基于FESTO气动教学平台的CDIO教学实践.pdf

2 0 1 4年 5月 第 4 2卷 第 1 O期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS Ma v 2 0 1 4 V0 l _ 4 2 No ． 1 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 3 5 基于 F E S T O气动教学平台的 C D I O教学实践 任永 良，贾光政 ，王金 东，高胜 东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 1 6 3 3 1 8 摘要基于 C D I O的教育是培养团队精神、动手实践能力的一种先进教育理念。液压与气动课程是一门实践性较强的 课程，将 C D I O教育理念运用到液压与气动教学中，能取得显著的教学效果。运用德国 F E S T O公司的气动教学平台和液压 气动仿真软件 F l u i d S I M，建立了开放性的仿真实验系统，每个实验小组有 3～ 6名学生，利用该仿真实验系统，自由进行实 验设计并独立解决问题 ，从而达到 C D I O培养 目的。 关键词 F E S T O气动教学平台； C D I O教学实践；仿真 中图分类 号 T H1 3 8 ． 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 01 1 4 4 CDI o Te a c h i n g Pr a c t i c e Ba s e d O n FESTO Pne u ma t i c Te a c hi ng Pl a t f o r m R E N Yo n g l i a n g ，J I A Gu a n g z h e n g ，WANG J i n d o n g，G AO S h e n g Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， D a q i n g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e e d u c a t i o n b a s e d o n C DI O i s a n a d v a n c e d e d u c a t i o n i d e a ，wh i c h d e v e l o p s t e a m s p i rit a n d i mp r o v e s p r a c t i c a l a b i l i t y ． Hy d r a u l i c ＆ p n e u ma t i c i s a s o n g p r a c t i c a l c o u r s e ． R e ma r k a b l e e f f e c t c a n b e a c h i e v e d b y u s i n g t h e C DI O t h e o r y i n h y d r a u l i c p n e u ma t i c t e a c h i n g ． T h e o p e n i n g s i mu l a t i o n e x p e rime n t s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d t h r o u g h u s i n g G e r ma n F E S T O c o mp a n y ’ S p n e u ma t i c t e a c h i n g p l a tf o r m a n d h y d r a u l i c p n e u mati c s i mu l a t i o n s o f t wa r e - --F l u i d S I M．T h e e x p e rime n t a l t e a m wa s c o mp o s e d o f 36 s t u d e n t s ． Th e y c o u l d b e f r e e t o d e s i g n e x p e ri me n t s b y u s i n g t h e s i mu l a t i o n e x p e rime n t s y s t e m a n d s o l v e a l l p r o b l e ms i n d e p e n d e n t l y ．T h u s t h e CDI O t r a i n i n g g o a l i s a c hi e v e d． Ke y wo r d s F E S TO p n e u ma t i c t e a c h i n g p l a tf o rm ；C DI O t e a c h i n g p r a c t i c e； S i mu l a t i o n C D I O教学模式 是 目前 国际上 比较 先进 的工科 院 校教学理念 ，起源于麻省理工学 院和瑞典皇家工学 院 等 4 所大学历时4年的研究成果。它以产品研发到产 品运行的生命周期为载体 ，让学生具备能够主动应用 所学的综合知识来解决实践问题的能力，强调学生的 动手能力和团队协作精神的培养 ，这对解决我国 高等教育中普遍存在的问题如重理论轻实践、重学习 轻创新及缺乏协作精神等具有非常重要的意义。其教 育理念在欧美发达国家也得到普遍 的推崇 。