科研反哺在數(shù)控技術(shù)實驗教學中的探索

劉偉 劉順

摘要：以數(shù)控技術(shù)實驗教學目標為基礎，通過科研反哺，示范性開設三弧段等距型面軸磨削基礎實驗，并開創(chuàng)性設置砂輪位移在線測量實驗。通過該綜合性、創(chuàng)新性實驗，全方位鍛煉學生的創(chuàng)新意識和科研能力，有效提高本科生綜合應用專業(yè)基礎知識解決實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：科研反哺;數(shù)控技術(shù);實驗教學;磨削

《數(shù)控技術(shù)》屬于機械設計制造及其自動化專業(yè)本科生一門承上啟下的專業(yè)基礎課程，其重點在于應用數(shù)字信息（即數(shù)控程序）對機械運動和工作過程進行控制。實驗教學是學生利用儀器設備控制實驗對象的變化，通過觀察、測定和分析，驗證并鞏固課程知識，培養(yǎng)動手能力、觀察分析能力、創(chuàng)新能力的一種實踐性教學形式，在基礎課和專業(yè)課中廣泛應用[1]。實驗教學屬于實踐教學的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是高等教育人才培養(yǎng)的重要組成部分。當前數(shù)控技術(shù)實驗教學主要局限于課程理論的驗證，內(nèi)容相對比較傳統(tǒng)、常規(guī)，難以激發(fā)學生的學習興趣與創(chuàng)新思維，無法充分體現(xiàn)學生的主觀能動性[2]。為了加強實驗教學的深度與質(zhì)量，充分培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、科研能力，在實驗教學中有必要設置綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗[3]。綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗的開展對實驗教師的能力與素質(zhì)提出了很高的要求，科研型教師將最新的科研成果融入實驗教學，將科研反哺教學，以科研推動理論學習。

一、科研反哺實驗教學的意義

實驗教學與理論教學有著較大的差異性。理論教學要求教師對學科專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)了然于胸，在教授書本知識的同時，穿插最新研究成果對書本知識予以補充。實驗教學則需要教師掌握豐富的實驗經(jīng)驗和技能，在講授專業(yè)知識之余，還應傳授學生原理性知識以及科研技能，培養(yǎng)學生的科研興趣，初步掌握一些科研的思路和技能。

教學和科研是高校教師的基本職能，兩者是互相依存、相輔相成的。教師通過科研可以提高研發(fā)水準，學生則可以通過教師的科研反哺教學培養(yǎng)實踐精神。教師通過科研可以使自己平時在課堂教學或者實驗教學中碰到的問題得以驗證和解決，以科學研究驗證現(xiàn)有理論和開創(chuàng)新成果?？蒲心軌蚴菇處熣莆兆钚碌膶I(yè)理論和技能，豐富和拓展教師學術(shù)能力和執(zhí)教水平。

科研反哺教學，將最新的科研成果融入教學當中，建立科研與教學的有機結(jié)合、相輔相成的長效機制，實現(xiàn)科研與教學的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一發(fā)展，不失為一種處理科研與教學關(guān)系的有效途徑[4]。通過科研反哺教學，在幫助學生鞏固理論知識和鍛煉實踐能力的基礎上，還可以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的綜合能力。同時，實驗教學亦是科研的催化劑，有助于對科研成果進一步拓展與驗證，有助于教師建立更加清晰的科研思路及脈絡。

因此，科研反哺實驗教學的意義在于以下方面。

（1）教師通過多年科研經(jīng)驗，掌握了一定的先進實驗技能，了解本學科最新的專業(yè)技術(shù)，因此可以傳授學生書本之外的實驗技能，使學生提前掌握讀研或者工作后才能接觸到的技能，從而培養(yǎng)出具有實踐經(jīng)驗的技術(shù)型人才。

