机电一体化工程强化训练实验设计与实践

　　摘要：本文介绍了在华南理工大学广州学院中，对机械工程学院机电一体化方向开设的工程强化训练的实验设计和实践。对于在独立院校中，结合职业技能考证开展工程训练，培养机电一体化方向的应用型、创新型人才的方法进行了探索。
　　关键词：机电一体化 工程训练 实验设计
　　中图分类号：G4文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）09（b）-0243-02
　　在机电一体化方向的学习中，涉及到的基础课程很多，包括PLC应用技术、触摸屏应用技术、液压气动技术、传感器与检测技术、机电传动控制技术以及网络通讯技术等。从单个课程来说，这些科目，应用性都很强。如果仅仅通过理论教学，难以达到教学目的，必须配以足够多的动手实践。而在传统的本科教学当中，学生动手不多，对理解课本上所讲述的内容会产生困难。从整个机电一体化的教学来说，其各个基础课程虽然分开学习，但必须结合应用。在实践训练中，认知阶段可以分开独立实验，关键是到了深入阶段，要把各个课程结合起来，体现出“一体化”，这样才能在机电一体化方向的学习中得到提高与突破。为了尽量贴合工业实际，我校为机电一体化方向的学生开设了的工程强化训练。该工程训练目的为全面提高机电一体化方向学生的工程实践能力，鼓励学生考取可编程序控制系统设计师。这对于本学院来说，是一种新的尝试，并希望通过对该工程训练实验设计的实践，能够探索出一种比较适合机电一体化应用型、创新型人才的培养方法。
　　1 实验设备
　　在工程强化训练中，最主要的目的是希望学生能够通过动手实践，掌握机电一体化的各个基础课程，并将各个课程从总体上得到把握，从而提高工程实践能力。其中，学生接触到的应该是最接近当今工业现场的工程训练环境。为此，工程训练所用的实验设备，应当能够涵盖机电一体化的各个训练内容，具有开放式的，贴近工业现场的操作对象。
　　为此，本学院机械工程学院从广东省自动化与信息技术转移中心购置了8台可编程序控制系统设计师考证设备（以下简称“考证台”）。考证台能够实现工件的姿势辨别，以及工件颜色、材质的分拣。该考证台作为可编程序控制系统设计师的考证平台，能够很好地训练到了机电一体化的各项内容。
　　为了配合工程训练中的基础性练习，一些具有单一功能的实验设备也参与其中。包括PLC实验台、气动实验台、小型分拣机构、小型机械手以及小型数控平台等。
　　2 实验课程设计
　　工程强化训练安排在学期末，每位学生有4周的训练时间。其中，理论知识还是有必要进行复习和整合，所以安排了一定时间的理论课。理论课与实操课的比例大概为1∶5。本文讲述的就是实操课部分的实验设计。
　　实操部分是采用先整体认识，然后分步练习，最后进行综合训练的方式安排实验时间。实验基本上分为3个层次进行：（1）整体认识。将考证台的完整分拣动作做出演示。此时即可向学生阐述本次工程强化训练的最终训练效果，以及要达到这个训练效果所要掌握的技能：PLC应用技术、传感技术、气动技术、电机及传动技术以及一定的电气知识。（2）分步练习。为了让学生在进行考证台上机前打好基础，对于参加工程训练的整批学生，分组按顺序地先进行基础训练。结合现有的实验设备，基础训练内容有：在PLC实验台上训练PLC基本指令以及编程技巧；在气动实验台上认识气动系统和气动回路；在小型分拣机构上训练利用传感器分拣不同颜色的工件；而通过小型机械手和小型数控平台的训练，提高了学生对一个小型项目的设计、安装、编程到调试的能力，为在考证台上机前打好基础。（3）综合训练。学生正式在考证台上机练习，在老师的指导下，完成逐个动作，最后完成整个动作。该部分占据大部分训练时间。
　　3 实验内容设计
　　3.1 PLC实验
　　所使用的实验台为传统的实验设备，控制对象用彩色LED灯模拟显示。对于初始阶段的PLC学习，该种实验台可以满足训练要求。该部分的实验，实验内容有彩灯交替显示、数字显示等比较经典的内容。其实验重点不在结果，在于过程。对于同一个显示功能，如何用多种编程方法来完成，这是练习的重点。通过反复地练习这种PLC基础实验，能够让基础不扎实的学生得到巩固，同时也可以锻炼PLC的编程技巧，以及提高对编程软件的熟练程度。
