機械精度設計與檢測技術課程項目式教學實踐

鐘永騰 胡權耀

摘? 要 “機械精度設計與檢測技術”作為工業工程專業的核心課程之一，主要培養學生對機械精度要求和檢測的理解能力，但工業工程專業學生缺少機械精度設計的實踐機會。針對這一問題，探索運用“項目導向，問題驅動”教學法，以科研項目中的實際問題引出知識點，轉化為工程應用問題，鞏固理論知識的同時，提高學生的工程應用能力。

關鍵詞 工業工程專業;機械精度設計與檢測技術;項目式教

學;壓電傳感器;陣列;陣元

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）23-0081-04

1 引言

工業工程專業培養具備扎實的工程技術和計算機技術基礎，又掌握現代管理科學與系統工程的理論和方法，能熟練應用工業工程知識對生產系統和服務系統進行規劃、設計、評價和創新的應用型高級專門人才[1]。“機械精度設計與檢測技術”作為工業工程專業的核心課程之一，與工業工程專業中質量控制密切相關，主要培養學生對機械精度要求和檢測的理解能力，為后續的專業課奠定基礎[2]。

然而，通過近幾年在工業工程專業的授課經歷和課程效果來看，學生很少能夠在課程設計或畢業設計等實踐環節使用或能夠靈活運用機械精度相關的知識。為了更好地適應應用型本科教育的發展需要，工業工程教研室在“機械精度設計與檢測技術”課程改革過程中探索運用“項目導向，問題驅動”教學法，將授課教師相關的國家級、省級自然科學基金項目等課題引入日常教學中，以科研項目中的實際問題引出知識點，轉化為工程應用問題，最終實現“以學生為主體、以教師為主導”的引導式教學[3-5]。通過項目式教學促進教師和學生的交流互動，提升學生主動學習的積極性，增強對學生工程應用能力的訓練，符合企業對應用型機械工程技術人才的基本要求。

2 項目式教學設計

機械零部件幾何精度設計的任務，就是根據機械系統的功能和使用要求，確定零件的幾何參數，合理地給出尺寸、形狀位置和表面粗糙度的公差值，用于控制加工誤差，從而保證產品的各項性能要求。

課程實踐以國家自然科學基金項目中關于壓電傳感器陣列的優化布置問題為導向。如圖1所示，圖中為航空復合材料油箱結構的損傷監測系統，在結構中布置了一條間距相等的均勻線型壓電傳感器陣列，即在與短邊中間平行的一條直線上布置七個壓電傳感器陣列，且每個相鄰的傳感器之間的間距相同。根據項目的需求，可以歸納如下幾個機械精度相關的問題：

1）如何選用形狀或位置特征項目描述壓電傳感器陣列精度？

2）如何檢測已貼好的傳感器陣列的誤差？

3）結合機械精度的知識與工業工程的專業知識，制作出壓電傳感器陣列的布置流程，確保較好的檢測精度。

通過科研任務的項目式分解和問題式導向，將工作任務和書本上的知識點聯系起來，用書本上的知識點解決現有的科研問題，讓學生在項目探究的過程中掌握機械精度設計課程中眾多的基本概念與標準等重要理論知識，強化課程內容與工業工程專業的相關性，提高學生的工程能力和創新能力。

3 實踐過程

項目中所研究的對象是壓電傳感器，型號為PSN-33，規格為直徑8 mm、厚度0.48 mm。圖2所示為均勻線型壓電傳感器陣列的設計圖，陣元個數為七，按照從左到右的順序編號為PZT1～PZT7，陣列間距為10 mm，陣列長度為60 mm。

然而壓電傳感器陣列在實際布置時存在一些問題：壓電傳感器的壓電參數存在誤差;正、負極區域直徑差異大，不易焊接，廢品率高;每個傳感器粘貼所用的膠水量不同，且傳感器位置誤差較大，如圖3所示。為了增強損傷監測系統的檢測效果，結合機械精度設計和工業工程專業知識，研究壓電傳感器陣列誤差及其布置方法。

