时间：2022-10-15 11:00:49
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇机械系统设计论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词:机电一体化;机械系统;工作经验;研究资料
机电一体化机械系统通过运用计算机技术，由计算机系统进行协调及控制，从而完成运动、能量流和机械力等各项动力学相关的任务，同时其各个机电部件相互联系、相互配合和相互协调，组成完整的系统结构。基于该系统结构的程序性和任务性，在机电一体化机械系统的设计与研究上应该站在“系统”的相关角度，以便进行有效科学的安排设计。
1机电一体化机械系统的设计要求
1．1保证较高的精确性
机电相关产品的精确程度直接关系着系统整体的质量和效益，机电一体化机械的技术性能、工艺水平及功能都要求选择优质产品，也就是说，机电一体化产品的首要标准和要求便是高精确度。
1．2反应性能要强
机电系统具有良好的反应性能，即在系统接受某一指令后，能够较短时间内对该指令进行任务的执行，从而保证系统能够更加精确地完成任务。另外根据系统的运行状况，做好准确、及时获得相应指令的控制，能够增加任务完成和执行的准确性。
1．3具有较强的稳定性
在机电一体化机械设计中，为了保证更好的系统精确度和反应性能，往往会在无间隙、低摩擦、高刚度和高谐振频率等方面对系统提出较高的要求。另一方面，还要求机电一体化机械系统有寿命长、体积小、重量轻和可靠性高等优点。
2机电一体化机械系统的构成
机电一体化机械系统通常是由传动机构、导向机构和执行机构三部分构成。
2．1传动机构
机电一体化机械系统中的传动机构，不仅仅是转速和转矩的转换器，耗时伺服系统中的重要组成部分，因此，在机电一体化机械系统设计要求中，传动机构首先要具有较高的精确度，同时必须满足重量轻、噪音低、体积小、运转速度高和可靠性高等方面的要求和特点，结合机电一体化机械系统中对伺服控制的要求和标准进行传动机构的设计研究，以便更好地提升系统机械结构中的伺服性能。
2．2导向机构
导向机构在机电一体化机械系统中主要起到的是导向作用和支撑作用，一般包括导轨和轴承等。导向机构的正常作用的发挥可以有效保证机电一体化机械系统中的组成部分和各个装置能够安全、准确完成指定的任务运动。
2．3执行机构
执行机构，是指在机电一体化机械系统中直接完成任务指令的操作装置和部分，一般情况下，执行机构所具备的高灵敏度和精确度以及高重复性能和可靠性，可以保证其根据不同的任务指令和相关要求，在动力源的推动下完成预先设定的各种操作任务。在目前经济快速发展的社会，计算机的应用能通过其强大有效的功能，使传统机电的动力发动机转换成为可变速、动力和执行的多功能发动机，从而使得执行机构和传动机构得到进一步的简化。
3机电一体化机械系统的设计思想
3．1动态设计思想
在机电一体化机械系统的设计中，通过静态设计的有效协助，为了更好的研究整个机械系统结构的频率特点和性质，完成各个系统环节数字模型的建立，推动促进机电一体化机械系统的传递函数，必须充分有效地通过自控方法进行频率特性的计算，这便是动态设计。机械系统的频率特性，在一定程度上不但能够反映出整个系统在不同信号频率下的相应反应，还决定了系统的工作最大频率、抗干扰性和稳定性。
3．2静态设计思想
静态设计是指按照机电一体化各个机械系统的功能要求，通过相关的研究和经验初步、大体上制定出机械系统设计的步骤及方案。方案中主要涉及整个系统部件之间的控制、连接以及部件的种类和对能源的需求等。基本方案设计完成后，应以技术手段为基础，设计出系统中各部件的运动关系、参数及结构，确定部件及相应零件的材料、精确度和结构方式，并对执行元件发电功率、参数和过载能力进行验算，对其他相关的元件和部件进行配置系统的选择等等。
4机电一体化机械系统的性能分析
想要使机电一体化机械系统良好的伺服性能得到保证，不但需要从机械系统的静态特征方面得到更好的满足，同时还要充分的运用理论研究和自动化的控制方法对整个系统体系进行动态设计和分析。另外，机械系统的动态设计应该以系统静态的数字模型为基础，根据自动化控制的要求和方法研究分析系统的整个频率特性，并通过调整相应的频率，改善系统整体的伺服性能。
4．1数字模型的建立
机电一体化机械系统数字模型的建立和电气系统的数字模型的建立在一定程度上基本相似，即都是通过折算将比较负责的结构装置简单化，转为等效的数学函数关系，并用数学中的线性微分方程表达式将其表达出来。机电一体化机械系统的数字模型分析通常情况下都是输入与输出的联系。比如，把比较复杂的系统机械参数，弹性模量、阻尼和系统惯量等统一进行处理，并对各个机械参数进行数学方式的分析，从而得出它们对整个机械系统的影响。在数字模型的建立之前，需要先对机械系统中的不同物理量进行折算，使它们直接转化到某个元件上，从而把多变、复杂的多轴传动变为单轴传动，在此过程中，必须严格按照总机械系统性能不变的原则。这样，以单轴为基础的输入量和输出量的关系，就能够建立相关的数学表达式，从中反应出机械的相应性能，从而应用并指导实际中的设计。
