基于FESTO气动教学平台的CDIO教学实践

任永良，贾光政，王金东，高胜

(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318)

基于FESTO气动教学平台的CDIO教学实践

任永良，贾光政，王金东，高胜

(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318)

基于CDIO的教育是培养团队精神、动手实践能力的一种先进教育理念。液压与气动课程是一门实践性较强的课程，将CDIO教育理念运用到液压与气动教学中，能取得显著的教学效果。运用德国FESTO公司的气动教学平台和液压气动仿真软件FluidSIM，建立了开放性的仿真实验系统，每个实验小组有3～6名学生，利用该仿真实验系统，自由进行实验设计并独立解决问题，从而达到CDIO培养目的。

FESTO气动教学平台;CDIO教学实践;仿真

CDIO教学模式是目前国际上比较先进的工科院校教学理念，起源于麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学历时4年的研究成果。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生具备能够主动应用所学的综合知识来解决实践问题的能力，强调学生的动手能力和团队协作精神的培养［1－2］，这对解决我国高等教育中普遍存在的问题如重理论轻实践、重学习轻创新及缺乏协作精神等具有非常重要的意义。其教育理念在欧美发达国家也得到普遍的推崇［3］。CDIO教学模式重点培养工程技术人而非研究型人才，因此适合于国内大部分工科院校工程类专业学生的培养。某校机械设计制造及其自动化专业是教育部CDIO工程教育模式改革试点专业，针对CDIO教学要求，对各门专业课程进行了相应的改革，减少理论课程，突出实践和实验课程，重点培养学生协作及实验动手能力。

液压与气动是一门理论性和实践应用性都很强的机械类专业课程，其所涉及到的知识和技术在国民经济的各个部门均有体现。为配合CDIO教学要求，将该课程的实验课时增加为8学时，新购置4套FESTO气动教学平台，加上实验室原先的液压试验台，配合FESTO公司提供的液压与气动仿真软件 FluidSIM［4］，创建了开放式的流体传动与控制实验室，供专业学生在课上完成大纲要求的实验课题，课下则由学生根据爱好，3～6人自由组成兴趣小组，自由设计实验内容和实验方案，并进行实验操作。学生在实验过程中，教师一般不参与其中，遇到问题学生团队内部寻找解决办法。在液压与气动课程CDIO教学模式下，学生成为实验教学活动的主角，教师成为辅助人员，其作用仅限于保证实验安全、对实验台仪器进行维护和提供必要的操作说明。

由于液压传动与气压传动都是依靠流体来传递动力和运动，因此具有很多相通点，两者的很多控制回路基本上是可通用的。相对于液压传动实验来说，气压传动实验具有成本低、无污染、回路连接快捷、方便以及实验元器件体积较小、结构紧凑等优点，因此，在学生进行实验设计时，尽量先利用液压与气动仿真软件FluidSIM进行模拟，然后利用气动试验台进行实际的管线连接实验以验证模拟结果。

1 实践举例

1.1 带延时功能的压力顺序自动控制回路

图1 带延时功能的压力顺序自动控制回路

实验原理如图1所示，目的主要使学生了解压力顺序阀和延时阀的工作原理以及在具体回路中的应用、了解和掌握行程开关在控制回路中的应用。实验所需元件有:气动二联件1个、机控二位三通阀2个、气控二位五通阀1个、常闭式延时阀1个、压力顺序阀1个、双作用气压缸1个、气源1个、分气站1个、气动连接管线若干，两机控阀开关作为双作用气缸活塞杆的行程开关，分别设置在0和100 mm行程位置。打开气源开关后，气压缸活塞自动伸出，达到行程100 mm后，触动行程开关S2，延时一定时间后，换向阀切换，气缸活塞自动缩回，从而完成一个工作周期;然后再自动伸出、延时、回缩，周而复始。

首先利用气动仿真软件FluidSIM按照图1连接气动元件，设定各元件的系统参数，运行仿真，仿真结果如图1所示。通过该软件仿真，可检验管路连接情况、逻辑设计情况及运行参数情况，供设计者参考。通过软件仿真模拟无误后，在气动实验台上按照图1的原理连接气动回路，进行实际操作实验。

