自動上料機機架部件設(shè)計及性能試驗(論文+DWG圖紙),自動,上料機,機架,部件,設(shè)計,性能,機能,試驗,實驗,論文,dwg,圖紙 譯 文 機電一體化“一個研究生的視角” 摘要 近幾十年來，一種新的工程技術(shù)伴隨著工業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生，那即使逐漸被認知的機電一體化。這一技術(shù)的需求是由工業(yè)工程師首先提出，最終以一種不同的途徑引導大學去設(shè)立機電一體化學位課程。問題是這么一個與傳統(tǒng)工程學不同的學科如何去教。赫爾大學首創(chuàng)機電一體化教學方法。這一方法在傳統(tǒng)的教學方法基礎(chǔ)上重點發(fā)展。這一做法旨在徹底免除被動的概念理論學習方法，鼓勵積極的學習態(tài)度。 1. 引言 隨著更加先進的技術(shù)的發(fā)展，對新的工程方法的需求逐漸增加。事實明顯的表明機電一體化正在成為工業(yè)領(lǐng)域里最有影響的學科。正如大多數(shù)的新學科，預先培訓的機電工程師并不存在，傳統(tǒng)背景的工程師適應(yīng)并伴隨著機電一體化的發(fā)展而發(fā)展，從而形成機電一體化在工業(yè)領(lǐng)域的核心地位。盡管這一發(fā)展經(jīng)歷了一個很長的階段，但學術(shù)界仍然充耳不聞，直到最近還是懷疑。在傳統(tǒng)工程領(lǐng)域，這樣一種與眾不同的學科如何去教的問題仍然存在。面對機電一體化的教育問題，赫爾大學首創(chuàng)一種截然不同的方法，這一方法重點主要放在以傳統(tǒng)理論為支柱，以實際應(yīng)用工程為基礎(chǔ)的項目上面。 本文旨在展示在這種教學方法下的機電一體化教學成效。分析是依據(jù)兩位已經(jīng)取得赫爾大學碩士學位的研究生的經(jīng)歷來寫的。以教學技巧為基礎(chǔ)的教學計劃，其優(yōu)缺點在早期階段就很突出。還有這些經(jīng)歷展示了教學方法是如何影響傳統(tǒng)學位課程方面的。本文也將要展示現(xiàn)有的工程學科相互連接是如何影響機電一體化的發(fā)展的。 2. 機電一體化的必要性 由于消費者對有創(chuàng)意的新產(chǎn)品需求不斷增加，這帶來了激勵的市場競爭、產(chǎn)品生命周期縮短、生產(chǎn)設(shè)備的完善。工程產(chǎn)品的發(fā)展出現(xiàn)了驚人的速度。 先進的計算機、電子、機械技術(shù)使得產(chǎn)品設(shè)計朝更加精密化、復雜化和柔性化的水平發(fā)展。因此一臺設(shè)備的機械部件、電子部件、計算機控制系統(tǒng)越來越集成化和互補化。發(fā)展使工程學的傳統(tǒng)方法的應(yīng)用變的有限，對復合型工程師的需求越顯突出。高效率和靈活性的市場經(jīng)濟表明傳統(tǒng)公司高額管理費用正在變得不可接受且不經(jīng)濟。以前的計劃經(jīng)濟再也跟不上時代的步伐和要求。當今市場需要的是靈活的產(chǎn)品設(shè)計和解決問題的方法，需要的是能快速回應(yīng)市場的變化而有效率地利用市場資源。 為了在這個環(huán)境里生存，這就必要改進對工程學的認識來適應(yīng)正在變化的經(jīng)濟。針對這些要求，一個新的工程技術(shù)在工業(yè)中形成。這種技術(shù)被稱為機電一體化。 新的挑戰(zhàn)需要新的思維，但由于大多數(shù)新興學科的預機電工程師培訓不存在，傳統(tǒng)背景的工程師很少能適應(yīng)。