復雜零件設計制造測量分析一體化實驗教學探索

胡畢富, 王學銳, 席 平, 李吉星

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院， 北京 100191)

0 引 言

機械工程是國家的基礎工業(yè)，在當前CAD/CAM技術廣泛應用的提前下，設計制造的自動化需求使得機械工程成為一門融機械、電氣、電子及計算機等于一體的綜合技術，這項技術將不同領域和層次的知識與能力融合在一起[1-3]。因此在機械類課程教學體系中，必須重視不同領域和層次知識的融合應用，從而有效培養(yǎng)學生切實解決實際問題的能力。基于這個目標，在機械類課程教學體系中，要增加實驗教學的課時比例，合理設計實驗課程項目，使實驗課程配合理論課程，切實培養(yǎng)學生的實際操作能力、工程應用能力和創(chuàng)新思維能力[4-6]。

近年來我國各工科院校開展了大量機械類課程的教學改革，重點即多項目綜合學習與實踐，增加實驗課程課時，提高學生的知識綜合應用能力及動手能力。例如，文獻[1,7-8]中基于“大機械”“大工程”教學理念，強調建立多層次、全過程、全方位的實踐教學體系實踐教學平臺的思路，加強機械創(chuàng)新設計、加工、工藝、機電液一體化的實驗和實踐訓練。文獻[9-10]中強調以真實環(huán)境下實際項目為教學案例，引導培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。宋洪俠[11]由世界技能大賽的賽題分析為切入，指出國內機械類教學普遍存在課程學習的銜接性不強、缺乏課程獨立性項目設計及各課程間綜合性應用項目的問題，并提出了教學改革以增強學生實踐創(chuàng)新能力的具體措施。上海交通大學工程訓練中心[12]探索了以數(shù)字化技術為主線，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和工程應用能力為目標，用任務形式將多學科串聯(lián)，以學生為中心的“數(shù)字化設計與制造”的教學體系。

通過對我校本科教學課程進行分析，本科階段CAD/CAM方面的學習與實踐，學生生已經初步具備了CAD/CAM基礎[13-14]。但是由于課程偏重理論，缺少實踐，導致學生綜合性動手能力和整體性、系統(tǒng)性解決工程問題的能力有待提高。導致這些問題的原因在于：

(1) 設計、制造和測量都分別設課，由不同教師授課，課程之間銜接不夠連貫；

(2) 數(shù)控加工出的零件，沒有測量和誤差分析，使得數(shù)字化設計制造檢測一體化過程不完整，缺少一個環(huán)節(jié)；

(3) 課程還是偏重于理論，以課堂教學為主。雖然在理論課中有少量的實驗課時，但不夠使學生得到充足的實踐訓練。

因此，盡管每門課程都對相應的理論技術和操作進行了教學，但是當學生遇到實際問題時，很難將學到的知識進行綜合運用。根據(jù)機械工程專業(yè)的特點及其知識結構, 實踐教學是學生理論聯(lián)系實際最直接、最有效的環(huán)節(jié), 是理論教學的深化[15]。 為此機械工程實驗教學中心提出開設綜合性實驗課程，結合一個較復雜的機械零件的設計、制造、測量和誤差分析全過程，完成數(shù)字化設計制造全過程，提高學生綜合解決工程問題的能力。通過實驗課的建設，完善設計制造測量分析一體化的課程體系。

1 實驗教學環(huán)境建設及教學形式

對于機械零件設計、制造、測量和誤差分析綜合性實驗課程而言，設備和相應的軟件是必不可少的。機械工程實驗教學中心目前的硬件如表1所示，構成了一個完整的CAD建模、CAM編程、數(shù)控加工、測量的硬件環(huán)境，同時還有相應的三維設計(CATIA、UG、Solidworks、CAXA)、數(shù)控編程(SurfMill)以及逆向工程(CopyCAD、Imageware)等軟件，已經具備了機械綜合性實驗課程軟硬件條件?；谶@些軟硬件設備，教學可以采用課堂講授+計算機軟件操作+設備操作相結合的方式，實現(xiàn)教學的理論與實踐相結合，鍛煉學生的綜合性解決問題的能力。

表1 機械工程實驗教學中心硬件一覽表

2 教學內容

面向機械類專業(yè)研究生開設的綜合性實驗課程，內容包括設計建模、數(shù)控編程和加工、測量和逆向重構、誤差分析基本知識與操作方法。

如圖 1所示，航空發(fā)動機結構中，葉片是數(shù)量最多、形狀最復雜的零件。為此選取航空發(fā)動機葉片為教學實例，其理由為：

(1) 葉片的設計參數(shù)包括了幾何和物理參數(shù)，首先需要將這些參數(shù)轉化為幾何模型參數(shù)，增加了建模難度；

(2) 因為葉片外形是雙曲度曲面，在加工中，需要考慮的因素比較多，軌跡計算，零件裝夾等；

(3) 測量數(shù)據(jù)的曲面重構中，對于復雜曲面，配準計算是關鍵；

(4) 誤差分析中有曲面的形狀誤差比較。

圖1 發(fā)動機壓氣機葉片

綜上，采用壓氣機葉片為實例，可以綜合零件三維建模加工測量的全過程，同時因為是雙曲度曲面，使得教學有一定理論性，具體操作難度大。課程采用課堂講授和軟硬件實操相結合的方式，32學時。

