大數(shù)據(jù)技術(shù)在平面銼削實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用探究

張麗華 童國 史銀花 趙光霞

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?傳統(tǒng)平面銼削實訓(xùn)教學(xué)面臨教學(xué)形式單一、缺乏針對性、初學(xué)者操作難以達到加工精度要求等問題，大數(shù)據(jù)技術(shù)為解決這些問題提供了新的思路和便利條件。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立銼削加工數(shù)據(jù)平臺，對平面銼削加工過程中的多維度數(shù)據(jù)進行整合分析，挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，建立銼削加工目標要求和銼削加工量之間的關(guān)聯(lián)模型，針對不同操作者制定個性化的加工指導(dǎo)方案，從而提高平面銼削的實訓(xùn)效率，增強學(xué)生操作的信心。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?大數(shù)據(jù)技術(shù);平面銼削;實訓(xùn)教學(xué);關(guān)聯(lián)性

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）27-0154-03

一、大數(shù)據(jù)技術(shù)概述

在當今信息化的生活中數(shù)據(jù)無處不在。作為一種獨一無二的傳遞媒介，數(shù)據(jù)中蘊含的巨大的信息量和驚人的價值開始爆發(fā)出來，人類已經(jīng)邁入一個深度挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在信息和核心價值的時代，即大數(shù)據(jù)時代[1]。

大數(shù)據(jù)是指利用互聯(lián)網(wǎng)和快速運算等現(xiàn)代科技技術(shù)，在對大量的數(shù)據(jù)進行快速分析和梳理的基礎(chǔ)上，于有效的時間內(nèi)得出利于決策的參考信息。大數(shù)據(jù)并非簡單指數(shù)據(jù)量之大，其關(guān)鍵意義是在數(shù)量龐大、種類繁雜的多樣化數(shù)據(jù)中快速地提取出有意義的信息和數(shù)據(jù)間隱含的關(guān)系，從而為人們優(yōu)化自身的決策和行為提供指導(dǎo)[1-2]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)可以使人們由依靠感性偏好的選擇或者基于小樣本數(shù)據(jù)的推測轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)據(jù)分析和理性證據(jù)的決策[3]。如在進行銼削加工時，銼削量的選擇不再僅僅依靠個人的經(jīng)驗或感覺，而是基于數(shù)據(jù)的決斷。在本質(zhì)上，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一種新的解決問題的方法和思維方式。

二、傳統(tǒng)平面銼削實訓(xùn)教學(xué)中面臨的問題

鉗工是職業(yè)學(xué)校機械專業(yè)及其相近專業(yè)（如數(shù)控技術(shù)、電氣等）必須開設(shè)的基礎(chǔ)實訓(xùn)課程，更是這些專業(yè)學(xué)生必須掌握的一項專業(yè)技能。平面銼削是鉗工技術(shù)中一項重要的基本技能，也是其他鉗工技能形成的基礎(chǔ)，然而要深層次地掌握好這門技能并非易事。目前，傳統(tǒng)的平面銼削實訓(xùn)教學(xué)中主要面臨以下問題。

（一）傳統(tǒng)的平面銼削實訓(xùn)教學(xué)不具有個體針對性，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率參差不齊

在傳統(tǒng)的平面銼削實訓(xùn)教學(xué)模式中，教師講解相關(guān)知識點并演示平面銼削的操作過程，學(xué)生通過模仿和反復(fù)練習(xí)習(xí)得技能。但是，一個班內(nèi)學(xué)生的接受能力各不相同，不可避免地會出現(xiàn)差異化，即有的學(xué)生掌握技能的效率高，有的學(xué)生掌握技能的效率低。傳統(tǒng)教學(xué)無法針對這些差異對學(xué)生進行個性化的指導(dǎo)，容易出現(xiàn)學(xué)生無法提高現(xiàn)有效率的現(xiàn)象。

（二）平面銼削需要長時間的訓(xùn)練和耐心的磨煉，如果采用單一重復(fù)的教學(xué)形式，難以使學(xué)生保持操作的熱情

在教師講解和示范操作后，學(xué)生往往無法及時掌握技能，需要反復(fù)練習(xí)才能掌握平面銼削的基本技巧，而要達到加工圖紙中的目標要求，更是需要長時間的銼削練習(xí)和反復(fù)加工。銼削加工的環(huán)境惡劣，加工過程中體力消耗大，在平面銼削實訓(xùn)教學(xué)的中后階段，大部分學(xué)生會出現(xiàn)懶散甚至放棄訓(xùn)練的想法。長此以往，不僅達不到理想的教學(xué)效果，學(xué)生畢業(yè)后的工作也會成為相應(yīng)的難題[4]。

