三維機(jī)械構(gòu)形設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

吳 浩

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002)

一、課程教學(xué)面臨的問(wèn)題

傳統(tǒng)的PROE教師講授往往是以教師為主導(dǎo),學(xué)生作為一個(gè)被動(dòng)的接受者。而教師的課堂講授主要對(duì)照教學(xué)大綱進(jìn)度按照教材內(nèi)容按部就班把知識(shí)傳授給學(xué)生,其中非常多的時(shí)間都是在講具體的單個(gè)零件如何畫出來(lái),如何操作某一個(gè)指令畫出圓、線、螺旋等基本操作。雖然也有裝配圖的講授,但往往只是課程結(jié)束時(shí)最后一兩次課作為一個(gè)綜合練習(xí)。在講授前面單個(gè)零件畫法時(shí)如果不清楚某一個(gè)零件畫法,就導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)得不連貫,所學(xué)到的知識(shí)也是片段的,學(xué)生就會(huì)跟不上進(jìn)度。

由于本門課程的實(shí)踐性要求較高,需要學(xué)生進(jìn)行大量反復(fù)的操作才能真正掌握這個(gè)三維設(shè)計(jì)軟件,所以目前采用教師上課講授和操作軟件加上學(xué)生上機(jī)的形式來(lái)提高學(xué)生的操作能力。由于學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不強(qiáng),覺(jué)得學(xué)習(xí)一個(gè)軟件枯燥乏味,往往很多學(xué)生不重視上機(jī),只是簡(jiǎn)單的應(yīng)付了事,這樣導(dǎo)致實(shí)踐能力培養(yǎng)的效果并不明顯。

二、課程教學(xué)的重點(diǎn)

(一)實(shí)踐能力的培養(yǎng)

在學(xué)習(xí)PROE課程過(guò)程中,面向?qū)嶋H的實(shí)踐性不夠。學(xué)生往往缺少實(shí)際去工廠的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際去接觸機(jī)械設(shè)備的經(jīng)歷。針對(duì)這種情況我們組織學(xué)生去工廠參觀實(shí)習(xí)來(lái)加深對(duì)設(shè)備的認(rèn)識(shí),去觀看樣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程和網(wǎng)絡(luò)上的相應(yīng)機(jī)械設(shè)備工作原理視頻等來(lái)加深對(duì)機(jī)械設(shè)備的認(rèn)識(shí),這有利于真正弄懂機(jī)械設(shè)備的工作原理,也能了解設(shè)備具體的零件構(gòu)成和設(shè)計(jì),這樣就能幫助學(xué)生用PROE三維設(shè)計(jì)軟件畫出實(shí)際的設(shè)備圖。

(二)系統(tǒng)思維的培養(yǎng)

在面向?qū)嵺`過(guò)程中的三維機(jī)械設(shè)計(jì)課程中,主要面對(duì)的突出問(wèn)題是學(xué)生沒(méi)有系統(tǒng)的思維,也不能將之前學(xué)的比如機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)融會(huì)貫通,只知道一個(gè)個(gè)小零件、簡(jiǎn)單零件圖的畫法,會(huì)依葫蘆畫瓢做一些簡(jiǎn)單的操作重現(xiàn),很難獨(dú)自畫出一個(gè)比較綜合的復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備。針對(duì)當(dāng)前學(xué)生在學(xué)習(xí)PROE課程過(guò)程中缺乏系統(tǒng)性思維,筆者通過(guò)組建項(xiàng)目組的方式來(lái)鍛煉學(xué)生分工協(xié)作以及系統(tǒng)思維培養(yǎng)能力,將3-5個(gè)學(xué)生分成一個(gè)小組,讓一個(gè)小組完成一個(gè)具體的機(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì),將該機(jī)械設(shè)備由一個(gè)整體拆分為各個(gè)零件單元,讓學(xué)生分別單獨(dú)完成自已的部分,最后綜合各位組員的成果形成一個(gè)設(shè)備的裝配圖。

三、教學(xué)實(shí)例分析

根據(jù)前面所提出的改革方案和措施,我們以自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備為案例,將具體的設(shè)計(jì)分析任務(wù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆纸?以小組的形式,對(duì)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)整體認(rèn)知和設(shè)計(jì)流程貫穿到學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程中,以提高實(shí)踐能力和系統(tǒng)思維能力。

