时间：2022-10-15 11:00:49
1机械臂MatLab模型建立
机械臂的模型仿真采用MatLab平台下的RoboticsToolbox工具箱，从而可以很方便地对机械臂运动学的理论进行学习和验证。工具箱内部包含了很多机械臂运动学方面的功能函数，如机械臂的坐标变换及机械臂正逆运动等。通过调用Link和Robot两个功能函数，利用Denavit－Hartenberg参数表来描述机械臂各个连杆间的位移关系，可以在三维空间为机械臂的每一个连杆建立一个坐标系或相对于机械臂底座的相对坐标系，进而确定每一个杆件的位置和方向。在建立多个运动坐标的时候，为了方便，一般建立一张关节和连杆参数的D－H参数表。根据图4所示的结构模型建立的参数如表1所示。利用表1建立的D－H参数表来进行机械臂数学模型的运动仿真，在Matlab中将6个关节初始角度按照表1设置为θ1=90°、θ2=0°、θ3=0°、θ4=－90°、θ5=90°、θ6=0°。通过调节工具箱中每个自由度对应的活动范围可以实现机械臂任一关节的位姿运动。
2机械臂控制系统硬件实现
采摘机械臂要实现其特定的动作离不开控制系统的支持，其控制系统主要由AVR主控板和舵机控制扩展板组成，此外还有一些辅助的硬件模块。例如，使其系统稳定工作的开关电源模块、调整工作姿态的键盘模块、实现人机对话的显示模块和语音播报模块。同时，为了实现在上位机上的监控，设计了基于MAX232的串行通信接口。
3机械臂控制系统软件实现
机械臂控制系统软件主要由主控板控制程序和上位机监控程序两部分组成。采摘机械臂主程序流程如图8所示。整个程序主要是通过键盘模块上按键的控制来切换操作模式，也可以在上位机设计的监控软件中来进行模式的选择判断。主程序主要由单自由度功能模式、多自由度功能模式、轨迹规划功能模式这3种工作模式组成，通过这3种工作模式，可以完整的展示采摘机械臂的整体自由度配合情况。为了在上位机上实现对机械臂的监控，借助于Labview软件设计了机械臂上位机控制系统。Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式［6］。根据需求选择合适的控件并进行合理的布局，就可以构建一个美观的仪器仪表界面。设计的控制界面如图9所示，该界面包含有六个舵机的数据监控转盘、串口通讯设置、速度调节滑块、按键模块。通过RS232通信协议该监控软件可以实时的实现对六个自由度转角和方向的控制，其中舵机转盘上的数值代表脉宽值，其可调整的范围为500～2500μs，代表舵机相应的角度为0°～180°。在上位机上的控制信号发送给AVR主控制板，主控制板对接收到的上位机数据进行分析处理，将需要的运动形式及参数发送给舵机控制板，各个舵机根据接收到的控制数据进行相应的动作响应。
4结语
重点介绍了一种基于AVR单片机的果蔬采摘机械臂的硬件和软件系统，并借助于Denavit－Harten-berg(D－H)理论构建机械臂系统的数学模型，同时采用MatLab平台下的RoboticsToolbox工具箱进行数学模型的运动仿真。测试应用表明:该机械臂性能稳定、可靠性高，能够完成一系列在特定空间范围内果实的采摘工作。同时，还可以用在农业装备、机器人控制、数控设备和装配等领域，具有广阔的市场应用前景。
作者：刘忠超熊雷翟天嵩单位：南阳理工学院电子与电气工程学院
【关键词】：现代机械；设计方法；理论
中图分类号：F407.4
0.前言
机械设计（machine design），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。
1.现代机械设计概述
1.1现代机械设计的内涵
在20世纪60年代初期，人们将机械设计方案的过程分为不同的设计阶段，如用户体验阶段、设计方案阶段、技术设计与工艺设计阶段等。但是随着科技的不断发展，产品技术的发展不再单纯依赖于设计者的思想灵感或经验技术，而是逐渐发展成为一门科学，并且是以知识为基础，具有科学设计手段的现代机械设计技术。随后，现代机械设计又引进了多种不同的设计方法理念，例如系统科学、信息科学、计算机技术等，这些都为我国的机械设计理念增色不少。
1.2现代机械设计的特点
现代机械设计种类繁多，其结构也越来越复杂。现代机械设计可以从实现功能的角度来考查，其中包括系统功能、传统功能、执行功能和操作功能等，这些功能都可以用来协助机械的运作，每一种功能都有其自身的特点。现代机械设计方法一般都是凭借计算机网络或其他一些现代化机械设备，引进先进的现代化设计理念及方法，创造出具有现代化机械设计特点的作品。现代机械设计的主要工具也是计算机，如利用计算机计算、分析、绘图等，可以大大提高现代机械设计的效率。
2.国内外现代机械设计的方法与理论
随着科技的不断发展，人们对于机械产品的质量要求越来越高，许多科研工作者对现代机械设计方法都进行了研究。在国外有许多现代机械设计方法，比较著名的有普适设计理论方法、公理化设计理论方法和三次设计法理论。
2.1国外现代机械设计的方法
2.1.1普适设计理论方法
普适设计理论产生于德国，其理论方法的精华就是经验的累积和总结。现代机械设计种类较多，这就需要有一个系统的理论方法对其进行总结与归纳。普适设计理论方法是一种典型的设计方法学，这种理论建立起了一系列系统的理论设计方法，从策略、规则、方法到实施都有其具体的设计规则模型。普适设计理论方法的重点就是构建机械设计的功能结构，其每一步的能量输入与输出都是根据已有的经验作为基础所构建出来的，所以普适设计理论方法是一种基于经验的方法。
2.1.2公理化设计理论方法
公理化设计理论方法产生于美国，是一种基于决策的理论设计方法。公理化设计理论方法结合了普适法的经验累积，利用系统理论作为基础，再加上其自身的科学决策，构建起以科学基础和法律公则为基础的设计理论方法。公理化设计理论方法还是一种较为传统的方法，在没有系统知识和经验的时候也可以有效利用。有些机械化设计理论较为复杂，如果根据一般的理论设计方法不能有效地设计出好的机械作品，利用公理化设计理论方法，就能对各种复杂的机械设计进行优化，从而达到很好的设计效果。
2.1.3三次设计法理论
三次设计法理论是由日本学者提出的，这种机械设计理论方法主要包括3个过程，即系统设计、参数设计和容差设计。
（1）系统设计是整个机械设计的核心理念，也是最基础的部分，它是整个机械设计的始发站。
（2）参数设计就是对各个功能进行优化组合，使系统中所有参数组合最佳，这样可以使产品的负面影响减到最小。
（3）容差设计相当于是对整个机械设计的一个检验，确认各个参数的波动范围，从而尽可能减少制作成本，整个设计过程总称为三次设计。
三次设计法理论是目前国际公认的质量最高的机械设计方法，其设计的核心内容就是参数设计和容差设计，每一种设计都是整个机械设计过程中的有效工具，利用其设计方法对机械设计的参数进行优选。
2.2国内现代机械设计的方法
机械设计理念在不断发展，为适应科学发展的要求，我国大量的科研工作者也对其进行了不断地探讨和研究，并且取得了一些成果。这些新型的设计方法理念，有效地解决了机械设计过程中出现的一些问题，具有很好的实用性。计算机辅助机械设计方法、系统化机械设计方法和局部或全局性的设计方法都是我国科研工作者的研究成果，下面以其为代表进行介绍。
