一种基于贯穿式项目制的简易挖掘机设计与制作

2021-07-28姚佳黄有全

科技资讯 2021年10期

姚佳黄有全

摘要：贯穿式项目制教学是当今职业教育的发展趋势，该文以机电一体化专业为例，依照教学项目来源于企业又适用于教学的原则，设计了一种简易挖掘机。从整体设计思路、挖掘机机械部分设计、电气及控制程序设计方面介绍了挖掘机的开发和设计过程，并进行了实物制作，依托该项目开展了常规教学和国际培训等一系列教学活动。实践表明，该设计在培养学生动手能力、知识和技能的综合运用能力方面有很好的成效。

关键词：贯穿式项目制简易挖掘机机电一体化

中图分类号：TH132 文獻标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（a）-0077-05

A Design and Manufacture of a Simple Excavator Based on the Through Project System

YAO Jia HUANG Youquan

（Electronic and Information Engineering Department of Changsha Social Work College， Changsha， Hunan Province， 410004 China）

Abstract： Through project teaching is the development trend of vocational education. Taking Mechatronics as an example， according to the principle that teaching project comes from enterprise and is suitable for teaching， a simple excavator is designed. This paper introduces the development and design process of excavator from the aspects of overall design idea， mechanical part design of excavator， electrical and control program design， and makes physical production. Relying on the project， a series of teaching activities such as routine teaching and international training are carried out. The practice shows that the design is effective in cultivating students' hands-on ability， improving students' working ability and improving students' quality The comprehensive application of knowledge and skills has achieved good results.

Key Words： Through type;Project scheme;Simple excavator model;Mechatronics

当今社会，科技快速发展，各个领域都大量需要技能型的高素质人才，国家大力发展职业教育，推行产教融合、校企合作，企业对于学生综合能力的重视，急需教学方式和内容的改革，如何培养适应中国制造行业所需要的高素质综合性人才，是当今社会研究的热点。

国家职业教育改革实施方案提出了推动教学内容的改革，通过构建企业真实的案例、真实项目来激发学习者的学习兴趣和职业兴趣[1]。以往职业教育中存在重知识轻技能、重专业技能轻职业能力培养的问题，当今学科之间的界限已经不那么明显了，课程之间的知识和技能是联系紧密且相互交融的，而往往学生对专业课程之间的关联以及专业系统性的认知不足，导致学生被培养出来的能力与社会需求的脱节[2]，已无法适应传统制造业向智能制造产业的发展要求。因此，采用贯穿多门课程的项目制教学，以企业真实的案例来设计教学项目，培养具有项目整体制作能力和创新能力的人才，提高教学质量，具有很好的现实意义。

1 贯穿式项目制教学模式

现代职业教育广泛采用行动导向教学、项目制教学和基于工作过程的教学模式[3-4]，对于机电一体化这样典型的工科专业来说，培养学生的职业技能和素质是核心，而采用项目制教学则是其中一种很好的方式。

项目教学法在我国高等职业教育中已经被广泛使用，像机电一体化课程中的金属加工、电气控制技术、可编程控制技术等课程基本上都是采用项目制教学，每门课程设置多个由浅入深的项目，学生在项目中学习相应的知识和技能，培养职业素质[5-6]。当前的项目制教学存在以下几个问题：第一，项目都是针对单门课程来设计的，设计一个或多个综合的项目，将课程贯穿起来的做法很少;第二，项目不是来自企业真实的案例，没来自企业生产实际，无法激发学生的学习兴趣;第三，有的项目难度过大，内容上不可拓展，不太适用于教学。

贯穿式项目制是指设计一个或多个项目，将其应用到专业的核心课程之中的教学方式，我们通过企业调研并结合湖南省的优势产业工程机械作为出发点，选取了生活中常见的一个机电产品挖掘机来进行项目开发，在项目开发过程中本着适用于教学、提高学生兴趣的思想，最终设计了一个气动控制的简易挖掘机。下一节将详细介绍建议挖掘机涉及与制作的相关内容。

