[1]Настоящее изобретение относится к области образования, более конкретно, к способам обучения с помощью обучающих устройств, а именно, технических средств для изучения структуры, принципов построения и основной элементной базы автоматических линий и мехатронных систем и контроля за обучением.
[2]Одной из современных отраслей промышленности является мехатроника - быстро развивающаяся наука, основанная на знаниях в областях механики, электроники и программных средств, что позволяет осуществить проектирование и производство качественно новых модулей, машин и систем с интеллектуальным управлением. Принцип мехатроники - синергия, когда результирующее действие является многократным взаимоусилением каждой из функций составных частей системы. Мехатроника наряду с робототехникой является одним из приоритетных научно-технических направлений в мире.
[3]Вместе с тем, ежегодно в нашей стране проводятся десятки социологических исследований, результаты которых сводятся к следующему: выпускники школ имеют недостаточное представление о своих возможностях, требованиях профессии и рынка труда. Родители и школа мало влияют на выбор выпускника, большинство учащихся определяют будущую профессию, опираясь на престижность той или иной работы, а не на требования рынка труда и интерес к ней работодателей.
[4]Изучение мехатроники поможет пробудить у старшеклассников интерес к инженерным специальностям, помочь определиться с будущей профессией, сформировать целостное представление о современной инженерной деятельности.
[5]Эффективность информационного взаимодействия в системе «учитель - ученик» зависит от выбора формы представления учебной информации и наличия технических средств обучения.
[6]Технические средства обучения - совокупность технических устройств с дидактическим обеспечением, применяемых в учебно-воспитательном процессе.
[7]Тренажерные технические средства - специализированные учебно-тренировочные устройства, которые предназначены для формирования первоначальных умений и навыков.
[8]К средствам обучения предъявляются разносторонние требования:
[9]Функциональные - способность технических средств обеспечивать необходимые режимы работы.
[10]Педагогические - соответствие возможностей технического средства тем формам и методам учебно-воспитательного процесса, которые согласуются с современными требованиями.
[11]Эргономические - удобство и безопасность эксплуатации; минимальное количество операций при подготовке и работе с устройством; удобство осмотра, ремонта, транспортирования.
[12]Эстетические - гармония формы (наглядное выражение назначения, масштаб, соразмерность); целостность композиции, товарный вид.
[13]Экономические - относительно невысокая стоимость при высоком качестве и долговечности технических средств.
[14]Качество подготовки обучающихся во многом определяется качеством учебных средств, используемых ими при обучении.
[15]Широко известны учебно-тренажерные стенды для изучения средств автоматизации - Патент РФ №2334967, 2008; Патент РФ №2473921, 2011, и т.п.; интерактивные учебные комплексы для создания интерактивных систем и комплексов для группового или индивидуального обучения детей или подготовки специалистов в любой области - Патент РФ №2494441, 2012; системы автоматизированного обучения базовым навыкам управления технологическими процессами - Патент РФ №229166, 2003, Патент РФ №2459228, 2011; тренажер для обучения - Troubleshooting Trainer фирмы Simulation Dynamics (США).
[16]Однако, все они представляют собой частные случаи выполнения отдельных устройств в виде схемных решений без указания на системность и не предназначены для изучения структуры, принципов построения и основной элементной базы автоматических линий и мехатронных систем.
[17]Известны способы обучения и контроля знаний обучаемых - Патент РФ №2396605, 2008 - обучающий проводит теоретические и практические занятия, при контроле усвоения информации используют дидактический инструментарий познания в виде комплекта из шести карточек. Оценку усвоения материала осуществляют по качеству составленных карточек комплекта и посредством опросника;
[18]- Патент РФ №2229166, 2003 - способ автоматизированного обучения базовым навыкам управления технологическими процессами, в котором оценку усвоения материала осуществляют путем экзамена.
[19]- Патент РФ №2294144, 2005 - способ обучения и диагностики обучаемости, в котором оценку усвоения материала осуществляют путем тестирования.
[20]Однако, все они не предназначены для изучения структуры, принципов построения и основной элементной базы автоматических линий и мехатронных систем.
