先進(jìn)制造技術(shù)綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與實(shí)踐*＊

烏日開西·艾依提 伊里哈木·阿不都熱木 章翔峰

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

制造業(yè)在中國工業(yè)化的進(jìn)程中扮演了重要角色，未來10～20年，制造業(yè)的發(fā)展和提升仍將是中國國民經(jīng)濟(jì)的重要推動力。人才的培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵所在［1］。對于機(jī)械工程及自動化專業(yè)的大學(xué)生，在學(xué)習(xí)階段培養(yǎng)其綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，對其今后是否能成為合格的工程師起著重要作用。

在機(jī)械類專業(yè)的培養(yǎng)計劃中專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)多是為了驗(yàn)證、鞏固該課程中的一部分內(nèi)容，與其他課程缺乏聯(lián)系。為了加深學(xué)生對專業(yè)課程間相互關(guān)系的認(rèn)識，提高學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識的能力，很多院校都根據(jù)自身特點(diǎn)開發(fā)了綜合性的實(shí)驗(yàn)［2-4］，建立了綜合性實(shí)驗(yàn)平臺［5-7］，并取得了良好的效果。在新疆大學(xué)機(jī)械工程及自動化專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)占了所有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)30%左右，為了使學(xué)生了解主要的專業(yè)課程在制造過程中的作用及相互關(guān)系，根據(jù)新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的課程設(shè)置與實(shí)驗(yàn)室條件，開發(fā)了先進(jìn)制造技術(shù)綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識的能力。

1 綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)背景

《機(jī)械設(shè)計》、《計算機(jī)輔助設(shè)計》、《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》、《數(shù)控技術(shù)》、《計算機(jī)輔助制造技術(shù)》、《互換性與公差測量》等專業(yè)課程與制造過程密切相關(guān)。這些課程都開設(shè)有實(shí)驗(yàn)、上機(jī)等環(huán)節(jié)，但與其他課程間的聯(lián)系很少。近些年隨著211 建設(shè)、西部高校綜合能力提升計劃等項(xiàng)目的開展，學(xué)院購置了一批如三坐標(biāo)測量儀、六自由度工業(yè)機(jī)器人等先進(jìn)設(shè)備。這些設(shè)備多被用于科研，在本科生培養(yǎng)過程中沒有充分發(fā)揮作用。為了使學(xué)生深入了解各課程間的相互關(guān)系及在制造過程中的作用，了解先進(jìn)設(shè)備的特點(diǎn)，針對我院相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的軟硬件設(shè)備，開發(fā)了多個涉及先進(jìn)制造技術(shù)的綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，本文中的實(shí)驗(yàn)是其中一個集計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)、計算機(jī)輔助制造技術(shù)、先進(jìn)檢測技術(shù)為一體的綜合實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)的開發(fā)思路

制造是指包括制造企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、材料選擇、規(guī)劃、制造的生產(chǎn)、質(zhì)量保證、管理和營銷的一系列有內(nèi)在聯(lián)系的活動和運(yùn)作/作業(yè)［8］。制造過程的各部分之間是相互關(guān)聯(lián)、相互作用的，培養(yǎng)計劃和專業(yè)課程也是根據(jù)制造過程的特點(diǎn)制定和開設(shè)。根據(jù)課程設(shè)置和設(shè)備情況，確定如下實(shí)驗(yàn)思路:

學(xué)生利用UG 設(shè)計零件，通過工藝分析后進(jìn)行數(shù)控過程仿真，再輸出數(shù)控加工代碼，利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，繼而用三坐標(biāo)測量儀對加工的零件進(jìn)行精度檢驗(yàn)。通過這一過程將學(xué)過的理論知識綜合應(yīng)用于制造過程，加深學(xué)生對制造過程的系統(tǒng)認(rèn)識，了解先進(jìn)設(shè)備的性能及特點(diǎn)。圖1所示為實(shí)驗(yàn)流程與所涉及課程間的關(guān)系。

整個實(shí)驗(yàn)過程細(xì)分為:三維建模、加工工藝制定、加工路徑仿真、數(shù)控加工、精度檢測與分析5 個部分，涉及了機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造、數(shù)控技術(shù)、互換性與技術(shù)測量等6 門機(jī)械工程及自動化專業(yè)的核心課程。

