工程認(rèn)證背景下機(jī)械專業(yè)大類機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及開發(fā)

婁軍強(qiáng)，陳特歡，崔玉國(guó)，馬劍強(qiáng)

（寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江 寧波 315211）

工程教育專業(yè)認(rèn)證是針對(duì)高等教育本科工程類專業(yè)教育開展的專門性評(píng)價(jià)[1]，旨在提升工科專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)工程教育質(zhì)量的國(guó)際認(rèn)可[2]。實(shí)訓(xùn)是機(jī)械專業(yè)教學(xué)中十分重要的一環(huán)，可以培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)和技能緊密結(jié)合的能力，切實(shí)解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題[3]。然而，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目往往按照給定的流程讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，簡(jiǎn)單地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考與討論[4]，且實(shí)訓(xùn)內(nèi)容通常注重于一門課程，導(dǎo)致學(xué)生不能通過(guò)實(shí)訓(xùn)將各課程聯(lián)系起來(lái)[5]，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，限制了其探索精神以及創(chuàng)新能力，違背了教學(xué)的初衷[6]。因此，高校勢(shì)必要對(duì)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)，提高學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，以達(dá)到培養(yǎng)具備工程實(shí)踐能力的機(jī)械人才的目的。

1 目前實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

機(jī)械專業(yè)實(shí)訓(xùn)作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程等機(jī)械本科專業(yè)教學(xué)必不可少的一環(huán)，其中涉及的知識(shí)理論性強(qiáng)，具有一定難度，內(nèi)容較抽象[7]。傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目通常是按照既定的流程測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析驗(yàn)證，且往往只為某一門課程專項(xiàng)配置[8]，學(xué)生只能死記硬背，這種刻板的實(shí)訓(xùn)模式限制了學(xué)生的探索精神以及創(chuàng)造力，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法很好地將各理論課程聯(lián)系起來(lái)，且學(xué)生在解決相關(guān)工程問題時(shí)無(wú)法完成基本的測(cè)試對(duì)象分析、測(cè)試方案的設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)的操作、測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、處理與解釋等任務(wù)[9]。綜上所述，現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)境并不同步，因此有必要開展機(jī)械專業(yè)機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)，解決學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容無(wú)法直接應(yīng)用于未來(lái)任職崗位的問題[10]。

2 工程認(rèn)證背景下機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革的意義

工程教育認(rèn)證倡導(dǎo) “成果導(dǎo)向教育” ，注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和核心能力，不斷完善我國(guó)的工程教育質(zhì)量監(jiān)控體系[11]。工程認(rèn)證背景下的機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力為目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生積極參與實(shí)踐的學(xué)習(xí)意愿，保證學(xué)生的工程能力水平[12]。學(xué)生通過(guò)實(shí)訓(xùn)可以掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成、控制方式、控制對(duì)象的基本特征及工作機(jī)理，最終通過(guò)考核體系評(píng)估學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，從而滿足當(dāng)前工程行業(yè)的需求。

3 工程認(rèn)證背景下機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目總體框架

本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要求學(xué)生設(shè)計(jì)搭建一個(gè)基于應(yīng)變傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，完成對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試與數(shù)據(jù)分析。懸臂梁作為工程領(lǐng)域中典型的二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對(duì)懸臂梁這一測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)合理的電橋電路并進(jìn)行調(diào)試來(lái)對(duì)其應(yīng)變傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波與采集，并對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行特性分析（圖1）。

圖1 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

3.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目具體內(nèi)容

3.2.1 懸臂梁動(dòng)力學(xué)建模

以y x，t表示懸臂梁的橫向位移，它是截面位置x和時(shí)間t的二元函數(shù)，以f x，t表示作用于梁上的單位長(zhǎng)度的橫向力，有懸臂梁在鉛垂y 方向的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：（x） 單位體積質(zhì)量；A（x） 橫截面積；EJ（x）——彎曲剛度；E——彈性模量；J（x）——橫截面對(duì)垂直于x和y軸且通過(guò)橫截面形心的軸的慣性矩。

利用懸臂梁的初始條件以及四個(gè)邊界條件可以求解出梁的固有頻率為

式中：l——梁的長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)梁材料為鋁，其一、二、三階特征頻率分別為。其對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1 所示。

表1 懸臂梁參數(shù)

代入可以求得懸臂梁的理論一階固有頻率約為52.4Hz。

3.2.2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及搭建

實(shí)驗(yàn)整體示意圖如圖2 所示，通過(guò)粘貼于懸臂梁根部的電阻應(yīng)變器對(duì)懸臂梁的位移進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)彎曲放大模塊以及NI 板卡將電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的信號(hào)采集分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及分析。

圖2 實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)際電路是由貼在懸臂梁根部?jī)蓚?cè)的共四片電阻應(yīng)變片搭建成的全橋電路，其四根導(dǎo)線分別與彎曲模塊的IN+、IN-、基準(zhǔn)電壓的輸入以及輸出相連，再把彎曲模塊上的GND、+5V 以及OUT 與NI 數(shù)據(jù)采集卡的GND、+5V 以及AI0 口相連，數(shù)據(jù)采集卡用USB 線連接電腦。

3.2.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

采用Labview 對(duì)懸臂梁的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的軟件界面如圖3（p78）所示，設(shè)置電壓值為±5V，接線端配置設(shè)置為差分，采樣數(shù)和采樣頻率設(shè)置為1000。點(diǎn)擊Labview 上的運(yùn)行按鈕（Run）；給懸臂梁脈沖激勵(lì)，觀察由脈沖激勵(lì)引起梁振動(dòng)衰減的曲線的波形，然后按下 “結(jié)束按鈕” ，完成采集。

圖3 軟件設(shè)計(jì)程序界面

3.2.4 信號(hào)分析處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)域響應(yīng)如圖4（a）（p78）所示，頻域響應(yīng)如圖4（b）所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 幅頻圖局部

4 機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目效果及學(xué)生評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證改革后實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)際效果，對(duì)寧波大學(xué)機(jī)械學(xué)院140 余名機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)的大三學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，結(jié)果如圖6（p79）所示。

圖6 調(diào)查結(jié)果

經(jīng)調(diào)查得知，82%的學(xué)生認(rèn)為機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目對(duì)他們的學(xué)習(xí)非常有幫助。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)應(yīng)變傳感器的靈敏度、測(cè)量范圍和數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面存在一定的困惑和難度，需要進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)操作培訓(xùn)。通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)操作，如傳感器安裝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等，訓(xùn)練了學(xué)生的動(dòng)手能力和技能，同時(shí)也有助于提高他們的實(shí)踐能力和解決問題的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)是機(jī)械大類專業(yè)中一門重要的基礎(chǔ)課程，實(shí)訓(xùn)課程能幫助學(xué)生更好地將理論知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系起來(lái)。本文在工程認(rèn)證的背景下，對(duì)機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)進(jìn)行了教學(xué)改革。整個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目基于懸臂梁振動(dòng)應(yīng)變分析，從理論分析到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)操作，讓學(xué)生在完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的過(guò)程中，自己學(xué)會(huì)去查找資料及分析問題，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐活動(dòng)。通過(guò)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的乏味不足之處，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中獲得了更高的參與感，其自主學(xué)習(xí)能力和工程實(shí)踐能力也得到了提升，成為能夠滿足國(guó)家需求的機(jī)械類合格畢業(yè)生。