機(jī)械測量在實(shí)踐教學(xué)中的改革與實(shí)踐

鮑永杰　丁天英　姜　英（大連理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧大連　116024）

機(jī)械測量在實(shí)踐教學(xué)中的改革與實(shí)踐

鮑永杰丁天英姜英
（大連理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧大連116024）

工程訓(xùn)練是高校中受眾學(xué)生數(shù)最多的實(shí)踐教學(xué)課程，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的重要教育資源。機(jī)械測量知識貫穿于工程訓(xùn)練的每個教學(xué)體系，也是使學(xué)生掌握機(jī)械制造知識、區(qū)分機(jī)械加工工藝的重要環(huán)節(jié)。本文以工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)為教學(xué)基礎(chǔ)，以涵蓋傳統(tǒng)測量方法與先進(jìn)測量方法中機(jī)械測量知識點(diǎn)為目的，針對機(jī)械測量中直接測量、間接測量、接觸式測量和非接觸式測量方法，以三坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)臂測量機(jī)和數(shù)字式投影儀為例，開展工程訓(xùn)練機(jī)械測量模塊教學(xué)研究和探索。

機(jī)械測量工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)

1.引言

“教育回歸工程，教學(xué)回歸實(shí)踐”成為當(dāng)代高等工程教育改革的主流趨勢［1，2］。工程訓(xùn)練是我國高等教育改革發(fā)展中出現(xiàn)的是一種新的實(shí)踐教學(xué)模式，是我國工科高校內(nèi)實(shí)施面上工程實(shí)踐教育和教學(xué)的主平臺［1］。工程訓(xùn)練面向本科各專業(yè)學(xué)生，給大學(xué)生以工程實(shí)踐的教育、工業(yè)制造的了解、工業(yè)文化的體驗，具有通識性工程實(shí)踐教學(xué)特征。工程訓(xùn)練中心已成為高校中受眾學(xué)生數(shù)最多的實(shí)踐教學(xué)基地，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的重要教育資源。在如何盡快轉(zhuǎn)變我國高校實(shí)踐育人這個薄弱環(huán)節(jié)問題上，工程訓(xùn)練中心應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起首當(dāng)其沖的責(zé)任。

現(xiàn)代測量技術(shù)在先進(jìn)制造技術(shù)中具有舉足輕重的地位，對實(shí)現(xiàn)零件互換性、提高產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，測量技術(shù)的發(fā)展越來越趨于精密化、集成化和智能化［3］。機(jī)械測量貫穿于整個工程訓(xùn)練課程中，無論何種工藝加工的工件，由于機(jī)床、夾具、刀具、工藝和操作技能等方面的影響，工件的尺寸、形狀、相對位置以及表面質(zhì)量等都不可避免的出現(xiàn)加工誤差，這些加工誤差對工件的精度、運(yùn)動平穩(wěn)性、機(jī)械性能和使用壽命等都會帶來影響，因此機(jī)械測量方法檢驗工件加工精度是否處于合理的范圍顯得至關(guān)重要。因此，機(jī)械測量模塊是工程訓(xùn)練教學(xué)體系中重要組成部分，對學(xué)生掌握完整的工業(yè)工程理念起著至關(guān)重要的作用。

2.機(jī)械測量模塊教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)械測量是涵蓋機(jī)械、通信、數(shù)學(xué)、電氣等多學(xué)科的綜合性應(yīng)用基礎(chǔ)教學(xué)模塊，是聯(lián)系設(shè)計課程與工藝課程的紐帶，也是基礎(chǔ)學(xué)習(xí)到專業(yè)學(xué)習(xí)的橋梁，即具有理論性又有很強(qiáng)的實(shí)踐性。熟練地掌握檢測技術(shù)，對產(chǎn)品選用正確的檢測方法與檢測儀器是工科院校大學(xué)生應(yīng)必備的基本能力。目前，高校對機(jī)械測量內(nèi)容主要以《幾何量公差與配合》、《精度設(shè)計與檢測》等專業(yè)課程實(shí)驗的形式開設(shè)，大多面向機(jī)械類專業(yè)學(xué)生［4］，并以驗證性實(shí)驗為主要內(nèi)容，與工程實(shí)際有很大的差距，也缺乏機(jī)械測量與機(jī)械加工工藝的關(guān)聯(lián)性與交互性。