2.2.1计算机辅助机械设计方法（简称“电子信息技术”）
计算机辅助机械设计方法是随着计算机科学技术的不断发展而兴起的一种机械设计方法。机械设计人员在画图、构思和高速运算等方面可以运用计算机来协助工作。传统的机械设计方法，除了科学的设计理念，其设计步骤也非常重要，传统的机械设计方法都是利用图纸或手绘而制作出设计方案，而计算机辅助方法出现之后，设计者就可以利用计算机有效地进行产品设计。计算机辅助机械设计方法不仅可以减少设计人员的体力劳动，还可以提高设计质量，缩短设计周期。
2.2.2系统化机械设计方法
系统化机械设计方法是对传统机械设计方法的一种突破，它改变了以往一成不变的单纯的功能性要求。系统化机械设计方法使整个机械设计的方法理念更加系统化、信息化与智能化，能够在不丢失数据的前提下，通过对用户信息进行管理或禁用某些程序，使一些丢失的数据还原，保护用户系统的利益，从而保护整个系统。系统化机械设计方法通过多种方式对用户系统进行合理保护：（1）利用一些软件对硬盘中的信息进行管理；（2）有效地隐藏备份，如系统化机械设计方法可以还原一些丢失的文件、更改文件属性或对文件加密等。
2.2.3局部或全局性设计方法
国内现代化机械设计方法理念较之以前更为全面，实用性更强。现代化机械设计理念更为科学，通过它可以全面了解整个机械设计过程，系统地对整个机械设计过程进行监测或督查，以提高工作效率。
3.现代机械设计的研究进展
现代机械设计全面发展。随着科技的不断进步，现代机械设计方法逐渐面向大众，适应市场化的发展需求。
（1）全球化。机械设计全面发展，在全球化的进程当中占据着非常重要的地位，所以面向全球化是机械设计发展的必然趋势。
（2）网络化。在机械设计的发展中，很多人认为机械化与网络没有太多的联系，但事实上这种思想是错误的，当今社会网络化越来越成为大众交流发展的一个平台，任何事情在网络化这个大平台中都可以得到讨论，因此机械化设计是与其紧密相连、密不可分的。
（3）虚拟化。设计过程本身就是一个抽象的过程，自然带有一定的虚拟色彩。
（4）自动化与绿色化。这是现代机械设计中较为先进的一种科学理念，设计者应有效地利用这种理念进行设计，以提高机械设计工作的效率，降低能耗。
4.结语
随着我国机械制造产业的不断发展，我国的机械设计理念也需要不断更新。高质量、高生产率一直是机械设计的主要目标。因此，21世纪机械设计应朝着柔性化、灵捷化、智能化、信息化、网络化、绿色化的方向发展。
【参考文献】：
关键词：现代机械设计；方法；研究
中图分类号：TH122 文献标识码：A
机械设计主要是指根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、以及各个零件的材料和形状的尺寸、方法进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。本文着重从现代机械设计方法及其发展进行探讨。
一、现代机械设计的特点
机械设计作为机械工程的最重要的组成部分，是机械生产的第一步，它是决定机械性能的最主要的因素。现代的机械设计它包括众多的种类并且结构也愈来愈复杂。但从实现系统的功能来看，她主要包括动力系统、传动系统、执行系统、操纵及控制系统等，这些系统有根据各自的需要继续分解为更小的子系统。现代机械设计它具有鲜明的时代现代特点，它不仅要求设计对机械的工作原理、工作结构、运动方式、力以及能量的传递方式、物流技术、各零部件的材料、形状、尺寸、等方式进行构思、分析和计算，而且还融入多门的现代科学知识。如：在现代机械中融通创造性的工程学、美学、控制论、机械电子学等，使得设计出的产品更具有时代气息，进而使得产品在市场上具有竞争优势。
二、现代机械的设计方法
（一）信息论方法
它主要包括信息分析法和技术预测法，其目的是帮助机械设计归总有用的信息，使得这些信息能够为设计人员提供机械设计的灵感，该方法是现代机械设计方法的前提。并且信息论方法能收集大量的设计信息和设计经验，它能够帮助缺乏设计经验的新手完成工作。此外，信息论方法能够大大的提高设计的效率，加快产品的更新速度，缩短设计的时间，从而在市场的竞争中处于优势地位。
（二）创新设计法
为了适应新知识经济时代的发展要求，提出现代机械设计创新理论。在机械设计中，创新设计法的应用能够培养设计者创造性的思维，创新设计方法以自己优势优于其他的创新，使得设计出的产品能够在激烈竞争的环境中处于优势地位。创新性的机械设计能够最大限度的增强其设计的用途和性能。
（三）绿色产品设计技术
绿色产品的设计技术主要是指在设计机械产品中应该符合低消耗、高效益以及保护环境的要求。绿色产品设计应该要求现代机械设计中用最小的能源消耗获得最大的能源利用率，此外还需符合对环境影响较小的环保要求。设计产品的结构布局、加工工艺和材料的选择上都应该在设计之初考虑到。另外，还应针对环境设计对机械技术进行设计。这主要是指在设计的过程中对于产品来说，能否回收、是否可以重复利用、是否可以维护，以及是否能够有益于人们的身体。
三、现代机械设计的发展方向
现代机械设计与传统的机械设计有着许多不同的特点，由于传统设计技术跟不上现代经济发展的步伐，因此，应该采用现代的设计方法，借助各类的工程软件来帮助设计人员完成产品的开发工作。但随着经济的发展，现代机械设计必须朝着一个新的方向发展才会在机械设计领域内树立其长盛不衰的地位。
（一）人性化设计
随着物质水平的提高人们越来越关注精神的需求，因此在机械设计中应该突出人性化，满足人的精神需求。该发展方向它适应了当今人文社会的提倡，也凸显了人的价值意义。如：在现代的机械设计中，计算机技术已经全面的应用到机械设计中，因此，在机械设计的过程中，采用微机控制技术，使得控制和操作的人性化能够最大限度的提高机械设计的安全性和舒适性。
（二）系统性设计
该设计方向主要是从系统性的观点入手，把机械设计看作一个整体，该设计的实现主要依赖信息化技术，实现人、机、环境的相互协调。在具体的实施过程中，应把其中的总系统逐一的分解为单一的子系统，采用现代设计理论和方法进行系统性的设计，它的目的是在与追求系统优化为目标协调各个子系统的设计和匹配。
（三）虚拟化设计
21世纪科学技术的核心技术是虚拟技术、计算机通讯技术和网络技术。虚拟技术作为三大核心技术之首，足以可以看出它的重要性，虚拟技术主要包括虚拟加工、虚拟测试、虚拟控制等，虚拟化设计作为一种虚拟设计，它主要利用声、光、电、机、计算机等综合技术的有机组合。它能够极大的改变人类现有的思维和生活模式。
综上所述：现代机械设计它是一个创造性的工作工程，是多种技术学科相互渗透、相互结合的产物。机械设计只有不断的与当代先进的科学技术相结合才能促进自身的发展，因此来说，现代机械设计应该适应社会的发展，才能对社会做出贡献。
参考文献：
[1].许鸿艳.讨论现代机械设计的方法及研究进展[J].湖南农机，2013（05）.
[2].张前森.浅析现代机械设计方法及研究进展[J].科技资讯，2011（18）.
