現代制造工程技術研究生實踐課程教學方法研究

彭寶營 王紅軍 楊慶東 劉國慶

摘 要 現代制造工程技術課程實踐教學圍繞數控加工制造、控制、監測的三個主要環節開展實踐型實驗教學，使機械工程類研究生較深入地掌握現代制造工程領域解決實際制造問題的基本方法，提高工程實踐能力。

關鍵詞 現代制造工程技術；機械工程；工程碩士；實踐教學

中圖分類號：G643.2 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）04-0160-03

1 前言

機械工程領域工程碩士的培養目標是了解機械工程學科發展的前沿和動態，掌握機械工程學科堅實的基礎理論、先進的技術方法和手段，具有獨立從事工程設計、工程實施、工程研究、工程開發和工程管理等能力[1-2]。要達到這樣一個培養目標，專業實踐是必不可少的重要環節，充分的、高質量的專業實踐是專業學位教育質量的最重要保證。然而，目前大多數高校的在讀研究生是從本科直接考取的，工作經驗很少，缺乏工程實踐的經驗，既極大限制了對機械理論知識的理解，又無法解決工程實際問題[3-4]。對工科機械類的研究生特別是工程碩士研究生而言，機械制造的實踐知識對他們來說尤為重要，他們對實踐要求也最為迫切，但現今機械制造實踐課程的缺乏，打擊了研究生的學習興趣，阻礙了應用型實踐人才的培養。

機械制造實踐基礎是從事機械制造、機械設計研究、裝備開發最重要的條件之一，現代制造工程技術涉及制造、加工、監測多個環節，集機械制造技術、數控技術、傳感器技術、信息技術為一體，了解并掌握現代制造工程技術，對機械工程類研究生是十分重要的。我國工程碩士研究生實踐教學起步較晚，開展現代制造工程技術課程實踐教學環節建設可進一步完善研究實踐教學體系。該課程可直接作為機械制造工程專業學位碩士研究生的必修課、機械制造類學術型碩士研究生的選修課。通過本課程學習，可培養機械工程類工程碩士研究生的動手能力和實踐能力，使其掌握現代制造工程技術相關理論與技術，提高將數字化技術應用于工程實際的能力，為今后從事本學科的科學研究及工程應用打下良好的基礎。

2 現代制造工程技術實踐教學總體內容

根據先進制造的發展方向[5]及北京信息科技大學機械工程學科的傳統優勢研究方向，以數控機床加工制造、控制、監測為核心，結合機械行業實際工程案例及機械工程領域工程碩士研究生就業需要，從提高基礎實踐能力和綜合實踐能力兩方面開展課程建設。現代制造工程技術課程實踐環節教學擬開設有三個方面的任務式專題實踐教學，即典型零件的數控編程與加工實驗、開放式數控系統開發與應用、制造過程監測與控制。三個單元循序漸進，采用教師理論講授與學生動手實際操作個性化實驗開發結合的理念，以學生實踐為主，完成三個專題的任務，最后以實驗報告+實驗程序的形式提交，課程內容及學時分配如表1所示。

3 現代制造工程技術實踐教學環節設計

現代制造工程技術實踐課程以實驗室現有的科研設備為基礎，由教師提出總體任務要求和目標，學生親自動手完成各任務，在完成各個任務的關鍵節點由教師指導，采用的編程語言和相關軟件由學生根據自身特長及研究生課題自選。使學生在掌握實際設備開發技能的同時，掌握科學研究的方法，提高學生獨立思考及解決實際問題的能力。

典型零件的數控編程與加工實驗 數控加工是機械工程專業最具實踐性的課程，是多學科知識的融合，因此首先進行數控加工實踐環節學習。典型零件的數控編程與加工跟機械設計密不可分，因此在進行該實驗之前，首先進行機械造型三維軟件復習與鞏固；在此基礎之上，進行CAM軟件學習及實際加工，典型零件的數控編程與加工實驗環節內容設置如表2所示。

