劉宇+王遷

摘 要 傳統(tǒng)加工中只考慮數(shù)控機床或加工過程本身，缺乏對加工過程中數(shù)控機床和加工過程的交互作用的綜合理解。針對于對本科生對傳統(tǒng)數(shù)控加工比較熟悉而缺乏對智能加工技術(shù)的系統(tǒng)理解，設(shè)計了一套智能加工試驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)大學(xué)生對智能加工技術(shù)理論與實踐的結(jié)合，并能提高對先進傳感器技術(shù)以及信號檢測和信號處理技術(shù)的認識。

關(guān)鍵詞 智能加工技術(shù) 信號檢測 教學(xué)改革 教學(xué)實踐

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.12.054

The Thinking and Practice of the Intelligent Processing

Technology in the Undergraduate Teaching

LIU Yu， WANG Qian

（School of Mechanical Engineering and Automation， Northeastern University， Shenyang 110819）

Abstract The traditional processing only considers the numerical control machine tool or the process itself， however， it always lack the comprehensive understanding of the interactive influences between the numerical control machine tool and the processing process. It is important to design a set of intelligent processing experiment system for the undergraduate students that are more familiar with the traditional CNC machining and lack of understanding to the intelligent processing technology system. After that， it can improve the understanding of advanced sensor technology and signal detection and signal processing technology.

Key words Intelligent processing technology； signal detection； teaching reform； teaching practice

0 引言

智能加工技術(shù)是在傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合先進的傳感器技術(shù)以及信號處理技術(shù)等對加工過程進行實時狀態(tài)監(jiān)測和過程反饋，對加工過程參數(shù)進行評估和調(diào)整，從而達到既滿足經(jīng)濟性又不破壞零件表面質(zhì)量的目的。智能加工技術(shù)作為一種優(yōu)越的加工技術(shù)現(xiàn)已得到越來越多的關(guān)注和使用，因此在實際教學(xué)中引入其介紹是有一定必要的。另外，智能加工技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的課程，尤其涉及測試技術(shù)、控制理論、信息論、計算機、數(shù)學(xué)等多種學(xué)科。該課程不僅知識點多，牽涉面廣，而且一味只是在課堂上采取傳統(tǒng)的口頭授課方式不能使學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握智能加工的理論知識以及實際動手操作分析和解決問題的能力。但是由于智能加工中所使用的傳感器，信號采集和測試等硬件系統(tǒng)的價格昂貴，大學(xué)生很少有機會接觸這些設(shè)備，使得對于智能加工的了解只停留在理論層面上。因此我校機械電子工程研究所在學(xué)校的支持下建立了智能加工教學(xué)試驗臺，從理論和實踐角度全方位培養(yǎng)同學(xué)們對智能加工的了解，為社會培養(yǎng)全面熟練掌握智能加工技術(shù)的實用型技能人才。

1 智能加工傳統(tǒng)方法

智能加工的典型方法是利用各種先進的傳感器采集加工過程中的信號，再利用信號檢測和故障識別技術(shù)，對加工過程中的振動、切削溫度、刀具磨損以及設(shè)備的運行狀態(tài)等進行監(jiān)測，根據(jù)預(yù)先建立的系統(tǒng)控制模型，實時調(diào)整加工參數(shù)?，F(xiàn)在國內(nèi)外大多采用的傳感設(shè)備有加速度傳感器、位置傳感器、傳聲器等，加速度傳感器是最常使用的傳感器，它直接檢測機械結(jié)構(gòu)的振動加速度信號。常用的位置傳感器有電渦流位置傳感器和激光測振儀。電渦流傳感器相對于金屬而言是可用的，而激光測振儀是比較昂貴的設(shè)備。噪聲傳感器在進行機械設(shè)備狀態(tài)檢測時使用比較多。不同傳感器采集到的振動信號不同，但都能反映振動的特性，在實際應(yīng)用中可以根據(jù)機械設(shè)備和結(jié)構(gòu)特征選擇傳感器類型。在選擇傳感器時同時也應(yīng)考慮量程、分辨率、頻率響應(yīng)范圍等性能參數(shù)。

傳感器作為采集信號的首要環(huán)節(jié)，信號采集設(shè)備則是溝通傳感器和計算機軟件設(shè)備的橋梁，利用信號采集設(shè)備將傳感器信號采集到計算機在進行分析處理。信號采集系統(tǒng)應(yīng)具有大動態(tài)范圍、高分辨率、多通道、同步采集的特點。目前世界上先進的信號采集設(shè)備有丹麥B&K公司的BK3560B、以及美國NI公司的各類信號采集卡如NI9234數(shù)據(jù)采集卡、NI6009數(shù)據(jù)采集卡等。

