李夢奇，李冬英，王　斌

（邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽　422004）

應用型機械工程數(shù)字化實驗室建設研究與實踐

李夢奇，李冬英，王斌

（邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽422004）

計算機深入融合到現(xiàn)代企業(yè)生產和銷售的每個環(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)字化實驗教學成為應對手段。針對機械工程專業(yè)存在實驗教學系統(tǒng)設計不夠、設備孤島現(xiàn)象、落后工業(yè)需求等問題，提出“系統(tǒng)性、集成性、先進性、實用性”的實驗室建設指導思想，分數(shù)字化平臺、信息數(shù)字化、數(shù)字信息分析、信息集成應用4個分室建設機械工程數(shù)字化實驗室、實驗教學體系和實驗項目，分析了各實驗項目的信息教學目標，提出實驗室建設和實驗項目建設路徑，為實驗室建設和提高人才培養(yǎng)質量提供依據(jù)。

數(shù)字化實驗室；機械工程；實驗教學

20世紀末，工業(yè)企業(yè)廣泛、深入地利用計算機、通信、網(wǎng)絡等技術，實現(xiàn)研發(fā)、計劃、組織、生產、協(xié)調、銷售、服務、創(chuàng)新等活動的數(shù)字化，進行產品設計和制造的升級換代，力求將企業(yè)內部的所有要素、模塊和結果實現(xiàn)數(shù)字化，如消費需求、購買心態(tài)、消費模式、購買方式、產品的定位、特征、性能、生產、品質、周期、及服務等。提高現(xiàn)代大學生包括數(shù)字化信息獲得、分析、處理、應用能力的數(shù)字化能力成為現(xiàn)代教育的一個核心內容，對于機械工程領域本科生而言，由于現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)設計、生產、銷售、服務過程普遍實現(xiàn)數(shù)字化，在校期間進行數(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助資金、生均撥款1.2萬元中央財政“以獎代補”機制的支持下，高等院校在實驗室建設方面投入了大量經費，教學科研儀器設備總值從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、實驗設備臺套數(shù)少、綜合型、設計型、創(chuàng)新型實驗比例等問題，不能充分滿足教學的要求，離培養(yǎng)高級應用型人才還有一定差距。在機械工程相關專業(yè)教學中，還存在系統(tǒng)設計不夠、設備孤島現(xiàn)象、落后工業(yè)需求等問題。

（1）系統(tǒng)設計不夠，數(shù)字化實驗沒有覆蓋教學的關鍵環(huán)節(jié)。高級應用型人才的培養(yǎng)要求高校不僅開設驗證性、演示型實驗，更要開設對學科內各實驗，學科間各實驗進行集成的“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)字化設備獨立成島，沒有連接和集成。教學過程采用多種數(shù)字化設備，設計階段有AutoCAD、Por/e、UG軟件等，制造過程有數(shù)控設備，電子與控制更是機電一體化系統(tǒng)，但都相對獨立，教學是分離的，形成“孤島現(xiàn)象”。影響學生的專業(yè)視野和學識深度，進而影響到教學質量。

（3）設備水平遠落后于工業(yè)企業(yè)水平，達不到模擬工業(yè)環(huán)境效果。機械實驗室實驗設備數(shù)量與質量的明顯差距已成為影響實驗教學質量的重要因素，以致教學改革所取得的教學科研成果無法及時地推廣到教學和實驗中，并導致機械類專業(yè)的實驗教學改革工作無法進一步深化。

實驗室建設是貫徹落實高級復合型人才培養(yǎng)目標的必然要求，同時也是滿足教師與學生科研對實驗設備的需求，對從根本上保證教學質量、促進教學改革成果的全面推廣、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力、服務地方經濟都具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2　建設思想和思路

機械工程應用型人才應該具備較強的工程實踐能力、合理的知識結構和一定的理論基礎，能運用規(guī)范的工程語言及利用各種技術資源解決工程問題的能力。

2.1實驗室建設思想

（1）系統(tǒng)性：建立基于數(shù)字化集成的專業(yè)認識、專業(yè)實驗、專業(yè)課程設計、畢業(yè)設計需求的完整實踐教學系統(tǒng)，學生可以得到全面、系統(tǒng)的訓練，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備實現(xiàn)多個實驗教學項目教學，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。

（3）先進性：關鍵設備5年內不落后。

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

2.2實驗室建設思路

以結構尺寸、材料信息、電信號、液壓流體、能源轉換作為對象，實現(xiàn)其信息數(shù)字化獲取、分析、處理、集成、應用，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)學生都能在學習單元知識的同時明確其用途，基于系統(tǒng)角度進行知識的學習，使學生始終面向工程系統(tǒng)環(huán)境，從而提高學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、應用過程，機械工程數(shù)字化實驗室建設分成：數(shù)字化平臺、信息數(shù)字化、數(shù)字信息分析、信息集成應用4個分室，各分室在系統(tǒng)中的作用如圖1所示。

圖1　機械工程數(shù)字化集成實驗室

3　數(shù)字化實驗教學體系

3.1數(shù)字化平臺分室

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

實現(xiàn)產品的工藝設計流程。從定義工藝模板開始，完成機加工、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)。在實驗室機房里面，通過建立數(shù)字化設計平臺、數(shù)字化工藝平臺、數(shù)字化網(wǎng)絡制造平臺和數(shù)字化管理平臺，使學生體驗企業(yè)產品的整個生命周期的過程。將數(shù)控設備與機房、理論課程與實踐課程進行有機融合，將企業(yè)一整套繪圖、工藝、加工生產流程平移到學校中來，滿足“工作過程的項目式教學”課程建設要求。

