應(yīng)用型機(jī)械工程數(shù)字化實驗室建設(shè)研究與實踐

李夢奇，李冬英，王　斌

（邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽　422004）

應(yīng)用型機(jī)械工程數(shù)字化實驗室建設(shè)研究與實踐

李夢奇，李冬英，王斌

（邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽422004）

計算機(jī)深入融合到現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)和銷售的每個環(huán)節(jié)，對高校本科畢業(yè)生的信息化素養(yǎng)提出了新的要求，數(shù)字化實驗教學(xué)成為應(yīng)對手段。針對機(jī)械工程專業(yè)存在實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計不夠、設(shè)備孤島現(xiàn)象、落后工業(yè)需求等問題，提出“系統(tǒng)性、集成性、先進(jìn)性、實用性”的實驗室建設(shè)指導(dǎo)思想，分?jǐn)?shù)字化平臺、信息數(shù)字化、數(shù)字信息分析、信息集成應(yīng)用4個分室建設(shè)機(jī)械工程數(shù)字化實驗室、實驗教學(xué)體系和實驗項目，分析了各實驗項目的信息教學(xué)目標(biāo)，提出實驗室建設(shè)和實驗項目建設(shè)路徑，為實驗室建設(shè)和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量提供依據(jù)。

數(shù)字化實驗室；機(jī)械工程；實驗教學(xué)

20世紀(jì)末，工業(yè)企業(yè)廣泛、深入地利用計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實現(xiàn)研發(fā)、計劃、組織、生產(chǎn)、協(xié)調(diào)、銷售、服務(wù)、創(chuàng)新等活動的數(shù)字化，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和制造的升級換代，力求將企業(yè)內(nèi)部的所有要素、模塊和結(jié)果實現(xiàn)數(shù)字化，如消費需求、購買心態(tài)、消費模式、購買方式、產(chǎn)品的定位、特征、性能、生產(chǎn)、品質(zhì)、周期、及服務(wù)等。提高現(xiàn)代大學(xué)生包括數(shù)字化信息獲得、分析、處理、應(yīng)用能力的數(shù)字化能力成為現(xiàn)代教育的一個核心內(nèi)容，對于機(jī)械工程領(lǐng)域本科生而言，由于現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)過程普遍實現(xiàn)數(shù)字化，在校期間進(jìn)行數(shù)字化素養(yǎng)的提升是滿足現(xiàn)代企業(yè)需求人才必須完成的工作，數(shù)字化實驗是有效提高大學(xué)生數(shù)字化、信息化素養(yǎng)的有效手段。

1　問題的提出

在中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金、高?；瘋鶎ｍ椦a(bǔ)助資金、生均撥款1.2萬元中央財政“以獎代補(bǔ)”機(jī)制的支持下，高等院校在實驗室建設(shè)方面投入了大量經(jīng)費，教學(xué)科研儀器設(shè)備總值從2010年的2279億到2015年的4058.6億元，年均增長超過11%，6年時間幾乎翻了一番。但是對于多數(shù)地方高校而言，經(jīng)費還不是很充裕，在一定程度上存在專業(yè)實驗配套不齊全、實驗設(shè)備臺套數(shù)少、綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗比例等問題，不能充分滿足教學(xué)的要求，離培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才還有一定差距。在機(jī)械工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)中，還存在系統(tǒng)設(shè)計不夠、設(shè)備孤島現(xiàn)象、落后工業(yè)需求等問題。

（1）系統(tǒng)設(shè)計不夠，數(shù)字化實驗沒有覆蓋教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高級應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求高校不僅開設(shè)驗證性、演示型實驗，更要開設(shè)對學(xué)科內(nèi)各實驗，學(xué)科間各實驗進(jìn)行集成的“三性”實驗，同時需要實現(xiàn)實驗室的運行和管理一體化。

