時間：2022-10-15 11:00:49
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機械系統設計論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞:機電一體化;機械系統;工作經驗;研究資料
機電一體化機械系統通過運用計算機技術，由計算機系統進行協調及控制，從而完成運動、能量流和機械力等各項動力學相關的任務，同時其各個機電部件相互聯系、相互配合和相互協調，組成完整的系統結構。基于該系統結構的程序性和任務性，在機電一體化機械系統的設計與研究上應該站在“系統”的相關角度，以便進行有效科學的安排設計。
1機電一體化機械系統的設計要求
1．1保證較高的精確性
機電相關產品的精確程度直接關系著系統整體的質量和效益，機電一體化機械的技術性能、工藝水平及功能都要求選擇優質產品，也就是說，機電一體化產品的首要標準和要求便是高精確度。
1．2反應性能要強
機電系統具有良好的反應性能，即在系統接受某一指令后，能夠較短時間內對該指令進行任務的執行，從而保證系統能夠更加精確地完成任務。另外根據系統的運行狀況，做好準確、及時獲得相應指令的控制，能夠增加任務完成和執行的準確性。
1．3具有較強的穩定性
在機電一體化機械設計中，為了保證更好的系統精確度和反應性能，往往會在無間隙、低摩擦、高剛度和高諧振頻率等方面對系統提出較高的要求。另一方面，還要求機電一體化機械系統有壽命長、體積小、重量輕和可靠性高等優點。
2機電一體化機械系統的構成
機電一體化機械系統通常是由傳動機構、導向機構和執行機構三部分構成。
2．1傳動機構
機電一體化機械系統中的傳動機構，不僅僅是轉速和轉矩的轉換器，耗時伺服系統中的重要組成部分，因此，在機電一體化機械系統設計要求中，傳動機構首先要具有較高的精確度，同時必須滿足重量輕、噪音低、體積小、運轉速度高和可靠性高等方面的要求和特點，結合機電一體化機械系統中對伺服控制的要求和標準進行傳動機構的設計研究，以便更好地提升系統機械結構中的伺服性能。
2．2導向機構
導向機構在機電一體化機械系統中主要起到的是導向作用和支撐作用，一般包括導軌和軸承等。導向機構的正常作用的發揮可以有效保證機電一體化機械系統中的組成部分和各個裝置能夠安全、準確完成指定的任務運動。
2．3執行機構
執行機構，是指在機電一體化機械系統中直接完成任務指令的操作裝置和部分，一般情況下，執行機構所具備的高靈敏度和精確度以及高重復性能和可靠性，可以保證其根據不同的任務指令和相關要求，在動力源的推動下完成預先設定的各種操作任務。在目前經濟快速發展的社會，計算機的應用能通過其強大有效的功能，使傳統機電的動力發動機轉換成為可變速、動力和執行的多功能發動機，從而使得執行機構和傳動機構得到進一步的簡化。
3機電一體化機械系統的設計思想
3．1動態設計思想
在機電一體化機械系統的設計中，通過靜態設計的有效協助，為了更好的研究整個機械系統結構的頻率特點和性質，完成各個系統環節數字模型的建立，推動促進機電一體化機械系統的傳遞函數，必須充分有效地通過自控方法進行頻率特性的計算，這便是動態設計。機械系統的頻率特性，在一定程度上不但能夠反映出整個系統在不同信號頻率下的相應反應，還決定了系統的工作最大頻率、抗干擾性和穩定性。
3．2靜態設計思想
靜態設計是指按照機電一體化各個機械系統的功能要求，通過相關的研究和經驗初步、大體上制定出機械系統設計的步驟及方案。方案中主要涉及整個系統部件之間的控制、連接以及部件的種類和對能源的需求等。基本方案設計完成后，應以技術手段為基礎，設計出系統中各部件的運動關系、參數及結構，確定部件及相應零件的材料、精確度和結構方式，并對執行元件發電功率、參數和過載能力進行驗算，對其他相關的元件和部件進行配置系統的選擇等等。
4機電一體化機械系統的性能分析
想要使機電一體化機械系統良好的伺服性能得到保證，不但需要從機械系統的靜態特征方面得到更好的滿足，同時還要充分的運用理論研究和自動化的控制方法對整個系統體系進行動態設計和分析。另外，機械系統的動態設計應該以系統靜態的數字模型為基礎，根據自動化控制的要求和方法研究分析系統的整個頻率特性，并通過調整相應的頻率，改善系統整體的伺服性能。
4．1數字模型的建立
機電一體化機械系統數字模型的建立和電氣系統的數字模型的建立在一定程度上基本相似，即都是通過折算將比較負責的結構裝置簡單化，轉為等效的數學函數關系，并用數學中的線性微分方程表達式將其表達出來。機電一體化機械系統的數字模型分析通常情況下都是輸入與輸出的聯系。比如，把比較復雜的系統機械參數，彈性模量、阻尼和系統慣量等統一進行處理，并對各個機械參數進行數學方式的分析，從而得出它們對整個機械系統的影響。在數字模型的建立之前，需要先對機械系統中的不同物理量進行折算，使它們直接轉化到某個元件上，從而把多變、復雜的多軸傳動變為單軸傳動，在此過程中，必須嚴格按照總機械系統性能不變的原則。這樣，以單軸為基礎的輸入量和輸出量的關系，就能夠建立相關的數學表達式，從中反應出機械的相應性能，從而應用并指導實際中的設計。
4．2性能參數的影響
機電一體化機械系統設計要求必須要工作可靠、精確度高、運行平穩等，既是靜態設計中的研究問題，也是動態設計對伺服機構的要求，這就應該通過對有關參數的調整，優化整體系統的性能。
5結語
通過以上論述，從機電一體化機械系統的性質、概念等方面進行相關分析，分別從機電一體化機械系統的設計要求、基本構成、設計思想和性能分析四個方面進行了研究分析，機電一體化機械系統設計研究進行了詳細的論述。
作者:朱翔宇 王玉樂 單位:聊城大學機械與汽車工程學院 青島科技大學自動化與電子工程學院
參考文獻:
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［2］韓向可，吳耀春．應用型本科機電一化系統設計課程改革探索［J］．裝備制造技術，2016(01)．
關鍵詞：立體視覺；運動平臺；ADAMS
一、引言
隨著信息、處理、計算機技術的發展，人們對于機器能夠僅僅獲取以一些平面的二維視覺信息越來越不滿意，人們設想借助計算機的技術，能使機器人真正能“看到”精彩的三維世界。計算機技術、視覺傳感器技術、攝像技術以及立體視覺理論的發展，利用視覺傳感器來獲取環境圖像，并用計算機實現對視覺信息的處理，從而形成立體視覺，逐漸使這一設想變成現實[1-4]。本文采用了目前國內外進行機電一體化系統設計時最常用的虛擬樣機技術，基于3D數字化設計平臺UG，采用赫爾姆霍茨模型作為參考設計了一種新型的具有三自由度的雙目立體視覺運動平臺，如圖1所示。
二、運動學仿真驗證立體視覺運動平臺的運動空間范圍
運動學仿真的目的是為了驗證立體視覺運動平臺動力模型建模的合理性，檢查運動自由度范圍是否達到設計指標中要求的“眼睛”左右偏航運動空間范圍（±60o）、“頭部”俯仰運動空間范圍（±45o）。同時通過運動學仿真，還可以檢查視覺運動平臺動力模型各個部件的之間有沒有產生運動碰撞干涉。本文采用機械系統動力學自動分析軟件ADAMS對運動平臺進行運動仿真分析[5]。
