2022机电创新与产教融合新思考论文集

2022机电创新与产教融合新思考论文集

王生怀.主编

内容简介

本书是“机电创新与产教融合新思考”的第四部论文集，其中收录的论文是以湖北省为

主的高校和企业探索机电创新与产教融合的最新经验和结晶。

本书内容共七篇：学术研究、教学研究、人才培养、产品技术、校企合作、创新教育及

相关行业，重点围绕行业学术研究，收录创业人才培养、技术创新培养，学校体制创新、机

制创新以及新产品、新材料、新理念、新技术等相关文章。

本书应湖北省机电工程学会会员要求，将在每年一届的“中部机电行业产学研训合作峰

会暨中部机电院长联席会（湖北省机电院长联席会）”上统一发放，并作为年度会刊保存收藏，

也可供相关读者参考使用。

图书在版编目（CIP）数据

2022机电创新与产教融合新思考论文集/王生怀主

编.—北京:中国铁道出版社有限公司,2022.8

ISBN978-7-113-29407-6

Ⅰ.①2…Ⅱ.①王…Ⅲ.①机电工程-产学合作-

教学研究-高等学校-文集Ⅳ.①TH-4

中国版本图书馆CIP数据核字(2022)第114934号

书名：2022机电创新与产教融合新思考论文集

作者：王生怀

                                             

策划：钱 鹏编辑部电话：（010）83552550

责任编辑：钱 鹏

封面设计：刘 莎

责任校对：苗 丹

责任印制：樊启鹏

                                             

出版发行：中国铁道出版社有限公司（100054，北京市西城区右安门西街8号）

网址：/51eds/

印刷：北京富资园科技发展有限公司

版次：2022年8月第1版2022年8月第1次印刷

开本：787mm×1092mm1/16 印张：23.25 字数：596千

书号：ISBN978-7-113-29407-6

定价：88.00元

                                             

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书，如有印制质量问题，请与本社教材图书营销部联系调换。电话：（010）63550836