　　3.2 气动实训
　　在气动实验台上完成几个基本气动回路实验：双作用气缸的换向回路、双气缸并联同步回路、双气缸串联同步回路、应用接近开关的顺序控制回路。经过这几个气动回路的搭建，熟悉气动系统的组成，熟悉电磁阀的使用。
　　3.3 小型分拣机构
　　分拣机构在考证台上是比较重要的一部分。利用光电传感器，能够将工件的颜色特征加以区分，再通过程序，准确地将符合条件的工件，由气缸推出。通过这样一种小型分拣机构，就能够在进行综合训练之前，将“分拣”的几个核心内容都预先进行练习了。那么，在综合训练的时候，“分拣”这部分就会变得相当熟悉了。
　　3.4 考证台系统综合设计与调试
　　在考证台上，一开始就安排了动作演示。并且，给出了各个需要掌握的知识点。当学生上机时，在老师指导下，循序渐进地进行练习。在编程方面，大部分学生使用状态转移的方法会比较容易入手。可是，很多细节问题要在练习当中不断改进。
　　在PLC方面，编程是重点。然而，由于传统的PLC实验的控制对象是模拟的，导致在面对实实在在具有机械结构的控制对象时，学生可能会一时不能上手。并且，必须引导学生，要动手调试硬件，使硬件配合所编写的程序，最后整个系统才能无阻地运行起来。可能会出现这种情况，同一段程序，在机器一上能够运行，在机器二上却不可以，这就是因为硬件要做出调试，才能够适应程序。对于部分接受能力强的学生，可以先介绍PLC的接线，将整台设备的电气接线都理清一遍，这对于学生以后完成工程有很大好处。
　　在机电传动方面，主要的是变频器的使用。这一部分，要引导学生自己查阅变频器使用手册。参数的设置、故障的排除等等。掌握了这一技能，学生在以后的工作当中，即使遇到不同型号的变频器，只要有一本使用说明书，就可以自己解决问题了。
　　传感技术方面，电容传感器、电感传感器、光电传感器、磁性开关等，在考证台上都有应用，最起码要辨别传感器的类型，并清楚该种传感器的使用场合。在使用当中，由于传感器的检测距离问题，要适当调整其位置，以及灵敏度，这就是之前所说的硬件调试的一部分。
　　气动部分，要求学生自己使用电磁阀的开关做出气路的通断，从而方便进行其他的工作，如查找PLC的I/O、改变系统机构的位置等。
　　从学生接触设备到完全能够独立练习，需要一个过程，最主要是心理过程。很多学生就是不敢独立去动手操作，连程序也要有个参考才做下去，这样只会阻碍学习的进度。应该鼓励学生走出第一步，编写程序，然后调试，只要第一步做出来了，以后按步骤地练习，到完成整个动作，这个过程也不需要太久。当练习到一定程度，就可以给出几个完整的项目，让学生进行独立练习了。
　　4 实验管理组织
　　4.1 分组
　　我校机电方向08级有200人，分两个班每个班各100人，分别有4周的强化训练时间。为便于上课管理，每班分为4个小组，每组25人。实验分组与实验设备、实验内容有关，同时考虑到每位学生在实操现场能够自主完成的内容。
　　学生的分组，应该是既能使每位学生都有独立完成实验的机会，同时也能锻炼学生分工合作的团队精神。而且，分组之后，实验设备应能够在使用合理的情况下，尽可能多地使用。
　　4.2 联系与交流
　　每个小组设立2名小组长，方便平时实验的管理与组织。设立了专属的QQ群。可以随时进行师生交流。一些消息能够及时做出公布。平时练习的资料，可供参考的资料，可以实现共享。
　　5 成绩考核
　　最后成绩，由上机实操考核得出。由于参加实训的学生人数多，只好采用多人合作完成上机任务的方式来进行考核。最后确定3人一组，在2个小时内，完成一个项目，该项目根据可编程序控制系统设计师（四级）考核来制订，难度还稍稍降低一点。从考试结果来看，至少60%的同学已经接受了该种实训方式，能够达到预期的强化训练的效果。
　　6 结语
　　在机电一体化方向的学习中，创立工程强化训练，将传统的机电一体化实验模式进行一定的改革，实实在在地将实验设备设置为贴近工业环境，达到锻炼学生工程实践能力的目的。并且，将工程训练联系上技能职业证书的考取，能够帮助学生在以后的社会实践中增加竞争