基于工程任务的模拟实训教学设计及实践

单光坤 孙兴伟 梁全 姜彤

摘  要 实训以工程设计任务的形式下达，学生在模拟实训教学过程中要综合运用PLC控制技术、气动应用技术、传感器技术、机器人应用技术等知识，完成复杂系统的控制、编程、装配和调试任务。本实训作为一條教学主线，将多门专业知识贯穿起来，使之成为骨肉相连的有机整体，促进学生主动学习，提高学生的实践操作能力。

关键词 机械制造及其自动化;实训教学;工程教育;PLC控制

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）10-0134-03

Abstract Practical training is issued in the form of engineering design tasks. In the process of simulating practical training， students should comprehensively apply PLC control technology， pneumatic application technology， sensor technology， robot application tech-nology and other knowledge to complete the control， programming， assembly and debugging tasks of complex systems. As a main line of teaching， this practical training runs through multiple professional knowledge， making it an organic whole， stimulating students lear-ning initiative and improving students engineering practice ability.Key words machinery manufacturing and automation; practical trai-ning teaching; engineering education; PLC control

1 引言

全球的经济发展推动高等教育迈向工程教育范式，我国的高等教育追随社会的进步，已经从过去的“精英型”走向“大众化”。用人单位对高校毕业生的要求越来越高，既要求高校毕业生具有优秀的专业成绩，还要求学生诚实守信，有较强的敬业精神、良好的团队精神和创新意识。此外，学生的心理素质和环境适应能力也是用人单位关注的主要方面[1-2]。社会需要能适应和满足工程技术发展的人才，更渴望能够引领未来发展的综合型人才。高等教育就是要培养我国产业发展所需要的人才，这是教育的根本。

针对人才需求与大学毕业生工程能力的衔接问题，沈阳工业大学将CDIO工程教育理念应用到机械制造及其自动化专业实际的教学环节中，构建机电一体化实训项目[3-4]。实训项目以提高综合工程项目设计能力为教学目的[5]，以学生主动学习专业知识、教师负责知识引领为教学方法，以学生自己动手设计并搭建生产设备的控制平台、教师全过程监控为教学手段，达到激发学生学习的主动性，提高学生工程实践能力，增强学生就业竞争力的效果。

2 实训教学培养目标

沈阳工业大学机械工程学院为加强实训教学环节，基于机械制造及其自动化专业的课程体系实施项目教学，其中三级项目为与课程配套的实验、课程设计和专业实习，二级项目为专业实训，一级项目为顶岗实习和毕业设计。

在二级项目中增设机电传动与控制大型集中项目训练这个实训环节，它的作用就像人体的脊椎一样，将机械制造及其自动化专业现有的理论课程和实践环节紧密地串连成完整的体系。实训要求在掌握伺服电机、PLC硬件、机械手、电磁阀、气缸、传感器等机构的结构和工作原理基础上，熟悉气动原理、检测原理、机械运动原理和电气控制原理，实现复杂工程任务的设计，最终完成系统的搭建和运动控制。

该实训是在专业理论知识尚未讲授时，将实际的工程设计任务交给学生，在之后的1～2个学期里，学生带着设计遇到的问题一边设计一边学习，带着疑问在课堂或书本里寻求解决的知识和方法，以设计报告和现场答辩的形式完成实训，并在实训生产线上完成设备连接、程序编写及调试。

3 实训项目教学的实施

实训教学是在校企合作实训基地展开的。首先，由指导教师介绍实训生产线的基本构成;然后，学生在熟悉生产线的硬件组成的基础上完成机构运动简图绘制、电气原理图绘制和控制程序编写;最后，学生在自动生产线上调试控制程序，完成设计任务要求的设备运动。

学生领到设计任务后，首先利用大约半年时间，在相关专业课程中寻找技术支撑，在了解组成自动生产线的机械结构和电器元件后，着手进行工程任务设计。在此期间，实训教室向学生开放，为学生了解自动生产线、组装、调试程序提供便利条件。完成设计后，提出答辩申请，通过在现场设备上的调试运行，完成答辩环节，并上交设计资料。以自动生产线第一站为例，阐述学生的设计工作。

第一站是双料仓上料检测站，主要功能是完成加工件从料斗分类输送到检测工位，提供物料给下一站，主要机构有送料机构、推料机构、检测机构、物料机构。该站各机构动作简要流程顺序为滑台气缸（2缸）带动料仓移动，迷你气缸（1缸）将加工件从料仓中推出，然后紧凑型气缸（4缸）伸出，检测加工件正反面，并将数据输出给第二站。无论加工件放置是否正确，双轴气缸（3缸）将加工件推至材料与颜色检测工位检测有关属性，并将数据传输至第六站分类入库。随后，下一站将检测完的加工件取走。

