张万奎

(湖南理工学院 机械工程学院, 湖南 岳阳 414006)

《机电传动控制》课程教学研究与实践

张万奎

(湖南理工学院 机械工程学院, 湖南 岳阳 414006)

针对本科机械类专业的主要课程——《机电传动控制》, 提出了课程教学与生产实习相结合, 课程教学与毕业设计相结合的一体化教学模式, 从而理顺课程内容体系, 提高学生的工程应用能力.

课程教学; 一体化教学模式; 工程应用

要实现机电一体化产品的高质量和技术的高水平, 关键是机电一体化技术人才的培养. 《机电传动控制》课程是机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业的一门必修课程, 它是机电一体化人才所需电知识结构的驱体.

《机电传动控制》课程是机械设计制造及其自动化专业和机械电子工程专业的主要课程, 其教学任务是使学生在学习和复习动力学方程式有关知识的基础上, 掌握直流电动机和交流电动机的机械特性(自然特性与人工特性), 掌握电力拖动方面的知识, 掌握常用的断续控制、连续控制系统的工作原理、特点、性能及应用场合, 了解最新控制技术在机械设备中的应用.

1 《机电传动控制》课程体系

《机电传动控制》课程建立了一套全新的课程体系, 课程内容涉及电机学(直流电动机的工作原理与特性、交流电动机的工作原理与特性、控制电机)、低压控制电器、继电器—接触器控制(断续控制)、可编程序控制器(PLC)、电力电子技术基础知识、直流与交流调速系统(连续控制)等内容. 课程根据学科的发展与其内在的规律, 以伺服驱动系统为主导, 以控制为线索, 将电气元件与伺服控制系统有机结合在一起, 也就是将机电一体化技术所需的电力控制知识集中在《机电传动控制》课程中. 这样一来, 既避免了课程内容的重复, 减少了学习的学时, 增强了课程的系统性; 又能使学生对机电一体化产品中电气控制技术, 包括电力控制(强电部分)和电子控制(弱电部分)有一个全面系统的了解.

另一方面, 《机电传动控制》课程涉及多门其他课程的内容, 这些课程知识点繁多. 经过多年的教学实践, 找出了《机电传动控制》的各部分内容存在着一定联系. 机电传动系统动力学方程为

其中:TM为电动机输出轴上的转矩;TL为单轴传动系统的负载转矩;J为单轴传动系统的转动惯量;ω为单轴传动系统的角速度;t为时间变量.

《机电传动控制》课程体系的重点, 是深入学习电动机转矩TM、学习直流电动机、交流电动机、控制电机的机械特性以及电力拖动的课程内容; 然后, 从电动机的控制入手, 课程内容进入到继电器—接触器控制(断续控制)、自动调速控制(连续控制)和伺服控制方面; 最后, 学习系统电气设计和PLC 编程, 完成《机电传动控制》课程的教学任务.

2 一体化教学模式

《机电传动控制》是教育部本科专业目录中机械类专业的主要课程, 在课程教学的实践中, 我们编写了适合地方院校使用的教材, 组织实施了一体化教学新模式.

一是课程教学跟踪电气控制系统的发展. 电气控制系统主要经历了以下四个发展阶段.

第一个阶段为继电器—接触器控制系统(断续控制系统), 断续控制系统能实现对生产机械的起动控制、正反转控制、顺序控制、制动控制、简单的调速控制. 断续控制系统的优点是控制方法简单, 工作稳定可靠; 缺点是控制速度慢, 控制精度差.

第二个阶段为自动控制系统(连续控制系统), 从20世纪30年代开始, 电机放大机在龙门刨床上得到应用, 使控制系统从断续控制发展到连续控制. 连续控制系统的优点是控制的快速性和控制精度大大提高, 它能随机检测出控制对象的工作状态, 将控制系统的输出量与给定量进行比较, 再根据输出值与给定值的偏差(净输入信号), 对控制对象进行自动调整. 同时, 简化了控制系统, 由于减少了电路中的触点,从而提高了工作的可靠性和生产效率. 20世纪40年代出现了磁放大器, 50年代又出现了水银整流器, 特别是1958年美国通用电气公司研发出世界上第一支晶闸管(额定电流16A), 开创了连续控制的新时代. 随之出现了晶闸管—直流电动机无级调速系统. 从80年代开始, 新型电力电子元件—交流电动机无级调速技术有了迅速的发展.