关键词：创新能力；机械原理；教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）06-0033-02
随着科学技术的发展和工业自动化水平的提高，迫切需要高等学校培养出大量具有创新能力的工程技术人才。机械原理课程作为机械类专业的一门重要专业技术基础课，具有很强的工程实用性，在培养学生创新能力方面具有其他课程无法比拟的优势。在培养学生创新设计能力的过程中，机械原理课程承担着培养学生机械系统方案创新设计能力的任务，在机械基础系列课程中占有十分重要的地位。为了培养学生的创新能力，我们在机械原理课程的教学过程中以教学研究与教学实践为基础，打破传统机械原理教学的格局，从认知规律和满足工程设计各主要环节训练的需要出发，进行教学内容和实践环节的整合与提高，在培养学生机构运动与动力设计、通用机构运动设计与结构设计能力的同时，突出创新设计和现代机械系统总体方案设计的训练。
一、课程体系的设计与创新
为强化机械类专业本科学生机械系统方案设计能力和创新能力的培养，在长期从事“机械原理”课程的教学实践与教学改革的基础上，提出并构建了以现代机械系统总体方案设计为主线，旨在培养学生综合设计能力的一门具有自身体系与特色的“机械原理”新课程，提出了基于“三大模块”知识体系、“三维类型”教学模式和“三位一体”教学环节的课程体系结构（简称“三三制”），如图1所示。
1.“三大模块”知识体系——教学内容的整合。以机械系统方案设计为主线，创新能力培养为目标，对机械原理课程的教学内容进行了结构性调整、重组和更新，从整机和系统的角度将教学内容整合为“机构学”、“常用机构”和“动力学”三大模块，由此形成机械原理课程的知识体系。该体系突出了整机观、系统观、创新观和发展观，更加贴合工程设计和人才培养的规律，体现了学生设计能力培养的循序渐进性。
2.“三维类型”的教学模式——教学模式的外延。将教学模式由传统的纸质教材板书形式向信息化和模型化形式延伸，以实验室实物模型为载体，采用纸质教材为主，CAI、PPT和仿真软件等电子信息化课件为辅的“三维类型”的教学模式进行立体化讲授，全面提高学生的认知能力、接受能力和软件编程能力，为学生毕业后的实际工作奠定一定的理论和实践基础。
3.“三位一体”的教学环节——教学环节的扩展。教学环节由课内向课外延伸，新课程通过理论教学、课程设计和实验仿真“三位一体”的教学环节，为学生的实践训练和创新活动提供宽广的舞台，为学生个性化教育创造广阔的空间，以提高学生自主学习与研究的能力，促进学生对所学知识的融会贯通，理论与实践的融会贯通，实现由理论学习向工程综合的转变、由知识积累向能力生成的转变，全面提高学生的设计能力、实践能力和创新能力，使学生在知识、能力和素质等方面得到协调和均衡的发展。
二、教学内容的设计与创新
1.实验教学。机械原理设有相应的实验环节，包括上机实验和实验室试验两部分，实验项目的选择多以演示型、验证型为主，学生实验成绩只占课程总成绩很小的比例，实验环节的重要性被理论教学冲淡了。为强化学生实验能力的培养，新编了“机械原理实验指导书”，按“三大模块”体系设置了不同难度等级的实验项目，突出创新设计、自主设计和综合型实验，突出实验环节的重要性。
2.课程设计。为培养学生的整机设计观念和能力，课程设计选题注重工程设计各主要环节（工作原理-方案拟定-运动学分析-动力学计算-机构设计）的训练以及创新能力的培养，将计算机设计和机械系统动力学仿真相互结合，体现先修课程的综合运用和计算机辅助设计能力的培养。
三、立体化教材建设与网络化学习环境的构筑
教材是开展教学活动的基础，课程改革与建设的新理念必须通过教材加以固化，以便于教学实践和推广。近几年来，我们在积极开展机械原理新课程建设的同时，努力探索教材表现形式的多元化和有机配套，形成了机械原理课程教材的系列化、立体化，在教学实践中发挥了很好的作用。
1.机械原理电子教案。针对机械原理课程的教学内容，按照课堂教学活动组织和学生认知的普遍规律，负责开发了开放式PPT电子教案，设计和收集了大量视频和动画文件，利用多媒体技术和动态仿真技术来充分展示复杂机械的结构、机构运动过程、传动机构设计原理与步骤以及工程应用现场等信息，由此增加了教学信息量和提高了教学效益，同时电子教案的多媒体形象化特点和生动性、趣味性，也大大激发了学生主动学习的积极性，加深了对所学内容的理解，从而提高了整体教学质量和水平。
2.机械原理课程网站。为满足学生课外学习的需要，同时充分发挥教学资源的广泛作用，学院建成了机械原理课程网站，主要模块有：课程简介，网络课堂，综合实践，中英名词术语对照，网上答疑，在线讨论，创新园地等。其中网络课堂模块提供的教学资源包括：学习须知，教学大纲，考试大纲，电子教案，学习指南（含各章学习要求、重点难点指导、典型例题分析、复习思考题、文献阅读指南等），扩展内容，习题，自我测试，参考文献，网络课程等；综合实践模块包括课程实验，课程设计，专题项目，专题讲座等。课程网站的建设为学生创造了良好的网络学习环境。
四、结论
通过多年的教学实践，我们在利用机械原理教学平台培养学生创新能力方面获得了一些经验，取得了一些成效。我们认为，培养学生创新能力的关键是要调动学生学习的积极性和创造性，将教学内容、创新方法和实践有机结合起来，学生的创新能力才能得到发挥。
参考文献：
[1]胡娟，贺俊林，冯晚平.机械原理教学方法和手段的改革与实践[J].山西农业大学学报，2006，5（5）：30-31.
[2]华剑，黄清世，周传喜.机械原理教学中培养学生创新能力的探索[J].高教论坛，2007，（6）：80-81.
[3]钱东洲.《机械原理》教学中学生创新能力的培养[J].科教文汇，2007，（12）：61-62.
[关键词]机械设计 现代设计方法 优化设计
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0175-01
随着科学技术的进步，机械系统引入的新材料、新工艺、新方法越来越多，实现同一种技术功能所具有的功能载体和技术手段也很多，因此，现代机械系统设计工作者若使自己设计出的产品能立足市场，除要求机械系统能实现预期的功能外，还应使设计出的机械系统满足物美价廉、运行可靠、操作方便、对环境污染小等一系列要求。设计者只有通晓机、电、液等各种综合技术，才能设计出性能价格比优良的机械系统。
1 机械设计
机械设计（machine design），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。
2 现代机械设计的特点
现代机械种类很多，结构也越来越复杂。但从实现系统功能的角度上看，它主要包括动力系统、传动系统、执行系统、操纵及控制系统等，每个系统又可根据需要继续分解为更小的子系统。
现代机械设计有其鲜明的特点，即不但要求设计对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、物流技术、各零部件的材料、形状、尺寸、方法等进行构思、分析、计算，而且还需融通多门科学知识，如创造性工程、美学、仿生学、控制论、机械电子学、价值工程等，使设计出的产品在市场中具有竞争力。
3 计算机辅助机械设计方法
计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称 CAD）技术是电子信息技术的一个重要组成部分。这一新兴学科能充分运用计算机高速运算和快速绘图的强大功能为工程设计及产品设计服务，彻底改变了传统的手工设计绘图方式，极大地提高了产品开发的速度和精度，使得科技人员的智慧和能力得到了延伸。它把计算机所具有的运算快、计算精度高、有记忆、逻辑判断、图形显示以及绘图等特殊功能与人们的经验、智慧和创造力结合起来，从而减轻设计人员的体力劳动，提高设计质量，缩短设计周期。
CAD系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统是计算机辅助设计技术的物质基础；软件系统是计算机辅助设计技术的核心，它决定了系统所具有的功能。硬件和软件的组合形成了CAD系统：1）软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件3个层次；2）系统软件对计算机资源进行自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层，主要包括操作系统和数据通信系统等；3）支撑软件是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，亦称为软件开发工具；4）应用软件是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件，自行编制的用于解决各种实际问题的程序。
