機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)裝置開發(fā)與設(shè)計(jì)

摘要：文章通過(guò)充分探討，彌補(bǔ)機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)中系統(tǒng)性機(jī)械測(cè)量技術(shù)的弱項(xiàng)，對(duì)各項(xiàng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行充分整合，設(shè)計(jì)制作系統(tǒng)化的跨崗位的機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)驗(yàn)證分析平臺(tái)，使各專業(yè)學(xué)生從“機(jī)械基礎(chǔ)”“互換性與測(cè)量技術(shù)”“機(jī)械零部件測(cè)繪實(shí)訓(xùn)”等課程的學(xué)習(xí)中全面進(jìn)行實(shí)踐鍛煉，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，為后續(xù)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，最大限度地滿足人才培養(yǎng)需求。

關(guān)鍵詞：測(cè)量研究；實(shí)踐教學(xué)；教具研發(fā)

中圖法分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 面臨的困難與發(fā)展情況

人們經(jīng)常提起的機(jī)械工程檢測(cè)技術(shù)，看似很平常的一個(gè)項(xiàng)目，卻是機(jī)械制造行業(yè)中的一個(gè)非常重要的核心技術(shù)，對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)零部件交換性有著舉足輕重的意義。它就是機(jī)械制造的“眼睛”，我們必須通過(guò)測(cè)量技術(shù)，才能準(zhǔn)確判斷產(chǎn)品的工藝是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求［１］ 。否則會(huì)“失之毫厘，謬以千里”。

高職院校在機(jī)械相關(guān)專業(yè)中，一直比較重視機(jī)械測(cè)量技術(shù)教學(xué)，但在其他工科和人文社科專業(yè)等，要么沒(méi)有相關(guān)實(shí)訓(xùn)，要么簡(jiǎn)單應(yīng)付。但是，如果在各專業(yè)都進(jìn)行一定的機(jī)械測(cè)量技術(shù)培訓(xùn)，并按專業(yè)相關(guān)度進(jìn)行“分層”實(shí)施，將會(huì)對(duì)各專業(yè)學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)和發(fā)展提供一定幫助。其中，機(jī)械測(cè)量技術(shù)涉及體積檢測(cè)、幾何誤差測(cè)量、表面粗糙度檢測(cè)、錐度和角檢測(cè)、螺紋檢測(cè)和齒輪檢測(cè)等。

由于測(cè)量技術(shù)實(shí)訓(xùn)需求較大，且涵蓋基礎(chǔ)訓(xùn)練、素質(zhì)訓(xùn)練、綜合訓(xùn)練、高端訓(xùn)練、創(chuàng)新訓(xùn)練等不同的階段要求，因此在不同的院校，學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效果也存在較大區(qū)別，主要問(wèn)題如表１ 所列。

對(duì)于高職層次的測(cè)量技術(shù)教學(xué)，相關(guān)的研究多數(shù)在機(jī)械專業(yè)的教學(xué)設(shè)備、教學(xué)方法、課程改革上。而對(duì)于跨專業(yè)綜合性的測(cè)量技術(shù)教學(xué)，則基本沒(méi)有研究［２］ 。本項(xiàng)目研究擬在擴(kuò)大測(cè)量技術(shù)課程開課規(guī)模，幫助各類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)與專業(yè)相適宜的基本測(cè)量技能實(shí)踐課程。

２ 機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)思路

２．１ 測(cè)量項(xiàng)目的選取

通過(guò)對(duì)學(xué)生專業(yè)分類教學(xué)需求的分析，從人文社科、非機(jī)械工科、機(jī)械專業(yè)３ 個(gè)層次進(jìn)行綜合考慮。

（１）人文社科類專業(yè)以工程認(rèn)知實(shí)踐為核心。

測(cè)量技術(shù)隨著制造業(yè)的出現(xiàn)和技術(shù)演變，一直存在于整個(gè)制造業(yè)進(jìn)程中。在職業(yè)教育培訓(xùn)中，測(cè)量技能應(yīng)作為一個(gè)必須掌握的基本技能。但因?yàn)檎n時(shí)限制，且測(cè)量技術(shù)理論與應(yīng)用的知識(shí)特別多，合理的教學(xué)計(jì)劃設(shè)置特別重要，在限定的課程時(shí)間內(nèi)，有些測(cè)量方面的知識(shí)點(diǎn)可以通過(guò)講座、參觀、簡(jiǎn)單作業(yè)或初步的練習(xí)來(lái)進(jìn)行掌握或者簡(jiǎn)單了解。因?yàn)椴簧俾殬I(yè)院校對(duì)歷史人文社科類的專業(yè)方面的認(rèn)識(shí)仍停留在固化的理論學(xué)習(xí)領(lǐng)域，其檢測(cè)設(shè)備較少或者缺乏，而日常生活的研究學(xué)習(xí)中，各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的檢測(cè)任務(wù)經(jīng)常存在，使得他們了解測(cè)量技術(shù)方面的工程實(shí)施、測(cè)量器材的使用方法等機(jī)會(huì)相對(duì)減少，工科素養(yǎng)差，測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)理論欠乏，基本技能缺失，導(dǎo)致其人文素養(yǎng)如“跛鴨”。

