机电一体化实验教学改革探索与实践*

邵园园 玄冠涛

山东农业大学 山东泰安 271018

机电一体化实验教学改革探索与实践*

邵园园 玄冠涛

山东农业大学 山东泰安 271018

文章针对当前高校机电一体化实验教学中存在的不足，从改革实验教学模式入手，给出了一种机电一体化实践教学新模式，对其主要内容和特点进行了介绍。通过实践，使学生的观察能力、综合设计与创新能力、实践动手能力及分析和解决问题的能力得到明显的提高，为培养综合实用型人才打下了坚实基础。

机电一体化；实验教学；改革

机电一体化系统设计作为机械电子专业的一门专业课，涉及领域广泛、内容丰富，机电结合，信息更新快，实践要求高，在学习中不仅要求学生熟悉机械、微电子、控制、测试等机电一体化的关键技术，还要真正理解和掌握机电一体化的内涵及其设计的理论和方法，从而能够灵活地综合运用这些技术进行机电一体化产品的分析、设计与开发。但是由于种种原因“偏机类”学生在信息、控制及系统论方面知识一般都比较欠缺，而且实验设备有限，相关实验较少，给学习带来较大困难。在这种情况下，如何充分利用现有的实验设备和资源，在较短的时间内，将课程中所涉及的各方面比较抽象和深奥的知识融汇贯通，并能够充分理解和掌握，是机电一体化实验教学中值得探讨的课题。

一、机电一体化实验教学的新模式

1.实验改革内容

我校引进了一套机电一体化实训操作系统，机电一体化实验教学以该系统为载体，综合应用传感器技术、PLC编程、电气设计、控制理论、电机驱动、机械传动和执行机构等技术，进行机电一体化设计的实践，开展机电一体化系统实验。

该系统由10个单元组成，分别是储料单元、翻转送料单元、尺寸检测单元、材质检测单元、机械手送料单元、加工单元、搬运单元、分检单元、翻转送料单元和立体仓储单元。每个单元有各自动作特点和要求，可成组编程，也可以单元分步编程，其工作任务是将φ20x25的工件由原料仓库取出，经过质量检测，材质检测，然后对非金属工件进行加工，最后按材料的不同将加工过的工件进行分捡入库。同时在几个工作单元之间配以不同形式的工件传送装置最终完成一整套工作及工艺过程。

2.新模式的特点

(1)综合性：包括机电一体化课本里面讲到的传感器技术、控制理论、机械传动等内容，给学生创造性综合应用知识的机会。

(2)创新性：电机的选择，传感器的选择，电气系统的巧妙设计，具体接线，继电器的巧妙应用等。

(3)强调学生能力的培养：包括动手能力、挖掘问题和解决问题的能力、理论联系实际的能力和自学能力的培养等。

(4)团队协作精神：一个小组的同学在有限的时间内完成很重的任务，需要小组成员相互协调来解决问题。

二、实验改革方法

1.总体实验

实验内容：使学生认识该实训系统从料出库—检测—加工—分拣—运输—入库的整个流程。

实验方法：按照先独立手动单步，独立手动单循环，然后从最后一站逐步向前站联合，最后整个10站同时联合的原则，对该实训系统进行操作，了解实训台每站的基本结构及功能。

实验特点：增强学生对各种机电元件（空气开关、继电器、PLC、传感器、真空发生器、机械手、接线盒等。）的感性认识，理解其作用和工作原理，形成机电一体化系统分析和设计的基本理念。

2.电气接线实验

实验目的：提高学生阅读电气原理图的能力，掌握正确的布线方法。

实验方法：关闭系统的气源、电源，手动拆除系统接线，然后让学生根据每一站的电气原理图，完成系统布线并恢复系统原有功能（如图1）。

图1 材质检测单元的电气接线图

实验特点：在布线中能更进一步了解和掌握电气元件的功能和作用。在电气布线过程中可人为设置和排查故障，增强学生的动手能力和灵活使用各种电气原件的能力。

3.传感器实验

实验目的：正确认识和理解各类传感器的在机电一体化系统中的作用。

实验方法：改变系统中各传感器（光电传感器、电容传感器、电感传感器、接近开关、霍尔传感器、磁性传感器等）的状态，观察输出信号的变化，分析其对系统工作的影响（如图2）。

