李梦奇，李冬英，王　斌

（邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳　422004）

应用型机械工程数字化实验室建设研究与实践

李梦奇，李冬英，王斌

（邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳422004）

计算机深入融合到现代企业生产和销售的每个环节，对高校本科毕业生的信息化素养提出了新的要求，数字化实验教学成为应对手段。针对机械工程专业存在实验教学系统设计不够、设备孤岛现象、落后工业需求等问题，提出“系统性、集成性、先进性、实用性”的实验室建设指导思想，分数字化平台、信息数字化、数字信息分析、信息集成应用4个分室建设机械工程数字化实验室、实验教学体系和实验项目，分析了各实验项目的信息教学目标，提出实验室建设和实验项目建设路径，为实验室建设和提高人才培养质量提供依据。

数字化实验室；机械工程；实验教学

20世纪末，工业企业广泛、深入地利用计算机、通信、网络等技术，实现研发、计划、组织、生产、协调、销售、服务、创新等活动的数字化，进行产品设计和制造的升级换代，力求将企业内部的所有要素、模块和结果实现数字化，如消费需求、购买心态、消费模式、购买方式、产品的定位、特征、性能、生产、品质、周期、及服务等。提高现代大学生包括数字化信息获得、分析、处理、应用能力的数字化能力成为现代教育的一个核心内容，对于机械工程领域本科生而言，由于现代工业企业设计、生产、销售、服务过程普遍实现数字化，在校期间进行数字化素养的提升是满足现代企业需求人才必须完成的工作，数字化实验是有效提高大学生数字化、信息化素养的有效手段。

1　问题的提出

在中央财政支持地方高校发展专项资金、高校化债专项补助资金、生均拨款1.2万元中央财政“以奖代补”机制的支持下，高等院校在实验室建设方面投入了大量经费，教学科研仪器设备总值从2010年的2279亿到2015年的4058.6亿元，年均增长超过11%，6年时间几乎翻了一番。但是对于多数地方高校而言，经费还不是很充裕，在一定程度上存在专业实验配套不齐全、实验设备台套数少、综合型、设计型、创新型实验比例等问题，不能充分满足教学的要求，离培养高级应用型人才还有一定差距。在机械工程相关专业教学中，还存在系统设计不够、设备孤岛现象、落后工业需求等问题。

（1）系统设计不够，数字化实验没有覆盖教学的关键环节。高级应用型人才的培养要求高校不仅开设验证性、演示型实验，更要开设对学科内各实验，学科间各实验进行集成的“三性”实验，同时需要实现实验室的运行和管理一体化。

（2）数字化设备独立成岛，没有连接和集成。教学过程采用多种数字化设备，设计阶段有AutoCAD、Por/e、UG软件等，制造过程有数控设备，电子与控制更是机电一体化系统，但都相对独立，教学是分离的，形成“孤岛现象”。影响学生的专业视野和学识深度，进而影响到教学质量。

（3）设备水平远落后于工业企业水平，达不到模拟工业环境效果。机械实验室实验设备数量与质量的明显差距已成为影响实验教学质量的重要因素，以致教学改革所取得的教学科研成果无法及时地推广到教学和实验中，并导致机械类专业的实验教学改革工作无法进一步深化。

实验室建设是贯彻落实高级复合型人才培养目标的必然要求，同时也是满足教师与学生科研对实验设备的需求，对从根本上保证教学质量、促进教学改革成果的全面推广、培养学生的创新精神和实践能力、服务地方经济都具有十分重要的现实意义。

2　建设思想和思路

机械工程应用型人才应该具备较强的工程实践能力、合理的知识结构和一定的理论基础，能运用规范的工程语言及利用各种技术资源解决工程问题的能力。

2.1实验室建设思想

（1）系统性：建立基于数字化集成的专业认识、专业实验、专业课程设计、毕业设计需求的完整实践教学系统，学生可以得到全面、系统的训练，满足人才培养的要求。

（2）集成性：采用综合性的同一实验设备实现多个实验教学项目教学，将不同课程中具有相近要求的实验项目通过集成整合的方式组织教学。

（3）先进性：关键设备5年内不落后。

（4）实用性：满足现阶段学生的基本实验需求，提高学生的数字化素养、数字化能力，同时实验室建设适应目前和将来教学改革的形势，为新的教学改革体系创造坚实的实验基础。

2.2实验室建设思路

以结构尺寸、材料信息、电信号、液压流体、能源转换作为对象，实现其信息数字化获取、分析、处理、集成、应用，形成一个完整工程系统。不同专业人才培养的着重点不同。各专业学生都能在学习单元知识的同时明确其用途，基于系统角度进行知识的学习，使学生始终面向工程系统环境，从而提高学生真正解决工程问题的能力。