在確定需要機電工程師的情況下，工業(yè)需要學術(shù)機構(gòu)去履行一些培訓盡管這一發(fā)展經(jīng)歷了很長階段，但學術(shù)界仍然充耳不聞，直到最近還是懷疑。這一技術(shù)的需求是由工業(yè)工程師提出，最終以一種不同的途徑引導大學去設(shè)立機電一體化學位課程。 3. 機電教學 因為機電教學的需求，一些大學嘗試在他們的工程學院開設(shè)機電教學課程，要開設(shè)這樣一個橫跨傳統(tǒng)學科界限的課程，給傳統(tǒng)的工程部門帶來了一些基本問題。首先，到底哪個學院開設(shè)這樣的課程，或者就設(shè)立一個機電學科？其次開設(shè)這樣一個涉及面廣的課程，教些什么，什么時候教最有利？最后如何教好這樣一門與眾不同的涉及面廣的課程。 3．1．機電課程開設(shè)在哪個學院? 不同于大多數(shù)的工程科目，機電一體化課程涉及機械工程、電子工程和計算機科學學科。當然這樣一個新課程不可能設(shè)在其他自然學科里。因此，機電一體化專業(yè)傾向于設(shè)立在現(xiàn)有的電子或機械工程學院。這樣的話，此課程往往會受到來在兩個不同學院的控制，這是圍繞學科設(shè)立課程的必然結(jié)果。教務(wù)處成了決定管理學科問題和教學方法應(yīng)用的關(guān)鍵。這樣的結(jié)果往往會徹底限制不同教育方法和學科的發(fā)展，阻礙新的方法論的發(fā)展。 在赫爾大學，這樣的問題同樣存在。新課程設(shè)立初期很少有相關(guān)專業(yè)的學生加入，然而要承認的是一個徹底重組的教學大綱是進步所必需的。課程設(shè)在電子工程學院，其主要支援人員均來自電子和機械工程學院。為了讓機電一體化學科能在傳統(tǒng)的環(huán)境中成長，就有必要創(chuàng)造一個新的教學技巧。 3．2．教些什么？ 和傳統(tǒng)的學科相比，機電一體化的主旨并不明顯。機電一體化系統(tǒng)的本質(zhì)是要求去認識和理解大量的工程科目，涵蓋電學、力學和計算。但是為了去滿足學位課程的要求就必須去掌握足夠詳細的相關(guān)理論知識。這帶來了學生需要大量的擴大知識面和要求學生提高專業(yè)知識的深度之間的矛盾日益突出。 科目的多樣化使它無法提供涵蓋所有專業(yè)知識的全面、低水平課程。這就使的科目的選擇要相對集中，避免松散或空缺。為此必須確定機電一體化課程的核心理論。 機電一體化系統(tǒng)通常的定義為電子裝置與機械驅(qū)動裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合成的控制系統(tǒng)，它具有功能性和靈活性。（如圖 2） 隨機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展逐步產(chǎn)生了許多各種各樣的機電裝置。這些設(shè)備根據(jù)需求結(jié)合了許多技術(shù)。為了讓工程師利用現(xiàn)有的技術(shù)，有必要先使他們能理解設(shè)備是怎樣控制的。 赫爾大學的機電課程主要為控制部分的教學。課程主要模塊涵蓋電子、機械、計算機等科目。也有少部分涉及一些非工程學科，如物理商業(yè)等。 3．3．怎么教? 既然設(shè)立了這樣一個與眾不同的課程，那就需要去營造一個有利的環(huán)境去促進這個新理論向前發(fā)展。取消建立一個新學科部門而專門負責機電一體化，在傳統(tǒng)的教學框架內(nèi)去研究新的教學技巧和方法。 多數(shù)大學利用最傳統(tǒng)的方法，在立足于現(xiàn)有的學科體系基礎(chǔ)上另外特別發(fā)展機電一體化單元。課堂授課傳授了大部分的知識，結(jié)構(gòu)實驗室培養(yǎng)了實際應(yīng)用的能力。 