智能制造背景下“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)更新探索*

劉 永 ，陳 誠(chéng) ，王生懷 ，陳君寶 ，褚曉雯 ，周 旭

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

高校課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和操作能力，起到了理論課程教學(xué)無(wú)法替代的作用。近年來(lái)，相關(guān)的機(jī)電和自動(dòng)化類專業(yè)都進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[1-2]。在智能制造技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下，傳統(tǒng)的演示型、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已無(wú)法完成培養(yǎng)人才工程能力的課程目標(biāo)[3-4]。基于此，部分高校開發(fā)了設(shè)計(jì)型、開放型、創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5-6]，起到了較好的教學(xué)效果。隨著互聯(lián)網(wǎng)及虛擬制造技術(shù)的發(fā)展，高校逐步開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[7]。同時(shí)，為了突出培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，高校增加了相應(yīng)的零件加工實(shí)驗(yàn)課程[8-10]。針對(duì)湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其設(shè)備陳舊的問題，課題組更新了數(shù)控雕刻機(jī)加工零件、組合夾具設(shè)計(jì)組裝實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，更新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目能更好地適應(yīng)智能制造背景下企業(yè)機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，將實(shí)驗(yàn)由演示型、驗(yàn)證型轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合型、創(chuàng)新型和動(dòng)手型，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且滿足了課程目標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的本科機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的必修課。其課程目標(biāo)定位是通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具備機(jī)械工程師的專業(yè)素養(yǎng)、掌握機(jī)械制造領(lǐng)域的專業(yè)理論、具備初步分析及解決機(jī)械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的工程能力。湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院該課程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的課程目標(biāo)是讓學(xué)生掌握機(jī)械制造技術(shù)的實(shí)驗(yàn)手段和分析方法，能夠應(yīng)用機(jī)械制造技術(shù)及數(shù)學(xué)、力學(xué)等相關(guān)原理正確地表達(dá)機(jī)械產(chǎn)品制造與裝配中的工程問題，并能通過實(shí)驗(yàn)與分析得出有效結(jié)論。傳統(tǒng)的演示型、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)通常是教師動(dòng)手操作加講解、學(xué)生在旁觀看和聽講。看和聽的實(shí)驗(yàn)過程讓學(xué)生極容易走馬觀花，既沒有參與感及體驗(yàn)感，也很難激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，無(wú)法起到實(shí)驗(yàn)教學(xué)配合理論教學(xué)鞏固、消化課堂理論知識(shí)的作用，更談不上培養(yǎng)學(xué)生高階的分析、解決機(jī)械制造工程問題的能力和核心專業(yè)素養(yǎng)。該課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括車刀角度測(cè)量、切削力及切削熱測(cè)量、工藝系統(tǒng)剛度測(cè)量、機(jī)床主要部件拆裝、螺紋絲桿傳動(dòng)誤差測(cè)量、微型加工中心動(dòng)作模擬演示等。以湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院開設(shè)的車刀角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生可以用萬(wàn)能角度測(cè)量?jī)x測(cè)量外圓、內(nèi)圓、切斷、斷面車刀的前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角等角度，以此鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力。螺紋絲桿傳動(dòng)誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)、微型加工中心動(dòng)作模擬演示實(shí)驗(yàn)等的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是國(guó)內(nèi)高校開發(fā)的，具有集成性好的特點(diǎn)，而且學(xué)生可以用PLC控制器進(jìn)行控制。螺紋絲桿傳動(dòng)誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以先采集

再進(jìn)行事后分析，該實(shí)驗(yàn)可以對(duì)螺紋絲桿傳動(dòng)的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，但實(shí)驗(yàn)設(shè)備是封裝好的，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后只是訓(xùn)練了數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)傳動(dòng)誤差產(chǎn)生的原因并沒有深入認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的誤差產(chǎn)生原因分析不準(zhǔn)確、不到位。微型加工中心動(dòng)作模擬演示實(shí)驗(yàn)由PLC控制器控制，學(xué)生可以自己接線，在程序運(yùn)行后，再觀看實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)作。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以同時(shí)進(jìn)行6~7個(gè)實(shí)驗(yàn)，但這些實(shí)驗(yàn)側(cè)重于機(jī)電傳動(dòng)控制，與“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的關(guān)聯(lián)度不大，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備也是封裝好的，不具備開放性，無(wú)法進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。由此可見，在智能制造背景下，目前的課程實(shí)驗(yàn)已無(wú)法滿足課程的發(fā)展需要，需要更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 新開發(fā)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