打击盗版举报电话：（010）63549461

编 委 会

（排名不分先后）

主  编：

王生怀 院长/常务理事（湖北汽车工业学院机械工程学院/湖北省机电工程学会）

荣誉委员：

熊有伦 院士/名誉会长（中国科学院/华中科技大学/湖北省机电工程学会）

周祖德 首席科学家/高级顾问（武汉理工大学/湖北省机电工程学会）

徐卫林 院士/校长（中国工程院/武汉纺织大学）

张文学 校长/教授（湖北汽车工业学院）

编  委：

赵大兴 会长/教授（湖北省机电工程学会/湖北工业大学）

巫世晶 主任/副会长（武汉大学发展规划与学科建设办公室/湖北省机电工程学会）

陈学东 长江学者/副会长（华中科技大学机械学院/湖北省机电工程学会）

王书亭 副院长/副主任（华中科技大学机械学院/湖北省机电学会智能制造工程专委会）

郭顺生 教授/副会长（武汉理工大学机电工程学院/湖北省机电工程学会）

丁华锋 院长/副会长（中国地质大学机电工程学院）/湖北省机电工程学会）

廖庆喜 院长/副会长（华中农业大学工学院/湖北省机电工程学会）

冯 定 教授/副会长（长江大学机械工程学院/湖北省机电工程学会）

方子帆 院长/副会长（三峡大学机械与动力学院/湖北省机电工程学会）

盛步云 院长/副会长（武汉东湖学院机电工程学院/湖北省机电工程学会）

耿保荃 校长/副会长（襄阳汽车职业技术学院/湖北省机电工程学会）

汪丽华 副校长/副会长（湖北工程职业学院/湖北省机电工程学会）

张 群 总经理/副会长（东风设计研究院有限公司/湖北省机电工程学会）

熊清平 副总裁/副会长（武汉华中数控股份有限公司/湖北省机电工程学会）

钱应平 副院长/秘书长（湖北工业大学/湖北省机电工程学会）

谭佐军 院长/主任（华中农业大学理学院/湖北省机电工程学会激光技术专委会）

吴 飞 副院长/主任（武汉理工大学机电学院/湖北省机电学会智能制造工程专委会）

陈敬平 副董事长/高级工程师（湖北华阳投资集团有限公司）

王裕超 副秘书长（湖北省机电工程学会）

编辑部：陈光林 郑樱 钱 鹏 金萍 曹江平 刘俊伸

平芜尽处是春山

——《2022机电创新与产教融合新思考论文集》序

“追风赶月莫停留，平芜尽处是春山。”面对世纪疫情及百年未有

之大变局，湖北省机电工程学会集各大专院校、机电企业众多专家、学

者之智，不断探寻、创新机电行业职业教育产教融合之路，取得丰硕成果。

打开这本《2022机电创新与产教融合新思考论文集》，一缕缕清香，一

颗颗硕果，一片片秋色，一份份感动扑面而来。其中每一篇文章，都不

乏求实、求真、求新的思想，凝聚着作者的认真与执着，折射出作者的

睿智与灵性。毋庸置疑，这些智慧的光芒，将引领机电行业教学实践不

断奔向更为广阔的星辰大海。

《2022机电创新与产教融合新思考论文集》是《机电创新与产教融

合新思考》论文集系列的第四卷，是集近年来机电行业学术研究、教学

研究、人才培养、产品技术、校企合作、实训教育及相关行业等多维度

成果之大成。“苔花如米小，也学牡丹开”。这部论文集的出版，将给

机电创新与产教融合提供新观念、新思路、新手段，并在互学互鉴中促

进更多的机电院校和企业创新人才培养观念、实训内容以及方法，提高

机电工程实践教学的质量，以适应不断增长的机电人才培养之需要。

机电行业是湖北省乃至我国工业领域内最大的行业之一，是我国国

民经济的支柱性行业。随着智能化、网络化、信息化的深入，机电行业

已步入日新月异的新时代。创新产教融合，加强专业实践教学是现代经

济社会发展对人才培养提出的客观要求，是新时代面向国际发展的需要。

正所谓：创新改变世界。

功以才成、业由才广。机电产业要实现高质量发展，教育必先行。

机电工程是一项理论和实践紧密结合的学科。为了更好地实现教学目标，

需要在教学中坚持创新，否则很难培养出具有创新性的实践型高端人才。

2021年12月1日，国务院常务会议审议通过《“十四五”职业技能培

训规划》，提出要坚持就业导向、适应市场需求，支持各类职业院校和

22022机电创新与产教融合新思考论文集

职业培训机构开展培训，发挥企业培训主体作用，健全职工技能培训机制。

湖北省人民政府去年底也下发《湖北省教育事业发展“十四五”规划》，

进一步明确：“稳步发展本科职业教育，深入实施‘职业教育赋能提质专

项行动计划’，建设一批高水平专业化产教融合实训基地”。这为机电创

新与产教融合发展提供了基本依据，同时，也对湖北省机电工程学会成员

单位各大专院校提出了更高要求。

权威资料显示，职业教育市场规模近年来持续不断上升，2021年突破

3 500亿元，2025年有望增长至6 500亿元左右。职业教育必将大有可为、

大有作为。当前，机电行业职业教育发展还面临着挑战和难题，这更需要

我们每一位机电行业职业教育的实践者应时而变，创见未来。正如徐悲鸿

所言：“道在日新，艺亦须日新。新者生机也；不新则死”。机电创新与

产教融合新思考、新举措，亦当向新而生，惟新而强。

湖北省是产业大省，也是教育强省。随着湖北省机电产业柔性制造系统、

先进制造技术以及有关边缘科学知识技术的普及与应用，如何在现代教育

环境下构建新型教学模式，以研究型本科教育为导向，走出一条高质量的

本科教育提升之路，是摆在每个高等教育工作者面前的一个难题。

通过这本《2022机电创新与产教融合新思考论文集》，我们欣喜地看到，

围绕研究型本科教育实践与创新，各大专院校在锚定如何培养具备宽厚的

基础知识和扎实的机械工程、电子、计算机、自动化技术及管理知识，塑

造大批知识面宽、适应能力和沟通能力强，在机械工程及自动化领域和相

关交叉领域内，从事科学研究、工程设计、机械制造、运行管理及经营等

方面工作的复合型高级工程技术人才方面，取得了丰硕成果，闯出了基于

本校实际，着眼科研、教育前瞻性、应用型的新路子。

“人才培养，特别是本科教育绝对不能只作为大学存在的形式，而应

该是一个核心。这是回归大学本位的要求，也是高层次人才培养的基础要

求”。一位教育界知名人士如此评价。

与此同时，加强应用型本科教育也是各大院校适应国家经济和社会发

展需要的题中之义。应用型本科在我国还属于一种新兴产物,但是,它也

属于大众化高等教育发展过程中的一个必然选择。应用型本科所培养出来

的技术应用性人才,应是以服务为宗旨,以就业为导向,在生产、建设、管

理、服务一线工作的高级应用性专门人才。因此，应用型本科院校的教学

平芜尽处是春山3

工作应重在“实践和应用”。如何构建一套科学合理的实训体系现在是、

未来也一定是各大院校的重要方向和目标。

“我们唯有踔厉奋发、笃行不怠，方能不负历史、不负时代、不负

人民。”习近平总书记的谆谆教诲言犹在耳。身处于机电行业发展的伟

大时代，机电行业树德育人的每一位“园丁”，自当催马扬鞭，竭力争先，

自当以更多最新成果，奉献给波澜壮阔的机电教育发展事业。

中国工程院院士

武汉纺织大学校长／教授

2022年7月于武汉

目 录

第一篇 学术研究

戴维斯分析管机械传动部分改进（万宇杰，毕 翔）.............................................................2