為了讓新理論在赫爾大學發(fā)展，赫爾大學正在嘗試選擇另一種教學方式。采取的戰(zhàn)略是以在工業(yè)中對機電工程師的要求為引導。大多數(shù)學校在最后一年之前都是把重點放在講課上，很少注重學生的實踐方面。與其它大學相比赫爾大學從第一年開始就注重學生的實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。這樣設(shè)置課程的主要目的是建立一個在教學的基礎(chǔ)上主動學習多學科的氛圍。讓學生直接參與實際工程的挑戰(zhàn)，是赫爾大學自創(chuàng)的獨特的教學方法。然而對于至關(guān)重要的科目還是通過授課的方式教學，另外在學科的框架鋪助于實驗教學。 機電一體化實用性課程不同于傳統(tǒng)的實驗室練習，它的目標是解決大型問題，而非做一些預先設(shè)計好的動手練習。 課程設(shè)計旨在激發(fā)學生主動思考和創(chuàng)新精神。為了是讓學生遇到問題時能尋求最佳的解決方案。傳統(tǒng)的實驗練習提供一套清晰的實驗步驟，只要一步步進行就能完成。 機電一體化課程安排了許多可能會遇到的各種問題，不會給你明確的目的和清晰、正確的解決問題的方法。在大多數(shù)情況下，最初的任務(wù)是去確定任務(wù)具體的性質(zhì)和明確的工作目標。同樣完成任務(wù)的方法留給學生自己去確定，指導老師只給學生一些引導。這樣就可以教會學生當遇到陌生的問題時，自己要主動積極地去解決。從課程的一開始就引入這一觀念能夠使學生很快地去適應(yīng)，從而在課程的實際工程授課期間教會學生工程思維。當學生明確自己任務(wù)的目標和任務(wù)完成的期限（給定的某一段時間），這就會激發(fā)學生努力地完成任務(wù)。 為了支持該學科的理論研究工作，學校提供了基礎(chǔ)性的幫助而并沒有直接指定某一特定課題。只提供所需的知識是為了讓學生解決問題更靈活。在實際工作中會遇到很多障礙，其中大多數(shù)是很難去解決的，而且很難直接用理論知識去解決。因此學生在課程學習過程中要加深對知識的理解。 實踐證明，機電工程和電子工程在實際應(yīng)用過程中有一些共同點。這里有這樣一個趨勢，機電工程的學生常會推敲實驗數(shù)據(jù)的正確性。電子工程師更多的關(guān)注的是解決問題的方法，機電一體化學生更偏向于整體考慮問題。 4. 課程結(jié)構(gòu) 赫爾大學機電一體化學科包括四年制碩士學位攻讀和三年制學士學位攻讀。貫穿整個教學綱領(lǐng)，學科的重點放在項目研究和相關(guān)的課程上面。在學科的前三年，優(yōu)先是對理論知識的學習以更好地去提高學術(shù)知識的積累和工程思維能力的培養(yǎng)。在現(xiàn)階段講授較高的理論內(nèi)容已經(jīng)使學生能夠調(diào)研并且決定他們想專門研究的領(lǐng)域。一個工程師所需求的大部分的知識和技能都能從課程安排的實際工作中學到。經(jīng)過學科框架下安排的難易程度不同、內(nèi)容詳細、“及時”的課程的學習，能夠使學生充分的吸取知識。課程的要求如圖1。 第一年主要是圍繞兩項課題進行的，其中包括設(shè)計、策劃和制造步行機器人。在第一學期每個學生各自都要根據(jù)設(shè)定的任務(wù)設(shè)計和制作帶表演功能的步行機器人。另外還要制定設(shè)計的標準、預算和時間表。在第二學期學生每三人一組要根據(jù)更復雜的任務(wù)完成一個受計算機控制的帶表演功能的機器人。該項目的說明書除了耗材和開銷外沒有給任何限定條件。評估采取一系列的報告和陳述形式。