基于此，非常有必要強(qiáng)化人文社科類學(xué)生機(jī)械測(cè)量或者綜合檢測(cè)技能的培養(yǎng)，重點(diǎn)要求他們熟悉新產(chǎn)品概念及研發(fā)工作過(guò)程，了解一些代表性企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程，培養(yǎng)企業(yè)環(huán)境、安全、產(chǎn)品工藝、產(chǎn)品質(zhì)量等方面工程素質(zhì)，要求他們掌握產(chǎn)品實(shí)踐中比較常用的產(chǎn)品檢測(cè)設(shè)備的主要操作技能和一般讀數(shù)方式，了解各類量具的基本檢測(cè)工作原理。以被測(cè)工件的幾何長(zhǎng)度和幾何角度為主要檢測(cè)對(duì)象，了解幾種常見(jiàn)的測(cè)量方法。

該類學(xué)生主要以游標(biāo)式檢測(cè)設(shè)備和螺旋副式檢測(cè)設(shè)備作為主要測(cè)量設(shè)備，以所測(cè)工件的長(zhǎng)度和角度為主要檢測(cè)目標(biāo)，并重點(diǎn)檢測(cè)工件的基本參數(shù)。

（２）非機(jī)械工科學(xué)生除要求具有基本工程技術(shù)素質(zhì)，還必須掌握基本加工方法、基本質(zhì)量保證能力（質(zhì)量體系、檢測(cè)檢驗(yàn)）等。

要求學(xué)生會(huì)使用基本檢測(cè)設(shè)備，并熟悉其工作原理。除要求具有基本工程素養(yǎng)，還必須掌握基本制造技術(shù)、基本質(zhì)量保證能力（質(zhì)量體系、檢測(cè)檢驗(yàn)）、基本項(xiàng)目管理技能、基本施工技能等。因此，將角度、長(zhǎng)度、表面粗糙度、形位誤差的平行度和垂直度選作測(cè)量參數(shù)。另外，針對(duì)一些無(wú)法直接測(cè)量的特殊幾何參數(shù)，要求學(xué)生掌握相應(yīng)間接測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

（３）機(jī)械類工科學(xué)生在進(jìn)行測(cè)量技術(shù)實(shí)訓(xùn)以前，已經(jīng)掌握了部分工程技術(shù)基本理論，對(duì)工程圖紙、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、質(zhì)量管理等有一定的了解。所以，需要該類學(xué)生擁有科學(xué)成套的測(cè)量工程技術(shù)知識(shí)和技能，能夠熟練地應(yīng)用各種基本量具，也能夠靈活地應(yīng)用各種常規(guī)、現(xiàn)代的最新測(cè)量設(shè)備，并根據(jù)自己的創(chuàng)意設(shè)想，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到加工、測(cè)量的過(guò)程操作。

該類學(xué)生在校內(nèi)測(cè)量技術(shù)實(shí)踐課中，除常用游標(biāo)式和微動(dòng)螺旋副式測(cè)量設(shè)備，還需要熟悉如粗糙度儀、內(nèi)徑百分表、影像測(cè)量設(shè)備等儀器的應(yīng)用方式。

檢測(cè)對(duì)象主要以三維數(shù)據(jù)關(guān)系為主，需要學(xué)生針對(duì)被測(cè)目標(biāo)的三維特征，獨(dú)立制定檢測(cè)方案，并選取正確的檢測(cè)儀器，從而選擇多種不同的測(cè)量方法并將其相結(jié)合，來(lái)完成實(shí)踐活動(dòng)［３］ 。

綜合三類學(xué)生對(duì)不同學(xué)科的專業(yè)學(xué)習(xí)要求，本研究力求實(shí)現(xiàn)從普通了解到專業(yè)學(xué)習(xí)的分層化教學(xué)，以及先易后難、智能和自動(dòng)化并重的測(cè)量目標(biāo)，選取長(zhǎng)度、角度、粗糙度、齒輪的公法線長(zhǎng)度、直線度誤差、垂直度誤差、平面度誤差等參數(shù)為主，進(jìn)行教學(xué)教具的初步設(shè)計(jì)，并據(jù)此改進(jìn)。

