在本科机械类专业课程设计中，体现“新工科”理念的尝试

徐 萍

（江汉大学智能制造学院 湖北武汉 430056）

总体看来，我国目前普通高校工科教育虽然有了长足的进步。但也存在一些普遍性的带共性的问题。比如，工科教育理科化，教材及教学内容滞后于新产业新业态的发展，学生综合能力及动手能力偏低等等。基于此，2016年以来，“新工科”教育的概念，在中国工程教育领域逐步建立起来，并得到了业内广泛的响应和充分的讨论。也达到了一定的共识。有学者提出，新工科内涵要进一步强调“前沿技术引领性”“学科间交融性”“知识体系多样性”“人才培养创新性”等[1]。

但是，与所有改革及新事物的发展规律一样，“新工科”教育，理念的建立和认可是比较容易的，但如何实施操作，却是一个复杂的渐进过程。目前实操过程中，主要采取的方式集中在各学科的交叉融合及以实践应用为目的等方面，有些仅停留在专业名称的变化和课时分配的调整等浅层次上面，缺乏深入细致的研究，流于形式。

“新工科”教育改革，是一个过程，需要循序渐进，要多管齐下，既要有宏观的顶层设计，又要有具体的实践摸索。形式很重要，但内容更重要。这里面作为课改主角的任课老师，作用尤为关键。

其实，多年以来，工科教学中的课改一直在进行。以普通高校机械类专业的教学为例，目前的课程设置，已经大大加强了电类及计算机类的内容，老专业“机械制造工艺及设备”早已更名叫“机械制造及其自动化”，所谓“机电一体化”的概念早已深入人心。但是，囿于传统习惯，不论是任课老师还是学生，还是有机是机，电是电的观念。这种观念阻碍了学生综合实践能力的提高。

本文试就在目前课程框架内，机械专业课程设计、毕业设计的部分环节，讨论一下机电融合的问题。

在机械课程设计中，常见的课题是设计一套数控机床。比如数控铣床、数控激光切割机等等，有整机设计，也有部件设计，比如进给装置的设计。一般说来，对机械类学生的要求是：确定总体方案，选型，有些简单的计算、校核，然后就是总装图和部分零件图。考核时，比较看重最后的图纸，而对总体方案和选型，尤其是后者，往往重视不够，多数学生往往选型时，只是走流程套用几个公式而已。

但事实上，就整个课题而言，选型非常重要，数控机床，牵涉的关联学科也多。我们以激光切割机运动部分的设计为例简述之。

首先在机械结构上，就传动方式而言，比较常见的有丝杠螺母副传动和齿轮齿条传动两种，可以选择滚动丝杠螺母副传动。支撑选择滚动导轨支撑，若负载较大，可选用方形线性滚动导轨，驱动，则选用步进或伺服电机。从目前的流行趋势及实用场景来看，多选用伺服电机。以上内容，绝大多数学生在老师指导下，都可以完成。

数控系统的选择呢？机械类学生往往一笔带过，考核时也没什么要求。这就使得一个数控机床，与普通机床的设计几乎没有了差别。

所以，在这个环节，我们可以给予重视，加大数控系统的教学比重。

首先，目前常用的运动控制方式，主要有三种，单片机、PLC和基于PC机的运动控制卡。三者优缺点比较：单片机便捷、小巧、可裁剪，价格低廉；PLC功能简单、编程容易，价格也低。但两者共同的缺点是人机界面不是特别友好，更关键的是其运算控制尤其是输入输出能力不能与基于PC机的运动控制相比拟。考虑到数控激光切割机的实用场景，选择基于PC的运动控制卡来实现运动控制。

需要指出的是，上述三种控制方式所涉及的前期专业基础内容，在现在的机械类专业教学中，绝大多数都已涵盖，课程设计或毕业设计中的应用只是理论与实践的转化而已。

而基于PC机的运动控制卡，它的控制流程框图如下：

PC机：用于人机对话并将运动指令下达给运动控制卡，同时监测和显示运动系统的运行状态。可使用VB,VC,DELPHI等高级语言编程，调用成熟的运动函数，完成功能强大的控制软件的开发，修改或增删也十分方便。

运动控制卡：运动控制卡的作用是根据PC机里应用程序的运动命令，对各轴伺服电机驱动器发出脉冲/方向命令，并对I/O口和其他信号进行管理[2]。如：加减速处理，脉冲输出，直线圆弧插补，原点限位监测等。

驱动器：驱动器是伺服电机系统的标配部件，其作用是根据运动控制卡发来的脉冲/方向指令控制电机线圈的电流以及相应的电磁场和电磁力矩，从而使电机转轴执行与脉冲/方向指令相对应的转动。驱动器要与伺服电机配套选用。

执行电机：电机在驱动器的驱动下，通过转轴的旋转来控制机械装置（各轴运动机构）的位置和速度。运动控制中最常用的电机有步进电机和伺服电机两大类。步进电机，因其使用简单、成本低等优点曾经广泛应用于各种中小功率装置中。但近年来，随着伺服电机售价的大幅下降，更由于其具有高速度、高扭矩、高精度、高稳定性等优点，所以伺服电机得到了广泛的应用，尤其是在精度及稳定性要求较高的领域。课程设计环节，若能强调数控系统控制流程及其选型思路，对学生加深理解机电一体化系统的设计思路，大有裨益。

总之，“新工科”教学的改革与创新，即是机遇又是挑战。对每一个从事工科专业教学的教师而言，都有义务有责任，在自己的岗位上，积跬步，至千里，探索出一条有中国特色的、紧跟时代潮流，适应社会发展的工科教学之路。