自动化生产线为载体的机电一体化专业课整合

[摘 要] 生产线自动化仿制项目恰恰包含了机械设计制造、机械安装与调试、传感器、气动控制单元、执行机构、人机界面及组态技术、可编程控制器、工业控制计算机、现场总线技术、伺服变频器电机驱动技术、PLC通信技术、C语言编程技术、电子电路设计印刷与焊接技术、无线通信与数据传输技术、工业图像处理技术、工业机器人应用技术、服务型机器人辅助等一体的非标设备设计开发，通过生产线自动化改造项目的学习与实施，将机电一体化专业所学习内容有效地进行整合和应用，所谓整合通过课程内容的有逻辑的循序渐进的安排使得学习达到某设定目标，从中将学习知识点内容进行有逻辑的布置和整合。

[关键词] 学习目标分析;分类整合分析;单线学习;多线综合实施;虚拟仿真整体实现

[作者简介] 张维昱（1986—）男，青海化隆人，学士，青海柴达木职业技术学院机电工程系助理讲师，主要从事机电专业实训实践教学研究。

[中图分类号] TH-39   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）52-0161-04   [收稿日期] 2021-04-22

《国家职业教育改革实施方案》《教育部办公厅关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》《关于实施中国特色高水平高职学校和专业建设计划的意见》《职业技能提升行动方案（2019—2021年）》等提升职业教育质量相关政策的出台是继高职示范校（骨干校）项目之后，面对以人工智能、“互联网+”、大数据为主的新经济、新技术、新业态的新一轮产业革命挑战下的中国高等职业教育的重要战略部署。机电一体化专业是由计算机技术、信息技术、机械技术、电子技术、控制技术、光学技术等相融合构成的一门独立的交叉学科，其迎来了前所未有的发展良机。由于机电一体化专业涵盖面广，知识内容多，学生无法做到全面掌握和熟练应用，因此对课程体系进行合理的整合势在必行，然而目前教学内容缺乏一个整体、合理的整合载体，去繁除简有效整合机电一体化专业内容，实现课程学习内容的优化，提高学生学习效率从而提升专业教学质量。

一、机电一体化专业涵盖内容及学习目标的分析

所谓机电一体化专业所涵盖内容从内容上分析主要有“机”加“电”。电根据应用场合可分为高压、低压和弱电。高压电相关主要有电力相关专业应用领域，作为机电一体化专业强调的是低压电驱动或弱电控制。

机械类能够熟知机械原理，加工工艺，绘制图面，从而实现机械设计为最高目标;能够进行零件加工制造为次级目标;能够看懂图纸并能进行某项工种的熟练操作和加工及安装调试为第三级目标。

低压电器方面能够围绕电控器件，组合电机拖动，应用伺服、变频方式实现电机的力量、方向、转速、位置控制，以及人机触摸屏和传感器件实现整个人机交互的控制系统设计为最高目标;能够熟练应用PLC等器件通过自动编程实现某设备控制功能为次级目标;能够看懂图纸，进行电气线路的搭接、检测，能够进行编程等最终能实现电气故障检修维三级目标。

弱电方面能够围绕单片机等可编程控制器件，一些继电器、传感器件、电子电路等实现电路设计（PCB板设计）、计算机程序设计、外围器件控制输出、数据类型的转换、数据的通信传输等实现弱电电路控制系统设计为最高目标;能够看懂电路原理图，知道器件控制原理，通过计算机编程，实现一定功能为次级目标;能够对一些电路进行电流电压的检测，进行电器设备故障检测与、器件更换等为第三级目标[1]。

二、機电一体化专业课程内容的分类整合分析

所谓整合，即通过课程内容有逻辑、循序渐进的安排使学习达到某设定目标，从中将学习知识点内容进行有逻辑地布置，这就要遵从所设定目标来设置，下文将分类说明。

（一）机械类课程内容的整合分析

以给定目标零件，根据零件，第一步，进行零件的测量绘制、测量工具及方法的学习（手工绘制草图—计算机绘制平面零件图—三维建模）;第二步，学会分析图纸、学习尺寸、公差含义及参数来源;第三步，学习各类加工方法及工艺，并能够熟悉多种加工方法并能加工零件;第四步，学习机构传动原理，方法优缺点;第五步，进行零件的安装与调试;第六步，进行装置改造。如图1所示。

（二）电工类课程内容整合分析

以控制系统设计为最高目标实现机械设备控制，除机械控制外主要控制以电动机为主要的驱动装置，控制电机转速，转向，转动圈数等。如图2所示，以PLC为主的可编程控制器为中心，外接一些低压器件、传感器件、显示器件等实现信息采集，控制设备执行装置的启停、位置、速度等实现设备的功能和人机交互[2]。