多轴机器人工件识别及抓取实验教学系统开发（吴 飞，栾天宇，金圣杰，杜 刚）....5

基于有限元法的汽车发动机连杆简化模型力学性能分析（阮 航）....................................11

基于GA-BP神经网络的滚动轴承故障诊断研究（黄 鹏）...................................................18

基于STM32的多喷头智能浇花机的设计与实现（杨正祥，徐桂敏）..................................25

基于单神经元PID控制的直流电动机调速系统仿真（吕 圣）............................................30

基于改进YOLO网络的道路车辆检测算法研究（刘瀚文，梁 宏，王红霞）...................37

基于黄金分割法的奇点问题分析（张 成，徐 亮，王红霞，龚青山）............................43

基于物联云平台的机场工具智能管理系统开发

 （熊宇荣，龚青山，何 伟，付众铖，陈 伟)..................................................................48

一种多足仿瓢虫机器人的设计与实现（曹占龙，王崇和，吴 兢，梁 恩，朱朋冲）...57

一种海上垃圾回收与溢油收集装置结构设计（张嘉豪，曹占龙，李世奇，范世一）.......63

一种新型球状拖钩强度的有限元分析法（梁 宏，赵仕煊）................................................70

第二篇 教学研究

“工程材料”课程思政的教学设计与实践

 （吴超华，史晓亮，彭 兆，黄 丰，张 丽）................................................................76

产教融合背景下职业院校思政课教师的情怀、角色定位和培育路径

 （王庆海，王晓侃，武德起，高 翔，申 俊）................................................................80

车工实训与教学安全研究（梁 菁）........................................................................................85

高校工程训练中心师资队伍建设探析——以荆楚理工学院为例（姜全新，唐燕华）.......89

湖南文理学院工业物联网实验室建设（黄文标，方 顺，曾文琳）....................................94

机械类材料力学课程教学模式的探讨（王 东）.................................................................100

机械类硕士研究生工程实践能力和素养培养方法研究

 （王红霞，王生怀，周学良，冯 霞）........................................................................103

机械类专业课程思政“三化”建设的探索与研究（朱文艺）.............................................107

22022机电创新与产教融合新思考论文集

机械设计三维数字化课程知识体系构建（陈 勇，李 娇）..................................................111

基于LabVIEW的开放式温度采集实验系统设计........................................................................117

 （孟春节，杨 红，赵 帅，张轩鸣，剡二稳）..................................................................117

基于工程教育认证的“电工电子技术”课程教学改革研究与实践

.（罗维平，胡 峰）...................................................................................................................122

基于认知负荷与知识建构的提高大类机械基础课教学效果的实践..........................................129

 （吴彦春，胡业发，吴华春，毛 娅，李益兵，郑银环，燕松山）..................................129

留学生机械原理教学实践与探讨（秦襄培）..............................................................................133

新工科背景下应用型本科机械振动课程建设研究

 （孙章栋，任爱华，王红霞，龚青山）..................................................................................137

以产出为导向的图学课程教学设计与实施（王永泉）..............................................................141

疫情防控背景下高校实训课程线上教学的探索与研究（李琴琴）..........................................147

第三篇 人才培养

机器人工程专业实践体系建设的探索

.（张成俊，姜明华，张 弛，彭 涛，梁 晶）..................................................................152

基于目标导向的数控技术课程教学内容与考核办法改革

 （陈 伟，江 维，李巧敏，王 军，李红军）..................................................................155

新工科背景下“三位一体”阶段递进式“三创”实践体系构建

 （杜利珍，刘 韦，张 弛）...................................................................................................160

制造业人才校企协同培养的探讨（王恩泽）..............................................................................165

第四篇 产品技术

车板追踪技术的开发应用（叶少军，张海波)............................................................................168

多功能智能书架设计Multi-functional.smart.bookshelf

 （周 财，邹春龙，赵文博，陆梦博）..................................................................................173

基于ANSYS的某穿刺针针尖力学分析及结构优化

 (邹春龙，权江坤，许婧璇，王 鹏)......................................................................................177

基于CFD研究不同固体颗粒对渣浆泵磨损的影响（刘 洋）.................................................182

基于机器视觉的智能激光标刻与追溯系统研究（陈淑花，袁 博）......................................189

减速机中齿轮加工工艺分析及其应用研究（王 欣）..............................................................195

六挡变速箱双环线形式智能化装配检测系统（鲁海涛，申桂英，吴遵平）.........................201

目 录3

整体式行星架工艺开发及应用（陈前胜）..................................................................................207

直角坐标码垛机器人设计（林威威，钱璟明，肖 勇） ......................................................212

重型卡车车身涂装混流输送线开发与应用（孟小勇，刘进明）..............................................218

汽车工厂车身立体库系统仿真分析方法研究与应用

 （董 淼，闫勇斌，方真强，武昱辰，严晓琳，吴 娟）..................................................223

汽车工厂三维协同设计方法研究与应用......................................................................................229

 （方真强，闫勇斌，董 淼，严晓琳,吴 娟，武昱辰）...................................................229

汽车工厂厂房三维参数化设计系统

 （闫勇斌，董 淼，方真强，吴 娟，武昱辰，严晓琳）..................................................235

第五篇 校企合作

四位一体促进校企同步发展——以湖北工程职业学院和上达电子（黄石）股份有限

.公司的校企合作为例（徐 淼）...............................................................................................242