4．2性能参数的影响
机电一体化机械系统设计要求必须要工作可靠、精确度高、运行平稳等，既是静态设计中的研究问题，也是动态设计对伺服机构的要求，这就应该通过对有关参数的调整，优化整体系统的性能。
5结语
通过以上论述，从机电一体化机械系统的性质、概念等方面进行相关分析，分别从机电一体化机械系统的设计要求、基本构成、设计思想和性能分析四个方面进行了研究分析，机电一体化机械系统设计研究进行了详细的论述。
作者:朱翔宇 王玉乐 单位:聊城大学机械与汽车工程学院 青岛科技大学自动化与电子工程学院
参考文献:
［1］农明武．技校生参加"机电一体化"技能竞赛的指导策略［J］．中小企业管理与科技(下旬刊)，2016(01)．
［2］韩向可，吴耀春．应用型本科机电一化系统设计课程改革探索［J］．装备制造技术，2016(01)．
关键词：立体视觉；运动平台；ADAMS
一、引言
随着信息、处理、计算机技术的发展，人们对于机器能够仅仅获取以一些平面的二维视觉信息越来越不满意，人们设想借助计算机的技术，能使机器人真正能“看到”精彩的三维世界。计算机技术、视觉传感器技术、摄像技术以及立体视觉理论的发展，利用视觉传感器来获取环境图像，并用计算机实现对视觉信息的处理，从而形成立体视觉，逐渐使这一设想变成现实[1-4]。本文采用了目前国内外进行机电一体化系统设计时最常用的虚拟样机技术，基于3D数字化设计平台UG，采用赫尔姆霍茨模型作为参考设计了一种新型的具有三自由度的双目立体视觉运动平台，如图1所示。
二、运动学仿真验证立体视觉运动平台的运动空间范围
运动学仿真的目的是为了验证立体视觉运动平台动力模型建模的合理性，检查运动自由度范围是否达到设计指标中要求的“眼睛”左右偏航运动空间范围（±60o）、“头部”俯仰运动空间范围（±45o）。同时通过运动学仿真，还可以检查视觉运动平台动力模型各个部件的之间有没有产生运动碰撞干涉。本文采用机械系统动力学自动分析软件ADAMS对运动平台进行运动仿真分析[5]。
经过运行运动学仿真，可以得知各个自由度的运动空间范围如下：
（一）左偏航极限±60度、右偏航极限±60度、俯仰极限±45度位置，如图2所示
（三）没有发生偏航运动，仰视极限负45度位置，如图4所示
偏航和俯仰运动各个自由度运动范围曲线图如图5，图6，图7所示。从上面各个极限位置、偏航和俯仰运动各个自由度运动空间范围曲线图可以观察到部件之间没有产生运动碰撞干涉现象，各个自由度的运动空间范围达到了设计的要求，从仿真结果也可以看出本运动平台运动空间范围广，验证了本视觉运动平台达到了运动功能的要求，说明本立体视觉运动平台的机械系统结构设计是合理的，这为一般机器人立体视觉运动平台的机械结构设计提供实用的改进和参考依据。
三、驱动电机的输入扭矩分析
要验证选择的驱动电机的输入扭矩是否够，那么要测量俯仰电机和偏航电机的扭矩。在立体视觉运动平台中，电机主要是要克服转动过程中转动头和摄像机等运动部件的负载转矩。运动部件的负载扭矩在ADAMS中通过测量扭矩的方式测量出来，如下图8，图9分别是偏航电机和俯仰电机的负载扭矩。
通过图8和图9，可以知道偏航和俯仰电机的负载是时间连续曲线。当偏航或俯仰运动到极限点时，驱动电机要进行变向运行，负载扭矩的方向也发生变化而出现突变拐点，拐点的值便是负载扭矩最大值，可以得知选择的电机的扭矩是足够的。仿真结果对双目立体视觉运动平台的控制系统的性能定性分析提供了一种评价手段。
四、结论
仿真的结果验证了视觉运动平台的俯仰和左右偏航自由度的运动空间范围符合设计要求。根据仿真结果可以看出本运动平台运动空间范围广，验证了本视觉运动平台达到了运动功能的要求，说明本立体视觉运动平台的机械机构设计是合理的，这为一般机器人立体视觉运动平台的机械系统结构设计提供实用的改进和参考依据。
并通过仿真求解出俯仰电机和左右偏航电机的负载扭矩曲线，仿真结果对双目立体视觉运动平台的控制系统的性能定性分析提供了一种评价手段。
参考文献：
[1]唐新星.具有立体视觉的工程机器人自主作业控制技术研究[J].吉林大学博士论文，2007，(12):10-11.
[2]贾云得.机器视觉[M].北京:科学出版社，2000，(4):1-10.
[3]朱正德.零部件表面缺陷的机器视觉检测模[J].MC现代零部件，2005，(9):68.
[4]龙甫荟，郑南宁.计算机视觉模型的研究与发展[J].信息与控制，1997，26，(2):113.
