應用型機械工程數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）

應用型機械工程數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代企業生產和銷售的每個環節，對高校本科畢業生的信息化素養提出了新的要求，數字化實驗教學成為應對手段。針對機械工程專業存在實驗教學系統設計不夠、設備孤島現象、落后工業需求等問題，提出“系統性、集成性、先進性、實用性”的實驗室建設指導思想，分數字化平臺、信息數字化、數字信息分析、信息集成應用4個分室建設機械工程數字化實驗室、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質量提供依據。

數字化實驗室；機械工程；實驗教學

20世紀末，工業企業廣泛、深入地利用計算機、通信、網絡等技術，實現研發、計劃、組織、生產、協調、銷售、服務、創新等活動的數字化，進行產品設計和制造的升級換代，力求將企業內部的所有要素、模塊和結果實現數字化，如消費需求、購買心態、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。提高現代大學生包括數字化信息獲得、分析、處理、應用能力的數字化能力成為現代教育的一個核心內容，對于機械工程領域本科生而言，由于現代工業企業設計、生產、銷售、服務過程普遍實現數字化，在校期間進行數字化素養的提升是滿足現代企業需求人才必須完成的工作，數字化實驗是有效提高大學生數字化、信息化素養的有效手段。

1　問題的提出

在中央財政支持地方高校發展專項資金、高校化債專項補助資金、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。但是對于多數地方高校而言，經費還不是很充裕，在一定程度上存在專業實驗配套不齊全、實驗設備臺套數少、綜合型、設計型、創新型實驗比例等問題，不能充分滿足教學的要求，離培養高級應用型人才還有一定差距。在機械工程相關專業教學中，還存在系統設計不夠、設備孤島現象、落后工業需求等問題。

（1）系統設計不夠，數字化實驗沒有覆蓋教學的關鍵環節。高級應用型人才的培養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，同時需要實現實驗室的運行和管理一體化。

（2）數字化設備獨立成島，沒有連接和集成。教學過程采用多種數字化設備，設計階段有AutoCAD、Por/e、UG軟件等，制造過程有數控設備，電子與控制更是機電一體化系統，但都相對獨立，教學是分離的，形成“孤島現象”。影響學生的專業視野和學識深度，進而影響到教學質量。

（3）設備水平遠落后于工業企業水平，達不到模擬工業環境效果。機械實驗室實驗設備數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、培養學生的創新精神和實踐能力、服務地方經濟都具有十分重要的現實意義。

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）系統性：建立基于數字化集成的專業認識、專業實驗、專業課程設計、畢業設計需求的完整實踐教學系統，學生可以得到全面、系統的訓練，滿足人才培養的要求。

（2）集成性：采用綜合性的同一實驗設備實現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：滿足現階段學生的基本實驗需求，提高學生的數字化素養、數字化能力，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，實現其信息數字化獲取、分析、處理、集成、應用，形成一個完整工程系統。不同專業人才培養的著重點不同。各專業學生都能在學習單元知識的同時明確其用途，基于系統角度進行知識的學習，使學生始終面向工程系統環境，從而提高學生真正解決工程問題的能力。

根據信息數字化獲取、分析、處理、集成、應用過程，機械工程數字化實驗室建設分成：數字化平臺、信息數字化、數字信息分析、信息集成應用4個分室，各分室在系統中的作用如圖1所示。

圖1　機械工程數字化集成實驗室

3　數字化實驗教學體系

3.1數字化平臺分室

以AutoCAD、SolidWorks、DelCAM、CAPPWORKS等為工具，實現從報價到獲得產品訂單的流程。從訂單開始，啟動報價流程，實現銷售與設計人員的協同，實現產品設計流程。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節。

實現產品的工藝設計流程。從定義工藝模板開始，完成機加工、數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，統計各種工藝數據。在實驗室機房里面，通過建立數字化設計平臺、數字化工藝平臺、數字化網絡制造平臺和數字化管理平臺，使學生體驗企業產品的整個生命周期的過程。將數控設備與機房、理論課程與實踐課程進行有機融合，將企業一整套繪圖、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；通過訓練進一步養成認真負責的工作態度、嚴謹細致的工作作風和規范的制圖習慣，并且通過測繪培養自主學習的能力，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，培養學生分析和研究誤差補償的能力。

（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，可由學生根據問題的性質綜合運用所學知識，自行設計實驗方案。

3.3數據分析分室

（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系及其規律，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、精確測定晶胞參數的方法；應用公式求粉末多晶的平均粒徑；并能根據給定實驗樣品，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據處理。基于三維非接觸式表面形貌儀測得的表面形貌數據實現零件表面形位公差，一維、二維線粗糙度參數，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，表面高度分層統計，自相關統計等表面參數的測量。

（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系，進而掌握有限元軟件使用方法，包括建模、網格劃分、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、模態分析、瞬態動力分析、模態分析等，能夠對一些常見的工程問題進行系統的分析和計算。

（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，進行各種液壓系統仿真設計實驗、各種液壓系統性能仿真研究，對各類液壓泵的各種靜、動態性能進行測試，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；針對現有樣品或模型，利用3D數字化量測儀器，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，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）機電一體化系統設計實驗。進行系統仿真設計、機電一體化系統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、機電一體化系統檢測元件及核心運動控制器的應用實驗、機電一體化系統PID調節器應用實驗。

（3）模塊化多結構并聯機器人實驗。利用模塊化并聯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測定。

（4）機電液系統綜合性能測試。讓學生全面掌握機電液系統動態測試數據采集、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調節和模糊控制在電液系統中的應用原理、伺服閥性能測試、PID電液控制、機電液伺服系統模糊控制、機電液伺服系統頻率、機電液伺服系統時域響應。

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

4　實驗室建設路徑

數字化實驗室建設從基礎平臺開始、根據培養方案中的實驗項目開設時間和面向專業及覆蓋學生數確定建設先后順序。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　數字化實驗室建設路徑圖

5　結語

針對機械工程本科畢業生信息化能力和專業能力培養過程中存在的系統設計不夠、設備孤島、落后工業需求的問題，以“系統性、集成性、先進性、實用性”作為實驗室建設指導思想，根據信息數字化獲取、分析、處理、集成、應用過程，分數字化平臺、信息數字化、數字信息分析、信息集成應用4個分室建設。數字化平臺包括設計、工藝、制造、管理的基本平臺建設；信息數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；數據分析包括金相分析、XRD分析、三維形貌精密測量及數據處理、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、機電一體化系統設計、塊化多結構并聯機器人、機電液系統綜合性能測試、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質量提供依據。

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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。