基于機(jī)電類(lèi)“技術(shù)技能人才”培養(yǎng)的自主創(chuàng)新綜合實(shí)訓(xùn)裝置的開(kāi)發(fā)與研究

長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院 李莎

1 研究意義

《PLC應(yīng)用技術(shù)》《變頻器技術(shù)》《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》等課程是高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)核心課程，與之配套的實(shí)踐環(huán)節(jié)也是培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能的重要途徑。很多院校機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程的實(shí)踐教學(xué)主要依賴(lài)于以驗(yàn)證性為主的老式實(shí)訓(xùn)臺(tái)或電腦軟件仿真，且未能將電氣類(lèi)課程與機(jī)械類(lèi)進(jìn)行有機(jī)整合，采用的是相對(duì)獨(dú)立的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，配套設(shè)備多、成本高，造成實(shí)訓(xùn)室資源的浪費(fèi)且存在設(shè)備老化、能開(kāi)設(shè)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不能很好地滿(mǎn)足教學(xué)需求等問(wèn)題。

同時(shí)也有部分高校采用了新型智能實(shí)訓(xùn)箱，但也存在工作穩(wěn)定度不高、后期維護(hù)難、能開(kāi)設(shè)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不能很好地滿(mǎn)足教學(xué)需求等問(wèn)題。而且因?yàn)楣た茖?shí)訓(xùn)普遍存在的開(kāi)設(shè)模式單一、受時(shí)空限制嚴(yán)重的特點(diǎn)，使學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下。因此，研制一款既適合高職機(jī)電類(lèi)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，又能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)踐積極性的綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有重要意義。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目通過(guò)自主研發(fā)的機(jī)電類(lèi)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)裝置，該裝置充分地整合了機(jī)電一體化類(lèi)專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)平面連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，數(shù)控技術(shù)，可編程控制器、變頻器、電機(jī)與電氣控制，傳感器、組態(tài)技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等課程技能并進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，以職業(yè)崗位能力培養(yǎng)為主線，就真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目從方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等完整的項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行實(shí)踐操作，以實(shí)訓(xùn)裝置為載體進(jìn)行“技術(shù)技能”人才培養(yǎng)。

該裝置在原有項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行外觀改造、尺寸縮小、性能優(yōu)化，可放置于實(shí)訓(xùn)臺(tái)上，學(xué)生可對(duì)其進(jìn)行拆卸與組裝，了解機(jī)械構(gòu)造原理、掌握各機(jī)械零件結(jié)構(gòu)、掌握機(jī)械零件的拆裝；同時(shí)性能也得到了優(yōu)化，改良之后的裝置更加適用于實(shí)踐操作、綜合實(shí)訓(xùn)等教學(xué)工作，更加有效的培養(yǎng)學(xué)生地綜合職業(yè)技能。

3 研究思路

3.1 設(shè)計(jì)思路

3.1.1 在實(shí)訓(xùn)箱內(nèi)嵌入常用電氣控制類(lèi)設(shè)備，如PLC、變頻器、電機(jī)、低壓電器等，大大減少實(shí)訓(xùn)設(shè)備配置，從而大幅度降低設(shè)備成本。

3.1.2 包含了自動(dòng)化和機(jī)電一體化類(lèi)專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的平面連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，數(shù)控技術(shù)，可編程控制器、變頻器、電機(jī)與電氣控制，傳感器、組態(tài)技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等課程技能并進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，集成為可拆卸式實(shí)訓(xùn)模塊，一箱多用，開(kāi)放式設(shè)計(jì)提高實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的利用率。

3.1.3 依托與省重點(diǎn)科研項(xiàng)目“監(jiān)控技術(shù)在大型廣告屏上的應(yīng)用”的原型，在原有項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行外觀改造、尺寸縮小、性能優(yōu)化，可放置于實(shí)訓(xùn)臺(tái)上，學(xué)生可對(duì)其進(jìn)行拆卸與組裝。

3.1.4 一體化便攜式箱式結(jié)構(gòu)打破教學(xué)時(shí)空界限。

3.1.5 實(shí)訓(xùn)箱人性化設(shè)計(jì)，采用端子排設(shè)計(jì)，確保學(xué)生不會(huì)因操作失誤而損壞設(shè)備，提高實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)整體的可靠性、安全性。

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

3.2.1 實(shí)訓(xùn)箱基礎(chǔ)框架設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)箱既要集成常規(guī)機(jī)電設(shè)備，又需采取開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展多門(mén)課程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，模塊眾多，如何布局使系統(tǒng)具有良好的性能，并保持漂亮的外觀是產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要首先重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

