張起勛 邵承會(huì) 張忠元 劉鵬 周立明 張建海 羅彥茹 陳炳錕 閆振華

摘要：尺寸精度檢測(cè)是國(guó)內(nèi)高?！稒C(jī)械精度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的必要實(shí)踐環(huán)節(jié)，各個(gè)高校在尺寸精度檢測(cè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中開展了相關(guān)教學(xué)內(nèi)容研究與教研方法改革。本文基于虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)動(dòng)畫方式模擬尺寸精度測(cè)量?jī)x器的測(cè)量過(guò)程，使枯燥的實(shí)踐學(xué)習(xí)增加趣味性。同時(shí)，本科生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，在實(shí)踐教學(xué)課中能夠熟練操作儀器，這不僅有利于儀器的安全保護(hù)，還能夠提高本科生的實(shí)際測(cè)量能力以及工程意識(shí)。

關(guān)鍵詞：尺寸精度檢測(cè);虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái);實(shí)踐教學(xué)

doi：10.16083/j.cnkl.1671-15 80.2019.03.024

中圖分類號(hào)：G427

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-1580（2019）03—0103—04

機(jī)械精度的實(shí)踐教學(xué)課程是充分運(yùn)用機(jī)械精度設(shè)計(jì)和檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí)，應(yīng)用各種檢驗(yàn)和測(cè)量設(shè)備驗(yàn)證零件是否合格的綜合性實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)課程以各種零件作實(shí)驗(yàn)樣件，比如齒輪、軸、鏈條、泵體和減速器箱體等，要求本科生掌握零件的檢驗(yàn)或者測(cè)量的全過(guò)程，掌握尺寸誤差、形位誤差、表面粗糙度的檢測(cè)方法和檢測(cè)原理，使本科生掌握對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。近幾年，吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械精度課程組購(gòu)買了先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備，例如數(shù)字萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀、測(cè)繪投影儀、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等，大幅度提高了本科生對(duì)機(jī)械精度這門課程的理解。本文基于虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)動(dòng)畫方式模擬測(cè)繪投影儀的測(cè)量過(guò)程，使枯燥的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)增加趣味性，同時(shí)本科生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，在實(shí)踐教學(xué)課中能夠熟練操作儀器，這不僅有利于儀器的安全保護(hù)，還能夠提高本科生的實(shí)際測(cè)量能力以及工程意識(shí)。

一、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

為保證機(jī)械零件的尺寸精度，零件加工完后必須對(duì)其尺寸加以檢測(cè)，以保證零件符合設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)又分為檢驗(yàn)與測(cè)量。檢驗(yàn)：能確定幾何量是否合格，但得不到具體的數(shù)值。測(cè)量：能獲得幾何量的具體數(shù)值。

幾何量的測(cè)量是為了確定被測(cè)幾何量的量值而進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，但是任一測(cè)得值都由真值和測(cè)量誤差值組成，因此在實(shí)際的測(cè)量中，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)儀器，采用正確的測(cè)量方法，盡量減小測(cè)量誤差，以使測(cè)量值趨近于真值。同時(shí)，應(yīng)該考慮驗(yàn)收極限，驗(yàn)收極限是指驗(yàn)收孔、軸實(shí)際尺寸時(shí)，判斷合格與否的尺寸界線。分別有兩種方式：驗(yàn)收極限方式一，驗(yàn)收極限從規(guī)定的上下極限尺寸分別向工件公差帶內(nèi)移動(dòng)一個(gè)安全裕度A來(lái)確定。A為公差帶寬度的1/10。方式一應(yīng)用場(chǎng)合如下：遵循包容要求的孔、軸和標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí);高精度的孔、軸的驗(yàn)收極限;對(duì)于工藝能力指數(shù)Cp≥1且遵循包容要求的孔、軸，其最大實(shí)體尺寸一邊的驗(yàn)收極限;對(duì)于尺寸呈偏態(tài)分布的孔、軸，可以僅對(duì)偏態(tài)一邊采用內(nèi)縮方式確定。驗(yàn)收極限方式二，驗(yàn)收極限等于規(guī)定的上下極限尺寸，即安全裕度A值等于零。方式二應(yīng)用場(chǎng)合如下：當(dāng)工藝能力指數(shù)Cp≥1時(shí)，孔、軸的驗(yàn)收極限;非配合和一般公差尺寸的孔、軸的驗(yàn)收極限。軸尺寸精度和孔的尺寸精度的檢驗(yàn)和測(cè)量方法，在考慮計(jì)量器具同時(shí)除應(yīng)根據(jù)工件的尺寸大小、工件的外形等確定計(jì)量器具的示值范圍和測(cè)量范圍以外，應(yīng)該考慮保證所需要的測(cè)量精度。為了能夠有效地提高測(cè)量精度，降低加工難度，大多數(shù)采用比較測(cè)量法。在大批量生產(chǎn)零件時(shí)，為能夠提供高效率的檢測(cè)，一般可用光滑極限量規(guī)檢驗(yàn)軸和孔的尺寸，軸的尺寸檢驗(yàn)用的是環(huán)規(guī)或者卡規(guī)，孔的尺寸檢驗(yàn)用的是塞規(guī)。光滑極限量規(guī)是一種無(wú)刻度的定值專用計(jì)量器具，有通規(guī)和止規(guī)。被測(cè)零件能夠通過(guò)，止規(guī)不能夠通過(guò)，那么被測(cè)零件的尺寸判定為合格。光滑極限量規(guī)的作用是能夠檢驗(yàn)孔、軸實(shí)際尺寸和形狀誤差的綜合結(jié)果。