[21]Известны учебные системы фирмы Фесто Дидактик (см. Каталог Festo Didactic Учебные системы, 2012 г, стр. 226, 228, 236, 254, 266, 272, 274, 280, в том числе и для обучения основам мехатроники, представляющие собой установленные на отдельных монтажных плитах функционально законченные станции для осуществления типовых механических движений (перемещение, кантование, сдвиг, транспортировка, прессование и т.п.), т.е. функций, присущих большинству промышленных автоматизированных мехатронных систем, с управлением каждой станции от логического программируемого контроллера.
[22]Каждая станция смонтирована на тележке и, в зависимости от учебных целей (стр. 280 Каталога), может быть осуществлено комбинирование отдельных станций в ту или иную схему.
[23]К недостаткам известных учебных систем фирмы Фесто Дидактик можно отнести следующее:
[24]- отсутствие возможности изучения структуры, принципов построения и основной элементной базы автоматических линий и мехатронных систем, поскольку известные учебные системы поставляются и комбинируются целыми станциями;
[25]- отсутствие возможности обучения в режиме «от простого к сложному», поскольку управление каждой станции сразу осуществляется от логического программируемого контроллера, возможность ручного управления отсутствует:
[26]- отсутствие возможности осуществления оценки теоретических знаний и практических навыков обучающихся;
[27]- отсутствие возможности закрепления навыков обучения при отсутствии визуального контроля за работой собранного комплекта;
[28]- отсутствие возможности массового использования известных обучающих систем для развития технической культуры учащихся как в учебных заведениях, гак и при повышении квалификации на производствах из-за высокой стоимости оборудования при невозможности компоновки требуемых схем поэлементно; обучающие системы поставляются станциями.
[29]Способ обучения основам мехатроники в известном источнике не описан. Технической проблемой, решаемой с помощью настоящего изобретения, является создание способа обучения и контроля обучения основам мехатроники с использованием комплекта учебного оборудования для монтажа, наладки и эксплуатации мехатронных систем, соответствующего формам и методам учебно-воспитательного процесса, которые согласуются с современными требованиями; способа, предназначенного для формирования первоначальных умений и навыков обучающихся; предназначенного для внедрения высоких профессиональных стандартов, для подготовки к проведению демонстрационного экзамена в системе профессионального обучения, национального и мирового чемпионатов рабочих профессий WorldSkills.
[30]WorldSkills International (WSI) - международная некоммерческая ассоциация, целью которой является популяризация рабочих профессий через проведение международных соревнований по всему миру. Единые правила проведения таких соревнований и состав оборудования подробно указан в документах WSI и вводится сегодня во ФГОС СПО (Федеральные государственные образовательные стандарты среднего профессионального образования) РФ и демонстрационный экзамен. Однако, на каком оборудовании и каким образом необходимо готовиться к таким соревнованиям является секретом каждого государства и не раскрывается в открытых источниках. Неудачи российской сборной в соревнованиях предыдущих лет во многом связаны с отсутствием недорогого современного и эффективного оборудования для подготовки учащихся к профессиональной деятельности. Это объясняет и неудовлетворенность промышленных предприятий качеством подготовки молодых выпускников, приходящих на предприятия после окончания профессиональных образовательных учреждений.
[31]Технической задачей изобретения является создание способа обучения и контроля учащихся основам мехатроники с использованием комплекта учебного оборудования для монтажа, наладки и эксплуатации мехатронных систем, имеющего цель:
[32]- ввести учащихся в область построения и проектирования мехатронных систем;
[33]- освоить моделирование процесса сборки и систематизации деталей;
[34]- научить учащихся работать с современным мехатронным оборудованием и одновременно осуществить оценку теоретических знаний и практических навыков учащихся;
[35]- сформировать у учащихся опыт программирования мехатронных систем;
[36]- и, таким образом, повысить качество и эффективность профессиональной подготовки учащихся.