关键词：专业学位研究生；工程实训模式；教育
中图分类号：G642.8 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）04-0036-02
一、引言
目前，我国机械工程研究生的培养方向一直以学术型为主，学术型研究生基础理论知识较扎实，但解决工程实际问题的能力相对不足的矛盾逐渐凸显出来，当前研究生培养模式就是造成这种现象的主要原因之一。因此，探讨一种行之有效的机械工程专业学位研究生工程培养模式，成为了当前研究生教育的重点内容之一。
自恢复研究生教育以来，我国机械工程研究生的培养方向一直以学术型为主。每年毕业的机械工程研究生主要为高等院校和科研单位培养，从事科学研究及高等教育工作。而学术型机械工程研究生主要以基础理论为主，存在工程实践方面不足等问题。目前，以市场化为主导的国家经济模式使机械工程研究生的数量在不断增加，机械工程毕业研究生数量使高校和科研单位饱和，多数研究生将以大中型企业等单位为就业的主体。因此，为了适应当前大中型企业及国家经济发展的需求，对研究生工程能力的要求越来越高，并成为当前研究生教育的重点内容。
综上所述，在研究生工程能力的培养中，存在一些不足之处，制约了研究生的培养效果，达不到社会对研究生的期望值。因此，很有必要对机械工程专业学位研究生的创新素质和科研工程能力的培养模式进行研究，为机械工程专业学位研究生的教育提供一种有效地、可行的教育模式。
本文主要对基于工程项目的机械工程专业学位研究生工程实训模式进行研究，结合本人所指导的机械工程专业学位研究生的培养，以企业项目案例为平台，对其科研工程意识、科研工程知识及科研工程能力等方面进行培养，使其具有较强的创新素质和科研工程能力，为其他研究生的培养模式研究提供理论依据。
二、科研能力和创新能力的基础培养
科研基础知识和科研意识是科研能力和创新能力的基础。科研基础知识主要包括与研究方向相关的机械和电气控制方面的理论基础知识和应用软件方面的知识，如机械原理、高等数学、理论力学、现代控制理论、二维和三维工程绘图软件等基础知识和应用软件；科研意识主要是指科研工程项目的前瞻性能力和创新欲望。
（一）基于实际机械系统的学习模式
课堂教学的理论知识仅仅是工程项目实施的基础知识，将这些基础理论知识应用于工程项目的实施，还需要不断提高科研工程知识。本项目以6-DOF串联机械臂系统为例，指导和加强研究生学习与机器人相关的理论知识以及工程项目实施方面的知识，了解国内外机器臂的发展动态，加强掌握科研基础知识，增强研究生的科研工程项目实施的意识。
以首钢莫托曼机器人有限公司研制的6-DOF串联机器人系统为例，启发和诱导研究生掌握该机械人研制的关键科学问题和工程实施中关键工程工艺问题等，包括运动学、动力学和机械系统设计等方面。针对每部分关键科学问题和工程实施中关键工程工艺问题等，发挥研究生的主观能动性，对机械臂进行系统的研究，进一步完善研究生的科研能力和创新能力。
这种通过实际案例的学习方法可以理论联系实际，使理论学习内容可视化，直接验证理论学习的可行性，加深了学生对课程内容的理解，促进了理论知识在工程方面的应用，同时也增加了学生的学习兴趣。
（二）基于已实施的科研工程项目，探索性实践教学模式
基于已实施的国家基金项目“串并混联拟人机械腿的力约束及动载协调分配问题研究”，指导学生探索性学习机械工程项目实施方面的知识。首先，引导学生掌握该项目立项的依据，即项目实施的工程和科学意义，同时使学生了解该项目的研究内容以及研究内容及创新点提出的工程科学意义。然后，针对研究内容，引导学生展开研究，启发诱导研究分组进行运动学、动力学、机械系统设计等方面的实践，进一步提高科研工程实施能力。最后，研制串并混联拟人机械腿样机。
（三）科研工程培训总结
对已进行的工程案例进行总结，发现自身的不足之处，提高相关科研理论知识和工程项目实施方面的能力，写成科研工程论文，以提高研究生的总结能力，对研究生今后的工作奠定基础。
通过上述学习方式，巩固了研究生的科研基础知识，增强了研究生的团队协作意识、科研动力及兴趣，有利于研究生激发出创新思维，也有利于营造一种和谐向上的学术氛围。
三、科研专业知识及科研能力的培养
科研工程专业方面的能力主要是指在项目实施过程中，理论知识及工程实践经验等的运用能力。本文主要通过探索性实践的方式，来检验研究生科研能力的掌握程度。以一种新型双轴颚式破碎机的设计为例，增强研究生的科研和创新能力。首先，对目前颚式破碎机进行调研，发现现有破碎机的不足之处以及需要改进的地方；其次，基于现有破碎机的不足之处，提出新型颚式破碎机方案，解决现有存在的问题；然后，对新型颚式破碎机进行性能研究并进行设计方法研究；最后，研制样机并进行实验研究。
通过对当前颚式破碎机的调研，发现当前颚式破碎机存在破碎物料不均匀、破碎效率低、颚板磨损厉害、很难实现超细破碎以及耗能大等缺点。为克服传统颚式破碎机的不足之处，提出了一种新型的双轴复摆颚式破碎机。
对这种新型双轴复摆颚式破碎机的行程特征值、运动学、动力学等性能进行研究，给出各性能的分布规律。首先，应用遗传基因方法对新型双轴复摆颚式破碎机的结构参数进行优化，给出合理的结构参数，同时考虑加工与装配工艺性，设计了一种双轴复摆颚式破碎机样机；其次，对这种样机进行试验研究，结果表明，同样破碎500kg的物料，单轴机需要269s，而双轴机只需要52s，只占单轴机破碎物料所需时间的五分之一；然后，在细料占总成品的比例上，双轴是单轴的2.5倍，在每小时的生产能力上双轴是单轴的5.2倍；最后，在衡量破碎机产能的指标值S上，双轴是单轴的2.5倍。因此，综合上述的分析和数据认为，新型双轴复摆颚式破碎机的性能明显优于单轴破碎机，具有很好的工程应用价值。
四、结论
本文基于实际工程项目的机械工程专业学位研究生培养模式的研究，提高了研究生的科研素质及创新能力等，研究生获得了一定的成绩。在这个过程中，研究生研制了拟人机械腿、颚式破碎机等样机，提高了工程能力。同时，还撰写和发表了多篇学术论文，授权了多项发明专利和实用新型专利。
参考文献：
[1]张红，张翼宙.培养研究生创新能力全面提高科研素质[J].中医教育，2007，26（3）：54-57.