２．２擬采取的測(cè)量技術(shù)

２．２．１ 激光器測(cè)量技術(shù)激光技術(shù)具有測(cè)量范圍更廣、測(cè)量時(shí)限更短、精度高、有非接觸式的優(yōu)異特性，特別適用于測(cè)量長(zhǎng)度、速度、位移、振動(dòng)等，將它作為檢測(cè)光源和適當(dāng)?shù)墓怆娖骷?，配合完成相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。它極大提高了機(jī)械測(cè)量的量程，以及線性度等參數(shù)的測(cè)量精確度。

（１）激光測(cè)距。

激光測(cè)距（長(zhǎng)度）的基本原理是：測(cè)定激光由被測(cè)目標(biāo)返回的時(shí)間（或調(diào)制信號(hào)的相位），由此得到激光發(fā)射器與被測(cè)目標(biāo)間的距離（長(zhǎng)度）。

較簡(jiǎn)便的一種計(jì)算方法是，把光速為ｃ 的激光射向被測(cè)對(duì)象，并測(cè)定其來(lái)回所花的總時(shí)間ｔ，從而得到激光器與被測(cè)對(duì)象間的距離ｓ，即：

式中，ｔ 為激光發(fā)出與接收到返回信息之間的總時(shí)間。

可以看出，短脈沖激光測(cè)距的精度主要依賴于時(shí)間的測(cè)量精度。要進(jìn)一步提高精度，需要激光脈沖頻率更高，并且激光接收器件的響應(yīng)速度要更快。因此，遠(yuǎn)距離測(cè)量激光源常使用輸出大功率激光器，而近距離測(cè)量激光源主要使用小型半導(dǎo)體激光器。

（２）激光測(cè)長(zhǎng)。

用不同的激光作為光源測(cè)量，其測(cè)量距離可以達(dá)到幾十公里。一般測(cè)長(zhǎng)范圍不超過(guò)１０ ｍ，其測(cè)量精度可保證在０．１ μｍ 以內(nèi)。

（３）三維激光掃描。

１） 激光雷達(dá)（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ，簡(jiǎn)稱ＬＩＤＡＲ）原理是應(yīng)用激光測(cè)距的原理，測(cè)定目標(biāo)空間位置參數(shù)的一類新型測(cè)量設(shè)備，利用激光逐點(diǎn)跟蹤測(cè)定激光器到被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)間的直線距離，以及相對(duì)空間偏移來(lái)獲得目標(biāo)點(diǎn)的三維空間定位。據(jù)此，通過(guò)激光器對(duì)物體表面的三維高速、逐點(diǎn)掃描，便可獲得物體的完整三維表面模型。而三維激光全息掃描測(cè)量技術(shù)的主要測(cè)量?jī)?nèi)容即為精確檢測(cè)目標(biāo)物體的三維立體構(gòu)造形態(tài)及三維空間立體特征，從而能夠重構(gòu)目標(biāo)模型，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更全面的后期幾何結(jié)構(gòu)處理、解析結(jié)構(gòu)特征，如各種基本參數(shù)以及結(jié)構(gòu)位移及變化關(guān)系，并可以分析各種結(jié)構(gòu)特征等，從而為各種基于三維模型的工程技術(shù)應(yīng)用而服務(wù)［４］ 。

傳統(tǒng)三維測(cè)量技術(shù)一般僅用于測(cè)量目標(biāo)的一個(gè)或多個(gè)不連續(xù)定位點(diǎn)的空間位置、定位數(shù)據(jù)等特征。

僅用于測(cè)量各種定位點(diǎn)數(shù)據(jù)以及相互之間的基本幾何尺寸，如長(zhǎng)度、間距、位置變化、點(diǎn)的位移等。

２）三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理使用三維激光掃描儀在構(gòu)建復(fù)雜實(shí)體三維幾何模型時(shí)，必須收集大量的復(fù)雜的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型的應(yīng)用范圍、不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特性，數(shù)據(jù)采集、處理的過(guò)程和實(shí)現(xiàn)方式也不盡相同。概括地說(shuō)，三維立體掃描的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理流程包括數(shù)據(jù)信息采集、預(yù)處理、幾何建模重構(gòu)和模型可視化、模型再應(yīng)用等，主要是模型重建。