根据信息数字化获取、分析、处理、集成、应用过程，机械工程数字化实验室建设分成：数字化平台、信息数字化、数字信息分析、信息集成应用4个分室，各分室在系统中的作用如图1所示。

图1　机械工程数字化集成实验室

3　数字化实验教学体系

3.1数字化平台分室

以AutoCAD、SolidWorks、DelCAM、CAPPWORKS等为工具，实现从报价到获得产品订单的流程。从订单开始，启动报价流程，实现销售与设计人员的协同，实现产品设计流程。通过设计主管、项目经理、设计人员的角色分工以及设计、校对、审核、批准直至归档的流程管理，体现出产品从概念设计、三维建模设计、有限元分析、二维工程图等各个环节。

实现产品的工艺设计流程。从定义工艺模板开始，完成机加工、数控加工等工艺的编制与工艺流程的管理，以及生产过程需要的派工单、检验卡的定义与使用，统计各种工艺数据。在实验室机房里面，通过建立数字化设计平台、数字化工艺平台、数字化网络制造平台和数字化管理平台，使学生体验企业产品的整个生命周期的过程。将数控设备与机房、理论课程与实践课程进行有机融合，将企业一整套绘图、工艺、加工生产流程平移到学校中来，满足“工作过程的项目式教学”课程建设要求。

3.2数字化平台

（1）工程测绘与制图。通过实验，使得学生将所学理论和生产实践结合起来、学与画结合起来，牢固地掌握制图知识，提高绘制机械图样的基本技能。学生在教师指导下搞清所测绘部件的工作原理，懂得各零件的作用以及各零件间的装配联结关系，掌握测量工具的使用方法、准确测定尺寸，独立完成减速器的测绘，绘制该部件的装配图和零件图。培养学生综合运用工程图学理论，结合实际机件绘制标准机械图样的能力，并使所学知识得到进一步的巩固和深化；通过训练进一步养成认真负责的工作态度、严谨细致的工作作风和规范的制图习惯，并且通过测绘培养自主学习的能力，掌握相关分析问题和解决问题的基本方法。

（2）三坐标测量实验。通过三坐标测量机这种柔性的通用测量仪器，实现各种精度量的测量。使学生了解三坐标测量仪的结构，掌握三坐标测量仪的使用方法。通过几何量测量，培养学生分析和研究误差补偿的能力。

（3）组合变形测量及非接触式应变测量。综合性力学实验是在深入理解力学基本概念、了解力学实验基础、培养学生基本力学的基本实验基础上，强化分析力学机理和解决力学问题的能力，培养学生工程观点，提高学生动手能力。与工程实践相结合，可由学生根据问题的性质综合运用所学知识，自行设计实验方案。

3.3数据分析分室

（1）金相分析。通过金属材料组织结构分析实验使学生较熟练地掌握金属材料组织结构的分析方法，掌握金属材料结构与性能之间的内在联系及其规律，能进行常用材料的金相组织结构分析，为以后的学习和工作打下基础。

（2）XRD分析。学习X射线衍射仪结构和工作原理、物相定性分析的方法和步骤，了解X射线衍射物相定量分析的原理和方法、精确测定晶胞参数的方法；应用公式求粉末多晶的平均粒径；并能根据给定实验样品，设计实验方案，做出正确分析鉴定结果。

（3）三维形貌精密测量及数据处理。基于三维非接触式表面形貌仪测得的表面形貌数据实现零件表面形位公差，一维、二维线粗糙度参数，样品的波纹度、功率谱密度，孔深，孔宽，孔面积、孔体积，台阶高度，二维高度曲线分布图，二维等高线分布图，三维表面形貌，表面高度分层统计，自相关统计等表面参数的测量。

（4）有限元分析实验。通过有限元分析相关软件使用，掌握解决现代工程问题有效工具的有限元基础知识和软件的基本使用方法、程序结构，理解整个求解过程的内部联系，进而掌握有限元软件使用方法，包括建模、网格划分、施加载荷、求解等以及一些高级分析方法，如非线性静力分析、模态分析、瞬态动力分析、模态分析等，能够对一些常见的工程问题进行系统的分析和计算。