2 简易挖掘机设计与制作

2.1 设计思路

挖掘机按照驱动行走的方式不同可分为履带式挖掘机和轮式挖掘机，根据其常用的应用场景，该设计采用履带式挖掘机。根据其常用的传动控制方式，选择液压控制，但由于考虑教学实际，现阶段该挖掘机采用气动控制（气动控制和液压控制在此处的原理是类似的）。按驱动方式有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘机两种，根据机电专业对电气方面教学内容的要求，该挖掘机采用电力驱动。

该挖掘机主要由机身、手臂、挖斗、行走系统、控制系统、执行气缸等部分组成。具体的结构功能示意图如图1所示。整个装置由手持控制盒进行控制，可以控制简易挖掘机模型履带的行走、机械臂的伸出和缩回、挖斗的挖掘动作等，是一结合了机械、电气、控制等多门课程的综合项目。

2.2 机械结构设计

参考实际挖掘机的机械结构，将其进行简化设计，设计的挖掘机机械部分由12个基本零件组成，包括气缸支架、手臂支架、挖斗等。

将设计的各个零件进行装配，组成简易挖掘机的机械结构三维图，如图2所示。具体的零件清单见表1。

从表1中可以看出，设计的零件包括机械制图、机械测绘、机械加工等机械类核心课程，学生先对设计好的零件图进行识图，也可进行相应软件的画图，之后再进行加工，加工中涉及了钳工、车工、铣工等机械加工常见的技能的应用，且难度设计合理。在这个过程中，学生可以切身体会到课程之间的关联，机械识图和计算机绘图是后续机械加工的基础，识图是否正确会直接影响到后续加工项目的实施以及零件装配。该挖掘机机械部分设计可满足挖掘机基本动作要求，结构可靠合理，尺寸大小合适，制作成本低，适合于教学。

2.3 电气及控制程序设计

该简易挖掘机电气控制系统由微控制电路制作与调试、直流电机控制程序设计与调试、按钮摇杆控制挖掘机运行系统装调、摇杆控制挖掘机运行系统调试、气动系统控制运行与调试等模块组成。

该简易挖掘机控制系统的核心为微控制器芯片，由移动电源供电，由2台直流电机控制挖掘机的行走，通过按钮和摇杆两种方式控制气缸动作来实现挖掘机的各个动作，具有动作反应快、可靠度高的特点，在功能上还可以在液晶显示、红外探测等方面拓展。图3为挖掘机控制系统总体设计图。

2.3.1 微控制电路制作与调试

微控制器板采用模块式结构、线路连接实用插接方式，方便实验与项目开发。具备程序下载、在线调试功能，可以用于学习者进行学习项目训练、实用项目开发实验。

2.3.2 直流电机控制程序设计与调试

直流电机应用普遍，且控制方式多样，成本低，比较适用于教学，故该设计由2台直流电机控制挖掘机履带的前进、后退以及拐弯。微控制器控制直流电机控制接口电路见图4。

2.3.3 手持按钮盒设计与制作

该挖掘机由手持按钮盒来控制挖掘机的动作，有按钮和摇杆两种方式来独立控制，按钮可以实现单个动作的运行，摇杆可以实现连续动作，图5为挖掘机按钮盒接线图。

2.3.4 气动系统控制运行与调试

该挖掘机动作的执行元件为3个气缸，3个气缸分别控制大臂、中臂和挖斗臂的动作。3个气缸分别有一个二位五通换向阀来控制，通过节流阀来控制挖掘机动作的快慢。图6为气动控制系统图。

从以上的设计可以看出，挖掘机电气及控制程序设计部分是气液传动、电子技术、电气与PLC技术、单片机技术等课程知识和技能的结合，贯穿了电类的核心课程。综合机械和电气部分来看，该挖掘机项目融合贯穿了机电专业的主要核心课程，是一个综合的项目。