图2 材质检测单元实物

实验特点：可在线检测传感器工作状态，在机电一体化设计中灵活使用各类不同传感器。

4.PLC编程实验

实验目的：掌握PLC编程的方法，学会设计PLC控制系统（见表1）。

表1 材质检测单元的程序输入输出分配表

实验方法：依据每一站的动作功能，提供PLC程序流程图，源程序。要求学生：

(1)结合操作手册写出每一单元的工艺过程、实现目的、实现方法、动作过程、联锁条件。

(2)结合程序流程图分析演示程序。

(3)总结出编程思路。

(4)可打乱原有的输入、输出端子由学生自己重新编排，自主编程。

实验特点：使学生真正掌握了PLC控制的方法和一般流程，提升学生自主开发PLC控制系统的能力和水平。

5.创新组合实验

实验内容：学生自己进行创意设计，实现生产实际中一个机电一体化系统（如图3）。

图3 学生组合的立体仓库

实验方法：把实训台各站进行创意组合，并根据系统要求进行改进和优化，设计出另外一种能实现特定功能的机电一体化产品来。

实验特点：培养学生的创新思维，提高学生机电一体化产品研发水平，为以后工作打下坚实的基础。

三、实验教学新模式效果

1.培养学生动手的能力

最初在同学们面前的只是一个空空的接线盒，看着黄色的和蓝色的接线端子不知道如何接线。慢慢地弄清哪根是传感器的电源线，信号输出线等，对着接线图完成整个线的接线。也搞清楚了整个机电一体化系统信号的传输方向。

2.培养学生的创新能力

比如认识传感器的环节，学生对照各种传感器的不同原理，想到了很多方法来验证。把手指挡住光电传感器，观察传感器的灯是否亮；用手拨动渐进开关的触点；把霍尔传感器和磁传感器倒换位置试验。大大的提高了学生的创新能力。

3.培养学生系统学习的能力

通过这个实验，学生能够把所学的知识串起来。原来单独学过的课程电工、机械设计、控制理论、PLC，现在通过自己完成整个系统的设计，理解了这些单点知识之间的相互联系，脑海中有一个整体的概念，知道学有所用。

4.培养学生理论联系实际的能力

这门课的最大价值就在于它的实践性，通过这个实验，学生自然而然地想到机器人手臂的翻转动作，手的抓握动作。想到改善汽缸推出物料的轨道。大大提高了理论联系实际的能力。

5.培养学生团结协作的精神

与人协作能力、团队意识的重要性在这次实践中得到突出体现。这个实验为大家开展合作提供了广阔的舞台，不仅仅是小组内部，各小组之间也有交流、合作，是传统课程设计教学所不能提供的。

四、结束语

实践证明，该机电一体化创新设计实践，是根据实验教学目标，以实验技术为主线，综合运用了传感器技术、PLC编程、电气设计、运动控制、电机驱动、执行机构、导向和传动机构等技术，充分体现机械和电子技术的联系，对培养学生综合应用所学知识分析、解决工程实际问题的能力，提高学生的动手能力和研发水平具有重要的作用。

[1]叶大鹏.计算机仿真技术在机电一体化系统设计教学中的应用[J].建农林大学学报(自然科学版)，2004,33(4)

[2]李成华,杨世风.机电一体化技术[M].北京：农业大学出版社，2001

[3]李净，杨俊武，钱旭.机电一体化培训系统中MSM - 2102软件的开发与应用[J].计算机应用，2000,20（12）

Usage of multimedia timer in real-time data collecting in construction machinery

Shao Yuanyuan, Xuan Guantao
Shandong university of agriculture，Taian, 271018，China

This paper analyses the problems which currently exist in the experimental teaching of mechatronics at colleges, offers one new pattern in experimental teaching of mechatronics based on the theme of innovation and practice from the experimental teaching pattern, introduces its main content and characteristic. By practice,students’ pability of observation integrative design and innovation practice, the analysis and settlement o f problems are obviously enhanced and imp roved, which established the foundation for the cultivation of app lied talents with comprehensive competence.

mechatronics; experimental teaching; innovation

2009-12-17

邵园园，讲师。

*本文系国家自然科学基金项目：50875158。国家“十一五”科技支撑计划：2006BAB11B05。山东省自然科学杰出青年基金资助项目：JQ200816。