[2]林秀英，杨炳钧，刘邦凡.试论研究生素质教育与英语教学[J].西南师范大学学报，1999，（1）：57-60.
[3]李薇，喻良文，吴文如.学生科研能力培养的探索和实践[J].医学教育探索，2010，9（3）：380-382.
关键字：新问题；先进制造技术；前沿科学；应用前景
论文
制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的功能一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的探究。
1当前制造科学要解决的新问题
当前制造科学要解决的新问题主要集中在以下几方面摘要：
（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统灵敏性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的探究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的灵敏性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。
（2）为支持快速灵敏制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键新问题。例如在计算机辅助设计和制造(CAD／CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-RealSpace)中，都存在大量的几何算法设计和分析等新问题，非凡是其中的几何表示、几何计算和几何推理新问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间
(配置空间ConfigurationSpace)的几何计算和几何推理新问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(ScrewSpace)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化探究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的探究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的探究。
（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成和融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。
（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度新问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化新问题时的求解速度和求解精度方面双双突破新问题规模的制约。制造智能还表现在摘要：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。
这些新问题是当前产品创新的关键理论新问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性新问题。这些新问题的重点突破，可以形成产品创新的基础探究体系。
2现代机械工程的前沿科学
不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学新问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术新问题。
超声电机、超高速切削、绿色设计和制造等领域，国内外已经做了大量的探究工作，但创新的关键是机械科学新问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少探究，但仍有许多关键科学技术新问题有待解决。
信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，和以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生气械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。
2．1制造科学和信息科学的交叉--制造信息科学
机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统熟悉的加深，探究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。
和制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要探究方向和内容摘要：
(1)制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。
(2)非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学新问题。
这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。
2．2微机械及其制造技术探究
微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件和系统的功能密度、信息密度和互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3mm大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
微机械是机械技术和电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并和集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特征如下摘要：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统探究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，非凡是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的探究需要多学科交叉的探究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿探究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。
目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷功能下的力学行为等尚缺乏充分的熟悉，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论和方法，因此只能凭经验和试探的方法进行探究。微型机械系统探究中存在的关键科学新问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的探究正处于突破的前夜，是亟待深入探究的领域。
2．3材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础
材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计和拟实仿真优化是实现材料和零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备和零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料和零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，探究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，探究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料和零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂外形又具有一定功能的三维实体模型或零件。
2．4机械仿生制造
21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。
地球上的生物在漫长的进化中所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。从生命现象中学习组织和运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模拟生物器官的自组织、自愈合、自增长和自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统和制造过程。假如说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"仿生制造"则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。