經過運行運動學仿真，可以得知各個自由度的運動空間范圍如下：
（一）左偏航極限±60度、右偏航極限±60度、俯仰極限±45度位置，如圖2所示
（三）沒有發生偏航運動，仰視極限負45度位置，如圖4所示
偏航和俯仰運動各個自由度運動范圍曲線圖如圖5，圖6，圖7所示。從上面各個極限位置、偏航和俯仰運動各個自由度運動空間范圍曲線圖可以觀察到部件之間沒有產生運動碰撞干涉現象，各個自由度的運動空間范圍達到了設計的要求，從仿真結果也可以看出本運動平臺運動空間范圍廣，驗證了本視覺運動平臺達到了運動功能的要求，說明本立體視覺運動平臺的機械系統結構設計是合理的，這為一般機器人立體視覺運動平臺的機械結構設計提供實用的改進和參考依據。
三、驅動電機的輸入扭矩分析
要驗證選擇的驅動電機的輸入扭矩是否夠，那么要測量俯仰電機和偏航電機的扭矩。在立體視覺運動平臺中，電機主要是要克服轉動過程中轉動頭和攝像機等運動部件的負載轉矩。運動部件的負載扭矩在ADAMS中通過測量扭矩的方式測量出來，如下圖8，圖9分別是偏航電機和俯仰電機的負載扭矩。
通過圖8和圖9，可以知道偏航和俯仰電機的負載是時間連續曲線。當偏航或俯仰運動到極限點時，驅動電機要進行變向運行，負載扭矩的方向也發生變化而出現突變拐點，拐點的值便是負載扭矩最大值，可以得知選擇的電機的扭矩是足夠的。仿真結果對雙目立體視覺運動平臺的控制系統的性能定性分析提供了一種評價手段。
四、結論
仿真的結果驗證了視覺運動平臺的俯仰和左右偏航自由度的運動空間范圍符合設計要求。根據仿真結果可以看出本運動平臺運動空間范圍廣，驗證了本視覺運動平臺達到了運動功能的要求，說明本立體視覺運動平臺的機械機構設計是合理的，這為一般機器人立體視覺運動平臺的機械系統結構設計提供實用的改進和參考依據。
并通過仿真求解出俯仰電機和左右偏航電機的負載扭矩曲線，仿真結果對雙目立體視覺運動平臺的控制系統的性能定性分析提供了一種評價手段。
參考文獻：
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[4]龍甫薈，鄭南寧.計算機視覺模型的研究與發展[J].信息與控制，1997，26，(2):113.
關鍵詞：專業學位研究生；工程實訓模式；教育
中圖分類號：G642.8 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）04-0036-02
一、引言
目前，我國機械工程研究生的培養方向一直以學術型為主，學術型研究生基礎理論知識較扎實，但解決工程實際問題的能力相對不足的矛盾逐漸凸顯出來，當前研究生培養模式就是造成這種現象的主要原因之一。因此，探討一種行之有效的機械工程專業學位研究生工程培養模式，成為了當前研究生教育的重點內容之一。
自恢復研究生教育以來，我國機械工程研究生的培養方向一直以學術型為主。每年畢業的機械工程研究生主要為高等院校和科研單位培養，從事科學研究及高等教育工作。而學術型機械工程研究生主要以基礎理論為主，存在工程實踐方面不足等問題。目前，以市場化為主導的國家經濟模式使機械工程研究生的數量在不斷增加，機械工程畢業研究生數量使高校和科研單位飽和，多數研究生將以大中型企業等單位為就業的主體。因此，為了適應當前大中型企業及國家經濟發展的需求，對研究生工程能力的要求越來越高，并成為當前研究生教育的重點內容。
綜上所述，在研究生工程能力的培養中，存在一些不足之處，制約了研究生的培養效果，達不到社會對研究生的期望值。因此，很有必要對機械工程專業學位研究生的創新素質和科研工程能力的培養模式進行研究，為機械工程專業學位研究生的教育提供一種有效地、可行的教育模式。
本文主要對基于工程項目的機械工程專業學位研究生工程實訓模式進行研究，結合本人所指導的機械工程專業學位研究生的培養，以企業項目案例為平臺，對其科研工程意識、科研工程知識及科研工程能力等方面進行培養，使其具有較強的創新素質和科研工程能力，為其他研究生的培養模式研究提供理論依據。
二、科研能力和創新能力的基礎培養
科研基礎知識和科研意識是科研能力和創新能力的基礎。科研基礎知識主要包括與研究方向相關的機械和電氣控制方面的理論基礎知識和應用軟件方面的知識，如機械原理、高等數學、理論力學、現代控制理論、二維和三維工程繪圖軟件等基礎知識和應用軟件；科研意識主要是指科研工程項目的前瞻性能力和創新欲望。
（一）基于實際機械系統的學習模式
課堂教學的理論知識僅僅是工程項目實施的基礎知識，將這些基礎理論知識應用于工程項目的實施，還需要不斷提高科研工程知識。本項目以6-DOF串聯機械臂系統為例，指導和加強研究生學習與機器人相關的理論知識以及工程項目實施方面的知識，了解國內外機器臂的發展動態，加強掌握科研基礎知識，增強研究生的科研工程項目實施的意識。
以首鋼莫托曼機器人有限公司研制的6-DOF串聯機器人系統為例，啟發和誘導研究生掌握該機械人研制的關鍵科學問題和工程實施中關鍵工程工藝問題等，包括運動學、動力學和機械系統設計等方面。針對每部分關鍵科學問題和工程實施中關鍵工程工藝問題等，發揮研究生的主觀能動性，對機械臂進行系統的研究，進一步完善研究生的科研能力和創新能力。
這種通過實際案例的學習方法可以理論聯系實際，使理論學習內容可視化，直接驗證理論學習的可行性，加深了學生對課程內容的理解，促進了理論知識在工程方面的應用，同時也增加了學生的學習興趣。
（二）基于已實施的科研工程項目，探索性實踐教學模式
基于已實施的國家基金項目“串并混聯擬人機械腿的力約束及動載協調分配問題研究”，指導學生探索性學習機械工程項目實施方面的知識。首先，引導學生掌握該項目立項的依據，即項目實施的工程和科學意義，同時使學生了解該項目的研究內容以及研究內容及創新點提出的工程科學意義。然后，針對研究內容，引導學生展開研究，啟發誘導研究分組進行運動學、動力學、機械系統設計等方面的實踐，進一步提高科研工程實施能力。最后，研制串并混聯擬人機械腿樣機。
（三）科研工程培訓總結
對已進行的工程案例進行總結，發現自身的不足之處，提高相關科研理論知識和工程項目實施方面的能力，寫成科研工程論文，以提高研究生的總結能力，對研究生今后的工作奠定基礎。
通過上述學習方式，鞏固了研究生的科研基礎知識，增強了研究生的團隊協作意識、科研動力及興趣，有利于研究生激發出創新思維，也有利于營造一種和諧向上的學術氛圍。
三、科研專業知識及科研能力的培養
科研工程專業方面的能力主要是指在項目實施過程中，理論知識及工程實踐經驗等的運用能力。本文主要通過探索性實踐的方式，來檢驗研究生科研能力的掌握程度。以一種新型雙軸顎式破碎機的設計為例，增強研究生的科研和創新能力。首先，對目前顎式破碎機進行調研，發現現有破碎機的不足之處以及需要改進的地方；其次，基于現有破碎機的不足之處，提出新型顎式破碎機方案，解決現有存在的問題；然后，對新型顎式破碎機進行性能研究并進行設計方法研究；最后，研制樣機并進行實驗研究。
通過對當前顎式破碎機的調研，發現當前顎式破碎機存在破碎物料不均勻、破碎效率低、顎板磨損厲害、很難實現超細破碎以及耗能大等缺點。為克服傳統顎式破碎機的不足之處，提出了一種新型的雙軸復擺顎式破碎機。