數(shù)據(jù)采集是模型重構(gòu)的前提條件，主要涉及傳感器的應(yīng)用；數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重構(gòu)提供可靠的數(shù)據(jù)，提高模型重構(gòu)的精度和速度，降低模型重構(gòu)的復(fù)雜性，包含數(shù)據(jù)的各種處理等；模型重構(gòu)階段包含的內(nèi)容有三維建模的重構(gòu)與整形、對(duì)特殊信息數(shù)據(jù)的處理等。在具體應(yīng)用時(shí)，要針對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)的差異和建模的需求，選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄅc手段。

本研究擬采用高速單片機(jī)配置高精度激光測(cè)距傳感器，并采用相位測(cè)試法進(jìn)行長(zhǎng)度和距離測(cè)試。

２．２．２ ３Ｄ?ＭＥＭＳ 技術(shù)

微機(jī)電（ＭＥＭＳ） 本質(zhì)上是一種把微型機(jī)械零組件（如傳感器等）和電子控制電路整合到同一塊半導(dǎo)體上的技術(shù)， 利用了芯片的機(jī)、電２ 種特性。３Ｄ?ＭＥＭＳ 是把硅片制造為成三維立體的結(jié)構(gòu)，具有極高的精度、微功耗和微尺寸，更易于集成生產(chǎn)。利用該技術(shù)的傳感器僅由微小硅片就能制成，并且可以檢測(cè)空間各向加速度。還能夠?yàn)樘厥鈭?chǎng)合使用時(shí)提供理想的機(jī)械阻尼。而功率消耗極少，這使得它在采用自帶電源驅(qū)動(dòng)時(shí)具有更好的優(yōu)勢(shì)。

電容式３Ｄ?ＭＥＭＳ 的作用機(jī)理是在該傳感器芯片中，三維空間方向各向的移動(dòng)或傾斜會(huì)導(dǎo)致活動(dòng)硅部分的少量位移，從而使得活動(dòng)器件與靜止元件之間的動(dòng)態(tài)電容改變。通過(guò)對(duì)同一封裝上的接口器件的數(shù)據(jù)處理與變換，將其較微弱的電容波動(dòng)轉(zhuǎn)換為與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)的動(dòng)態(tài)模擬電壓。而一般模擬量采樣的方式主要有２ 種，即壓電電阻式與靜電電容式，其中靜電電容式功耗更低［５］ 。

本研究擬采用高精度電容式ＭＥＭＳ 傳感器，并采用電路進(jìn)行校準(zhǔn)和角度測(cè)試。

３ 結(jié)束語(yǔ)

本研究根據(jù)職業(yè)院校各專業(yè)的特點(diǎn)，分析了各專業(yè)對(duì)機(jī)械測(cè)量技術(shù)的３ 個(gè)層次的不同需求，以及不同職業(yè)院校中的相關(guān)設(shè)備的欠缺、教學(xué)活動(dòng)的不足，闡述了常用的現(xiàn)代機(jī)械測(cè)量技術(shù)原理和方法，以此為基礎(chǔ)設(shè)置了統(tǒng)一的機(jī)械測(cè)量技術(shù)訓(xùn)練器具和項(xiàng)目，并引入了數(shù)字智能測(cè)試的概念與方法，與高職實(shí)踐教學(xué)及檢測(cè)技術(shù)實(shí)踐緊密結(jié)合，也可根據(jù)需要進(jìn)行系統(tǒng)化的升級(jí)，使各專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)不同專業(yè)的同時(shí)，掌握應(yīng)知應(yīng)會(huì)的工科基礎(chǔ)測(cè)量技術(shù)，對(duì)其在專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和研究提供更有效的幫助，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)學(xué)生的其他課程學(xué)習(xí)都能起到一定的幫助作用。

參考文獻(xiàn)：

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［２］ 楊麗艷．檢測(cè)技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)中的實(shí)際運(yùn)用［Ｊ］．現(xiàn)代國(guó)企研究，２０１８（２４）：１５４．

［３］ 盧曉智，陳俊超，高祖宇．檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的應(yīng)用［Ｊ］．科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，２０１８（１０）：１７４?１７５．

［４］ 趙晶晶，王明路．檢測(cè)技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用探討［Ｊ］．中國(guó)設(shè)備工程，２０１８（５）：８９?９０．

［５］ 裘祖榮，石照耀，李巖．機(jī)械制造領(lǐng)域測(cè)量技術(shù)的發(fā)展研究［Ｊ］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，２０１０，４６（１４）：１?１１．

作者簡(jiǎn)介：龔安順（１９７５—），本科，副教授，研究方向：智能控制、新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)。