陳 康

（1、重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400054 2、重慶市模具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054）

1 現(xiàn)狀及意義

對(duì)標(biāo)工程專業(yè)認(rèn)證的要求，很多傳統(tǒng)專業(yè)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在諸多問(wèn)題，譬如，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)少[3-4]；雖然開(kāi)設(shè)了部分設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn)，但也普遍是由授課教師設(shè)計(jì)，學(xué)生沒(méi)有實(shí)際參與到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；此外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新慢，傳統(tǒng)的材料成形及加工實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容較單一、滯后，缺乏創(chuàng)意，無(wú)法有效激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，難以適應(yīng)新形勢(shì)下人才培養(yǎng)的需求，不利于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型工程技術(shù)人員培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成；在考核評(píng)價(jià)機(jī)制方面，現(xiàn)有單一的考勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)作為最終成績(jī)與工程教育認(rèn)證理念中強(qiáng)調(diào)的“過(guò)程評(píng)定”、“以學(xué)生為中心”、“個(gè)性化評(píng)定”的理念不符，而且無(wú)法反映學(xué)生的工程實(shí)踐能力，無(wú)法準(zhǔn)確判斷學(xué)生的工程能力是否得到鍛煉、學(xué)習(xí)成效是否滿足要求，缺少了“評(píng)價(jià)- 反饋- 改進(jìn)”中的后兩步，不能實(shí)現(xiàn)工程教育理念中“持續(xù)改進(jìn)”的要求。因此，對(duì)現(xiàn)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行相應(yīng)改革，加大設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)比重，尤其是加強(qiáng)“以學(xué)生為中心”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)的研發(fā)與構(gòu)建就顯得非常必要和迫切，對(duì)于專業(yè)的進(jìn)一步深化發(fā)展以及工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的開(kāi)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于上述原因，結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)特點(diǎn)，根據(jù)工程認(rèn)證要求學(xué)生掌握工程基礎(chǔ)知識(shí)和本專業(yè)的基本理論知識(shí)，具有系統(tǒng)的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷，具備設(shè)計(jì)和實(shí)施工程實(shí)驗(yàn)的能力，并能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的通用標(biāo)準(zhǔn)，我們提出了研發(fā)和構(gòu)建機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)主要讓學(xué)生能夠根據(jù)自己新穎的功能構(gòu)想，利用機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、電路控制設(shè)計(jì)等完成對(duì)應(yīng)的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要鈑金零件通過(guò)模具加工的方式制造出來(lái)，然后利用其它電子元器件等組裝自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人并調(diào)試，實(shí)現(xiàn)從功能構(gòu)想、設(shè)計(jì)到加工、實(shí)物展示的整個(gè)過(guò)程。在整個(gè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生全程自主設(shè)計(jì)、加工以及實(shí)物制作各個(gè)環(huán)節(jié)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)新穎性強(qiáng)，并且需要學(xué)生親自動(dòng)手制作，能充分激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性。

圖1 新型模架設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

首先學(xué)生按6-8 人分成實(shí)驗(yàn)小組，每小組自行設(shè)計(jì)一種機(jī)器人，這種機(jī)器人能夠（自動(dòng)）完成某一個(gè)具體的事務(wù)或者工作，并按照此功能構(gòu)想，利用設(shè)計(jì)理論對(duì)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括它的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)及各個(gè)功能模塊；把組成機(jī)器人的主要工件設(shè)計(jì)成所需形狀且滿足沖壓工藝性的沖壓件形式；然后利用模具設(shè)計(jì)理論及規(guī)范對(duì)前述主工件進(jìn)行對(duì)應(yīng)的模具設(shè)計(jì)；再依據(jù)設(shè)計(jì)的模具對(duì)模具核心零件進(jìn)行加工制造，以滿足主工件的尺寸、精度和數(shù)量的要求；利用平臺(tái)設(shè)計(jì)的通用型主工件模架對(duì)模具核心零件進(jìn)行裝模，并安裝在智能沖壓機(jī)上進(jìn)行調(diào)試及沖壓主工件；最后利用平臺(tái)準(zhǔn)備的其他器件及傳感器等零件和主工件等一起進(jìn)行機(jī)器人組裝調(diào)試并完成后期的答辯工作。