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備主要應(yīng)用在電路板生產(chǎn)線上對(duì)貼裝電子元件的表面進(jìn)行檢測(cè),它是集成光學(xué)系統(tǒng)部分、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、電氣控制部分和軟件算法部分于一體的光機(jī)電一體化設(shè)備,首先對(duì)整個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)工作原理進(jìn)行認(rèn)識(shí)。如圖1所示自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的主要工作流程包括通過(guò)圖像采集系統(tǒng)獲取圖像,在獲取圖像時(shí),對(duì)相機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行路徑規(guī)劃以及對(duì)電路板的位置進(jìn)行定位補(bǔ)償,接著對(duì)焊點(diǎn)圖像進(jìn)行定位,特征提取與檢測(cè)以及缺陷分類。

由于自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)綜合各方面技術(shù)的多學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng),我們無(wú)法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所涉及的方方面面進(jìn)行詳細(xì)的闡述,在此主要針對(duì)圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟件算法的工作流程以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行展開(kāi)分析。

《中國(guó)英語(yǔ)能力等級(jí)量表》科學(xué)性和適切性研究 …………………………………………………… 蔡基剛（5.39）

(一)圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖像采集系統(tǒng)包含了相機(jī)鏡頭光源圖像采集卡等部件,圖像采集部分的各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)流程如下所示。各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)都要放在系統(tǒng)總體方案下進(jìn)行具體分析。

1.圖像采集系統(tǒng)總體方案構(gòu)建及硬件選用。圖像采集部分主要包括有光源、相機(jī)、鏡頭、圖像采集卡、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)等。相機(jī)和鏡頭配備有專門的固定支架,光源在固定架作用下,可以根據(jù)需要選擇不同型號(hào)的光源,光源根據(jù)現(xiàn)有常見(jiàn)的缺陷類型,考慮采用半球形三色環(huán)形光。

2．光源的選取。光源通過(guò)改變對(duì)比度,在機(jī)器視覺(jué)圖像中,對(duì)比度是圖像信號(hào)的質(zhì)量。對(duì)比度是兩個(gè)區(qū)域的圖像中,如部件和它的背景之間的區(qū)別的度量。

3.相機(jī)的選取。相機(jī)類型主要有一維的線陣掃描相機(jī)、二維面陣相機(jī)和三維成像技術(shù)。大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用使用面陣相機(jī),雖然一些應(yīng)用需要特殊的線陣掃描相機(jī)的要求。在線陣掃描和面陣照相機(jī)的類別內(nèi)有許多附加選擇(例如,單色或彩色)。

4.鏡頭的選取。主要涉及選擇鏡頭的類型和選擇鏡頭的焦距。鏡頭的選擇過(guò)程如下:使用先前確定的視場(chǎng)大小和相機(jī)規(guī)格所述圖像傳感器尺寸計(jì)算圖像放大率,再采用放大倍率和物距,計(jì)算出所需要的焦距,與最接近所計(jì)算的值接近的焦距選擇鏡頭。

5.圖像采集卡。圖像采集卡是是一個(gè)相機(jī)接口的通用術(shù)語(yǔ)。圖像采集卡的選擇將主要出于以下考慮:(1)相機(jī)的特點(diǎn)——該圖像采集卡必須與攝像機(jī)的輸出(例如,模擬或兼容數(shù)字),相機(jī)的數(shù)據(jù)速率,并相機(jī)的定時(shí);(2)電腦硬件——該圖像采集卡必須與物理和功能兼容計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng);(3)顯示功能——需要頻繁圖像顯示更新或需要非破壞性的應(yīng)用圖形疊加將受益于顯示硬件集成上的圖像采集卡。在應(yīng)用中的成本更重要,有一個(gè)圖像采集卡沒(méi)有集成顯示控制器會(huì)更可取。

6.圖像處理。圖像處理是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心,它主要對(duì)采取到的圖像進(jìn)行處理,能提取圖像的感興趣區(qū)域,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理,變換,分割以及識(shí)別的目的。

7.選擇軟件包。當(dāng)選擇一個(gè)軟件包時(shí),考慮這些特點(diǎn):(1)功能——軟件包必須支持計(jì)劃要使用的圖像處理函數(shù);(3)API(應(yīng)用程序編程接口)——這是一個(gè)庫(kù)函數(shù),開(kāi)發(fā)人員必須編寫軟件來(lái)創(chuàng)建用戶界面和調(diào)用想要的圖像處理函數(shù);(3)硬件兼容性——軟件包必須兼容操作系統(tǒng)和相關(guān)的硬件如圖像采集卡和相機(jī)。它為圖像采集卡提供驅(qū)動(dòng)軟件并可以用函數(shù)控制相機(jī)功能。

