任務(wù)驅(qū)動法在《電氣控制與PLC技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用

曹霞　張紅劍　肖雄

摘 要：任務(wù)驅(qū)動法在《電氣控制與PLC技術(shù)》教學(xué)中應(yīng)用廣泛，但是以往的教學(xué)中，教學(xué)任務(wù)的設(shè)置上沒有體現(xiàn)機(jī)電專業(yè)對PLC技術(shù)的應(yīng)用要求，很少跟機(jī)械理論知識融合。針對這個問題，本文介紹了一種基于C650型臥式車床數(shù)控技術(shù)改造為目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計(jì)。通過對C650型臥式車床機(jī)械部分、控制系統(tǒng)和操作界面的改造設(shè)計(jì)，達(dá)到讓學(xué)生“ 做中學(xué)、學(xué)中做”目標(biāo)，并提高其綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動法;PLC技術(shù)教學(xué);車床數(shù)控技術(shù)改造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.152

《電氣控制與PLC技術(shù)》課程是機(jī)械電子工程、機(jī)械制造自動化等專業(yè)的一門重要專業(yè)課，受到越來越多人的重視。該課程具有理論豐富且實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用任務(wù)驅(qū)動法將理論學(xué)習(xí)與實(shí)際操作有機(jī)結(jié)合能夠大大提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。這一教學(xué)過程中，任務(wù)目標(biāo)的設(shè)定是決定其實(shí)際教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。很多老師在可編程控制器PLC課程的教學(xué)改革方面也以這個方法為主導(dǎo)，然而在教學(xué)中，任務(wù)目標(biāo)大多以某幾條PLC編程指令的綜合應(yīng)用為主，實(shí)現(xiàn)一些控制功能，但缺少與機(jī)電專業(yè)的機(jī)械知識結(jié)合。本人通過多年教學(xué)和畢業(yè)論文指導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)，將老式車床改造項(xiàng)目引入到PLC的教學(xué)過程中，圍繞車床改造的各個環(huán)節(jié)設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。本文以C650型臥式車床數(shù)控技術(shù)改造為任務(wù)，包含機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、電機(jī)控制和PLC程序設(shè)計(jì)幾部分的內(nèi)容。通過該項(xiàng)目的引入將機(jī)械理論與電氣控制方法結(jié)合，既完成了PLC控制的教學(xué)任務(wù)也幫助學(xué)生梳理了機(jī)械與電氣控制的相關(guān)知識。

1 C650車床的機(jī)械部分改造任務(wù)

C650車床用于旋轉(zhuǎn)工件的車削加工，主軸電動機(jī)通過主軸箱中不同齒輪間的嚙合來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的效果，從而達(dá)到不同加工工藝的需求。改變主軸轉(zhuǎn)速是通過轉(zhuǎn)動手柄到不同的刻度實(shí)現(xiàn)，因此進(jìn)行某些弧面加工需要復(fù)雜的操作流程，需要熟練工才能完成。使用一個伺服電動機(jī)來控制主軸箱的傳動，工作臺縱向進(jìn)給運(yùn)動使用直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠和聯(lián)軸器結(jié)合的滾珠絲桿螺母傳動方式，可以有效的把伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成工作臺的水平運(yùn)動。例如在車螺紋時，只需根據(jù)螺紋導(dǎo)程計(jì)算出主軸電機(jī)和工作臺進(jìn)給電機(jī)轉(zhuǎn)速比例，通過控制電機(jī)速度就可以實(shí)現(xiàn)車螺紋，就可以實(shí)現(xiàn)主軸和工作臺的聯(lián)動。工作臺橫向進(jìn)給的機(jī)械部分也可以如此改造。通過機(jī)械部分改造的任務(wù)，讓學(xué)生根據(jù)加工精度設(shè)計(jì)絲桿螺母結(jié)構(gòu)，學(xué)生的工作包括計(jì)算螺紋導(dǎo)程和利用SolidWorks和Pro/Engineer等機(jī)械設(shè)計(jì)軟件對改進(jìn)的絲桿螺母結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、仿真。