3 教學案例

以航空發(fā)動機葉片葉身復雜曲面加工為例，論述復雜零件的設計加工測量一體化的教學過程。

3.1 三維模型的建立

復雜產品的設計過程常常涉及多個學科的協(xié)同與耦合。在此過程中，幾何設計人員獲得的產品初始設計數(shù)據(jù)往往是上游設計部門給出的非幾何數(shù)據(jù)，無法直接用于幾何造型，需要轉換成幾何參數(shù)才能用于葉片的建模。以壓氣機葉片設計為例，壓氣機葉片建模主要包含二維葉型設計及葉型積疊放樣兩個步驟。其中葉型設計原始數(shù)據(jù)來源于氣動計算，主要包含：中弧線數(shù)據(jù)(以彎角函數(shù)表示)、弦長c、最大度撓度fmax及其位置a、最大厚度tmax及其位置e、葉型前緣角χle和尾緣角χte、葉型彎角θ，前尾緣半徑rle和rte等，如圖 2所示。

圖2 葉型的主要幾何參數(shù)

首先需要將這些參數(shù)轉化為建模參數(shù)，經計算轉化后的葉型線幾何建模參數(shù)，見表2。

表2 葉片葉型截面線幾何建模參數(shù)

根據(jù)給定的設計參數(shù)，離散并建立一系列二維葉型截面線，放樣截面線即可建立葉片三維模型。建立的葉片模型如圖 3所示。

圖3 葉片的設計數(shù)模

在這一部分的教學中，主要教學將設計參數(shù)轉換為幾何建模參數(shù)，然后在三維CAD軟件上進行建模，通過三維幾何模型展示設計結果。

3.2 數(shù)控加工

首先根據(jù)葉片理論模型進行工藝分析，然后進行刀具選擇、葉片裝夾、加工設置和粗加工、半精加工、精加工這一系列流程，得到最終的葉片。粗加工采用三軸數(shù)控加工，精加工采用四軸或五軸加工。使用SurfMill軟件，讀入CAD模型以后，設置加工參數(shù)生成數(shù)控加工軌跡。所涉及的知識點包括：選擇適合的毛坯、指定加工路線、使用機床的類型(三軸、多軸)、裝夾方案、刀具選擇、加工路徑規(guī)劃等，在機床上實際加工出零件。實際粗、精加工效果如圖 4、5所示。

圖4 粗加工效果圖

圖5 精加工效果

加工部分的教學重點是使學生學習掌握CAM軟件的零件的數(shù)控編程方法(主要是多軸加工)、裝夾方法、數(shù)控機床的操作。

3.3 測量

對加工好的零件進行測量，得到點云數(shù)據(jù)。測量設備有一臺便攜式三坐標測量機(測量范圍1.6 m，點重復精度40 μm，空間長度精度55 μm)和數(shù)控機床上安裝的激光測量頭(測量速度3 000點/s，測量精度0.05 mm)，本實例采用激光測量獲取葉片點云數(shù)據(jù)，如圖 6所示。

圖6 激光測量獲取的葉片點云

測量部分的教學重點是講解目前通用測量工具和原理，了解當前的各種零件的測量方法，操作測量機完成對葉片零件的測量。

3.4 逆向重構

將零件測量的點云進行逆向重構，得到測量模型。實例中，根據(jù)葉片特點，先擬合二維葉型截面線，采用圓形或橢圓來擬合前后緣，選擇誤差最小的形狀進行擬合并提取圓心或中心。得到8條參數(shù)化后的截面線后，使用曲面放樣工具放樣這些截面線，完成曲面造型。點云的處理以及曲面重構采用Imageware軟件。重構的葉片截面線及葉片模型如圖 7、8所示。逆向重構部分的教學重點主要包括：點云預處理、點云網格劃分、點云孔洞修復、點云切片、特征線提取、曲面生成、配準等。

圖7 葉片截面線重構

圖8 葉片重構模型

3.5 誤差比較分析

誤差是判斷零件是否合格的重要指標，重構模型同理論模型之間的總誤差是由加工誤差、測量誤差、重構誤差等綜合構成的。

各個過程的誤差問題可以轉換為計算點到曲面的距離，其精度指標可以采用以下幾個距離指標表示：最大距離、平均距離和距離誤差估計等。重構模型與理論模型的誤差分布情況可以通過配準來分析，配準結果如圖 9所示?？梢钥闯?，重構模型僅在尾緣區(qū)域同理論模型有較大誤差，其余區(qū)域誤差不大。除了配準，本文使用Minitab軟件對重構誤差做進一步統(tǒng)計分析，其分布如圖 10所示。

圖9 重構模型與理論模型誤差結果

通過誤差分布圖可以看出，絕大部分的點集中位于誤差為0 mm附近誤差較小的區(qū)域，極少的點分布在這個范圍之外。這也說明重構效果比較好。這種分布情況下，絕大部分的點可以作為參考數(shù)據(jù)。誤差分析部分的教學重點主要是：制造公差的介紹、影響公差的各個因素分析等。

圖10 重構誤差分布圖

4 結 語

在本綜合實驗課中，重點突出工程專業(yè)教學方面的實踐環(huán)節(jié)，使用了計算機、數(shù)控機床、測量儀等硬件設備以及UG、SurfMill、Imageware等軟件，并以航空發(fā)動機葉片為例，完成了一個機械零件三維建模、數(shù)控加工、測量、曲面重構和誤差分析的設計制造全過程。使得學生初步掌握設計建模、數(shù)控編程和逆向工程的基礎理論，能夠使用CAD建模軟件、CAM軟件、逆向工程軟件、操作數(shù)控機床、操作測量機，提高綜合解決工程問題的能力。