（5）液压仿真技术实验。掌握测试液压泵性能的基本方法，通过对液压泵性能的测试与分析，加深对液压泵工作原理的理解，了解液压泵的结构，掌握液压泵的主要性能参数及相互关系。利用全功能液压性能测试与智能仿真控制系统，进行各种液压系统仿真设计实验、各种液压系统性能仿真研究，对各类液压泵的各种静、动态性能进行测试，认识液压泵结构、工作原理，掌握液压泵性能测试的步骤和操作方法。

3.4集成应用分室

（1）逆向工程实验。了解逆向工程的基本原理与操作方法，比较正向工程与逆向工程的差异。了解理论基础与软硬件操作；针对现有样品或模型，利用3D数字化量测仪器，准确及快速的将轮廓坐标量得，并加以建构曲面、编辑、修改后，传至一般的CAD/CAM系统，再产生刀具的NC加工路径送至CNC加工机制作，或送到快速成型机制作样品模型。

（2）机电一体化系统设计实验。进行系统仿真设计、机电一体化系统的功能部件和精度测量、误差补偿实验、交流伺服电机控制方式及伺服驱动原理及特性实验、机电一体化系统检测元件及核心运动控制器的应用实验、机电一体化系统PID调节器应用实验。

（3）模块化多结构并联机器人实验。利用模块化并联机器人及配套软硬件，认识各种机器人常用机构的组成及工作原理；学会各种机器人软硬件使用方法；掌握机器人的性能与参数测定。

（4）机电液系统综合性能测试。让学生全面掌握机电液系统动态测试数据采集、处理和分析的技术，掌握机电液伺服和电液比例两种控制方式特征，掌握PID调节和模糊控制在电液系统中的应用原理、伺服阀性能测试、PID电液控制、机电液伺服系统模糊控制、机电液伺服系统频率、机电液伺服系统时域响应。

（5）机电液集成耦合。各种机电液集成系统仿真分析设计实验、各种机电液集成系统性能仿真研究，掌握多体系统动力学的建模方法，各种机电液集成系统优化设计实验。基于多体系统动力学的多体系统建立运动学力学模型，进行合理的试验设计，进行结构的优化设计，并对优化前后的仿真结果进行对比分析。

4　实验室建设路径

数字化实验室建设从基础平台开始、根据培养方案中的实验项目开设时间和面向专业及覆盖学生数确定建设先后顺序。从基本的二维、三维软件开始，逐步推进信息技术与专业教学的融合，然后再进行集成实验设备与项目的建设。实验室建设路径如图2所示。

图2　数字化实验室建设路径图

5　结语

针对机械工程本科毕业生信息化能力和专业能力培养过程中存在的系统设计不够、设备孤岛、落后工业需求的问题，以“系统性、集成性、先进性、实用性”作为实验室建设指导思想，根据信息数字化获取、分析、处理、集成、应用过程，分数字化平台、信息数字化、数字信息分析、信息集成应用4个分室建设。数字化平台包括设计、工艺、制造、管理的基本平台建设；信息数字化包括测绘与制图、三坐标测量、组合变形测量及非接触式应变测量实验设备和项目建设；数据分析包括金相分析、XRD分析、三维形貌精密测量及数据处理、有限元分析、液压仿真技术等实验设备和项目建设；集成应用包括逆向工程、机电一体化系统设计、块化多结构并联机器人、机电液系统综合性能测试、机电液集成耦合实验设备和项目建设。提出从基础平台开始到集成实验设备与项目的建设实验室建设路径图，为实验室建设和提高人才培养质量提供依据。

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Research and Practice of App lied Digital Laboratory for M echanical Engineering

LI Meng-qi，LI Dong-ying，WANG Bin

（Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China）

That every aspect of enterprise production and marketing was integrated by computer and its application proposed new requirements for university graduates in information literacy.The digital experimental teaching is a possible solution for that. experimental teaching system of mechanical engineering professional exist the problems of incomplete system design，equipment island phenomenon，behind industrial demand and others.The paper proposed laboratory construction guiding ideology of systematic，integrated，advanced，practical，and constructed mechanical engineering digital laboratory，experimental teaching system，and experimental projects with four compartments of digital platforms，digital information，digital information analysis，and information integration applications，and analysis the information teaching objectives of every experiment project，and proposed the construction path of experiment laboratory and experiment project.That provides evidences for the laboratory construction and to improve the quality of personnel training.

digital laboratory；mechanical engineering；experimental teaching

TH-4

A

2095-980X（2016）09-0104-03

2016-08-02

邵阳学院教学改革项目（2016JG34）

李梦奇（1977-），男，博士，副教授，主要研究方向：机械工程及自动化的研究与教学。