（三）电子类课程内容整合分析

从弱电电路控制系统设计为最高目标出发可知，电子知识主要内容包含电子元器件工作原理，数据转换原理，电流、电压、电场信号的放大与缩小，电子器件通断控制原理，加上一些集成电子器件，门电路等通过元器件间的互相作用实现，数据储存运算，数据型号的转换，设备通信交换，以弱电控制强电等。如图3所示。从而可扩展为计算机控制系统、通信工程、物联网、嵌入式开发等相关领域与机械加工领域相互结合。

三、通过产线自动化仿制项目实现机电一体化专业所有课程内容整合实施

生产线自动化改造项目恰恰包含了机械设计制造、机械安装与调试、传感器、气动控制单元、执行机构、人机界面及组态技术、可编程控制器、工业控制计算机、现场总线技术、伺服变频器电机驱动技术、PLC通信技术、C语言编程技术、电子电路设计印刷与焊接技术、无线通信与数据传输技术、工业图像处理技术、工业机器人应用技术、服务型机器人辅助等一体的非标设备设计开发，通过生产线自动化改造项目的学习与实施，将机电一体化专业所学习内容有效地进行整合和应用。

根据生产产品的工艺流程设计制作物料上料，传输，定位，加工，工位间的传送，质量检测，包装，入库，通过工作站的形式串联起来，再通过工业机械人（短距离传递辅助加工）和AGV小车长距离运送辅助形成一条自动化或半自动化生产线。在整个课程整合应用过程中始终坚持分单元模块化的设计和实施。课程内容上也是从单线学习到三条线综合训练实施，在实施过程中不可能一一执行全部内容，将整个设备的典型模块，作为通例进行制作，其余的通过结合一些仿真软件进行仿真模拟来完成[3]。

（一）单线内容学习过程

机械内容抽取几个典型组件，从非标测量与手绘草图、标准零件的选用、计算机二维制图、非标件公差选配到三维模型的绘制与模拟装配检测、非标零件加工工艺的制定、实施加工到组件安装与装配精度测量为第一阶段。将电气电机控制作为电气典型案例从电气元器件的功能参数了解、电气线路手动控制、应用PLC和传感器件实现自动控制、伺服控制器精确位置控制、变频驱动器的速度调节、人机面板组态实现人机互动为第二阶段。将AGV小车制作作为电子设计的典型案例，从电路电源转换电路开始，单片机最小系统、单片机外设电路设计、应用传感器进行数据信息的采集到转换、C语言程序设计实现简单功能、电机控制、多芯片多机通讯（全部采用仿真软件实现）、pcb板的设计制作、电子元器件焊接、AGV小车制作完成为第三阶段。

（二）多线综合实施过程

在前三阶段的基础上抽取自动化生产线某典型工作站作为实际实训案例，将整个工作站精心设计制作，在前三個阶段基础上增加气液传动模块、工业机器人应用模块和PLC多机实现总线控制，应用传感器将机械设备、电气控制系统、AGV服务型机器人直接或间接进行连接通信，实现数据的交换协调运作。

（三）虚拟仿真实现整个自动化生产线的动态运行

通过三维绘图软件实现机械部分的设计绘制与组装生成零件图与装配图（爆炸图），通过机械加工车间虚拟工厂软件进行非标零件的加工工艺与零件的加工仿真，通过机械装调软件进行零件的安装测量，通过机电一体化仿真软件实现电气线路与PLC控制程序的实现，通过电子设计与仿真软件实现AGV辅助机器人辅助程序设计与辅助功能，借助传感元件进行多机数据交换的实现，通过液压与气压系统设计仿真软件实现气压系统回路设计与仿真，通过工业机器人工作站设计与仿真实现工业机器人辅助加工功能的实现，最后通过电气原动件，检测传感元件与三维原件模型进行一对一的绑定实现整个自动化生产线的三维动态可控模型演示[4]。

四、结语

机电一体化专业综合性强、实践性强专业，只有通过实际制作加工加上虚拟仿真技术才能真正实现综合应用的目标，通过单线的基础学习与综合实践型学习的有效结合才能提高教学质量。作为学生不可能达到完整的设计和生产出昂贵的生产系统，单通过一个模块的实际生产再结合多种仿真软件的虚拟生产，将机电一体化专业的所有课程进行整合实践，才能达成较低成本高质量的教学目标。

参考文献

[1]郑永锋.高职机电一体化专业项目驱动课程体系研究[D].金华：浙江师范大学，2014.

[2]王海山.虚拟仿真教学在高校实训培训中的探索[J].教育教学论坛，2019（51）：161-162.

[3]胥徐.高职校机械机电一体化专业课程体系的改革与优化[J].中国金属通报，2019（7）：238+240.

[4]查坚强.机电一体化课程教学改革与实践教学[J].科学大众（科学教育），2019（7）：118.