在Festo气动实验台上按照图1所示的元件连接顺序，组装成回路，如图2所示。按下气源开关，由于气缸活塞杆处于行程开关S1位置，与S1相连的二位三通阀自动调整到左位，使二位五通阀左位通气从而控制双作用缸的伸出;在活塞杆伸出过程中，当进气压力达到设定压力时，压力顺序阀被打开;当活塞杆达到终点时，行程开关S2被打开，与其相连的二位三通切换到左位，压力顺序阀接通，向延时阀供气，延时到设定时间，延时阀导通，使二位五通阀切换到右位从而控制双作用气缸活塞杆回缩。调整S1、S2的位置，可以控制气缸活塞的行程和切换频率;调整延时阀旋钮可以调整延时时间;调整压力顺序开关旋钮的设定压力，可以观测到压力顺序阀的开启时间。

通过该气动试验回路的设计、模拟及实际连接实现，学生既达到了对理论知识的掌握，也增强了对实践活动的认识。在实际操作过程中发现，学生掌握理论只是比较快，经过简单培训就可以用FluidSIM软件模拟操作并进行实验设计，但在实验台上进行实际回路连接时就容易犯很多毛病，总结如下:

(1)实验团队组员的参与度不够。每个实验团队一般都具有很好的协作精神，组员都能积极参与设计和解决问题，但是动手时总是只有1～2个人参与，其他人旁观，导致参与度不够。

图2 带延时的压力顺序自动控制回路连接图

(2)气动原理图中的元件符号与实际元件对不上号。出现问题最多的就是行程开关，由于气动试验台上的机控二位三通的换向开关充当了气缸活塞杆的行程开关，因此很多学生刚开始并没有这种意识，总以为行程开关应该是一个单独的元件。

(3)对换向阀接口认识不清。气动换向阀每个口的布局并不一定和原理图或模拟图中一一对应，导致很多实验团队连接回路出错。尤其是气控五通阀的连接，由于气控五通阀的两端控制口与原理图中位置正好相反，导致很多学生接错。

(4)出现问题不会调试。气动回路连接正确，也会出现回路不通的情况，此时，很多组员不知道该如何调试，总是胡乱插拔连接管线。出现该问题的原因大部分都是因为气动连接部分接触不良，需要根据回路的逻辑关系，按照顺序进行逐步调试。

上述问题随着参与实验次数的增多逐渐得到改正。对于参与实验的同学来说，实验中出现的任何问题及其解决办法都给其带来了书本上无法学到的经验和教训，必将对其以后参与解决实际问题提供有益的帮助。

1.2 联动同步动作回路

实验原理如图3所示，实验目的是学会控制两个有联动关系的气缸进行同步推进和缩退。实验所需元件有:双作用气缸2个、气控二位五通阀2个、机控二位三通阀2个、三通若干、管线若干。行程开关位于气缸1的左右行程终点。

图3 联动回路

在FluidSIM气动仿真软件中按照图示的元件连接顺序，组装成回路。设置好2个机控二位三通阀的机控符号，使之分别与S1和S2对应上 (如图3所示)。点击运行按钮，则由于S1被触发的原因，二位五通阀1左位开通，则气缸1活塞伸出，同时由于气缸1左端压力信号触发二位五通2换向，使之左端开通，从而使气缸2活塞伸出;当气缸1活塞到达最右端时，触发行程开关S2，从而使与其相连的二位三通阀换向导通，使二位五通1换向为右位开通，气缸1活塞缩回，同时，其气压信号使二位五通2换向为右位开通，进而使气缸2活塞回退，完成一个自动循环周期。部分部件仿真输出如图4所示，气动试验台连接如图5所示 (为了便于控制，该连接图加了一个手动的二位三通阀作为控制开关，如图5中的绿色按钮为该阀的开关)。