2 智能加工技術(shù)試驗臺的建設(shè)

2.1 系統(tǒng)組成

在本科生教學(xué)過程中為了能夠更全面地介紹智能加工技術(shù)，除了課堂上教師講授的理論知識外，更應(yīng)該強調(diào)學(xué)生在實際中的應(yīng)用。因此，在介紹時應(yīng)從硬件和軟件兩條主線出發(fā)，向?qū)W生全面系統(tǒng)介紹智能加工技術(shù)的組成、使用以及原理。為了使本科生能更好地掌握智能加工技術(shù)，設(shè)計的試驗系統(tǒng)應(yīng)具有可實現(xiàn)性、可操作性和實用性的特點，能夠幫助學(xué)生更快地掌握先進的傳感技術(shù)、信號采集技術(shù)、信號檢測和故障診斷技術(shù)。

為了適合本科生教學(xué)，進行了智能加工技術(shù)方面的教學(xué)研究，開發(fā)了一個試驗裝置，其組成結(jié)構(gòu)包括硬件組成和軟件組成。其中硬件組成包括美國NI公司的9234數(shù)據(jù)采集卡、美國PCB公司的單向加速度傳感器352C04、計算機一臺以及小型微銑床一臺（系統(tǒng)中硬件設(shè)備的具體參數(shù)如表1），能實現(xiàn)對機械系統(tǒng)的信號采集。系統(tǒng)的軟件部分是利用Labview圖像化編程軟件編制的振動信號狀態(tài)監(jiān)測軟件。該套軟件可實現(xiàn)對振動信號的實時采集，設(shè)置采樣頻率、采樣時間和采集通道等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集到振動信號并利用小波分析的信號分析方法從振動信號提取小波模極大值作為狀態(tài)監(jiān)測值，通過預(yù)先設(shè)定的閾值識別設(shè)備狀態(tài)，一旦檢測到設(shè)備出現(xiàn)故障立即向機床控制程序發(fā)出指令調(diào)整加工參數(shù)，避免設(shè)備發(fā)生故障，另外軟件中也包括一些關(guān)于信號的時域、頻域和時頻域分析方法，這樣使學(xué)生能掌握多種信號分析手段（系統(tǒng)組成如圖1所示）。

2.2 試驗臺在教學(xué)中的作用

為了使試驗臺在教學(xué)中更好發(fā)揮作用，教師應(yīng)當(dāng)首先安排課程進行理論知識講解，包括傳感器的特性和使用方法、信號采集的基礎(chǔ)知識、信號采集設(shè)備的使用和一些常用的信號分析方法。使學(xué)生在實際動手前先對硬件設(shè)備的使用有一定的了解，不至于在使用時由于理論知識不足而造成傳感設(shè)備和采集設(shè)備的誤用或損壞。理論知識講解結(jié)束后教師可安排實際操作課程，向同學(xué)介紹試驗系統(tǒng)和講解軟件系統(tǒng)的使用。這樣通過前期的準(zhǔn)備和后期的實際應(yīng)用使教師能夠更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也使學(xué)生更能放心大膽地使用試驗設(shè)備。

圖1 教學(xué)試驗臺系統(tǒng)組成

在實際操作的過程中，教師首先應(yīng)進行適當(dāng)?shù)难菔?，手把手的向?qū)W生教授傳感器和信號采集卡的使用，在軟件部分教師應(yīng)先講授采樣頻率、采樣點和采集通道的設(shè)置，另外教師也應(yīng)講授關(guān)于信號的時域和頻域和時頻域分析方法，這樣能使學(xué)生在實踐中掌握這些先進的信號分析方法并學(xué)習(xí)到這些方法的優(yōu)缺點和適用場合和使用條件等。另外，在教學(xué)中試驗中微銑床可能不會像工廠中實際加工信號那樣復(fù)雜和具有真實性，這樣對于各種信號分析手段理解不夠透徹，所以在實際操作中如果檢測不到設(shè)備故障可以利用系統(tǒng)軟件仿真故障信號在對其進行分析，使學(xué)生不僅能夠掌握傳感技術(shù)和信號采集技術(shù)也能夠?qū)Ω鞣N信號分析方法有更直觀的了解，在以后的學(xué)習(xí)中也能印象深刻，并且學(xué)以致用。

