楊鐵濱，薛 偉，辛 穎，李耀翔

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院哈爾濱 150040)

森工機械與裝備是高等林業(yè)院校森林工程專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生掌握森工生產(chǎn)中常用的森林采伐機械與裝備的一門課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握木材鋸切的基本原理和采伐裝備的構(gòu)造，并運用機械設(shè)計與制造、工程測試、電工電子、微機原理等先修課程的知識，結(jié)合木材生產(chǎn)實際，進行采伐裝備總體方案的分析與設(shè)計［1－2］。

在傳統(tǒng)的《森工機械與裝備》課程教學(xué)中，以教師課堂授課和實驗指導(dǎo)為主。在這一教學(xué)過程中，學(xué)生總是被動地聽講，記筆記，極少有師生之間或?qū)W生之間對某些知識點展開充分的討論。此外，《森工機械與裝備》課程教學(xué)內(nèi)容涉及眾多學(xué)科，知識點比較分散，缺少將各個知識點橫向聯(lián)系起來的綱領(lǐng)性的習(xí)題或?qū)嵺`課。這些問題都不利于推進學(xué)生素質(zhì)教育和培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力［2］。

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，并盡量將先修課與本課程的內(nèi)容結(jié)合起來，本課題組以自動造材機系統(tǒng)設(shè)計為目標(biāo)，采用經(jīng)過調(diào)整的PBL教學(xué)法，開展教學(xué)實踐［3］。實踐表明，該教學(xué)內(nèi)容對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的求新、創(chuàng)新能力，有較大的作用，收到了良好的效果。

1 自動造材機系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)

設(shè)計任務(wù)為:將打枝后的原條按操作者的要求尺寸進行造材，并根據(jù)造材后的原木尺寸進行分選。技術(shù)要求如下。

(1)造材尺寸:2 m、3 m、3.5 m和4 m。

(2)原條最大直徑＜500 mm，原條長度5～20 m。

(3)原條最大密度＜1.4×103kg/m3。

同時考慮設(shè)計問題的開放性和學(xué)生的實際設(shè)計時間和能力，不對造材效率和設(shè)備成本控制提出具體要求。

設(shè)計內(nèi)容包括機械系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計三個主要部分。機械系統(tǒng)設(shè)計的具體內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)方案、實現(xiàn)機構(gòu)等，由于學(xué)時的限制，不要求進行零件設(shè)計。測試系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容包括系統(tǒng)方案、選擇傳感器和數(shù)據(jù)采集方式等?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容包括工藝流程、選擇控制器和執(zhí)行器、選擇軟件開發(fā)平臺、設(shè)計程序框圖等，不要求編寫程序。

2 設(shè)計方案與實例

學(xué)生根據(jù)上述設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合本課程和先修課程的知識，分組設(shè)計了不同的實現(xiàn)方案與實例。通過課堂討論、課后參觀和教師指導(dǎo)，促進了學(xué)生對理論知識的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。以下是部分學(xué)生設(shè)計的實例。

2.1 自動造材機系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

自動造材機系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由機械系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。機械系統(tǒng)包括上木、送料、切削、分選四個部分。測試系統(tǒng)測量原條長度、造材長度、造材直徑，并監(jiān)控系統(tǒng)安全狀態(tài)等?？刂葡到y(tǒng)計算測量數(shù)據(jù)，控制造材位置，控制執(zhí)行機構(gòu)和安全保護機構(gòu)動作。系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示。

圖1 自動造材機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of automatic bucking system