3.2數(shù)字化平臺

（1）工程測繪與制圖。通過實驗，使得學生將所學理論和生產實踐結合起來、學與畫結合起來，牢固地掌握制圖知識，提高繪制機械圖樣的基本技能。學生在教師指導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)結關系，掌握測量工具的使用方法、準確測定尺寸，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)學生綜合運用工程圖學理論，結合實際機件繪制標準機械圖樣的能力，并使所學知識得到進一步的鞏固和深化；通過訓練進一步養(yǎng)成認真負責的工作態(tài)度、嚴謹細致的工作作風和規(guī)范的制圖習慣，并且通過測繪培養(yǎng)自主學習的能力，掌握相關分析問題和解決問題的基本方法。

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

（3）組合變形測量及非接觸式應變測量。綜合性力學實驗是在深入理解力學基本概念、了解力學實驗基礎、培養(yǎng)學生基本力學的基本實驗基礎上，強化分析力學機理和解決力學問題的能力，培養(yǎng)學生工程觀點，提高學生動手能力。與工程實踐相結合，可由學生根據(jù)問題的性質綜合運用所學知識，自行設計實驗方案。

3.3數(shù)據(jù)分析分室

（1）金相分析。通過金屬材料組織結構分析實驗使學生較熟練地掌握金屬材料組織結構的分析方法，掌握金屬材料結構與性能之間的內在聯(lián)系及其規(guī)律，能進行常用材料的金相組織結構分析，為以后的學習和工作打下基礎。

（2）XRD分析。學習X射線衍射儀結構和工作原理、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，設計實驗方案，做出正確分析鑒定結果。

（3）三維形貌精密測量及數(shù)據(jù)處理?；谌S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知識和軟件的基本使用方法、程序結構，理解整個求解過程的內部聯(lián)系，進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，能夠對一些常見的工程問題進行系統(tǒng)的分析和計算。

（5）液壓仿真技術實驗。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，了解液壓泵的結構，掌握液壓泵的主要性能參數(shù)及相互關系。利用全功能液壓性能測試與智能仿真控制系統(tǒng)，進行各種液壓系統(tǒng)仿真設計實驗、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)性能進行測試，認識液壓泵結構、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，準確及快速的將輪廓坐標量得，并加以建構曲面、編輯、修改后，傳至一般的CAD/CAM系統(tǒng)，再產生刀具的NC加工路徑送至CNC加工機制作，或送到快速成型機制作樣品模型。

（2）機電一體化系統(tǒng)設計實驗。進行系統(tǒng)仿真設計、機電一體化系統(tǒng)的功能部件和精度測量、誤差補償實驗、交流伺服電機控制方式及伺服驅動原理及特性實驗、機電一體化系統(tǒng)檢測元件及核心運動控制器的應用實驗、機電一體化系統(tǒng)PID調節(jié)器應用實驗。

（3）模塊化多結構并聯(lián)機器人實驗。利用模塊化并聯(lián)機器人及配套軟硬件，認識各種機器人常用機構的組成及工作原理；學會各種機器人軟硬件使用方法；掌握機器人的性能與參數(shù)測定。

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

（5）機電液集成耦合。各種機電液集成系統(tǒng)仿真分析設計實驗、各種機電液集成系統(tǒng)性能仿真研究，掌握多體系統(tǒng)動力學的建模方法，各種機電液集成系統(tǒng)優(yōu)化設計實驗?；诙囿w系統(tǒng)動力學的多體系統(tǒng)建立運動學力學模型，進行合理的試驗設計，進行結構的優(yōu)化設計，并對優(yōu)化前后的仿真結果進行對比分析。

4　實驗室建設路徑

數(shù)字化實驗室建設從基礎平臺開始、根據(jù)培養(yǎng)方案中的實驗項目開設時間和面向專業(yè)及覆蓋學生數(shù)確定建設先后順序。從基本的二維、三維軟件開始，逐步推進信息技術與專業(yè)教學的融合，然后再進行集成實驗設備與項目的建設。實驗室建設路徑如圖2所示。

圖2　數(shù)字化實驗室建設路徑圖

5　結語

針對機械工程本科畢業(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)設計不夠、設備孤島、落后工業(yè)需求的問題，以“系統(tǒng)性、集成性、先進性、實用性”作為實驗室建設指導思想，根據(jù)信息數(shù)字化獲取、分析、處理、集成、應用過程，分數(shù)字化平臺、信息數(shù)字化、數(shù)字信息分析、信息集成應用4個分室建設。數(shù)字化平臺包括設計、工藝、制造、管理的基本平臺建設；信息數(shù)字化包括測繪與制圖、三坐標測量、組合變形測量及非接觸式應變測量實驗設備和項目建設；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、液壓仿真技術等實驗設備和項目建設；集成應用包括逆向工程、機電一體化系統(tǒng)設計、塊化多結構并聯(lián)機器人、機電液系統(tǒng)綜合性能測試、機電液集成耦合實驗設備和項目建設。提出從基礎平臺開始到集成實驗設備與項目的建設實驗室建設路徑圖，為實驗室建設和提高人才培養(yǎng)質量提供依據(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

邵陽學院教學改革項目（2016JG34）

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