范恒亮，魏天路

(蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

制造業(yè)作為我國的立國之本，在國民生產(chǎn)總值中占比較大。近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能制造和工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域也得到較快的發(fā)展，新工科建設(shè)也備受各所高校關(guān)注，就業(yè)市場對于掌握現(xiàn)代測量方法和具有創(chuàng)新能力的人才需求量日益增大。高校課程教學(xué)過程中，實驗作為培養(yǎng)學(xué)生能力的有效途徑，同時也是新工科建設(shè)的主要環(huán)節(jié)[1]。為了適應(yīng)當(dāng)今社會對應(yīng)用型人才的需求，將現(xiàn)代測量技術(shù)和精密測量儀器的使用融于相關(guān)實驗課程中，將會逐步提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。

應(yīng)用型本科院校在教學(xué)改革和實踐過程中，應(yīng)當(dāng)充分借鑒研究型本科高校與高職高專院校的教學(xué)與實踐的寶貴經(jīng)驗，結(jié)合應(yīng)用型本科課程教學(xué)的特點，逐步改革教學(xué)方式，整合實踐教學(xué)內(nèi)容[2]。本文首先分析目前教學(xué)過程中存在的問題，針對這些問題，提出基于能力導(dǎo)向的三坐標(biāo)測量技術(shù)基礎(chǔ)性和綜合性實驗項目，并延伸到創(chuàng)新實驗訓(xùn)練項目和校企協(xié)同共建培訓(xùn)課程，突出學(xué)生在實驗教學(xué)中的主體地位，進(jìn)而提升實驗教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生軟實力和解決復(fù)雜問題的能力。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

(一)課程內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性

公差測量技術(shù)是機(jī)械類專業(yè)課程的重要組成部分，較好地掌握這門技術(shù)，可使學(xué)生加深對產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中公差控制和誤差測量的理解。目前，在課程實驗中仍以教材中的知識灌輸為主，學(xué)生缺乏對測量技術(shù)系統(tǒng)性和整體性的認(rèn)知，無法適應(yīng)社會職業(yè)能力需求。

(二)實驗項目創(chuàng)新不足

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗課往往以驗證性實驗為主，如長度、垂直度誤差測量等，單個實驗項目僅僅為了鞏固單一的知識點。學(xué)生在實驗過程中，只對游標(biāo)卡尺、百分表和千分尺等儀器進(jìn)行簡單操作，實驗內(nèi)容枯燥，未開展創(chuàng)新性實踐項目激發(fā)學(xué)習(xí)動力，學(xué)生難以了解測量新技術(shù)的發(fā)展趨勢與應(yīng)用。

(三)實驗環(huán)節(jié)與企業(yè)實踐脫節(jié)

在公差測量實驗中，所選的實驗項目依然延續(xù)多年的教學(xué)模式，與企業(yè)實際涉及到的產(chǎn)品精度檢測項目差距較大。學(xué)生在企業(yè)實習(xí)和就業(yè)中，無法將課程所學(xué)知識與企業(yè)實踐較快地聯(lián)系起來，造成學(xué)生重復(fù)學(xué)習(xí)的現(xiàn)象。

二、實驗教學(xué)改革

蚌埠學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院實驗室擁有三坐標(biāo)測量機(jī)一臺，系統(tǒng)主要由供氣部分、控制柜、計算機(jī)、工作臺、操作手柄、測頭部分和主橋梁組成，如圖1所示。該儀器的工作原理主要是利用測頭部分中的測針測得工件上各元素的坐標(biāo)，經(jīng)后臺軟件計算、擬合、評價被測工件的各項公差項目[3-4]，判斷工件是否符合設(shè)計和工藝的要求。學(xué)生熟練掌握三坐標(biāo)測量技術(shù)有關(guān)知識和操作技巧，畢業(yè)后可從事產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)、工藝規(guī)劃、編程和CAD/CAM技術(shù)等不同方向的工作。

圖1 三坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)組成

(一)基礎(chǔ)性實驗教學(xué)