3 實(shí)驗(yàn)過程

綜合實(shí)驗(yàn)各個部分所用的設(shè)備如表1 所示。

表1 綜合實(shí)驗(yàn)中使用設(shè)備

3.1 三維建模

首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)中心的設(shè)備情況設(shè)定了三維模型的尺寸范圍，使之與數(shù)控加工中使用的鋁合金毛坯的尺寸相同(200 mm ×150 mm ×30 mm)。要求在設(shè)計時要從制造過程的角度，充分考慮零件結(jié)構(gòu)工藝性、刀具、工件安裝與夾具、工藝規(guī)程等方面的具體要求。學(xué)生必須考慮毛坯尺寸、夾持高度、毛坯下料誤差等因素來設(shè)計零件，要避免刀具與夾具干涉，要根據(jù)所選刀具的直徑設(shè)計零件的圓角半徑、槽寬等尺寸。

此部分的關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)生面向加工過程的設(shè)計能力，更加貼近實(shí)際制造過程，對學(xué)生的鍛煉價值更大。設(shè)計的零件由各個分組的學(xué)生自己確定，但要求有一定的難度，模型需通過指導(dǎo)教師檢查后方能進(jìn)入下一步，以避免太簡單、無太大鍛煉價值的模型。

3.2 加工工藝制定

此部主要包括設(shè)定刀具參數(shù)、切削參數(shù)、加工路徑等內(nèi)容。學(xué)生需根據(jù)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》、《計算機(jī)輔助制造》等課程中學(xué)過的知識，根據(jù)零件的特征選擇設(shè)定刀具的半徑，進(jìn)而確定掃描間距、切削用量、切削掃描方式等參數(shù)。在確定掃描方式時，學(xué)生要考慮對刀點(diǎn)位置、加工效率、切削方式等因素。在確定完所有參數(shù)后輸出數(shù)控加工工藝文件。

3.3 加工路徑仿真

此部分是利用生成的工藝參數(shù)對加工過程中刀具的加工路徑進(jìn)行模擬，目的是判斷切削加工過程中刀具的對刀點(diǎn)、換刀點(diǎn)等的位置是否合理，刀具運(yùn)行軌跡是否正確，是否會發(fā)生刀具與零件、夾具發(fā)生干涉碰撞等。通過仿真過程，學(xué)生可以在進(jìn)行數(shù)控加工之前發(fā)現(xiàn)一些諸如干涉、空走路徑過長等問題，并加以修正后輸出數(shù)控加工代碼。

以上3 部分內(nèi)容是在三維CAD 軟件UG 中完成的，利用了UG 的三維建模與數(shù)控加工模塊。以前在《計算機(jī)輔助制造》課程的上機(jī)教學(xué)過程中完成這一步就結(jié)束了，由于沒有實(shí)際加工過程，所以學(xué)生在設(shè)置刀具、切削用量等參數(shù)時的隨意性很大，在簡單的設(shè)置一些基本的參數(shù)后就開始仿真，看完仿真動畫后就結(jié)束了，所設(shè)置參數(shù)的正確與否無法檢驗(yàn)。

加工工藝的合理與否與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，而學(xué)生在制定工藝方面幾乎無任何經(jīng)驗(yàn)，只能根據(jù)對課本知識的理解來制定工藝。在這個部分存在一些工藝不合理的問題會在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中逐步顯現(xiàn)出來，比較典型的問題有在數(shù)控加工環(huán)節(jié)中出現(xiàn)斷刀、表面加工質(zhì)量差、加工效率低等問題。在這個階段，指導(dǎo)教師需要在第二、第三兩個部分根據(jù)加工過程對學(xué)生提具體的要求，引導(dǎo)學(xué)生合理設(shè)置工藝參數(shù)，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)具體零件進(jìn)行工藝制定的能力。在后續(xù)數(shù)控加工部分，指導(dǎo)教師還要根據(jù)出現(xiàn)的具體問題進(jìn)行回溯講解分析。

3.4 數(shù)控加工

此部分的目的是學(xué)生通過實(shí)際加工來對建模與工藝編制過程進(jìn)行驗(yàn)證。由于不同的數(shù)控系統(tǒng)在程序格式、代碼意義等方面有一些差別，因此在加工前要根據(jù)數(shù)控銑床的數(shù)控系統(tǒng)對UG 生成的數(shù)控程序的代碼進(jìn)行微調(diào)。