如圖1所示，測(cè)繪投影儀是通過(guò)非接觸式測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量零件的。利用光學(xué)鏡頭把微小零件放大一定倍數(shù)，最終在電腦顯示器上成像，可以通過(guò)軟件測(cè)量出零件的實(shí)際尺寸。

測(cè)繪投影儀是尺寸精度檢測(cè)中的重點(diǎn)實(shí)踐課程，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使學(xué)生了解測(cè)繪投影儀的操作過(guò)程，理解造成尺寸誤差的原因，虛擬實(shí)驗(yàn)操作如下：

（一）基于FLASH動(dòng)畫，建立測(cè)繪投影儀的主要結(jié)構(gòu)動(dòng)畫，如二維平臺(tái)、攝像頭及內(nèi)部調(diào)整機(jī)構(gòu)，以及虛擬的計(jì)算機(jī)屏幕，通過(guò)動(dòng)畫說(shuō)明測(cè)繪投影儀各旋鈕功能。

（二）點(diǎn)擊被測(cè)零件庫(kù)窗口，學(xué)生根據(jù)學(xué)號(hào)，選擇相應(yīng)的被測(cè)零件，將被測(cè)零件（鏈片）擺放在操作平臺(tái)上，調(diào)焦距。

（三）點(diǎn)擊虛擬操作軟件窗口，根據(jù)攝像頭的放大倍數(shù)，使被測(cè)零件在虛擬計(jì)算機(jī)屏幕里顯示。

（四）應(yīng)用虛擬的計(jì)算機(jī)屏幕中的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量。

（五）點(diǎn)擊評(píng)定窗口，評(píng)定被測(cè)零件是否合格。

二、實(shí)踐教學(xué)改革目的

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣弑究粕鷮?duì)實(shí)踐教學(xué)課程的興趣

本科生普遍重視成績(jī)，對(duì)機(jī)械精度的實(shí)踐教學(xué)課程興趣不大，經(jīng)常是抱著“應(yīng)付了事”的態(tài)度;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)多媒體技術(shù)能夠非常有效地向?qū)W生展示儀器的操作流程，幫助學(xué)生更好地做好實(shí)踐教學(xué)課程預(yù)習(xí)，理解自己將要進(jìn)行的課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法，進(jìn)而提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)課程的興趣，從而提高實(shí)際訓(xùn)練的效果。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量

機(jī)械精度課程是面對(duì)整個(gè)工學(xué)部的本科生，因此每年都有上千名本科生學(xué)習(xí)該課程，由于實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量有限，不能完全達(dá)到每人進(jìn)行儀器操作，很難保證實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，但通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，可以讓每一位同學(xué)親自操作該儀器進(jìn)行測(cè)量零件，并培養(yǎng)操作儀器的基本安全意識(shí)和良好的習(xí)慣，還可以極大地拓展教學(xué)的內(nèi)容覆蓋面，充實(shí)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，讓本科生的操作能力更加全面，使得實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量得到提高。