在機(jī)械類專業(yè)課“公差與測量技術(shù)”中，已對測量有關(guān)的基礎(chǔ)知識做了較為詳細(xì)的闡述，比如常見儀器的使用方法、垂直度、平行度、軸的跳動公差測量等[5]。結(jié)合學(xué)生在“機(jī)械零部件測繪”課程設(shè)計中，已對軸類零件有了一定的了解。因此，選擇軸類零件作為儀器的實驗測量對象，一方面使學(xué)生了解傳統(tǒng)測量方法與三坐標(biāo)測量機(jī)測量方法的不同，另一方面可以對減速器課程設(shè)計涉及的知識進(jìn)行鞏固。在學(xué)生掌握《公差與測量技術(shù)》基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于三坐標(biāo)測量技術(shù)的基礎(chǔ)性實驗項目，實驗內(nèi)容如表1所示。

表1 基礎(chǔ)性實驗項目

(二)綜合性實驗教學(xué)

為了有效改善基礎(chǔ)實驗中測量儀器精度較差，缺少設(shè)計性實驗的狀況，本文提出開展測量技術(shù)的綜合性實驗項目，將多門專業(yè)課程有關(guān)知識點進(jìn)行整合，以提高學(xué)生的發(fā)散思維的能力。結(jié)合機(jī)械類專業(yè)開展的《機(jī)械設(shè)計》《機(jī)械制造技術(shù)》等課程，將產(chǎn)品設(shè)計、公差標(biāo)注、加工精度與三坐標(biāo)測量技術(shù)相聯(lián)系。通過該項目的實施，使學(xué)生明確設(shè)計環(huán)節(jié)公差標(biāo)注的重要性，領(lǐng)會加工環(huán)節(jié)公差的作用與控制，掌握產(chǎn)品加工精度的測量與評價。該綜合性實驗，還可作為學(xué)生開展課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、學(xué)科競賽的載體，提高三坐標(biāo)測量機(jī)的利用率和教科研價值。

實驗具體實施前對學(xué)生進(jìn)行分組，并明確各組員的實驗過程中的重點任務(wù)。各組長可按照實驗的目的和要求對組員進(jìn)行具體的分工和監(jiān)督，并要求學(xué)生通過圖書和互聯(lián)網(wǎng)資源，學(xué)習(xí)和掌握三坐標(biāo)測量技術(shù)的相關(guān)知識。根據(jù)實驗項目的任務(wù)和特點，按照以下步驟開展與實施。

1.分析圖紙。零件設(shè)計圖紙如圖2(a)所示。根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)特征和標(biāo)注要求，制定合理的測量方案。該零件需要評價的項目較多，如平面度、圓跳動、位置度等元素誤差的測量。要求測頭可完成全方位旋轉(zhuǎn)測量，裝夾要求主視圖面向測頭，并要求合理選擇測量坐標(biāo)系。

2.測頭的選擇和校正。選擇TESASTAR-M測頭，測針號為TIP4BY44MM。校正的目的是獲得測針的有效半徑，出現(xiàn)測針半徑缺失時，系統(tǒng)會進(jìn)行有效的補(bǔ)償。

3.工件的裝夾如圖2(b)所示，選擇?？怂箍低ㄓ脢A具，利用壓板、支撐住、定位銷完成零件的裝夾。裝夾過程中，選擇零件的主視圖面向測頭。

4.建立零件測量坐標(biāo)系。利用“面—面—面”方式，以過1面且垂直于3面作為X軸、過2面且垂直于1面作為Y軸、過3面且垂直于2面作為Z軸，具體設(shè)置如圖2(c)所示。

5.將圖2(c)的CAD數(shù)模通過IGES接口導(dǎo)入PC-DMIS中。根據(jù)設(shè)計要求，分別要對面1的平面度、面4相對于面1的垂直度、面4相對于面3的平行度、柱體1的圓柱度等項目進(jìn)行測量，利用系統(tǒng)自動特征進(jìn)行上述項目自動測量，并輸出測量報告。分析測量報告可知，平面4相對于平面3的平行度誤差是不符合設(shè)計要求的，其余項目誤差則達(dá)到設(shè)計和加工工藝要求。