本環節以數控加工為主，為提高學生自主性，三維造型軟件不指定，SolidWorks、Pro/Engineer、UG等軟件由學生根據自身條件任選，三維模型統一保存為IGES格式文件。CAM軟件根據實驗室條件，統一采用PowerMill軟件進行工藝參數設置和選擇的加工設備后處理[6]，運動仿真檢驗完成后將加工程序輸入機床，在VMC 600立式銑削加工中心上完成程序最后調整及零件實際加工，并檢驗加工效果，具體流程如圖1所示。

開放式數控系統開發與應用 進行零件的數控編程與加工環節學習之后，為了使學生進一步加深對數控系統的了解，提高機械工程領域工程碩士研發新設備的能力，進行開放式數控系統開發與應用環節學習。開放式數控系統與高級程序編程語言及運動控制理論密切相關，因此在進行該實驗的同時，首先進行高級程序編程語言及運動控制理論復習與鞏固；在此基礎上，進行開放式數控系統學習及二次開發，開放式數控系統開發與應用實驗環節內容設置如表3所示。

本環節最終目標是采用高級語言實現上位控制界面的自主開發，開放式數控系統選用美國Delta Tau公司的PMAC Clipper控制器。為提高學生的自主性，上位編程語言不指定，PMAC系統二次開發支持Visual C++、Visual Basic、C#、LabView、Delphi等高級語言[7]，由學生根據自身特長任選。在數控系統的開發應用過程中，軟件和硬件是密不可分，因此在開發上位控制軟件的同時，還需掌握相關輔助PLC程序及運動控制程序的開發。上位控制界面的具體效果，需在PMAC運動控制平臺上進行檢驗。開放式數控系統開發環節流程如圖2所示。

制造過程監測與控制 設備研制完成后，一項重要的研究工作就是設備運行過程的監控，進行誤差測量、采集和分析，這也是機械工程領域重要的研究內容。因此，完成零件的數控編程與加工、開放式數控系統開發與應用環節學習之后，進行制造過程監測與控制環節學習。制造過程監控涉及裝備、傳感器、軟件開發、數據處理等多個環節。因此，在進行該實驗的同時，需要進行高級程序編程語言、傳感器的原理及使用等知識的復習與鞏固，在此基礎上進行基于數據采集卡的上位界面二次開發，并將采集到的數據進行處理分析，以有效、準確地獲知裝備運行的基本狀態。制造過程監測與控制實驗環節內容設置如表4所示。

本環節的數據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#等多種高級編程語言開發[8]。考慮到LabView在虛擬儀器領域的巨大優勢，該環節數據采集界面開發以LabView為主，但也可采用其他高級語言。測量對象以機床狀態測量為主，可測量機床運行溫度、電流、力等多種傳感器的信號，并完成傳感器供電電路連接、傳感器的標定及采集數據處理，最終實現對機床當前狀況的判斷。制造過程監測與控制開發環節流程如圖3所示。

4 結論

1）現代制造工程技術研究生實踐課程環節涉及機械制造、控制技術、數控技術、傳感器技術、信息技術等多項技術，通過三個的環節學習，將有效提高機械工程領域工程碩士研究生的綜合實踐能力，完善工程碩士研究生實踐教學體系，為今后從事本學科的科學研究及工程應用打下良好的基礎。

2）現代制造工程技術研究生實踐課程包含多種設備、多種高級語言編程及三維軟件的使用，涉及內容較多，學生基礎參差不齊，在短時間內完成，對教師及學生均提出巨大挑戰，具體效果還有待進一步研究。

參考文獻

[1]韓寶坤，張悅刊，孫雪顏.機械工程領域全日制專業學位研究生實踐能力的培養[J].教書育人：高教論壇，

2014（10）：26-27.

[2]唐志軍，吳笑峰，席在芳，等.面向實踐創新能力的工科研究生培養模式探討[J].山西科技，2015，5（30）：91-93.

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[4]楊雪，于新奇，黃風山，等.機械工程領域專業學位碩士研究生培養模式探索：以河北科技大學為例[J].開封教育學院學報，2013（6）：122-123.

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

[8]北京阿爾泰科技發展有限公司.USB5935 WIN2000/XP驅動程序使用說明書[M].北京：2010.