（2）數(shù)字化設(shè)備獨立成島，沒有連接和集成。教學(xué)過程采用多種數(shù)字化設(shè)備，設(shè)計階段有AutoCAD、Por/e、UG軟件等，制造過程有數(shù)控設(shè)備，電子與控制更是機(jī)電一體化系統(tǒng)，但都相對獨立，教學(xué)是分離的，形成“孤島現(xiàn)象”。影響學(xué)生的專業(yè)視野和學(xué)識深度，進(jìn)而影響到教學(xué)質(zhì)量。

（3）設(shè)備水平遠(yuǎn)落后于工業(yè)企業(yè)水平，達(dá)不到模擬工業(yè)環(huán)境效果。機(jī)械實驗室實驗設(shè)備數(shù)量與質(zhì)量的明顯差距已成為影響實驗教學(xué)質(zhì)量的重要因素，以致教學(xué)改革所取得的教學(xué)科研成果無法及時地推廣到教學(xué)和實驗中，并導(dǎo)致機(jī)械類專業(yè)的實驗教學(xué)改革工作無法進(jìn)一步深化。

實驗室建設(shè)是貫徹落實高級復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)的必然要求，同時也是滿足教師與學(xué)生科研對實驗設(shè)備的需求，對從根本上保證教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)教學(xué)改革成果的全面推廣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力、服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)都具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2　建設(shè)思想和思路

機(jī)械工程應(yīng)用型人才應(yīng)該具備較強(qiáng)的工程實踐能力、合理的知識結(jié)構(gòu)和一定的理論基礎(chǔ)，能運用規(guī)范的工程語言及利用各種技術(shù)資源解決工程問題的能力。

2.1實驗室建設(shè)思想

（1）系統(tǒng)性：建立基于數(shù)字化集成的專業(yè)認(rèn)識、專業(yè)實驗、專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計需求的完整實踐教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可以得到全面、系統(tǒng)的訓(xùn)練，滿足人才培養(yǎng)的要求。

（2）集成性：采用綜合性的同一實驗設(shè)備實現(xiàn)多個實驗教學(xué)項目教學(xué)，將不同課程中具有相近要求的實驗項目通過集成整合的方式組織教學(xué)。

（3）先進(jìn)性：關(guān)鍵設(shè)備5年內(nèi)不落后。

（4）實用性：滿足現(xiàn)階段學(xué)生的基本實驗需求，提高學(xué)生的數(shù)字化素養(yǎng)、數(shù)字化能力，同時實驗室建設(shè)適應(yīng)目前和將來教學(xué)改革的形勢，為新的教學(xué)改革體系創(chuàng)造堅實的實驗基礎(chǔ)。

2.2實驗室建設(shè)思路

以結(jié)構(gòu)尺寸、材料信息、電信號、液壓流體、能源轉(zhuǎn)換作為對象，實現(xiàn)其信息數(shù)字化獲取、分析、處理、集成、應(yīng)用，形成一個完整工程系統(tǒng)。不同專業(yè)人才培養(yǎng)的著重點不同。各專業(yè)學(xué)生都能在學(xué)習(xí)單元知識的同時明確其用途，基于系統(tǒng)角度進(jìn)行知識的學(xué)習(xí)，使學(xué)生始終面向工程系統(tǒng)環(huán)境，從而提高學(xué)生真正解決工程問題的能力。

根據(jù)信息數(shù)字化獲取、分析、處理、集成、應(yīng)用過程，機(jī)械工程數(shù)字化實驗室建設(shè)分成：數(shù)字化平臺、信息數(shù)字化、數(shù)字信息分析、信息集成應(yīng)用4個分室，各分室在系統(tǒng)中的作用如圖1所示。