在上課過程中不僅要教會學(xué)生正確的操作，更要讓學(xué)生放心大膽地去嘗試錯誤的操作，這樣才能對正確的操作有更深的印象。

3 智能加工技術(shù)本科生教學(xué)實踐的思考

3.1 試驗臺的主要特點

針對本科生教學(xué)中對智能加工只停留在理論層面而不注重實際操作而提出的試驗系統(tǒng)具有如下特點：（1）易操作性：試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，由傳感器、信號采集設(shè)備和軟件系統(tǒng)所組成，只要具備一定的信號采集基礎(chǔ)知識和電腦操作能力便能使用試驗設(shè)備。（2）實用性：試驗設(shè)備包括硬件部分和軟件部分，在設(shè)計階段就考慮了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和適用能力，通過對試驗設(shè)備的實踐操作使學(xué)生能夠?qū)π盘柌杉头治龇椒ㄓ懈畹牧私?，這些知識無論是在以后其他的課程學(xué)習(xí)或是以后工作過程中都有很大幫助。（3）可實現(xiàn)性：試驗設(shè)備選用的硬件設(shè)備如傳感器和數(shù)據(jù)采集卡易于購置、性能優(yōu)良，軟件是利用Labview軟件編寫，它是一種圖形化的編程語言，操作界面簡單，程序可讀性好，功能易于實現(xiàn)。

3.2 試驗臺存在的不足

試驗設(shè)備盡管能使學(xué)生對智能加工有更深的了解，但是終究與工廠中使用的智能加工技術(shù)有一定差別。一方面，該試驗設(shè)備只是使用一個單向加速度傳感器采集振動信號，并沒有使用現(xiàn)在比較流行的多重傳感器采集技術(shù)，使學(xué)生只能掌握一種傳感器的使用方法和特性不能掌握多種傳感器，另外，單一的傳感信號分析比較片面而不是很全面。另一方面，由于使用的傳感器和數(shù)據(jù)采集卡價格比較昂貴，不能夠使學(xué)生一人擁有一套試驗設(shè)備，只能通過分組的方式進行教學(xué)，每個學(xué)生學(xué)習(xí)的時間會縮短，這樣可能使學(xué)生對一些知識學(xué)習(xí)得不夠透徹。

3.3 下一步要進行的工作

基于以上存在的問題，可以做針對性的解決方案。教師在向?qū)W生授課之前應(yīng)進行適當(dāng)培訓(xùn)，一些教師不能完全系統(tǒng)的掌握這些信號采集和分析方法，所學(xué)的知識可能與企業(yè)的實際應(yīng)用脫節(jié)。因此，為了更好地向本科生介紹智能加工技術(shù)，學(xué)校應(yīng)鼓勵教師們?nèi)スS中參觀學(xué)習(xí)，深入了解企業(yè)實際需求以及智能加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以實際行動不斷優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件部分的設(shè)計，在進行本科教學(xué)，這樣能將企業(yè)中的第一手需求和應(yīng)用帶給學(xué)生，從而為社會培養(yǎng)具備先進智能技術(shù)的專業(yè)技術(shù)人才。在本科生教學(xué)中，相對于建立更全面系統(tǒng)的試驗系統(tǒng)，更應(yīng)該強調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否學(xué)到教師教授的知識，建立單傳感器系統(tǒng)，簡單直接，所學(xué)即所用。另外在教學(xué)中使用分組教學(xué)的方式盡管縮短學(xué)生的學(xué)習(xí)時間，但是教師可以讓學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，做到心中有數(shù)。

另外，實驗室還應(yīng)制定一套具體的試驗設(shè)備使用方法說明書，這樣使學(xué)生從說明書和教師教授兩方面掌握正確使用試驗設(shè)備的方法，避免由于使用不當(dāng)造成設(shè)備的損壞。

4 結(jié)束語

智能加工技術(shù)試驗設(shè)備是順應(yīng)當(dāng)前企業(yè)工廠加工使用方法對本科教育提出的課程改革，以提高學(xué)生對智能加工技術(shù)的了解而建立起來的，使學(xué)生在具體操作中掌握先進的傳感技術(shù)、信號采集和分析、狀態(tài)監(jiān)測和故障識別技術(shù)，讓學(xué)生對智能加工的理解具體而生動，從而實現(xiàn)“教“與”學(xué)“的最佳組合。教學(xué)過程中更強調(diào)以學(xué)生為中心，在教師的指導(dǎo)下結(jié)合以往學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)知識，利用試驗系統(tǒng)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實踐能力，成為掌握先進智能加工技術(shù)的專業(yè)型人才。

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