校企共生模式下职工培训培养创新模式的探索与实践

 （王庆海，王晓侃，武 燕，张亚梅）..................................................................................247

校企合作下的工科类专业实习方式研究与实践（李 峰）......................................................251

校企融合的研究生专业能力建设探索（张 伟，陈俊妍，王红霞）......................................256

第六篇 创新教育

“一芯两带三区”发展战略对接湖北职业教育专业研究（袁 博，陈淑花）.....................262

“1+X”制度支撑下应用技术型高校数控类课程教学创新改革研究

 （徐 静，陈 艳）...................................................................................................................266

课程思政下学生创新实践教育模式的探索与实践

 （肖 锦，王 娟，方 林，周 曦）..................................................................................270

岗课赛证融通的“集成电路应用技术”课程教学改革探索与实践（董小琼）.....................273

高职院校科技成果转化政策分析（肖 滢，万民标，刘 玲）..............................................278

机械专业毕业设计教学改革之探讨（陈君宝，陈子春，杨振华）..........................................282

基于多课程融合的机械专业方向课程设计体系构建（何秀权，雷 声）..............................288

面向创新性应用型人才培养的贯穿式毕业设计的研究——主动式实践教学“大学设计”

.的提出（冯国英，刘 源，袁 梅，林 冲，李育房）......................................................293

年轻人“三过其门而不入”现象的探讨（李从权，唐四红，裴承前）..................................298

浅谈柔性制造实训（李新杰）.......................................................................................................302

42022机电创新与产教融合新思考论文集

探索新工科背景下加工中心创新实践选修课程建设

 （张 良，陈 宏，李文惠，岳 辉）..................................................................................305

提升高职学生上课效率的对策（王 琪，程 雄，熊燕帆）..................................................310

线上线下混合式教学设计——以“增材制造技术实训”课程为例（阴 杰）.....................315

新工科背景下大学生创新意识培养研究

 （姜国强，王生怀，张 伟，陈俊妍，邓小雯）..................................................................319

新工科背景下控制类相关专业核心课程教学模式改革与创新

 （江 维，罗维平，薛 勇，严 新）..................................................................................325

疫情防控常态化背景下美育与高校学生工作的融合探究

 （周 曦，王 娟，方 林，肖 锦）..................................................................................329

第七篇 相关行业

建设产业工人队伍.推动华阳稳步发展——华阳推动产业工人队伍建设的具体做法

 （党政军，陈敬平）...................................................................................................................334

连铸生产调度方法及应用（郑火胜，陈淑花，韩大勇）..........................................................338

浅论我国企业文化对创新能力的影响及相关措施

 （钱璟明，李 欢，金 萍，徐 军）..................................................................................344

用多元线性回归模型预测机械产品销售情况（袁子厚，王 东，王震国）.........................349

忠诚、敬业、感恩与否决定了人生价值的高度和归属——学习《华阳共同纲领》忠诚和

.感恩华阳平台（党政军，陈敬平）..........................................................................................353

