孟振華 李華偉 許巖東 袁方方

摘要：為了解決制約三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練教學(xué)中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于仿真技術(shù)的“理實(shí)結(jié)合”三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練教學(xué)方法。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)方法以工藝?yán)碚摓榛A(chǔ)，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)顯著提高了三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，該方法還有效利用了場(chǎng)地和設(shè)備等實(shí)驗(yàn)資源。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測(cè)量；工程訓(xùn)練；虛擬仿真；擬合算法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）09-0195-03

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種自動(dòng)化、智能化檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子、航空航天、國(guó)防等眾多領(lǐng)域。各用人單位對(duì)于具備三坐標(biāo)測(cè)量操作技能人員的需求也在日益增加，將三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練納入工程訓(xùn)練教學(xué)體系對(duì)培養(yǎng)學(xué)生面向現(xiàn)代制造的綜合能力意義重大。然而，三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練由于設(shè)備成本高、精密易損等原因始終難以在工程訓(xùn)練課程中規(guī)?；_(kāi)展。本文立足工程師培養(yǎng)，通過(guò)深入分析三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練中存在的問(wèn)題以及成因，提出一種基于虛擬仿真技術(shù)的“理實(shí)結(jié)合”三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練，并應(yīng)用于工程實(shí)踐課程教學(xué)。

一、現(xiàn)狀分析

三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練是現(xiàn)代工程訓(xùn)練課程體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，各高校也開(kāi)始對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練課程建設(shè)進(jìn)行探索。西安科技大學(xué)的杜媛英、尚長(zhǎng)春等通過(guò)多層次三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練項(xiàng)目豐富了三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練內(nèi)容，滿足不同能力水平學(xué)生的學(xué)習(xí)需求；南通大學(xué)的張竹青、趙南生等結(jié)合數(shù)控實(shí)訓(xùn)提出了項(xiàng)目式教學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。煙臺(tái)大學(xué)于2013年購(gòu)置了一臺(tái)海克斯康explorer 06.08.06三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，并針對(duì)各類科技競(jìng)賽以及實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目設(shè)計(jì)了相關(guān)的三坐標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)科目，并取得了預(yù)期成效。然而，三坐標(biāo)測(cè)量卻難以作為一個(gè)工程訓(xùn)練項(xiàng)目融入工程訓(xùn)練教學(xué)體系。

煙臺(tái)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)組織模式為：“并行分組，串行循環(huán)”，將200名學(xué)生分成多個(gè)小組，每個(gè)小組依序完成各工種的訓(xùn)練任務(wù)。根據(jù)“木桶效應(yīng)”，接納人數(shù)最少的工種決定了每個(gè)工種的分組人數(shù)。相比于其他訓(xùn)練工種，三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練無(wú)論是設(shè)備購(gòu)置成本還是訓(xùn)練室配套設(shè)施投入都相對(duì)較高。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)多數(shù)部件精密易損，對(duì)于操作技能和操作熟練程度要求較高。因此，現(xiàn)階段建設(shè)一座擁有10臺(tái)以上三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，同時(shí)接納25人以上的三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練室難度較大。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前多數(shù)高校只購(gòu)置了1臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，且多應(yīng)用于科研與學(xué)科競(jìng)賽等人數(shù)少、學(xué)時(shí)長(zhǎng)、層次高的活動(dòng)。工程實(shí)踐課程作為工程訓(xùn)練教學(xué)體系的第二層次，其教學(xué)重點(diǎn)為工藝技能訓(xùn)練，這就要求在教學(xué)過(guò)程中既要保證每名學(xué)生都能操作設(shè)備，又要滿足每名學(xué)生訓(xùn)練學(xué)時(shí)量的要求。單靠一臺(tái)設(shè)備只能是“一人操作、眾人圍觀”，顯然無(wú)法滿足工程實(shí)踐課程的訓(xùn)練要求。

二、教學(xué)改革

針對(duì)上述問(wèn)題，煙臺(tái)大學(xué)于2016年實(shí)施三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練教學(xué)研究改革，基于虛擬仿真技術(shù)建設(shè)“理實(shí)結(jié)合”的三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)，旨在從理論知識(shí)和工藝技能兩方面提升三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量。