圖1　機(jī)械工程數(shù)字化集成實驗室

3　數(shù)字化實驗教學(xué)體系

3.1數(shù)字化平臺分室

以AutoCAD、SolidWorks、DelCAM、CAPPWORKS等為工具，實現(xiàn)從報價到獲得產(chǎn)品訂單的流程。從訂單開始，啟動報價流程，實現(xiàn)銷售與設(shè)計人員的協(xié)同，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計流程。通過設(shè)計主管、項目經(jīng)理、設(shè)計人員的角色分工以及設(shè)計、校對、審核、批準(zhǔn)直至歸檔的流程管理，體現(xiàn)出產(chǎn)品從概念設(shè)計、三維建模設(shè)計、有限元分析、二維工程圖等各個環(huán)節(jié)。

實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝設(shè)計流程。從定義工藝模板開始，完成機(jī)加工、數(shù)控加工等工藝的編制與工藝流程的管理，以及生產(chǎn)過程需要的派工單、檢驗卡的定義與使用，統(tǒng)計各種工藝數(shù)據(jù)。在實驗室機(jī)房里面，通過建立數(shù)字化設(shè)計平臺、數(shù)字化工藝平臺、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)制造平臺和數(shù)字化管理平臺，使學(xué)生體驗企業(yè)產(chǎn)品的整個生命周期的過程。將數(shù)控設(shè)備與機(jī)房、理論課程與實踐課程進(jìn)行有機(jī)融合，將企業(yè)一整套繪圖、工藝、加工生產(chǎn)流程平移到學(xué)校中來，滿足“工作過程的項目式教學(xué)”課程建設(shè)要求。

3.2數(shù)字化平臺

（1）工程測繪與制圖。通過實驗，使得學(xué)生將所學(xué)理論和生產(chǎn)實踐結(jié)合起來、學(xué)與畫結(jié)合起來，牢固地掌握制圖知識，提高繪制機(jī)械圖樣的基本技能。學(xué)生在教師指導(dǎo)下搞清所測繪部件的工作原理，懂得各零件的作用以及各零件間的裝配聯(lián)結(jié)關(guān)系，掌握測量工具的使用方法、準(zhǔn)確測定尺寸，獨立完成減速器的測繪，繪制該部件的裝配圖和零件圖。培養(yǎng)學(xué)生綜合運用工程圖學(xué)理論，結(jié)合實際機(jī)件繪制標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械圖樣的能力，并使所學(xué)知識得到進(jìn)一步的鞏固和深化；通過訓(xùn)練進(jìn)一步養(yǎng)成認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)和規(guī)范的制圖習(xí)慣，并且通過測繪培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，掌握相關(guān)分析問題和解決問題的基本方法。

（2）三坐標(biāo)測量實驗。通過三坐標(biāo)測量機(jī)這種柔性的通用測量儀器，實現(xiàn)各種精度量的測量。使學(xué)生了解三坐標(biāo)測量儀的結(jié)構(gòu)，掌握三坐標(biāo)測量儀的使用方法。通過幾何量測量，培養(yǎng)學(xué)生分析和研究誤差補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>

（3）組合變形測量及非接觸式應(yīng)變測量。綜合性力學(xué)實驗是在深入理解力學(xué)基本概念、了解力學(xué)實驗基礎(chǔ)、培養(yǎng)學(xué)生基本力學(xué)的基本實驗基礎(chǔ)上，強(qiáng)化分析力學(xué)機(jī)理和解決力學(xué)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程觀點，提高學(xué)生動手能力。與工程實踐相結(jié)合，可由學(xué)生根據(jù)問題的性質(zhì)綜合運用所學(xué)知識，自行設(shè)計實驗方案。

3.3數(shù)據(jù)分析分室

（1）金相分析。通過金屬材料組織結(jié)構(gòu)分析實驗使學(xué)生較熟練地掌握金屬材料組織結(jié)構(gòu)的分析方法，掌握金屬材料結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律，能進(jìn)行常用材料的金相組織結(jié)構(gòu)分析，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。

（2）XRD分析。學(xué)習(xí)X射線衍射儀結(jié)構(gòu)和工作原理、物相定性分析的方法和步驟，了解X射線衍射物相定量分析的原理和方法、精確測定晶胞參數(shù)的方法；應(yīng)用公式求粉末多晶的平均粒徑；并能根據(jù)給定實驗樣品，設(shè)計實驗方案，做出正確分析鑒定結(jié)果。