计算机辅助机械设计的一般过程包括：1）建立数学模型：一般机械零件基本都有现成的数学模型，但对没有数学模型的则首先要建立正确的数学模型；2）设计程序框图：程序框图根据手工计算的步骤来设计；3）用高级语言编制程序：根据程序框图来编程；4）程序调试 ：程序编好后，先仔细检查源程序，然后将其输入计算机进行试算，再对程序适用范围的边界、转折点进行试算，要求与手算结果完全吻合。
4 系统化机械设计方法
现代机械设计已突破传统的机械设计只注重机械产品单纯能实现预期功能的要求，使机械设计向自系统化、信息化、柔性化和智能化的方向发展。从系统的观点出发，机械系统设计及其控制技术把原有机械产品的性能、功能以及制造技术提高到一个崭新的水平，甚至使原有的机械产品结构发生变化，所带来的经济效益和社会效益是巨大的。所以机构产品的系统化设计及其控制技术是机械工业发展的必然趋势，也是用新兴技术改造传统机械工业的有力措施。
科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。
目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。
系统化设计方法将设计任务由抽象到具体（由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构）进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
在系统化机械设计过程中，为使设计工作更为科学合理，常把一个机械系统分解为若干个相联系的比较简单的子系统，可使设计和分析比较简便。根据需要和可能，各子系统还可再分解为更小的子系统，依次分解，直至能进行适宜的设计和分析。系统分解时就注意以下几点：1）分解数和层次应适宜。分解数太少，子系统仍很复杂，不便于模型化和优化工作，分解数和层次太多又会给总体系统的综合造成困难；2）避免过于复杂的分界面。应尽可能选择在要素间结合枝数（联系数）较少和作用较弱的地方；3）保持能量流、物料流和信息流的合理流动途径。通常机械系统工作时都存在着能量、物料和信息 3 种转换，它们从系统输入到系统输出的过程中，按一定的方向和途径流动，既不可中断，也不可紊流，即使分解成各个子系统，它们的流动途径仍应明确和畅通；4）了解分系统分解与功能分解的关系与不同。系统分解时，每个系统仍是一个系统，它把具有比较密切结合关系的要素结合在一起，其结构组成虽稍微简单，但其功能往往还有多项。而功能分解时，是按功能体系进行逐级分解，直至不能再分解的单元功能。
5 结论
网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求、设计、加工、装配、成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。因此，机械设计方法的发展趋势是综合运用系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，以产品方案设计为方向。
参考文献
关键词：复杂机械系统；多学科；复杂机电
一、前言
随着科学技术水平的不断发展，现代机械系统已发展成为由机、电、液、光等多物理过程耦合于载体的复杂物理系统，同时也是将多种单元技术集成于几点载体，形成整体功能的复杂装备。在完成高度复杂的多物理过程中，系统及其内部的各子系统与环境间进行着能量、物质与信息流的多种传递、转换和演变。
二、现代机电系统及其特征
现代各种高效的生产设备、航空航天运载工具、高速列车、盾构是掘进机等无一不是高度耦合、功能复杂、运动控制能力强大的复杂机械系统。与传统机械相比，可以认为，现代机电系统是将机械工程、材料工程、电气工程、控制工程、信息技术等通过信息流融合与信息驱动，按照复杂规律运行的机械系统，其共有特征主要体现在：（1）系统由多个相同和不相同层次的子系统组成，各个系统之间通过耦合关系构成结构复杂的有机整体。复杂机电系统耦合关系见图1.1所示。（2）系统具有动态性与开放性。系统内部及系统与外部环境之间，通过耦合与协同进行能量、物质及信息流的传递、交互及转换，实现多个复杂的物理过程并形成系统的基本功能。
三、关于复杂机械系统的研究
复杂机械系统具有复杂系统的特征，设计属于复杂机械产品的设计范畴，其设计过程是包括数十门学科交叉的系统工程问题，虽然已经在每门学科以及领域积累的丰富的理论及相关技术，比如精密轨道、减速箱。连杆机构的运动学、动力学、摩擦学等等。而复杂机电系统的整体行为不能通过独立分析其各部分的行为来确定，需要建立基于物理耦合与多异域技术协同的系统研究方法，以寻求复杂机械产品的整体最优。
传统复杂机械产品设计一般流程为：方案设计――详细设计――生产设计。其中方案设计所占比重较小，处于产品全生命周期的初始阶段，统计数据表明，产品方案设计的费用只占产品开发总成本的5%，但产品总成本的70%～80%由方案设计阶段决定。方案设计是为了获取满足产品设计要求，详细表达方案的功能原理、原理结构的相互关系以及功能载体的关键参数，其设计质量依赖于设计师的经验，对其进行优化设计非常有用。一旦方案确定下来，就限制了后续设计的优化空间，详细设计与生产设计相对于方案设计的自由度小，所以方案设计是产品设计的关键所在，其设计结果将直接影响后续详细设计、制造等环节，而且这一阶段所造成的设计失误很难为详细设计阶段弥补，正是基于以上原因，设计人员逐渐意识到应该大力提高方案设计阶段的质量，其中，一个很重要的手段就是采用各种优化技术。
基于计算机辅助的方案设计方法符合当今产品数字化设计的需求，在设计方法上融合了各种现代设计方法，如有限元设计原理、可靠性设计理论、优化设计理论、系统建模理论、评价决策等，使得设计过程更具创新性，寻求新的方案。
现有的设计方法――传统的串行设计模式，在不同的设计阶段，选择不同的重点学科进行产品设计和优化，实质上忽视了学科之间的联系，人为割裂了学科间的相互耦合可能产生的协同效应，结果极有可能失去系统的整体最优解，降低了产品的总体性能，并且设计周期长。这就导致得到产品整体最优解的困难不仅仅在于优化算法本身，而是需要新的优化理论与方法。多学科设计优化（MDO）就是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂产品及其子系统的方法论，其思想顺应了复杂机械产品设计的需求，其宗旨与并行工程的思想不谋而合，用优化原理为产品的全生命周期设计提供了理论基础与实施方法，所以已经提出，就被认为是“能够帮助设计师解决困惑的重要途径”，目前已广泛应用于航天、汽车、交通运输、机械等行业。可以认为各个学科设计理论、设计经验是研究复杂机电系统（由学科组成）的基石，而直接研究复杂机电系统整体规律已是社会发展的急切需求。而MDO为此提供了可行理论和方法。
参考文献：
[1] 白晓涛，李为吉.利用协同优化方法实现复杂机械系统的设计优化[J].机械设计，2006，（19）：211-213.
关键词：机械原理；系统化；多样化创新性设计；实践性
作者简介：张莉洁（1976-），女，河南洛阳人，洛阳理工学院机械工程系，讲师。（河南 洛阳 471023）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）14-0120-02
机械系统的设计是机械设计中极其重要的一环，机械系统设计的正确合理性，对提高机械的性能和质量，降低制造成本与维护费用等影响很大，决定着机器性能的好坏。机械系统方案设计是一项极富创造性的活动，要求设计者善于运用和总结已有知识和实践经验，深入理解，广泛积累，收集相关技术资料，充分发挥创造性思维和想象能力，灵活运用各种设计方法和技巧，从而设计出新颖、灵巧、高效的机械系统。
作为“机械原理”课程的一个重要实践性教学环节，机械原理课程设计的内容正是对机器进行机械系统方案设计。它是学生将所学知识转化为实际工作能力的桥梁，使其将所学知识系统化；使理论与工程实际相结合，提高分析解决工程实际问题的能力，树立机构分析和设计的概念，树立正确的工程设计观点；通过创造意识的教育，培养学生创造、实践能力。根据近年来对课程设计实践教学环节的深入探索及积累的经验，本着洛阳理工学院提出的培养工程应用型创新人才的教育理念，笔者总结了学生在进行课程设计时出现的普遍问题，针对机械原理课程设计的培养目标，本文从机械系统设计过程的系统化、实践性及创新性这三个方面对原有教学模式存在的问题加以提出、探讨和论述。
一、机械原理课程设计教学内容及存在的问题
“机械原理”课程设计的核心内容是对机械系统进行方案设计。其一般设计步骤为：拟定机械工作原理，制订总体功能，提出设计要求；执行构件和原动机的运动设计，确定执行构件的数目、运动形式、运动参数及运动协调配合关系；机构选型，选择满足机械运动、动力要求的机构类型，确定机械系统结构方案，绘制系统示意图；机构的尺寸综合，根据执行构件和原动机的运动参数，以及各执行构件运动的协调配合要求，确定各构件的运动尺寸，绘制机构运动简图；方案分析，进行运动学和动力学分析，对系统方案合理性进行论证，验证其能否满足运动要求。机械系统设计工作是一项创造性劳动，设计过程通常不会一次性完成，经常出现反复和交叉，通过不断论证分析的过程才能达到最终的设计目的和最优的设计要求。