對這種新型雙軸復擺顎式破碎機的行程特征值、運動學、動力學等性能進行研究，給出各性能的分布規律。首先，應用遺傳基因方法對新型雙軸復擺顎式破碎機的結構參數進行優化，給出合理的結構參數，同時考慮加工與裝配工藝性，設計了一種雙軸復擺顎式破碎機樣機；其次，對這種樣機進行試驗研究，結果表明，同樣破碎500kg的物料，單軸機需要269s，而雙軸機只需要52s，只占單軸機破碎物料所需時間的五分之一；然后，在細料占總成品的比例上，雙軸是單軸的2.5倍，在每小時的生產能力上雙軸是單軸的5.2倍；最后，在衡量破碎機產能的指標值S上，雙軸是單軸的2.5倍。因此，綜合上述的分析和數據認為，新型雙軸復擺顎式破碎機的性能明顯優于單軸破碎機，具有很好的工程應用價值。
四、結論
本文基于實際工程項目的機械工程專業學位研究生培養模式的研究，提高了研究生的科研素質及創新能力等，研究生獲得了一定的成績。在這個過程中，研究生研制了擬人機械腿、顎式破碎機等樣機，提高了工程能力。同時，還撰寫和發表了多篇學術論文，授權了多項發明專利和實用新型專利。
參考文獻：
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[3]李薇，喻良文，吳文如.學生科研能力培養的探索和實踐[J].醫學教育探索，2010，9（3）：380-382.
關鍵字：新問題；先進制造技術；前沿科學；應用前景
論文
制造業是現代國民經濟和綜合國力的重要支柱，其生產總值一般占一個國家國內生產總值的20%~55%。在一個國家的企業生產力構成中，制造技術的功能一般占60%左右。專家認為，世界上各個國家經濟的競爭，主要是制造技術的競爭。其競爭能力最終體現在所生產的產品的市場占有率上。隨著經濟技術的高速發展以及顧客需求和市場環境的不斷變化，這種競爭日趨激烈，因而各國政府都非常重視對先進制造技術的探究。
1當前制造科學要解決的新問題
當前制造科學要解決的新問題主要集中在以下幾方面摘要：
（1）制造系統是一個復雜的大系統，為滿足制造系統靈敏性、快速響應和快速重組的能力，必須借鑒信息科學、生命科學和社會科學等多學科的探究成果，探索制造系統新的體系結構、制造模式和制造系統有效的運行機制。制造系統優化的組織結構和良好的運行狀況是制造系統建模、仿真和優化的主要目標。制造系統新的體系結構不僅對制造企業的靈敏性和對需求的響應能力及可重組能力有重要意義，而且對制造企業底層生產設備的柔性和可動態重組能力提出了更高的要求。生物制造觀越來越多地被引入制造系統，以滿足制造系統新的要求。
（2）為支持快速靈敏制造，幾何知識的共享已成為制約現代制造技術中產品開發和制造的關鍵新問題。例如在計算機輔助設計和制造(CAD／CAM)集成、坐標測量(CMM)和機器人學等方面，在三維現實空間(3-RealSpace)中，都存在大量的幾何算法設計和分析等新問題，非凡是其中的幾何表示、幾何計算和幾何推理新問題；在測量和機器人路徑規劃及零件的尋位(如Localization)等方面，存在C-空間
(配置空間ConfigurationSpace)的幾何計算和幾何推理新問題；在物體操作(夾持、抓取和裝配等)描述和機器人多指抓取規劃、裝配運動規劃和操作規劃方面則需要在旋量空間(ScrewSpace)進行幾何推理。制造過程中物理和力學現象的幾何化探究形成了制造科學中幾何計算和幾何推理等多方面的探究課題，其理論有待進一步突破，當前一門新學科--計算機幾何正在受到日益廣泛和深入的探究。
（3）在現代制造過程中，信息不僅已成為主宰制造產業的決定性因素，而且還是最活躍的驅動因素。提高制造系統的信息處理能力已成為現代制造科學發展的一個重點。由于制造系統信息組織和結構的多層次性，制造信息的獲取、集成和融合呈現出立體性、信息度量的多維性、以及信息組織的多層次性。在制造信息的結構模型、制造信息的一致性約束、傳播處理和海量數據的制造知識庫管理等方面，都還有待進一步突破。
（4）各種人工智能工具和計算智能方法在制造中的廣泛應用促進了制造智能的發展。一類基于生物進化算法的計算智能工具，在包括調度新問題在內的組合優化求解技術領域中，受到越來越普遍的關注，有望在制造中完成組合優化新問題時的求解速度和求解精度方面雙雙突破新問題規模的制約。制造智能還表現在摘要：智能調度、智能設計、智能加工、機器人學、智能控制、智能工藝規劃、智能診斷等多方面。
這些新問題是當前產品創新的關鍵理論新問題，也是制造由一門技藝上升為一門科學的重要基礎性新問題。這些新問題的重點突破，可以形成產品創新的基礎探究體系。
2現代機械工程的前沿科學
不同科學之間的交叉融合將產生新的科學聚集，經濟的發展和社會的進步對科學技術產生了新的要求和期望，從而形成前沿科學。前沿科學也就是已解決的和未解決的科學新問題之間的界域。前沿科學具有明顯的時域、領域和動態特性。工程前沿科學區別于一般基礎科學的重要特征是它涵蓋了工程實際中出現的關鍵科學技術新問題。
超聲電機、超高速切削、綠色設計和制造等領域，國內外已經做了大量的探究工作，但創新的關鍵是機械科學新問題還不明朗。大型復雜機械系統的性能優化設計和產品創新設計、智能結構和系統、智能機器人及其動力學、納米摩擦學、制造過程的三維數值模擬和物理模擬、超精度和微細加工關鍵工藝基礎、大型和超大型精密儀器裝備的設計和制造基礎、虛擬制造和虛擬儀器、納米測量及儀器、并聯軸機床、微型機電系統等領域國內外雖然已做了不少探究，但仍有許多關鍵科學技術新問題有待解決。
信息科學、納米科學、材料科學、生命科學、管理科學和制造科學將是改變21世紀的主流科學，由此產生的高新技術及其產業將改變世界的面貌。因此，和以上領域相交叉發展的制造系統和制造信息學、納米機械和納米制造科學、仿生氣械和仿生制造學、制造管理科學和可重構制造系統等會是21世紀機械工程科學的重要前沿科學。
2．1制造科學和信息科學的交叉--制造信息科學
機電產品是信息在原材料上的物化。許多現代產品的價值增值主要體現在信息上。因此制造過程中信息的獲取和應用十分重要。信息化是制造科學技術走向全球化和現代化的重要標志。人們一方面對制造技術開始探索產品設計和制造過程中的信息本質，另一方面對制造技術本身加以改造，以使得其適應新的信息化制造環境。隨著對制造過程和制造系統熟悉的加深，探究者們正試圖以全新的概念和方式對其加以描述和表達，以進一步達到實現控制和優化的目的。
和制造有關的信息主要有產品信息、工藝信息和管理信息，這一領域有如下主要探究方向和內容摘要：
(1)制造信息的獲取、處理、存儲、傳遞和應用，大量制造信息向知識和決策轉化。
(2)非符號信息的表達、制造信息的保真傳遞、制造信息的管理、非完整制造信息狀態下的生產決策、虛擬管理制造、基于網絡環境下的設計和制造、制造過程和制造系統中的控制科學新問題。
這些內容是制造科學和信息科學基礎融合的產物，構成了制造科學中的新分支--制造信息學。
2．2微機械及其制造技術探究