[37]Для решения этой задачи предложен способ обучения и контроля учащихся основам мехатроники с использованием комплекта учебного оборудования для монтажа, наладки и эксплуатации мехатронных систем, содержащего монтажную плиту, выполненные с возможностью размещения на ней в одной монтажной плоское) и действующие модели промышленных механизмов с пневматическими и электрическими приводами, устройства ручного и автоматического управления, при этом устройство ручною управления имеет индикаторы, блок подготовки воздуха, датчики, вспомогательное оборудование и источники энергии, дидактический материал, а также съемное устройство для исключения визуального контроля за работой собранной мехатронной системы, включающий следующее:
[38]ознакомление учащихся со структурой, принципами построения и основной элементной базой автоматических линий и мехатронных систем, обучение монтажу и наладке собранных мехатронных систем,
[39]демонстрацию учащимся работы собранного комплекта с ручным управлением.
[40]практическое применение учащимися полученных знаний путем самостоятельного монтажа комплекта с ручным управлением и отработки навыков его эксплуатации при визуальном контроле за работой собранной мехатронной системы,
[41]отработка учащимися навыков эксплуатации комплекта с ручным управлением при отсутствии визуального контроля за работой собранной мехатронной системы по индикаторам на устройстве ручного управления,
[42]отработку учащимися навыков эксплуатации комплекта в автоматическом режиме,
[43]при этом, контроль обучения ведут по отсутствию или наличию ошибок, совершаемых учащимися во время эксплуатации комплекта учебного оборудования без визуального контроля за работой собранной мехатронной системы.
[44]Предпочтительно, что отсутствие визуального контроля за работой собранной мехатронной системы осуществляют путем использования съемного устройства для исключения визуального контроля, представляющего собой защитный экран или ширму.
[45]Предпочтительно, что в качестве действующих моделей промышленных механизмов с пневматическими и электрическими приводами используют механизм для упорядоченного хранения и поочередной выдачи деталей с последующей их транспортировкой и/или механизм с вакуумным захватом для перемещения деталей от одного механизма к другому и/или механизм для перемещения деталей от одною механизма к другому и для ориентации деталей в пространстве и/или ленточный конвейер, предназначенный для перемещения и сортировки поступающих на него деталей. Эти механизмы предназначены для выполнения типовых механических движений (перемещение, кантование, сдвиг, транспортировка, прессование и т.п.), т.е. функций, присущих большинству промышленных автоматизированных мехатронных систем. Примерный общий вид таких механизмов, а также блока подготовки воздуха приведены на фиг. 1 чертежей. Их действующие модели повторяют типовые конструкции промышленных устройств и их модификации известны, например, из приведенной ранее ссылки на Каталог Festo Didactic.
[46]Предлагаемый способ позволяет организовать обучения в режиме «от простого к сложному», одновременно провести оценку теоретических знаний и практических навыков обучающихся и практически исключает ошибки на стадии обучения; дает возможность закрепить навыки обучения, повысить качество и эффективность профессиональной подготовки.
[47]Ознакомление учащихся со структурой, принципами построения и основной элементной базой автоматических линий и мехатронных систем, обучение монтажу и наладке собранных мехатронных систем, и демонстрация работы собранною комплекта с ручным управлением позволяет учащимся получить необходимые знания и навыки работы с мехатронными системами.
[48]Практическое применение учащимися полученных знаний путем самостоятельного монтажа комплекта с ручным управлением и отработки навыков его эксплуатации при визуальном контроле за работой собранной мехатронной системы позволяет закрепить полученные знания и навыки.
[49]Отработка учащимися навыков эксплуатации комплекта с ручным управлением при отсутствии визуального контроля за работой собранной мехатронной системы по индикаторам на устройстве ручного управления и контроль обучения на этой стадии позволяет убедиться в том, что учащийся представляет себе всю картину управления мехатронной системой, понимает каждый шаг выполнения заложенного алгоритма ее работы. Такая тренировка позволяет учащемуся закрепить логические связи в управлении собранной системой и получить первый опыт наладки или поиска неисправности в удаленных или недоступных мехатронных системах, а обучающему - осуществить оценку приобретенных теоретических знаний и практических навыков учащихся.
