现代制造工程技术研究生实践课程教学方法研究

　　现代制造工程技术课程实践教学围绕数控加工制造、控制、监测的三个主要环节开展实践型实验教学，使机械工程类研究生较深入地掌握现代制造工程领域解决实际制造问题的基本方法，提高工程实践能力。

　　1 前言

　　机械工程领域工程硕士的培养目标是了解机械工程学科发展的前沿和动态，掌握机械工程学科坚实的基础理论、先进的技术方法和手段，具有独立从事工程设计、工程实施、工程研究、工程开发和工程管理等能力[1-2]。要达到这样一个培养目标，专业实践是必不可少的重要环节，充分的、高质量的专业实践是专业学位教育质量的最重要保证。然而，目前大多数高校的在读研究生是从本科直接考取的，工作经验很少，缺乏工程实践的经验，既极大限制了对机械理论知识的理解，又无法解决工程实际问题[3-4]。对工科机械类的研究生特别是工程硕士研究生而言，机械制造的实践知识对他们来说尤为重要，他们对实践要求也最为迫切，但现今机械制造实践课程的缺乏，打击了研究生的学习兴趣，阻碍了应用型实践人才的培养。

　　机械制造实践基础是从事机械制造、机械设计研究、装备开发最重要的条件之一，现代制造工程技术涉及制造、加工、监测多个环节，集机械制造技术、数控技术、传感器技术、信息技术为一体，了解并掌握现代制造工程技术，对机械工程类研究生是十分重要的。我国工程硕士研究生实践教学起步较晚，开展现代制造工程技术课程实践教学环节建设可进一步完善研究实践教学体系。该课程可直接作为机械制造工程专业学位硕士研究生的必修课、机械制造类学术型硕士研究生的选修课。通过本课程学习，可培养机械工程类工程硕士研究生的动手能力和实践能力，使其掌握现代制造工程技术相关理论与技术，提高将数字化技术应用于工程实际的能力，为今后从事本学科的科学研究及工程应用打下良好的基础。

　　2 现代制造工程技术实践教学总体内容

　　根据先进制造的发展方向[5]及北京信息科技大学机械工程学科的传统优势研究方向，以数控机床加工制造、控制、监测为核心，结合机械行业实际工程案例及机械工程领域工程硕士研究生就业需要，从提高基础实践能力和综合实践能力两方面开展课程建设。现代制造工程技术课程实践环节教学拟开设有三个方面的任务式专题实践教学，即典型零件的数控编程与加工实验、开放式数控系统开发与应用、制造过程监测与控制。三个单元循序渐进，采用教师理论讲授与学生动手实际操作个性化实验开发结合的理念，以学生实践为主，完成三个专题的任务，最后以实验报告+实验程序的形式提交，课程内容及学时分配如表1所示。

　　3 现代制造工程技术实践教学环节设计

　　现代制造工程技术实践课程以实验室现有的科研设备为基础，由教师提出总体任务要求和目标，学生亲自动手完成各任务，在完成各个任务的关键节点由教师指导，采用的编程语言和相关软件由学生根据自身特长及研究生课题自选。使学生在掌握实际设备开发技能的同时，掌握科学研究的方法，提高学生独立思考及解决实际问题的能力。

　　典型零件的数控编程与加工实验 数控加工是机械工程专业最具实践性的课程，是多学科知识的融合，因此首先进行数控加工实践环节学习。典型零件的数控编程与加工跟机械设计密不可分，因此在进行该实验之前，首先进行机械造型三维软件复习与巩固;在此基础之上，进行CAM软件学习及实际加工，典型零件的数控编程与加工实验环节内容设置如表2所示。

　　本环节以数控加工为主，为提高学生自主性，三维造型软件不指定，SolidWorks、Pro/Engineer、UG等软件由学生根据自身条件任选，三维模型统一保存为IGES格式文件。CAM软件根据实验室条件，统一采用PowerMill软件进行工艺参数设置和选择的加工设备后处理 [6]，运动仿真检验完成后将加工程序输入机床，在VMC 600立式铣削加工中心上完成程序最后调整及零件实际加工，并检验加工效果，具体流程如图1所示。

　　开放式数控系统开发与应用 进行零件的数控编程与加工环节学习之后，为了使学生进一步加深对数控系统的了解，提高机械工程领域工程硕士研发新设备的能力，进行开放式数控系统开发与应用环节学习。开放式数控系统与高级程序编程语言及运动控制理论密切相关，因此在进行该实验的同时，首先进行高级程序编程语言及运动控制理论复习与巩固;在此基础上，进行开放式数控系统学习及二次开发，开放式数控系统开发与应用实验环节内容设置如表3所示。

　　本环节最终目标是采用高级语言实现上位控制界面的自主开发，开放式数控系统选用美国Delta Tau公司的PMAC Clipper控制器。为提高学生的自主性，上位编程语言不指定，PMAC系统二次开发支持Visual C++、Visual Basic、C#、LabView、Delphi等高级语言[7]，由学生根据自身特长任选。在数控系统的开发应用过程中，软件和硬件是密不可分，因此在开发上位控制软件的同时，还需掌握相关辅助PLC程序及运动控制程序的开发。上位控制界面的具体效果，需在PMAC运动控制平台上进行检验。开放式数控系统开发环节流程如图2所示。

　　制造过程监测与控制 设备研制完成后，一项重要的研究工作就是设备运行过程的监控，进行误差测量、采集和分析，这也是机械工程领域重要的研究内容。因此，完成零件的数控编程与加工、开放式数控系统开发与应用环节学习之后，进行制造过程监测与控制环节学习。制造过程监控涉及装备、传感器、软件开发、数据处理等多个环节。因此，在进行该实验的同时，需要进行高级程序编程语言、传感器的原理及使用等知识的复习与巩固，在此基础上进行基于数据采集卡的上位界面二次开发，并将采集到的数据进行处理分析，以有效、准确地获知装备运行的基本状态。制造过程监测与控制实验环节内容设置如表4所示。

　　本环节的数据采集卡选用北京阿尔泰科技的USB5935，该采集卡采用USB通信方式，支持LabView、Visual C++、Visual Basic、C#等多种高级编程语言开发[8]。考虑到LabView在虚拟仪器领域的巨大优势，该环节数据采集界面开发以LabView为主，但也可采用其他高级语言。测量对象以机床状态测量为主，可测量机床运行温度、电流、力等多种传感器的信号，并完成传感器供电电路连接、传感器的标定及采集数据处理，最终实现对机床当前状况的判断。制造过程监测与控制开发环节流程如图3所示。

　　4 结论

　　1)现代制造工程技术研究生实践课程环节涉及机械制造、控制技术、数控技术、传感器技术、信息技术等多项技术，通过三个的环节学习，将有效提高机械工程领域工程硕士研究生的综合实践能力，完善工程硕士研究生实践教学体系，为今后从事本学科的科学研究及工程应用打下良好的基础。

　　2)现代制造工程技术研究生实践课程包含多种设备、多种高级语言编程及三维软件的使用，涉及内容较多，学生基础参差不齐，在短时间内完成，对教师及学生均提出巨大挑战，具体效果还有待进一步研究。

　　作者：彭宝营 王红军 杨庆东 刘国庆 来源：中国教育技术装备 2016年4期