基于案例驱动的“机床电气控制与PLC”教学探索与实践

摘 要：“机床电气控制与PLC”是机械工程专业课程，随着工业机器人的发展，PLC技术在工业控制系统中发挥着越来越重要的作用，现阶段已经发展成为自动化行业的主流技术之一。本文结合我校应用型大学的办学理念，侧重于学生的实践能力培养，教学过程中以实际工程案例为驱动，将理论应用于实践中，在知识传授的同时，将德育元素融入教学内容，通过课程知识与工程实践联系，推进全员、全过程、全方位育人。

关键词：机床电气控制；PLC技术；教学改革；案例教学

中图分类号：G642.0  文献标识码：A

Exploration and Practice of CaseDriven Teaching

of "Electrical Control of Tool Machine and PLC"

Chen Hongsheng

School of Mechanical Engineering，Taishan University ShandongTai’an 271000

Abstract：" Electrical Control of Tool Machine and PLC" is a mechanical engineering course，with the development of industrial robots，PLC technology plays an increasingly important role in industrial control systems，and at this stage has developed into one of the mainstream technologies in the automation industry.This paper combines the philosophy of our students' applicationoriented university，focusing on the cultivation of students' practical ability，the teaching process is driven by actual engineering cases，applying theories in practice，integrating moral education elements into the teaching content while imparting knowledge，and promoting allround，allprocess，allround education through the linkage of course knowledge and engineering practice.

Keywords：Electrical control of tool machine；PLC technology；teaching reform；casedriven teaching

党的二十大报告中指出“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”［1］。随着科技的快速发展，工业机器人已经在不同生产领域中得到了普及，成为提升企业内部生产质量和效率的关键构成部分。编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）［2］专为工业环境应用而设计，是工业机器人中核心的控制部件，通过优化其设计方案，能够推动我国工业机器人系统的前行与发展［3］。PLC的应用领域非常广，并正在迅速扩大。对于早期的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。而对于当今的PLC，几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。PLC技术有效结合了自动控制技术、通信技术、计算机技术，属于一种新型现代技术，可广泛应用于工业控制方面，其中包括CPU、存储器、输入出接口、外部编程设备等部分。其特點有可靠性高、抗干扰能力强，编程简单、使用方便，功能完善、适应性强，使用简单，调试维修方便，体积小、功耗低、重量轻等。

1 “机床电气控制与PLC”课程简介及培养目标

“机床电气控制与PLC”是一门工程实践性较强的专业课程，授课对象为机械设计制造及其自动化专业及智能制造工程专业学生。通过本课程学习，拟达到以下教学目标：

1.1 知识目标

（1）掌握常用低压电器的结构和动作原理。

（2）掌握机床电气原理图的画法和阅读方法。

（3）熟练掌握三相异步电动机基本控制电路的原理。

1.2 能力目标

（1）掌握常用低压电器元件的正确使用和选用方法。

（2）掌握简单电路的板前线槽配线方法。

（3）掌握基本控制电路的故障检修方法。

1.3 素养目标

（1）培养学生尊重行业规范、实事求是的精神。

（2）培养学生理论应用于实践、积极探索、发现问题并解决问题的能力。

2 案例驱动课程建设思路

2.1 建设目标

“机床电气控制与PLC”课程牵涉到电机与电力拖动基础、电工基础、检测知识、机械基础等基础知识［4］。各教学项目根据能力培养目标的要点下设若干个教学任务，课程教学过程以项目的形式来组织与实施，每个教学任务均以典型设备的电气控制系统为载体，并由故障案例或者设定的教学任务引出课程相关的知识点，引导学生在发现问题、分析问题、解决问题的过程中学习理论知识，并在学习过程中加深对知识的理解和应用［5］。

2.2 案例选择

我校“机床电气控制与PLC”课程中选用的工程案例，如表2所示，将授课内容与先进的科技结合在一起，与人们的日常生活结合起来，同时注重工程案例的创新，尽量开阔学生的设计思路，这就可以极大地调动学生的参与度和积极性。例如在物流搬运机器人控制系统设计时，学生很快会被先进的物流技术所感染，继而主动去调研文献，查阅相关的机械结构及控制系统设计，并主动在课堂实践环节分享交流。

2.3 课程思政

“机床电气控制与维修”是理论与实践紧密结合的专业必修课，在授课过程中有机融入课程思政元素，在知识传授的同时，潜移默化中达到育人目标，从而实现全员、全程、全方位育人。

结合理论知识，侧重实践教学，结合表2中的教学案例，激发学生课堂参与度和积极性，以工程实例为驱动，强化学生实践操作能力，提高学生发现问题、解决问题的能力，增强学生的团队合作意识和创新能力。

例如在讲授电动机正反转时，讲解行业规范，观看因实践操作不规范造成的实验室安全事故等警示案例视频，提醒同学们时刻注意安全、敬畏生命，培养学生严谨求实、一丝不苟的职业精神，如表3所示。

3 教学实施

3.1 课程内容引入

智能快递柜是一种自助式信息设备，可以让客户随时访问他们的物品，具有信息化、自助化的特点，是物联网的智能化设备。智能快递柜由柜体和控制系统两部分组成。柜体由控制箱和大量的储物空间组成，控制系统除电磁锁和物品检测传感器都安装在控制箱内，储物空间分布在控制箱的四周用于存储邮件，用于控制储物空间柜门打开的电磁锁和检测储物空间状态的红外检测传感器分别安装在每一个储物间内，整体结构由机械系统、控制系统、驱动系统、感知系统组成。

