液壓傳動(dòng)與機(jī)電控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

高自成，李立君，閔淑輝，廖 凱

（中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙，410004）

2012 年，教育部、財(cái)政部聯(lián)合下發(fā)了教技〔2012〕6 號文件《教育部財(cái)政部關(guān)于實(shí)施高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升的意見》，以及教育部下發(fā)的教高〔2012〕4 號文件《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》，《意見》著力指出，提高大學(xué)生創(chuàng)新能力離不開實(shí)踐創(chuàng)新教育，離不開新的創(chuàng)新教育理念和方法，在此基礎(chǔ)上，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)[1-2]。在普通高等學(xué)校的教學(xué)計(jì)劃中，機(jī)電傳動(dòng)控制與液壓傳動(dòng)是機(jī)電類本科專業(yè)的兩門重要的專業(yè)基礎(chǔ)科和專業(yè)課程[3]。在這兩門課程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有很大比例，就中南林業(yè)科技大學(xué)而言，液壓傳動(dòng)和機(jī)電傳動(dòng)控制兩門課程的實(shí)驗(yàn)都是8 學(xué)時(shí)0.5 學(xué)分，目前這兩門課程的實(shí)驗(yàn)的教學(xué)都是各自獨(dú)立分開的，而且分別是在液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[4～5]，缺乏將機(jī)電傳動(dòng)控制與液壓傳動(dòng)進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。這對于要求學(xué)生掌握教材的基礎(chǔ)知識是必要和可行的，但是要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和綜合應(yīng)用能力，還需要進(jìn)一步將這兩門課程與實(shí)際更加進(jìn)一步的結(jié)合。

首先，機(jī)電傳動(dòng)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握常用的電機(jī)和電氣的工作原理和結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行基本的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6～7]，我校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)購置于浙大求是公司和浙江天煌教學(xué)儀器公司，這些設(shè)備主要用于對電機(jī)和電氣的結(jié)構(gòu)認(rèn)識以及電機(jī)的特性驗(yàn)證，電機(jī)的基本控制，這些實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)學(xué)生對電氣的控制能力是必要的。但是這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對于培養(yǎng)機(jī)電類專業(yè)的綜合高級技術(shù)人才還顯得不足[8～9]。

其次，液壓傳動(dòng)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生掌握液壓系統(tǒng)的組成，液壓元件的類型和結(jié)構(gòu)，以及液壓回路的構(gòu)成，基本液壓回路的設(shè)計(jì)等[10]，我校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)購自長沙宇航教學(xué)儀器公司，設(shè)備主要用于液壓元件的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，液壓元件的性能實(shí)驗(yàn)，但是在實(shí)際中，大量液壓回路是用電氣系統(tǒng)來進(jìn)行控制的，在液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，對實(shí)驗(yàn)過程中涉及的幾個(gè)簡單回路，試驗(yàn)臺(tái)本身的攜帶了部分電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此在做液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生不需要將液壓回路和電氣控制結(jié)合起來，這樣限制了學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)和學(xué)生綜合素質(zhì)的提高[11]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的調(diào)整

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的初衷旨在針對液壓實(shí)驗(yàn)和機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)相互孤立問題，將這兩方面的知識結(jié)合起來，在液壓實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，搭建液壓系統(tǒng)，同時(shí)采用機(jī)電轉(zhuǎn)動(dòng)控制的知識，對液壓的系統(tǒng)的控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的繼電器和PLC 控制器等電器，組建液壓系統(tǒng)的控制電路，提高學(xué)生綜合應(yīng)用這兩門課程的能力。

