基于机电类“技术技能人才”培养的自主创新综合实训装置的开发与研究

长江职业学院 李莎

1 研究意义

《PLC应用技术》《变频器技术》《机械设计基础》等课程是高职机电类专业重要的专业核心课程，与之配套的实践环节也是培养学生职业技能的重要途径。很多院校机电类专业的核心课程的实践教学主要依赖于以验证性为主的老式实训台或电脑软件仿真，且未能将电气类课程与机械类进行有机整合，采用的是相对独立的实训设备，配套设备多、成本高，造成实训室资源的浪费且存在设备老化、能开设的实训项目不能很好地满足教学需求等问题。

同时也有部分高校采用了新型智能实训箱，但也存在工作稳定度不高、后期维护难、能开设的实训项目不能很好地满足教学需求等问题。而且因为工科实训普遍存在的开设模式单一、受时空限制严重的特点，使学生学习效率低下。因此，研制一款既适合高职机电类实训教学，又能够调动学生实践积极性的综合实训系统具有重要意义。

2 项目简介

本项目通过自主研发的机电类综合创新实训装置，该装置充分地整合了机电一体化类专业技术领域内平面连杆机构，机械设计与制造，数控技术，可编程控制器、变频器、电机与电气控制，传感器、组态技术、工业网络技术等课程技能并进行实训，以职业岗位能力培养为主线，就真实工业现场项目从方案设计、系统配置、安装调试、运行维护等完整的项目内容进行实践操作，以实训装置为载体进行“技术技能”人才培养。

该装置在原有项目的基础上进行外观改造、尺寸缩小、性能优化，可放置于实训台上，学生可对其进行拆卸与组装，了解机械构造原理、掌握各机械零件结构、掌握机械零件的拆装；同时性能也得到了优化，改良之后的装置更加适用于实践操作、综合实训等教学工作，更加有效的培养学生地综合职业技能。

3 研究思路

3.1 设计思路

3.1.1 在实训箱内嵌入常用电气控制类设备，如PLC、变频器、电机、低压电器等，大大减少实训设备配置，从而大幅度降低设备成本。

3.1.2 包含了自动化和机电一体化类专业技术领域内的平面连杆机构，机械设计与制造，数控技术，可编程控制器、变频器、电机与电气控制，传感器、组态技术、工业网络技术等课程技能并进行实训，集成为可拆卸式实训模块，一箱多用，开放式设计提高实训系统的利用率。

3.1.3 依托与省重点科研项目“监控技术在大型广告屏上的应用”的原型，在原有项目的基础上进行外观改造、尺寸缩小、性能优化，可放置于实训台上，学生可对其进行拆卸与组装。

3.1.4 一体化便携式箱式结构打破教学时空界限。

3.1.5 实训箱人性化设计，采用端子排设计，确保学生不会因操作失误而损坏设备，提高实训系统整体的可靠性、安全性。

3.2 项目设计

3.2.1 实训箱基础框架设计

实训箱既要集成常规机电设备，又需采取开放式结构，扩展多门课程实训内容，模块众多，如何布局使系统具有良好的性能，并保持漂亮的外观是产品设计需要首先重点考虑的问题。

实训箱体仍沿用传统便携结构。为了便于学生观测又不影响学生实训操作，除了电机等木块固定以外，其余模块位置可以随意调换、拆卸。采用这种基础框架既能保证性能，又能让系统拥有较好的外观。

实训箱依托省重点科研项目“监控技术在大型广告屏上的应用”为原型，以孔雀开屏为主项目，运行时，当用户将一元硬币投入投币箱中时，控制系统被启动，驱动在某一弧度印有孔雀图案的电动转盘转动一次，该转盘的停止方式为自由停止。若停止时，固定指针正好指向电动转盘盘面上的孔雀图案，控制系统控制机械孔雀装置，孔雀缓缓开屏与收屏。同时，可编程控制器程序数据通过以太网传送到计算机，由计算机控制显示孔雀画面，该画面与机械孔雀装置，作同步开屏与收屏动画显示。

3.2.2 硬件功能模块

实训箱主要由机械部分和电气部分两块组成。其中机械部分包括外观设计、机械结构设计、连杆装置设计等部分；电气部分包括变频器、PLC控制、监控组态画面设计、电气柜的设计等多个部分。

1机械模块

开屏的机构运动过程主要由电机驱动，链传动带动齿轮运动，齿轮运动带动四杆机构运动，四杆带动叶片，最后达到开屏的效果。

2电气模块

该控制系统由PLC、低压电器、变频器、计算机组成，被控对象是拖动孔雀机械装置和转盘的三相异步电动机。

控制系统中的PLC主要作用是管理整个系统信号的输入和输出，与变频器一起驱动电动机运行，并且，可通过工业以太网，以有线通讯或无线通讯的方式与计算机通讯，远距离使系统信息在PLC与计算机之间双向流通，完成对被控对象的工况的监视和控制。