實(shí)訓(xùn)箱體仍沿用傳統(tǒng)便攜結(jié)構(gòu)。為了便于學(xué)生觀測(cè)又不影響學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作，除了電機(jī)等木塊固定以外，其余模塊位置可以隨意調(diào)換、拆卸。采用這種基礎(chǔ)框架既能保證性能，又能讓系統(tǒng)擁有較好的外觀。

實(shí)訓(xùn)箱依托省重點(diǎn)科研項(xiàng)目“監(jiān)控技術(shù)在大型廣告屏上的應(yīng)用”為原型，以孔雀開(kāi)屏為主項(xiàng)目，運(yùn)行時(shí)，當(dāng)用戶(hù)將一元硬幣投入投幣箱中時(shí)，控制系統(tǒng)被啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)在某一弧度印有孔雀圖案的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一次，該轉(zhuǎn)盤(pán)的停止方式為自由停止。若停止時(shí)，固定指針正好指向電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)面上的孔雀圖案，控制系統(tǒng)控制機(jī)械孔雀裝置，孔雀緩緩開(kāi)屏與收屏。同時(shí)，可編程控制器程序數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制顯示孔雀畫(huà)面，該畫(huà)面與機(jī)械孔雀裝置，作同步開(kāi)屏與收屏動(dòng)畫(huà)顯示。

3.2.2 硬件功能模塊

實(shí)訓(xùn)箱主要由機(jī)械部分和電氣部分兩塊組成。其中機(jī)械部分包括外觀設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連桿裝置設(shè)計(jì)等部分；電氣部分包括變頻器、PLC控制、監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)、電氣柜的設(shè)計(jì)等多個(gè)部分。

1機(jī)械模塊

開(kāi)屏的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鏈傳動(dòng)帶動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)，齒輪運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，四桿帶動(dòng)葉片，最后達(dá)到開(kāi)屏的效果。

2電氣模塊

該控制系統(tǒng)由PLC、低壓電器、變頻器、計(jì)算機(jī)組成，被控對(duì)象是拖動(dòng)孔雀機(jī)械裝置和轉(zhuǎn)盤(pán)的三相異步電動(dòng)機(jī)。

控制系統(tǒng)中的PLC主要作用是管理整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)的輸入和輸出，與變頻器一起驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并且，可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，以有線通訊或無(wú)線通訊的方式與計(jì)算機(jī)通訊，遠(yuǎn)距離使系統(tǒng)信息在PLC與計(jì)算機(jī)之間雙向流通，完成對(duì)被控對(duì)象的工況的監(jiān)視和控制。

變頻器作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)電機(jī)實(shí)施無(wú)級(jí)調(diào)速。

計(jì)算機(jī)和組態(tài)軟件組成系統(tǒng)控制的人機(jī)界面，完成對(duì)孔雀機(jī)械裝置的可視化實(shí)時(shí)控制。

4 研究目標(biāo)

本課題主要介紹自主研發(fā)的機(jī)電類(lèi)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)裝置，該裝置充分地整合了自動(dòng)化和機(jī)電一體化類(lèi)專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)可編程控制器、變頻器、交直流電機(jī)、傳感器、組態(tài)控制、液壓與氣動(dòng)、數(shù)控加工、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等課程的實(shí)訓(xùn)和實(shí)習(xí)，以職業(yè)崗位能力培養(yǎng)為主線，按真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目從方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等完整的項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行實(shí)踐操作，以實(shí)訓(xùn)裝置為載體進(jìn)行“技術(shù)技能”人才培養(yǎng)。

4.1 研究?jī)?nèi)容

1校企合作研發(fā)的機(jī)電類(lèi)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)裝置，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)改革提供硬件保障

該裝置包括機(jī)械與電氣兩部分，機(jī)械部分包括外觀設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連桿裝置設(shè)計(jì)等部分；電氣部分包括變頻器、PLC控制、監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)、電氣柜的設(shè)計(jì)等多個(gè)部分。其中機(jī)械部分的設(shè)計(jì)由本校老師與學(xué)生自行完成，機(jī)械部分的加工由企業(yè)完成，電氣部分的設(shè)計(jì)和調(diào)試由本校老師與學(xué)生共同完成。

2完善教學(xué)資源，建立基于自制實(shí)訓(xùn)裝置的實(shí)訓(xùn)教學(xué)包

通過(guò)建立綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)包，為學(xué)生創(chuàng)建良好的自學(xué)環(huán)境。根據(jù)自主創(chuàng)新綜合實(shí)訓(xùn)裝置的特點(diǎn)和內(nèi)容，開(kāi)發(fā)與之配套的學(xué)習(xí)資料和軟硬件資源，方便教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué);同時(shí)結(jié)合本院學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和能力，編寫(xiě)與實(shí)訓(xùn)裝置配套的項(xiàng)目化教材，在教材中融入企業(yè)真實(shí)案例，為學(xué)生的自學(xué)和發(fā)展提供素材，教材中的硬件設(shè)計(jì)與自制平臺(tái)一致，學(xué)生可以邊看書(shū)邊調(diào)試軟硬件，提高了學(xué)習(xí)的效率和教材的實(shí)用性。

