“材料成形設備與控制”課程改革
——面向新工科建設與通識教育的教學改革探索

王小松，王東君，曹福洋，王克環，劉 鋼

（哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

引言

“材料成形設備與控制”課程是材料成形與控制專業的核心課程，現有“材料成形設備與控制”課程嚴格按照專業門類授課。以塑性成形設備為例，主要講述液壓機、曲柄壓力機、螺旋壓力機、鍛錘等常見塑性成形設備，每種設備的內容是獨立的，基本覆蓋現有工業生產中常見的材料成形設備。其優點是學生對每類設備的知識均掌握得較細較好，在傳統工科要求細分門類的背景下，培養的畢業生進入企業后可以較快掌握設備操作，符合企業實際需要。筆者調查了國內開設“材料成形設備與控制”課程的5所“雙一流”知名高校，目前均仍在按照設備門類進行課堂教學。

一、課程教學現狀

傳統教學模式難以滿足通識教育與新工科建設培養多元化、創新型卓越工程人才的要求，具體表現在以下兩方面。

第一，通識教育人才培養模式下，專業課課時被大幅壓縮，學生難以在課堂上獲得不同種類成形設備的詳細知識。在通識教育人才培養模式下，“材料成形設備與控制”課程總學時被壓縮至32學時，沒有足夠的課時詳細講述多種設備的工作原理、機械結構、動作等細節，只能簡單介紹設備基本原理，無法深入細致講授各種設備的原理與特點，學生無法掌握各類設備的特點。

第二，在信息與計算機控制技術快速發展的大背景下，課程內容仍以設備機械結構與傳動為主，內容陳舊，學生未能學習先進高端材料成形設備的核心工作原理。近30年來，材料成形設備的進步主要體現在依靠先進的計算機與伺服控制技術提高設備控制精度與性能，提升工藝整體水平，實現復雜工藝加載與零件高精度成形。材料成形設備正由工業2.0電氣化時代過渡到工業3.0信息化時代，并向著以智能化為核心的工業4.0發展。但現有授課內容并未反映出這一變革，學生不了解現代控制方法，難以真正理解并掌握實現設備高精度、高性能的途徑。

新工科建設的目標是培養多元化、創新型卓越工程人才，要求拓寬學生知識面，培養學生創新能力，而傳統“材料成形設備與控制”課程授課內容僅獨立地講授各類設備，計算機/控制等相關學科知識介紹少，學生知識面窄，難以真正理解設備實現高精度加載原理，也就無從談起融會貫通與創新能力的培養。由于未能掌握計算機伺服控制設備實現高精度控制的原理，學生缺乏對現代設備的整體認識，難以舉一反三進行創新，無法滿足材料成形行業快速發展的需求。

為解決該問題，筆者提出了面向新工科建設的“材料成形設備與控制”課程改革方案，由傳統模式分別介紹各類典型設備，以設備核心控制要素為主線開展授課，取得了較好的教學效果。

二、課程改革方案

筆者提出的課程改革方案以材料成形設備中典型要素高精度控制為核心線索，綜合講述計算機控制、伺服控制及材料成形設備結構等內容。圖1是傳統授課體系與改革后授課體系的對比，實線線框內為傳統授課模式內容，虛線線框內為改革后的教學內容。可以看出傳統模式授課內容集中于常規機械結構與電氣控制，屬于工業2.0時代，而新課程體系縮小了講授設備的范圍，主要講授計算機/控制知識與代表性塑性成形設備的結合，系統介紹材料成形設備由工業2.0提升至工業4.0的發展過程。

圖1 新舊授課知識體系對比

首先，介紹塑性成形設備中常用液壓傳動與伺服控制技術、電機傳動與伺服控制技術，解釋其工作原理與特點，該部分是設備高精度動作與控制的基礎。其次，講述計算機控制系統基本原理，包括計算機系統信號類型、輸入/輸出通道與控制算法等知識，重點闡述計算機控制系統如何實現高響應速度與高控制精度，為其在材料成形設備中的應用打好基礎。然后，圍繞材料成形設備中的核心控制要素，如力、位置（速度）控制，講授其控制原理，詳細介紹如何采用計算機控制系統實現這些核心控制要素的快速高精度控制。在學生掌握核心要素控制原理后再舉例介紹典型成形設備，將核心要素控制原理應用于實際設備，使學生理解掌握設備的動作與控制原理。最后，在理解掌握現有計算機伺服控制基本原理后，介紹設備智能化發展趨勢，指明材料成形設備的發展方向。