為了讓學生更好的掌握工程理論，課程重點傳授最基本的工程原理，這包含數(shù)學、模擬和數(shù)字電子、機電一體化的靜、動態(tài)系統(tǒng)以及計算機編程。 在第二年里，重點轉(zhuǎn)到被資助工業(yè)項目上，學生可以在那解決工業(yè)問題。學生可以和外面的公司合作去解決一些工業(yè)問題。參與工業(yè)的教學能使學生獲得一些實際工程運作的經(jīng)驗，以及如何用實際預算去解決實際工業(yè)問題。學科結(jié)構(gòu)被設(shè)計成合并支持的理論知識，開發(fā)關(guān)于實際工程學的專門技術(shù)和工程師要求的其他技能，例如項目管理、時間安排、控制預算和通信。項目由不同的階段的手寫報告和口頭陳述組成，強調(diào)管理和計劃的需要。受支持的課程發(fā)展了上一年的基本理論并且提供更多專業(yè)主題。受支持課程涵蓋了數(shù)學、機電、伺服系統(tǒng)、模式數(shù)字化電子學、控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、處理器系統(tǒng)、計算機編程、環(huán)境工程學、光學電子和企業(yè)財務(wù)，另外還有硬件或接口項目。 第三年主要是基于高等課程內(nèi)容和小型實驗項目。實驗室實驗特別征對個人專業(yè)課程和界面/電子硬件設(shè)計和建一能提供實習的方案。在這階段，工程學學科理論學習同時通過實踐對其不同范圍的理解。選擇的范圍可根據(jù)學生的專業(yè)。不同于傳統(tǒng)學科機械系的學生可以有多種選擇。主題可不相同，如：工程材料、光學電子和控制或者二者都選。雖然專業(yè)化的水平和靈活性是比不上那些機械和電子專業(yè)，但卻能滿足學生他們的需要和興趣。這個階段所教的學科有：數(shù)學、機器人系統(tǒng)，圖象處理和控制、處理器建筑、CAD/CAM，材料技術(shù)，計算機編程，環(huán)境工程學、光學電子、制造業(yè)原則和商業(yè)管理。 第四年進一步把基礎(chǔ)課題的研究提升為涵蓋電子工程學和機械工程學的專業(yè)課項目。除了對此課程的學習，所有的學生還要學習最后一年的專業(yè)課。此階段的課程包括高級控制技術(shù)學，光電學，高級工程材料學，表面工程學，產(chǎn)品設(shè)計/裝配，機器人系統(tǒng)以及人機界面系統(tǒng)。 一開始前兩年里，學生個人或組成的小組致力于不同范圍的技術(shù)的研究，在這范圍內(nèi)正式教每名學生所有可利用的技術(shù)是不可能的。然而，在被創(chuàng)造的環(huán)境之內(nèi)，由于同學之間相互影響，動態(tài)運作的文化演變了，他們能提供揭示彼此工作和一種基于小組的問題解決思想的傾向。接近這個問題根本方法是不充足的理論背景分與被動學習理論的概念并且為了鼓勵積極的教育態(tài)度去解決問題。在一個仔細地構(gòu)想的項目之內(nèi)，涵蓋實踐設(shè)計的關(guān)鍵地方不僅是可能的，而且創(chuàng)造的環(huán)境是最有效的工程解決辦法，可以從所有特定工程學學科達到?jīng)]有偏見。 為了維護基礎(chǔ)項目的靈活性，在最初的前兩年應(yīng)運而生了一系列專業(yè)模塊（機電一體化技術(shù)）。這些模塊的建立給此項目的靈活性提供了一個指導和支持的機會。除了技術(shù)方面的因素，像報告的纂寫。介紹以及相關(guān)的軟件工具也都是不可少的。 大學里現(xiàn)有的學院提供了其它的課程資源。電子機械工程學院提供了主要的教學資源，計算機科學學院，商學院和物理學院提供了非工程方面的教學資源。 5. 