根据近年来“机械原理”课程的理论教学，结合课程设计实践环节指导经验，笔者发现学生在机械系统设计中，普遍存在如下问题：面对复杂的机械系统，学生在初始确定机械方案的工作中不能把握全局，没有“整体规划”的概念，竟不考虑机械系统各部分的运动协调性和机构运动实现的可行性，设计工作呈现照猫画虎的状况，无法发挥自身主观能动性和创造能力，如此“参考设计”并不利于学生真正掌握机械系统设计的精髓。另外，原有课程设计所选设计题目大都集中于传统、经典式的机床类设计，题目过于单一，创新设计性体现不强，导致学生缺乏设计兴趣。
笔者认为在课程设计过程中应积极发挥学生的主观能动性，能够通过思考自行提出解决方案，培养创新和实践能力，这才是该课程设计所应达到的教学目的，针对以上培养目标和所述问题，本文分别对课程设计进行中的重要环节和应注意的问题加以探讨和论述。
二、系统化、实践性及创新性教学探索
1.总体规划，把握正确设计方向
机械系统的正常工作是依靠各部分机构的协调运动来实现的，因此机械系统方案设计的最初工作阶段应是“系统工程设计”，即应在满足机器各执行构件的协调运动关系和运动、动力要求下，高屋建瓴地进行整体规划，该阶段应包括上节所述设计步骤的前三步。“系统工程设计”阶段将为之后各设计阶段提供设计目标、依据和技术参数，其重要性正如房屋的架构或是汽车的运行，决定了机械系统方案设计工作成功与否及方案的可实现性与合理性。
然而，“系统工程设计”工作正是学生在设计过程中遇到的最大困难，其不愿运用逻辑思维统筹分析各部分运动协调关系和机构运动的合理性，而是莽撞地从熟知的局部机构入手开始设计，如此毫无方向性的设计方法无异于盲人摸象，而后的工作无论进行得多细致也无法保证正确的设计结果，最终导致南辕北辙的失败。
进行“系统工程设计”的关键步骤是绘制各执行机构的运动工作循环图。运动工作循环图使各执行部分协调运动关系明晰可见，更有助于设计者理清思路。最清楚的绘制方法是在直角坐标系中分别做出各执行构件所对应原动件在一个工作循环内的运动位移曲线以及对应的阻力曲线，该曲线将为之后的机构设计、运动和受力分析提供必要的设计技术参数。
以牛头刨床机构举例分析，该机器有两个相互协调的执行端运动，其一为刨头的往复直线运动，通过电机、减速装置及转动导杆和曲柄滑块机构的组合执行机构来实现；另一个运动是工作台的横向进给运动，该运动由主运动通过传动系统，而后通过曲柄连杆、棘轮机构及丝杠螺母组成的螺旋运动来实现，两者的运动协调关系为工作台的横向进给运动必须在刨头非切削时间内进行，否则被加工工件将被损坏。绘制运动循环图时应分别画出刨头、工作台对应于原动件曲柄转角转动一周的位移曲线图。另外，其工作中切削阻力曲线也应相应绘出，为之后在任意位置进行受力分析时提供相应数据。
运动循环图将对之后各阶段提出一系列设计要求，如工作台进给的间歇运动是最终通过棘轮机构实现的。若通过曲柄摇杆机构来实现主动曲柄和棘轮的运动传递，则应考虑如何设计曲柄连杆机构，才能保证棘轮的工作行程（拨齿使工作台进给）位于刨头主运动的回程段，且工作周期一致。以上运动协调性为之后进行机构尺寸综合提出了设计要求，通过分析可将其转化为机构设计的三大类基本问题来解决。
2.开展实践调查研究，锻炼自主研究能力
由于理论学习占授课的主要部分，许多学生对实际机器缺乏感性认识，只会按既定方案进行教条设计，如此闭门造车的设计状态使学生缺乏设计兴趣，且设计出来的方案也是纸上谈兵，不符合实际。
优秀的机械系统设计工作依赖于设计者的丰富经验，针对专业知识匮乏，实践少的问题，在进行课程设计前的准备工作中应提出以下要求：开展实践调查研究，锻炼学生自主收集获取相关技术资料及深入自主研究的能力。鼓励学生广泛阅读，扩展知识面，了解最先进的机械构造和设计技术，对机械系统的丰富性能窥得一斑。生活中先进机械系统实例举不胜举，如汽车构造中实现前车轮转向的机构、四连杆独立悬架直线机构等等，都是极具创意且包含先进设计思想理念的设计实例。
获得实践的方式很多，如实地参观考察，听现场工人师傅讲解；图书馆、网络技术资源也能够感受到一个丰富精彩的机械世界。通过实践，再与所学理论知识相结合，学生再一次经过了由感性上升到理性的认识过程，掌握了课本知识与实际机器的内在联系，在设计时更易发挥其主观能动性。在补充专业知识的过程中，领略前辈们的智慧和创新精神，想必也一定会激发学生自主设计的欲望与热情。
3.拟定多样化、创新型设计题目，启发创新思维
目前现有传统的经典式机械系统设计题目通常是一些仅要求满足急回特性和一定协调运动的机床类设计，这类设计题目多数较为成熟，设计难度不小，而类型过于单一，创意思考空间并不大，无法体现机械系统的丰富性。而实际机械系统的功能和设计要求是极其多样化的，学生在进行课程设计中却始终没有机会接触到这些，无法感受到机械系统设计的丰富多样性和创新趣味性，更无法为学生带来创新设计成功后的成就感和喜悦感，更甚者学生直接照搬照抄，比葫芦画瓢。
笔者认为，针对初学的学生拟定机械系统题目不宜太过复杂，而在于有思考性和设计意义。只要有创新和分析价值，能激发起学生创新设计的欲望，这样的题目即可获得事半功倍的效果。随着不断完善的教学体系发展，多样化、创新性设计题目应有所呈现，而这些题目能使学生充分利用所学之术，锻炼分析判断能力和解决实际问题的能力。
举例来说，机械系统中执行机构通常是由一些简单而极富创意设计的四连杆机构来实现的，如从这方面选题，就应要求学生在完成设计的过程中要使设计既不过分复杂，同时又能让人感受到机械系统的设计理念。在此举出以下实例加以说明。
如让学生进行汽车前车轮转向系统的设计。首先向学生提出以下问题：两前轮转向时，两车轮的转角是否相等；然后分析问题：汽车高速行驶时首先要保证行驶的安全性，因此车轮转向时应保证整车纯滚动，否则将会出现打滑的危险。由此得到结论：前车轮两轴线必然与后车轮轴线交于一点，由几何分析得到两车轮转角具有一定的函数关系。该机构可由等腰梯形四连杆机构来实现，其设计问题可归纳为给定两连架杆位置的函数生成问题。该问题可分别采用图解法和解析法来进行求解。
再有，鹤式起重机的执行机构为双摇杆机构，其末端利用连杆的运动来实现重物的移动。问题看似简单，但其设计却有一定的特殊功能要求。为保证起重机在左右移动时不上下起伏，避免不必要的做功浪费，应保证连杆末端轨迹为直线，该问题正归纳为连杆机构设计的难点――轨迹生成问题。设计时可首先让学生了解经典的直线轨迹机构，可采用图解法先进行几何特征分析，然后再利用优化设计来建立数学模型，以与直线轨迹误差最小作为优化目标进行针对性设计。
通过以上所举实例可知，实际机械系统中有很多亟待解决和优化的问题都依赖于机械系统方案设计。诸如此类具有一定不确定性的设计问题，让学生真正感受和接触到实际问题的存在，即使在设计过程中的思考和思维过程很艰难，解决问题时会感到困苦，但收获成果的喜悦是无法替代的。整个设计过程是伴随着激情和设计灵感的创造性活动，而不再是一项繁琐枯燥的事情，使机械系统创新设计理念深入人心。
三、总结
综上所述，通过创新性、实践性的课程设计过程，使学生对机械系统的设计理念有所感悟，使学生更好地在创造实践能力和分析思维方面得到大幅度的锻炼，真正达“机械原理”课程设计实践教学的目的。同时，也对学生今后进一步深入研究并确定其研究方向和领域大有裨益，起着导向作用。期待在今后的机械原理课程设计中将出现更多丰富的创新实践性题目和先进的设计理念，培养出优秀的应用型创新人才，以适应我国科学技术及工程创新的发展。
参考文献：
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1.机械自动化产生及定义
在1971年日本的《机械设计》杂志副刊上刊登了机电一体化这一名词，随着机电一体化的发展而被广泛的应用。美国机械工程师协会于1984年为现代机械下了如下定义：“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”。20世纪90年代国际机器与机构理论联合会，给出了这样的定义，机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计、制造过程中的协同结合。
2.机械自动化在生产制造中的应用现状
机械自动化技术实现机械自动化的理论基础是控制理论。控制理论是解决当今具有挑战性的社会生产与科技研究问题发挥了重要作用，是实现自动化控制的理论基础，其发展及应用将彻底改变人类传统生产、生存、生活和管理模式。机械自动化生产应用主要体现在以下方面。
2.1.生产自动化自动化的机械制造加工系统，可以自动持续进行重复工序的循环，同时还可以自动装卸机械组件。