微型電子機械系統(MEMS)，是指集微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統。MEMS技術的目標是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統。MEMS的發展將極大地促進各類產品的袖珍化、微型化，成數量級的提高器件和系統的功能密度、信息密度和互聯密度，大幅度地節能、節材。它不僅可以降低機電系統的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統無法完成的任務。例如用尖端直徑為5μm的微型鑷子可以夾起一個紅細胞；制造出3mm大小能夠開動的小汽車；可以在磁場中飛行的像蝴蝶大小的飛機等。MEMS技術的發展開辟了技術全新的領域和產業，具有許多傳統傳感器無法比擬的優點，因此在制造業、航空、航天、交通、通信、農業、生物醫學、環境監控、軍事、家庭以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。
微機械是機械技術和電子技術在納米尺度上相融合的產物。早在1959年就有科學家提出微型機械的設想，1962年第一個硅微型壓力傳感器問世。1987年美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為60~120μm的硅微型靜電電動機，顯示出利用硅微加工工藝制作微小可動結構并和集成電路兼容制造微小系統的潛力。微機械技術有可能像20世紀的微電子技術那樣，在21世紀對世界科技、經濟發展和國防建設產生巨大的影響。近10年來，微機械的發展令人矚目。其特征如下摘要：相當數量的微型元器件(微型結構、微型傳感器和微型執行器等)和微系統探究成功，體現了其現實的和潛在的應用價值；多種微型制造技術的發展，非凡是半導體微細加工等技術已成為微系統的支撐技術；微型機電系統的探究需要多學科交叉的探究隊伍，微型機電系統技術是在微電子工藝的基礎上發展的多學科交叉的前沿探究領域，涉及電子工程、機械工程、材料工程、物理學、化學以及生物醫學等多種工程技術和科學。
目前對微觀條件下的機械系統的運動規律，微小構件的物理特性和載荷功能下的力學行為等尚缺乏充分的熟悉，還沒有形成基于一定理論基礎之上的微系統設計理論和方法，因此只能憑經驗和試探的方法進行探究。微型機械系統探究中存在的關鍵科學新問題有微系統的尺度效應、物理特性和生化特性等。微系統的探究正處于突破的前夜，是亟待深入探究的領域。
2．3材料制備／零件制造一體化和加工新技術基礎
材料是人類進步的里程碑，是制造業和高技術發展的基礎。每一種重要新材料的成功制備和應用，都會推進物質文明，促進國家經濟實力和軍事實力的增強。21世紀中，世界將由資源消耗型的工業經濟向知識經濟轉變，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的設計實現定量化、數字化；要求材料和零件的制備快速、高效并實現二者一體化、集成化。材料和零件的數字化設計和擬實仿真優化是實現材料和零件的高效優質制備／制造及二者一體化、集成化制造的關鍵。一方面，通過計算機完成擬實仿真優化后可以減少材料制備和零件制造過程中的實驗性環節，獲得最佳的工藝方案，實現材料和零件的高效優質制備／制造；另一方面，根據不同材料性能的要求，如彈性模量、熱膨脹系數、電磁性能等，探究材料和零件的設計形式。進而結合傳統的去除材料式制造技術、增加材料式覆層技術等，探究多種材料組分的復合成形工藝技術。形成材料和零件的數字化制造理論、技術和方法，如快速成形技術采用材料逐漸增長的原理，突破了傳統的去材法和變形法機械加工的許多限制，加工過程不需要工具或模具，能迅速制造出任意復雜外形又具有一定功能的三維實體模型或零件。
2．4機械仿生制造
21世紀將是生命科學的世紀，機械科學和生命科學的深度融合將產生全新概念的產品(如智能仿生結構)，開發出新工藝(如生長成形工藝)和開辟一系列的新產業，并為解決產品設計、制造過程和系統中一系列難題提供新的解決方法。這是一個極富創新和挑戰的前沿領域。
地球上的生物在漫長的進化中所積累的優良品性為解決人類制造活動中的各種難題提供了范例和指南。從生命現象中學習組織和運行復雜系統的方法和技巧，是今后解決目前制造業所面臨許多難題的一條有效出路。仿生制造指的是模擬生物器官的自組織、自愈合、自增長和自進化等功能結構和運行模式的一種制造系統和制造過程。假如說制造過程的機械化、自動化延伸了人類的體力，智能化延伸了人類的智力，那么，"仿生制造"則可以說延伸了人類自身的組織結構和進化過程。
仿生制造所涉及的科學新問題是生物的"自組織"機制及其在制造系統中的應用新問題。所謂"自組織"是指一個系統在其內在機制的驅動下，在組織結構和運行模式上不斷自我完善、從而提高對于環境適應能力的過程。仿生制造的"自組織"機制為自下而上的產品并行設計、制造工藝規程的自動生成、生產系統的動態重組以及產品和制造系統的自動趨優提供了理論基礎和實現條件。
仿生制造屬于制造科學和生命科學的"遠緣雜交"，它將對21世紀的制造業產生巨大的影響。
仿生制造的探究內容目前有兩個方面摘要：
2．4．1面向生命的仿生制造
探究生命現象的一般規律和模型，例如人工生命、細胞自動機、生物的信息處理技巧、生物智能、生物型的組織結構和運行模式以及生物的進化和趨優機制等；
2．4．2面向制造的仿生制造
探究仿生制造系統的自組織機制和方法，例如摘要：基于充分信息共享的仿生設計原理，基于多自律單元協同的分布式控制和基于進化機制的尋優策略；探究仿生制造的概念體系及其基礎，例如摘要：仿生空間的形式化描述及其信息映射關系，仿生系統及其演化過程的復雜度計量方法。
機械仿生和仿生制造是機械科學和生命科學、信息科學、材料科學等學科的高度融合，其探究內容包括生長成形工藝、仿生設計和制造系統、智能仿生氣械和生物成形制造等。目前所做的探究工作大多屬前沿探索性的工作，具有鮮明的基礎探究的特征，假如抓住機遇探究下去，將可能產生革命性的突破。今后應關注的探究領域有生物加工技術、仿生制造系統、基于快速原型制造技術的組織工程學，以及和生物工程相關的關鍵技術基礎等。3現代制造技術的發展趨向
20世紀90年代以來，世界各國都把制造技術的探究和開發作為國家的關鍵技術進行優先發展，如美國的先進制造技術計劃AMTP、日本的智能制造技術（IMS）國際合作計劃、韓國的高級現代技術國家計劃(G--7)、德國的制造2000計劃和歐共體的ESPRIT和BRITE-EURAM計劃。
隨著電子、信息等高新技術的不斷發展，市場需求個性化和多樣化，未來現代制造技術發展的總趨向是向精密化、柔性化、網絡化、虛擬化、智能化、綠色集成化、全球化的方向發展。
當前現代制造技術的發展趨向大致有以下九個方面摘要：
(1)信息技術、管理技術和工藝技術緊密結合，現代制造生產模式會獲得不斷發展。
(2)設計技術和手段更現代化。
(3)成型及制造技術精密化、制造過程實現低能耗。
(4)新型特種加工方法的形成。
(5)開發新一代超精密、超高速制造裝備。
(6)加工工藝由技藝發展為工程科學。
(7)實施無污染綠色制造。