变频器作为电机的驱动单元，对电机实施无级调速。

计算机和组态软件组成系统控制的人机界面，完成对孔雀机械装置的可视化实时控制。

4 研究目标

本课题主要介绍自主研发的机电类综合创新实训装置，该装置充分地整合了自动化和机电一体化类专业技术领域内可编程控制器、变频器、交直流电机、传感器、组态控制、液压与气动、数控加工、机械设计与制造等课程的实训和实习，以职业岗位能力培养为主线，按真实工业现场项目从方案设计、系统配置、安装调试、运行维护等完整的项目内容进行实践操作，以实训装置为载体进行“技术技能”人才培养。

4.1 研究内容

1校企合作研发的机电类综合创新实训装置，为实现教学改革提供硬件保障

该装置包括机械与电气两部分，机械部分包括外观设计、机械结构设计、连杆装置设计等部分；电气部分包括变频器、PLC控制、监控组态画面设计、电气柜的设计等多个部分。其中机械部分的设计由本校老师与学生自行完成，机械部分的加工由企业完成，电气部分的设计和调试由本校老师与学生共同完成。

2完善教学资源，建立基于自制实训装置的实训教学包

通过建立综合实训教学包，为学生创建良好的自学环境。根据自主创新综合实训装置的特点和内容，开发与之配套的学习资料和软硬件资源，方便教师教学和学生自学;同时结合本院学生的学习特点和能力，编写与实训装置配套的项目化教材，在教材中融入企业真实案例，为学生的自学和发展提供素材，教材中的硬件设计与自制平台一致，学生可以边看书边调试软硬件，提高了学习的效率和教材的实用性。

同时建立信息化教学资源，较好地平衡了“教”与“学”之间的关系。包括以下几个模块:

（1）基于实训装置的教学视频录像模块。学生根据需要，可重复观看教学录像，视频有助于学生自学，相当于老师在实验室手把手地指导，起到示教的作用，学生因此可以在课前课后参照视频进行实验实训的操作。

（2）覆盖全部学时的多媒体课件模块。包括了实际授课中所使用的理论课、实践课教学课件，在课件中还包括图片、动画、视频等，使教学内容以直观、生动的形式表呈现出来，解决了教学中的重点、难点问题，提高了教学效率和质量，促进学生的学习。

3采用形成性考核方式，建立基于工作过程的评价体系

将基于过程的评价体系与各软硬件平台实训教学包相结合，从资料收集、电路设计、程序调试、小组汇报，到文档整理，项目的完成中每个步骤都需要学生发挥自己的主观能动性，并且每个项目学生都能在实训平台上通过不断调试验证最终完成，使学生在挫折中不断成长。

5 创新点

5.1 集成化

本产品把传统实训室必备的多种设备集成于实训箱中。

（1)性价比高

传统的PLC、变频器、组态、工业网络、机械设计等课程的实训设备购买价值几十万元，而本产品总体价格只有几万元,节约了高校的采购经费，同时不影响实训质量。

（2）占用空间小

原来的实训室只能一桌一台一课程，而本产品却可以一桌一箱多课程；目前很多的实训都必须依靠多个实训室来开展实训，而现在却可以集成到一个实训箱。

（3）便携性

1）现在大部分实训只能在实训室内完成，而我们的产品却摆脱了这个局限。实训可以在教室或者寝室完成，同时也便于师生之间进行交流，以及提高学生们的效率。

2）产品体积小，移动方便，需要连接的仪器设备很少，便于操作和减少实训误差。

5.2 模块化

模块化是本产品的一大特点，本实训箱现今是由可拆卸的多个模块组成的，而模块化带具有诸多好处。

1便于设备更换和维护

当产品出现故障时只要替换出故障的模块，产品还可继续使用。

2可定制的实训模块

由于模块化，所以能够根据客户的不同需求，定制不同的实训模块。

3便于产品升级

当开发出新产品时，用户只需直接更换相应的模块即可使用新产品；当用户进行系统升级时，不需更换整个实训箱，只要购买相应的升级模块即可。

5.3 安全可靠性

系统采用端子排及安全报警模块，充分考虑了实训者的实际实训操作可能出现的各种违规操作事故，确保在实训过程中能够对设备进行最大限度的自我保护。同时箱体模块人性化的设计理念均提高了硬件系统的可靠性。上述设计在国内同类产品中尚未有类似的设计，具有较强的竞争力。