（三）平面銼削是鉗工實訓(xùn)中初次接觸精加工的基本技能，要達到所需的加工精度，需要操作者長期經(jīng)驗的積累

如根據(jù)積累銼削余量規(guī)律，當對工件進行粗加工（余量較大）時，應(yīng)盡量縮減測量次數(shù)，提高功效;細銼時，應(yīng)相應(yīng)增加測量頻率，同時相應(yīng)減少每次積累銼削的余量，防止尺寸超差[5]。學(xué)生在實訓(xùn)過程中很難對刀具尺寸、銼削余量、尺寸精度等因素進行合理選擇和協(xié)調(diào)控制，從而難以使加工出來的工件達到加工精度要求，信心上學(xué)生往往會受到打擊。

針對平面銼削實訓(xùn)教學(xué)中面臨的上述主要問題，本文將大數(shù)據(jù)技術(shù)融入平面銼削的實訓(xùn)教學(xué)過程中，通過建立銼削加工數(shù)據(jù)平臺，在對大量銼削加工操作者的多個維度的數(shù)據(jù)進行整合分析的基礎(chǔ)上，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，制定出個性化的加工指導(dǎo)方案，不僅提高了實訓(xùn)效率，而且降低了平面銼削實訓(xùn)過程中對加工精度進行控制的難度，增強了學(xué)生操作的信心。下面將對銼削加工數(shù)據(jù)平臺在平面銼削實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用過程做具體的闡述。

三、大數(shù)據(jù)分析在平面銼削實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)模式下的數(shù)據(jù)庫不是單一的數(shù)據(jù)表格，而是復(fù)雜的多維并行數(shù)據(jù)庫[6]。圖1所示的銼削加工數(shù)據(jù)平臺中收集了2017年3月至2018年12月期間不同操作者在進行平面銼削的過程中多個維度的數(shù)據(jù)，包括操作者個人信息數(shù)據(jù)庫、材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫、工具參數(shù)數(shù)據(jù)庫、加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫以及加工曲線數(shù)據(jù)庫。以矩形塊毛坯的某一平面的銼削加工為例，操作者在登錄銼削加工數(shù)據(jù)平臺后，錄入自己的個人信息（性別、體重和身高），選擇待加工毛坯的形狀（如長方形）和材料（如Q235），輸入毛坯的三維尺寸，選擇合適的銼刀型號。針對不同形狀的毛坯材料，銼削加工數(shù)據(jù)平臺中規(guī)定了相應(yīng)的表面代號，操作者應(yīng)根據(jù)加工要求選擇平面銼削加工的基準面和加工面。此外，操作者需要輸入本次銼削加工的目標尺寸和目標精度要求，如尺寸公差、平行度、垂直度等。操作者每次銼削過程的實際加工數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)表格導(dǎo)入的方式收集到銼削加工數(shù)據(jù)平臺中。

銼削加工數(shù)據(jù)平臺中同時收集了來自銼削監(jiān)控終端（圖2）操作者平時練習(xí)的反饋數(shù)據(jù)。在平面銼削的實訓(xùn)過程中，監(jiān)控終端對各個工位的操作者在一定時間內(nèi)出現(xiàn)操作失誤的次數(shù)進行統(tǒng)計記錄，統(tǒng)計的時間間隔為10min。每個工位的操作者對應(yīng)一個柱狀圖，柱狀圖的高低反映了該操作者出現(xiàn)失誤次數(shù)的多少。通過此監(jiān)控終端，教師不僅可以實時了解每個工位學(xué)生的平面銼削技能掌握情況，還可以適時地對出現(xiàn)失誤次數(shù)較多的學(xué)生進行針對性的指導(dǎo)，從而解決傳統(tǒng)平面銼削實訓(xùn)教學(xué)過程中學(xué)生習(xí)得技能的效率參差不齊及教學(xué)不具有針對性的問題。