第一篇 学术研究1

第一篇

学术研究

戴维斯分析管机械传动部分改进

多轴机器人工件识别及抓取实验教学系统开发

基于有限元法的汽车发动机连杆简化模型力学性能

分析

基于GA-BP神经网络的滚动轴承故障诊断研究

基于STM32的多喷头智能浇花机的设计与实现

基于单神经元PID控制的直流电动机调速系统仿真

基于改进YOLO网络的道路车辆检测算法研究

基于黄金分割法的奇点问题分析

基于物联云平台的机场工具智能管理系统开发

一种多足仿瓢虫机器人的设计与实现

一种海上垃圾回收与溢油收集装置结构设计

一种新型球状拖钩强度的有限元分析法

22022机电创新与产教融合新思考论文集

戴维斯分析管机械传动部分改进

万宇杰，毕 翔

（江汉大学，湖北省 武汉市430056）

［摘 要］通过对传统磁选管使用情况的分析，发现其机械传动部分失效普遍严重，

直接影响仪器正常使用，论文具体分析失效情况和存在的问题，通过改进机械传动结构，较

好地解决问题。

［关键词］磁选管；蜗轮蜗杆；机械结构

0概述

戴维斯分析管是用来测定强磁性矿石的磁性成分含量的仪器，为矿石的分选提供参考

数据，它适用于煤炭、矿山、冶金、地质等实验室。戴维斯分析管其实就是磁选管，其中

CXG型磁选管是由国外引入的技术装备，无论设备结构、机械传动、电气控制都不能满

足现代工业发展的需要。其设备的安装、调试、操作都很繁杂，其工作原理是在C形电磁

铁的两极之间，装有玻璃管，做往复移动和旋摆，被分选的物料试样，在通过磁场区时，

磁性物附着于管壁，非磁性物在机械运动中被水冲刷而排出。仪器对磁性物含量的检测方

法是按照《选煤用磁铁矿粉试验方法》GB/T.18711—2002第7章对试验设备的要求来设

计的[1]。

戴维斯分析管主要结构由主机和控制器组成。改造前其系统如图1所示，支座2安装

在底座1上，用来支撑C形铁芯3和激磁绕组10，在铁芯上磁极端装有连接环箍11，用

来连接传动支架13。松开环箍上两边789

螺母，可调节玻璃管安装角度，一般为10

6

30°，调整完后，拧紧连接环箍11上两

边螺母，以传动机架不能转动为止。玻511

璃管12是被嵌在铜套8中，通过支架架

412

在两磁极之间。用手先拿住玻璃管，松

开调节螺栓7，可以调节玻璃管位置，3

13

调好后拧紧调节螺栓7。电动机14通过2

蜗轮5、蜗杆4、曲柄连杆6使玻璃管做

114

旋摆运动。玻璃管与水平线角度调节范

围0°～40°，玻璃管行程为40.mm，旋

图1 戴维斯分析管系统组成图

摆45°。1—底座；2—支座；3—铁芯；4—蜗杆；5—蜗轮；6—曲柄；

通过大量的市场调查、客户回访和7—调节螺栓；8—铜套；9—铜箍；10—激磁绕组；11—连接环箍；

售后服务情况分析，客户普遍认为：在12—玻璃管；13—传动支架；14—电动机

第一篇 学术研究3

产品使用过程中，曲柄连杆轴承、蜗轮蜗杆、导向架和箍圈、扭转铜套磨损严重导致产品维

修费用大[2]。针对这些问题提出了对产品的传动方式进行改进，废除蜗轮蜗杆传动机构，把

曲柄盘直接安装在电动机轴上，通过连杆带动铜套滑动。

1实施方案

为了保证玻璃管行程40.mm，旋摆45°，继承通过直线运动实现旋转摆动优点，即直

线运动时也同时摆动，摆动频率γ=70次/min。结合现代技术，对传统式磁选管的机械、

电气控制进行了全面改造与革新，与传统的磁选管比较，取消了设备的现场安装调试，外观

也更轻便简约。

2改造前的机构运动原理

传统磁选管的机械传动部分是由三12

相交流异步电动机、蜗轮蜗杆减速机以及

133

旋转套组成（见图2）。蜗轮蜗杆减速机

124

转速比为35∶1，为了保证摆动频率γ=

11

70次/min，蜗轮输出转速70.r/min，这时

要求蜗杆输入转速高达2.450.r/min，蜗轮

蜗杆减速机为敞开干式减速机，蜗轮蜗杆在

实际使用中经常处于缺油状态，因此噪声较105

大，磨损厉害，特别是蜗轮蜗杆的寿命很短；

6

同时异步电动机安装在磁选管两磁极间两98

根支架上，输出转速为2.450.r/min，由于7

高速运转对蜗轮蜗杆两端支撑轴的要求较图2 改造前的机构传动简图

高，必须装有轴承，所以要求加工精度高，1—支架；2—铜箍；3—螺栓；4—轴承；5—铜套；

6，12—铰链；7—电动机；8—联轴器；9—蜗轮；

实际情况是蜗轮与电动机之间的距离较长，10—蜗杆；11—曲柄；13—连杆

蜗杆又不能直径太粗，一般为10~12.mm，

对蜗杆的加工精度要求也很高，否则机械传动的噪声更大，又由于是通过直线运动产生附加

的旋转运动，蜗轮的受力很不均匀，特别是在铜套旋转运动极限位置时，此时曲柄也在极限

位置，铜套处于近端和远端，此时力臂最小，曲柄受力最大，进而蜗轮受力最大，极容易导

致蜗杆两端同轴度改变，而使传动杆的振动增强。当然蜗杆的制造加工同轴度对系统振动也

有很大影响，可见必须对传统磁选管的机械传动系统进行改造，传统磁选管的机械传动系统

见图2。

3改造后的机构运动原理

结合现代电动机的发展技术，为原磁选管的机械传动系统进行改进提供可能，将原有

蜗轮蜗杆传动系统全部去掉，将原有的动力电动机改为减速低转速电动机，电动机输出转

速为70.r/min，改进后的传动系统见图3。直接将曲柄盘安装在电动机轴上，由曲柄7通

42022机电创新与产教融合新思考论文集

过铰链9带动连杆10，连杆10推动铜箍12

在支架上做直线运动，铜箍通过滚动直3

线导轨与支架之间将滑动摩擦转变为滚动4

摩擦，大大改善了铜箍与支架之间的摩

擦性能，此时铜箍带动铜套及玻璃管做

直线运动，另一方面在铜套的外表面上有

一空间曲线形的矩形槽（见图4），在矩

5

形槽内有一通过螺栓固定在支架上的滚动

轴承，在直线运动的同时带动铜套旋转运6

动，从而保证直线运动和旋转运动同时进7

1098

行，在铜箍和铜套加装陶瓷轴承，最后

使得玻璃管获得直线运动和旋转运动，从

而保证玻璃管直线行程40.mm，旋摆角图3 改造后的机构传动简图

度45°，满足试验要求。改进后使传动系1—支架；2—铜箍；3—螺栓；4—轴承；5—铜套；

统的空间缩小，并将电动机直接装入试验6—铰链；7—曲柄；8—电动机；9—铰链；10—连杆

车上，可远离励磁线圈的磁极，减小了对

磁场强度的影响，而且更加可靠。传动系统采用了

低速电动机及连杆结构后，减小了机械磨损，降低

了机械噪声，延长机械零部件的使用寿命；在加工

制造方面：采用连杆传动机构，需加工的零件大量

减少，加工难度降低，机械加工成本随之降低。

4结束语

图4 铜套三维实体模型图

磁选管传动系统采用了低速电动机及连杆结

构，加装滚动直线导轨完成直线往复运动，铜套内槽使用滚动轴承配副实现旋转运动，减小

了机械系统各部分磨损，降低了机械噪声，延长机械使用寿命，改善操作人员的工作环境，

同时，需加工的工件大量减少，加工难度降低，机械加工成本随之降低，提高了产品的附加值，

为企业带来丰厚的利润。改进磁选管更的加符合人性化要求，适合操作人员操作，经过这些

改进后，有利于磁选管的全面技术全面提升。

参考文献

[1].卢志明..CXG-90SD电子式磁选管的研究[J].煤质技术,.2002(09):.23-24.

[2].季国成..蜗轮、蜗杆减速机的改进设计[J].微特电机,.2008(06):.26-27.