（3）三維形貌精密測量及數(shù)據(jù)處理。基于三維非接觸式表面形貌儀測得的表面形貌數(shù)據(jù)實現(xiàn)零件表面形位公差，一維、二維線粗糙度參數(shù)，樣品的波紋度、功率譜密度，孔深，孔寬，孔面積、孔體積，臺階高度，二維高度曲線分布圖，二維等高線分布圖，三維表面形貌，表面高度分層統(tǒng)計，自相關(guān)統(tǒng)計等表面參數(shù)的測量。

（4）有限元分析實驗。通過有限元分析相關(guān)軟件使用，掌握解決現(xiàn)代工程問題有效工具的有限元基礎(chǔ)知識和軟件的基本使用方法、程序結(jié)構(gòu)，理解整個求解過程的內(nèi)部聯(lián)系，進(jìn)而掌握有限元軟件使用方法，包括建模、網(wǎng)格劃分、施加載荷、求解等以及一些高級分析方法，如非線性靜力分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)動力分析、模態(tài)分析等，能夠?qū)σ恍┏Ｒ姷墓こ虇栴}進(jìn)行系統(tǒng)的分析和計算。

（5）液壓仿真技術(shù)實驗。掌握測試液壓泵性能的基本方法，通過對液壓泵性能的測試與分析，加深對液壓泵工作原理的理解，了解液壓泵的結(jié)構(gòu)，掌握液壓泵的主要性能參數(shù)及相互關(guān)系。利用全功能液壓性能測試與智能仿真控制系統(tǒng)，進(jìn)行各種液壓系統(tǒng)仿真設(shè)計實驗、各種液壓系統(tǒng)性能仿真研究，對各類液壓泵的各種靜、動態(tài)性能進(jìn)行測試，認(rèn)識液壓泵結(jié)構(gòu)、工作原理，掌握液壓泵性能測試的步驟和操作方法。

3.4集成應(yīng)用分室

（1）逆向工程實驗。了解逆向工程的基本原理與操作方法，比較正向工程與逆向工程的差異。了解理論基礎(chǔ)與軟硬件操作；針對現(xiàn)有樣品或模型，利用3D數(shù)字化量測儀器，準(zhǔn)確及快速的將輪廓坐標(biāo)量得，并加以建構(gòu)曲面、編輯、修改后，傳至一般的CAD/CAM系統(tǒng)，再產(chǎn)生刀具的NC加工路徑送至CNC加工機(jī)制作，或送到快速成型機(jī)制作樣品模型。

（2）機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計實驗。進(jìn)行系統(tǒng)仿真設(shè)計、機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能部件和精度測量、誤差補(bǔ)償實驗、交流伺服電機(jī)控制方式及伺服驅(qū)動原理及特性實驗、機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測元件及核心運動控制器的應(yīng)用實驗、機(jī)電一體化系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器應(yīng)用實驗。

（3）模塊化多結(jié)構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人實驗。利用模塊化并聯(lián)機(jī)器人及配套軟硬件，認(rèn)識各種機(jī)器人常用機(jī)構(gòu)的組成及工作原理；學(xué)會各種機(jī)器人軟硬件使用方法；掌握機(jī)器人的性能與參數(shù)測定。

（4）機(jī)電液系統(tǒng)綜合性能測試。讓學(xué)生全面掌握機(jī)電液系統(tǒng)動態(tài)測試數(shù)據(jù)采集、處理和分析的技術(shù)，掌握機(jī)電液伺服和電液比例兩種控制方式特征，掌握PID調(diào)節(jié)和模糊控制在電液系統(tǒng)中的應(yīng)用原理、伺服閥性能測試、PID電液控制、機(jī)電液伺服系統(tǒng)模糊控制、機(jī)電液伺服系統(tǒng)頻率、機(jī)電液伺服系統(tǒng)時域響應(yīng)。