2.1 數(shù)控雕刻機(jī)加工零件實(shí)驗(yàn)

課題組選購(gòu)了某公司生產(chǎn)的數(shù)控雕刻機(jī)，該設(shè)備為四軸聯(lián)動(dòng)、功率較小的數(shù)控銑床。工作臺(tái)可以沿X、Y軸移動(dòng)，通過步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲桿副連接，能使工作臺(tái)在X、Y軸方向聯(lián)動(dòng)。工作臺(tái)的三維模型如圖1所示。主軸豎直布置，其升降依靠Z軸的步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲桿副、直線導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。主軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)為小型交流伺服電機(jī)。

圖1 工作臺(tái)三維模型圖

數(shù)控雕刻機(jī)配有MACH3多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，由24 V直流電源供電，與X、Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)及主軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，再由Mach3數(shù)控加工軟件的G代碼程序輸出給上述驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)、急停按鈕及Z軸對(duì)刀等輸入信號(hào)輸入到該運(yùn)動(dòng)卡中時(shí)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就可以控制電機(jī)的動(dòng)作。在通用的三維設(shè)計(jì)軟件中建立加工零件的三維模型，保存成通用的文件格式輸出。將保存的文件在精雕軟件中打開，設(shè)置好加工的參數(shù)，如刀具類型、切入方式、退刀方式、加工表面、切削轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切深等。設(shè)置好參數(shù)后，在精雕軟件中運(yùn)行模擬加工過程，在沒有錯(cuò)誤報(bào)警后，保存生成TXT文件格式的數(shù)控程序G代碼。將生成的TXT文件導(dǎo)入到設(shè)備上的Mach3數(shù)控加工軟件中，通過對(duì)刀計(jì)算刀具機(jī)床原點(diǎn)和工件原點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，設(shè)置好兩者的相對(duì)距離，在Mach3軟件中完成X、Y、Z軸三個(gè)方向?qū)Φ?。設(shè)置好參數(shù)后，運(yùn)行加工數(shù)控程序，可以讓設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，直到加工過程完成。

加工的零件材質(zhì)為鋁型材板，其長(zhǎng)寬高分別為50 mm、50 mm、15.4 mm，采用直徑為4 mm立銑刀加工。實(shí)驗(yàn)前將零件圖發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生用三維設(shè)計(jì)軟件建立數(shù)字模型，并保存成通用文件格式。同時(shí)讓學(xué)生提前觀看錄制好的精雕、Mach3數(shù)控加工軟件操作視頻，要求學(xué)生根據(jù)視頻操作設(shè)置參數(shù)、完成模擬加工、生成G代碼以及熟悉Mach3數(shù)控加工軟件的加工操作過程。正式實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書，熟悉實(shí)驗(yàn)的目的、方法及操作流程。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由5~6名學(xué)生為1組，每組學(xué)生配備1名教師負(fù)責(zé)安全監(jiān)督及操作指導(dǎo)。操作前給設(shè)備水箱加好水，模擬切削過程時(shí)加入切削液，用簡(jiǎn)易的壓板將需要加工的工件夾緊。點(diǎn)擊設(shè)備啟動(dòng)按鈕，在手動(dòng)模式下對(duì)X、Y、Z軸三個(gè)方向?qū)Φ?。?duì)刀的目的是在程序中考慮刀具的機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)和工件坐標(biāo)原點(diǎn)O之間的位置關(guān)系，保證刀具從機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)出發(fā)時(shí)能從程序設(shè)置好的起點(diǎn)切入工件。X、Y軸對(duì)刀時(shí)刀具和工件的兩輪廓邊會(huì)出現(xiàn)接觸間隙，Z軸對(duì)刀時(shí)刀具盡量略高于零件上表面，以免刀具撞到工件。當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ嚯x較遠(yuǎn)時(shí)，將步進(jìn)電機(jī)的步距角調(diào)大些，選擇連續(xù)運(yùn)動(dòng)模式；當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ嚯x較近時(shí)，將步進(jìn)電機(jī)的步距角調(diào)小些，選擇點(diǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式。保存X、Y兩軸的對(duì)刀位置后，Z軸對(duì)刀采用設(shè)備上配置的能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀的專用對(duì)刀塊。該對(duì)刀塊實(shí)際是一種壓電式傳感器，將對(duì)刀塊放于工件上面，在軟件界面上點(diǎn)擊Z軸對(duì)刀按鈕，刀具會(huì)按程序設(shè)置好的較慢的速度向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)碰到對(duì)刀塊時(shí)，傳感器產(chǎn)生的壓電信號(hào)會(huì)反饋給機(jī)床程序控制系統(tǒng)，然后，控制程序會(huì)使主軸伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具上升。程序自動(dòng)減去對(duì)刀塊高度，以此獲得加工時(shí)刀具切入的Z軸坐標(biāo)。為保證切入時(shí)刀具不碰到工件表面，Z軸對(duì)刀時(shí)對(duì)刀塊和工件之間墊3~4張報(bào)紙，以保證切入時(shí)刀具和工件間有較小的間隙。對(duì)好刀后，導(dǎo)入G代碼數(shù)控程序，設(shè)備運(yùn)行開始自動(dòng)加工。加工完成后可以讓學(xué)生測(cè)量加工件的尺寸，并分析產(chǎn)生加工誤差的原因。