仿生制造所涉及的科学新问题是生物的"自组织"机制及其在制造系统中的应用新问题。所谓"自组织"是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的"自组织"机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。
仿生制造属于制造科学和生命科学的"远缘杂交"，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。
仿生制造的探究内容目前有两个方面摘要：
2．4．1面向生命的仿生制造
探究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；
2．4．2面向制造的仿生制造
探究仿生制造系统的自组织机制和方法，例如摘要：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；探究仿生制造的概念体系及其基础，例如摘要：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。
机械仿生和仿生制造是机械科学和生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其探究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生气械和生物成形制造等。目前所做的探究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础探究的特征，假如抓住机遇探究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的探究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及和生物工程相关的关键技术基础等。3现代制造技术的发展趋向
20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的探究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划(G--7)、德国的制造2000计划和欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。
随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化和多样化，未来现代制造技术发展的总趋向是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。
当前现代制造技术的发展趋向大致有以下九个方面摘要：
(1)信息技术、管理技术和工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展。
(2)设计技术和手段更现代化。
(3)成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。
(4)新型特种加工方法的形成。
(5)开发新一代超精密、超高速制造装备。
(6)加工工艺由技艺发展为工程科学。
(7)实施无污染绿色制造。
【关键词】ADXL345；加速度传感器；机械振动监测
1.引言
机械设备的高速化、大型化和自动化发展，一方面提高了生产力，另一方面给安全维护提出了更高的要求。机械振动是各种机器工作工程中经常发生的现象，在机械故障和大型机械的状态监测中振动占有重要的地位，对振动信号进行在线监测和分析可诊断系统及其部件的运行是否正常。
振动相关的物理量包括加速度、速度和位移等，由于测量加速度信号具有方便、经济的优势，工程上通常通过测量加速度测量振动[1]。早期的加速度传感器是惯性式的，由电磁感应原理产生微弱的电信号，再经过信号调理放大后通过ADC送到微处理器，这种方法电路复杂且成本较高。近年来很多IC厂商制造出了数字加速度计，将加速度感应装置和一些必要的电路集成在一片晶圆上，大大降低了加速度信号的测量成本，其中Analog Device公司生产的三轴加速度计ADXL345是一款比较突出的产品。
2.三轴加速度计ADXL345结构和功能特性
三轴加速度传感器ADXL345尺寸小，功耗低，分辨率高达13位，测量范围可达±16g。它的数据以16位2进制补码格式输出，并提供SPI和I2C两种数字访问接口，编程简单方便，非常适合于应用在移动设备上。它用于测量倾斜导致的静态重力加速度，能测到小于1°的倾角；在运动或者冲击导致的加速度测量中分辨率可达3.9mg/LSB。ADXL345提供多种特殊检测功能并能映射到中断脚输出，包括：(1)活动和非活动检测功能，通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生；(2)敲击检测功能，可以检测任意方向的单振和双振动作；(3)自由落体检测功能，可以检测器件是否正在掉落。ADXL345内部集成了一个32位先进先出(FIFO)缓冲器用于存储数据，可降低处理器的负荷和整个系统的功耗。ADLX345主要应用于手机、医疗器械、游戏、定点设备、工业仪器仪表、个人导航设备和硬盘驱动保护等多种领域。
ADXL345晶圆顶部为多晶硅表面微加工结构加速计，多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，在有加速度时提供力量阻力。它通过内部的差分电容对结构偏转进行测量，差分电容包括独立固定板和活动质量连接板，加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，从而传感器输出的幅度与加速度成正比。ADXL345的工作流程为：首先由3轴敏感单元感应3个方向的加速度，然后通过电子感应器件将感应到的加速度量转化成模拟量，模拟量经ADC转换为数字量后进行数字滤波并存储在FIFO中，等待主设备通过控制和中断逻辑从串行I/O口读加速度的值。
3.系统设计与实现
3.1 硬件电路设计
基于三轴加速度传感器的振动检测设备由按键模块、加速度传感器模块、RS232接口电路、报警电路模块、继电器控制模块和LCD显示模块等几部分构成。系统结构框图如图1所示，其中单片机为系统控制核心，采用华邦W78E052，它最大支持40MHz时钟，供电电压范围宽（2.4V~5.5V），内部包含2个外部中断、3个定时计数中断和看门狗计时器。工作时系统以50Hz的速率不断地采集三轴方向的加速度信号，并通过LCD将数据显示出来。同时也可以通过串口将数据传输到上位机。
三轴加速度模块电路的电源退耦和旁路设计很重要，如图2所示，在VDD和地间放置一只0.1μF电容且尽可能地靠近VDD，可用来消除电源电压波动产生的噪声。另外需在VS处加上电源旁路设计，采用一只10Ω的电阻和10μF的电容进行旁路连接。
将第7脚片选引脚拉高至VDD时ADXL345处于I2C通讯模式，以I2C模式工作要将ATL ADDRESS引脚接地。为了保证正确操作，需在SCL和SDA引脚加上拉电阻，上拉电阻的范围可在2K~10K之间[2]。需特殊说明的是，如果还有其他器件连接到I2C总线时，这些器件的额定工作电压电平不要高于VDD 0.3V以上。将SCL、SDA、INT1引脚分别与W78E052的P1.1、P1.2和INT1引脚相连接，此时ADXL345的I2C通讯地址为0x53，当FIFO中的数据满后，ADXL345会提供中断信号给单片机，这时单片机可以通过I2C读取FIFO中的数据。
ADXL345是一款高灵敏度3轴加速度传感器，它在PCB上的安装和PCB板固定都有一定的要求。因为PCB板的谐振程度会影响加速度的计量，如果将传感器安装在PCB上一些没有硬支撑的位置，会导致明显的测量错误[3-4]。
3.2 软件设计
基于三轴加速度传感器的振动监测设备可以工作在两种模式，一是单机模式，二是联机模式，这两种模式可以通过按键来设定。单机模式下，设备将监控到的数据与预先设定的数据进行比较，如果超过警界值，则发出停机指令并报警。而在联机模式下，设备则将采集到的数据通过RS232发给上位机，并执行上位机发出的命令。
系统软件流程如图3所示，系统上电后单片机对各模块进行初始化，并进行故障自检，如发现模块有故障，通过LCD显示故障模块并报警[5]。如果没有故障，则进入主程序。主程序不断的循环查询是否有按键按下，如果有按键按下则执行按键功能程序。如果没有，则三轴加速度传感器进行数据采样，系统判断是否处于联机模式。处于联机模式时跟上位机交换数据。单机模式时，按照预先的设定值执行程序，如果有异常停机并发出报警，将异常数据显示出来。
单片机读取ADXL345的数据完成后发出清空指令将FIFO清除，然后发出启动采集加速度信号，设定好ADXL345的触发模式，这样当FIFO的数据采集满时，INT1引脚将产生一个下降沿的中断。单片机的中断服务程序中设置一个ADXL345数据采集完成的标志位，每次有中断时就将数据读出来，这样ADXL345的数据采集和单片机的数据处理就可以同步进行了。
4.结论
选用三轴加速度传感器ADXL-345设计了一款机械振动的监测装置，本文详细介绍了它的软硬件的设计，完成了对机械设备的故障引起的振动进行监测的功能，实现了对机械设备故障的及时掌握和控制。装置提供RS232接口，可以方便地将数据传输到上位机。随着微电子技术的不断发展，利用微电子技术制作的传感器对机械系统的各种性能进行监测将会得到越来越多的应用。
参考文献
[1]赵丹.振动加速信号直接数字积分的DSP实现[D].太原理工大学硕士研究生学位论文,2008(06).