圖2 自動造材機工藝流程圖Fig.2 Technical flow of automatic bucking system

圖3 機械系統(tǒng)子功能工藝流程圖Fig.3 Technical flows of mechanical system

2.2 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

送料系統(tǒng)采用鏈條式輸送機構(gòu)，由電動機M1、減速器和多個摩擦輪驅(qū)動。輸送機構(gòu)中間用圓錐形鐵輥定位并支撐。切削系統(tǒng)包括夾緊裝置、送鋸機構(gòu)和鋸木機構(gòu)。夾緊裝置以壓縮空氣為動力夾緊原條，并在鋸木結(jié)束后松開原條。送鋸機構(gòu)由送鋸電機M2、減速器、絲杠螺母機構(gòu)、安全換向器等組成。鋸木機構(gòu)由鋸木電機、減速器、帶傳動、圓鋸片等組成。分選系統(tǒng)包括出料機構(gòu)和拋木機構(gòu)兩部分。出料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與送料機構(gòu)相同，采用鏈條式輸送機。拋木機構(gòu)以壓縮空氣為動力，由氣缸、活塞桿和拋木連桿組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1左上角“拋木機構(gòu)”所示。機械系統(tǒng)各子功能工藝流程圖如圖3所示。

2.3 測控系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計

測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。為了擴展學(xué)習(xí)內(nèi)容，系統(tǒng)采用PC機作為控制器，前向通道采用傳感器－采集卡方式。原條的定位和長度測量主要采用光電反射式傳感器，原條直徑的測量采用電阻式傳感器。在PC機上采用LABVIEW開發(fā)主程序，后向通道采用PLC建立外圍控制電路。這樣較多地運用了學(xué)生所學(xué)的知識，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，也便于分組討論。學(xué)生開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖4 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Configuration of measuring and control system

圖5 控制面板Fig.5 Control setup screen

3 實施效果與改進方向

自動造材機系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)成為《森工機械與裝備》課程不可或缺的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。它調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造力。符合推進素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的教育發(fā)展要求。在這一實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實施過程中，同學(xué)們普遍認為，他們對森工裝備設(shè)計有了較全面的了解，明確了如何著手分步解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計問題，消除了“恐懼感”。同時也學(xué)會了分工合作和答辯技巧，對畢業(yè)論文工作的開展有較大的幫助。

通過兩個教學(xué)年度的教學(xué)實踐，這一教學(xué)環(huán)節(jié)存在的主要問題如下。

(1)學(xué)生提出的方案比較多，各方案之間可能有一些沖突，給后面的各組成部分設(shè)計帶來了困難。

(2)如果分組不當(dāng)，各組學(xué)生的學(xué)習(xí)能力不平均，就會造成設(shè)計結(jié)果不合理，甚至不能完成設(shè)計。

(3)部分同學(xué)反映占用課外時間比較多，展示設(shè)計成果的時間和機會卻比較少。

根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，以上存在的問題通過調(diào)整教學(xué)方法可能得到改進。首先將設(shè)計過程分成兩步，第一步進行總體方案設(shè)計，全體同學(xué)參加。通過課內(nèi)外討論，根據(jù)學(xué)生人數(shù)，確定1～2個總體方案，并且明確每一個組成部分的功能。然后根據(jù)學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力，對學(xué)生分組，進行組成部分設(shè)計。設(shè)計完成后再進行分組討論和相互學(xué)習(xí)。其次，讓學(xué)生嘗試制作可以組裝、分解的造材機教學(xué)模型，對提高學(xué)生設(shè)計能力、節(jié)約課內(nèi)外時間有很大幫助。

自動造材機系統(tǒng)設(shè)計這一實踐教學(xué)環(huán)節(jié)為學(xué)生提供了開放、實用的教學(xué)環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)森工機械與裝備課程的積極性和自主學(xué)習(xí)精神，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力起到了積極的作用。

【參 考 文 獻】

［1］蘇初旺，周叢矩，梁炳釗，等．森林工程專業(yè)教學(xué)建設(shè)與改革的實踐［J］．森林工程，2004，20(5):45 －46．

［2］楊鐵濱，薛 偉，辛 穎．《森工機械與裝備》課程教學(xué)改革探索［J］．森林工程，2011，27(4):85 －87．

［3］楊鐵濱，薛 偉，沈博昌，等．“PBL”教學(xué)法在《森工機械與裝備》課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］．森林工程，2012，28(1):90 －92．