此實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型、動(dòng)手型實(shí)驗(yàn)，從零件三維建模、加工模擬、參數(shù)設(shè)置、數(shù)控實(shí)際加工、尺寸檢驗(yàn)、誤差原因分析、熟悉數(shù)控設(shè)備等多個(gè)角度鍛煉了學(xué)生分析、解決機(jī)械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。從效果來(lái)看，學(xué)生積極性較高，達(dá)到了課程目標(biāo)在實(shí)驗(yàn)部分的要求。

2.2 組合夾具設(shè)計(jì)組裝實(shí)驗(yàn)

機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的重要內(nèi)容。在理論課堂上，教師分析、列舉了工程實(shí)例，但由于缺乏實(shí)物，學(xué)生感性認(rèn)識(shí)不足，因此很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。隨著智能制造技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床及加工中心等裝備的使用越來(lái)越普遍。面對(duì)多品種、多規(guī)格的夾具生產(chǎn)類型，要求非標(biāo)工裝夾具的設(shè)計(jì)周期不能太長(zhǎng)，而傳統(tǒng)的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)存在周期長(zhǎng)、專用性強(qiáng)、柔性差的缺點(diǎn)，但創(chuàng)新的組合夾具可以彌補(bǔ)上述問題。

課題組選用某公司生產(chǎn)的組合夾具教具，材質(zhì)為鋁合金。每套配備多個(gè)工件，包括不同規(guī)格的定位塊、連接板、鉆套、對(duì)刀塊和夾緊裝置，還配備有圓形、方形的槽形底板，可以同時(shí)組裝15套不同的車床、銑床、鉆床、鏜床夾具。為方便指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)、裝配，同時(shí)還配有虛擬教學(xué)資源，在三維軟件上將設(shè)計(jì)的三維裝配圖生成可執(zhí)行文件，可形成動(dòng)態(tài)的爆炸圖動(dòng)畫。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中繪出設(shè)計(jì)的零件機(jī)械加工工序簡(jiǎn)圖、指明夾具上各個(gè)元件的作用、分析夾具是如何保證加工的工序尺寸及形位公差的。學(xué)生自己設(shè)計(jì)、動(dòng)手搭建組合夾具，既有感性認(rèn)識(shí)，又鍛煉了創(chuàng)新性、高階性分析和解決機(jī)械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)論

在智能制造背景下，為了讓實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更好地服務(wù)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)目標(biāo)，鍛煉學(xué)生的高階、創(chuàng)新思維能力及動(dòng)手實(shí)踐能力，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的挑戰(zhàn)度，課題組對(duì)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了更新。結(jié)果表明，更新的數(shù)控雕刻機(jī)加工零件和組合夾具設(shè)計(jì)組裝實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)固定、不具備開放性的問題，將課程實(shí)驗(yàn)由演示型、驗(yàn)證型轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合型、創(chuàng)新型和動(dòng)手型，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此外，更新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目很好地配合了課程的理論教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了智能制造背景下學(xué)生分析、解決機(jī)械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。