机械精度设计与检测技术课程项目式教学实践
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作者:钟永腾 胡权耀
摘 要 “机械精度设计与检测技术”作为工业工程专业的核心课程之一，主要培养学生对机械精度要求和检测的理解能力，但工业工程专业学生缺少机械精度设计的实践机会。针对这一问题，探索运用“项目导向，问题驱动”教学法，以科研项目中的实际问题引出知识点，转化为工程应用问题，巩固理论知识的同时，提高学生的工程应用能力。
关键词 工业工程专业;机械精度设计与检测技术;项目式教
学;压电传感器;阵列;阵元
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）23-0081-04
1 引言
工业工程专业培养具备扎实的工程技术和计算机技术基础，又掌握现代管理科学与系统工程的理论和方法，能熟练应用工业工程知识对生产系统和服务系统进行规划、设计、评价和创新的应用型高级专门人才[1]。“机械精度设计与检测技术”作为工业工程专业的核心课程之一，与工业工程专业中质量控制密切相关，主要培养学生对机械精度要求和检测的理解能力，为后续的专业课奠定基础[2]。
然而，通过近几年在工业工程专业的授课经历和课程效果来看，学生很少能够在课程设计或毕业设计等实践环节使用或能够灵活运用机械精度相关的知识。为了更好地适应应用型本科教育的发展需要，工业工程教研室在“机械精度设计与检测技术”课程改革过程中探索运用“项目导向，问题驱动”教学法，将授课教师相关的国家级、省级自然科学基金项目等课题引入日常教学中，以科研项目中的实际问题引出知识点，转化为工程应用问题，最终实现“以学生为主体、以教师为主导”的引导式教学[3-5]。通过项目式教学促进教师和学生的交流互动，提升学生主动学习的积极性，增强对学生工程应用能力的训练，符合企业对应用型机械工程技术人才的基本要求。
2 项目式教学设计
机械零部件几何精度设计的任务，就是根据机械系统的功能和使用要求，确定零件的几何参数，合理地给出尺寸、形状位置和表面粗糙度的公差值，用于控制加工误差，从而保证产品的各项性能要求。
课程实践以国家自然科学基金项目中关于压电传感器阵列的优化布置问题为导向。如图1所示，图中为航空复合材料油箱结构的损伤监测系统，在结构中布置了一条间距相等的均匀线型压电传感器阵列，即在与短边中间平行的一条直线上布置七个压电传感器阵列，且每个相邻的传感器之间的间距相同。根据项目的需求，可以归纳如下几个机械精度相关的问题：
1）如何选用形状或位置特征项目描述压电传感器阵列精度？
2）如何检测已贴好的传感器阵列的误差？
3）结合机械精度的知识与工业工程的专业知识，制作出压电传感器阵列的布置流程，确保较好的检测精度。
通过科研任务的项目式分解和问题式导向，将工作任务和书本上的知识点联系起来，用书本上的知识点解决现有的科研问题，让学生在项目探究的过程中掌握机械精度设计课程中众多的基本概念与标准等重要理论知识，强化课程内容与工业工程专业的相关性，提高学生的工程能力和创新能力。
3 实践过程
项目中所研究的对象是压电传感器，型号为PSN-33，规格为直径8 mm、厚度0.48 mm。图2所示为均匀线型压电传感器阵列的设计图，阵元个数为七，按照从左到右的顺序编号为PZT1～PZT7，阵列间距为10 mm，阵列长度为60 mm。
然而压电传感器阵列在实际布置时存在一些问题：压电传感器的压电参数存在误差;正、负极区域直径差异大，不易焊接，废品率高;每个传感器粘贴所用的胶水量不同，且传感器位置误差较大，如图3所示。为了增强损伤监测系统的检测效果，结合机械精度设计和工业工程专业知识，研究压电传感器阵列误差及其布置方法。
压电传感器阵列布置与误差测量 为了研究参数误差，在采购的一批压电传感器中随机选取140个作为样本，让学生分组逐一测量其电容值，并将测量值列于表1中，电容值波动比较大。经分组讨论，得出可以将这一批压电传感器进行分组，尽量减小由于传感器参数不同引起的阵列误差。按照图2均匀线型压电传感器阵列的设计图，包含七个阵元，按照从左到右的顺序编号为PZT1～PZT7，阵列间距为10 mm，阵列长度为60 mm。引导学生按照如下步骤进行压电传感器阵列布置实践活动：
1）用万用表测量电容值，检测压电传感器的好坏;
2）压电传感器焊接;
3）用函数发生器对压电传感器二次检测;
4）划线、粘贴压电传感器。
图4为某一组学生的压电传感器布置实物图。引导学生观察自己作品的压电传感器布置质量情况，发现1～3号间距较密，4～6号间距较大，且4号压电传感器位置最靠下。
事实上，理想的压电传感器阵列中各压电传感器需尽量保持在一条直线上，间距相等，在同一平面上，即压电传感器的直线度、位置度、平面度误差应尽量小，才能保证与理论设计的阵列信号采集模型一致，提高损伤检测精度。通过讲解分析每一组的压电传感器布置实物，并联系机械精度设计课程中的理论知识，将压电传感器阵列的直线度误差、平面度误差以及最大的阵元位置误差设定为检测指标，描述压电传感器布置质量。
将所有布置好的压电传感器阵列进行误差测量统计，如表2所示，共20组压电传感器阵列误差数据。从表2可以看出，阵元的最大位置误差最明显，达到2 mm，为传感器间距的17.8%;阵列的最大直线度误差为0.94 mm;而平面度误差较小，基本上可以忽略不计。因此，后期布置质量改进时，需重点考虑阵列直线度和阵元位置度。
制定压电传感器阵列布置工艺流程 同一个项目相同要求的传感器阵列布置任务，可以采用不同的工艺过程完成，其中总有一种工艺过程是在某一具体条件下最合理的。通过本次项目式教学实践环节，每一组学生都进行了测量、焊接与粘贴等布置工艺过程，但阵列布置质量差别较大。因此，通过讨论并总结每一组学生的实践经验，学生共同完成较为规范的压电传感器阵列布置工艺流程设计，如表3所示。
4 结语
本次项目式教学实践以科研项目中关于压电传感器阵列的优化布置问题引出，布置压电传感器阵列与测量误差，制定阵列布置工艺流程等实践环节。通过教学，不仅让学生巩固了“机械精度设计与检测技术”这门课程中关于机械产品尺寸精度设计、几何精度设计等重要的理论知识，还通过实践深刻理解了机械精度要求，掌握了误差测量方法与表征方法。
参考文献
[1]薛伟，蒋祖华.工业工程概论[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]孟兆新，马惠萍.机械精度设计基础[M].3版.北京：科学出版社，2012.
[3]马小焕.以科研项目为导向的“经济林栽培”课程教学改革与实践[J].科教文汇，2019（24）：84-85.
[4]马建伟，司立坤，孙士勇，等.“机械精度设计与检测技术”教學改革与实践[J].实验室科学，2018（2）：122-124，127.
[5]崔岩，司立坤，牛斌.机械精度实验课程教学改革与实践[J].实验室科学，2018（2）：125-127.
项目来源：国家自然科学青年基金（51505339），温州大学教学改革研究一般项目（16jg52）。
作者：钟永腾，温州大学，副教授，研究方向为阵列信号与处理技术;胡权耀，温州大学（325035）。
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