工程訓(xùn)練是大學(xué)生實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，面向機(jī)械類和非機(jī)械類各個學(xué)科的大學(xué)生，是使學(xué)生了解大工程概念，提高工程素質(zhì)，適應(yīng)現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵平臺。由于工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容多、測量設(shè)備昂貴和難以形成用于教學(xué)的批量，使得大部分高校將機(jī)械測量知識只能融入到每個實(shí)訓(xùn)教學(xué)中［5］，這樣既不利于學(xué)生掌握檢測技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，又淡化了檢測技術(shù)的重要性，同時無法將先進(jìn)的檢測技術(shù)引入到實(shí)訓(xùn)模塊中，無法適應(yīng)新形勢下工程訓(xùn)練體系的要求。

3.機(jī)械測量模塊在工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)中的課程設(shè)置

本文利用大連理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有的數(shù)字式投影儀、三坐標(biāo)測量機(jī)、便攜式關(guān)節(jié)臂機(jī)等先進(jìn)測量設(shè)備，通過典型零件幾何特征檢測內(nèi)容的設(shè)置，使學(xué)生對機(jī)械測量技術(shù)的相關(guān)知識、各類檢測方法、測量原理、誤差分析與數(shù)據(jù)處理內(nèi)容有系統(tǒng)的認(rèn)知，并與工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)內(nèi)容相結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)一步掌握工程應(yīng)用中的機(jī)械制造專業(yè)知識和技能，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐技術(shù)能力。

測量方法是根據(jù)被測對象的特點(diǎn)來選擇和確定的。被測對象的特點(diǎn)主要是指它的精度要求、幾何形狀、尺寸大小、材料性質(zhì)以及數(shù)量等。測量方法分類主要有直接測量、間接測量、綜合測量、單項測量、接觸測量、非接觸測量、絕對測量、相對測量等，本文為了便于學(xué)生理解和區(qū)分，以最常用的接觸式測量、非接觸式測量、直接測量、間接測量四種測量方法設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，機(jī)械測量模塊教學(xué)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1　機(jī)械測量模塊在工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)中課程設(shè)置拓?fù)鋱D

3.1數(shù)字式投影儀教學(xué)

數(shù)字式投影儀是利用光學(xué)原理以精確的放大倍率將物體放大投影在投影屏上測定物體形狀、尺寸的儀器。本文中數(shù)字式投影儀型號測量精度為±0.005mm，可測量X、Y方向上的位移量和角位移量。測量工件如圖2所示，工件為通孔結(jié)構(gòu)，便于光源進(jìn)入使孔輪廓清晰，工件上有每半部分上有5個通孔三種規(guī)格，中間大孔孔徑為2.5mm，中孔孔徑為1mm，小孔孔徑為0.7mm。數(shù)字式投影儀小孔孔徑測量和孔中心距測量既屬于非接觸式測量又同時屬于直接測量，對于直徑1mm以下小孔采用常規(guī)的游標(biāo)卡尺、內(nèi)徑千分尺等測量誤差較大，而采用數(shù)字式投影儀測量則測量精度明顯提高。

圖2　數(shù)字式投影儀小孔測量

3.2便攜式關(guān)節(jié)臂教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械測量技術(shù)發(fā)展迅速，尺寸精度已經(jīng)由二維單一幾何量測量進(jìn)入了綜合的三維形狀測量階段［6］。關(guān)節(jié)臂測量機(jī)通過接觸式探針或激光掃描測頭對物體上幾何特征進(jìn)行點(diǎn)或點(diǎn)群獲取，并在計算機(jī)內(nèi)經(jīng)過函數(shù)計算，得出被測物體的三維模型。它是一種間接測量的量儀，也包含接觸式測量（接觸式測頭）和非接觸式測量（激光掃描測頭）。本文采用汽車模型外輪廓面作為課程內(nèi)容，采用非接觸式測量方法對汽車外輪廓的復(fù)雜曲面進(jìn)行掃描和建模，最終形成三維測量模型，測量過程如圖3所示。