前面各部分中潛在的問題會在加工過程中集中暴露出來，比較常見的問題有因主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的加工表面質(zhì)量差，刀具快速磨損甚至斷刀;路徑規(guī)劃中空走行程過長導(dǎo)致的加工效率低等等。指導(dǎo)教師根據(jù)加工過程中出現(xiàn)的問題在現(xiàn)場進(jìn)行針對性的分析、講解，強(qiáng)化關(guān)鍵知識點(diǎn)，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識與實(shí)踐進(jìn)行更好的結(jié)合。

3.5 精度檢測與分析

此部分利用三坐標(biāo)測量機(jī)對學(xué)生加工的零件進(jìn)行尺寸、形狀、位置精度的檢測，使學(xué)生進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在前幾個部分中存在的問題，加深對加工工藝的制定與保證形位公差間關(guān)系的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行，測量時根據(jù)各組學(xué)生制作的零件特點(diǎn)，對零件關(guān)鍵面的尺寸精度，形狀、位置精度進(jìn)行測量，并將測量數(shù)據(jù)輸出為報表。

此部分的另一個主要功能是培養(yǎng)學(xué)生通過檢測數(shù)據(jù)，分析在設(shè)計、加工過程中出現(xiàn)的一些影響加工質(zhì)量的原因的能力。指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生對報表中的超差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再將實(shí)驗(yàn)過程與課本中的理論知識結(jié)合起來，找出造成誤差的原因，討論解決的方法，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程實(shí)踐中問題的思維和能力。

例如有個常見的問題，很多學(xué)生不考慮安裝誤差，以為只要將毛坯在銑床工作臺的平口鉗中夾緊就可以保證毛坯的上表面與銑床工作臺面平行了，所以在制定工藝時設(shè)定為直接開始輪廓加工，對毛坯的上表面并不加工。有些細(xì)心的學(xué)生在數(shù)控加工過程中會發(fā)現(xiàn)在切削過程中的加工余量不均勻，但又不知道原因是什么。針對這個問題，在測量時實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師專門測量了鋁毛坯上表面未加工表面和與其平行的已加工表面的平面度和平行度。在測量報告中可以看到二者的平面度一般在0.04 mm 以下，但二者的平行度卻普遍在0.5 mm 以上，有些甚至達(dá)到1 mm。學(xué)生剛開始看到這個數(shù)據(jù)時百思不得其解，指導(dǎo)教師從設(shè)計階段開始一步一步的引導(dǎo)，讓學(xué)生分析可能導(dǎo)致平行度誤差大的原因，使學(xué)生認(rèn)識這個誤差是在安裝時產(chǎn)生的，由于毛坯在下料時造成的誤差，加之在平口鉗中夾緊的過程中沒有放平，使鋁毛坯的上表面與工作臺面不平行，所以導(dǎo)致了這個平行度誤差。繼而在啟發(fā)學(xué)生如何消除這個誤差，讓學(xué)生知道在編制工藝時程序中先將上表面銑削一層，即可消除這個誤差。

4 實(shí)驗(yàn)的效果

通過該綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識了制造過程中相關(guān)技術(shù)間的聯(lián)系，加深了學(xué)生對制造過程中的CAD/CAM 一體化、精密測量技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)的認(rèn)識。培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和綜合分析、解決工程問題的能力。通過綜合實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠面向制造過程，考慮各種實(shí)際工況來設(shè)計零件和制定工藝，通過分析檢測數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計、工藝編制、加工過程中的問題。

發(fā)現(xiàn)了在綜合實(shí)驗(yàn)中所涉及的課程在課堂教學(xué)中的一些不足，在綜合實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一些學(xué)生沒有很好掌握的共性問題，在今后相關(guān)課程的課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)等方面要進(jìn)行針對性的解決。圖2～5 所示為由一名學(xué)生在本綜合實(shí)驗(yàn)中完成的實(shí)例。

5 結(jié)語

根據(jù)新疆大學(xué)機(jī)械工程及自動化專業(yè)的課程設(shè)置及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等情況，針對專業(yè)特點(diǎn)開發(fā)了先進(jìn)制造技術(shù)綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。通過綜合實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，提高了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生在實(shí)踐中的解決工程問題的能力。

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