第一篇 学术研究5

多轴机器人工件识别

及抓取实验教学系统开发

吴 飞，栾天宇，金圣杰，杜 刚

（武汉理工大学，湖北省 武汉市430070）

［摘 要］ 本文结合基于区域掩膜卷积神经网络（Mask R-CNN）和点云关键点提取

算法，在Matlab环境下，开发多轴机器人工件识别及抓取实验教学系统，并搭建了相应实

验平台来实现散乱工件的识别与抓取。本实验教学系统将工件识别与抓取问题分解为参数标

定、实例分割、位姿测量和执行抓取四个层次递进的实验部分，帮助学生建立系统的理论知

识和实践应用框架，巩固机器人学和人工智能相关课程学习成果，提高教学质量和学习效率。

［关键词］位姿测量；实例分割；机器人抓取；实验教学

在智能机器人相关课程的实验教学中，相关实验具有理论知识多、系统综合性不强以

及算法编程难度大等特点，且缺乏流程完整、灵活性高、易于学生理解接受的工业级实验项

目。随着深度学习相关知识逐渐应用于机器人领域，学生不仅需要耗费大量时间以及资源创

建数据和训练神经网络模型[1]，而且缺乏具体的实验平台让学生验证不同算法的实现效果。

得益于人工智能技术和机器人技术的快速发展，越来越多的高校开始探索在模拟的工业环境

下搭建机器人实验平台，结合神经网络解决实际生产问题。王帅[2]等人搭建了Matlab机器

人实验教学平台应用于机器人教学中，培养学生理论联系实际的能力。刘送永[3]等人为加

强学生对管道机器人视觉系统的设计思路和方法的认识，设计了一套基于管道巡检机器人的

视觉系统实验教学平台。因此针对工业实际需求，模拟工业的复杂场景，并搭建机器人视觉

实验平台能够提高学生理论联系实践的能力，提高教学效率。

对于多轴机器人工件识别及抓取实验教学系统，首先在Python环境下，利用基于掩膜

区域卷积神经网络（Mask.R-CNN）完成堆叠遮挡场景中目标工件的掩膜分割[4,5]。其次，通

过深度相机可以同时采RGB图像和深度图的特点[6]，利用获取到的掩膜分割深度图，重建

目标工件表面点云，实现待抓取工件的识别分割。然后，通过点云关键点提取以及点云配准

的方式快速准确地获取目标工件在相机坐标系下的位姿[7]。最后，根据手眼标定实验以及末

端夹具与待抓取工件之间的位姿关系，求解目标工件在机器人基坐标系下的位姿坐标，在

Matlab.Simulink中生成相应的机器人路径规划策略，驱动机器人执行抓取动作[8,9]。

通过集成以上功能设计人机交互界面，让学生能够通过界面提示和效果预览直观地感

受到算法原理和实现过程。除此之外，利用集成封装后的实验系统，学生能够在完成原有算

法实验的基础上针对其他工件对象完成创新设计。在实验验证阶段，通过模拟工业现场环境

实现对不同目标工件的识别和抓取，既能解决企业实际生产问题，又能提供满足机械类多门

学科实验需求的实验平台，可系统锻炼学生处理实际工程问题的能力[10]。

62022机电创新与产教融合新思考论文集

1基于实例分割的散乱工件抓取实验原理

实验系统硬件平台构成如图1所示，主要由上位机、六自由度机器人、运动控制器

（TMS320F28335DSP芯片）、深度相机（RealSensed435i）等组成。深度相机位于实验台中

心即散乱工件的上部，待抓取工件是堆叠摆放，在空间中存在不同位姿。上位机接收深度

相机中RGB图像和深度图像，利用Mask.R-CNN提取出每个工件在二维图上的像素点分布

掩膜区域，并重建目标工件的三维点云与工件模板点云进行位姿配准，以实现对工件的分

割和位姿测量。通过Matlab对机械臂的控制算法进行仿真，对仿真好的控制算法，将输入、

输出接口替换为Simulink的输入、输出模块，编译整个控制模块可自动生成DSP代码，在

控制器上运行便可生成控制算法相应的控制信号，从而实现对机器人的控制。

图1 系统硬件平台构成图

2实验教学系统功能说明

根据实验功能原理和实验环节需求，利用Python与Matlab联合编程，开发多轴机器人

工件识别及抓取实验教学系统，该系统功能可分为四大模块：参数标定、实例分割、位姿测量、