[50]Отработка учащимися навыков эксплуатации комплекта в автоматическом режиме позволяет учащимся сформировать опыт программирования мехатронных систем.
[51]Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид комплекта учебного оборудования для монтажа, наладки и эксплуатации мехатронных систем; на фиг. 2, показано устройство ручного управления 6; на фиг. 3 показано устройство автоматического управления 7; на фиг. 4 показан вариант съемного устройства для исключения визуального контроля за работой собранной мехатронной системы в виде защитного экрана; такое устройство может быть выполнено в виде защитного экрана, или, например, настольной ширмы. Устройство может быть выполнено из любого подходящего для этой цели материала - ткани, дерева, пластмассы и т.п.; или выполнено любым другим подходящим для этого способом. Устройство может быть установлено на стойке или жестко укреплено на монтажной плите. На плоской поверхности устройства может быть нанесена любая учебная информация.
[52]на фиг. 5 - схема к Примеру реализации способа. Комплект может также содержать дидактический материал с лабораторными работами.
[53]Комплект учебного оборудования для монтажа, наладки и эксплуатации автоматических линий и мехатронных систем, как показано на фиг. 1, содержит монтажную плиту 1, действующие модели промышленных механизмов с пневматическими и электрическими приводами, представляющие собой:
[54]механизм для упорядоченного хранения и поочередной выдачи деталей с последующей их транспортировкой 2, механизм с вакуумным захватом для перемещения деталей от одного механизма к другому 3, механизм для перемещения деталей от одного механизма к другому и для ориентации деталей в пространстве 4, ленточный конвейер, предназначенный для перемещения и сортировки поступающих на него деталей 5, устройство ручного управления 6, устройство автоматического управления 7. блок подготовки воздуха 8, датчики (на чертеже не показаны), вспомогательное оборудование - приемные лотки 9, комплект кабелей с клеммами 10 для подключения к устройствам управления 6 или 7, комплект деталей 11, выполненных из различных материалов (например, пластмасса или металл) различной формы - цилиндр и стакан, как объектов для манипуляций и контроля положения детали, крепежные элементы 12 для монтажной плиты 1, источники энергии (на чертеже не показаны), специальный инструмент для работы (на чертеже не показан) и съемное устройство для исключения визуального контроля за работой собранной мехатронной системы, выполненный в виде ширмы 13.
[55]На фиг. 2 показано устройство ручного управления 6. Оно предназначено для визуального отображения информации о состоянии подключенного к нему механизма, а также для подачи на последний сигналов управления.
[56]Устройство ручного управления 6 имеет клеммы 14 для подключения датчиков, клеммы 15 для подключения механизмов, клеммы 16 для подключения мотор-редуктора (на чертеже не показан), тумблеры 17 подачи электрических управляющих сигналов, кнопку 18 включения устройства, индикаторы - светодиоды 19 и 20 - клеммы подключения к ним;
[57]Устройство ручного управления 6 имеет встроенный источник питания =24 В, который обеспечивает функционирование подключенных к нему датчиков, механизмов и мотор-редуктора.
[58]По состоянию индикаторов - светодиодов 19 можно определить, в каком положении находится тот или иной механизм. Подача команды на осуществление требуемого перемещения механизма производится переключением соответствующею тумблера 17. После выполнения рабочей операции новая комбинация активных индикаторов - светодиодов 19 будет соответствовать новому положению механизмов.
[59]На фиг. 3 показано устройство автоматического управления 7.
[60]В этом качестве может быть использован практически любой программируемый логический контроллер. Устройство имеет встроенный источник питания =24 В, который обеспечивает функционирование как самого контроллера, так и подключенных к нему датчиков, механизмов и мотор-редуктора.
[61]На фиг. 3 - 21 - клеммы для подключения датчиков, 22 - клеммы для подключения механизмов и мотор-редуктора, 23 - программируемый логический контроллер. 24 - кнопка «сеть».
[62]На фиг. 4 показан вариант съемного устройства для исключения визуального контроля за работой собранной мехатронной системой в виде защитного экрана 25.
