研究性學習在《基于PLC的機械手控制設計》課程中的應用

摘 要：本文通過在《基于PLC的機械手控制設計》課程中引入研究性學習方法，分析了研究性學習方法在中職學校課程中的應用，以提高學生解決實際問題和自主學習的能力。

關鍵詞：中職；研究性學習；機械手控制；PLC

隨著社會生產的不斷進步和人們生活節奏的不斷加快，人們對生產效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算機軟、硬件技術的迅猛發展和現代控制理論的不斷完善，使得機械手技術快速發展，其中氣動機械手系統由于其介質來源簡便以及不污染環境、組件價格低廉、維修方便和系統安全可靠等特點，已滲透到工業領域的各個部門，在工業發展中占有重要地位。目前，中等職業學校對機械手課程的教學側重于對機械手原理和理論的講解，教學模式以“知識為本位”，學習該課程的學生學完之后，并不能解決實際問題，不能增加學生就業時的核心競爭力。在該課程中我們試著引進研究性學習教學法，期待培養學生解決實際問題、自主學習的能力。

一、研究性學習方法的特點

（一）研究性教學法概述。

研究性學習是國家教育部2000年1月頒布的《全日制普通高級中學課程計劃（試驗修訂稿）》中綜合實踐活動板塊的一項內容。它是指學生在教師指導下，從學習生活和社會生活中選擇和確定研究專題，主動地獲取知識、應用知識、解決問題的活動。以“培養學生具有永不滿足、追求卓越的態度，培養學生發現問題、提出問題、從而解決問題的能力”為基本目標；以學生從學習生活和社會生活中獲得的各種課題或項目設計、作品的設計與制作等為基本的學習載體；以在提出問題和解決問題的全過程中學習到的科學研究方法、獲得的豐富且多方面的體驗和獲得的科學文化知識為基本內容；以在教師指導下，以學生自主采用研究性學習方式開展研究為基本的教學形式的課程。

（二）研究性學習的主要步驟。

1. 課題背景、意義及介紹。

向學生介紹研究性學習的性質、目標、步驟和意義，使學生了解研究性學習方法。向學生介紹課程的背景知識，誘發學生深入學習和研究的興趣。

2. 指導學生確定課題。

根據介紹的課程背景知識，由教師或者學生提出研究。

3. 實施研究階段。

根據確定的課題，按照難易程度不同分課題小組進行研究，制定方案，以表格、調查報告等形式進行分析，討論。

二、項目教學法在《基于PLC的機械手控制設計》課程教學中的應用

（一）動員和培訓。

《基于PLC的機械手控制設計》課程是機電一體化專業學生學完《可編程控制器》課程之后一門實踐性課程，適合于采用研究性學習的方法。在課程設計中首先明確項目任務，筆者準備了一個機械手的動作的視頻，給學生講解機械手的機構和動作過程。

其運動控制方式為：(1)由伺服電機驅動可旋轉角度為360°的氣控機械手(有光電傳感器確定起始0點)；(2)由步進電機驅動絲杠組件使機械手沿X、Y軸移動(有x、y軸限位開關)；(3)可回旋360°的轉盤機構能帶動機械手 及絲杠組自由旋轉(其電氣拖動部分由直流電動機、光電編碼器、接近開關等組成)；(4)旋轉基座主要支撐以上3部分；(5)氣控機械手的張合由氣壓控制(充氣時機械手抓緊，放氣時機械手松開)。

其工作過程為：當貨物到達時，機械手系統開始動作；步進電機控制開始向下運動，同時另一路步進電機控制橫軸開始向前運動；伺服電機驅動機械手旋轉到達正好抓取貨物的方位處，然后充氣，機械手夾住貨物。步進電機驅動縱軸上升，另一個步進電機驅動橫軸開始向前走；轉盤直流電機轉動使機械手整體運動，轉到貨物接收處；步進電機再次驅動縱軸下降，到達指定位置后，氣閥放氣，機械手松開貨物；系統回位準備下一次動作。

（二）課題準備階段。

1. 提出和選擇課題。

機械手在日常生活中應用如此廣泛，我們應該如何學習機械手。為了學好機械手知識我們應該具備什么樣的知識。根據教師介紹的范例，我們如何了解PLC運動控制器和運動驅動器。根據難易程度不同，分組了解運動控制器和驅動器的工作過程，同時編寫PLC程序。

2. 成立課題組。

分小組明確各小組的任務，本課題共分三個小組進行實施：

PLC運動控制器組：查找有關PLC運動控制器的類別及相關的工作原理。

運動驅動器組：查找有關運動驅動器的類別及相關的工作原理。

軟件編程組：負責對機械手編寫PLC程序進行運動控制。

（三）課題實施階段

學生根據研究方案，將收集到的各類信息進行整合，分析，討論，得到如下結論：

1. PLC運動控制器小組搜集到的信息，制定的方案如下：根據系統設計要求的不同，可以選用OMRON公司生產的CPM2A小型機。CPM2A在一個小巧的單元內綜合有各種性能，包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設定和時鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個獨立單元，能處理廣泛的機械控制應用問題，所以它是在設備內用作內裝控制單元的理想產品。完整的通信功能保證了與個人計算機、其它OMRON PC和OMRON可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯動簡易機械手能方便的融合到工業控制系統中。

2. 運動驅動器小組搜集到的相關信息如下：為達到精確控制的目的，根據市場情況，對各種關鍵器件選型如下：

①機械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是兩相混合式步進電機。

②伺服電機及其驅動器：機械手的旋轉動作采用伺服電機。

3. 軟件流程圖。

流程圖是PLC程序設計的基礎。只有設計出流程圖，才可能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語句表，最終完成程序的設計。所以寫出流程圖非常關鍵也是程序設計首先要做的任務。依據四軸聯動簡易機械手的控制要求，繪制流程圖如下圖所示：

三、總結與反思

機械手在日常生活、生產中起到了很大的作用，如何學好基于PLC的機械手控制設計課程，選擇自己的職業方向，是每個中職生必須事先準備和考慮的。采用研究性學習方法之后，學生積極參與課堂教學，收到了良好的效果，對學生的成長產生了深刻的影響。

（作者單位：深圳市第一職業技術學校）

參考文獻：

[1]余業鋒.研究性學習在中職《電力拖動》教學中的應用[J].廣東教育·職教，2011，（6）.

[2]姜英俐.創新教學模式與方法[M].北京：東方出版社，2011.

責任編輯 朱守鋰