基于科研项目搭建制造类研究型实验平台

张培培， 王科盛， 何倩鸿

(电子科技大学 机械电子工程学院， 四川 成都 611731)

基于科研项目搭建制造类研究型实验平台

张培培， 王科盛， 何倩鸿

(电子科技大学 机械电子工程学院， 四川 成都 611731)

为了更好地将科研与教学结合，基于科研项目搭建了关于数控加工制造过程监测和控制的实验平台。此实验平台包含4个彼此相关的实验，并在实验过程中给学生充分的发挥空间和打破标准答案的考核模式，以达到对学生研究和创新意识的培养。实验平台在机电专业和研究生中实施后，结果显示，该实验平台将理论和实际有效结合，锻炼了学生的实际应用能力，并提高了学生的研究思维和创新意识。

科研与教学结合； 研究型实验平台； 实验教学

科研和教学是高校2大基本职能。教学是基础，用于传授知识，科研是创造知识，是教学的延伸和发展[1]。教学和科研结合必将是提高教育质量和培养学生创新能力的有效途径。在一些科研项目中有大量的实验，这些实验包含了基础知识的运用、前沿知识的探索、理想工况和实际的矛盾解决等，科研实验的实施对学生能力的要求比较高。但在常规的实验教学中，内容陈旧固定、过程形式化，学生不能充分发挥自己的能动性，造成学生对实验环节的忽视，使实验教学不能起到最初培养学生能力的作用。因此，将科研项目中的实验引入到实验教学环节中，可以给学生提供实验平台，让学生直接接触和了解前沿知识和基础知识，充分发挥他们的主观能动性，锻炼动手能力，从而提高创新思维和创新意识。

1 搭建研究型实验平台的意义

将科研项目和教学内容相互结合，充分利用两者的优势，在提高学生的动手能力、培养学生的创新意识和思维等方面的研究有很多。比如：

董社英将科研项目实验研究作为第二课堂，提出“研究型实验”的建设。“研究型实验”为业余时间有志对切削加工实验作较深层次研究的学生提供第二课堂，研究型实验其中一个重要来源是科研项目的实验部分[2]。

杨捷等将江苏省教育厅自然科学科研资助项目的化学实验方法和表征手段转化为化学专业的综合性实验，有利于引领学生进入研究前沿，学生的化学概念和素质得到加强，扩展了专业视野[3]。

李旭等针对‘卓越工程师’培养，将国家自然科学基金和国家科技支撑计划重大课题中的实验引入到数字电路实验教学体系中，增加了创新性实验，丰富了理论教学和常规实验。此改革很好地激发了学生的学习兴趣、主观能动性和创造潜能[4]。

韩延成等从课堂、实验、科研项目、真实工程4个角度出发对水力实践教学模式进行改革，实现了多元实践教学方法，使学生在很短的时间内理解和掌握水力学知识[5]。

姜兵等将科研项目“高填方加筋土路基的变形特征分析研究”中的力学性能实验转化为土力学实验教学内容，使学生被动变主动，学生的科研素质和综合运用知识的能力得到了显著提高，也提高了实验教师队伍的专业素质[6]。

张军香等将飞行大气测量系统中测量飞行器所处位置的大气总压等实验转化为学生的实验实践环节，并建立网站来支持此转化过程，促进了自主开放实验的建设，培养了学生的实践能力和创新能力[7]。

孔滨等将科研中化学实验的新思想、新技术添加到实验教学中，充分调动学生的积极性和主动性，构建教学和科研良好互动的实验教学模式，培养了学生的创新能力和综合素质[8]。

于兵川等将科研活动中经典成熟的工作、手段和方法转化为实验教学内容，并自行研制实验教学仪器，拓展了科研和实验教学结合的范畴，将创新意识和能力的培养贯穿于实验教学全过程[9]。

沈剑英等将精密微位移技术方面的科研累计的设备和软件开发了‘高精度微位移技术实验’的综合性实验，实验涉及到工程力学、机械设计、工程软件应用、测试技术等，培养了学生的工程意识和动手实践能力，提高了学生查阅资料的能力，挖掘了科研设备的教学价值，提高了科研设备利用率[10]。

国外的教学和科研将实验实践环节与科研直接对接，将科研作为实践的展示环节，并将实际工程问题转化为作业。每位科研项目的负责人将自己的科研实验部分作为本科生或者研究生的实践环节的必修部分，使课堂的理论内容和实际工程结合更紧密。从上述的内容可以看出，科研和实验结合在人才培养和教育教学方面达到了很好的效果。

2 研究型实验内容

从我校机械电子工程学院的实际出发，制造类由于师资力量和设备的局限，造成制造类的实验课程欠缺，基于此，将关于数控加工切削用量优化问题的科研项目实验部分转化为教学实验环节。