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[3]袁西,陈栋,田湘,等.三轴加速计ADXL345及其在捷联惯导中的应用[J].电子设计工程,2010,18(3):138-140.
【论文摘要】：机电一体化是一种复合技术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。本文简述了机电一体化技术的基本结构组成和主要应用领域，并指出其发展趋势。
现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
一、机电一体化的核心技术
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：
（一）机械本体技术
机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。
（二）传感技术
传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。
（三）信息处理技术
机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。
（四）驱动技术
电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。
（五）接口技术
为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。
（六）软件技术
软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。
二、机电一体化技术的主要应用领域
（一）数控机床
数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：
1、总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。
2、开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。
3、WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
4、大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。
5、能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
6、系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
7、以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。
（二）计算机集成制造系统（CIMS）
CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。
（三）柔性制造系统（FMS）
柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。
（四）工业机器人
第1代机器人亦称示教再现机器人，它们只能根据示教进行重复运动，对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；第2代机器人带有各种先进的传感元件，能获取作业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，做出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第3代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。
三、机电一体化技术的发展前景
纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化将朝着以下几个方向发展：
（一）智能化
智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。
（二）系统化
系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，一般除RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。
（三）微型化
微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm3，并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。
（四）模块化
模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，它需要制订一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。
（五）网络化
网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响，使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多，面向网络的方式也不同。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。
（六）绿色化
工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少，生态环境受到严重污染，于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对生态环境无危害或危害极小，资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。
综上所述，机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。
【参考文献】：
