面向一周型大學(xué)生工程訓(xùn)練的方案設(shè)計與測試*

郭建文，陳勇志，蔡盛騰，吳 鵬，陳海彬

（東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

工程訓(xùn)練是大學(xué)生的一門主要的實(shí)踐課程，工程訓(xùn)練通常特指在機(jī)械工程范疇內(nèi)的數(shù)字化設(shè)計、零件加工、零部件集成、機(jī)電控制、整機(jī)檢測和產(chǎn)品應(yīng)用等方面的概念建立、通識認(rèn)知和技能提升的訓(xùn)練。傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練也習(xí)慣叫金工實(shí)習(xí)，即金屬加工工藝實(shí)習(xí)，是一門非常傳統(tǒng)的制造業(yè)門類，是工程訓(xùn)練的主要組成部分。工程訓(xùn)練肩負(fù)提升學(xué)生工程能力和工程素質(zhì)的重要任務(wù)[1－6]。目前，國內(nèi)大多數(shù)高校都在積極開展工程訓(xùn)練變革，如發(fā)掘工程訓(xùn)練資源、增加學(xué)生訓(xùn)練的時間、引進(jìn)高端精密尖端設(shè)備等，但在新時期的教育形勢下，工程訓(xùn)練課程仍存在一些問題丞待改革[7－11]。

（1）以舊觀念應(yīng)對工程訓(xùn)練課程。傳統(tǒng)工程訓(xùn)練接近于金工實(shí)習(xí)，課程以學(xué)習(xí)機(jī)械加工工藝為主，授課標(biāo)準(zhǔn)及考核標(biāo)準(zhǔn)以等機(jī)械加工課程為主。老師并未積極主動地從金工實(shí)習(xí)傳統(tǒng)觀念轉(zhuǎn)變過來，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)廣泛的工程知識的觀念和動機(jī)。

（2）以舊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置工程訓(xùn)練課程。以舊的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的傳統(tǒng)工程訓(xùn)練課程工種之間缺乏必要聯(lián)系，特別是傳統(tǒng)工種和現(xiàn)代制造技術(shù)之間、機(jī)械加工與控制工程之間、工業(yè)設(shè)計與制造環(huán)節(jié)之間缺乏聯(lián)系，使學(xué)生覺得各個工種之間沒有任何聯(lián)系。以舊的考核標(biāo)準(zhǔn)來評價工程訓(xùn)練教師工作和學(xué)生成績，容易出現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)僵化、教師更新課程知識熱情不足的問題，從而導(dǎo)致教師工程能力退化、學(xué)生實(shí)踐能力不扎實(shí)等結(jié)果。

（3）以舊環(huán)境開展工程訓(xùn)練課程。在傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練環(huán)境中遵循著學(xué)生按照指導(dǎo)教師提出的訓(xùn)練規(guī)范要求動手操作的原則，訓(xùn)練環(huán)境要求相對統(tǒng)一單調(diào)。但隨著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要的環(huán)境更加多樣性、具有制造過程完整流程的工程訓(xùn)練道場，傳統(tǒng)工程訓(xùn)練環(huán)境顯然無法適應(yīng)新背景下的工程訓(xùn)練課程要求[12]。

特別是在一周型大學(xué)生的工程訓(xùn)練現(xiàn)狀存在些需要改變的地方。

（1）工程訓(xùn)練的訓(xùn)練內(nèi)容不是一個機(jī)電產(chǎn)品分解出來的。各個環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置、加工和考核等銜接相對獨(dú)立、較為分散，容易造成學(xué)生對整體機(jī)電產(chǎn)品的概念缺失。

（2）工程訓(xùn)練的工種偏向機(jī)構(gòu)制造過程和金屬加工工藝。在不同程度上缺少工業(yè)設(shè)計、機(jī)電控制、整機(jī)調(diào)試、數(shù)據(jù)提取乃至數(shù)據(jù)應(yīng)用等內(nèi)容，沒有形成一個產(chǎn)品制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈的概念訓(xùn)練。

基于解決上述問題及提高訓(xùn)練效果的課程目標(biāo)，建設(shè)符合新時期的工程訓(xùn)練課程標(biāo)準(zhǔn)，為工程訓(xùn)練發(fā)展提供理論依據(jù)，建立完整的工程能力體系訓(xùn)練方案，建設(shè)大學(xué)生基礎(chǔ)工程能力、競賽能力、解決企業(yè)課題能力的提升路徑。因此，開展一種適用于本科學(xué)生一周工程訓(xùn)練課程改革的方案設(shè)計與實(shí)踐，對于提升大學(xué)生工程能力和工程素質(zhì)具有特別的現(xiàn)實(shí)意義。

1 方案設(shè)計的規(guī)則和內(nèi)容

（1）一個機(jī)電產(chǎn)品：所有工種所做零件來源于一個機(jī)電產(chǎn)品，所有訓(xùn)練環(huán)節(jié)圍繞著一個機(jī)電產(chǎn)品開展，最終所有環(huán)節(jié)的學(xué)生作品將組裝成為一個機(jī)電產(chǎn)品。據(jù)此，設(shè)計一套由步進(jìn)電機(jī)帶動、徑向跳動為主要檢測指標(biāo)的轉(zhuǎn)動主軸。

（2）學(xué)生人手一套：一周型工程訓(xùn)練設(shè)置6個工種，各個工種將盡量做到學(xué)生“人手一套設(shè)備”，確實(shí)設(shè)備不足的至少做到學(xué)生“人手一套作品”。據(jù)此，每位學(xué)生通過車工、鉗工、增材制造獲得3個非標(biāo)零件，通過機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)件工種獲得2個軸承、1個聯(lián)軸器和若干個螺栓，通過機(jī)電控制工種獲得了1套步進(jìn)電機(jī)控制程序及控制板，通過軟件繪圖工作獲得1套打印的零件圖紙和裝配體圖紙。