执行抓取，图2所示为软件架构图。

多轴机器人工件识别及抓取实验系统

参数标定实例分割位姿测量执行抓取

点云预处理关键点提取

相机标定手眼标定图像采集实例分割三维重建点云配准位置控制I/O

控制

图2 软件架构图

（1）参数标定模块。

参数标定模块主要用于求解系统标定参数，软件界面如图3所示，标定参数是最终获

取末端工具坐标系在机器人基坐标下位姿坐标的基础。学生可自主完成相机标定和手眼标定

实验，从而增加对机器人抓取系统中各坐标系之间位姿关系的理解。

第一篇 学术研究7

图3 参 数标定软件界面

（2）实例分割模块。

实例分割模块可实现抓取场景中待抓取工件的分割，其软件界面如图4所示，该模块

主要功能为分割散乱工件。学生通过该模块可完成工件数据集的制作，且能够直观地观察到

神经网络模型的分割效果。

图4 实例 分割软件界面

（3）位姿测量模块。

位姿测量模块的主要功能为求解末端工具坐标系在机器人基坐标系的空间位姿坐标，

如图5所示，其各部分功能为：显示经过实例分割后获取到彩色图像的掩膜对深度图像二次

分割的效果、显示分割后的深度图像转换成点云的效果、设置工件表面点云重建参数以及模

板点云数据下采样参数。学生通过此模块可以设置不同的参数组合，动态地调整工件表面点

云和模板点云的采样效果，以此来对比位姿测量的精度和速度，是下一步的驱动机器人执行

抓取动作的基础。

（4）执行抓取模块。

执行抓取模块的功能是驱动机器人完成对目标工件的抓取，软件界面如图6所示，其

主要功能为：显示模板点云与目标工件表面点云配准结果；设置末端吸盘夹具实际吸取位置

82022机电创新与产教融合新思考论文集

与工件参考坐标系之间的偏移位置关系；监测末端吸盘的工作状态，避免出现错误的执行动

作；可通过关节步进和位置步进两种示教方式对机器人进行运动控制，在出现错误的位置测

量时，手动示教对机器人进行控制。

图5 位姿测 量软件界面

图6 机器人抓 取模块界面

3多轴机器人工件识别及抓取实验流程

该系统形成了系统标定、实例分割、位置测量以及机器人抓取实验验证等逐步递进的

实验过程。如图7所示，为散乱工件抓取系统的工作流程图，在正式上机完成机器人识别与

抓取前，需要完成以下准备工作：

（1）创建数据集。利用深度相机采集不同位置下散乱工件的RGB图像，在使用标注软

件进行标注后，通过数据增广，获得更多的数据样本，提高网络模型的泛化能力。另外采集

部分不可抓取工件位置的图像，作为负样本进行训练，提高模型的鲁棒性。

第一篇 学术研究9

训练卷积神经CAD模型均匀

制作数据集CAD模型

网络采样转点云

离线实现

深度相机采集RGB卷积神经网络构建工件表面点云下采样及

散乱工件

图像及深度图像实例分割点云关键点提取

机器人轨迹规划点云精位置测量点云粗位置测量

执行抓取

在线实现

图7 实验流程图

（2）训练实例分割网络模型，调整训练参数。利用迁移学习的训练方法提升模型训练

效率，确定最终训练参数，并进行性能验证。

（3）获取模板点云。通过对实际抓取工件的CAD模型进行均匀采样获得位置配准的模

板点云，并对点云数据进行下采样预处理，降低点云数量，提高后续配准效率。

当准备工作完成后，即可利用多轴机器人工件识别与抓取实验平台完成实验验证，如

图8所示，其具体内容为：

（1）特征提取与图像分割。将已训练

好的网络模型权重参数文件导入至实验教

学系统，查看工件轮廓掩膜的分割效果及目

标工件表面点云重建效果。

（2）位姿配准与机器人抓取。利用

CAD模板点云和重建的目标工件表面点云

进行位置配准，求解目标工件在相机坐标系

下的精确位置[7]。根据末端夹具抓取位置分

析和手眼标定实验获得的系统固定位置关

系，求解得到机器人基坐标系下末端夹具坐

标系的位置，驱动机器人执行抓取动作。图8 实验平台布局

4多轴机器人工件识别及抓取实验效果

（1）多轴机器人工件识别及抓取实验教学系统，基于区域掩膜卷积神经网络（Mask.