圖3　汽車模型外輪廓三維掃描

3.3三坐標(biāo)測量機(jī)教學(xué)內(nèi)容

三坐標(biāo)測量機(jī)是已精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的位置傳感技術(shù)、數(shù)字控制和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，采用接觸式測頭獲取工件空間坐標(biāo)點(diǎn)的方式，實(shí)現(xiàn)物體幾何特征的函數(shù)計算與建模。三坐標(biāo)測量機(jī)測量是典型的接觸式測量和間接測量方法的實(shí)例，本文將工件上的圓弧槽作為教學(xué)示例（如圖4所示），通過接觸式探針測頭獲取圓弧槽表面多個數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值，經(jīng)過計算機(jī)處理，將這些數(shù)據(jù)擬合成測量元素，得到被測幾何特征的尺寸和形狀信息。學(xué)生從中既可以得到機(jī)械測量中點(diǎn)接觸測量方法和間接測量方法的知識，同時了解產(chǎn)品開發(fā)中機(jī)械測量在逆向工程中的應(yīng)用，從而使學(xué)生更深入的掌握機(jī)械測量知識模塊的學(xué)與用。

圖4　三坐標(biāo)測量圓弧槽示例

4.結(jié)論

機(jī)械測量技術(shù)是機(jī)械制造技術(shù)中的重要組成部分，是生產(chǎn)工藝中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文以工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)為教學(xué)基礎(chǔ)，以涵蓋傳統(tǒng)測量方法與先進(jìn)測量方法中機(jī)械測量知識點(diǎn)為目的，采用典型的數(shù)字式投影儀、關(guān)節(jié)臂測量機(jī)、三坐標(biāo)測量機(jī)作為教學(xué)設(shè)備，對機(jī)械測量中的直接測量、間接測量、接觸式測量和非接觸式測量四個方面進(jìn)行測量知識模塊設(shè)置，從而使學(xué)生在工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)中更全面的掌握機(jī)械測量的相關(guān)概念、應(yīng)用背景和測量方法選擇原則等知識點(diǎn)，探索機(jī)械測量技術(shù)在工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)中的教學(xué)改革與實(shí)踐模式。

［1］梁延德.我國高校工程訓(xùn)練中心的建設(shè)與發(fā)展.實(shí)驗技術(shù)與管理，2013，30（6）：6-8

［2］周玲，孫艷麗，康小燕.回歸工程服務(wù)社會：美國大學(xué)工程教育的案例分析與思考［J］.清華大學(xué)教育研究，2011，32（6）：117-124

［3］姚利娟.基于三坐標(biāo)測量機(jī)的實(shí)驗教學(xué)方法探索.實(shí)驗科學(xué)與技術(shù)，2014，12（4）：109-111

［4］尹迎新.機(jī)械測量技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計.天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報，2013，15（5）：101-104

［5］李曉春，曲曉海，楊洋，周亮.淺談機(jī)械測量模塊教學(xué)對其他工程訓(xùn)練模塊的影響，裝備制造技術(shù)，2013（7）：256-257

［6］徐春梅.張立紅.本科階段測量技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革與實(shí)踐，2015，13 （2）：131-133

Reform and Practice of Mechanical Measurement Module in Practical Teaching

BAO Yong-jie，DING Tian-ying，JIANG Ying
（Engineering Training Center，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Engineering training is a practice teaching course available to the most students in universities and also an important educational resource to develop students'practical ability and innovation consciousness.Mechanical measurement knowledge goes throughout each teaching system of engineering training，which is also an important part to enable students to master the mechanical manufacturing knowledge and distinguish mechanical processing technologies.This paper uses practical engineering training as the teaching foundation and intends for covering mechanical measuring knowledge in both traditional and advanced measurement method.This paper is based on direct measurement，indirect measurement，contact measurement and non-contact measurement method in mechanical measurement and takes CMM，arm CMM and digital projector for example to carry out the research and exploration in mechanical measuring module of engineering training.

Mechanical measurement；Engineering Training；Practice teaching

鮑永杰（1980—），男，內(nèi)蒙古赤峰市人，工學(xué)博士，大理工大學(xué)國家級工程訓(xùn)練示范中心工程師，從事工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究。

遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項目“基于綜合性工程素質(zhì)培養(yǎng)的工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容改革與實(shí)踐”資助。