付勝杰++高麗華++任好玲++林添良

摘 要 為培養(yǎng)滿足企業(yè)與社會(huì)實(shí)際生產(chǎn)需求的應(yīng)用型人才，研制出層次分明、目的明確的工業(yè)自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)以典型工業(yè)自動(dòng)化工程案例為背景，以功能實(shí)現(xiàn)型與功能拓展型實(shí)驗(yàn)為主體，形成立體化與循環(huán)促進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)模式，增強(qiáng)本科生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)造、創(chuàng)新能力，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中取得良好效果。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；機(jī)械電子工程課程；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）10-0015-03

Exploration of Experimental Teaching with Clear Objectives and

Development of Experimental Platform//FU Shengjie， GAO Li-hua， REN Haoling， LIN Tianliang

Abstract A comprehensive experimental platform of industrial auto-mation，which has distinct levels and clear purpose， is developed in order to meet the actual needs of enterprises and social production. The platform，made of function realization type experiment and function expanding experiment，is based on typical industrial auto-mation engineering cases. The practical teaching mode has been formed， which has enhanced the engineering practice ability and creativity and innovation ability of undergraduates. Good results have been achieved in the practice teaching process.

Key words automatic comprehensive test platform； mechatronic engineering； practical teaching

1 前言

加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，積極推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革，以切實(shí)有效的實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展需要，具有創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才，是大學(xué)教育的必然選擇[1-4]。在高校，依托具有專(zhuān)業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制定合理且與之匹配的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)、專(zhuān)業(yè)教育的重要途徑之一[5-7]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)往往以課程為中心，為特定課程服務(wù)，帶來(lái)實(shí)踐教學(xué)本身應(yīng)用背景不明確、工程技術(shù)單一等弊端，導(dǎo)致實(shí)踐過(guò)程的盲目性與機(jī)械性。

本文以典型工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用為背景，結(jié)合華僑大學(xué)機(jī)械電子工程課程特點(diǎn)，研制自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在促進(jìn)學(xué)科交叉應(yīng)用，體現(xiàn)“所學(xué)即所用”，增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的自主性與創(chuàng)造性，形成目標(biāo)明確、強(qiáng)化工程實(shí)踐和多學(xué)科融合、多層次循序漸進(jìn)的立體化實(shí)踐教學(xué)模式。

2 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體分為三個(gè)部分，即典型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、功能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)及拓展性實(shí)驗(yàn)等，其架構(gòu)如圖1所示。在圖1中，功能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)部分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，其設(shè)置依據(jù)為典型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)；拓展性實(shí)驗(yàn)在功能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)置，主要由學(xué)生自主完成所選典型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的性能改進(jìn)或性能改變。

為增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的工程性，明確實(shí)踐教學(xué)目的，選擇既功能明確，又融合本專(zhuān)業(yè)多學(xué)科知識(shí)，且依托實(shí)際校企合作科研項(xiàng)目的典型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備作為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程應(yīng)用背景；依據(jù)各功能實(shí)現(xiàn)及所涉及學(xué)科知識(shí)，將該典型設(shè)備拆分為不同環(huán)節(jié)，以環(huán)節(jié)來(lái)設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，再通過(guò)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)逐步構(gòu)建系統(tǒng)，形成“系統(tǒng)—環(huán)節(jié)—系統(tǒng)”的目標(biāo)明確、層次分明、依次遞進(jìn)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，其目的在于認(rèn)知工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，認(rèn)知及訓(xùn)練使用工業(yè)自動(dòng)化典型部件，認(rèn)知理論知識(shí)與工程實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性，以及建立由部件依照功能實(shí)現(xiàn)構(gòu)建復(fù)雜自動(dòng)化系統(tǒng)的機(jī)電一體化思想等。

在功能實(shí)現(xiàn)型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為提高實(shí)踐教學(xué)的自主性與靈活性，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力與解決工程問(wèn)題的能力，規(guī)劃功能拓展與功能改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)：

1）對(duì)功能改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)，依據(jù)工程實(shí)際，針對(duì)所選取的典型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備某些性能指標(biāo)提出改進(jìn)要求，由學(xué)生自主思考、自己動(dòng)手，通過(guò)環(huán)節(jié)、部件性能的改進(jìn)或控制方法的優(yōu)化等措施，滿足所提性能指標(biāo)；

2）對(duì)功能拓展性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)執(zhí)行環(huán)節(jié)的替換或重新設(shè)計(jì)，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新的自動(dòng)化功能。

3 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

根據(jù)上述，綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇本專(zhuān)業(yè)校企合作項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的自動(dòng)滴液機(jī)為典型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。自動(dòng)滴液機(jī)，如圖2所示，是一種按任意指定比例配置混合溶液的自動(dòng)化設(shè)備，其主要功能為：由固定于Z軸的機(jī)械夾在母液區(qū)夾持指定母液注射器并汲取相應(yīng)母液，汲取完畢后，到滴定區(qū)進(jìn)行定量液體的滴定；X-Y二維直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)負(fù)責(zé)Z軸的定位輸送，Z軸的直線運(yùn)動(dòng)負(fù)責(zé)液體汲取與定量滴定；所有環(huán)節(jié)均由PLC集中管理與控制。