R-CNN）和点云关键点提取算法。在学生完成机器人相关课程学习的同时，开展机器人抓取

相关实验项目，帮助学生形成机器人、人工智能、大数据等多领域交叉融合的系统工程观，

在培养实践能力方面着重培养独立科学思维、创新设计能力和综合实践技能，本实验教学系

统对于掌握先进制造装备与技术的应用起着重要作用。

（2）本实验系统的主要任务是通过课程实验培养学生，通过分析、建模、规划机器人

路径解决实际工程问题的能力；对于卷积神经网络、点云关键点提取算法以及机器人技术整

合运用的能力；掌握实践应用理论知识的能力，具体为：

102022机电创新与产教融合新思考论文集

●.帮助学生巩固机器人运动学、动力学、路径规划等方面的基本原理和方法，为后续机

器人学习和研究奠定坚实基础；

●.引导学生将高等数学、线性代数、机械原理、理论力学、工程控制基础等课程基础知

识应用于机器人运动学和动力学建模的过程中；

●.培养学生对视觉图像处理中特征提取和位置测量的能力，锻炼学生在数据集创建、卷

积神经网络设计与训练过程中的深度学习实践能力。

5结语

多轴机器人工件识别及抓取实验教学系统为培养掌握智能机器人技术的人才创造了条

件，促使学生结合多学科的基础知识、机器人技术以及人工智能技术解决现实工程问题，是

兼具综合性和创新性的实验教学系统。在学生视角，通过系统模块化的界面将多轴机器人工

件识别和抓取任务分为参数标定、实例分割、位置测量和执行抓取四个部分，为学生实现机

器人路径规划和深度学习图像处理搭建一个系统应用框架，并结合模拟工厂情景搭建实验

台，让学习过程从原理设计、神经网络训练到实验验证形成一个完整闭环。本实验系统能够

巩固机器人学和人工智能相关课程学习成果，拓展学生对专业课程的兴趣爱好，锻炼学生动

手实践能力，培养学生解决复杂工程问题的思维模式，增强创新意识和探索能力。

参考文献

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[10]熊隽,陈运军,陈林.机器人自动化综合实验教学平台设计[J].实验室研究与探索,2020,39(5):182-186.

第一篇 学术研究11

基于有限元法的汽车发动机连杆简化

模型力学性能分析

阮 航

（湖北汽车工业学院,湖北省 十堰市442002）

[摘 要]针对汽车发动机连杆简化模型力学性能分析的方法展开研究，基于ANSYS 

Workbench软件的静态结构模块创建汽车发动机连杆有限元模型，对其进行静力学仿真分

析，并基于响应面模型对发动机连杆简化模型进行多目标优化，证明连杆有一定的优化空

间。分析结果表明，发动机连杆的最危险部位在连杆小头和杆身连接处，发动机连杆小头

的外径可作为最佳优化参数，并得出变形最大值为0.014 104 mm，等效弹性应变最大值为

0.000 43 mm，安全系数最小值为5.115 5，等效应力最大值为89.594 MPa。

[关键词]汽车发动机连杆；ANSYS Workbench；有限元法；仿真分析；力学性能

0引言

连杆是汽车发动机的核心部件之一，其作用是把气缸内活塞所承受的燃气压力传递给

曲轴，使得活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动，从而对外传递动力[1]。连杆小头与

活塞销之间相连接,在实际工作时，小头与销之间有相对运动趋势，并随着气缸内活塞做往

复运动，而连杆大头则与曲轴的曲柄销连接，并随着曲轴做回转运动[2,3]。连杆受到了活塞

销传递来的燃气压力、自身扭转、气缸内活塞组往复运动时的惯性力。这些矢量力的都是周

期性改变的。所以，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷[4]。这种由于复杂平面运动

导致的交变载荷极易造成连杆的疲劳损伤,需要考虑到连杆疲劳强度的可靠性，否则会直接

影响作业人员的生命安全[5]。

目前,对于这些工程实践存在的问题很难单独使用经典的弹性力学方法来解决，以往通

常使用解微分方程的方式来得到解析解[6,7]。而采用有限元的方法则有效地解决了在求解微

分方程过程中各种复杂计算的问题,故以现代计算机为使用工具，采用有限元的方法来分析

汽车发动机连杆在实际工况下的力学性能，这种研究方法可以有效推动汽车发动机行业的蓬

勃发展[8]。

基于此,本文建立了汽车发动机连杆的简化模型,利用有限元法的方法结合ANSYS.

Workbench软件来分析汽车发动机连杆在实际工况下的力学性能,对连杆三维简化模型以及

连杆与相配合的衬套之间的接触方式进