基于模块化生产加工系统的创新实训教学
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作者: 梁红卫
摘 要:本文介绍了广州广播电视大学机电分校、广州机电技师学院实训中心的模块化生产加工系统(MPS)进行实训教学的模式,通过探讨创新实训,不断提高学生的综合能力,提高设备的利用率,节约教育成本。
关键词:模块化生产加工系统 创新 实训 教学
一、引言
随着科学技术的发展,机电一体化技术在各个领域得到了越来越广泛的应用。机电一体化设备成为现代化生产设备的主流。工业自动化设备也越来越复杂,不但涵盖了电气控制技术、气动控制技术、液压控制技术、传感器技术,而且也涵盖了可编程控制技术、伺服驱动、数控技术、机器人技术、通讯技术、柔性制造及计算机集成和总线技术等。广东省目前正在大力发展装备工业,制造业自动化水平也在迅速提升,急需大批机电专业的高技能人才。广东省劳动力资源丰富,但是高素质技能型人才却比较匮乏,这已经成为制约经济可持续发展的瓶颈之一。在这样的背景下,为了更快、更好地培养出符合企业需求的技能型人才,广州市机电技师学院于2004年组建了机电一体化实验室。
广州市机电技师学院机电一体化实验室主要设备是由德国FESTO公司提供的模块化生产加工系统(MPS即Modular Production System)。在传统的教学模式中,每门课程单独讲授,都有单一的特定知识点的设备相匹配,比如电控课程对应电控教学设备、气动技术对应气动教学设备、液压传动对应液压教学设备等,这些实训设备和实际的工业自动化设备都有很大的差距,学生没有机会了解生产一线的实际情况,不利于学生综合能力的提高,满足不了现代化企业的要求。模块化生产加工系统集气动技术、机械技术、可编程控制技术、传感器技术、机器人技术、电工电子技术于一体,可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程,实现了理论和实践的完美结合,从而缩短了理论教学和实际应用之间的距离。
在模块化生产加工系统实训教学中,围绕的中心是:充分发挥学生的主体作用,激发学生的创新能力,培养学生的综合实践能力,系统地提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力,使学生养成自觉遵守工业规则、具有工程意识和团队合作精神。
模块化生产加工系统提供了一个半开放式的学习环境。虽然每一个模块的结构是固定的,但是设备的执行机构怎样运作、各模块之间怎样配合、模拟什么样的生产加工过程等,学生可以根据自己拥有的知识自行设计。因此在模块化生产加工系统实训教学中,以教师为主导,学生为主体,由学生自己组装、编程、调试、运行、排除故障。这种新的实训教学模式,充分发挥了学生的主观能动性,取得了比较好的教学效果,同时提高了设备的利用率,节约了教育成本。
二、教学设备的组成和功能
1.基本组成
(1)TP101(气动实训设备)、TP201(电控气动设备)
TP101和TP201是和模块化生产加工系统(MPS)教学设备相配套的基础教学设备,由分立的元件组成。
(2)模块化生产加工系统(MPS)
由供料单元、检测单元、加工单元、操作手单元、缓冲单元、机械手单元、组装单元、成品分拣单元等8个单元组成。每一个单元都有一个控制器可以独立运行,同时每一个单元都是一个机电一体化系统,每个单元的执行机构主要是气动执行机构,这些执行机构的位置由传感器来检测。
模块化生产加工系统教学设备上应用了很多传感器,比如舌簧式行程开关、微动开关、光电传感器、电感传感器等。传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一,也是现代工业自动化的重要保证。
控制方面,模块化生产加工系统教学设备采用PLC控制。用户可以选用不同厂家的PLC。学生可以编写一定的生产工艺过程,然后通过对PLC的编程实现对工艺过程的控制,从而实现对模块化生产加工系统的控制。
2.基本功能
TP101(气控气动实训设备)、TP201(电控气动设备)是一些分立的元件,学生可以自行设计简单回路,并进行组装、调试、运行。这些分立元件都是便捷安装形式,不需借助工具,便于学生拆装。
MPS是模拟生产加工系统的教学培训装置。MPS将德国的先进的教学理念展现在我们面前。MPS的每一个单元都有自己的控制部分和执行部分,每一个单元都可以单独运行。MPS设备的每个单元都有最基本的功能,学生在此基础上进行设计和开发。
(1)供料单元的基本功能:按照需要将放在料仓中的工件逐一提取,并放置在第二单元的起始位置。
(2)检测单元的基本功能:将工件进行颜色和材质的识别,并进行高度检测,符合要求的工件传送到下一个单元,不符合的工件分流到下方的轨道。
(3)加工单元的基本功能:将工件进行模拟钻孔加工。
