“自动造材机设计”在森工机械与装备课程教学中的实践

杨铁滨，薛 伟，辛 颖，李耀翔

(东北林业大学工程技术学院哈尔滨 150040)

森工机械与装备是高等林业院校森林工程专业培养学生掌握森工生产中常用的森林采伐机械与装备的一门课程。通过本课程的学习，使学生掌握木材锯切的基本原理和采伐装备的构造，并运用机械设计与制造、工程测试、电工电子、微机原理等先修课程的知识，结合木材生产实际，进行采伐装备总体方案的分析与设计［1－2］。

在传统的《森工机械与装备》课程教学中，以教师课堂授课和实验指导为主。在这一教学过程中，学生总是被动地听讲，记笔记，极少有师生之间或学生之间对某些知识点展开充分的讨论。此外，《森工机械与装备》课程教学内容涉及众多学科，知识点比较分散，缺少将各个知识点横向联系起来的纲领性的习题或实践课。这些问题都不利于推进学生素质教育和培养他们的创新能力［2］。

为了提高学生学习的主动性，并尽量将先修课与本课程的内容结合起来，本课题组以自动造材机系统设计为目标，采用经过调整的PBL教学法，开展教学实践［3］。实践表明，该教学内容对激发学生的学习兴趣，培养学生的求新、创新能力，有较大的作用，收到了良好的效果。

1 自动造材机系统的设计任务

设计任务为:将打枝后的原条按操作者的要求尺寸进行造材，并根据造材后的原木尺寸进行分选。技术要求如下。

(1)造材尺寸:2 m、3 m、3.5 m和4 m。

(2)原条最大直径＜500 mm，原条长度5～20 m。

(3)原条最大密度＜1.4×103kg/m3。

同时考虑设计问题的开放性和学生的实际设计时间和能力，不对造材效率和设备成本控制提出具体要求。

设计内容包括机械系统、测试系统和控制系统设计三个主要部分。机械系统设计的具体内容包括结构方案、实现机构等，由于学时的限制，不要求进行零件设计。测试系统的设计内容包括系统方案、选择传感器和数据采集方式等。控制系统的设计内容包括工艺流程、选择控制器和执行器、选择软件开发平台、设计程序框图等，不要求编写程序。

2 设计方案与实例

学生根据上述设计任务要求，结合本课程和先修课程的知识，分组设计了不同的实现方案与实例。通过课堂讨论、课后参观和教师指导，促进了学生对理论知识的理解和创新能力的培养。以下是部分学生设计的实例。

2.1 自动造材机系统的总体结构

自动造材机系统的总体结构如图1所示。系统主要由机械系统、测试系统和控制系统三大部分组成。机械系统包括上木、送料、切削、分选四个部分。测试系统测量原条长度、造材长度、造材直径，并监控系统安全状态等。控制系统计算测量数据，控制造材位置，控制执行机构和安全保护机构动作。系统工艺流程图如图2所示。

图1 自动造材机系统结构Fig.1 Overall structure of automatic bucking system

图2 自动造材机工艺流程图Fig.2 Technical flow of automatic bucking system

图3 机械系统子功能工艺流程图Fig.3 Technical flows of mechanical system

2.2 机械系统结构与功能

送料系统采用链条式输送机构，由电动机M1、减速器和多个摩擦轮驱动。输送机构中间用圆锥形铁辊定位并支撑。切削系统包括夹紧装置、送锯机构和锯木机构。夹紧装置以压缩空气为动力夹紧原条，并在锯木结束后松开原条。送锯机构由送锯电机M2、减速器、丝杠螺母机构、安全换向器等组成。锯木机构由锯木电机、减速器、带传动、圆锯片等组成。分选系统包括出料机构和抛木机构两部分。出料机构的结构与送料机构相同，采用链条式输送机。抛木机构以压缩空气为动力，由气缸、活塞杆和抛木连杆组成，其结构简图如图1左上角“抛木机构”所示。机械系统各子功能工艺流程图如图3所示。

2.3 测控系统的硬件与软件设计

测控系统结构图如图4所示。为了扩展学习内容，系统采用PC机作为控制器，前向通道采用传感器－采集卡方式。原条的定位和长度测量主要采用光电反射式传感器，原条直径的测量采用电阻式传感器。在PC机上采用LABVIEW开发主程序，后向通道采用PLC建立外围控制电路。这样较多地运用了学生所学的知识，提高了学生学习的热情，也便于分组讨论。学生开发的应用系统界面如图5所示。

图4 测控系统结构图Fig.4 Configuration of measuring and control system

图5 控制面板Fig.5 Control setup screen

3 实施效果与改进方向

自动造材机系统设计已经成为《森工机械与装备》课程不可或缺的实践教学环节。它调动了学生自主学习的积极性，发挥了学生的创造力。符合推进素质教育，培养大学生创新能力的教育发展要求。在这一实践教学环节的实施过程中，同学们普遍认为，他们对森工装备设计有了较全面的了解，明确了如何着手分步解决复杂系统设计问题，消除了“恐惧感”。同时也学会了分工合作和答辩技巧，对毕业论文工作的开展有较大的帮助。

通过两个教学年度的教学实践，这一教学环节存在的主要问题如下。

(1)学生提出的方案比较多，各方案之间可能有一些冲突，给后面的各组成部分设计带来了困难。

(2)如果分组不当，各组学生的学习能力不平均，就会造成设计结果不合理，甚至不能完成设计。

(3)部分同学反映占用课外时间比较多，展示设计成果的时间和机会却比较少。

根据教学经验，以上存在的问题通过调整教学方法可能得到改进。首先将设计过程分成两步，第一步进行总体方案设计，全体同学参加。通过课内外讨论，根据学生人数，确定1～2个总体方案，并且明确每一个组成部分的功能。然后根据学习兴趣和学习能力，对学生分组，进行组成部分设计。设计完成后再进行分组讨论和相互学习。其次，让学生尝试制作可以组装、分解的造材机教学模型，对提高学生设计能力、节约课内外时间有很大帮助。

自动造材机系统设计这一实践教学环节为学生提供了开放、实用的教学环境，激发了学生学习森工机械与装备课程的积极性和自主学习精神，对培养学生的创新能力起到了积极的作用。

【参 考 文 献】

［1］苏初旺，周丛矩，梁炳钊，等．森林工程专业教学建设与改革的实践［J］．森林工程，2004，20(5):45 －46．

［2］杨铁滨，薛 伟，辛 颖．《森工机械与装备》课程教学改革探索［J］．森林工程，2011，27(4):85 －87．

［3］杨铁滨，薛 伟，沈博昌，等．“PBL”教学法在《森工机械与装备》课程教学中的应用［J］．森林工程，2012，28(1):90 －92．