（2）教師基于自身科研課題需求，需要用到先進儀器設備，或者對實驗設備進行改造發(fā)揮其最大作用，甚至開發(fā)新的實驗儀器。通過若干科研研究，教師對實驗設備的性能、構(gòu)造等有著透徹的了解，對實驗原理有著深刻的見解，使得教師在傳授知識時表達得更加透徹、易懂。教師亦可總結(jié)一些貼合書本理論且具有實際意義的綜合性、創(chuàng)新性實驗，從而達到理論指導實踐的目的。

（3）教師的科研課題往往是某學科中處于比較前沿、比較廣泛的項目，課題的完成可以解決企業(yè)實際生產(chǎn)過程中遇到的理論、實際問題。將科研中涉及的理論和技術(shù)轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，開展一系列項目性實驗，能使學生在學習實驗技能的同時，體驗科學研究的過程，可以使學生層次提高、教師獲益，并且使科研的意義得到升華。

二、三弧段等距型面軸數(shù)控磨削實驗教學設計

（1）三弧段等距型面軸磨削基礎。三弧段非圓等距型面是非圓等距型面中圓弧多邊形應用最廣泛的一種截面輪廓。非圓等距型面是指型面的非圓廓形等尺寸性，即輪廓上任意對應的兩條相互平行的切線距離相等的性質(zhì)[5]。非圓等距型面輪廓是型面無鍵聯(lián)接件的典型廓形，其在軸轂動力傳遞中具有自動定心、傳遞大扭矩、傳遞效率高、應力集中小等特點，在礦山機械、鍛壓機械、鑄造機械等方面有著廣泛的應用[6]。當前非圓等距型面輪廓加工大都采用軌跡法，工件繞自身軸線轉(zhuǎn)動，刀具在兩個坐標方向作往復運動，屬于三軸聯(lián)動加工，該制造工藝運動較復雜，對機床的性能要求較高。為簡化三弧段非圓等距型面軸加工工藝，引入X-C兩軸聯(lián)動磨削技術(shù)。工件繞其主軸C軸旋轉(zhuǎn)，砂輪繞其中心逆時針旋轉(zhuǎn)，同時砂輪隨著工件的旋轉(zhuǎn)沿X軸直線往返運動，加工過程中需確保工件與砂輪始終處于相切狀態(tài)。

（2）三弧段等距型面軸磨削數(shù)控程序編制。三弧段等距型面軸的截面輪廓不規(guī)則，輪廓曲率半徑不斷變化，但是可以用函數(shù)表示廓形曲線。三弧段等距型面軸數(shù)控磨削與外圓磨削明顯不一致，要實現(xiàn)其X-C聯(lián)動磨削，需要對其截面輪廓進行插補。X-C聯(lián)動磨削一般按照C軸每轉(zhuǎn)1°或0.5°來計算砂輪在X軸方向的位移，即砂輪在每一個等分角度轉(zhuǎn)角點對應的位移，其位移變化量相對較小，可以直接采用直線插補。根據(jù)三弧段等距型面軸的廓形函數(shù)與X-C聯(lián)動磨削數(shù)學模型，即可求得工件轉(zhuǎn)角與砂輪位移的對應數(shù)據(jù)表，將該數(shù)據(jù)表導入回轉(zhuǎn)類非圓零件數(shù)控加工程序模塊，最終生成三弧段等距型面軸X-C聯(lián)動磨削數(shù)控程序。數(shù)控技術(shù)實驗教學的重點在于讓學生熟悉數(shù)控機床的坐標系、數(shù)控加工的指令及程序結(jié)構(gòu)，并掌握數(shù)控加工程序的編制。三弧段等距型面軸磨削數(shù)控程序編制可以充分體現(xiàn)該教學目標。