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[关键词]工程训练；以学生为中心；训练体系
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）12-0137-04
工程作为实际的改造世界的物质实践活动，具有建造性、人文性、生态性、整体性和协调性等本质特征。因此，高等工程教育必须克服目前存在的学术化、学科化倾向，担负起工程自己的教育使命，回归工程本身。或者说，高等工程教育要超越“科学范式”（强调工程科学与理论分析），确立“工程范式”（强调工程教育的实学性、集成性和创新性）。
为此，我国参照《华盛顿协议》，按“国际实质等效”的要求，从2006年开始试点工科专业的国际认证，并于2013年成为《华盛顿协议》的预备会员。《华盛顿协议》是国际工程师互认体系6个协议中最权威、国际化程度较高、体系较为完整的协议，该协议提出的工程教育国际认证通用标准对工科专业学生毕业时的能力要求，正是对工程本质特征的反映。
工程教育专业认证的实践表明，“以学生为中心”的教育理念对于工科高校工程训练中心的建设和发展具有很好的推动作用。
一、工程训练面临的问题
工程教育的核心特征在于其实践性。我国工程教育实践教学主要包括实验教学（理论课程的实验和独立开设的实验课程）和集中实践教学（工程训练、认知实习、生产实习、课程设计、毕业设计）两大部分。然而，在我国本科工程教学体系中，存在重知识学习、轻能力培养的现象。2009年，中国工程院了一个调研报告，对国内高等工程教育的现状提出了批评：一是一些本科院校不能根据自己的实际，盲目争办“综合性、研究型”大学，导致学校建设目标趋同，人才培养目标单一；二是工科院校的实践教学被不同程度地削弱，使工程训练达不到最基本的要求；三是教师学术化倾向十分明显，学生创新能力不强，重论文、轻设计、缺实践。
由于高校与企业联系不密切，企业难以容纳大批学生实习等问题，生产实多是走马观花，学生很少有动手和提高实践能力的机会。因此，工科高校工程训练中心的建设就显得尤其重要。虽然我们在不断进步，改革的步伐从未停滞，但与国外相比，我国高校工程训练中心的建设还存在诸多不足，如：
（一）功能定位单一
以教为中心的教学功能几乎是所有高校工程训练中心存在的核心要素，忽视了学生的主体性和能动性。这种教学理念及相应的教学方法，不利于发挥学生的主动性、积极性和创造性，不利于培养学生主动实践的能力。
（二）训练目标不明确
训练目标与工科专业培养未来合格工程师的要求有差距，目标仍然以验证理论知识和掌握加工工艺为主，对培养学生的工程观、组织管理、团队协作等方面的要求比较模糊。
（三）专业课程体系设计不合理
专业课程体系设计盲目，训练目标模糊，导致训练体系层次偏低，训练内容与理论教学和其他实践环节脱节。对学生认识工程对于客观世界和社会的影响，考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素，综合运用理论和技术手段设计系统方案与思路创新等方面的训练不足。
（四）师资及硬件资源投入不足
师资队伍无法满足工程训练要求，软硬件资源投入不足。真正的工程师只有由工程经验丰富的教师，在一个充满活力的工程环境中才能培养出来。而我国工科教师学术化倾向十分明显，大部分教师热衷于申请课题、，对教学工作，特别是实践教学投入不足。
造成上述不足的原因是多方面的，“以学生为中心”的工程教育核心理念未能深入教育管理者和教师心中则是最主要的。由此，需要回答的问题有（但不限于）：
1.什么是以学生为中心的目标导向？
2.如何设计训练体系？
3.训练体系如何与专业培养计划中的理论教学和其他实践环节贯通？
4.如何建设工程训练所需的师资队伍？
二、以目标为导向，进行训练体系的反向设计
以学生为中心的目标导向就是用期望全体学生获得的学习成果，反推出所需的培养过程、培养要素和培养环节，以及对应的持续改进机制。
（一）培养目标
培养目标是指教育目的在各级各类教育机构中的具体化，它是由特定社会领域和特定社会层次的需要所决定的。在工程教育国际认证语境下，培养目标可表达为学生毕业5年左右，成为所工作领域的合格工程师，即解决“能做什么”的问题。而在“科学范式”教育模式下，通常是教师（强调工程科学与理论分析）根据自身的认识，主观设定学生需掌握的知识，制订课程体系，课程体系实际上决定了学生毕业时掌握的知识，这会造成毕业生能力与培养目标脱节，更与社会需求脱节。
（二）毕业生的能力要求
毕业生的能力要求是指学生完成学业时应该取得的学习成果，即学生产出，实质上是学生毕业时“能有什么”的问题。本文对毕业生能力要求的参考体系是《华盛顿协议》的通用标准，具体为：
1.具有人文社会科学素养、社会责任感和工程职业道德；
2.具有运用工程工作所需的相关数学、自然科学以及经济和管理知识的能力；
3.具有运用工程基础知识和本专业基本理论知识解决问题的能力，具有系统的工程实践学习经历；了解本专业的前沿发展现状和趋势；
4.具备设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析；
5.掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素；
6.掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；
7.了解与本专业相关的职业和行业的生产、设计、研究与开发、环境保护和可持续发展等方面的方针、政策和法律、法规，能正确认识工程对于客观世界和社会的影响；
8.具有一定的组织管理能力、表达能力和人际交往能力以及在团队中发挥作用的能力；
9.对终身学习有正确认识，具有不断学习和适应发展的能力；
10.具有国际视野和跨文化的交流、竞争与合作能力。
（三）训练体系的反向设计
训练体系的反向设计是指：调研内外需求，由需求确定培养目标；然后，由培养目标决定对毕业生的能力要求，把毕业生能力要求分解、落实到培养计划的各个环节（包含工程训练），形成课程体系。这里的课程体系是广义的，即为各个教学环节。尤其要注意的是，课程体系的改革，要改变讲课、实验、实习相分离的传统做法，充分利用工程训练中心的条件，实现讲课、实习、训练一体化。这样，在新生入校后，执行该培养计划，在质量保障体系（工程教育专业认证是质量保障体系的重要组成部分）的作用下，就能保证学生在毕业被授予学位时实现各能力培养要求，体现以学生为中心的成果导向，解决“能有什么”的问题；进而有效达成培养目标，解决“能做什么”的问题。培养目标、毕业要求、能力达成、训练体系之间的关系如表1所示。