三、實(shí)踐教學(xué)改革方案——人機(jī)互動(dòng)功能設(shè)計(jì)

人機(jī)互動(dòng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示，基于虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，制作的測(cè)繪投影儀尺寸精度測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示。

（一）點(diǎn)擊虛擬測(cè)繪投影儀模型窗口

如圖3所示，基于FLASH動(dòng)畫制作測(cè)繪投影儀操作平臺(tái)模型，建立攝像頭及內(nèi)部調(diào)整結(jié)構(gòu)，以及虛擬的計(jì)算機(jī)屏幕，說(shuō)明測(cè)繪投影儀的工作原理，例如投影儀放大倍數(shù)以及操作平臺(tái)x和y方向移動(dòng)等內(nèi)容，使得本科生操作起來(lái)更加容易。

（二）點(diǎn)擊被測(cè)零件庫(kù)窗口

如圖4所示，建立被測(cè)零件庫(kù)，例如鏈條、螺母等一系列微小型零件庫(kù)。學(xué)生根據(jù)學(xué)號(hào)，選擇相應(yīng)的被測(cè)零件，確保每個(gè)人測(cè)量的零件不同。查看該被測(cè)零件的圖紙，根據(jù)圖紙的尺寸公差標(biāo)注，最終評(píng)定零件是否合格。

（三）點(diǎn)擊虛擬操作軟件窗口

如圖5所示，根據(jù)攝像頭的放大倍數(shù)，使被測(cè)零件在虛擬計(jì)算機(jī)屏幕里顯示。具體操作步驟為：在測(cè)繪投影儀操作平臺(tái)零件上，通過(guò)鼠標(biāo)識(shí)別被測(cè)零件外尺寸測(cè)點(diǎn)的位置。全部取完后，在要素列表中出現(xiàn)相應(yīng)的要素名稱（例如四邊形、長(zhǎng)方形、橢圓形、圓形、正方形以及菱形等），該要素包含了所有測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

（四）點(diǎn)擊進(jìn)入尺寸測(cè)量窗口

如圖6所示，在該窗口中，點(diǎn)擊右鍵，調(diào)入相應(yīng)的要素名稱（例如網(wǎng)形，正方形以及菱形等），雙擊該要素，出現(xiàn)尺寸計(jì)算結(jié)果的窗口，該計(jì)算結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后三位。

（五）點(diǎn)擊評(píng)定窗口

在該窗口中輸入被測(cè)零件圖紙中尺寸公差，將該測(cè)量結(jié)果與尺寸公差進(jìn)行比對(duì)，評(píng)定該尺寸誤差是否合格（合格顯示綠色，不合格顯示紅色）。

（六）點(diǎn)擊進(jìn)入

當(dāng)前面全部結(jié)束后，方可激活“考核”界面，點(diǎn)擊進(jìn)入，以選擇題的方式，呈現(xiàn)若干題目，學(xué)生選擇出自己做的答案后，直接輸出考核成績(jī)。點(diǎn)擊此時(shí)出現(xiàn)的“提交”按鈕，將本次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量對(duì)象、測(cè)量結(jié)果、判定結(jié)果及考核題目、成績(jī)提交給系統(tǒng)，由指導(dǎo)教師檢查每位學(xué)生的提交報(bào)告。

四、結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)多媒體技術(shù)能夠非常有效地向?qū)W生展示儀器的操作流程，幫助本科生做好實(shí)踐教學(xué)預(yù)習(xí)，理解自己將要進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)方法，由此能夠提高實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練的效果，并激發(fā)本科生主動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)械精度設(shè)計(jì)課程的興趣。

后續(xù)應(yīng)該增加虛擬平臺(tái)的建設(shè)，需要開發(fā)《機(jī)械精度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中講解的測(cè)量?jī)x器的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，例如三座標(biāo)測(cè)量?jī)x平臺(tái)、萬(wàn)能測(cè)齒儀、漸開線測(cè)量?jī)x平臺(tái)等，形成《機(jī)械精度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有利于儀器的安全保護(hù)，能夠提高本科生的實(shí)際測(cè)量能力以及工程意識(shí)。

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