2.2.信息自动化包括计算机辅助设计、辅助制造以及产品数据库系统管理等。计算机辅助设计是指通过计算机的图形设计软件及设备，辅助工程师进行机械部件及构造的设计工作；产品数据库系统管理是对计算机设计、生产制造过程中出现的数据信息进行系统化管理。
2.3.设备装配自动化设备装配自动化是将特定规格、形状的机械零配件按照设计预定的技术要求，通过搬运、组装、调试、试验、验收等步骤，自动组装为一套能够进行生产制造的工艺流水线。
2.4.物资供输自动化物资供输自动化管理可将机械制造系统中所需的各种原材料或成品输送到预定的相应位置。
2.5.检测自动化随着现代科学技术水平的不断发展和提高，各种新型材料和部件以及有特殊功能要求的新型复杂加工设备不断被应用到机械制造业中，使产品的检测技术和工作难度也不断增大，自动化检测技术必然被引入到机械制造中，现在应用相对较多的技术主要包括基于时序、电流信号、人工神经网络对刀具、组件磨损状态的识别检测以及多判断系统的智能设备诊断技术等。
3.机械自动化的优点和效益
随着机械自动化技术的快速发展，机械自动化产品有逐步取代传统机电产品趋势。与传统机电产品相比，机械自动化产品具有高的功能水平和附加值，它将给开发生产者和用户带来社会和经济效益。
3.1.改善劳动条件，有利于自动化生产
机械自动化产品自动化程度高，是知识密集型和技术密集型产品，是将人们从繁重的体力劳动中解放出来的重要途径，可以加速工厂自动化、办公自动化、农业自动化、交通自动化甚至是家庭自动化，从而可促进我国四个现代化的实现。
3.2.生产能力和工作质量的提升
机械自动化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动化控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和较高的产品合格率。同时，由于机械自动化产品实现了工作自动化，所以生产力大大提高。此外，由于机械自动化工作方式具有可通过调整软件来适应需求的良好柔性，特别适合于多品种、小批量产品的生产，是缩短产品开发周期、加速更新换代的重要途径。
3.3.使用安全性和可靠性提高
机械自动化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身与设备事故，显著提高设备的使用安全性。机械自动化产品由于采用电子元器件，减少了机械产品中的可动构件和磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度和可靠性，故障率降低，寿命得到了延长。
3.4.节约能源，减少耗材
节约能源是国家的战略目标，也是用户十分关心的问题。机械自动化产品通过采用低能耗驱动机构，最佳的调节控制，以提高设备的能源利用率，可达到明显的节能效果。由于多种学科的交叉融合，机械自动化系统的许多功能一方面从机械系统转移到微电子、计算机系统，另一方面从硬件系统转移到软件系统，从而使得机械自动化产品系统朝着轻小型方向发展，减少了材料消耗。
4.机械自动化的发展方向
近30多年我国研究机构及一些大中型企业虽对机械自动化发展方向这方面进行了大量研究，对这一技术的发展及应用做了大量工作，并取得了一定的成果。但与日本等先进国家相比，仍有相当差距。机械自动化在技术、工程系统方面已有很大的发展，但基础理论方面尚在发展中，还很不完备。今后的发展方向有如下几个方面。
4.1_机电一体化
机电一体化就是机械自动化的发展和延伸，传统的机械产品只有向机电一体化方向发展，才是机械工业发展的唯一出路。
4.2.具有复合功能，适用面广
机械自动化产品跳出了机电产品单技术、单功能的限制，具有复合功能和复合技术，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机械自动化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调整等功能。
4.3.智能化
智能化是21世纪机械自动化技术发展的一个重要发展方向。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上吸收人工智能。
5.总结
机械自动化在设计和制造上具有多功能、高质量、高可靠性，低能耗的意义，所以机械的设计、制造都是围绕着机械自动化来进行的。机械自动化技术所面临的共性关健技术是传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动化控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。所以说，机械自动化系统就是机电一体化系统。
参考文献：
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关键词：机械电子 教学方式 教学环节
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）03（b）-0133-02
机械电子工程简称机电一体化，表示机械学和电子学两门学科的综合。机械电子工程以机电设备为研究对象，从系统的角度出发，应用机械技术、电子技术、控制技术和计算机技术等先进技术，实现设备功能最佳化[1]。高校机械电子工程专业若要培养优秀的机电一体化应用型人才并且能持续生存和发展，就必须积极探索和实践机械电子工程专业应用型人才的培养模式，培养适应时展需要的从事生产一线的机电一体化的高级应用型人才[2]。
1 机械电子工程专业应用型本科人才培养的目标
高等院校在学生的培养过程中侧重于理论课程体系的改革和部分实践教学的强化，没能以系统化的角度去注重学生实践能力的培养，致使毕业生在人才市场上没有竞争优势[3]。结果造成这个新兴专业失去应有的特色，达不到培养的预期目标[4]。
机械电子工程本科专业人才的教育，在培养规格方面，以培养具有一定创新和实践能力的、具有工程师基本技术素质的应用型人才为目标；在培养模式方面，以社会需求为目标，以培养工程技术应用能力为主线，优化能够体高学生知识、能力、素质的培养方案，以“工程应用”为特征和主旨构建课程体系，重视学生的理论知识和工程技术应用能力的培养。
2 机械电子工程专业应用型本科人才培养的课程构建
机械电子工程专业应用型人才培养课程构建应围绕两个点、四个方向。两个点是专业基础课和专业技术课，四个方向是数控、工业机器人、流控和测控。课程包括机、电、液（气）、控、算等方向的相关课程。机械电子工程专业课程构建定位在机械工程领域，突出各学科方向的有机融合，主要对机械设计、自动控制、设备故障诊断及状态检测等方面开展研究和设计。
2.1 机械电子工程专业教学体系
机械电子工程专业中，机为基础。机指机械专业的基础知识，包括机械制图、工程力学、金属工艺学、工程材料及热处理、互换性与测量技术、机械制造工艺、机械原理、机械设计等课程以及与课程相关的实践。学生在学习机械类课程的同时加强计算机技术、自动化技术、接口技术等课程。合理调整机和电的关系，采用机电并重的培养原则，对原有覆盖较广的课程精简、优化，建立学生能够学好并掌握的课程体系，重点是将机械、控制、电子以及计算机等相关领域的技术应用于机电系统和产品制造过程。
2.2 机械电子工程专业整体课程设置
课程设置是一项系统工程，课程设置不仅要考虑到学科、专业之间的相互交叉、相互渗透，还要考虑行业对知识、能力的要求。在课程设置上，主要分为机械设计、机械制造、电工电子、流体控制、机械控制和计算机控制六大部分。
机械设计包括机械制图及CAD、工程力学、机械原理、机械设计等专业基础课程。这些课程为学生掌握机械设计的基础知识，并为机械制造系列课程的学习打下基础。
机械制造包括金属工艺学、工程材料及热处理、互换性与测量技术基础、机械制造工艺学等。这些课程为学生打下机械制造的基础知识，并通过金工实习和课程设计使学生受到良好的实践训练，从而能进行机械零部件的结构设计和工艺设计。
电工电子包括电工、模拟电路、数字电路、微机原理与接口技术、电力拖动等课程，强调电工电子技术和计算机在机械设备中的应用，为学生进行机电一体化设备设计打下基础。
流体控制包括流体力学、液压（启动）原理、液压控制系统等课程。
机械控制包括机械工程导论、机械振动学、机械控制工程基础、机械测试技术等课程。
计算机控制包括VB、C语言、VC++等课程。
在培养应用型人才的工程能力、技术能力和创造能力的课程组中，强调课程设置的系统性和整体性，以使单项技术或综合能力的培养不断得到强化，减少课程内容上的重复，在有限的时间内获得良好的教学效果。
2.3 加强专业基础课程教学
专业基础课的教学在高校培养人才中占的比重较大，教学重点在于理论，这些理论是专业知识体系的根本，内容已经经过实践验证和沉淀，是学好其它专业技术课必需掌握的知识。机械电子工程专业应用型人才的工程实践能力、创新能力也是建立在必备的专业基础课之上的。因此，在设置专业基础课时，要充分了解人才市场要求的专业知识并考虑学生今后的专业拓展能力。
