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現(xiàn)代制造工程技術(shù)研究生實踐課程教學(xué)方法研究論文
現(xiàn)代制造工程技術(shù)課程實踐教學(xué)圍繞數(shù)控加工制造、控制、監(jiān)測的三個主要環(huán)節(jié)開展實踐型實驗教學(xué)，使機械工程類研究生較深入地掌握現(xiàn)代制造工程領(lǐng)域解決實際制造問題的基本方法，提高工程實踐能力。
1 前言
機械工程領(lǐng)域工程碩士的培養(yǎng)目標是了解機械工程學(xué)科發(fā)展的前沿和動態(tài)，掌握機械工程學(xué)科堅實的基礎(chǔ)理論、先進的技術(shù)方法和手段，具有獨立從事工程設(shè)計、工程實施、工程研究、工程開發(fā)和工程管理等能力[1-2]。要達到這樣一個培養(yǎng)目標，專業(yè)實踐是必不可少的重要環(huán)節(jié)，充分的、高質(zhì)量的專業(yè)實踐是專業(yè)學(xué)位教育質(zhì)量的最重要保證。然而，目前大多數(shù)高校的在讀研究生是從本科直接考取的，工作經(jīng)驗很少，缺乏工程實踐的經(jīng)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(xiàn)今機械制造實踐課程的缺乏，打擊了研究生的學(xué)習(xí)興趣，阻礙了應(yīng)用型實踐人才的培養(yǎng)。
機械制造實踐基礎(chǔ)是從事機械制造、機械設(shè)計研究、裝備開發(fā)最重要的條件之一，現(xiàn)代制造工程技術(shù)涉及制造、加工、監(jiān)測多個環(huán)節(jié)，集機械制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)為一體，了解并掌握現(xiàn)代制造工程技術(shù)，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(xué)起步較晚，開展現(xiàn)代制造工程技術(shù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)可進一步完善研究實踐教學(xué)體系。該課程可直接作為機械制造工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生的必修課、機械制造類學(xué)術(shù)型碩士研究生的選修課。通過本課程學(xué)習(xí)，可培養(yǎng)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(xiàn)代制造工程技術(shù)相關(guān)理論與技術(shù)，提高將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于工程實際的能力，為今后從事本學(xué)科的科學(xué)研究及工程應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。
2 現(xiàn)代制造工程技術(shù)實踐教學(xué)總體內(nèi)容
根據(jù)先進制造的發(fā)展方向[5]及北京信息科技大學(xué)機械工程學(xué)科的傳統(tǒng)優(yōu)勢研究方向，以數(shù)控機床加工制造、控制、監(jiān)測為核心，結(jié)合機械行業(yè)實際工程案例及機械工程領(lǐng)域工程碩士研究生就業(yè)需要，從提高基礎(chǔ)實踐能力和綜合實踐能力兩方面開展課程建設(shè)�，F(xiàn)代制造工程技術(shù)課程實踐環(huán)節(jié)教學(xué)擬開設(shè)有三個方面的任務(wù)式專題實踐教學(xué)，即典型零件的數(shù)控編程與加工實驗、開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用、制造過程監(jiān)測與控制。三個單元循序漸進，采用教師理論講授與學(xué)生動手實際操作個性化實驗開發(fā)結(jié)合的理念，以學(xué)生實踐為主，完成三個專題的任務(wù)，最后以實驗報告+實驗程序的形式提交，課程內(nèi)容及學(xué)時分配如表1所示。
3 現(xiàn)代制造工程技術(shù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計
現(xiàn)代制造工程技術(shù)實踐課程以實驗室現(xiàn)有的科研設(shè)備為基礎(chǔ)，由教師提出總體任務(wù)要求和目標，學(xué)生親自動手完成各任務(wù)，在完成各個任務(wù)的關(guān)鍵節(jié)點由教師指導(dǎo)，采用的編程語言和相關(guān)軟件由學(xué)生根據(jù)自身特長及研究生課題自選。使學(xué)生在掌握實際設(shè)備開發(fā)技能的同時，掌握科學(xué)研究的方法，提高學(xué)生獨立思考及解決實際問題的能力。
典型零件的數(shù)控編程與加工實驗 數(shù)控加工是機械工程專業(yè)最具實踐性的課程，是多學(xué)科知識的融合，因此首先進行數(shù)控加工實踐環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。典型零件的數(shù)控編程與加工跟機械設(shè)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(fù)習(xí)與鞏固;在此基礎(chǔ)之上，進行CAM軟件學(xué)習(xí)及實際加工，典型零件的數(shù)控編程與加工實驗環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置如表2所示。