（3）先學(xué)經(jīng)典和基礎(chǔ)：注重最經(jīng)典的機(jī)械工程知識的采用和貫穿，遵循最基礎(chǔ)的工程訓(xùn)練技能的訓(xùn)練和漸進(jìn)。據(jù)此，涉及的機(jī)械工程的知識點(diǎn)主要有：軸與軸承孔的配合，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平動機(jī)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)準(zhǔn)件基本知識，徑向跳動值及其檢測方法等；涉及的加工技能主要有：回轉(zhuǎn)體的加工，螺旋線的加工，增材制造，鉗工裝配等。

（4）學(xué)習(xí)完整產(chǎn)業(yè)鏈：注重機(jī)電產(chǎn)品“從無到有”工程概念和觀念的建立，設(shè)置機(jī)電產(chǎn)品制造全流程的代表性工種，覆蓋設(shè)計繪圖、加工制造、裝配調(diào)試、機(jī)電控制和整機(jī)檢測等。

2 訓(xùn)練方案與作品檢測

2.1 訓(xùn)練方案

基于一個機(jī)電產(chǎn)品、人手一套、先學(xué)經(jīng)典和基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)完整產(chǎn)業(yè)鏈4項基本規(guī)則，綜合考慮了學(xué)生完成產(chǎn)品工作量和訓(xùn)練時間等要素，設(shè)計了一個主軸轉(zhuǎn)動平臺方案。該方案主要由下列零部件構(gòu)成：主軸，軸承與軸承座、底板、步進(jìn)電機(jī)、控制板、緊固螺栓及百分表等，如圖1所示。對應(yīng)訓(xùn)練的工種有：軟件繪圖、車工、增材制造、鉗工、電機(jī)控制編程、機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)件認(rèn)識6個工種。

圖1 設(shè)計方案

2.2 產(chǎn)品檢測

檢測主軸在徑向跳動范圍，即百分表跳動格數(shù)。主軸轉(zhuǎn)動100 r/min，表盤跳動范圍為±40格（即表盤一圈80格，每格為0.01 mm），超過一圈的以80格計。

成績計算公式：百分制成績＝100分－跳動格數(shù)/2，根據(jù)數(shù)據(jù)檢測規(guī)則和成績計算公式得出，學(xué)生只要完成產(chǎn)品加工裝配，成績將在60～100分之間分布。

工程訓(xùn)練方案在兩個專業(yè)的學(xué)生各自運(yùn)行一周，呈現(xiàn)的最終產(chǎn)品實(shí)物如圖2所示。

圖2 一周型工程訓(xùn)練產(chǎn)品實(shí)物

3 實(shí)踐效果

產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)如表1～2所示，其中表1為工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)，表2為電子工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)。

由表1數(shù)據(jù)可知，工業(yè)工程專業(yè)的105位學(xué)生產(chǎn)品平均跳動格數(shù)為23.5格，即徑向跳動精度為0.235 mm。由表2數(shù)據(jù)可知，電子工程專業(yè)128位學(xué)生產(chǎn)品平均跳動格數(shù)為19.9格，即徑向跳動精度為0.199 mm。

表1 工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)

表2 電子工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)

按學(xué)生序號分布的工業(yè)工程專業(yè)和電子工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)分別如圖3和圖4所示。由圖可知，按學(xué)生序號分布兩個專業(yè)學(xué)生一周工程訓(xùn)練的產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)在0～80格之間呈無序分布。

圖3 工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)

圖4 電子工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)

按升序分布的工業(yè)工程專業(yè)和電子工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品的檢測數(shù)據(jù)平均數(shù)為23.5格，其中55.2%學(xué)生作品集中在平均數(shù)以下，69.5%學(xué)生產(chǎn)品在30格以下，只有1個學(xué)生產(chǎn)品達(dá)到80格及以上。由圖6可知，電子工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品的檢測數(shù)據(jù)平均數(shù)為19.9格，其中64.8%學(xué)生產(chǎn)品集中在平均數(shù)以下，84.3%（即108位）學(xué)生產(chǎn)品在30格以下，只有5個學(xué)生產(chǎn)品達(dá)到80格及以上。

圖5 工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)（升序）

圖6 電子工程專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)（升序）

4 結(jié)束語

通過本次方案設(shè)計與測試結(jié)果可以看出，樣本數(shù)量128個的相對于105個的平均跳動值相對較小，說明了產(chǎn)品數(shù)量的提升對于成批產(chǎn)品的制造精度控制有提升作用和直接相關(guān)性；兩組數(shù)據(jù)在0～80格之間無序分布，說明了在分組訓(xùn)練和產(chǎn)品檢測中沒有存在太大的環(huán)境差異因素或人為影響因素影響，數(shù)據(jù)采集有效性和可信度較高，對于后續(xù)的產(chǎn)品生產(chǎn)、訓(xùn)練分組和質(zhì)量檢測的方案設(shè)計提供了數(shù)據(jù)和理論支持；兩組產(chǎn)品數(shù)據(jù)中平均數(shù)在30格以下的分別是69.5%和84.3%，相對集中在評價區(qū)間0～80格的前端，產(chǎn)品徑向跳動數(shù)據(jù)控制比較好，說明此次設(shè)計的方案對于大多數(shù)的學(xué)生而言相對適用，對于后續(xù)更為復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品和更為長時間的產(chǎn)品生產(chǎn)和工程訓(xùn)練方案提供了成熟的參考案例。