在本科機(jī)械類專業(yè)課程設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)“新工科”理念的嘗試

徐 萍

（江漢大學(xué)智能制造學(xué)院 湖北武漢 430056）

總體看來，我國目前普通高校工科教育雖然有了長足的進(jìn)步。但也存在一些普遍性的帶共性的問題。比如，工科教育理科化，教材及教學(xué)內(nèi)容滯后于新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)的發(fā)展，學(xué)生綜合能力及動(dòng)手能力偏低等等。基于此，2016年以來，“新工科”教育的概念，在中國工程教育領(lǐng)域逐步建立起來，并得到了業(yè)內(nèi)廣泛的響應(yīng)和充分的討論。也達(dá)到了一定的共識(shí)。有學(xué)者提出，新工科內(nèi)涵要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)“前沿技術(shù)引領(lǐng)性”“學(xué)科間交融性”“知識(shí)體系多樣性”“人才培養(yǎng)創(chuàng)新性”等[1]。

但是，與所有改革及新事物的發(fā)展規(guī)律一樣，“新工科”教育，理念的建立和認(rèn)可是比較容易的，但如何實(shí)施操作，卻是一個(gè)復(fù)雜的漸進(jìn)過程。目前實(shí)操過程中，主要采取的方式集中在各學(xué)科的交叉融合及以實(shí)踐應(yīng)用為目的等方面，有些僅停留在專業(yè)名稱的變化和課時(shí)分配的調(diào)整等淺層次上面，缺乏深入細(xì)致的研究，流于形式。

“新工科”教育改革，是一個(gè)過程，需要循序漸進(jìn)，要多管齊下，既要有宏觀的頂層設(shè)計(jì)，又要有具體的實(shí)踐摸索。形式很重要，但內(nèi)容更重要。這里面作為課改主角的任課老師，作用尤為關(guān)鍵。

其實(shí)，多年以來，工科教學(xué)中的課改一直在進(jìn)行。以普通高校機(jī)械類專業(yè)的教學(xué)為例，目前的課程設(shè)置，已經(jīng)大大加強(qiáng)了電類及計(jì)算機(jī)類的內(nèi)容，老專業(yè)“機(jī)械制造工藝及設(shè)備”早已更名叫“機(jī)械制造及其自動(dòng)化”，所謂“機(jī)電一體化”的概念早已深入人心。但是，囿于傳統(tǒng)習(xí)慣，不論是任課老師還是學(xué)生，還是有機(jī)是機(jī)，電是電的觀念。這種觀念阻礙了學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提高。

本文試就在目前課程框架內(nèi)，機(jī)械專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的部分環(huán)節(jié)，討論一下機(jī)電融合的問題。

在機(jī)械課程設(shè)計(jì)中，常見的課題是設(shè)計(jì)一套數(shù)控機(jī)床。比如數(shù)控銑床、數(shù)控激光切割機(jī)等等，有整機(jī)設(shè)計(jì)，也有部件設(shè)計(jì)，比如進(jìn)給裝置的設(shè)計(jì)。一般說來，對(duì)機(jī)械類學(xué)生的要求是：確定總體方案，選型，有些簡單的計(jì)算、校核，然后就是總裝圖和部分零件圖?？己藭r(shí)，比較看重最后的圖紙，而對(duì)總體方案和選型，尤其是后者，往往重視不夠，多數(shù)學(xué)生往往選型時(shí)，只是走流程套用幾個(gè)公式而已。

但事實(shí)上，就整個(gè)課題而言，選型非常重要，數(shù)控機(jī)床，牽涉的關(guān)聯(lián)學(xué)科也多。我們以激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)為例簡述之。