本環(huán)節(jié)以數(shù)控加工為主，為提高學(xué)生自主性，三維造型軟件不指定，SolidWorks、Pro/Engineer、UG等軟件由學(xué)生根據(jù)自身條件任選，三維模型統(tǒng)一保存為IGES格式文件。CAM軟件根據(jù)實驗室條件，統(tǒng)一采用PowerMill軟件進行工藝參數(shù)設(shè)置和選擇的加工設(shè)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(diào)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(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用 進行零件的數(shù)控編程與加工環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)之后，為了使學(xué)生進一步加深對數(shù)控系統(tǒng)的了解，提高機械工程領(lǐng)域工程碩士研發(fā)新設(shè)備的能力，進行開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。開放式數(shù)控系統(tǒng)與高級程序編程語言及運動控制理論密切相關(guān)，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(fù)習(xí)與鞏固;在此基礎(chǔ)上，進行開放式數(shù)控系統(tǒng)學(xué)習(xí)及二次開發(fā)，開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實驗環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置如表3所示。
本環(huán)節(jié)最終目標是采用高級語言實現(xiàn)上位控制界面的自主開發(fā)，開放式數(shù)控系統(tǒng)選用美國Delta Tau公司的PMAC Clipper控制器。為提高學(xué)生的自主性，上位編程語言不指定，PMAC系統(tǒng)二次開發(fā)支持Visual C++、Visual Basic、C#、LabView、Delphi等高級語言[7]，由學(xué)生根據(jù)自身特長任選。在數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用過程中，軟件和硬件是密不可分，因此在開發(fā)上位控制軟件的同時，還需掌握相關(guān)輔助PLC程序及運動控制程序的開發(fā)。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(shù)控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)節(jié)流程如圖2所示。
制造過程監(jiān)測與控制 設(shè)備研制完成后，一項重要的研究工作就是設(shè)備運行過程的監(jiān)控，進行誤差測量、采集和分析，這也是機械工程領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容。因此，完成零件的數(shù)控編程與加工、開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)之后，進行制造過程監(jiān)測與控制環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。制造過程監(jiān)控涉及裝備、傳感器、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)處理等多個環(huán)節(jié)。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(fù)習(xí)與鞏固，在此基礎(chǔ)上進行基于數(shù)據(jù)采集卡的上位界面二次開發(fā)，并將采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析，以有效、準確地獲知裝備運行的基本狀態(tài)。制造過程監(jiān)測與控制實驗環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置如表4所示。
本環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)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(fā)[8]�？紤]到LabView在虛擬儀器領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢，該環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集界面開發(fā)以LabView為主，但也可采用其他高級語言。測量對象以機床狀態(tài)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(shù)據(jù)處理，最終實現(xiàn)對機床當(dāng)前狀況的判斷。制造過程監(jiān)測與控制開發(fā)環(huán)節(jié)流程如圖3所示。
4 結(jié)論
1)現(xiàn)代制造工程技術(shù)研究生實踐課程環(huán)節(jié)涉及機械制造、控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)等多項技術(shù)，通過三個的環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)，將有效提高機械工程領(lǐng)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(xué)體系，為今后從事本學(xué)科的科學(xué)研究及工程應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。
2)現(xiàn)代制造工程技術(shù)研究生實踐課程包含多種設(shè)備、多種高級語言編程及三維軟件的使用，涉及內(nèi)容較多，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，在短時間內(nèi)完成，對教師及學(xué)生均提出巨大挑戰(zhàn)，具體效果還有待進一步研究。
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