現(xiàn)代制造工程技術(shù)研究生實(shí)踐課程教學(xué)方法研究

彭寶營(yíng) 王紅軍 楊慶東 劉國(guó)慶

摘 要 現(xiàn)代制造工程技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)圍繞數(shù)控加工制造、控制、監(jiān)測(cè)的三個(gè)主要環(huán)節(jié)開(kāi)展實(shí)踐型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使機(jī)械工程類研究生較深入地掌握現(xiàn)代制造工程領(lǐng)域解決實(shí)際制造問(wèn)題的基本方法，提高工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代制造工程技術(shù)；機(jī)械工程；工程碩士；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G643.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）04-0160-03

1 前言

機(jī)械工程領(lǐng)域工程碩士的培養(yǎng)目標(biāo)是了解機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展的前沿和動(dòng)態(tài)，掌握機(jī)械工程學(xué)科堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論、先進(jìn)的技術(shù)方法和手段，具有獨(dú)立從事工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、工程研究、工程開(kāi)發(fā)和工程管理等能力[1-2]。要達(dá)到這樣一個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)，專業(yè)實(shí)踐是必不可少的重要環(huán)節(jié)，充分的、高質(zhì)量的專業(yè)實(shí)踐是專業(yè)學(xué)位教育質(zhì)量的最重要保證。然而，目前大多數(shù)高校的在讀研究生是從本科直接考取的，工作經(jīng)驗(yàn)很少，缺乏工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，既極大限制了對(duì)機(jī)械理論知識(shí)的理解，又無(wú)法解決工程實(shí)際問(wèn)題[3-4]。對(duì)工科機(jī)械類的研究生特別是工程碩士研究生而言，機(jī)械制造的實(shí)踐知識(shí)對(duì)他們來(lái)說(shuō)尤為重要，他們對(duì)實(shí)踐要求也最為迫切，但現(xiàn)今機(jī)械制造實(shí)踐課程的缺乏，打擊了研究生的學(xué)習(xí)興趣，阻礙了應(yīng)用型實(shí)踐人才的培養(yǎng)。

機(jī)械制造實(shí)踐基礎(chǔ)是從事機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)研究、裝備開(kāi)發(fā)最重要的條件之一，現(xiàn)代制造工程技術(shù)涉及制造、加工、監(jiān)測(cè)多個(gè)環(huán)節(jié)，集機(jī)械制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)為一體，了解并掌握現(xiàn)代制造工程技術(shù)，對(duì)機(jī)械工程類研究生是十分重要的。我國(guó)工程碩士研究生實(shí)踐教學(xué)起步較晚，開(kāi)展現(xiàn)代制造工程技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)可進(jìn)一步完善研究實(shí)踐教學(xué)體系。該課程可直接作為機(jī)械制造工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生的必修課、機(jī)械制造類學(xué)術(shù)型碩士研究生的選修課。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，可培養(yǎng)機(jī)械工程類工程碩士研究生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，使其掌握現(xiàn)代制造工程技術(shù)相關(guān)理論與技術(shù)，提高將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際的能力，為今后從事本學(xué)科的科學(xué)研究及工程應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)代制造工程技術(shù)實(shí)踐教學(xué)總體內(nèi)容

根據(jù)先進(jìn)制造的發(fā)展方向[5]及北京信息科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)科的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)研究方向，以數(shù)控機(jī)床加工制造、控制、監(jiān)測(cè)為核心，結(jié)合機(jī)械行業(yè)實(shí)際工程案例及機(jī)械工程領(lǐng)域工程碩士研究生就業(yè)需要，從提高基礎(chǔ)實(shí)踐能力和綜合實(shí)踐能力兩方面開(kāi)展課程建設(shè)?，F(xiàn)代制造工程技術(shù)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)擬開(kāi)設(shè)有三個(gè)方面的任務(wù)式專題實(shí)踐教學(xué)，即典型零件的數(shù)控編程與加工實(shí)驗(yàn)、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制。三個(gè)單元循序漸進(jìn)，采用教師理論講授與學(xué)生動(dòng)手實(shí)際操作個(gè)性化實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)結(jié)合的理念，以學(xué)生實(shí)踐為主，完成三個(gè)專題的任務(wù)，最后以實(shí)驗(yàn)報(bào)告+實(shí)驗(yàn)程序的形式提交，課程內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配如表1所示。

3 現(xiàn)代制造工程技術(shù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代制造工程技術(shù)實(shí)踐課程以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的科研設(shè)備為基礎(chǔ)，由教師提出總體任務(wù)要求和目標(biāo)，學(xué)生親自動(dòng)手完成各任務(wù)，在完成各個(gè)任務(wù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)由教師指導(dǎo)，采用的編程語(yǔ)言和相關(guān)軟件由學(xué)生根據(jù)自身特長(zhǎng)及研究生課題自選。使學(xué)生在掌握實(shí)際設(shè)備開(kāi)發(fā)技能的同時(shí)，掌握科學(xué)研究的方法，提高學(xué)生獨(dú)立思考及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

典型零件的數(shù)控編程與加工實(shí)驗(yàn) 數(shù)控加工是機(jī)械工程專業(yè)最具實(shí)踐性的課程，是多學(xué)科知識(shí)的融合，因此首先進(jìn)行數(shù)控加工實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。典型零件的數(shù)控編程與加工跟機(jī)械設(shè)計(jì)密不可分，因此在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)之前，首先進(jìn)行機(jī)械造型三維軟件復(fù)習(xí)與鞏固；在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行CAM軟件學(xué)習(xí)及實(shí)際加工，典型零件的數(shù)控編程與加工實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置如表2所示。