（5）機(jī)電液集成耦合。各種機(jī)電液集成系統(tǒng)仿真分析設(shè)計實驗、各種機(jī)電液集成系統(tǒng)性能仿真研究，掌握多體系統(tǒng)動力學(xué)的建模方法，各種機(jī)電液集成系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計實驗?；诙囿w系統(tǒng)動力學(xué)的多體系統(tǒng)建立運動學(xué)力學(xué)模型，進(jìn)行合理的試驗設(shè)計，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化前后的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。

4　實驗室建設(shè)路徑

數(shù)字化實驗室建設(shè)從基礎(chǔ)平臺開始、根據(jù)培養(yǎng)方案中的實驗項目開設(shè)時間和面向?qū)I(yè)及覆蓋學(xué)生數(shù)確定建設(shè)先后順序。從基本的二維、三維軟件開始，逐步推進(jìn)信息技術(shù)與專業(yè)教學(xué)的融合，然后再進(jìn)行集成實驗設(shè)備與項目的建設(shè)。實驗室建設(shè)路徑如圖2所示。

圖2　數(shù)字化實驗室建設(shè)路徑圖

5　結(jié)語

針對機(jī)械工程本科畢業(yè)生信息化能力和專業(yè)能力培養(yǎng)過程中存在的系統(tǒng)設(shè)計不夠、設(shè)備孤島、落后工業(yè)需求的問題，以“系統(tǒng)性、集成性、先進(jìn)性、實用性”作為實驗室建設(shè)指導(dǎo)思想，根據(jù)信息數(shù)字化獲取、分析、處理、集成、應(yīng)用過程，分?jǐn)?shù)字化平臺、信息數(shù)字化、數(shù)字信息分析、信息集成應(yīng)用4個分室建設(shè)。數(shù)字化平臺包括設(shè)計、工藝、制造、管理的基本平臺建設(shè)；信息數(shù)字化包括測繪與制圖、三坐標(biāo)測量、組合變形測量及非接觸式應(yīng)變測量實驗設(shè)備和項目建設(shè)；數(shù)據(jù)分析包括金相分析、XRD分析、三維形貌精密測量及數(shù)據(jù)處理、有限元分析、液壓仿真技術(shù)等實驗設(shè)備和項目建設(shè)；集成應(yīng)用包括逆向工程、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計、塊化多結(jié)構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人、機(jī)電液系統(tǒng)綜合性能測試、機(jī)電液集成耦合實驗設(shè)備和項目建設(shè)。提出從基礎(chǔ)平臺開始到集成實驗設(shè)備與項目的建設(shè)實驗室建設(shè)路徑圖，為實驗室建設(shè)和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量提供依據(jù)。

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Research and Practice of App lied Digital Laboratory for M echanical Engineering

LI Meng-qi，LI Dong-ying，WANG Bin

（Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China）

That every aspect of enterprise production and marketing was integrated by computer and its application proposed new requirements for university graduates in information literacy.The digital experimental teaching is a possible solution for that. experimental teaching system of mechanical engineering professional exist the problems of incomplete system design，equipment island phenomenon，behind industrial demand and others.The paper proposed laboratory construction guiding ideology of systematic，integrated，advanced，practical，and constructed mechanical engineering digital laboratory，experimental teaching system，and experimental projects with four compartments of digital platforms，digital information，digital information analysis，and information integration applications，and analysis the information teaching objectives of every experiment project，and proposed the construction path of experiment laboratory and experiment project.That provides evidences for the laboratory construction and to improve the quality of personnel training.

digital laboratory；mechanical engineering；experimental teaching

TH-4

A

2095-980X（2016）09-0104-03

2016-08-02

邵陽學(xué)院教學(xué)改革項目（2016JG34）

李夢奇（1977-），男，博士，副教授，主要研究方向：機(jī)械工程及自動化的研究與教學(xué)。