任务驱动法在《电气控制与PLC技术》教学中的应用

曹霞　张红剑　肖雄

摘 要：任务驱动法在《电气控制与PLC技术》教学中应用广泛，但是以往的教学中，教学任务的设置上没有体现机电专业对PLC技术的应用要求，很少跟机械理论知识融合。针对这个问题，本文介绍了一种基于C650型卧式车床数控技术改造为目标的教学设计。通过对C650型卧式车床机械部分、控制系统和操作界面的改造设计，达到让学生“ 做中学、学中做”目标，并提高其综合应用能力。

关键词：任务驱动法;PLC技术教学;车床数控技术改造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.152

《电气控制与PLC技术》课程是机械电子工程、机械制造自动化等专业的一门重要专业课，受到越来越多人的重视。该课程具有理论丰富且实践性强的特点，采用任务驱动法将理论学习与实际操作有机结合能够大大提高该课程的教学质量。这一教学过程中，任务目标的设定是决定其实际教学效果的关键因素。很多老师在可编程控制器PLC课程的教学改革方面也以这个方法为主导，然而在教学中，任务目标大多以某几条PLC编程指令的综合应用为主，实现一些控制功能，但缺少与机电专业的机械知识结合。本人通过多年教学和毕业论文指导的经验，将老式车床改造项目引入到PLC的教学过程中，围绕车床改造的各个环节设置相应的教学目标，达到了良好的教学效果。本文以C650型卧式车床数控技术改造为任务，包含机械结构分析、电机控制和PLC程序设计几部分的内容。通过该项目的引入将机械理论与电气控制方法结合，既完成了PLC控制的教学任务也帮助学生梳理了机械与电气控制的相关知识。

1 C650车床的机械部分改造任务

C650车床用于旋转工件的车削加工，主轴电动机通过主轴箱中不同齿轮间的啮合来实现调速的效果，从而达到不同加工工艺的需求。改变主轴转速是通过转动手柄到不同的刻度实现，因此进行某些弧面加工需要复杂的操作流程，需要熟练工才能完成。使用一个伺服电动机来控制主轴箱的传动，工作台纵向进给运动使用直线导轨、滚珠丝杠和联轴器结合的滚珠丝杆螺母传动方式，可以有效的把伺服电动机的旋转运动转换成工作台的水平运动。例如在车螺纹时，只需根据螺纹导程计算出主轴电机和工作台进给电机转速比例，通过控制电机速度就可以实现车螺纹，就可以实现主轴和工作台的联动。工作台横向进给的机械部分也可以如此改造。通过机械部分改造的任务，让学生根据加工精度设计丝杆螺母结构，学生的工作包括计算螺纹导程和利用SolidWorks和Pro/Engineer等机械设计软件对改进的丝杆螺母结构进行建模、仿真。

2 电气控制电路部分改造

车床具有切削运动（包括主运动和进给运动）和辅助运动。主运动是主轴通过卡盘或顶尖带动工件作旋转运动;进给运动是溜板带动刀架的纵向和横向的直线运动;辅助运动是指刀架的快速移动及工件的加緊与放松。C650型卧式车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工，车床的主轴、冷却泵、刀架快速移动均由继电器接线程序控制三相异步电动机拖动。设置对原继电器控制系统改造为PLC程序控制电气系统的任务，主要从电气原理图的分析、PLC和电动机等其他电气元件的选型方法、PLC的端口分配及编程能力等几个方面训练和考查学生。由于工作台的进给改造为由伺服电动机控制，在编写这部分PLC的控制程序时首先要根据之前所设计的丝杠的导程来计算电机旋转参数，然后根据这些参数编写相应的计算和控制程序。此外，在完成简单工件加工的控制程序设计后，可以布置对形状复杂表面进行加工的程序设计任务，涉及到对一些插补算法的研究。

3 触摸屏界面设计

在数控车床中，人机交互界面是机床与操作者之间信息传递的平台。由于没有实际的车床，本次设计中只完成了车床运行最基础的测验，比如车床主轴调速，工作台进给连动、点动，冷却泵开启停止等，通过PLC与触摸屏之间的联合调试，能够直观的检查车床是否能够完成正常作业。例如，学生在主界面中设置了加工类型，如选择加工外圆，经过手动对刀后，设置好主轴电机转速、进给速度、纵向进给长度和横向进给深度等参数，点击开始加工，控制系统开始模拟车床自动加工的进程，直到达到要求纵向进给长度进给完成为止。学生外圆加工界面如图1所示。

4 教学考核

整个项目分三个任务，机械设计、控制程序设计和人机交互界面设计。每个任务根据学生学习态度、完成效果和报告情况几个方面综合考核，每个老师可以根据具体任务的特点设置相应评分标准。每一项任务都有分级的目标，比如在控制程序设计方面，第一档为完成基本功能改造，第二档为加入插补算法，第三档为引入嵌入式系统控制。每一次课和每一个项目的考核结果及时反馈给学生，起到对教学质量的动态监控作用，以此帮助学生发现问题并纠正。

5 总结

两年来的教学效果显示，根据机电专业的培养目标，基于机床改造项目设置PLC的教学任务将机械理论和PLC控制有机结合起来，既与实际紧密结合调高学生的感性认识，又帮助学生对相关知识进行梳理和融通。在整个教学过程中，不但学生得到了综合锻炼，作为指导教师通过解决项目实施过程中学生遇到的各种问题也增强了自身的实践能力和科研能力。

参考文献：

[1]吴南.高职数控机床PLC技术课程“教学做合一”教学改革与项目设计[J].昆明冶金高等专科学校学报，2015，31（05）.

[2]张晓海.任务驱动法在PLC教学中的实践[J].实验技术与管理，2009，26（11）.

[3]魏玥.基于PLC的立式车床控制系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2014：33-38.