8.可行性驗(yàn)證。開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)驗(yàn)證可行性是必須的。如果應(yīng)用程序和技術(shù)與現(xiàn)有的系統(tǒng)相似,如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以通過(guò)小修改來(lái)復(fù)制,則不必進(jìn)行可行性研究。否則,可行性研究是一個(gè)絕對(duì)有必要作為機(jī)器視覺(jué)項(xiàng)目的一部分。機(jī)器視覺(jué)的可行性研究的目標(biāo)是:(1)驗(yàn)證可接受的圖像質(zhì)量;(2)提供一個(gè)測(cè)試環(huán)境解決圖像處理的問(wèn)題;(3)驗(yàn)證操作和速度是否有問(wèn)題;(4)提供測(cè)試環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)備接口是否有實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題。

9,其他影響因素。通過(guò)開(kāi)始時(shí)詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),大部分的機(jī)器視覺(jué)部件已經(jīng)完成。然而,也有一些其他因素的影響需要處理。這些是:定位、可維護(hù)性、校準(zhǔn)、零件移動(dòng)、沖擊和振動(dòng)、冷、熱、濕度、空氣雜質(zhì)和電子干擾等。

(二)軟件程序的工作流程

如圖2所示,在計(jì)算機(jī)界面找到程序啟動(dòng)圖標(biāo),進(jìn)入編輯模式可以開(kāi)始制作檢測(cè)程序,然后在編輯界面內(nèi),通過(guò)圖像采集系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)傳輸裝置采集到PCB板的圖片,并制作出整塊電路板的概略圖,在概略圖上制作MARK點(diǎn)定位,將CAD元件數(shù)據(jù)導(dǎo)人,就可以在程序內(nèi)對(duì)相應(yīng)的元件設(shè)置檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),電路板上的所有元件都設(shè)置好后,就可以對(duì)整塊電路板的元件進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 程序的運(yùn)行流程

(三)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵機(jī)械零部件進(jìn)行設(shè)計(jì),完整的設(shè)計(jì)過(guò)程不僅包含繪制零件三維模型、確定各零件的相應(yīng)尺寸,還包含有各零件的受力及應(yīng)力分析與校核。

1.繪制自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)的機(jī)架三維圖:機(jī)架是整個(gè)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的支撐部分,是連接地面的重要組成部分,雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但卻起到了十分重要的作用,是整個(gè)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)的基礎(chǔ)組成部分。

2.繪制平臺(tái)板三維模型:平臺(tái)板是和滑桿連接在一起可以運(yùn)動(dòng),用于放置電路板。

3.繪制圖像采集部分三維模型:自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)的圖像采集部分相當(dāng)于整個(gè)機(jī)器的眼睛,是不可或缺的一部分。

4.繪制橫梁三維模型:自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)的橫梁起支撐圖像采集部分作用。

5.繪制電動(dòng)機(jī)三維模型:電動(dòng)機(jī)是整個(gè)機(jī)器的動(dòng)力裝置,是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)能夠工作的必須零件。

6.繪制絲杠三維模型:絲杠是傳遞運(yùn)動(dòng)的零件。

繪制好上述各零部件后,將上述零件組裝成自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)機(jī)構(gòu)三維模型,用三維設(shè)計(jì)軟件將所繪制的各個(gè)零件圖組裝在一起,就構(gòu)成了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)的三維模型。

四、結(jié)語(yǔ)

在三維機(jī)械構(gòu)形設(shè)計(jì)(PROE)課程教學(xué)中,通過(guò)教學(xué)改革,使學(xué)生在學(xué)習(xí)PROE課程中不再是學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的片段的操作知識(shí),而是學(xué)習(xí)如何從系統(tǒng)思維的角度去設(shè)計(jì)復(fù)雜機(jī)械設(shè)備,并通過(guò)實(shí)際參與等方式完成一個(gè)真正實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì),這是PROE課程改革的價(jià)值所在。在課堂實(shí)際教學(xué)中實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)和動(dòng)手實(shí)踐的有機(jī)聯(lián)合,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力意義深遠(yuǎn)。