同時(shí)建立信息化教學(xué)資源，較好地平衡了“教”與“學(xué)”之間的關(guān)系。包括以下幾個(gè)模塊:

（1）基于實(shí)訓(xùn)裝置的教學(xué)視頻錄像模塊。學(xué)生根據(jù)需要，可重復(fù)觀看教學(xué)錄像，視頻有助于學(xué)生自學(xué)，相當(dāng)于老師在實(shí)驗(yàn)室手把手地指導(dǎo)，起到示教的作用，學(xué)生因此可以在課前課后參照視頻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的操作。

（2）覆蓋全部學(xué)時(shí)的多媒體課件模塊。包括了實(shí)際授課中所使用的理論課、實(shí)踐課教學(xué)課件，在課件中還包括圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等，使教學(xué)內(nèi)容以直觀、生動(dòng)的形式表呈現(xiàn)出來(lái)，解決了教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，提高了教學(xué)效率和質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

3采用形成性考核方式，建立基于工作過(guò)程的評(píng)價(jià)體系

將基于過(guò)程的評(píng)價(jià)體系與各軟硬件平臺(tái)實(shí)訓(xùn)教學(xué)包相結(jié)合，從資料收集、電路設(shè)計(jì)、程序調(diào)試、小組匯報(bào)，到文檔整理，項(xiàng)目的完成中每個(gè)步驟都需要學(xué)生發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，并且每個(gè)項(xiàng)目學(xué)生都能在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上通過(guò)不斷調(diào)試驗(yàn)證最終完成，使學(xué)生在挫折中不斷成長(zhǎng)。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 集成化

本產(chǎn)品把傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室必備的多種設(shè)備集成于實(shí)訓(xùn)箱中。

（1)性?xún)r(jià)比高

傳統(tǒng)的PLC、變頻器、組態(tài)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程的實(shí)訓(xùn)設(shè)備購(gòu)買(mǎi)價(jià)值幾十萬(wàn)元，而本產(chǎn)品總體價(jià)格只有幾萬(wàn)元,節(jié)約了高校的采購(gòu)經(jīng)費(fèi)，同時(shí)不影響實(shí)訓(xùn)質(zhì)量。

（2）占用空間小

原來(lái)的實(shí)訓(xùn)室只能一桌一臺(tái)一課程，而本產(chǎn)品卻可以一桌一箱多課程；目前很多的實(shí)訓(xùn)都必須依靠多個(gè)實(shí)訓(xùn)室來(lái)開(kāi)展實(shí)訓(xùn)，而現(xiàn)在卻可以集成到一個(gè)實(shí)訓(xùn)箱。

（3）便攜性

1）現(xiàn)在大部分實(shí)訓(xùn)只能在實(shí)訓(xùn)室內(nèi)完成，而我們的產(chǎn)品卻擺脫了這個(gè)局限。實(shí)訓(xùn)可以在教室或者寢室完成，同時(shí)也便于師生之間進(jìn)行交流，以及提高學(xué)生們的效率。

2）產(chǎn)品體積小，移動(dòng)方便，需要連接的儀器設(shè)備很少，便于操作和減少實(shí)訓(xùn)誤差。

5.2 模塊化

模塊化是本產(chǎn)品的一大特點(diǎn)，本實(shí)訓(xùn)箱現(xiàn)今是由可拆卸的多個(gè)模塊組成的，而模塊化帶具有諸多好處。

1便于設(shè)備更換和維護(hù)

當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)只要替換出故障的模塊，產(chǎn)品還可繼續(xù)使用。

2可定制的實(shí)訓(xùn)模塊

由于模塊化，所以能夠根據(jù)客戶(hù)的不同需求，定制不同的實(shí)訓(xùn)模塊。

3便于產(chǎn)品升級(jí)

當(dāng)開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品時(shí)，用戶(hù)只需直接更換相應(yīng)的模塊即可使用新產(chǎn)品；當(dāng)用戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，不需更換整個(gè)實(shí)訓(xùn)箱，只要購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的升級(jí)模塊即可。

5.3 安全可靠性

系統(tǒng)采用端子排及安全報(bào)警模塊，充分考慮了實(shí)訓(xùn)者的實(shí)際實(shí)訓(xùn)操作可能出現(xiàn)的各種違規(guī)操作事故，確保在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行最大限度的自我保護(hù)。同時(shí)箱體模塊人性化的設(shè)計(jì)理念均提高了硬件系統(tǒng)的可靠性。上述設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品中尚未有類(lèi)似的設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。