【關鍵詞】ADXL345；加速度傳感器；機械振動監測
1.引言
機械設備的高速化、大型化和自動化發展，一方面提高了生產力，另一方面給安全維護提出了更高的要求。機械振動是各種機器工作工程中經常發生的現象，在機械故障和大型機械的狀態監測中振動占有重要的地位，對振動信號進行在線監測和分析可診斷系統及其部件的運行是否正常。
振動相關的物理量包括加速度、速度和位移等，由于測量加速度信號具有方便、經濟的優勢，工程上通常通過測量加速度測量振動[1]。早期的加速度傳感器是慣性式的，由電磁感應原理產生微弱的電信號，再經過信號調理放大后通過ADC送到微處理器，這種方法電路復雜且成本較高。近年來很多IC廠商制造出了數字加速度計，將加速度感應裝置和一些必要的電路集成在一片晶圓上，大大降低了加速度信號的測量成本，其中Analog Device公司生產的三軸加速度計ADXL345是一款比較突出的產品。
2.三軸加速度計ADXL345結構和功能特性
三軸加速度傳感器ADXL345尺寸小，功耗低，分辨率高達13位，測量范圍可達±16g。它的數據以16位2進制補碼格式輸出，并提供SPI和I2C兩種數字訪問接口，編程簡單方便，非常適合于應用在移動設備上。它用于測量傾斜導致的靜態重力加速度，能測到小于1°的傾角；在運動或者沖擊導致的加速度測量中分辨率可達3.9mg/LSB。ADXL345提供多種特殊檢測功能并能映射到中斷腳輸出，包括：(1)活動和非活動檢測功能，通過比較任意軸上的加速度與用戶設置的閾值來檢測有無運動發生；(2)敲擊檢測功能，可以檢測任意方向的單振和雙振動作；(3)自由落體檢測功能，可以檢測器件是否正在掉落。ADXL345內部集成了一個32位先進先出(FIFO)緩沖器用于存儲數據，可降低處理器的負荷和整個系統的功耗。ADLX345主要應用于手機、醫療器械、游戲、定點設備、工業儀器儀表、個人導航設備和硬盤驅動保護等多種領域。
ADXL345晶圓頂部為多晶硅表面微加工結構加速計，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結構之上，在有加速度時提供力量阻力。它通過內部的差分電容對結構偏轉進行測量，差分電容包括獨立固定板和活動質量連接板，加速度使慣性質量偏轉、差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比。ADXL345的工作流程為：首先由3軸敏感單元感應3個方向的加速度，然后通過電子感應器件將感應到的加速度量轉化成模擬量，模擬量經ADC轉換為數字量后進行數字濾波并存儲在FIFO中，等待主設備通過控制和中斷邏輯從串行I/O口讀加速度的值。
3.系統設計與實現
3.1 硬件電路設計
基于三軸加速度傳感器的振動檢測設備由按鍵模塊、加速度傳感器模塊、RS232接口電路、報警電路模塊、繼電器控制模塊和LCD顯示模塊等幾部分構成。系統結構框圖如圖1所示，其中單片機為系統控制核心，采用華邦W78E052，它最大支持40MHz時鐘，供電電壓范圍寬（2.4V~5.5V），內部包含2個外部中斷、3個定時計數中斷和看門狗計時器。工作時系統以50Hz的速率不斷地采集三軸方向的加速度信號，并通過LCD將數據顯示出來。同時也可以通過串口將數據傳輸到上位機。
三軸加速度模塊電路的電源退耦和旁路設計很重要，如圖2所示，在VDD和地間放置一只0.1μF電容且盡可能地靠近VDD，可用來消除電源電壓波動產生的噪聲。另外需在VS處加上電源旁路設計，采用一只10Ω的電阻和10μF的電容進行旁路連接。
將第7腳片選引腳拉高至VDD時ADXL345處于I2C通訊模式，以I2C模式工作要將ATL ADDRESS引腳接地。為了保證正確操作，需在SCL和SDA引腳加上拉電阻，上拉電阻的范圍可在2K~10K之間[2]。需特殊說明的是，如果還有其他器件連接到I2C總線時，這些器件的額定工作電壓電平不要高于VDD 0.3V以上。將SCL、SDA、INT1引腳分別與W78E052的P1.1、P1.2和INT1引腳相連接，此時ADXL345的I2C通訊地址為0x53，當FIFO中的數據滿后，ADXL345會提供中斷信號給單片機，這時單片機可以通過I2C讀取FIFO中的數據。
ADXL345是一款高靈敏度3軸加速度傳感器，它在PCB上的安裝和PCB板固定都有一定的要求。因為PCB板的諧振程度會影響加速度的計量，如果將傳感器安裝在PCB上一些沒有硬支撐的位置，會導致明顯的測量錯誤[3-4]。
3.2 軟件設計
基于三軸加速度傳感器的振動監測設備可以工作在兩種模式，一是單機模式，二是聯機模式，這兩種模式可以通過按鍵來設定。單機模式下，設備將監控到的數據與預先設定的數據進行比較，如果超過警界值，則發出停機指令并報警。而在聯機模式下，設備則將采集到的數據通過RS232發給上位機，并執行上位機發出的命令。
系統軟件流程如圖3所示，系統上電后單片機對各模塊進行初始化，并進行故障自檢，如發現模塊有故障，通過LCD顯示故障模塊并報警[5]。如果沒有故障，則進入主程序。主程序不斷的循環查詢是否有按鍵按下，如果有按鍵按下則執行按鍵功能程序。如果沒有，則三軸加速度傳感器進行數據采樣，系統判斷是否處于聯機模式。處于聯機模式時跟上位機交換數據。單機模式時，按照預先的設定值執行程序，如果有異常停機并發出報警，將異常數據顯示出來。
單片機讀取ADXL345的數據完成后發出清空指令將FIFO清除，然后發出啟動采集加速度信號，設定好ADXL345的觸發模式，這樣當FIFO的數據采集滿時，INT1引腳將產生一個下降沿的中斷。單片機的中斷服務程序中設置一個ADXL345數據采集完成的標志位，每次有中斷時就將數據讀出來，這樣ADXL345的數據采集和單片機的數據處理就可以同步進行了。
4.結論
選用三軸加速度傳感器ADXL-345設計了一款機械振動的監測裝置，本文詳細介紹了它的軟硬件的設計，完成了對機械設備的故障引起的振動進行監測的功能，實現了對機械設備故障的及時掌握和控制。裝置提供RS232接口，可以方便地將數據傳輸到上位機。隨著微電子技術的不斷發展，利用微電子技術制作的傳感器對機械系統的各種性能進行監測將會得到越來越多的應用。
參考文獻
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【論文摘要】：機電一體化是一種復合技術，是機械技術與微電子技術、信息技術互相滲透的產物，是機電工業發展的必然趨勢。本文簡述了機電一體化技術的基本結構組成和主要應用領域，并指出其發展趨勢。
現代科學技術的發展極大地推動了不同學科的交叉與滲透，引起了工程領域的技術改造與革命。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。
一、機電一體化的核心技術
機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元等部分組成。因此，為加速推進機電一體化的發展，必須從以下幾方面著手：
（一）機械本體技術