图4 仿真结果曲线

图5 联动回路连接图

实验2是在指导老师提出目标要求的前提下，某一CDIO实验小组自己设计的回路，通过该组5名同学的集体协商而成。由于有了前期的实验操作基础，实验2基本上没有出现实验1所遇到的问题，同学们都能很好掌握气动元件的识别与连接，相互之间的协作也得到明显的提升，达到了CDIO教学实践的目的。唯一存在的问题是:很多同学认为在气缸无载荷的情况下，理论上二位五通阀2应该是在气缸1到达行程S2后才切换为左位，也就是说气缸2应该在气缸1伸出并达到最大位移时才开始伸出，两者之间不应该是同步而应该是顺序回路。理由是在无载荷情况下，气缸1伸出时，其左端进气端压强比较低，不足以驱动二位五通阀2换向，只有当气缸1到达其行程最右端时，其左端进气端压强升高，这时才能驱动二位五通阀2换向。因此该回路应该是顺序回路而不应该是同步回路。但在软件模拟和实际连接回路运行下发现，该回路确实是同步回路而不是顺序回路。因此，这些同学刚开始对此很是不理解。后来经过分析认为:由于气缸1中活塞存在摩擦力，其进气端为了将活塞杆推出，必须克服摩擦力，因此必须具备一定的压强;同时，二位五通阀阀芯摩擦力较小，用较低的气控压强就可以推动其换向，所以在无载荷下该回路不是顺序回路而是同步回路;在气缸有载荷情况下，就更不可能是顺序回路。

2 总结

液压与气动课程是一门与实践联系较为紧密的课程，其内容比较形象且贴近工程实际，因此，该课程非常适合于CDIO教学实验。开展以实验为主、教学与实验并重的CDIO教学改革，要求在实验和学习过程中，学生以小组为单位，独立完成设计任务，独立分析设计中所遇到的问题，这就要求小组中每个个体之间要相互协作、相互配合，遇到问题要相互探讨，提高了组员之间的协作精神。科技以人为本，在现代化的科研和生产过程中，也需要多部门、多学科之间的相互配合和协作。基于CDIO教育的课程改革适应了现在社会对学科与团队协作与实践精神的需求。该校作为普通的工科院校，并不以培养高级研究型人才为主，而是以培养社会广泛需求的实践性、团队协作性的工程技术人员为主，因此，CDIO教育的意义就体现在这里。具体到液压与气动课程来说，CDIO教学理念+专业课程改革+FESTO气动实验台+Fluid-SIM仿真软件能够充分体现液压与气动CDIO本质。从教学效果来看，该方法能大大促进学生的自主学习积极性，使学生不仅能掌握基础理论知识，更主要的是能把这些知识运用到实践中去，且能够对问题进行深入思考，这是传统教学难以实现的。

［1］王硕旺，洪成文.CDIO:美国麻省理工学院工程教育的经典模式—基于对CDIO课程大纲的解读［J］.理工高教研究，2009，28(4):116 －119.

［2］王亚良，张烨，陈勇，等.基于CDIO的实验项目开发与实践［J］.试验技术与管理，2010，27(2):119 －121.

［3］BANKEL Johan，BLOM Karin，CRAWLEY Edward F，et al.The CDIO Syllabus A Comparative Study of Expected Student Proficiency［J］.European Journal of Engineering Education，2003，28(3):26.

［4］张海，王小明.FESTO MPS自动化控制系统在实验教学上的应用［J］.机床与液压，2007，35(11):134－136.

CDIO Teaching Practice Based on FESTO Pneumatic Teaching Platform

REN Yongliang，JIA Guangzheng，WANG Jindong，GAO Sheng
(Mechanical Science and Engineering College of Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China)

The education based on CDIO is an advanced education idea，which develops team spirit and improves practical ability.Hydraulic＆ pneumatic is a strong practical course.Remarkable effect can be achieved by using the CDIO theory in hydraulic ＆pneumatic teaching.The opening simulation experiment system was established through using German FESTO company's pneumatic teaching platform and hydraulic＆ pneumatic simulation software—FluidSIM.The experimental team was composed of 3～6 students.They could be free to design experiments by using the simulation experiment system and solve all problems independently.Thus the CDIO training goal is achieved.

FESTO pneumatic teaching platform;CDIO teaching practice;Simulation

TH138.9

B

1001－3881(2014)10－114－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.035

2013－04－18

任永良 (1973—)，男，博士，副教授，从事油田地面工程及流体传动控制研究。E－mail:rrryyylll@126.com。