研究型实验基于的科研项目为国家自然科学基金 “难加工材料数控切削用量时变可靠性优化控制研究”。该项目围绕着数控加工过程中存在的不确定性影响因素和加工过程时变性特征，从4个方面研究难加工材料数控切削用量时变可靠性优化控制方法。主要过程是在线收集数据并对其进行处理和分析，从而量化存在的不确定性并根据数据的特征发掘直接和间接不确定性影响因素的来源。然后建立切削用量(主轴转速、进给量、切削深度和切削宽度)和响应(刀片磨损量、振动信号、表面粗糙度、切屑等)之间的时变近似模型。通过建立的时变近似模型对含有不确定性和时变的切削用量进行优化，并将优化结果反馈到加工系统中，从而实现切削用量时变可靠性优化控制。

在建立近似模型之前，需要实验得到切削用量和响应之间的匹配关系[11]。因此该项目的实验部分就是通过正交试验设计切削用量，运用3R USB手持数字显微镜测量刀柄上5个刀片在同工况下磨损量；运用3R USB手持数字显微镜测量切屑形状参数值；用东华测试自主开发的DHDAS软件平台采集处理主轴和工作台上的振动信号；用高精度粗糙度仪DR160测量加工的表面粗糙度。图1是实验平台的示意图。图1显示了4个响应采集的位置。

图1 实验平台简图

实验目的是让学生很直观地了解数控加工过程和一些表征的采集方法，并通过表征变化对加工质量效率的控制方法有所掌握。另外，在一些实验环节，给学生充分的发挥空间，以实现研究思维的培训和锻炼。实验包含基本实验部分和研究型实验部分。基本实验流程如图2所示。

图2 基本实验流程

首先基于研究目的确定设计变量和响应。然后选择实验设计方法(最常用的是正交试验设计方法)，根据机床性能设计用于实验的切削用量组。接下来调试机床，设定第一组切削用量，测量初始情况下的刀片磨损量(0 μm)、表面粗糙度(产品出厂材料性能值)、振动(无)和切屑(无)。启动机床，开始切削，同时采集主轴和工作台的振动信号。一个加工面结束，停机，测量刀片磨损量、表面粗糙度、收集切屑。继续加工，采集主轴和工作台的振动信号。重复振动采集，测量刀片磨损量、表面粗糙度和收集切屑，直到满足切削次数要求，一般用刀片磨损阈值为终止条件。这样第一组切削用量数据采集完毕。接下来，更换新刀片，设定其他组切削用量，重复第一组同样的步骤，收集刀片磨损量、表面粗糙度、振动和切屑。至此实验结束。

实验结束后，学生需要根据指导教师提供的方法对数据进行处理，得出一个或多个有效描述切削加工过程变化的特征，并对特征进行比较，分析得出描述切削加工过程变化的最显著特征。

为了体现研究型并充分发挥学生的主观能动性，锻炼学生的创新能力，此实验平台学生可以在下面几个方面进行探索和研究。探索研究型部分在图2中用点划线框标注出来。

首先学生可以根据实际自行确定切削用量或者其他影响加工效率和质量的变量。

在采集响应部分，不局限于提供的4种(刀片磨损量，表面粗糙度，振动和切屑)体现切削过程的表征，可以根据加工过程和特点，提出其他的表征方式，并给出可行性分析。

在实验设计部分，根据实验设计方法修改基本实验步骤中设计的切削用量组数(工况)。

在数据采集过程中，不局限于切削次数的终止条件。可自行确定终止条件，并给出理由和判断依据。

在数据处理部分没有具体方法的限制，也没有标准答案，学生可以根据自己掌握的理论对数据进行分析，主要目的是找到描述切削加工过程的一个或多个特征及这些特征之间的匹配关系，并对此特征进行监测，进而实现切削加工过程的质量和效率的控制。

3 研究型实验实施

对于机械方向的学生，在学习完制造类课程后，按照常规实验流程，6人一组，分别负责每部分数据的采集(刀片磨损量2人、振动2人、切屑1人、表面粗糙度1人)和数据分析，实施基本实验部分。采用指导教师讲解基本知识、实验步骤、注意事项、下达任务书、学生操作实验、分析数据并撰写实验报告的方法。

对于研究型实验部分，采用以学生为主、教师为辅的方式实施。首先以选修课的形式公布实验题目、目的和内容，学生根据自己兴趣查阅相关资料，提出设想和目的，与指导教师和操作教师讨论可行性。如果可行，实施实验并对数据进行分析，验证设想的正确性，以达到研究的目的。如果不可行，分析过程、查找原因并修改设计方案，再次实施实验。

4 考核和评价

基本实验部分的考核采用实验态度、实验操作、实验报告和团队合作精神为主要考核依据，研究型部分的考核打破常规的标准答案和提交报告的考核方式。考核和评价重点放在学生能动性和创新性上。具体为学生在实验设计、数据采集的方式、数据处理等方面体现的新颖性和科学性，而不以实验的失败和实验结果分析好坏进行评判。

例如，实验设计方面，学生能够根据自己的观察提出一个与文献不同的切削用量或者其他影响加工效率和质量的变量，不管这个变量是否能够很大程度上影响效率和质量。在数据处理方面，如果学生根据数据特点提出一种新的处理方法可以很好地表征数控加工过程，而不是局限于现有方法得出很好的结果，这种情况下，学生就可以得到较高的评价。