所研制的自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)多種液體的定量滴定功能為最終目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)所運(yùn)用的主要技術(shù)如圖3所示，包括PLC控制技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)、單機(jī)械臂定位控制技術(shù)、多軸定位控制技術(shù)、流體控制等。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)置及實(shí)施方面，第一階段是認(rèn)知實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在該階段讓學(xué)生了解自動(dòng)滴液機(jī)的工作流程及本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)分析要實(shí)現(xiàn)該功能需要什么知識(shí)、設(shè)備及部件。比如：要實(shí)現(xiàn)液體定量滴定，需要精確的直線位移控制，而實(shí)現(xiàn)直線位移控制，需要伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變直線的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及PLC控制單元等。通過(guò)該環(huán)節(jié)，完成PLC、絲杠—螺母副傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、單軸機(jī)械臂、二維機(jī)械臂、氣動(dòng)機(jī)械夾等主要的工業(yè)自動(dòng)化元件，以及初步形成分解復(fù)雜自動(dòng)化系統(tǒng)的能力。endprint

在認(rèn)知環(huán)節(jié)后設(shè)置第二階段的功能實(shí)現(xiàn)型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。該階段同樣以實(shí)現(xiàn)滴液機(jī)主體功能為最終目標(biāo)，分別設(shè)置PLC輸入/輸出實(shí)驗(yàn)、PLC伺服控制接口、單軸機(jī)械臂定位控制、雙軸定位控制等環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，構(gòu)建三維機(jī)械臂系統(tǒng)，并由PLC進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。此階段的直接目的在于掌握所涉及的工業(yè)自動(dòng)化元件的使用方法、環(huán)節(jié)功能調(diào)試以及設(shè)備選型方法等技能，初步形成分析、解決工程問(wèn)題的能力。

第三階段為科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容。

1）自動(dòng)滴液機(jī)功能完善或改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)，比如：如何提高滴定精度？以開(kāi)環(huán)式位置控制方式進(jìn)行Z軸的滴定操作，與以電子天平對(duì)滴定質(zhì)量進(jìn)行反饋的控制方法的實(shí)現(xiàn)與滴定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比等。以此類(lèi)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生思考與解決工程問(wèn)題的能力。

2）功能實(shí)現(xiàn)型實(shí)驗(yàn)。該類(lèi)型實(shí)驗(yàn)是在三維機(jī)械臂系統(tǒng)中設(shè)計(jì)新的滿足科創(chuàng)需求的執(zhí)行環(huán)節(jié)，取代Z軸定量液體滴定單元，從而實(shí)現(xiàn)其他工業(yè)應(yīng)用中的自動(dòng)化系統(tǒng)，如點(diǎn)膠機(jī)、物料自動(dòng)插裝系統(tǒng)、物料分揀系統(tǒng)等。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容規(guī)劃

如上所述，綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置方面避免傳統(tǒng)的以課程為中心的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即實(shí)驗(yàn)不為某一單獨(dú)的理論課程服務(wù)，而是一種理論知識(shí)的綜合應(yīng)用與工程能力的培養(yǎng)，把傳統(tǒng)教學(xué)中的盲目性、機(jī)械性及追隨性實(shí)踐轉(zhuǎn)換為自主性、探索性實(shí)踐。工業(yè)自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以功能實(shí)現(xiàn)為出發(fā)點(diǎn)，合理設(shè)置實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建如表1所示目標(biāo)明確、層次分明的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。按照“基礎(chǔ)→綜合→創(chuàng)新”的步驟，由淺入深、由簡(jiǎn)入繁，形成以系統(tǒng)認(rèn)知帶動(dòng)環(huán)節(jié)認(rèn)知，以簡(jiǎn)單環(huán)節(jié)構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)，環(huán)環(huán)相扣、目標(biāo)明確、層次豐富的新型實(shí)踐教學(xué)。

5 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求建立圖4、圖5所示綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主體由環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩部分構(gòu)成，其中環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括PLC、接觸器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、單軸機(jī)械臂（聯(lián)軸器直連、螺桿螺距5 mm）等設(shè)備，主要對(duì)應(yīng)于表1中認(rèn)知實(shí)驗(yàn)與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中前三部分內(nèi)容；自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要為三維機(jī)械臂組合平臺(tái)和自動(dòng)滴液機(jī)，三維平臺(tái)主要側(cè)重于X-Y-Z三維坐標(biāo)系內(nèi)定位控制或三軸協(xié)調(diào)控制，服務(wù)于表1中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的后兩部分以及為拓展實(shí)驗(yàn)提供物理平臺(tái)；自動(dòng)滴液機(jī)為專(zhuān)業(yè)校企合作項(xiàng)目中的實(shí)體開(kāi)發(fā)與應(yīng)用對(duì)象，也是本系列實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)所依托的工程背景。

6 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)始終以培養(yǎng)高素質(zhì)、應(yīng)用型人才為目標(biāo)，其特色在于從實(shí)際工業(yè)應(yīng)用出發(fā)，以鮮明的工程應(yīng)用為背景，以系統(tǒng)促進(jìn)認(rèn)知環(huán)節(jié)，以環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)提升系統(tǒng)構(gòu)建能力；注重專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用的同時(shí)，強(qiáng)化多學(xué)科知識(shí)的融合以及教學(xué)與科研的結(jié)合，是提高學(xué)生實(shí)踐能力和工程技能的有效途徑之一。■

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