基于機電類“技術技能人才”培養的自主創新綜合實訓裝置的開發與研究

長江職業學院 李莎

1 研究意義

《PLC應用技術》《變頻器技術》《機械設計基礎》等課程是高職機電類專業重要的專業核心課程，與之配套的實踐環節也是培養學生職業技能的重要途徑。很多院校機電類專業的核心課程的實踐教學主要依賴于以驗證性為主的老式實訓臺或電腦軟件仿真，且未能將電氣類課程與機械類進行有機整合，采用的是相對獨立的實訓設備，配套設備多、成本高，造成實訓室資源的浪費且存在設備老化、能開設的實訓項目不能很好地滿足教學需求等問題。

同時也有部分高校采用了新型智能實訓箱，但也存在工作穩定度不高、后期維護難、能開設的實訓項目不能很好地滿足教學需求等問題。而且因為工科實訓普遍存在的開設模式單一、受時空限制嚴重的特點，使學生學習效率低下。因此，研制一款既適合高職機電類實訓教學，又能夠調動學生實踐積極性的綜合實訓系統具有重要意義。

2 項目簡介

本項目通過自主研發的機電類綜合創新實訓裝置，該裝置充分地整合了機電一體化類專業技術領域內平面連桿機構，機械設計與制造，數控技術，可編程控制器、變頻器、電機與電氣控制，傳感器、組態技術、工業網絡技術等課程技能并進行實訓，以職業崗位能力培養為主線，就真實工業現場項目從方案設計、系統配置、安裝調試、運行維護等完整的項目內容進行實踐操作，以實訓裝置為載體進行“技術技能”人才培養。

該裝置在原有項目的基礎上進行外觀改造、尺寸縮小、性能優化，可放置于實訓臺上，學生可對其進行拆卸與組裝，了解機械構造原理、掌握各機械零件結構、掌握機械零件的拆裝；同時性能也得到了優化，改良之后的裝置更加適用于實踐操作、綜合實訓等教學工作，更加有效的培養學生地綜合職業技能。

3 研究思路

3.1 設計思路

3.1.1 在實訓箱內嵌入常用電氣控制類設備，如PLC、變頻器、電機、低壓電器等，大大減少實訓設備配置，從而大幅度降低設備成本。

3.1.2 包含了自動化和機電一體化類專業技術領域內的平面連桿機構，機械設計與制造，數控技術，可編程控制器、變頻器、電機與電氣控制，傳感器、組態技術、工業網絡技術等課程技能并進行實訓，集成為可拆卸式實訓模塊，一箱多用，開放式設計提高實訓系統的利用率。

3.1.3 依托與省重點科研項目“監控技術在大型廣告屏上的應用”的原型，在原有項目的基礎上進行外觀改造、尺寸縮小、性能優化，可放置于實訓臺上，學生可對其進行拆卸與組裝。

3.1.4 一體化便攜式箱式結構打破教學時空界限。

3.1.5 實訓箱人性化設計，采用端子排設計，確保學生不會因操作失誤而損壞設備，提高實訓系統整體的可靠性、安全性。

3.2 項目設計

3.2.1 實訓箱基礎框架設計

實訓箱既要集成常規機電設備，又需采取開放式結構，擴展多門課程實訓內容，模塊眾多，如何布局使系統具有良好的性能，并保持漂亮的外觀是產品設計需要首先重點考慮的問題。

實訓箱體仍沿用傳統便攜結構。為了便于學生觀測又不影響學生實訓操作，除了電機等木塊固定以外，其余模塊位置可以隨意調換、拆卸。采用這種基礎框架既能保證性能，又能讓系統擁有較好的外觀。

實訓箱依托省重點科研項目“監控技術在大型廣告屏上的應用”為原型，以孔雀開屏為主項目，運行時，當用戶將一元硬幣投入投幣箱中時，控制系統被啟動，驅動在某一弧度印有孔雀圖案的電動轉盤轉動一次，該轉盤的停止方式為自由停止。若停止時，固定指針正好指向電動轉盤盤面上的孔雀圖案，控制系統控制機械孔雀裝置，孔雀緩緩開屏與收屏。同時，可編程控制器程序數據通過以太網傳送到計算機，由計算機控制顯示孔雀畫面，該畫面與機械孔雀裝置，作同步開屏與收屏動畫顯示。

3.2.2 硬件功能模塊

實訓箱主要由機械部分和電氣部分兩塊組成。其中機械部分包括外觀設計、機械結構設計、連桿裝置設計等部分；電氣部分包括變頻器、PLC控制、監控組態畫面設計、電氣柜的設計等多個部分。

1機械模塊

開屏的機構運動過程主要由電機驅動，鏈傳動帶動齒輪運動，齒輪運動帶動四桿機構運動，四桿帶動葉片，最后達到開屏的效果。

2電氣模塊

該控制系統由PLC、低壓電器、變頻器、計算機組成，被控對象是拖動孔雀機械裝置和轉盤的三相異步電動機。

控制系統中的PLC主要作用是管理整個系統信號的輸入和輸出，與變頻器一起驅動電動機運行，并且，可通過工業以太網，以有線通訊或無線通訊的方式與計算機通訊，遠距離使系統信息在PLC與計算機之間雙向流通，完成對被控對象的工況的監視和控制。