本環(huán)節(jié)以數(shù)控加工為主，為提高學(xué)生自主性，三維造型軟件不指定，SolidWorks、Pro/Engineer、UG等軟件由學(xué)生根據(jù)自身?xiàng)l件任選，三維模型統(tǒng)一保存為IGES格式文件。CAM軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，統(tǒng)一采用PowerMill軟件進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置和選擇的加工設(shè)備后處理[6]，運(yùn)動(dòng)仿真檢驗(yàn)完成后將加工程序輸入機(jī)床，在VMC 600立式銑削加工中心上完成程序最后調(diào)整及零件實(shí)際加工，并檢驗(yàn)加工效果，具體流程如圖1所示。

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 進(jìn)行零件的數(shù)控編程與加工環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)之后，為了使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的了解，提高機(jī)械工程領(lǐng)域工程碩士研發(fā)新設(shè)備的能力，進(jìn)行開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)與高級(jí)程序編程語(yǔ)言及運(yùn)動(dòng)控制理論密切相關(guān)，因此在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，首先進(jìn)行高級(jí)程序編程語(yǔ)言及運(yùn)動(dòng)控制理論復(fù)習(xí)與鞏固；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)學(xué)習(xí)及二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置如表3所示。

本環(huán)節(jié)最終目標(biāo)是采用高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)上位控制界面的自主開(kāi)發(fā)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)選用美國(guó)Delta Tau公司的PMAC Clipper控制器。為提高學(xué)生的自主性，上位編程語(yǔ)言不指定，PMAC系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)支持Visual C++、Visual Basic、C#、LabView、Delphi等高級(jí)語(yǔ)言[7]，由學(xué)生根據(jù)自身特長(zhǎng)任選。在數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用過(guò)程中，軟件和硬件是密不可分，因此在開(kāi)發(fā)上位控制軟件的同時(shí)，還需掌握相關(guān)輔助PLC程序及運(yùn)動(dòng)控制程序的開(kāi)發(fā)。上位控制界面的具體效果，需在PMAC運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上進(jìn)行檢驗(yàn)。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)流程如圖2所示。

制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制 設(shè)備研制完成后，一項(xiàng)重要的研究工作就是設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控，進(jìn)行誤差測(cè)量、采集和分析，這也是機(jī)械工程領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容。因此，完成零件的數(shù)控編程與加工、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)之后，進(jìn)行制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。制造過(guò)程監(jiān)控涉及裝備、傳感器、軟件開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)環(huán)節(jié)。因此，在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，需要進(jìn)行高級(jí)程序編程語(yǔ)言、傳感器的原理及使用等知識(shí)的復(fù)習(xí)與鞏固，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于數(shù)據(jù)采集卡的上位界面二次開(kāi)發(fā)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以有效、準(zhǔn)確地獲知裝備運(yùn)行的基本狀態(tài)。制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置如表4所示。

本環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集卡選用北京阿爾泰科技的USB5935，該采集卡采用USB通信方式，支持LabView、Visual C++、Visual Basic、C#等多種高級(jí)編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[8]?？紤]到LabView在虛擬儀器領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)，該環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集界面開(kāi)發(fā)以LabView為主，但也可采用其他高級(jí)語(yǔ)言。測(cè)量對(duì)象以機(jī)床狀態(tài)測(cè)量為主，可測(cè)量機(jī)床運(yùn)行溫度、電流、力等多種傳感器的信號(hào)，并完成傳感器供電電路連接、傳感器的標(biāo)定及采集數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床當(dāng)前狀況的判斷。制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)流程如圖3所示。

4 結(jié)論

1）現(xiàn)代制造工程技術(shù)研究生實(shí)踐課程環(huán)節(jié)涉及機(jī)械制造、控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)三個(gè)的環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)，將有效提高機(jī)械工程領(lǐng)域工程碩士研究生的綜合實(shí)踐能力，完善工程碩士研究生實(shí)踐教學(xué)體系，為今后從事本學(xué)科的科學(xué)研究及工程應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

2）現(xiàn)代制造工程技術(shù)研究生實(shí)踐課程包含多種設(shè)備、多種高級(jí)語(yǔ)言編程及三維軟件的使用，涉及內(nèi)容較多，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，在短時(shí)間內(nèi)完成，對(duì)教師及學(xué)生均提出巨大挑戰(zhàn)，具體效果還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]韓寶坤，張悅刊，孫雪顏.機(jī)械工程領(lǐng)域全日制專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐能力的培養(yǎng)[J].教書育人：高教論壇，

2014（10）：26-27.

[2]唐志軍，吳笑峰，席在芳，等.面向?qū)嵺`創(chuàng)新能力的工科研究生培養(yǎng)模式探討[J].山西科技，2015，5（30）：91-93.

[3]董萍.我國(guó)高校研究生素質(zhì)存在的問(wèn)題及解決措施綜述[J].中國(guó)電力教育，2011（6）：45-47.

[4]楊雪，于新奇，黃風(fēng)山，等.機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)模式探索：以河北科技大學(xué)為例[J].開(kāi)封教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（6）：122-123.

[5]王先逵.現(xiàn)代制造技術(shù)及其發(fā)展趨向[J].現(xiàn)代制造工程，2008（1）：1-8：

[6]單巖，聶相虹.PowerMILL數(shù)控編程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[7]DELTA TAU Data System Inc. Turbo PMAC2-Eth-Lite Hardware Reference Manual[M].USA：2006.

[8]北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司.USB5935 WIN2000/XP驅(qū)動(dòng)程序使用說(shuō)明書[M].北京：2010.