首先在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，就傳動(dòng)方式而言，比較常見的有絲杠螺母副傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)兩種，可以選擇滾動(dòng)絲杠螺母副傳動(dòng)。支撐選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌支撐，若負(fù)載較大，可選用方形線性滾動(dòng)導(dǎo)軌，驅(qū)動(dòng)，則選用步進(jìn)或伺服電機(jī)。從目前的流行趨勢(shì)及實(shí)用場景來看，多選用伺服電機(jī)。以上內(nèi)容，絕大多數(shù)學(xué)生在老師指導(dǎo)下，都可以完成。

數(shù)控系統(tǒng)的選擇呢？機(jī)械類學(xué)生往往一筆帶過，考核時(shí)也沒什么要求。這就使得一個(gè)數(shù)控機(jī)床，與普通機(jī)床的設(shè)計(jì)幾乎沒有了差別。

所以，在這個(gè)環(huán)節(jié)，我們可以給予重視，加大數(shù)控系統(tǒng)的教學(xué)比重。

首先，目前常用的運(yùn)動(dòng)控制方式，主要有三種，單片機(jī)、PLC和基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡。三者優(yōu)缺點(diǎn)比較：單片機(jī)便捷、小巧、可裁剪，價(jià)格低廉；PLC功能簡單、編程容易，價(jià)格也低。但兩者共同的缺點(diǎn)是人機(jī)界面不是特別友好，更關(guān)鍵的是其運(yùn)算控制尤其是輸入輸出能力不能與基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制相比擬?？紤]到數(shù)控激光切割機(jī)的實(shí)用場景，選擇基于PC的運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。

需要指出的是，上述三種控制方式所涉及的前期專業(yè)基礎(chǔ)內(nèi)容，在現(xiàn)在的機(jī)械類專業(yè)教學(xué)中，絕大多數(shù)都已涵蓋，課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用只是理論與實(shí)踐的轉(zhuǎn)化而已。

而基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡，它的控制流程框圖如下：

PC機(jī)：用于人機(jī)對(duì)話并將運(yùn)動(dòng)指令下達(dá)給運(yùn)動(dòng)控制卡，同時(shí)監(jiān)測和顯示運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)?？墒褂肰B,VC,DELPHI等高級(jí)語言編程，調(diào)用成熟的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，完成功能強(qiáng)大的控制軟件的開發(fā)，修改或增刪也十分方便。

運(yùn)動(dòng)控制卡：運(yùn)動(dòng)控制卡的作用是根據(jù)PC機(jī)里應(yīng)用程序的運(yùn)動(dòng)命令，對(duì)各軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖/方向命令，并對(duì)I/O口和其他信號(hào)進(jìn)行管理[2]。如：加減速處理，脈沖輸出，直線圓弧插補(bǔ)，原點(diǎn)限位監(jiān)測等。

驅(qū)動(dòng)器：驅(qū)動(dòng)器是伺服電機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)配部件，其作用是根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)來的脈沖/方向指令控制電機(jī)線圈的電流以及相應(yīng)的電磁場和電磁力矩，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)軸執(zhí)行與脈沖/方向指令相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器要與伺服電機(jī)配套選用。

執(zhí)行電機(jī)：電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下，通過轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)來控制機(jī)械裝置（各軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）的位置和速度。運(yùn)動(dòng)控制中最常用的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)兩大類。步進(jìn)電機(jī)，因其使用簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種中小功率裝置中。但近年來，隨著伺服電機(jī)售價(jià)的大幅下降，更由于其具有高速度、高扭矩、高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，所以伺服電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在精度及穩(wěn)定性要求較高的領(lǐng)域。課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，若能強(qiáng)調(diào)數(shù)控系統(tǒng)控制流程及其選型思路，對(duì)學(xué)生加深理解機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，大有裨益。

總之，“新工科”教學(xué)的改革與創(chuàng)新，即是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。對(duì)每一個(gè)從事工科專業(yè)教學(xué)的教師而言，都有義務(wù)有責(zé)任，在自己的崗位上，積跬步，至千里，探索出一條有中國特色的、緊跟時(shí)代潮流，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的工科教學(xué)之路。