變頻器作為電機的驅動單元，對電機實施無級調速。

計算機和組態軟件組成系統控制的人機界面，完成對孔雀機械裝置的可視化實時控制。

4 研究目標

本課題主要介紹自主研發的機電類綜合創新實訓裝置，該裝置充分地整合了自動化和機電一體化類專業技術領域內可編程控制器、變頻器、交直流電機、傳感器、組態控制、液壓與氣動、數控加工、機械設計與制造等課程的實訓和實習，以職業崗位能力培養為主線，按真實工業現場項目從方案設計、系統配置、安裝調試、運行維護等完整的項目內容進行實踐操作，以實訓裝置為載體進行“技術技能”人才培養。

4.1 研究內容

1校企合作研發的機電類綜合創新實訓裝置，為實現教學改革提供硬件保障

該裝置包括機械與電氣兩部分，機械部分包括外觀設計、機械結構設計、連桿裝置設計等部分；電氣部分包括變頻器、PLC控制、監控組態畫面設計、電氣柜的設計等多個部分。其中機械部分的設計由本校老師與學生自行完成，機械部分的加工由企業完成，電氣部分的設計和調試由本校老師與學生共同完成。

2完善教學資源，建立基于自制實訓裝置的實訓教學包

通過建立綜合實訓教學包，為學生創建良好的自學環境。根據自主創新綜合實訓裝置的特點和內容，開發與之配套的學習資料和軟硬件資源，方便教師教學和學生自學;同時結合本院學生的學習特點和能力，編寫與實訓裝置配套的項目化教材，在教材中融入企業真實案例，為學生的自學和發展提供素材，教材中的硬件設計與自制平臺一致，學生可以邊看書邊調試軟硬件，提高了學習的效率和教材的實用性。

同時建立信息化教學資源，較好地平衡了“教”與“學”之間的關系。包括以下幾個模塊:

（1）基于實訓裝置的教學視頻錄像模塊。學生根據需要，可重復觀看教學錄像，視頻有助于學生自學，相當于老師在實驗室手把手地指導，起到示教的作用，學生因此可以在課前課后參照視頻進行實驗實訓的操作。

（2）覆蓋全部學時的多媒體課件模塊。包括了實際授課中所使用的理論課、實踐課教學課件，在課件中還包括圖片、動畫、視頻等，使教學內容以直觀、生動的形式表呈現出來，解決了教學中的重點、難點問題，提高了教學效率和質量，促進學生的學習。

3采用形成性考核方式，建立基于工作過程的評價體系

將基于過程的評價體系與各軟硬件平臺實訓教學包相結合，從資料收集、電路設計、程序調試、小組匯報，到文檔整理，項目的完成中每個步驟都需要學生發揮自己的主觀能動性，并且每個項目學生都能在實訓平臺上通過不斷調試驗證最終完成，使學生在挫折中不斷成長。

5 創新點

5.1 集成化

本產品把傳統實訓室必備的多種設備集成于實訓箱中。

（1)性價比高

傳統的PLC、變頻器、組態、工業網絡、機械設計等課程的實訓設備購買價值幾十萬元，而本產品總體價格只有幾萬元,節約了高校的采購經費，同時不影響實訓質量。

（2）占用空間小

原來的實訓室只能一桌一臺一課程，而本產品卻可以一桌一箱多課程；目前很多的實訓都必須依靠多個實訓室來開展實訓，而現在卻可以集成到一個實訓箱。

（3）便攜性

1）現在大部分實訓只能在實訓室內完成，而我們的產品卻擺脫了這個局限。實訓可以在教室或者寢室完成，同時也便于師生之間進行交流，以及提高學生們的效率。

2）產品體積小，移動方便，需要連接的儀器設備很少，便于操作和減少實訓誤差。

5.2 模塊化

模塊化是本產品的一大特點，本實訓箱現今是由可拆卸的多個模塊組成的，而模塊化帶具有諸多好處。

1便于設備更換和維護

當產品出現故障時只要替換出故障的模塊，產品還可繼續使用。

2可定制的實訓模塊

由于模塊化，所以能夠根據客戶的不同需求，定制不同的實訓模塊。

3便于產品升級

當開發出新產品時，用戶只需直接更換相應的模塊即可使用新產品；當用戶進行系統升級時，不需更換整個實訓箱，只要購買相應的升級模塊即可。

5.3 安全可靠性

系統采用端子排及安全報警模塊，充分考慮了實訓者的實際實訓操作可能出現的各種違規操作事故，確保在實訓過程中能夠對設備進行最大限度的自我保護。同時箱體模塊人性化的設計理念均提高了硬件系統的可靠性。上述設計在國內同類產品中尚未有類似的設計，具有較強的競爭力。