機械本體必須從改善性能、減輕質量和提高精度等幾方面考慮。現代機械產品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質量除了在結構上加以改進，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現驅動系統的小型化，進而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。
（二）傳感技術
傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前主要發展非接觸型檢測技術。
（三）信息處理技術
機電一體化與微電子學的顯著進步、信息處理設備（特別是微型計算機）的普及應用緊密相連。為進一步發展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數轉換設備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。
（四）驅動技術
電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發展內部裝有編碼器的電機以及控制專用組件-傳感器-電機三位一體的伺服驅動單元。
（五）接口技術
為了與計算機進行通信，必須使數據傳遞的格式標準化、規格化。接口采用同一標準規格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設計。目前，技術人員正致力于開發低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標準化等問題。
（六）軟件技術
軟件與硬件必須協調一致地發展。為了減少軟件的研制成本，提高生產維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。
二、機電一體化技術的主要應用領域
（一）數控機床
數控機床及相應的數控技術經過40年的發展，在結構、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現在：
1、總線式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多CPU、多主總線的體系結構。
2、開放性設計，即硬件體系結構和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能最大限度地提高用戶的使用效益。
3、WOP技術和智能化。系統能提供面向車間的編程技術和實現二、三維加工過程的動態仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。
4、大容量存儲器的應用和軟件的模塊化設計，不僅豐富了數控功能，同時也加強了CNC系統的控制功能。
5、能實現多過程、多通道控制，即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務或控制多臺和多種機床的能力，并將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統中去。
6、系統的多級網絡功能，加強了系統組合及構成復雜加工系統的能力。
7、以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數控裝置。
（二）計算機集成制造系統（CIMS）
CIMS的實現不是現有各分散系統的簡單組合，而是全局動態最優綜合。它打破原有部門之間的界線，以制造為基干來控制“物流”和“信息流”，實現從經營決策、產品開發、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。企業集成度的提高可以使各種生產要素之間的配置得到更好的優化，各種生產要素的潛力可以得到更大的發揮。
（三）柔性制造系統（FMS）
柔性制造系統是計算機化的制造系統，主要由計算機、數控機床、機器人、料盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。它可以隨機地、實時地、按量地按照裝配部門的要求，生產其能力范圍內的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設計更改頻繁的離散零件的批量生產。
（四）工業機器人
第1代機器人亦稱示教再現機器人，它們只能根據示教進行重復運動，對工作環境和作業對象的變化缺乏適應性和靈活性；第2代機器人帶有各種先進的傳感元件，能獲取作業環境和操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，做出一定的判斷，對動作進行反饋控制，表現出低級智能，已開始走向實用化；第3代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業環境中獨立行動，與第5代計算機關系密切。
三、機電一體化技術的發展前景
縱觀國內外機電一體化的發展現狀和高新技術的發展動向，機電一體化將朝著以下幾個方向發展：
（一）智能化
智能化是機電一體化與傳統機械自動化的主要區別之一，也是21世紀機電一體化的發展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創造了條件，有力地推動著機電一體化產品向智能化方向發展。智能機電一體化產品可以模擬人類智能，具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。
（二）系統化
系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意的剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現特征之二是通信功能大大加強，一般除RS232等常用通信方式外，實現遠程及多系統通信聯網需要的局部網絡正逐漸被采用。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系，如何賦予機電一體化產品以人的智能、情感、人性顯得越來越重要。機電一體化產品還可根據一些生物體優良的構造研究某種新型機體，使其向著生物系統化方向發展。
（三）微型化
微型機電一體化系統高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術，是機電一體化的一個新的發展方向。國外稱微電子機械系統的幾何尺寸一般不超過1cm3，并正向微米、納米級方向發展。由于微機電一體化系統具有體積小、耗能小、運動靈活等特點，可進入一般機械無法進入的空間并易于進行精細操作，故在生物醫學、航空航天、信息技術、工農業乃至國防等領域，都有廣闊的應用前景。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。
（四）模塊化