三、训练模式的重构
重构训练模式与其他实践环节的贯通，是学生能力培养的实现手段。在学生产出导向视角下，机械工程训练教学体系必须摒弃“金工实习”的传统观念，树立“大工程观”。按国际工程认证通用标准划分训练层次，即认知、基本制造技术训练、先进制造技术训练、机电综合训练。随着科学的发展与技术的进步，现代机械产品已不是传统意义上的纯机械产品，而是机电一体化产品。因此，要开发以机械、电子、控制一体为核心，以工程性、综合性为特点的训练项目。
为满足专业补充标准的要求，还要对机械类专业的训练进行特殊设计和创新训练，设置课外创新训练课程。创新训练分为初级、中级、高级三个层次。对初级训练阶段的学生开展机械创新设计基础知识、机械运动方案创新设计、电路板设计等基础性的专题培训，夯实其基本理论与基本技能。对中级训练阶段的学生开展原理方案创新设计、机械系统创新案例、DSP系统设计、传感器应用技术等提高型专题培训，增强学生的综合应用能力。对高级训练阶段的学生开展大团队创新项目训练，引导学生自主研究，充分挖掘学生的创新潜能。
这样，就纵向形成了“认知、基本制造技术训练、先进制造技术训练、机电综合训练和创新训练”为主线的递进式、五层次训练体系。
机械工程训练中心的训练还覆盖能源动力工程、电气工程及其自动化、土木工程、水利水电工程、环境工程、轻化工程等工科专业，训练中心还要按专业模块划分训练环节，以满足不同专业的需要，横向形成多模块训练体系。
训练时间的安排要灵活，可实施分段训练。如，对安排4周工程训练（金工实习）的机类专业学生，可令其先进行一周的认知实习，再用2周时间与工程材料及热成型工艺、机械制造技术基础等课程结合，在完成图纸设计、教师审核后，分组、分批在一个学期内完成，最后一周则可与现代制造技术实习结合，完成工程实战。
根据以上思路，训练资源必须重新配置。要淘汰老旧落后设备，大量增加先进制造技术训练、机电综合训练、创新训练所需设备。
四、师资队伍的建设
“以学生为中心”的工程教育理念对工程训练中心的师资队伍建设提出了更高的要求。由于我国博士研究生的培养机制基本上属于研究导向型，缺乏工程实践经验方面的培养，很难胜任“工程范式”下的教学模式。因此，为了培养具有工程创新能力的工程人才，必须完善工科教师的培养机制。一要大力推动对工程博士的培养；二是利用省部共建引入的先进设备和技术支持，组织教师参加新技术培训；三是大力推进产学研合作模式，引导教师校企联合开展工程应用研究，提高他们的工程能力。唯有如此，才能将高质量的研究成果和研究方法传授给学生。
当前，重科研、轻教学的倾向在高校中是十分严重的。口里重视教学，实则以论文、科研项目为教师评价体系权重的最大指标，广大教师怎么会安心教学？所谓“教学出题目，科研做文章，成果进课堂”，讲的是教学以科研为基础，科研为教学服务。科研不为教学服务，以“学生为中心”就是一句空话。要以教师爱岗敬业、安心教学为前提，改革对教师的评价体系与职称晋升机制，能很好地调节教师在教学、科研和其他方面的投入。
工程训练中心需要教授、博士，更需要工程师和高级工程师，现场操作技师也是必不可少的。目前高校工程训练中心指导教师普遍存在职称、学历低，年龄老化，人员严重不足的现象。必须解放思想，打破事业编制的限制，大力实行人事制，从企业招聘全职工程师、技师；也需要从学校相关院系聘请机械、电子、材料、管理、自动化等专业的教授、博士，兼职帮助工程训练中心开展教学设计与建设工作。
五、典型训练环节的实例与推广
为探讨校外实习的部分环节在校内训练中心完成的可行性以及工程训练与理论教学贯通的可行性，2013年，我们对长沙理工大学机制专业2010级学生现代制造技术实习进行了改革试点。该级学生第四学年秋季学期开设数控技术、现代制造技术实习（时间为2周）。数控技术任课教师在课程教学过程中指导学生完成零件的编程，并通过数控仿真系统的虚拟制造考核（到工程训练中心）。实习环节在训练中心进行了1周，每个学生完成了3个零件的加工（线切割1件，数控机加工1件，快速成型1件），取得了非常好的效果。剩下一周时间再到大型先进制造企业参观，整体实习效果好，解决了到企业不能动手的问题。
在试点成功的基础上，我们对机制专业安排在机械工程训练中心的为期4周的实习进行了调整，实施过程及主要时间节点如下：
1.第一学年夏季学期机械工程导论与认知实习同时进行，时间1周。也为第二学年春季学期工程材料及热成型工艺课程教学做准备。
2.第二学年夏季学期进行2周的基本制造技术训练和先进制造技术训练。
3.第三学年秋季学期开设机械制造技术基础A、机械设计课程；随后进行机械设计课程设计，由课程任课教师与专业教师联合指导，完成正确的CAD图纸。在此过程中，数控技术任课教师介入，选择适合线切割、数控车、数控铣和加工中心加工的零部件重点指导。
4.第四学年秋季学期开设数控技术，在课程教学过程中完成零部件的编程，并通过数控仿真系统的虚拟制造考核（到训练中心），要求理论教师先期熟悉训练中心的虚拟制造系统；在现代制造技术实习环节（2周）时到训练中心完成零件的加工，时间1周。以上分段完成了4周的训练。现代制造技术实习的另一周时间要到大型先进制造企业进行参观实习。
该实例的流程及与学生能力培养的关系如图1所示。
对2015级学生，可全面实施图1所示的计划，学生将得到系统的工程实践经历。这使学生从2013年试点时只能完成3个零件的加工，发展到现在能完成机械部件乃至系统的设计制造，并得到综合运用理论和技术手段实施工程的能力训练，上升到一个新的高度――认识专业责任和专业伦理。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 袁广林.高等工程教育的理性回归――基于工程本质属性的思考[J].辽宁教育研究，2008（9）：18-21.
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