2.2 新型通用主工件模架和通用實(shí)驗(yàn)沖孔模的設(shè)計(jì)及制造

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中各組的設(shè)計(jì)不同，對(duì)應(yīng)的主工件形狀、尺寸等都不相同，對(duì)應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也各異，如果每個(gè)小組都加工一、兩套模具，那么實(shí)驗(yàn)成本就相當(dāng)高。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，就考慮設(shè)計(jì)一種對(duì)各個(gè)主工件模具核心零件都適用的新型通用模架以及通用實(shí)驗(yàn)沖孔模具，并加工制造出來(lái)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組只需要將主工件模具的核心凸模、凹模、凸模固定板、凹模固定板設(shè)計(jì)出來(lái)，并進(jìn)行實(shí)物加工，然后就可以利用新型通用模架以及通用實(shí)驗(yàn)沖孔模具安裝在智能壓力機(jī)上進(jìn)行主工件的沖裁，設(shè)計(jì)的模架如圖1 所示和沖孔模具如圖2 所示，其中，凸模、凹模的固定板通過(guò)圖1 中5 和8 的T 型螺栓、6壓板等固定在模架上。安裝的時(shí)候需要將凸模和凹模初定位，然后整個(gè)上模和下模合模裝配，在合模后再有效定位并完全固定凸模和凹模，最后在智能沖壓機(jī)上試沖壓微調(diào)沖裁間隙，直至完成調(diào)試并正式?jīng)_裁。

2.3 其他器件及傳感器的準(zhǔn)備和調(diào)試

學(xué)生設(shè)計(jì)中，除了主工件以外，還需要其他的器件，比如電機(jī)、電池、車輪、齒輪、軸桿、限位器、聯(lián)軸器、螺栓螺帽、導(dǎo)線等，以及各種傳感器，比如紅外傳感器、顏色傳感器、視覺(jué)傳感器、力傳感器等，還有電機(jī)控制模塊、藍(lán)牙控制模塊、WiFi 模塊等，平臺(tái)需對(duì)上述器材進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備和調(diào)試，以方便學(xué)生設(shè)計(jì)選用。比如，有學(xué)生在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制灑水車的時(shí)候就需要用上單片機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)控制模塊、WiFi 模塊等。

2.4 機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系的建立

根據(jù)工程教育認(rèn)證體系的要求，我們堅(jiān)持“過(guò)程評(píng)價(jià)”、“以學(xué)生為中心”、“評(píng)價(jià)- 反饋- 改進(jìn)”的理念，建立了包括實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)、模具設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)、小組內(nèi)部自行評(píng)價(jià)、答辯及展示環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)等全過(guò)程評(píng)價(jià)體系，其中，小組自評(píng)就要求學(xué)生對(duì)自己的工作和表現(xiàn)有一個(gè)自我評(píng)價(jià)，另外，在答辯及展示環(huán)節(jié)中也有“反思”內(nèi)容，讓學(xué)生和老師對(duì)一些問(wèn)題進(jìn)行探討、互動(dòng)，共同反思，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有利于老師在后續(xù)教學(xué)過(guò)程中的進(jìn)一步改進(jìn)。

3 結(jié)論

機(jī)器人創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)不僅在教學(xué)層面極大的豐富了材料成型及控制工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)體系，又能在培養(yǎng)學(xué)生方面充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，積極去思考一些新奇、實(shí)用的問(wèn)題，讓學(xué)生在機(jī)械、電子、材料等學(xué)科間形成一定的交叉，實(shí)現(xiàn)學(xué)科的交叉融合，有利于學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力、研究解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力以及風(fēng)采展示、交流溝通、團(tuán)結(jié)協(xié)作等能力的培養(yǎng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論課學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與運(yùn)用，同時(shí)也可以通過(guò)自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、探索創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新思維，進(jìn)而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

圖2 通用實(shí)驗(yàn)沖孔模具設(shè)計(jì)