2.4 加强培养创新能力的实践教学
机械电子工程培养方案加大了实践教学在整个教学环节中的比重，实践教学必修学分约占该专业毕业最低学分要求的35%。根据学生的专业知识结构与水平，对实践教学体系进行分类别、分层次、分模块的创新性设计。在人才培养活动中，创新能力的培养应占有较大的比重。如产品生产过程机电一化设备设计、数控加工、系统故障分析与排除等。“以学生为中心”、“以问题和课题为核心”，进行以启发性和创新性实验的研究性学习，逐步使学生树立创新意识，激发学生的创新个性，培养创新思维，不断提高创新能力。创新能力的培养以课程设计、工艺实习、工程教育实习、生产实习、毕业实习、毕业设计等实践环节作为载体，并尽量选择实际课题，以强化创新能力训练的力度，同时在这一系列的实践环节中培养学生良好的职业习惯和职业精神。
3 加强实践教学平台建设
加强实验室建设，整合共享实验资源，避免重复建设。在原有硬件设施基础上，分层次、分模块地逐步改善实验教学条件。引进实验室管理系统，完善实验室开放管理制度；建立与完善校内实训中心和校外实训基地，使其成为学生理论联系实际、获取实践经验、形成应用能力的基地。紧密依托行业、企业，加强校企之间、校与校之间、学校与科研单位之间的联合，从校外实习基地聘请兼职教授、高工，定期举办学术报告、讲座以及指导学生实习、指导毕业设计等工作，积极开展合作培养，构建稳定的实习基地建设和发展的长效机制。
4 结论
我国正在由制造大国转向制造强国发展，只有培养出熟悉机电一体化设备的设计、制造、维护，并且熟悉控制技术、检测及监测技术、编程技术的专业技术人员才能在企业生产过程中发挥更大的作用。高等院校机械电子工程专业应用型人才培养应转变观念，不断探索适合于应用型机械电子工程专业人才的培养模式，以适应时展的需要。
参考文献
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关键词：机械控制工程；教学改革；课程建设；教学方法
当前，机械控制工程课程教学内容不能适应社会需求和用人单位对学生知识结构的要求，主要表现在教学内容与工程应用能力及科学技术发展不匹配。因此，要了解行业的发展趋势，根据用人单位对学生知识、能力及素质的要求，及时调整教学内容，推动教材、教学方法、实验设施建设[1-3]。大学教育的普及使应用型本科就读的学生能力明显下降，机械控制工程理论性强、公式多及内容抽象，教学质量难于达到预期目标。为此，应该坚持“保证基础，重在应用，教法先进，强调实例”的指导思想，优化教学内容、更新教学设施及采用先进技术，切实提高教学效果。
一、机械控制工程课程改革基本内容
（一）优化、整合教学内容
机械控制工程涉及物理、数学、力学及电工学等学科知识，教学内容多、理论性强，教学中容易重视理论设计与计算，轻视工程实际应用，导致教学与实际脱节。按照应用型本科教学强调理论知识应用于实际这一思路，对教学内容进行调整优化，按实际需要传授基本理论知识，通过工程实例介绍理论知识和设计方法的实际应用，使学生明确机械控制工程的重要性，提高学习积极性。
（二）改革教学方法
针对机械控制工程课程的特点，采用课堂精讲、自学讨论、复习多练的方式，介绍紧密联系实际的工程实例。注重启发式教学方法，加强学生应用能力和素质的培养。课堂上精讲机械控制工程基础理论、方法及工程应用，讲解内容要容易理解、掌握及记忆。课后安排相应的作业题。开展学生讲堂活动，通过学生登讲台和讨论，加深对理论知识的理解，锻炼学生的语言组织能力。敦促学生课外查找资料、归纳总结和制作PPT，即强调讲练结合，提高学生的逻辑思维和综合分析能力。
（三）采用现代教学手段
机械控制工程课程知识点多而抽象，多媒体教学具有直观、形象、信息量大的特点，通过录像及三维动画可以演示机构的控制过程，使没有实践经历的学生很容易理解和掌握机械装备控制原理。编制多媒体教学和模拟实验课件，实现形象化教学，增强学生的感性认识，为教师教学和学生自主复习提供便利。同时，去粗取精、扬长避短，利用现代化教学手段挖掘现有教学方法的使用价值，促进各种教学手段之间的互补作用，提高学生的理论应用和工程实践能力。
（四）重视实践教学环节
机械控制工程实验是以控制理论在机械工程中的应用为背景，培养学生理论应用于实际及实践能力的重要环节[4]。实践教学改革的重点是通过集中、整合和充实现有资源，适时补充新的教学资源，将教学模型、实验设备、工具及实物等课程教学资源向学生开放，创造一个能让学生开展科技活动、动手实践、激发学习热情的实验平台，最大限度满足学生实践能力培养中对教学资源的需求。增加研究性、设计性、综合性实验，加强科研成果向教学实验转化；同企业合作建设实践基地，为实践教学提供优质资源。
（五）加强教师队伍建设
机械控制工程是专业技术基础课。长期从事基础课教学的教师接触企业实际较少，相关领域知识薄弱，解决实际问题能力较弱。随着信息技术的发展和全球经济一体化，知识更新速度加快，对教师知识水平和能力提出了更高要求。因此，需要建设一支理论联系实际、教学与科研并重的教学队伍。一是要求教师了解本学科和相关学科前沿领域，参与学科建设，争取各类科研项目，提升自身科研能力，并将科研成果转化为教学内容。二是通过密切联系企业，承担学生科技活动、社会实践、毕业设计等指导工作，加强理论知识与工程实践的结合，提高实际工作和服务社会的能力。
二、转变教学理念
（一）教学面向工程实际
从应用型本科的培养目标出发，审视机械控制工程课程在学生知识体系构成中的作用及与其它课程之间的关系，按基本概念、理论计算、系统设计、工程实例4个模块组织教学。突出理论与实际结合，培养学生应用机械控制技术解决实际问题的能力。前两个模块构成课程的理论基础，后两个模块构成课程的工程分析及应用能力。模块间相互融合贯通、相辅相成，达到夯实理论基础、拓宽知识点、提高实践能力的培养目标。
（二）更新教学观念
沿承的经典教学是以显性知识传授为中心，这与应用型人才的培养目标不一致。应用型人才的培养要树立知识、能力和素质三位一体的观念。在课程结构上，建立理论、实验及实践活动3部分构成的课程体系。理论教学由基本概念、理论计算、系统设计、工程应用4部分组成，采用适应本校学生能力的应用型教材。实验教学由必修的验证实验、选修的设计实验及开放式的自主设计实验组成，加强对学生实际动手能力及工程能力培养。实践活动由科技创新、企业实践及课程作业组成，提高实际教学效果，促进学生实践能力培养和个性发展。
（三）转变课堂教学中心
课堂教学由教师讲授、学生探索及研究对象3部分构成，是师生相互交流、共同提高的过程[5]。教学的目的是教师有效引导学生通过自主学习、合作探索掌握事物发展运动规律，教师的任务是引导学生，学生的任务是掌握重要知识点、研究方法及工程应用。这就要求课程教学以学生能力和发展为中心，形成教师引导、学生主动求知的氛围，提高学生学习质量和效率。
（四）采用案例教学方式
工科教育的本质是面向工业界，突出理论联系实际的工程应用背景。在机械控制工程的数学模型、理论计算、系统设计、工程应用4部分授课内容后增加与授课内容密切相关的案例教学，如机械系统的数学模型、电气系统的数学模型、机电液控制系统的数学模型、基于MATLAB的系统分析、电液伺服控制系统设计、静压轴承控制系统设计、金属切削过程的控制、数控机床进给系统的控制等。这些实例在机械工程领域常见，对理论知识的实际应用具有普遍指导意义。通过实例教学，使理论知识与工程实际相结合，激发学习动力，加强学生工程应用能力培养[6]。
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【关键词】CDIO；机械测试技术基础；石油机械；应用教学
引言
CDIO模式由美国麻省理工学院等4所大学在本世纪初合作开发并应用的一个新的工科类教育模式。该模式以构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、应用（Operate）四个教育阶段为主线，系统性地融汇专业基础知识，同时强调个人和职业的技能及团队协作与沟通的人际技能[1，2]，所培养的人才较之传统方式更具实战性和即战力。本文将CDIO工程教育模式引入到东北石油大学机械专业教学中，针对“机械测试技术基础”课程具备较强的实践与工程应用性这一特点，遵照CDIO教育模式进行分段教学改革试验。本文就“机械测试技术基础”实践教学中的一些认识做一些初步的探讨和分析。
1.课程特点与教改方案
“机械测试技术基础”是机械设计制造及其自动化专业的一门工程技术类基础课程，如图1所示，在涉及这门课程的全面学习之前，所需掌握的前期基础包括机械结构建模、机构分析、力学等课程，从工程机械系统结构建模到钻采机械系统工程学习，整个培养环节中该课程锻炼学生的系统设计能力和创新能力方面，占有十分重要的地位。
