“材料成形設(shè)備與控制”課程改革
——面向新工科建設(shè)與通識教育的教學改革探索

王小松，王東君，曹福洋，王克環(huán)，劉 鋼

（哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

引言

“材料成形設(shè)備與控制”課程是材料成形與控制專業(yè)的核心課程，現(xiàn)有“材料成形設(shè)備與控制”課程嚴格按照專業(yè)門類授課。以塑性成形設(shè)備為例，主要講述液壓機、曲柄壓力機、螺旋壓力機、鍛錘等常見塑性成形設(shè)備，每種設(shè)備的內(nèi)容是獨立的，基本覆蓋現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)中常見的材料成形設(shè)備。其優(yōu)點是學生對每類設(shè)備的知識均掌握得較細較好，在傳統(tǒng)工科要求細分門類的背景下，培養(yǎng)的畢業(yè)生進入企業(yè)后可以較快掌握設(shè)備操作，符合企業(yè)實際需要。筆者調(diào)查了國內(nèi)開設(shè)“材料成形設(shè)備與控制”課程的5所“雙一流”知名高校，目前均仍在按照設(shè)備門類進行課堂教學。

一、課程教學現(xiàn)狀

傳統(tǒng)教學模式難以滿足通識教育與新工科建設(shè)培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的要求，具體表現(xiàn)在以下兩方面。

第一，通識教育人才培養(yǎng)模式下，專業(yè)課課時被大幅壓縮，學生難以在課堂上獲得不同種類成形設(shè)備的詳細知識。在通識教育人才培養(yǎng)模式下，“材料成形設(shè)備與控制”課程總學時被壓縮至32學時，沒有足夠的課時詳細講述多種設(shè)備的工作原理、機械結(jié)構(gòu)、動作等細節(jié)，只能簡單介紹設(shè)備基本原理，無法深入細致講授各種設(shè)備的原理與特點，學生無法掌握各類設(shè)備的特點。

第二，在信息與計算機控制技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，課程內(nèi)容仍以設(shè)備機械結(jié)構(gòu)與傳動為主，內(nèi)容陳舊，學生未能學習先進高端材料成形設(shè)備的核心工作原理。近30年來，材料成形設(shè)備的進步主要體現(xiàn)在依靠先進的計算機與伺服控制技術(shù)提高設(shè)備控制精度與性能，提升工藝整體水平，實現(xiàn)復雜工藝加載與零件高精度成形。材料成形設(shè)備正由工業(yè)2.0電氣化時代過渡到工業(yè)3.0信息化時代，并向著以智能化為核心的工業(yè)4.0發(fā)展。但現(xiàn)有授課內(nèi)容并未反映出這一變革，學生不了解現(xiàn)代控制方法，難以真正理解并掌握實現(xiàn)設(shè)備高精度、高性能的途徑。

新工科建設(shè)的目標是培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，要求拓寬學生知識面，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，而傳統(tǒng)“材料成形設(shè)備與控制”課程授課內(nèi)容僅獨立地講授各類設(shè)備，計算機/控制等相關(guān)學科知識介紹少，學生知識面窄，難以真正理解設(shè)備實現(xiàn)高精度加載原理，也就無從談起融會貫通與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。由于未能掌握計算機伺服控制設(shè)備實現(xiàn)高精度控制的原理，學生缺乏對現(xiàn)代設(shè)備的整體認識，難以舉一反三進行創(chuàng)新，無法滿足材料成形行業(yè)快速發(fā)展的需求。

為解決該問題，筆者提出了面向新工科建設(shè)的“材料成形設(shè)備與控制”課程改革方案，由傳統(tǒng)模式分別介紹各類典型設(shè)備，以設(shè)備核心控制要素為主線開展授課，取得了較好的教學效果。