在銼削加工數(shù)據(jù)平臺中，通過發(fā)掘操作者的個人信息、材料參數(shù)、工具參數(shù)、加工參數(shù)、加工曲線以及來自銼削監(jiān)控終端的反饋信息這六個維度的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，如某體重范圍的操作者進行平面銼削時容易發(fā)生尺寸超差，對A材料進行平面銼削加工時比對B材料進行平面銼削加工時需要較小的單次銼削加工量，平面銼削實訓(xùn)練習(xí)過程中出現(xiàn)失誤次數(shù)多的操作者的銼削加工量相對出現(xiàn)失誤次數(shù)少的操作者較為不穩(wěn)定等。通過對這些數(shù)據(jù)之間隱藏的關(guān)聯(lián)關(guān)系的發(fā)掘，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立銼削加工目標要求和銼削加工量之間的關(guān)聯(lián)模型（圖3），從而為操作者提供個性化的加工指導(dǎo)方案。

以某次實訓(xùn)教學(xué)中對Q235矩形毛坯的平面銼削加工為例，該毛坯的長、寬、高分別為40mm、10mm和30mm，待加工面為40×10mm的表面。加工的目標尺寸為40×10×29.9mm，加工面的平行度和垂直度要求為0.05mm，平面度要求為0.02mm，尺寸公差為±0.02mm。如圖4所示為銼削加工數(shù)據(jù)平臺中提供的李海波同學(xué)本次銼削加工的指導(dǎo)方案。該報表中的加工計劃提供了李海波同學(xué)完成本次銼削加工所需的加工次數(shù)（5次）和每次加工的銼削量。報表中的加工曲線體現(xiàn)了李海波同學(xué)逐步達到銼削加工目標尺寸要求的過程。通過分析加工計劃和加工曲線可知，第一、二次的銼削加工量均為0.03mm，第三次的銼削加工量為0.02mm，第四、五次的銼削加工量均為0.01mm，最后達到的總銼削加工量為0.1mm，符合先粗后精的銼削加工規(guī)律。該報表為學(xué)生的實際加工提供了清晰的個性化指導(dǎo)，使學(xué)生面對加工任務(wù)時能夠心中有數(shù)，進行有計劃的加工，避免盲目加工造成的尺寸超差、平面度和垂直度等不符合要求的情況，降低了學(xué)生操作過程中對加工精度進行控制的難度，增強了操作過程中的信心。

本文對比了三組學(xué)生在使用銼削加工數(shù)據(jù)平臺前后進行平面銼削的平均操作時長和加工成果，每組包括10名學(xué)生，統(tǒng)計結(jié)果如下表所示?？梢钥闯?，在使用銼削加工數(shù)據(jù)平臺后，每組學(xué)生的平均操作時長分別由8min、7min和8min減少到了5min、4min和4.5min。符合加工要求的工件數(shù)分別由使用前的3件、2件、3件增加到了6件、6件、5件。此外，在實訓(xùn)過程中，第1組中有兩位學(xué)生拿到加工圖紙后直接放棄了加工，原因是沒有信心完成圖紙中的加工精度要求，而在使用銼削加工數(shù)據(jù)平臺后，這兩位學(xué)生認為按照加工指導(dǎo)方案進行加工可以完成加工任務(wù)，積極開始嘗試銼削加工。由此可見，銼削加工數(shù)據(jù)平臺可以提高學(xué)生平面銼削的加工效率，減少原材料的浪費，并且可以降低銼削加工過程中進行精度控制的難度，增強學(xué)生操作的信心，提高銼削加工的成功率。

四、結(jié)語

本文從分析傳統(tǒng)平面銼削實訓(xùn)教學(xué)過程中存在的主要問題入手，將大數(shù)據(jù)技術(shù)融入平面銼削的實訓(xùn)教學(xué)過程中，建立了銼削加工數(shù)據(jù)平臺。該平臺通過挖掘平面銼削加工過程中不同維度數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立加工目標要求和銼削加工量之間的關(guān)聯(lián)模型，給操作者提供個性化的加工指導(dǎo)方案。該方法可以解決傳統(tǒng)平面銼削實訓(xùn)教學(xué)中缺乏教學(xué)針對性、教學(xué)形式單一以及初學(xué)者難以協(xié)調(diào)各方面因素對加工精度進行控制的問題，提高了傳統(tǒng)平面銼削加工的效率，增強了學(xué)生在操作過程中的信心。希望本文能給更多關(guān)注大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在傳統(tǒng)教學(xué)中應(yīng)用的研究工作者帶來幫助和啟發(fā)。

參考文獻：

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編輯 馮永霞