本课程最为突出的特点就是测试理论基础和工程实践的完美结合。基础理论方面，学生能理解和掌握机械测试技术，包括机械、检测、控制、计算机软硬件等方面的基本理论、基本知识和基本技能，学会典型机械系统的综合分析方法；而工程实践方面，学生应能全面解析被测对象，应地自宜地制定测试与分析方案，具备进行现代机械设备系统测试方案的设计初步能力。而近年来针对本课程的教学实践表明：现有的课程结构、教学内容与方法、教学实践项目等，已不能适应实战性和即战力高要求的现代工程教育发展潮流。分析具体原因，主要有如下几个方面：
（1）课程内容系统性不强。机械测试技术是机械技术、检测传感技术、信息处理技术等多种技术的融合。从系统的角度理解和掌握机械测试技术的基础和应用设计原理是教学的中心内容，针对具体机械系统进行解析和研究时，常会忽视整体性与系统性，并无总体把握的能力和认识。
（2）理论概念繁琐，教材存在局限性。基于信号分析和处理方面叙述繁冗，且重点不突出。目前现有的诸多版教材各有局限，在选材和论述上为了照顾到内容的完整性，主次不分明，重点不突出，尤其是典型机械设备系统的针对性应用章节，没有受到足够的重视，起不到综合和系统总结的作用。
（3）实验课与应用环节与工程实际脱节情况严重。实验内容受限于实验设备和条件，多年未有更新，因而针对性不强，学生不能感受到实践的知识性和实验成功后的成就感，更不要说培养学生的创新意识。
针对上述这些情况，如何帮助学生以系统的观点深入理解和掌握机械测试技术的相关知识，如何培养与增强学生动手设计与应用能力，如何让学生学以致用，始终保持较高的学习兴趣和创新意识，是本课程教学的难点所在。
2.机械测试技术基础课程的CDIO实践
CDIO教学模式强调学生的理论知识与工程实践有机结合的能力，而不是单纯的理论知识或直观的技能，这对学生对新知识融会贯通的能力、对新技术的敏感能力都提出了更高要求[3]。机械测试技术基础的前期先修课程除了高数、力学、物理电工等基础课程外，还包括机械设计、控制工程等专业基础课程等。该课程有着鲜明的技术基础和工程时代背景，考虑到学时的限制，教学过程中应该把握一个基本原则是：了解机械测试技术的发展动态，掌握其核心思想和技术，完成机械测试系统的创新设计与工程应用。基于CDIO的思想，我们对“机械测试技术基础”课程教学分成三个部分：课堂理论学习、实验台模拟、工程测试与分析应用。
课堂理论学习。以教师主讲形式进行，以传授基础知识。主要内容包括：①概论模块：主要讲解机械测试技术的内涵、发展趋势、测试技术涉及的信号描述相关理论知识，学时数为8学时。②机械系统部件模块：主要讲解被测对象的结构特征、工作原理、设备组件的种类、特点。学时数为8学时。③测试系统模块：主要讲解测试装置、传感器、信号处理和典型物理量的测试系统，学时数为8学时。
实验台模拟。将教学班级按5-6人分组。该阶段需要完成下述内容：①项目调研：查阅资料，拟定项目实验台测试范畴和设计内容。②项目申报：实验台与测试方案的原理、创新性、可行性论证。③项目开展：制定测试方案，分配任务，选择测试装置和仿真分析工具，开展项目设计。④项目汇报：提交项目日志、设计报告。在此期间，教师采取跟踪方式对各组学生进行辅导，并对阶段性设计与应用效果进行针对性的解答和考核。该阶段占用学时为4学时。
工程测试与分析应用。项目小组根据设计需要，可以提出针对石油机械的测试技术服务项目，用以加强对机械测试系统典型环节的理解与认识。该部分工作由实验教师配合完成，学时数为6学时，该阶段中可利用相关机械设备系统，如石油钻机系统中的电机（旋转机械）和钻井泥浆泵、柴油机（往复机械）。图2所示为工程测试应用采用或设计的旋转与往复机械故障模拟试验台。该部分占用8学时。
通过对这些机组系统的工程测试让学生切实理解测试对象不同时，测试技术的各环节的实践应用过程和特点，由此完成测试技术系统的构思、设计、实现与应用的各个环节。
3.课程考核
在“机械测试技术基础”课程中，单一的卷面考试与实验报告分析的方式已很难满足系统考核要求。这里我们根据课程教学的三个部分—课堂讲授、实验台模拟、工程测试与分析应用分别进行测试，然后与学生讨论评价与考核体系，综合学生的意见，再适当修正，尽可能兼顾公正的前提下，做到方案的多样性。课程教授的理论部分采用传统的试卷测试形式，试验台模拟部分根据学生的自我评价、公开汇报、测试系统应用完成的质量等情况进行综合评价，而工程实践与应用根据学生在实际案例解
析与实践操作过程中体现出的连贯性和创新能力等做出判断。
按照上述规划，近几年针对本课程进行了CDIO实践教学活动，过程中学生表现出极高的热情，围绕旋转机械、往复机械测试系统的设计主题共提交了众多项目报告，许多项目小组还额外提供了自己开发的基于Labview的测试与分析程序，并将虚拟仪器技术应用于数据采集和信号处理方面。整体看来，所参与学生对本课程理论和实践教学改革的相关内容充满信心，提出了很多具体意见，比如提前在低年级开展Labview软件分析、方案设计类项目，这样可以在后续项目中有更多时间完成系统的仿真、分析、振动故障诊断实验验证等深层次的设计内容，教学实验效果得到很大的提高。
4.结束语
机械测试技术基础课程内容覆盖面广、原理深奥，同时涉及学科门类较多。根据国际工程教育CDIO理念进行教学实践，既能使具备石油特色的机械专业所培养学生巩固所学相关理论知识，又能锻炼学生针对实际工程问题的解析能力，很大程度上调动学生的主观能动性。本文将CDIO模式引入到“机械测试技术基础”课程建设中，从理论教学和实践教学的三个阶段进行相应的教学改革探索，为“机械测试技术基础”课程教学服务于石油特色的机械设计制造及其自动化专业培养方案提供了新的思路，这些对于提高整体教学质量和效果，培养学生的工程实践与创新能力具有积极意义。
参考文献
[1]卢彦群.基于 CDIO 理论的工程教育模式探讨[J]. 高等教育研究， 2011， （9）： 12-16.
[2] 江 帆，张春良，王一军等. 机械专业 CDIO 培养模式探索[J].装备制造技术，2010，：192-194.
1教学中存在的问题
1．1在专业教学计划中，有的仍保留着传统机械类课程的学科，《机械设计基础》课程的讲解需要有《高等数学》、《工程制图》、《金属工艺学》、《几何量公差与检测》、《理论力学》、《材料力学》等先修课程的知识作为基础，但各门课程的教学时数较少，采用传统单一内容的学科型体系教材，上述先修课程安排在《机械设计基础》课程之前开设，为学习《机械设计基础》课程作好充分的知识准备。
1．2在专业教学计划中．有的虽将传统的机械类课程进行了综合．内容多．涉及面广．但实际教学中，很多教材在内容上追求理论知识的系统性和完整性．授学时存在随意压缩．教学内容随意增减教学内容取舍不当。《机械设计基础》包含《机械原理》和《机械设计》两部分的内容．教材配套不到位．未达到课程综合的真正目的。
1．3工程性和实践性不够突出。《机械设计基础》课程有很强的工程性和实践性．讲解时以工程应用为背景．通过理论讲解与工程实践相结合．使学生灵活运用各章节所学的知识．消除由于章节多而带来的“繁杂”感：保证在今后的实际工作中自觉运用所学知识指导机械设计．提高设计能力．培养创造精神。目前在理论教学与工程性和实践性方面有严重脱节现象。
1．4课程未能弓I入“现代机械学”的教学内容及设计思想随着科学技术的发展，现代机械的应用范围不断扩大。目前，大多数《机械设计基础》教材没有“现代机械学”这方面的内容，若适当增加这方面的相关内容，可以加深学生对机械的发展及整个机械大系统的理解。
1．5教学方法不够多样．教学手段比较单一。由于受传统教学思维的影响或者受到教学设施的限制，目前《机械设计基础》课程的教学主要是依靠教师的课堂讲解．缺乏实践训练教材．尽管大部分学校采用了多媒体辅助教学．但效果却不明显。
1．6教学手段落后。总之这门课程的教学''''由于无明确的课程开设目的定位、导致了教材无一套与所给教学时数相适应的系列教材，也无与教育培养目标相一致的课程内容。从而达不到教学目的：由于无开设这门课程的学要求．导致了各学校、各专业开设该课程的差异性、随意性很大从而其重要性也受到了严重忽视。因此，这门课程的教学改革研究迫切性和重要性也就不言而喻了。
2问题产生的原因与解决办法
2．1先修课程不足的问题，为保证《机械设计基础》课程体系的完整性和知识的连续性对学好该课程有重要的作用．因此．在制定人才培养方案时要经过充分的讨论如果实在没办法开足先修课程．也要留一定的学时供任课教师在讲解时补上先修课欠缺的内容．确保课程体系的完整性和知识的连续性。
2．2将传统的机械设计基础’按高校教育的要求进行综合，制定出新的、与高校教育的培养目标相适应的课程标准，编写出具有特色的新系列教材。
2．3工程性和实践性不够突出的问题主要是教师受到实际条件的限制或者教师未能深刻认识到实践教学对本课程的重要性。学校要为本课程的工程实践和实验创造必要的条件．保证实践和实验的顺利进行。通过增加实践性教学内容和习题，增加应用性的设计方法、经验数据和公式、图表，增加零、部件结构设计方面的方案比较与优化等内容．将学生引向实际设计．培养学生的设计能力和创新精神。