壓電傳感器陣列布置與誤差測量? 為了研究參數誤差，在采購的一批壓電傳感器中隨機選取140個作為樣本，讓學生分組逐一測量其電容值，并將測量值列于表1中，電容值波動比較大。經分組討論，得出可以將這一批壓電傳感器進行分組，盡量減小由于傳感器參數不同引起的陣列誤差。按照圖2均勻線型壓電傳感器陣列的設計圖，包含七個陣元，按照從左到右的順序編號為PZT1～PZT7，陣列間距為10 mm，陣列長度為60 mm。引導學生按照如下步驟進行壓電傳感器陣列布置實踐活動：

1）用萬用表測量電容值，檢測壓電傳感器的好壞;

2）壓電傳感器焊接;

3）用函數發生器對壓電傳感器二次檢測;

4）劃線、粘貼壓電傳感器。

圖4為某一組學生的壓電傳感器布置實物圖。引導學生觀察自己作品的壓電傳感器布置質量情況，發現1～3號間距較密，4～6號間距較大，且4號壓電傳感器位置最靠下。

事實上，理想的壓電傳感器陣列中各壓電傳感器需盡量保持在一條直線上，間距相等，在同一平面上，即壓電傳感器的直線度、位置度、平面度誤差應盡量小，才能保證與理論設計的陣列信號采集模型一致，提高損傷檢測精度。通過講解分析每一組的壓電傳感器布置實物，并聯系機械精度設計課程中的理論知識，將壓電傳感器陣列的直線度誤差、平面度誤差以及最大的陣元位置誤差設定為檢測指標，描述壓電傳感器布置質量。

將所有布置好的壓電傳感器陣列進行誤差測量統計，如表2所示，共20組壓電傳感器陣列誤差數據。從表2可以看出，陣元的最大位置誤差最明顯，達到2 mm，為傳感器間距的17.8%;陣列的最大直線度誤差為0.94 mm;而平面度誤差較小，基本上可以忽略不計。因此，后期布置質量改進時，需重點考慮陣列直線度和陣元位置度。

制定壓電傳感器陣列布置工藝流程? 同一個項目相同要求的傳感器陣列布置任務，可以采用不同的工藝過程完成，其中總有一種工藝過程是在某一具體條件下最合理的。通過本次項目式教學實踐環節，每一組學生都進行了測量、焊接與粘貼等布置工藝過程，但陣列布置質量差別較大。因此，通過討論并總結每一組學生的實踐經驗，學生共同完成較為規范的壓電傳感器陣列布置工藝流程設計，如表3所示。

4 結語

本次項目式教學實踐以科研項目中關于壓電傳感器陣列的優化布置問題引出，布置壓電傳感器陣列與測量誤差，制定陣列布置工藝流程等實踐環節。通過教學，不僅讓學生鞏固了“機械精度設計與檢測技術”這門課程中關于機械產品尺寸精度設計、幾何精度設計等重要的理論知識，還通過實踐深刻理解了機械精度要求，掌握了誤差測量方法與表征方法。

參考文獻

[1]薛偉，蔣祖華.工業工程概論[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]孟兆新，馬惠萍.機械精度設計基礎[M].3版.北京：科學出版社，2012.

[3]馬小煥.以科研項目為導向的“經濟林栽培”課程教學改革與實踐[J].科教文匯，2019（24）：84-85.

[4]馬建偉，司立坤，孫士勇，等.“機械精度設計與檢測技術”教學改革與實踐[J].實驗室科學，2018（2）：122-124，127.

[5]崔巖，司立坤，牛斌.機械精度實驗課程教學改革與實踐[J].實驗室科學，2018（2）：125-127.

項目來源：國家自然科學青年基金（51505339），溫州大學教學改革研究一般項目（16jg52）。

作者：鐘永騰，溫州大學，副教授，研究方向為陣列信號與處理技術;胡權耀，溫州大學（325035）。