2 電氣控制電路部分改造

車床具有切削運(yùn)動（包括主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動）和輔助運(yùn)動。主運(yùn)動是主軸通過卡盤或頂尖帶動工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;進(jìn)給運(yùn)動是溜板帶動刀架的縱向和橫向的直線運(yùn)動;輔助運(yùn)動是指刀架的快速移動及工件的加緊與放松。C650型臥式車床由主軸運(yùn)動和刀具進(jìn)給運(yùn)動完成切削加工，車床的主軸、冷卻泵、刀架快速移動均由繼電器接線程序控制三相異步電動機(jī)拖動。設(shè)置對原繼電器控制系統(tǒng)改造為PLC程序控制電氣系統(tǒng)的任務(wù)，主要從電氣原理圖的分析、PLC和電動機(jī)等其他電氣元件的選型方法、PLC的端口分配及編程能力等幾個方面訓(xùn)練和考查學(xué)生。由于工作臺的進(jìn)給改造為由伺服電動機(jī)控制，在編寫這部分PLC的控制程序時首先要根據(jù)之前所設(shè)計(jì)的絲杠的導(dǎo)程來計(jì)算電機(jī)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)編寫相應(yīng)的計(jì)算和控制程序。此外，在完成簡單工件加工的控制程序設(shè)計(jì)后，可以布置對形狀復(fù)雜表面進(jìn)行加工的程序設(shè)計(jì)任務(wù)，涉及到對一些插補(bǔ)算法的研究。

3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

在數(shù)控車床中，人機(jī)交互界面是機(jī)床與操作者之間信息傳遞的平臺。由于沒有實(shí)際的車床，本次設(shè)計(jì)中只完成了車床運(yùn)行最基礎(chǔ)的測驗(yàn)，比如車床主軸調(diào)速，工作臺進(jìn)給連動、點(diǎn)動，冷卻泵開啟停止等，通過PLC與觸摸屏之間的聯(lián)合調(diào)試，能夠直觀的檢查車床是否能夠完成正常作業(yè)。例如，學(xué)生在主界面中設(shè)置了加工類型，如選擇加工外圓，經(jīng)過手動對刀后，設(shè)置好主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、縱向進(jìn)給長度和橫向進(jìn)給深度等參數(shù)，點(diǎn)擊開始加工，控制系統(tǒng)開始模擬車床自動加工的進(jìn)程，直到達(dá)到要求縱向進(jìn)給長度進(jìn)給完成為止。學(xué)生外圓加工界面如圖1所示。

4 教學(xué)考核

整個項(xiàng)目分三個任務(wù)，機(jī)械設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。每個任務(wù)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、完成效果和報告情況幾個方面綜合考核，每個老師可以根據(jù)具體任務(wù)的特點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)評分標(biāo)準(zhǔn)。每一項(xiàng)任務(wù)都有分級的目標(biāo)，比如在控制程序設(shè)計(jì)方面，第一檔為完成基本功能改造，第二檔為加入插補(bǔ)算法，第三檔為引入嵌入式系統(tǒng)控制。每一次課和每一個項(xiàng)目的考核結(jié)果及時反饋給學(xué)生，起到對教學(xué)質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)控作用，以此幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并糾正。

5 總結(jié)

兩年來的教學(xué)效果顯示，根據(jù)機(jī)電專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，基于機(jī)床改造項(xiàng)目設(shè)置PLC的教學(xué)任務(wù)將機(jī)械理論和PLC控制有機(jī)結(jié)合起來，既與實(shí)際緊密結(jié)合調(diào)高學(xué)生的感性認(rèn)識，又幫助學(xué)生對相關(guān)知識進(jìn)行梳理和融通。在整個教學(xué)過程中，不但學(xué)生得到了綜合鍛煉，作為指導(dǎo)教師通過解決項(xiàng)目實(shí)施過程中學(xué)生遇到的各種問題也增強(qiáng)了自身的實(shí)踐能力和科研能力。

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