5 研究型实验效果分析

此研究型实验在2届本科毕业设计和2个在读研究生培养上进行了实施，效果分析如下：

(1) 提高学生查阅相关有价值资料的能力。很多学生过去只使用百度查找资料，途径相对单一，通过此实验学会了用图书馆的论文库查阅专业的资料，有效地提高了查阅资料的能力，并能对文献进行分析和学术性综述。

(2) 提高了学生分析处理实验数据的能力，并从中发现具有研究价值的关键问题。由于数据的类型不同，所用的方法也大不相同，此实验需要了解和掌握的方法比较多，所以能够有效地提高学生处理分析数据的能力。图3显示本科生对振动数据的处理结果，结果很好地表征了数控加工过程的变化。研究生在分析数据时发现了刀片磨损的分布类型，为可靠性分析提供了很好的依据。

图3 振动幅值变化图

(3) 有效地使理论和实际相结合。学生由于接触实际较少，经常停留在想象层面，一些想法的实现是很困难的，或者不可实现的。此实验将理论用于实际，使学生对实际和理论之间的关系有了深刻的认识。比如测量刀片磨损量，由于实际中有很多润滑油和冷却液，所以在主轴刀柄上测量是不可能的，只能拆卸下来测量，但是拆卸下来增加了误差等诸如此类的问题。另外在切屑测量过程中，由于实际数据均会有不同程度的波动，为了尽可能让数据真实准确，学生通过除去最大值与最小值在余下数值内取平均数的方法确定最终数据，很好地锻炼了学生对实际问题的处理能力。

此研究型制造类实验平台基于科研项目，充分给学生空间和自由，很好地锻炼、培养了学生的创新能力和创新意识。

6 结语

依托国家自然科学基金项目中典型的制造过程实验部分，搭建开发加工制造类的研究型实验教学环节。通过实验可以让学生很直观地了解数控加工过程和加工质量、效率的控制方法，以及一些表征的采集方法，从而拓展学生的知识领域，激发学生对机械的兴趣，锻炼学生多角度地解决实际问题的意识和思维，培养学生的创新思维和创新能力。

References)

[1] 金亮,周亮.“科研反哺教学”模式在独立学院的实践与探索[J].教育教学论坛,2016(2): 100-101.

[2] 董社英.以科研项目为依托构建多层次学生科研创新能力培养模式[J].西安建筑科技大学学报(社会科学版), 2006, 25(2): 91-93.

[3] 杨捷,沈磊,杨高文.高校如何将科研项目转化为学生综合设计型实验[J].科教导论, 2015 (11): 21-23.

[4] 李旭,张为公.基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革[J].实验室研究与探索, 2015,34(1):169-171.

[5] 韩延成,杜艳青.基于课堂、实验、科研项目、真实工程的多元水力学实践教学模式研究[J].课程教育研究,2013 (7):164-165.

[6] 姜兵,张玲玲.将科研项目引入土力学实验教学改革的研究与探索[J].高教研究, 2014(4):63-64.

[7] 张军香,董韶鹏,袁梅,等.科研课题向实验教学的转化模式研究[J].实验技术与管理, 2010, 27(5): 18-22.

[8] 孔滨,孔德玉,赵举中,等.强化科研反哺实验教学 培养学生创新能力[J].实验技术与管理, 2010, 27(6): 147-149.

[9] 于兵川,吴洪特.实验教学与科研有机结合培养学生创新意识和能力[J].实验室研究与探索,2010,29(2):76-77.

[10] 沈剑英,黄风立.依托科研项目开发综合性实验的实践与探索[J].实验技术与管理, 2014,31(3):163-165.

[11] Zhang P,Guo Y. Mapping Time-Variant Modeling of Tool Wears and Cutting Parameters on Difficult-to- Machine Materials[C]//Proceedings of the 10th World Congress on Engineering Asset Management (WCEAM 2015). Switzerland: Springer International Publishing,2016.

Constructing research-oriented experimental platform of manufacture based on research projects

Zhang Peipei, Wang Kesheng, He Qianhong

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic and Science Technology of China, Chengdu 611731, China)

In order to tightly integrate research into teaching, a research-oriented experimental platform for monitoring and controlling NC manufacturing process is developed based on research projects. There are four experiments related to each other. The platform gives students more freedoms instead of the detailed requirements. Assessment is not limited into the answer mode. Students can get the training of thinking on research and innovation. Experimental platform is used by master candidates and undergraduate students of mechanical and electrical field. The results show that theory and practice are combined effectively on this platform. The practical application ability, thinking on research and innovation of students are improved greatly.

combination of scientific research and teaching; research-oriented experimental platform; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.040

2017-01-09

国家自然科学基金青年基金项目(51405062)；中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(ZYGX2014J075)；电子科技大学教育教学改革研究项目(2015XJYYB048，2016XJYYB031)

张培培(1981—)，女，河南许昌，博士，讲师，从事机械技术基础教学研究以及数控加工可靠性性设计优化科研.

E-mail：peipei.zhang@uestc.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2017)06-0161-04