二、課程改革方案

筆者提出的課程改革方案以材料成形設(shè)備中典型要素高精度控制為核心線索，綜合講述計算機控制、伺服控制及材料成形設(shè)備結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。圖1是傳統(tǒng)授課體系與改革后授課體系的對比，實線線框內(nèi)為傳統(tǒng)授課模式內(nèi)容，虛線線框內(nèi)為改革后的教學內(nèi)容。可以看出傳統(tǒng)模式授課內(nèi)容集中于常規(guī)機械結(jié)構(gòu)與電氣控制，屬于工業(yè)2.0時代，而新課程體系縮小了講授設(shè)備的范圍，主要講授計算機/控制知識與代表性塑性成形設(shè)備的結(jié)合，系統(tǒng)介紹材料成形設(shè)備由工業(yè)2.0提升至工業(yè)4.0的發(fā)展過程。

圖1 新舊授課知識體系對比

首先，介紹塑性成形設(shè)備中常用液壓傳動與伺服控制技術(shù)、電機傳動與伺服控制技術(shù)，解釋其工作原理與特點，該部分是設(shè)備高精度動作與控制的基礎(chǔ)。其次，講述計算機控制系統(tǒng)基本原理，包括計算機系統(tǒng)信號類型、輸入/輸出通道與控制算法等知識，重點闡述計算機控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)高響應速度與高控制精度，為其在材料成形設(shè)備中的應用打好基礎(chǔ)。然后，圍繞材料成形設(shè)備中的核心控制要素，如力、位置（速度）控制，講授其控制原理，詳細介紹如何采用計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)這些核心控制要素的快速高精度控制。在學生掌握核心要素控制原理后再舉例介紹典型成形設(shè)備，將核心要素控制原理應用于實際設(shè)備，使學生理解掌握設(shè)備的動作與控制原理。最后，在理解掌握現(xiàn)有計算機伺服控制基本原理后，介紹設(shè)備智能化發(fā)展趨勢，指明材料成形設(shè)備的發(fā)展方向。

（一）液壓傳動與液壓伺服控制

液壓傳動技術(shù)便于實現(xiàn)大載荷加載，并可在行程過程中連續(xù)調(diào)節(jié)力和速度，在塑性成形設(shè)備中得到了廣泛應用。液壓傳動技術(shù)一直是塑性成形設(shè)備的核心內(nèi)容，包括液壓傳動基礎(chǔ)知識、液壓動力元件、控制元件與典型回路等。課程改革后拓展了液壓控制內(nèi)容，介紹比例閥與伺服閥結(jié)構(gòu)與特點，重點講述其能夠?qū)崿F(xiàn)高精度控制的原理，然后介紹伺服控制系統(tǒng)工作原理及典型回路。該部分內(nèi)容是工業(yè)3.0計算機伺服控制的實施部分，重點講授通過閥芯的高精度位移控制實現(xiàn)流體流量分配，從而精確控制液壓缸動作。

（二）伺服電機控制

伺服電機是另一類材料成形設(shè)備中廣泛使用的伺服控制設(shè)備，該部分重點講述伺服電機工作與控制原理，通過控制輸入轉(zhuǎn)矩，可以控制輸出元件的位移（速度）以及力，將重點講述伺服電機與計算機控制系統(tǒng)的接口。

（三）數(shù)字計算機控制基礎(chǔ)

講述計算機控制系統(tǒng)組成與工作原理，包括計算機系統(tǒng)信號、傳感器、輸入/輸出單元、控制算法等主要因素，如圖2所示。授課內(nèi)容主要包括：（1）控制系統(tǒng)信號。講述計算機控制系統(tǒng)中的多種類型控制信號，信號轉(zhuǎn)換過程中如何產(chǎn)生誤差，以及避免降低控制精度的措施。（2）傳感器。簡要介紹傳感器的輸出形式與精度，輸出形式即如何將傳感器形式引入計算機，而采用高精度傳感器是計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)高精度控制的基礎(chǔ)。（3）輸入/輸出部分。A/D與D/A轉(zhuǎn)換器其工作原理，要求學生掌握常規(guī)轉(zhuǎn)換的計算，以及提高轉(zhuǎn)換精度的措施。（4）控制算法。以PID算法為例，介紹算法如何計算控制量，解釋控制量如何影響控制精度。