具體實(shí)施辦法是：首先，將機(jī)電傳動(dòng)控制和液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)中各拿出4 個(gè)學(xué)時(shí)從事液壓傳動(dòng)與機(jī)電傳動(dòng)控制的綜合實(shí)驗(yàn)；第二步，用2 個(gè)學(xué)時(shí)安排學(xué)生自己設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)普通繼電器控制系統(tǒng)對學(xué)生設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制；第三步，安排2個(gè)學(xué)時(shí)讓學(xué)生設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，并采用繼電器和PLC綜合控制來設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的控制電路，進(jìn)行PLC 應(yīng)用編程。通過這樣的綜合實(shí)驗(yàn)，將原來互不相干的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃，圍繞液壓控制展開，既鍛煉了學(xué)生應(yīng)用液壓傳動(dòng)知識設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的能力，又增長了學(xué)生在機(jī)電傳動(dòng)控制方面的知識，最終使得學(xué)生設(shè)計(jì)控制電路和PLC 編程的能力得到提升。

為了更好地滿足實(shí)驗(yàn)開設(shè)需要，對原有實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行修訂，編寫機(jī)電傳動(dòng)控制與液壓傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，將8 個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行科學(xué)安排，并完善了實(shí)驗(yàn)步驟和考核方法。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為滿足新開實(shí)驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)了2 個(gè)代表性液壓控制運(yùn)動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)：

2.1 實(shí)驗(yàn)1：雙作用液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)

目的是要學(xué)生掌握綜合應(yīng)用液壓傳動(dòng)與機(jī)電傳動(dòng)的相關(guān)知識、掌握液壓系統(tǒng)的基本組成和回路、掌握液壓回路的電氣控制方法，初步建立液壓與電控的關(guān)聯(lián)，如圖1 所示為液壓控制實(shí)驗(yàn)原理圖和與之匹配的控制電路圖。

圖1 液壓原理圖和控制電路圖

要求學(xué)生根據(jù)液壓原理圖，設(shè)計(jì)出基于繼電器控制的控制電路圖，并在繼電器控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出基于PLC 控制的實(shí)驗(yàn)原理圖。然后應(yīng)用液壓綜合試驗(yàn)臺(tái)，按原理圖和控制電路圖進(jìn)行連接，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)改成PLC 控制模式，將設(shè)計(jì)出的PLC 控制梯形圖導(dǎo)入到PLC 中運(yùn)行，觀察PLC控制條件下的液壓缸動(dòng)作過程。

2.2 實(shí)驗(yàn)2：雙作用液壓缸的電動(dòng)控制

目的是要學(xué)生掌握液壓系統(tǒng)的基本組成和回路、掌握綜合應(yīng)用液壓傳動(dòng)與機(jī)電傳動(dòng)的相關(guān)知識。如圖2 所示為液壓控制實(shí)驗(yàn)原理圖和與之匹配的控制電路圖。

圖2 液壓原理圖和控制電路圖

實(shí)驗(yàn)過程同實(shí)驗(yàn)1，然而控制的復(fù)雜程度提高，學(xué)生將液壓控制原理與機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)液壓運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的要求。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的思考

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整合與綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展，將液壓控制與機(jī)電控制緊密結(jié)合在一起，對學(xué)生提出了更高的要求，引導(dǎo)學(xué)生將做學(xué)專業(yè)知識點(diǎn)融會(huì)貫通，讓學(xué)生理解和掌握現(xiàn)代電液控制技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也有以下幾點(diǎn)思考：一是充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)對液、電工程問題和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行分析，豐富學(xué)生解決問題的方法，同時(shí)，以解決實(shí)際工程問題的方式對知識點(diǎn)進(jìn)行剖析，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識的能力。二是以案例式教學(xué)模式，將理論知識點(diǎn)穿插在實(shí)驗(yàn)案例中對學(xué)生進(jìn)行傳授，明確控制的對象和運(yùn)動(dòng)實(shí)施的方式，讓學(xué)生懂得自己學(xué)習(xí)的專業(yè)知識體系性對解決實(shí)際問題的作用。三是不斷拓展自主實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，真正做到靈活運(yùn)用液壓傳動(dòng)中機(jī)電控制的實(shí)現(xiàn)方法。