[63]На фиг. 5 представлена схема к Примеру реализации способа, где 2 - механизм для упорядоченного хранения и поочередной выдачи деталей с последующей их транспортировкой, 1 - монтажная плита, 4 - механизм для перемещения деталей от одного механизма к другому и для ориентации деталей в пространстве, 9 - приемный лоток.
[64]Реализация предложенного способа включает следующие этапы:
[65]1 - подготовка к работе - формирует у учащихся позитивную мотивацию, содействующую обучению, и включает знакомство с задачами обучения и конечным результатом;
[66]2 - ознакомление учащихся со структурой, принципами построения и основной элементной базой автоматических линий и мехатронных систем, обучение монтажу и наладке собранных мехатронных систем осуществляют посредством лекции или беседы или самостоятельного знакомства с дидактическим материалом;
[67]3 - перед демонстрацией работы собранного комплекта с ручным управлением обучающий осуществляет его сборку:
[68]- перед началом работы с комплектом формулируют задание по выполнению той или иной технологической операции, а также выбирают механизмы и устройства, на базе которых может быть реализовано решение;
[69]- затем устанавливают и закрепляют на монтажной плите 1 блок подготовки воздуха 8, один или несколько действующих моделей промышленных механизмов, принцип действия которых будет изучаться, приемные лотки 9, устройство ручного управления 6, подключают блок подготовки воздуха 8 к источнику энергии, подключают каждый промышленный механизм к блоку подготовки воздуха 8, устанавливают датчики положения на выбранных моделях промышленных механизмов, подключают датчики и каждый механизм к устройству ручного управления 6 и загружают детали 11. Устройство ручного управления 6 подключают к однофазной сети.
[70]- таким образом осуществляют монтаж комплекта для обучения в ручном режиме;
[71]4 - осуществляют наладку и проверку собранного комплекта и демонстрируют учащимся работу собранного комплекта с ручным управлением;
[72]5 - затем учащиеся самостоятельного осуществляют монтаж комплекта с ручным управлением и отрабатывают навыки его эксплуатации при визуальном контроле за работой собранной мехатронной системы,
[73]6 - между собранным комплектом учебного оборудования и устройством ручног о управления учащиеся устанавливают съемное устройство для исключения визуального контроля за работой собранной мехатронной системы в виде защитного экрана, как показано на фиг. 4 или ширмы 13, как показано на фиг. 1;
[74]7 - затем учащиеся отрабатывают навыки эксплуатации комплекта с ручным управлением при отсутствии визуального контроля за работой собранной мехатронной системы по индикаторам на устройстве ручного управления 6 при фиксации обучающим допущенных учащимися ошибок;
[75]8 - для сборки и монтажа комплекта при обучении программным способом в качестве устройства управления 7 учащиеся используют программируемый логический контроллер 22, подключив к его входам и выходам соответствующие кабели;
[76]9 - на основании составленного алгоритма работы выбранной технологической линии учащиеся пишут программу управления собранной модели мехатронной системы для программируемого логического контроллера 23;
[77]10 - затем учащиеся осуществляют наладку и проверку собранного комплекта и отрабатывают навыки эксплуатации комплекта в автоматическом режиме;
[78]11 - при этом, контроль обучения ведут по отсутствию или наличию ошибок, совершаемых учащимися во время эксплуатации комплекта учебного оборудования без визуального контроля за работой собранной мехатронной системы.
[79]Пример реализации способа согласно схеме на фиг. 5.
[80]Группу учащихся знакомят с постановкой задачи - описанием технологической операции, выполнение которой следует реализовать с помощью комплекта;
[81]Например: обеспечить перемещение деталей из механизма для упорядоченного хранения и поочередной выдачи деталей с последующей их транспортировкой 2 в приемный лоток 9 с помощью механизма для перемещения деталей от одного механизма к другому и для ориентации деталей в пространстве 4.
[82]- выбирают модель технологической линии, реализующую заданную операцию - детали с приемного стола механизма 2 захватываются губками захвата механизма для перемещения деталей 4, и перемещаются в приемный лоток 9,
[83]- составляют описание алгоритма работы линии:
[84]Шаг 1 - выдвижение захвата механизма 4 к детали 11 на приемном столе механизма 2.
