研究性学习在《基于PLC的机械手控制设计》课程中的应用

　　摘　要：本文通过在《基于PLC的机械手控制设计》课程中引入研究性学习方法，分析了研究性学习方法在中职学校课程中的应用，以提高学生解决实际问题和自主学习的能力。　　关键词：中职；研究性学习；机械手控制；PLC
　　随着社会生产的不断进步和人们生活节奏的不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算机软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使得机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。目前，中等职业学校对机械手课程的教学侧重于对机械手原理和理论的讲解，教学模式以“知识为本位”，学习该课程的学生学完之后，并不能解决实际问题，不能增加学生就业时的核心竞争力。在该课程中我们试着引进研究性学习教学法，期待培养学生解决实际问题、自主学习的能力。
　　一、研究性学习方法的特点
　　（一）研究性教学法概述。
　　研究性学习是国家教育部2000年1月颁布的《全日制普通高级中学课程计划（试验修订稿）》中综合实践活动板块的一项内容。它是指学生在教师指导下，从学习生活和社会生活中选择和确定研究专题，主动地获取知识、应用知识、解决问题的活动。以“培养学生具有永不满足、追求卓越的态度，培养学生发现问题、提出问题、从而解决问题的能力”为基本目标；以学生从学习生活和社会生活中获得的各种课题或项目设计、作品的设计与制作等为基本的学习载体；以在提出问题和解决问题的全过程中学习到的科学研究方法、获得的丰富且多方面的体验和获得的科学文化知识为基本内容；以在教师指导下，以学生自主采用研究性学习方式开展研究为基本的教学形式的课程。
　　（二）研究性学习的主要步骤。
　　1. 课题背景、意义及介绍。
　　向学生介绍研究性学习的性质、目标、步骤和意义，使学生了解研究性学习方法。向学生介绍课程的背景知识，诱发学生深入学习和研究的兴趣。
　　2. 指导学生确定课题。
　　根据介绍的课程背景知识，由教师或者学生提出研究。
　　3. 实施研究阶段。
　　根据确定的课题，按照难易程度不同分课题小组进行研究，制定方案，以表格、调查报告等形式进行分析，讨论。
　　二、项目教学法在《基于PLC的机械手控制设计》课程教学中的应用
　　（一）动员和培训。
　　《基于PLC的机械手控制设计》课程是机电一体化专业学生学完《可编程控制器》课程之后一门实践性课程，适合于采用研究性学习的方法。在课程设计中首先明确项目任务，笔者准备了一个机械手的动作的视频，给学生讲解机械手的机构和动作过程。
　　其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360°的转盘机构能带动机械手 及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。
　　其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。
　　（二）课题准备阶段。
　　1. 提出和选择课题。
　　机械手在日常生活中应用如此广泛，我们应该如何学习机械手。为了学好机械手知识我们应该具备什么样的知识。根据教师介绍的范例，我们如何了解PLC运动控制器和运动驱动器。根据难易程度不同，分组了解运动控制器和驱动器的工作过程，同时编写PLC程序。
　　2. 成立课题组。
　　分小组明确各小组的任务，本课题共分三个小组进行实施：
　　PLC运动控制器组：查找有关PLC运动控制器的类别及相关的工作原理。
　　运动驱动器组：查找有关运动驱动器的类别及相关的工作原理。
　　软件编程组：负责对机械手编写PLC程序进行运动控制。
　　（三）课题实施阶段
　　学生根据研究方案，将收集到的各类信息进行整合，分析，讨论，得到如下结论：
　　1. PLC运动控制器小组搜集到的信息，制定的方案如下：根据系统设计要求的不同，可以选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
　　2. 运动驱动器小组搜集到的相关信息如下：为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：
　　①机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是两相混合式步进电机。
　　②伺服电机及其驱动器：机械手的旋转动作采用伺服电机。
　　3. 软件流程图。
　　流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如下图所示：
　　三、总结与反思
　　机械手在日常生活、生产中起到了很大的作用，如何学好基于PLC的机械手控制设计课程，选择自己的职业方向，是每个中职生必须事先准备和考虑的。采用研究性学习方法之后，学生积极参与课堂教学，收到了良好的效果，对学生的成长产生了深刻的影响。
　　（作者单位：深圳市第一职业技术学校）
　　参考文献：
　　[1]余业锋.研究性学习在中职《电力拖动》教学中的应用[J].广东教育·职教，2011，（6）.
　　[2]姜英俐.创新教学模式与方法[M].北京：东方出版社，2011.
　　责任编辑　朱守锂