（一）液壓傳動與液壓伺服控制

液壓傳動技術便于實現大載荷加載，并可在行程過程中連續調節力和速度，在塑性成形設備中得到了廣泛應用。液壓傳動技術一直是塑性成形設備的核心內容，包括液壓傳動基礎知識、液壓動力元件、控制元件與典型回路等。課程改革后拓展了液壓控制內容，介紹比例閥與伺服閥結構與特點，重點講述其能夠實現高精度控制的原理，然后介紹伺服控制系統工作原理及典型回路。該部分內容是工業3.0計算機伺服控制的實施部分，重點講授通過閥芯的高精度位移控制實現流體流量分配，從而精確控制液壓缸動作。

（二）伺服電機控制

伺服電機是另一類材料成形設備中廣泛使用的伺服控制設備，該部分重點講述伺服電機工作與控制原理，通過控制輸入轉矩，可以控制輸出元件的位移（速度）以及力，將重點講述伺服電機與計算機控制系統的接口。

（三）數字計算機控制基礎

講述計算機控制系統組成與工作原理，包括計算機系統信號、傳感器、輸入/輸出單元、控制算法等主要因素，如圖2所示。授課內容主要包括：（1）控制系統信號。講述計算機控制系統中的多種類型控制信號，信號轉換過程中如何產生誤差，以及避免降低控制精度的措施。（2）傳感器。簡要介紹傳感器的輸出形式與精度，輸出形式即如何將傳感器形式引入計算機，而采用高精度傳感器是計算機控制系統實現高精度控制的基礎。（3）輸入/輸出部分。A/D與D/A轉換器其工作原理，要求學生掌握常規轉換的計算，以及提高轉換精度的措施。（4）控制算法。以PID算法為例，介紹算法如何計算控制量，解釋控制量如何影響控制精度。

圖2 計算機控制系統原理組成圖

講述該部分教學內容的目的是使學生掌握計算機控制系統的組成與工作原理，建立計算機控制與機械設備之間的聯系，掌握計算機控制系統軟硬件組成如何影響成形設備的功能與控制精度。

（四）先進代表性塑性成形設備

將計算機控制與伺服控制應用于先進塑性成形設備，如內高壓成形機與伺服壓力機，加深學生對設備工作原理的理解，介紹成形設備為工藝需求服務的理念。

內高壓成形機是伺服液壓控制技術在材料成形設備與控制中的典型應用。首先介紹普通液壓機，以不同成形工藝舉例說明普通液壓機僅可進行鐓粗、自由鍛等對控制精度要求較低的工藝，而內高壓成形機可實現內壓與軸向進給位移的精確匹配。從液壓控制原理與計算機控制系統原理兩方面進行對比分析，解釋內高壓成形機能夠獲得高控制精度的原理。同時，授課時注意講授工藝與設備的結合，工藝發展要求設備實現高精度控制，實現工藝的發展和升級。

伺服電機控制應用的典型代表是伺服機械壓力機，同樣與傳統機械壓力機對比講述。以簡單沖壓件與復雜沖壓件成形工藝為例，講述伺服機械壓力機由于增加了轉速可控的伺服電機與位移傳感器，因此實現沖壓速度可控，實現工藝需求加載速度的原理。

通過講述控制原理在先進材料成形設備與控制中的應用，使學生建立起設備與工藝緊密聯系、設備服務于工藝的理念。該部分內容不僅介紹液壓控制與伺服控制原理，還通過實例計算，講述傳感器精度、信號轉換元件精度與執行元件精度對設備控制精度的影響，將前三部分講述的原理應用于實際設備，使學生真正理解計算機控制系統提升設備控制精度的具體方法與措施。

（五）材料成形設備智能化發展趨勢

隨著大數據與信息技術的快速發展，材料成形設備也向著智能化的方向發展，智能成形制造也日益成為現實。本部分提煉了材料成形領域裝備智能化途徑，為學生奠定智能成形知識基礎。

智能化發展趨勢分兩部分講授：（1）設備能智能應對成形過程中出現的復雜意外情況，做出最合理的反應。以內高壓成形中管端液體泄漏智能判斷為例，講述意外情況判斷與反應原理，采用多傳感器測量內高壓成形時不同位置液體壓力，獲得流體傳動時的壓力梯度變化，通過多傳感器數據融合算法判斷泄漏發生的位置。（2）設備能根據材料變形的實際情況，調整控制參數實現智能成形。以變徑管內高壓成形過程中皺紋控制為實例，講述如何根據管材實時變形形狀調整加載內壓與軸向進給量。

結語

本課程建設將“材料成形設備與控制”課程授課體系由傳統授課方案僅介紹各種典型工藝代表設備，改為以新工藝需求為導向，以核心要素控制原理為線索的全新教學模式，更適應目前國家產業升級的發展趨勢。根據科技發展趨勢，提煉共性的基礎知識點，在掌握傳統工藝設備原理的基礎上，使學生掌握計算機控制與智能控制基本原理，提高學生的學習能力和創新能力，適應“材料—工藝—設備”一體化教學的需求。