圖2 計算機控制系統(tǒng)原理組成圖

講述該部分教學內(nèi)容的目的是使學生掌握計算機控制系統(tǒng)的組成與工作原理，建立計算機控制與機械設(shè)備之間的聯(lián)系，掌握計算機控制系統(tǒng)軟硬件組成如何影響成形設(shè)備的功能與控制精度。

（四）先進代表性塑性成形設(shè)備

將計算機控制與伺服控制應用于先進塑性成形設(shè)備，如內(nèi)高壓成形機與伺服壓力機，加深學生對設(shè)備工作原理的理解，介紹成形設(shè)備為工藝需求服務的理念。

內(nèi)高壓成形機是伺服液壓控制技術(shù)在材料成形設(shè)備與控制中的典型應用。首先介紹普通液壓機，以不同成形工藝舉例說明普通液壓機僅可進行鐓粗、自由鍛等對控制精度要求較低的工藝，而內(nèi)高壓成形機可實現(xiàn)內(nèi)壓與軸向進給位移的精確匹配。從液壓控制原理與計算機控制系統(tǒng)原理兩方面進行對比分析，解釋內(nèi)高壓成形機能夠獲得高控制精度的原理。同時，授課時注意講授工藝與設(shè)備的結(jié)合，工藝發(fā)展要求設(shè)備實現(xiàn)高精度控制，實現(xiàn)工藝的發(fā)展和升級。

伺服電機控制應用的典型代表是伺服機械壓力機，同樣與傳統(tǒng)機械壓力機對比講述。以簡單沖壓件與復雜沖壓件成形工藝為例，講述伺服機械壓力機由于增加了轉(zhuǎn)速可控的伺服電機與位移傳感器，因此實現(xiàn)沖壓速度可控，實現(xiàn)工藝需求加載速度的原理。

通過講述控制原理在先進材料成形設(shè)備與控制中的應用，使學生建立起設(shè)備與工藝緊密聯(lián)系、設(shè)備服務于工藝的理念。該部分內(nèi)容不僅介紹液壓控制與伺服控制原理，還通過實例計算，講述傳感器精度、信號轉(zhuǎn)換元件精度與執(zhí)行元件精度對設(shè)備控制精度的影響，將前三部分講述的原理應用于實際設(shè)備，使學生真正理解計算機控制系統(tǒng)提升設(shè)備控制精度的具體方法與措施。

（五）材料成形設(shè)備智能化發(fā)展趨勢

隨著大數(shù)據(jù)與信息技術(shù)的快速發(fā)展，材料成形設(shè)備也向著智能化的方向發(fā)展，智能成形制造也日益成為現(xiàn)實。本部分提煉了材料成形領(lǐng)域裝備智能化途徑，為學生奠定智能成形知識基礎(chǔ)。

智能化發(fā)展趨勢分兩部分講授：（1）設(shè)備能智能應對成形過程中出現(xiàn)的復雜意外情況，做出最合理的反應。以內(nèi)高壓成形中管端液體泄漏智能判斷為例，講述意外情況判斷與反應原理，采用多傳感器測量內(nèi)高壓成形時不同位置液體壓力，獲得流體傳動時的壓力梯度變化，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合算法判斷泄漏發(fā)生的位置。（2）設(shè)備能根據(jù)材料變形的實際情況，調(diào)整控制參數(shù)實現(xiàn)智能成形。以變徑管內(nèi)高壓成形過程中皺紋控制為實例，講述如何根據(jù)管材實時變形形狀調(diào)整加載內(nèi)壓與軸向進給量。

結(jié)語

本課程建設(shè)將“材料成形設(shè)備與控制”課程授課體系由傳統(tǒng)授課方案僅介紹各種典型工藝代表設(shè)備，改為以新工藝需求為導向，以核心要素控制原理為線索的全新教學模式，更適應目前國家產(chǎn)業(yè)升級的發(fā)展趨勢。根據(jù)科技發(fā)展趨勢，提煉共性的基礎(chǔ)知識點，在掌握傳統(tǒng)工藝設(shè)備原理的基礎(chǔ)上，使學生掌握計算機控制與智能控制基本原理，提高學生的學習能力和創(chuàng)新能力，適應“材料—工藝—設(shè)備”一體化教學的需求。