目前，快递柜安装在住宅小区、学校、企事业单位，主要利用现有的小空间布设。经常出现空间受限与需求量较大之间的矛盾，快递柜向上空发展是快递柜设计的基本思路，可是快递柜过高又给存取快递带来不便。本案例提出了较新的设计思路以解决这一矛盾。

本案例中的快递柜采用超高设计，超过人体尺寸部分的存取采用升降平台加自动抽屉的设计，用户不管是存还是取，均由升降平台和自动抽屉来自动完成。升降台闲时，向上折叠，工作面向里，这样既可以保护工作面，也可以保证工作面洁净。工作台工作时，由电缸打开，工作台的上下运动由快递柜两侧的链条驱动，行程由接近开关控制。存物品时升降台略高于空格底面，取物品时，升降台略低于空格底面，以方便存取。

自动抽屉由电缸驱动通过电路中的电流变化控制行程，外止点和内止点设有挡铁，当抽屉遇到挡铁受到阻碍时，电缸中的电动机转速下降，电路中的电流升高，当检测到这一电流的变化，即认可抽屉到达止点。

这一设计思路可以较全面地运用本门课所学的知识，可以得到较全面的实际体验，较全面、较深刻地理解理论知识。

3.2 参与式学习

（1）基于三菱FX系列PLC的设计。三菱公司是日本乃至亚洲最大的电子和电气设备制造商之一，三菱公司生产的FX系列可编程序控制器功能强大、性能稳定、质量可靠，深受工程技术人员欢迎，在市场中占有比较大的份额。FX系列［6］是一类微型可编程序控制器，这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令和基于Windows的编程工具，使得FX系列PLC可以近乎完美地满足小规模的控制要求，是各种小型控制任务很理想的控制“心脏”。此外，有三种输出类型可选、多种输入输出点数可选，这使其在解决不同的工业自动化问题时，具有很强的适应性。FX系列PLC具有高性能处理器和多种外设接口，以及支持多种编程语言和通信协议的能力，能够满足不同应用场合的需求，也可以适应不同人群的应用习惯。在此基础上，该PLC系统还有较强大的数据处理和运算能力，能完成较复杂的数学运算。

（2）升降台控制系统设计。考虑到快递柜需要对包裹进行分层摆放，当到达目标层数时，需要通过光电感应开关或接近开关来停止升降台的运动。为了尽可能节约空间，快递柜类型为下大上小的存放空间，大物品一般重量较大，安放在下方，小物品一般重量较轻，安放在上方，升降时利于节能。升降台与储物空间需要有较好的配合以便于存取物品。

（3）自动抽屉控制系统设计。自动抽屉由电缸控制，可以一次存入或取出多个空间的物品，也可以一物一存取。多电缸控制回路通常由多个动作单元组成，每个动作单元负责控制一个或多个电缸执行伸缩。这些动作单元将在适当的时候按照特定的顺序依次运行，从而实现整个多电缸控制回路的高效运行。动作单元使用PLC自动控制系统，以及传感器和执行器等设备实现与多电缸控制回路的连接。在控制系统的控制下，动作单元会根据特定的顺序完成每个动作单元所负责的运动控制。比如，在自动存取高层快递柜的设计中，动作单元会根据系统运行流程，控制升降台的升降，自动抽屉的伸縮等操作，从而实现整个存取过程的高效自动化控制。

（4）以小组为单位，完成快递柜控制流程图，电路接线图以及梯形图程序，实现智能快递柜的智能存取功能。

4 课程目标的评价内容与方式

采用多元化评价方式，由传统的知识考核转变为知识+能力考核，加大对过程考核的比重，具体考核内容及评价方式如表4所示。

结语

本文结合我校应用型大学的办学理念，对“机床电气控制及PLC”课程进行了课程改革，侧重于学生的实践能力培养，教学过程中以实际工程案例为驱动，将理论应用于实践中，在知识传授的同时，将德育元素融入教学内容，通过课程知识与工程实践联系，推进全员、全过程、全方位育人。实践发现，基于工程案例的课程教学模式有效提高了学生自主学习的热情和参与度。

参考文献：

［1］刘玲.高校课程思政的资源及开发研究——基于《高等学校课程思政建设指导纲要》分析［J］.高教学刊，2021（7）：164167.

［2］王兰军，王炳实.机床电气控制与PLC［M］.北京：机械工业出版社，2018.

［3］赵勇，李洋.PLC在工业机器人控制系统中的应用［J］.南方农机，2023，54（19）：152155.

［4］叶耀青.基于校企对接的《机床电气控制》课程教学改革探索［J］.装备制造技术，2021（8）：145147.

［5］廖容，黄槐壮，刘奇波.“机床电气控制应用”课程教学改革研究与实践［J］.装备制造技术，2022（07）：206208.

［6］朱丽娜，薛向龙.西门子S7200系列PLC的五种顺序控制编程方法［J］.电子技术，2020，49（08）：2630.

作者简介：陈宏圣（1968— ），男，汉族，山东泰安人，副教授，主要从事机械工程专业教学与科研工作。