三、創(chuàng)新實驗訓(xùn)練

為了發(fā)揮三坐標(biāo)測量機(jī)在逆向工程技術(shù)中數(shù)據(jù)采集的功能，開設(shè)創(chuàng)新實驗訓(xùn)練項目《產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計與3D打印》，并融入到大學(xué)生創(chuàng)新性訓(xùn)練項目[6]。通過以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實驗改革，讓學(xué)生利用精密儀器完成產(chǎn)品的精度測量，實現(xiàn)產(chǎn)品的逆向設(shè)計和制造[7]。

(a)零件設(shè)計圖紙 (b)零件裝夾 (c)零件CAD數(shù)模

以2019年大創(chuàng)項目為例，該項目以噴氣式蝸輪發(fā)動機(jī)為研究對象，運用逆向設(shè)計理念，利用該儀器進(jìn)行實體點云數(shù)據(jù)采集，通過CAD軟件實現(xiàn)實體模型重建，再利用合適的3D打印工藝加工產(chǎn)品，具體步驟如下：

(一)利用激光掃描機(jī)、光柵式掃描機(jī)、三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行實體數(shù)據(jù)采集。利用Geomagic Studio軟件對掃面的點數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)實體CAD模型，重建完成后導(dǎo)入到Solidworks軟件繪制零件圖，如圖3(a)所示，并生成3D打印系統(tǒng)可用的STL格式。

(二)選擇合適3D打印工藝。根據(jù)噴氣式蝸輪發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，選擇熔融沉積技術(shù)(FDM)進(jìn)行產(chǎn)品的快速制造，打印完成后進(jìn)行裝配，實物如圖3(b)所示。

(三)引導(dǎo)學(xué)生探究產(chǎn)品加工精度控制方法。利用三坐標(biāo)測量機(jī)對噴氣式蝸輪發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的加工質(zhì)量進(jìn)行測量和評價。

(a)裝配渲染圖

(b)3D打印裝配實物圖

四、校企協(xié)同共建培訓(xùn)課程

為了讓學(xué)生了解測量技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)的實際需求，將校企協(xié)同育人的培養(yǎng)模式應(yīng)用于實驗教學(xué)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不斷提高自身能力[8]。這種培養(yǎng)模式較好地將學(xué)校學(xué)到的課程理論知識與企業(yè)工程應(yīng)用實踐相結(jié)合，并逐步實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化，以實現(xiàn)對本科生技能的培養(yǎng)。但實施過程中，要求精心設(shè)計實踐項目，合理設(shè)置教學(xué)計劃，以達(dá)到教學(xué)計劃或要求與實踐內(nèi)容密切結(jié)合的目的，以提高實驗教學(xué)的效果。

在與蚌埠液力機(jī)械有限公司合作共建培訓(xùn)課程中，該公司主要從事液壓油缸的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，在產(chǎn)品精度檢測環(huán)節(jié)需要使用三坐標(biāo)測量機(jī)。在培訓(xùn)課程中，學(xué)生以檢驗員的崗位角色進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過測前準(zhǔn)備、測頭校正、特征測量、程序設(shè)計、數(shù)模導(dǎo)入、報告生成等完成液壓油缸檢測的訓(xùn)練。通過該培訓(xùn)課程，使學(xué)生熟練根據(jù)圖紙標(biāo)注制定檢測方案，熟練PC-DMIS軟件操作和編程，正確分析檢測報告，完成產(chǎn)品質(zhì)量的檢測。使學(xué)生了解企業(yè)對三坐標(biāo)測量的崗位需求的同時，逐步提高職業(yè)能力。

五、結(jié)語

基于三坐標(biāo)測量技術(shù)開展實驗教學(xué)改革與實踐，切實以學(xué)生為中心、能力培養(yǎng)為導(dǎo)向、三坐標(biāo)測量機(jī)工程應(yīng)用為抓手進(jìn)行培養(yǎng)模式改革。從基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗入手，延伸到創(chuàng)新實驗訓(xùn)練項目和校企協(xié)同共建培訓(xùn)課程，旨在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、拓寬學(xué)生視野。使學(xué)生逐步形成較為完整且更加貼近市場所需的知識體系，為學(xué)生就業(yè)或深造增加競爭力。