第三个阶段为可编程序控制器(PLC), 20世纪90年代的大型PLC的发展使PLC技术成为自动控制的三大支柱(PLC、数控机床、工业机器人)之一. PLC的优点是, 它不仅能实现逻辑控制、定时/计数、逻辑运算功能, 还能处理模拟量的I/O、具有数字运算功能、通信功能. 因此, PLC技术的应用越来越广泛.

第四个阶段为计算机数字控制系统, 20世纪70年代初, 计算机数字控制系统(CNC)开始应用于机床,产生了数控机床和加工中心. 数控机床的优点是, 它不仅提高了生产自动化程度, 而且使机床的通用性和加工效率大大提高, 因而在机床工业中得到广泛应用. 20世纪80年代以来, 出现了柔性制造系统(FMS), FMS系统由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成, 由中心计算机控制, 它实际上是真正意义上的的机械加工自动线. 因此, FMS是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分.

《机电传动控制》课程的教学内容, 是学习断续控制、连续控制和PLC控制, 而数字控制则安排在后续课程《数控机床》中学习.

二是课程教学与生产实习相结合. 在《机电传动控制》课程教学计划的这个学期, 机械类专业的学生安排有3～4周时间的生产实习, 实习地点选择在岳阳长江动力机械厂、岳阳红日机械厂. 2010年至2013年间, 通过对毕业后在珠三角、长三角地区工作的湖南理工学院机械设计制造及其自动化专业和机械电子工程专业毕业生的走访调研, 有相当部分的毕业生反映, 对生产现场机械设备的电气原理图读图有一定困难, 设计电气原理图拿不准用哪些方法. 针对这一情况, 我们请实习所在工厂的工程技术人员在实习现场, 对照生产机械设备, 讲解本厂通用生产机械的电气控制工程图纸, 让学生了解电气工程图纸主要包括“二图一表”, 即电气原理图、电气接线图和电气元件明细表. 重点分析课堂教学中没有涉及的电气接线图.由于课堂教学中只学习电气原理图, 加上是在生产机械的现场, 一边讲解, 一边观摩电气元件的具体位置和电气线路的走线, 激发了学生的学习主动性, 提高了学生对工程电气图纸的读图能力, 为今后工作中从事电气维修和电气设计打下了比较扎实的基础.

三是课堂教学与毕业设计相结合. 在机械类专业学生毕业设计选题中, 开设了M1040无心磨床导轮电机控制电路设计、Z3040S摇臂钻床主电机控制电路设计、SA7512螺纹磨床头架电机控制电路设计、基于PLC的无心磨床导轮电机控制电路设计、基于PLC的摇臂钻床主电机控制电路设计、基于PLC的螺纹磨床头架电机控制电路设计等课题, 这些课题的内容都来自生产实际的机床电气控制, 是交、直流转速负反馈或电压负反馈和电流正反馈调速系统的实际应用. 通过一个学期在岳阳机床厂、长江动力机械厂等实习基地的毕业实习和毕业设计, 有助于提高学生解决工程实际问题的能力.

3 《机电传动控制》课程教学实践

湖南理工学院机械电子工程专业的《机电传动控制》课程教学安排在三年一期, 理论教学40学时, 实验教学8学时; 机械设计制造及其自动化专业的《机电传动控制》课程教学安排在三年二期, 理论教学32学时, 实验教学8学时; 3～4周的生产实习都安排有该课程的实践教学环节, 提升学生机电一体化知识的工程应用能力.

[1] 张万奎, 神会存. 机电传动控制[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2013

[2] 倪 敬, 许 明, 陈国全.《机电传动控制》课程教学改革研究[J]. 教育教学论坛, 2011(21): 147～148

[3] 张万奎. 精品课程建设与工程实际应用相结合二例[J]. 湖南理工学院学报, 2010(3): 90～91

Research and Practice on Course Teaching of Machine and Electricity Transmission and Control

ZHANG Wan-kui
(College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

Machine and Electricity Transmission and Controlis the main course for undergraduate mechanical engineering. Course teaching is combined with production practice and graduation design, which can form the integrated teaching mode so as to rationalize the course content system. It can improve the students’ application ability.

course teaching; the integrated teaching mode; engineering application

G642

A

1672-5298(2014)03-0092-03

2014-05-13

张万奎(1946− ), 男, 湖南临湘人, 湖南理工学院机械工程学院教授. 主要研究方向: 电气传动与控制