[85]Шаг 2 - сжатие детали 11 губками захвата механизма 4.
[86]Шаг 3 - возвратное движение захвата механизма 4 с деталью 11 в губках захвата к исходному положению;
[87]Шаг 4 - отпускание захватом механизма 4 детали 11 и ее падение в приемный лоток 9.
[88]- выбирают перечень объектов управления, входящих в состав модели.
[90]- пневматический двигатель выдвижения захвата с губками механизма для перемещения деталей 4;
[92]- пневматический двигатель толкателя деталей механизма 2 не задействуют.
[93]Практическая реализации поставленной задачи состоит из следующих этапов:
[94]- осуществляют монтаж на монтажной плите 1 устройств, входящих в состав модели технологической линии;
[95]- подсоединяют устройство ручного управления 6;
[96]- проверяют работоспособность собранной модели с управлением от устройства ручного управления 6 и правильность срабатывания индикаторов - светодиодов 19;
[97]- осуществляют работу собранной модели с управлением от устройства ручного управления 6 при визуальном контроле за движением детали на собранной модели и закрепление навыков;
[98]- устанавливают защитный экран 25 между собранной моделью комплекта учебного оборудования и устройством ручного управления 6, закрывающим собранную линию:
[99]- отрабатывают навыки управления собранной линией по индикаторам - светодиодам 19 на пульте ручного управления 6 при отсутствии визуального контроля за движением детали;
[100]- заменяют устройство ручного управления 6 устройством автоматического управления 7;
[101]- составляют блок-схему алгоритма работы собранной модели; осуществляют программирование устройства автоматического управления 8, проверку и отладку его работы:
[102]- осуществляют работу собранной модели с управлением от устройства автоматического управления 8 и закрепляют приобретенные навыки;
[103]- при этом, контроль обучения ведут по отсутствию или наличию ошибок, совершаемых учащимися во время эксплуатации комплекта учебного оборудования без визуального контроля за работой собранной мехатронной системы.
[104]После завершения обучения целесообразно повторить весь путь обучения на более высоком уровне. Начать следует с постановки более сложной новой задачи, где объектами управления будут 3 и более механизмов. При этом целесообразно закрепить за каждым учащимся свое устройство и обеспечить синхронизацию работы усложненной схемы с управлением от нескольких пультов ручного управления сразу несколькими учащимися.
[105]Это позволит выработать командный дух работы с учетом особенностей работы товарищей, управляющих работой своих устройств с соседнего пульта. В случае успешного освоения управлением работой комплексного мехатронного устройства учащимся следует поменяться пультами управления и попробовать себя в работе с новой последовательностью команд.
[106]При этом учащиеся приходят к глубокому пониманию конструктивных особенностей как механических - пневматических и электрических приводов, так и электронных - датчики и системы управления - устройств, условий их монтажа и взаимовлияния при работе в автоматизированной системе.
[107]Понимание процесса и управление в ручном режиме мехатронными системами без визуального контроля за выполнением операций только по сигналам индикаторов позволяет учащимся получить первый опыт наладки и поиска неисправности в удаленных или недоступных мехатронных системах.
[108]Возможность использования и комбинирования различного количества механизмов для совместной работы значительно расширяет перечень лабораторно-практических работ и задач при проведении демонстрационного экзамена по мехатронике и автоматике без расширения лабораторной базы учебного заведения.
[109]Таким образом, предлагаемый способ обучения и контроля с использование комплекта учебного оборудования для монтажа, наладки и эксплуатации мехатронных систем соответствует формам и методам учебно-воспитательного процесса, которые согласуются с современными требованиями к таким обучающим устройствам, предназначен для формирования первоначальных умений и навыков обучающихся при относительно невысокой стоимости комплекта, при его высоком качестве и долговечности. Способ предназначен для внедрения высоких профессиональных стандартов; для подготовки к проведению демонстрационного экзамена в системе профессионального обучения, проведению национального и мирового чемпионатов рабочих профессий WorldSkills.