理論知識(shí)方面補(bǔ)充測(cè)點(diǎn)擬合算法作為三坐標(biāo)測(cè)量工藝的理論基礎(chǔ)。常見(jiàn)的測(cè)點(diǎn)擬合算法有最小二乘法、拉格朗日插值法、牛頓迭代法等。鑒于學(xué)生的理論課程學(xué)習(xí)程度，最小二乘法算法只涉及高等數(shù)學(xué)求導(dǎo)運(yùn)算和線性代數(shù)矩陣計(jì)算等基礎(chǔ)知識(shí)，其原理易于理解，適合作為三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練的理論教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)最小二乘法學(xué)習(xí)可以從理論層面理解各種幾何要素的生成過(guò)程以及測(cè)點(diǎn)策略，為后續(xù)實(shí)踐操作夯實(shí)了基礎(chǔ)。

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于工程訓(xùn)練可以有效節(jié)約設(shè)備的購(gòu)置成本，通過(guò)仿真操作環(huán)境達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生操作能力的目的。選擇虛擬仿真儀器需要把握好“虛”與“實(shí)”的結(jié)合程度，“虛”是手段，“實(shí)”是目的。如果“虛”的成分過(guò)多會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練環(huán)境脫離工程實(shí)際，如“全虛擬”三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其XYZ方向操作手柄也由鼠標(biāo)點(diǎn)擊完成，這種虛擬儀器與真機(jī)在操作方式上差距較大，不利于操作技能訓(xùn)練，而“實(shí)”的成分過(guò)多又會(huì)大幅增加設(shè)備購(gòu)置成本，制約訓(xùn)練規(guī)模。綜合考慮上述原因，本項(xiàng)目采用泰西測(cè)量的三坐標(biāo)仿真測(cè)量系統(tǒng)，由虛擬測(cè)量軟件以及實(shí)體操作手柄組成，測(cè)量軟件基于RationalDMIS離線測(cè)量功能開(kāi)發(fā)。仿真三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練室以計(jì)算機(jī)房為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了一人一機(jī)的訓(xùn)練條件，并使計(jì)算機(jī)房成為兼顧C(jī)AD/CAM訓(xùn)練和仿真三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練的多功能訓(xùn)練場(chǎng)地，提升了訓(xùn)練場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用率。

三、教學(xué)組織

三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練共安排16學(xué)時(shí)，分為測(cè)量原理和工藝訓(xùn)練兩個(gè)環(huán)節(jié)。

第三階段要求學(xué)生根據(jù)自己的小組編號(hào)，運(yùn)用線性最小二乘法，按照表2對(duì)應(yīng)序號(hào)行的數(shù)據(jù)計(jì)算出平面直線方程?？紤]到手工計(jì)算4階以上逆矩陣比較煩瑣，故將已知測(cè)點(diǎn)數(shù)控制為3點(diǎn)。熟悉Matlab等計(jì)算軟件的學(xué)生也可以編程計(jì)算。本階段教學(xué)重點(diǎn)在于讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手計(jì)算感受測(cè)量軟件實(shí)施評(píng)價(jià)的過(guò)程。

2.工藝訓(xùn)練。工藝訓(xùn)練12學(xué)時(shí)。第一階段為真機(jī)演示教學(xué)，教師操作三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（真機(jī)）進(jìn)行測(cè)頭校驗(yàn)、新建坐標(biāo)系、尺寸誤差以及形位誤差評(píng)價(jià)的手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)量。虛擬仿真儀器無(wú)法完全替代真機(jī)教學(xué)，如果學(xué)生在完全沒(méi)有進(jìn)行過(guò)真機(jī)演示教學(xué)的情況下直接進(jìn)行虛擬儀器的操作，會(huì)導(dǎo)致許多不良操作習(xí)慣的產(chǎn)生，比如對(duì)于實(shí)際工況下的干涉、碰撞等問(wèn)題不能引起足夠的重視，甚至為了簡(jiǎn)化操作直接貫穿被測(cè)工件，等等。真機(jī)教學(xué)的重點(diǎn)為測(cè)量操作的規(guī)范性，包括手控盒（操作手柄）的使用規(guī)程、手工測(cè)量觸測(cè)距離的把握、安全平面設(shè)置以及編程測(cè)量過(guò)程中防碰撞路徑點(diǎn)設(shè)置等，從學(xué)習(xí)初始培養(yǎng)正確的操作態(tài)度和操作習(xí)慣。