模塊化也是機電一體化產品的一個發展趨勢，是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、信息接口的機電一體化產品單元是一項復雜而重要的事，它需要制訂一系列標準，以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化產品生產企業可利用標準單元迅速開發新產品，同時也可以不斷擴大生產規模。
（五）網絡化
網絡技術的飛速發展對機電一體化有重大影響，使其朝著網絡化方向發展。機電一體化產品的種類很多，面向網絡的方式也不同。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。
（六）綠色化
工業的發達使人們物質豐富、生活舒適的同時也使資源減少，生態環境受到嚴重污染，于是綠色產品應運而生。綠色化是時代的趨勢，其目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，對生態環境無危害或危害極小，資源利用率極高。機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污染生態環境，報廢時能回收利用。綠色制造業是現代制造業的可持續發展模式。
綜上所述，機電一體化技術是眾多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。它促使機械工業發生戰略性的變革，使傳統的機械設計方法和設計概念發生著革命性的變化。大力發展新一代機電一體化產品，不僅是改造傳統機械設備的要求，而且是推動機械產品更新換代和開辟新領域、發展與振興機械工業的必由之路。
【參考文獻】：
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[關鍵詞]工程訓練；以學生為中心；訓練體系
[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）12-0137-04
工程作為實際的改造世界的物質實踐活動，具有建造性、人文性、生態性、整體性和協調性等本質特征。因此，高等工程教育必須克服目前存在的學術化、學科化傾向，擔負起工程自己的教育使命，回歸工程本身。或者說，高等工程教育要超越“科學范式”（強調工程科學與理論分析），確立“工程范式”（強調工程教育的實學性、集成性和創新性）。
為此，我國參照《華盛頓協議》，按“國際實質等效”的要求，從2006年開始試點工科專業的國際認證，并于2013年成為《華盛頓協議》的預備會員。《華盛頓協議》是國際工程師互認體系6個協議中最權威、國際化程度較高、體系較為完整的協議，該協議提出的工程教育國際認證通用標準對工科專業學生畢業時的能力要求，正是對工程本質特征的反映。
工程教育專業認證的實踐表明，“以學生為中心”的教育理念對于工科高校工程訓練中心的建設和發展具有很好的推動作用。
一、工程訓練面臨的問題
工程教育的核心特征在于其實踐性。我國工程教育實踐教學主要包括實驗教學（理論課程的實驗和獨立開設的實驗課程）和集中實踐教學（工程訓練、認知實習、生產實習、課程設計、畢業設計）兩大部分。然而，在我國本科工程教學體系中，存在重知識學習、輕能力培養的現象。2009年，中國工程院了一個調研報告，對國內高等工程教育的現狀提出了批評：一是一些本科院校不能根據自己的實際，盲目爭辦“綜合性、研究型”大學，導致學校建設目標趨同，人才培養目標單一；二是工科院校的實踐教學被不同程度地削弱，使工程訓練達不到最基本的要求；三是教師學術化傾向十分明顯，學生創新能力不強，重論文、輕設計、缺實踐。
由于高校與企業聯系不密切，企業難以容納大批學生實習等問題，生產實多是走馬觀花，學生很少有動手和提高實踐能力的機會。因此，工科高校工程訓練中心的建設就顯得尤其重要。雖然我們在不斷進步，改革的步伐從未停滯，但與國外相比，我國高校工程訓練中心的建設還存在諸多不足，如：
（一）功能定位單一
以教為中心的教學功能幾乎是所有高校工程訓練中心存在的核心要素，忽視了學生的主體性和能動性。這種教學理念及相應的教學方法，不利于發揮學生的主動性、積極性和創造性，不利于培養學生主動實踐的能力。
（二）訓練目標不明確
訓練目標與工科專業培養未來合格工程師的要求有差距，目標仍然以驗證理論知識和掌握加工工藝為主，對培養學生的工程觀、組織管理、團隊協作等方面的要求比較模糊。
（三）專業課程體系設計不合理
專業課程體系設計盲目，訓練目標模糊，導致訓練體系層次偏低，訓練內容與理論教學和其他實踐環節脫節。對學生認識工程對于客觀世界和社會的影響，考慮經濟、環境、法律、安全、健康、倫理等制約因素，綜合運用理論和技術手段設計系統方案與思路創新等方面的訓練不足。
（四）師資及硬件資源投入不足
師資隊伍無法滿足工程訓練要求，軟硬件資源投入不足。真正的工程師只有由工程經驗豐富的教師，在一個充滿活力的工程環境中才能培養出來。而我國工科教師學術化傾向十分明顯，大部分教師熱衷于申請課題、，對教學工作，特別是實踐教學投入不足。
造成上述不足的原因是多方面的，“以學生為中心”的工程教育核心理念未能深入教育管理者和教師心中則是最主要的。由此，需要回答的問題有（但不限于）：
1.什么是以學生為中心的目標導向？
2.如何設計訓練體系？
3.訓練體系如何與專業培養計劃中的理論教學和其他實踐環節貫通？
4.如何建設工程訓練所需的師資隊伍？
二、以目標為導向，進行訓練體系的反向設計
以學生為中心的目標導向就是用期望全體學生獲得的學習成果，反推出所需的培養過程、培養要素和培養環節，以及對應的持續改進機制。
（一）培養目標
培養目標是指教育目的在各級各類教育機構中的具體化，它是由特定社會領域和特定社會層次的需要所決定的。在工程教育國際認證語境下，培養目標可表達為學生畢業5年左右，成為所工作領域的合格工程師，即解決“能做什么”的問題。而在“科學范式”教育模式下，通常是教師（強調工程科學與理論分析）根據自身的認識，主觀設定學生需掌握的知識，制訂課程體系，課程體系實際上決定了學生畢業時掌握的知識，這會造成畢業生能力與培養目標脫節，更與社會需求脫節。
（二）畢業生的能力要求
畢業生的能力要求是指學生完成學業時應該取得的學習成果，即學生產出，實質上是學生畢業時“能有什么”的問題。本文對畢業生能力要求的參考體系是《華盛頓協議》的通用標準，具體為：
1.具有人文社會科學素養、社會責任感和工程職業道德；
2.具有運用工程工作所需的相關數學、自然科學以及經濟和管理知識的能力；
3.具有運用工程基礎知識和本專業基本理論知識解決問題的能力，具有系統的工程實踐學習經歷；了解本專業的前沿發展現狀和趨勢；
4.具備設計和實施工程實驗的能力，并能夠對實驗結果進行分析；
5.掌握基本的創新方法，具有追求創新的態度和意識；具有綜合運用理論和技術手段設計系統和過程的能力，設計過程中能夠綜合考慮經濟、環境、法律、安全、健康、倫理等制約因素；
6.掌握文獻檢索、資料查詢及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法；
