序下載、在線調(diào)試功能，可以用于學習者進行學習項目訓練、實用項目開發(fā)實驗。

2.3.2 直流電機控制程序設(shè)計與調(diào)試

直流電機應用普遍，且控制方式多樣，成本低，比較適用于教學，故該設(shè)計由2臺直流電機控制挖掘機履帶的前進、后退以及拐彎。微控制器控制直流電機控制接口電路見圖4。

2.3.3 手持按鈕盒設(shè)計與制作

該挖掘機由手持按鈕盒來控制挖掘機的動作，有按鈕和搖桿兩種方式來獨立控制，按鈕可以實現(xiàn)單個動作的運行，搖桿可以實現(xiàn)連續(xù)動作，圖5為挖掘機按鈕盒接線圖。

2.3.4 氣動系統(tǒng)控制運行與調(diào)試

該挖掘機動作的執(zhí)行元件為3個氣缸，3個氣缸分別控制大臂、中臂和挖斗臂的動作。3個氣缸分別有一個二位五通換向閥來控制，通過節(jié)流閥來控制挖掘機動作的快慢。圖6為氣動控制系統(tǒng)圖。

從以上的設(shè)計可以看出，挖掘機電氣及控制程序設(shè)計部分是氣液傳動、電子技術(shù)、電氣與PLC技術(shù)、單片機技術(shù)等課程知識和技能的結(jié)合，貫穿了電類的核心課程。綜合機械和電氣部分來看，該挖掘機項目融合貫穿了機電專業(yè)的主要核心課程，是一個綜合的項目。

2.4 整體實物及應用

根據(jù)以上的設(shè)計，對此挖掘機進行了實物制作，制作完成的實物圖見圖7。

該挖掘機制作項目已經(jīng)在筆者學校機電一體化專業(yè)課程教學中進行了實施，學生的積極性和興趣有了很大提高，取得了很好的教學效果;該項目也在2019湖南—老撾職業(yè)教育機電一體化師資國際培訓班和2020機電一體化中高職銜接研修班中進行了運用，受到了培訓教師和老撾教育部的一致好評。

3? 結(jié)語

基于貫穿式項目制教學理念，設(shè)計了一個簡易挖掘機模型。該設(shè)計有以下創(chuàng)新點和建議。

（1）實現(xiàn)了一個項目貫穿專業(yè)的多門核心課程，提高了學生專業(yè)知識的綜合運用能力。

（2）項目來自企業(yè)，同時又適用于教學。開發(fā)者可根據(jù)自己專業(yè)特點和當?shù)禺a(chǎn)業(yè)的需求設(shè)計合適的項目載體。

（3）項目整體設(shè)計成本低。學校可以根據(jù)自身實際情況和專業(yè)的側(cè)重點對機械和電氣控制方面進行相應內(nèi)容的增減。

（4）項目可擴展性很大。例如：該設(shè)計機械部分沒有進行挖掘機旋轉(zhuǎn)臺的設(shè)計，后續(xù)可以完善;控制部分可以增加液晶顯示屏功能，控制方式可以由微控制拓展為PLC控制。

參考文獻

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