两处检测工位为加工件正反面检测工位和颜色与材料分类工位。

加工件正反面检测工位工作原理是当加工件到位后，检测气缸伸出，若气缸活塞杆能够完全伸出到位，则相应的磁感应开关能够接收到信号，并传输给第二站PLC;若气缸活塞杆不能够完全伸出到位，则相应的磁感应开关接收不到信号，一段延时（3～5 s）后，传输错误放置的加工件数据给第二站PLC，从而分类去除。

颜色与材料分类工位工作原理是加工件到位后，有金属检测传感器和颜色检测传感器分别对加工件颜色属性和材料属性予以分类，并将信号传输给第六站（错误放置的加工件不计入内），从而达到分类入库的作用。

学生完成的设计工作有以下五部分：

1）机构简图设计，上料检测站机构简图如图1所示。

2）工艺流程图，如图2所示;

3）PLC控制程序，如图3所示;

4）I/O分配表，如表1所示。

5）动作顺序表，如表2所示。

下面介绍其他工作站。

第二站为无杆气缸分拣站，主要功能是完成将废品加工件剔除，合格加工件搬运至下一站。该站各机构动作简要流程顺序为：当上一站加工件检测完毕后，无杆气缸移至加工件上方，双轴气缸伸出，气爪将加工件抓住，双轴气缸缩回;若上一站传输的信号显示本加工件为废料，则无杆气缸停在废料仓上方，双轴气缸伸出，气爪松开废料，随后废料被超薄气缸推入废料仓;若上一站传输的信号显示本加工件为良品，则直接传输到下一站待加工工位。

第三站为加工站，主要功能是完成用气动分度盘将工件在四个工位间转换，模拟电动螺丝紧固。该站各机构动作简要流程顺序为：加工件由上一站运输到该站转盘第一工位，此工位下侧的接近开关感应到待加工工件到位后，将信号传送到PLC，后者接收信号控制步进电机转动90°到第二工位;停止后，迷你气缸伸出，顶紧待加工件，然后三轴气缸下压，将电动螺丝刀送至预定位置后，开始加工此处加工件。随后，PLC控制步进电机转90°，第三工位下侧的接近开关感应到有工件到位后，将信号传输至下一站PLC，其相应的机构将加工件运输到下一站。

第四站为气动机械手、输送带工作站，主要功能是完成上一站的加工件抓起旋转角度放入传送工位，并传递到下一工位。该站各机构动作简要流程顺序为：双轴气缸和多位置固定型气缸分别伸出，气动手指抓取加工件，然后多位置固定型气缸和双轴气缸分别缩回，回转气缸摆动90°，将加工件放置在指定位置，经过对射式传感器后，电动机运转，由皮帶将加工件运送至下一站，在通过下一组对射式传感器几秒后，把加工件放到指定位置。

第五站为气垫滑道、装配站，主要功能是完成选择要安装工件的料仓，将工件从料仓中推出，完成装配，输送至下一站。该站各机构动作简要流程顺序为：当加工件输送至该站滑道前段时，滑道通气，形成气垫，减少加工件与滑道之间的摩擦力，使加工件能够匀速下滑至装配区;然后三轴气缸抬升加工件，经过两个迷你气缸对加工件位置的调整，准备装备小工件;与此同时，多位置固定型气缸将小加工件推出，由漫反射镜面传感器检测有小工件到位，回转气缸摆动摆臂，由真空吸盘将小工件吸起，再摆至加工件处并装配，完成整个装配过程。随后，由下一机构完成后续的入库工作。

第六站为电缸机械手分类入库站，主要功能是完成按工件类型分类，将工件推入仓库存储。该站各机构动作简要流程顺序为：双轴气缸伸出，三轴气缸下降，气动手指抓取装配好的加工件;三轴气缸抬升，双轴气缸缩回，回转气缸摆动180°，电缸根据第一站检测信息，将装配好的加工件入库处理。如果第一层装满，则三轴气缸缩回，将装配好的加工件在下一层中入库。

4 实训教学总结

本实训教学是立足于沈阳工业大学加强实践型人才培养的目标，开展的具有工程教育特色的教学实践。通过完成生产过程控制任务的设计及实现，对学生进行贴近生产现场的工程实训，使学生很好地掌握机械设计、工业自动化控制系统设计的过程和方法，让学生走进工程，切实感知用理论知识解决工程实际问题，激发学生的创新思维，提高学生解决实践问题的工程能力。

参考文献

[1]马德全，王立民.当前大学生存在的主要问题、成因及对策[J].内蒙古民族大学学报，2008（5）：117-118.

[2]华小梅，丁坚勇，康俊明.高校人才培养中存在的问题及对策[J].中国电力教育，2009，3（8）：3-4.

[3]王仲文，段瑞珍.基于CDIO模式的机电一体化专业教学改革初探[J].价值工程，2013，5（15）：238-239.

[4]宋佩维.卓越工程师创新能力培养的思路与途径[J].中国电力教育，2011，10（7）：25-27，29.

[5]邓月明，钱盛友，薛开伍.CDIO模式下信息类专业大学生创新训练中心建设及优化[J].计算机教育，2014（14）：92-94.