C D I O 教学模式重点培养工程 技术人 而非研 究型人才 ，因此 适合于国内大部分工科院校工程类专业学生的培养。 某 校机械设计 制造及其 自动化 专业是教 育部 C D I O工 程教育模式改革试点专业 ，针对 C D I O教学要求 ，对 各门专业课程进行了相应的改革，减少理论课程，突 出实践和实验课程，重点培养学生协作及实验动手能 力 。 液压与气动是一门理论性和实践应用性都很强的 机械类专业课程 ，其所涉及到的知识和技术在国民经 济的各个部门均有体现。为配合 C D I O教学要求，将 该课程 的实验课 时增加 为 8学时 ，新购置 4套 F E S T O 气 动教学 平台 ，加上实验室原先 的液压试验 台 ，配合 F E S T O公司提供的液压与气动仿真软件 F l u i d S I M ， 创建了开放式的流体传动与控制实验室 ，供专业学生 在课上完成大纲要求的实验课题 ，课下则由学生根据 爱好 ， 3～ 6人 自由组成兴趣小组，自由设计实验内 容和实验方案 ，并进行实验操作。学生在实验过程 中，教师一般不参与其 中 ，遇到 问题学生 团队内部寻 找解决办法。在液压与气动课程 C D I O教学模式下， 学生成为实验教学活动的主角，教师成为辅助人员， 其作用仅限于保证实验安全、对实验台仪器进行维护 和提供必要的操作说明。 由于液压传动与气压传动都是依靠 流体来传递 动力和运动 ，因此具有很多相通点，两者 的很多控 制回路基本上是可通用的。相对于液压传动实验来 说 ，气压传动实验具有成本低 、无污染 、回路连接 快捷 、方便以及实验元器件体积较小、结构 紧凑等 优点 ，因此 ，在学生进行实验设计时 ，尽量先利用 液压与气动仿真软件 F l u i d S I M进行模拟 ，然后利用 气动试验台进行实际的管线连接实验 以验证模拟结 果 收稿 日期 2 0 1 3 0 41 8 ‘ 作者简介任永 良 1 9 7 3 一 ，男，博士，副教授，从事油田地面工程及流体传动控制研究。Em a i l r r r y y y l l l 1 2 6 ． c o n。 第 1 0期 任永良 等基于 F E S T O气动教学平台的 C D I O教学实践 1 1 5 1 实践举例 1 ． 1 带延 时功能的压力顺序 自动控制回路 实验原理如图 1 所示 ，目的主要使学生 了解压力 顺序阀和延时阀的工作原理以及在具体回路中的应 用、了解和掌握行程开关在控制回路中的应用。实验 所需元件有 气动二联件 1个 、机控二位三通 阀 2 个、气控二位五通阀 1 个、常闭式延时阀 1 个、压力 顺序阀 1 个、双作用气压缸 1 个、气源 1 个、分气站 1 个、气动连接管线若干 ，两机控阀开关作为双作用 气缸活塞杆的行程开关 ，分别 设置在 0和 1 0 0 m m行 程位置。打开气源开关后，气压缸活塞 自动伸出，达 到行程 1 0 0 m m后，触动行程开关 s 2 ，延时一定时间 后，换向阀切换，气缸活塞自动缩回，从而完成一个 工作周期 ；然后再 自动伸出、延时、回缩，周而复 始 。 元件 描 述 标 识 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 t l UU 双作 气缸 同 固 双作 用缸 5 O - 一 ～ l l I I I m m a 一r ●- ． } 延 时 阀 延 时 阀 1 n 1 _ }厂 可 压 力 表 2 ● 压 力 顺 序 阀 压 力 顺 序 闽 --_- 一m l 2 _ 二位 五 通 阀 延 时阀 2 l l 7 一 一 1 T 、 ■ T ，丁 压 力 表 1 S 1 2 广 ] 1 4 ＼ l I T 。 5 0 ％ 3 ， l 2 △ V 二 位 三 通 阀 1 二联 件 。 l l T． - T ＼ 3 l 2 l 圉 f } ＼ 二 位 三 通 J 图 1 带延时功能 的压力顺序 自动控制 回路 首先利用气动仿真软件 F l u i d S I M按照图 1 连接 换到右位从而控制双作用气缸活塞杆回缩。调整 s 1 、 气动元件 ，设定各元件的系统参数，运行仿真，仿真 S 2的位置，可 以控制气缸活塞的行程和切换频率； 结果如图 1 所示。通过该软件仿真，可检验管路连接 调整延时阀旋钮可以调整延时时间；调整压力顺序开 情况、逻辑设计情况及运行参数情况，供设计者参 关旋钮的设定压力 ，可以观测到压力顺序阀的开启时 考。通过软件仿真模拟无误后 ，在气动实验台上按照 间。 图 1 的原理连接气动回路，进行实际操作实验。 在 F e s t o 气动实验台上按照图 1 所示的元件连接 顺序，组装成回路，如图2 所示。按下气源开关 ，由 于气缸活塞杆处于行程开关 s 1 位置，与 s 1 相连的二 位三通阀自动调整到左位，使二位五通阀左位通气从 而控制双作用缸的伸出；在活塞杆伸出过程中，当进 气压力达到设定压力时，压力顺序阀被打开 ；当活塞 杆达到终点时，行程开关 s 2被打开，与其相连的二 位三通切换到左位，压力顺序阀接通，向延 时阀供 气，延时到设定时间，延时阀导通 ，使二位五通阀切 通过该气动试验回路的设计 、模拟及实际连接实 现，学生既达到了对理论知识的掌握，也增强了对实 践活动的认识。在实际操作过程中发现，学生掌握理 论只是比较快 ，经过简单培训就可以用 F l u i d S I M软 件模拟操作并进行实验设计 ，但在实验台上进行实际 回路连接时就容易犯很多毛病，总结如下 1 实验团队组员的参与度不够。每个实验团 队一般都具有很好的协作精神 ，组员都能积极参与设 计和解决问题 ，但是动手时总是只有 1 ～ 2个人参与， 其他人旁观，导致参与度不够。