(4)操作手单元基本功能:将工件从加工单元取走,送至缓冲单元。
(5)缓冲单元基本功能:可以存放并分离5个工件。
(6)机械手单元基本功能:将通过滑槽传送至此单元的工件进行抓取,放置在组装平台上。气抓手上的传感器可以区分工件的材质,组装平台上的传感器可以检测工件的方位。根据不同的组合,机械手对工件完成组装并把工件放置到下成品分拣单元。
(7)组装单元基本功能:必须与机械手一起使用,为工件的组装提供工件。
(8)成品分拣单元基本功能:将工件按颜色和材质不同,分别从不同的滑槽分流。
三、实训教学的开展
根据机电一体化实验室的配置情况,实训教学分两个层次进行实施。
1.基础部分(TP101和TP201)
与模块化生产加工系统教学设备配套的基础实训设备有TP101和TP201两种实训设备,每一种设备共有9套。
实训教学流程:
(1)将学生分成9个小组,自主产生组长,负责实训过程的管理。
(2)元器件的识别。
(3)元器件的拆卸。
(4)用FluidSIM软件进行回路设计(包括气回路和电气回路)。
(5)PLC编程、下载。
(6)回路连接。
(7)回路调试、故障排除和正常运行。
(8)实训结束。
整个实训过程以学生为主体,教师为指导者,学生分组实训,教师巡回指导和评判,及时掌握和评判实际的操作过程,评判采用计时或分段检查的方法。充分发挥学生的主观能动性,激发学生的学习兴趣,培养学生利用所学知识加以综合运用的能力、独立思考能力和团队合作精神。
2.提高部分
提高部分以模块化生产加工系统教学设备为平台,对模块化生产加工系统进行解剖分析、装配、编程、调试、纠错,对自动生产线系统的组成、结构、原理、系统控制等进行深入了解,进一步培养感性认识和实际动手能力。要求学生能够利用所学知识熟练进行自动化生产线组装、故障诊断排除等。MPS采用和实际生产相同的工业元件,犹如亲临生产现场。
实训教学流程:
(1)MPS运行介绍。
(2)各工作站的分析。
(3)各工作站的拆解。
(4)单台工作站的拆解分析。
(5)单台工作站的解剖分析。
(6)单台工作站的组装。
(7)单台工作站的气路连接。
(8)单台工作站的电路连接。
(9)单台工作站的电气路故障排除。
(10)单台工作站的电气路的调试。
(11)工作站连调、纠错。
(12)系统正常运行。
实训过程的具体步骤:
(1)工作站工艺流程分析。
(2)元器件的识别。
(3)工作站的拆解。
(4)工作站的安装。
(5)气动回路图的分析。
(6)调节气动回路。
(7)电路图的分析与设计。
(8)电器元件的安装。
(9)I/O分配。
(10)PLC程序编程、下载。
(11)气电综合调试。
(12)工作站之间的通讯、调试。
(13)MPS运行正常。
(14)更换不同厂家的PLC,比如用三菱的FX2N-48MR取代西门子的S7-300。重复以上步骤。
(15)实训结束,整理工位。
在实际的实操教学中,每个教学班分成9个实训小组,每一个学生均衡承担一定的独立任务。在整个实操过程中,学生是主体,教师是指导者,及时指导和评判,及时掌握和评判实际的操作过程。在实训方法上,为了激发学生参与的热情、主动性和团队合作精神,穿插小组之间或个人之间的指定竞赛项目,比如:工作站的组装竞赛、编程竞赛等。各项目的评判采用计时或者分段检查等方法。实践证明,这是一种有效的方法,学生的责任心、组织技巧、理论指导实践的能力、分析问题和解决问题的能力、判断能力被高度调动起来。本课程的实训理念是:在轻松的训练环境中,使学生完成对机电一体化设备组成、结构原理、系统控制的学习。
在机电一体化的培训过程中培养了学生三个方面的能力:第一是职业能力;第二是个人能力;第三是社会能力。使学生的综合素质得到全面提升。
四、结束语
利用模块化生产加工系统进行实训,气动技术、电气技术、传感器技术、可编程控制技术既可以分别学习和训练,又可以相互结合组成综合的训练系统,形成真正的机电一体化的训练装置。每个学生都能参与其中,又共同协作,极大地提高了学生的积极性,培养了学生的职业能力、个人能力和社会能力。模块化生产加工系统采用实际的工业元件,更大限度地接近生产实际,实现学校和企业的无缝对接,符合“校企合一”的教学理念,更好地满足现代化企业的要求,为学生的就业打下良好的基础。同时采用半开放式的实训教学,既可以完成西门子PLC的学习,还可以完成三菱PLC的学习,除了提高学生的职业能力以外,还充分提高了设备的利用率,节约教育成本。
参考文献:
1.刘增辉主编.《模块化生产加工系统应用技术》.电子工业出版社
2.庄焕伟.《基于柔性制造系统的创新实训教学》.广东技术师范学院学报.2008年第12期
3.MPS使用说明及实验指导书》.FESTO有限公司上海培训部
4.《气压与液压传动控制技能训练》.任惠荣主编
5.FESTO有限公司提供的相关资料
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