7.了解與本專業相關的職業和行業的生產、設計、研究與開發、環境保護和可持續發展等方面的方針、政策和法律、法規，能正確認識工程對于客觀世界和社會的影響；
8.具有一定的組織管理能力、表達能力和人際交往能力以及在團隊中發揮作用的能力；
9.對終身學習有正確認識，具有不斷學習和適應發展的能力；
10.具有國際視野和跨文化的交流、競爭與合作能力。
（三）訓練體系的反向設計
訓練體系的反向設計是指：調研內外需求，由需求確定培養目標；然后，由培養目標決定對畢業生的能力要求，把畢業生能力要求分解、落實到培養計劃的各個環節（包含工程訓練），形成課程體系。這里的課程體系是廣義的，即為各個教學環節。尤其要注意的是，課程體系的改革，要改變講課、實驗、實習相分離的傳統做法，充分利用工程訓練中心的條件，實現講課、實習、訓練一體化。這樣，在新生入校后，執行該培養計劃，在質量保障體系（工程教育專業認證是質量保障體系的重要組成部分）的作用下，就能保證學生在畢業被授予學位時實現各能力培養要求，體現以學生為中心的成果導向，解決“能有什么”的問題；進而有效達成培養目標，解決“能做什么”的問題。培養目標、畢業要求、能力達成、訓練體系之間的關系如表1所示。
三、訓練模式的重構
重構訓練模式與其他實踐環節的貫通，是學生能力培養的實現手段。在學生產出導向視角下，機械工程訓練教學體系必須摒棄“金工實習”的傳統觀念，樹立“大工程觀”。按國際工程認證通用標準劃分訓練層次，即認知、基本制造技術訓練、先進制造技術訓練、機電綜合訓練。隨著科學的發展與技術的進步，現代機械產品已不是傳統意義上的純機械產品，而是機電一體化產品。因此，要開發以機械、電子、控制一體為核心，以工程性、綜合性為特點的訓練項目。
為滿足專業補充標準的要求，還要對機械類專業的訓練進行特殊設計和創新訓練，設置課外創新訓練課程。創新訓練分為初級、中級、高級三個層次。對初級訓練階段的學生開展機械創新設計基礎知識、機械運動方案創新設計、電路板設計等基礎性的專題培訓，夯實其基本理論與基本技能。對中級訓練階段的學生開展原理方案創新設計、機械系統創新案例、DSP系統設計、傳感器應用技術等提高型專題培訓，增強學生的綜合應用能力。對高級訓練階段的學生開展大團隊創新項目訓練，引導學生自主研究，充分挖掘學生的創新潛能。
這樣，就縱向形成了“認知、基本制造技術訓練、先進制造技術訓練、機電綜合訓練和創新訓練”為主線的遞進式、五層次訓練體系。
機械工程訓練中心的訓練還覆蓋能源動力工程、電氣工程及其自動化、土木工程、水利水電工程、環境工程、輕化工程等工科專業，訓練中心還要按專業模塊劃分訓練環節，以滿足不同專業的需要，橫向形成多模塊訓練體系。
訓練時間的安排要靈活，可實施分段訓練。如，對安排4周工程訓練（金工實習）的機類專業學生，可令其先進行一周的認知實習，再用2周時間與工程材料及熱成型工藝、機械制造技術基礎等課程結合，在完成圖紙設計、教師審核后，分組、分批在一個學期內完成，最后一周則可與現代制造技術實習結合，完成工程實戰。
根據以上思路，訓練資源必須重新配置。要淘汰老舊落后設備，大量增加先進制造技術訓練、機電綜合訓練、創新訓練所需設備。
四、師資隊伍的建設
“以學生為中心”的工程教育理念對工程訓練中心的師資隊伍建設提出了更高的要求。由于我國博士研究生的培養機制基本上屬于研究導向型，缺乏工程實踐經驗方面的培養，很難勝任“工程范式”下的教學模式。因此，為了培養具有工程創新能力的工程人才，必須完善工科教師的培養機制。一要大力推動對工程博士的培養；二是利用省部共建引入的先進設備和技術支持，組織教師參加新技術培訓；三是大力推進產學研合作模式，引導教師校企聯合開展工程應用研究，提高他們的工程能力。唯有如此，才能將高質量的研究成果和研究方法傳授給學生。
當前，重科研、輕教學的傾向在高校中是十分嚴重的。口里重視教學，實則以論文、科研項目為教師評價體系權重的最大指標，廣大教師怎么會安心教學？所謂“教學出題目，科研做文章，成果進課堂”，講的是教學以科研為基礎，科研為教學服務。科研不為教學服務，以“學生為中心”就是一句空話。要以教師愛崗敬業、安心教學為前提，改革對教師的評價體系與職稱晉升機制，能很好地調節教師在教學、科研和其他方面的投入。
工程訓練中心需要教授、博士，更需要工程師和高級工程師，現場操作技師也是必不可少的。目前高校工程訓練中心指導教師普遍存在職稱、學歷低，年齡老化，人員嚴重不足的現象。必須解放思想，打破事業編制的限制，大力實行人事制，從企業招聘全職工程師、技師；也需要從學校相關院系聘請機械、電子、材料、管理、自動化等專業的教授、博士，兼職幫助工程訓練中心開展教學設計與建設工作。
五、典型訓練環節的實例與推廣
為探討校外實習的部分環節在校內訓練中心完成的可行性以及工程訓練與理論教學貫通的可行性，2013年，我們對長沙理工大學機制專業2010級學生現代制造技術實習進行了改革試點。該級學生第四學年秋季學期開設數控技術、現代制造技術實習（時間為2周）。數控技術任課教師在課程教學過程中指導學生完成零件的編程，并通過數控仿真系統的虛擬制造考核（到工程訓練中心）。實習環節在訓練中心進行了1周，每個學生完成了3個零件的加工（線切割1件，數控機加工1件，快速成型1件），取得了非常好的效果。剩下一周時間再到大型先進制造企業參觀，整體實習效果好，解決了到企業不能動手的問題。
在試點成功的基礎上，我們對機制專業安排在機械工程訓練中心的為期4周的實習進行了調整，實施過程及主要時間節點如下：
1.第一學年夏季學期機械工程導論與認知實習同時進行，時間1周。也為第二學年春季學期工程材料及熱成型工藝課程教學做準備。
2.第二學年夏季學期進行2周的基本制造技術訓練和先進制造技術訓練。
3.第三學年秋季學期開設機械制造技術基礎A、機械設計課程；隨后進行機械設計課程設計，由課程任課教師與專業教師聯合指導，完成正確的CAD圖紙。在此過程中，數控技術任課教師介入，選擇適合線切割、數控車、數控銑和加工中心加工的零部件重點指導。
4.第四學年秋季學期開設數控技術，在課程教學過程中完成零部件的編程，并通過數控仿真系統的虛擬制造考核（到訓練中心），要求理論教師先期熟悉訓練中心的虛擬制造系統；在現代制造技術實習環節（2周）時到訓練中心完成零件的加工，時間1周。以上分段完成了4周的訓練。現代制造技術實習的另一周時間要到大型先進制造企業進行參觀實習。
該實例的流程及與學生能力培養的關系如圖1所示。
對2015級學生，可全面實施圖1所示的計劃，學生將得到系統的工程實踐經歷。這使學生從2013年試點時只能完成3個零件的加工，發展到現在能完成機械部件乃至系統的設計制造，并得到綜合運用理論和技術手段實施工程的能力訓練，上升到一個新的高度――認識專業責任和專業倫理。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 袁廣林.高等工程教育的理性回歸――基于工程本質屬性的思考[J].遼寧教育研究，2008（9）：18-21.
[2] 李曉強.工程教育再造的機理與路徑[D].杭州：浙江大學，2008.