第二階段教師通過(guò)仿真三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)演示尺寸及形位公差測(cè)量。本階段教學(xué)重點(diǎn)為測(cè)量操作技能的掌握以及通過(guò)實(shí)踐固化對(duì)測(cè)量原理的理解。以平面測(cè)量為例，學(xué)生可以通過(guò)仿真測(cè)量機(jī)的可視化操作界面實(shí)時(shí)觀察。測(cè)點(diǎn)數(shù)不足3個(gè)的時(shí)候，無(wú)法構(gòu)成平面，也沒(méi)有平面度誤差數(shù)據(jù)；測(cè)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)時(shí)，可以構(gòu)成平面，但由于3點(diǎn)確定唯一平面，3個(gè)測(cè)點(diǎn)必然都在所構(gòu)成的理想平面上，也沒(méi)有平面度誤差數(shù)據(jù)；而測(cè)點(diǎn)數(shù)大于3個(gè)的時(shí)候，平面是由測(cè)點(diǎn)擬合而成，測(cè)點(diǎn)分布在理想擬合平面的兩側(cè)，此時(shí)可以觀察到平面度的誤差數(shù)據(jù)。在垂直度測(cè)量教學(xué)中，通過(guò)被測(cè)工件在仿真測(cè)量機(jī)上的裝夾情況可以發(fā)現(xiàn)：雖然底面是一個(gè)大平面，但是在測(cè)量裝夾過(guò)程中成為與工裝的結(jié)合面而無(wú)法測(cè)量。通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練還能習(xí)得設(shè)計(jì)基準(zhǔn)選取方面的知識(shí)，有助于學(xué)生將《畫法幾何與機(jī)械制圖》以及《互換性與技術(shù)測(cè)量》課程中的抽象知識(shí)形象化。當(dāng)學(xué)生完成理論學(xué)習(xí)和平面度、垂直度測(cè)量訓(xùn)練之后，能夠?qū)θ鴺?biāo)測(cè)量工藝有個(gè)基本理解。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)其他形位誤差的測(cè)量方法，并通過(guò)“學(xué)生演示操作+教師點(diǎn)評(píng)講解”的方式完成其余測(cè)量科目的學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，在提升制造工藝能力和加工操作能力的同時(shí)，鍛煉運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

第三階段要求學(xué)生通過(guò)訓(xùn)練熟練掌握測(cè)量工藝并通過(guò)考核。在考核中，測(cè)量報(bào)告的完成度占60%，操作規(guī)范性占40%。

四、總結(jié)

改革后的三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練在教學(xué)內(nèi)容上補(bǔ)充了測(cè)點(diǎn)擬合算法，從理論層面解決了學(xué)生對(duì)于工藝不理解的問(wèn)題。在辯證分析工程訓(xùn)練教學(xué)中“虛”與“實(shí)”關(guān)系的基礎(chǔ)上，確定了“真機(jī)+虛擬仿真機(jī)”的教學(xué)方案以及虛擬仿真機(jī)的系統(tǒng)組成方案，在擬實(shí)訓(xùn)練的前提下確保了“一人一機(jī)”的訓(xùn)練條件，解決了以往訓(xùn)練設(shè)備數(shù)量不足的問(wèn)題，同時(shí)增加了訓(xùn)練科目數(shù)量，提升了訓(xùn)練質(zhì)量和效率。此外，三坐標(biāo)測(cè)量訓(xùn)練通過(guò)使用虛擬仿真儀器節(jié)省了大量設(shè)備購(gòu)置以及訓(xùn)練室的建設(shè)成本，提升了訓(xùn)練場(chǎng)地、設(shè)備的利用率。本項(xiàng)目的實(shí)施是對(duì)工程訓(xùn)練課程體系建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、精密貴重儀器設(shè)備高效使用以及實(shí)驗(yàn)資源優(yōu)化利用方面的一次積極實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

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