（3）三弧段等距型面軸數(shù)控磨削實驗。三弧段等距型面軸數(shù)控磨削實驗在非圓高速數(shù)控磨床上進行，實驗具體過程為：選用合適的砂輪類型與尺寸、冷卻液類型;打開電源，開啟數(shù)控機床;將工件安裝在頭架與尾架間并固定好位置，對工件的X和Z軸對刀;手動操作機床回零，根據(jù)對刀時的X、Z值修改程序中保存的X、Z初始坐標值;設定恰當?shù)纳拜喚€速度、磨削深度、工件轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù);選擇編制的數(shù)控程序，讓機床進行自動磨削加工;待實驗完畢后按照要求關(guān)閉數(shù)控機床;斷開數(shù)控機床電源，清潔并整理實驗儀器和設備，將實驗儀器和設備歸位，打掃實驗現(xiàn)場。通過數(shù)控磨削加工實驗，學生可以了解非圓高速數(shù)控磨床的機械結(jié)構(gòu)特點、基本操作，加深對數(shù)控機床坐標系、數(shù)控指令的理解，拓展機械制造相關(guān)理論的認識與應用。

三、數(shù)控磨削砂輪位移在線測量拓展實驗設計

三弧段等距型面軸X-C聯(lián)動磨削會產(chǎn)生很大的加速度，磨床的伺服系統(tǒng)響應滯后，砂輪位移達不到程序預期目標，使工件磨削不充分，存在較大誤差，影響工件的加工精度與使用性能。三弧段等距型面軸X-C聯(lián)動磨削砂輪位移在線測量平臺包括激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀，以及固定傳感器的磁力座、螺栓和螺母。激光位移傳感器通過螺栓和螺母固定并將螺栓用磁力座夾住，將磁力座吸附在尾架上，將連接線接好，使傳感器鏡頭平面與砂輪架前表面平行，并調(diào)節(jié)激光位移傳感器的傾角;打開新建的數(shù)據(jù)采集與分析界面，設置好采集通道中的激光位移傳感器的參數(shù);實驗前手動控制砂輪與三弧段等距型面軸最小圓弧半徑點接觸，采用激光位移傳感器測量初始距離;啟動數(shù)控程序，讓數(shù)控機床進行三弧段等距型面軸的磨削加工;激光位移傳感器和數(shù)據(jù)采集儀檢測得到不同時刻的砂輪位移，對砂輪位移數(shù)據(jù)進行分析。通過砂輪位移在線測量，使學生理解激光位移傳感器的工作原理，掌握其使用方法;理解數(shù)控磨削過程中存在的磨床伺服系統(tǒng)響應對X軸位移誤差影響的問題。

四、結(jié)語

結(jié)合數(shù)控技術(shù)課程及其實驗教學的具體情況，充分吸收科研項目中數(shù)控相關(guān)實驗，通過科研反哺數(shù)控技術(shù)實驗教學，示范性開設三弧段等距型面軸磨削基礎實驗，并開創(chuàng)性設置砂輪位移在線測量實驗，使學生熟悉掌握數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與基本操作、數(shù)控程序編寫、位移測量、數(shù)據(jù)采集分析處理、實驗報告撰寫等。同時通過全程參與，在設計實驗方案中提高學生的思維能力，搭建實驗平臺中提高動手能力，分析實驗數(shù)據(jù)中增強總結(jié)能力等，全方位綜合鍛煉創(chuàng)新意識和科研能力，對于有效提高學生綜合運用專業(yè)基礎知識解決實際工程問題的能力具有重要的意義，為進一步從事制造領(lǐng)域相關(guān)科學研究和企業(yè)生產(chǎn)實踐工作奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]馮文杰.機械工程基礎實驗教程[M].重慶：重慶大學出版社，2007.

[2]劉偉，伍俏平，羅榮.“機械工程基礎實驗”的教學現(xiàn)狀與改革探討[J].教育教學論壇，2017，（35）：112-113.

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[4]高磊，令狐浪，楊德志，等.科研反哺教學在藥學綜合實驗中的實施[J].基礎醫(yī)學教育，2020，22（6）：413-415.

[5]杜新宇，杜太生.型面無鍵聯(lián)接及制造[M].武漢：華中科技大學出版社，2016.

[6]劉春孝，王海燕.型面聯(lián)接研究綜述[J].焦作大學學報，2008，（3）：69-70.