討論與結(jié)論 在赫爾大學機電一體化課程正如所期望的那樣是一門全新的與眾不同的學科，與傳統(tǒng)的課程相比其更趨向于小的吸收量。這使得該學科對電子和機械工程學院所提供的輔助課程有著更高的依賴性而不只是單純地專注于模塊制造。雖然機電一體化隸屬于電子工程學院，但它卻被看作是一個獨立的能夠?qū)ψ陨碡撠煹膶嶓w。事實證明它既阻礙又有助于其課程的運作。由于機電一體化研究項目的多學科性，行政管理和組織方面的計劃偶爾也會變得復雜和舉步維艱。然而，課題研究人員愿意去應(yīng)付那些因模塊的移動所引發(fā)的各類問題。如果把機電一體化作為一個獨立的實體看待，那么新的哲學和方法論將會有可能以它自身的步伐不斷演進。 在教學人員的支持下從事該項目的實際研究而不是解決那些假設(shè)性的問題，讓學生能夠更好的看到他們的努力成效并且亦有助于培養(yǎng)學生更好的自力更生和獨立意識。為了尋求解決問題的方案學生們必須通過研究來獲取理論上的指導依據(jù)并把它們轉(zhuǎn)化為實際操作中的物理模型。在運用理論方案來處理實際問題時，所做的理論研究工作的目的性應(yīng)該是明確突的并且是可以被很好的理解的。當解決問題的方案已經(jīng)做出，它的真實有效性通過項目實施的成敗來體現(xiàn)。不管項目實施的是否成功，都給學生提供了一個更好領(lǐng)會工程技術(shù)相關(guān)概念的機會并且能夠讓他們明了其在使用時的局限性。此項目的開展為學生提供了一個結(jié)構(gòu)實驗室和課題講座所無法提供的學習環(huán)境。 機電一體化專業(yè)的學生往往有著不同于那些學習傳統(tǒng)工程的學生的學習態(tài)度。他們更感興趣的是尋求解決問題的辦法,而非著眼于像對機械工程設(shè)計這類特定領(lǐng)域的研究。以全局的觀點去尋求解決問題的方法，而不是局限于對各個獨立問題的解決。這樣有利于培養(yǎng)學生解決問題的能力，而不是單純的對傳統(tǒng)理論的理解。培養(yǎng)創(chuàng)新理念而非按部就班的按照既定的純理論及其所涉及到的概念去解決問題.。對于那些機電一體化專業(yè)的學生來說,他們具有更好的自我激勵能力，并且能夠不斷地擴展所要面對的課題的邊界,而不只是尋求最明顯的解決現(xiàn)有問題的方法。為了做到這一點，他們就必須從早期開始培養(yǎng)主動的學習和研究問題的技能。 在赫爾大學展開的基于基礎(chǔ)課題研究的創(chuàng)新性教學方法引導學生自主地培養(yǎng)更好的自我激勵意識，同時也激發(fā)他們以工程的思想去思考問題而不是單純地應(yīng)付填鴨式的理論學習。對理論知識的實際應(yīng)用使該教學方法的效果立竿見影。除了讓學生掌握理論知識，該方法還給產(chǎn)業(yè)教學技巧提供了一個工具，例如產(chǎn)業(yè)計劃，預算和時間上的管理。同時還就如何操作工業(yè)工程給同學們了一些暗示。該課題所提供的靈活模塊讓學生按照互補的思維方式把他們的需求和興趣相結(jié)合形成了一個更寬領(lǐng)域的特殊學科。 此學科的多樣性和獨立性特征涵蓋了正式的和非正式的兩個方面，從而引發(fā)了更大的工作量，因此要求學生有更大的奉獻精神和自我激勵意識。 經(jīng)過詳細的課程學習，學生對工程系統(tǒng)有了一個綜合性的認識。因而他們能夠從整體角度來思考問題而不是專注于某個具體的任務(wù)或課程，這使得工程師人員在工業(yè)和研究領(lǐng)域能夠靈活并適時地發(fā)揮他們的最大技能。 鳴謝 作者要感謝赫爾大學的肯斯衛(wèi)富特和詹姆斯吉爾伯特，Hydramotion有限公司的約翰加拉格爾和莎倫斯開特，還有克蘭菲爾德大學的格雷厄姆耶銳特，感謝你們對這項工作的鼎立協(xié)助。 8