楊澤青 王春方 劉麗冰 陳英姝 彭凱

摘? 要 為提高精密儀器與機(jī)械制造技術(shù)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，分析河北工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題及改革需求，構(gòu)建典型盤(pán)類(lèi)零件幾何精度在線檢測(cè)過(guò)程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)四年的教學(xué)實(shí)踐與逐步完善，實(shí)施效果表明，該虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)模塊設(shè)置合理、目標(biāo)明確，有利于培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問(wèn)題分析解決能力和現(xiàn)代工具使用能力，對(duì)深化實(shí)踐教學(xué)改革起到良好的示范作用。

關(guān)鍵詞 幾何精度;在線檢測(cè);實(shí)踐教學(xué);虛擬仿真教學(xué)平臺(tái);精密儀器與機(jī)械制造技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）06-0042-03

Virtual Simulation Teaching Platform Construction and Prac-tice of Online Inspection of Part Geometric Precision//YANG Zeqing， WANG Chunfang， LIU Libing， CHEN Yingshu， PENG Kai

Abstract To improve the practical teaching effect of the precision instruments and mechanical manufacturing technology， taking the practice teaching of the specialty of measurement technology and?instrument in Hebei University of Technology as an example， the problems and reform needs of practice teaching were analyzed， and the?virtual simulation teaching platform of the typical disc parts geome-tric precision online inspection process was constructed. Through four years of practical teaching experience， the system has gradually improved， and the actual practice demonstrates that the virtual simulation teaching platform has reasonable module settings and clear objectives， which is in favor of cultivating students’ complex engi-neering problems analyzing and solving ability， and the ability to use modern tools. It achieves good practical effect and plays a good demonstration effect in the process of deepening practical teaching reform.

Key words geometric precision; online inspection; practice tea-ching; virtual simulation teaching platform; precision instruments and mechanical manufacturing technology

1 精密儀器虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的必要性

精密儀器與機(jī)械制造技術(shù)是高等學(xué)校測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)所設(shè)置的一門(mén)主干專業(yè)課，是研究?jī)x器生產(chǎn)和裝配工藝過(guò)程精度保障的一門(mén)課程。該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)重在培養(yǎng)學(xué)生精密零件幾何精度在線檢測(cè)及誤差分析能力，啟發(fā)學(xué)生從檢測(cè)工藝角度不斷改進(jìn)精密零件及儀器零部件精度，為后續(xù)專業(yè)綜合實(shí)踐奠定基礎(chǔ)，對(duì)培養(yǎng)從事精密儀器檢測(cè)工藝分析與精度控制人才具有重要作用[1]。

隨著新工科、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，實(shí)踐教學(xué)體系需要緊跟新技術(shù)的發(fā)展，不斷進(jìn)行豐富和擴(kuò)展。但是由于受到場(chǎng)地及資金等限制，如高速高精密數(shù)控機(jī)床動(dòng)輒百萬(wàn)元，工業(yè)4.0智慧工廠需要較大場(chǎng)地且價(jià)值不菲，先進(jìn)高端實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以進(jìn)入專業(yè)實(shí)踐教學(xué)[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)[3]，解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難等問(wèn)題，如觸覺(jué)檢測(cè)裝置造價(jià)高，柔性智能生產(chǎn)線高成本、高消耗、不可逆操作等;補(bǔ)充由于受場(chǎng)地限制、缺乏價(jià)格昂貴的復(fù)雜裝備、危險(xiǎn)度高等造成的訓(xùn)練項(xiàng)目教學(xué)環(huán)節(jié)的缺失，完善實(shí)踐教學(xué)體系，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。并且學(xué)生能夠多人協(xié)同，隨時(shí)開(kāi)展創(chuàng)新訓(xùn)練，有助于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)實(shí)踐的能力，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化分散式實(shí)訓(xùn)教學(xué)。因此，有必要探索構(gòu)建方便學(xué)生學(xué)習(xí)的精密零件幾何精度在線檢測(cè)過(guò)程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性與自主性學(xué)習(xí)[4]。

2 構(gòu)建零件幾何精度在線檢測(cè)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)基本架構(gòu)? 盤(pán)類(lèi)零件作為精密儀器中典型零件之一，主要起支撐和導(dǎo)向作用，應(yīng)用范圍較廣。盤(pán)類(lèi)零件幾何精度在線檢測(cè)過(guò)程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)主要讓學(xué)生掌握其序前基準(zhǔn)檢測(cè)過(guò)程，序中軸徑、孔徑尺寸檢測(cè)過(guò)程，以及序后關(guān)鍵尺寸精度及形位精度檢測(cè)過(guò)程，所以設(shè)計(jì)的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)功能模塊框圖如圖1所示，主要包含檢測(cè)工藝系統(tǒng)組件模型庫(kù)、檢測(cè)工藝系統(tǒng)基本運(yùn)動(dòng)仿真模塊、序前基準(zhǔn)檢測(cè)、序中關(guān)鍵尺寸精度監(jiān)測(cè)、序后幾何精度檢驗(yàn)五個(gè)功能模塊。其中，檢測(cè)工藝系統(tǒng)組件模型庫(kù)包含盤(pán)類(lèi)工件、夾具、檢測(cè)裝置、數(shù)控車(chē)床模型及檢測(cè)工藝系統(tǒng)裝配模型;檢測(cè)工藝系統(tǒng)基本運(yùn)動(dòng)仿真模塊包括主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、尾座沿Z方向移動(dòng)、測(cè)頭沿X/Z方向移動(dòng);序前基準(zhǔn)檢測(cè)主要包括盤(pán)類(lèi)零件軸向基準(zhǔn)檢測(cè)模塊和盤(pán)類(lèi)零件內(nèi)孔中心線相對(duì)于主軸回轉(zhuǎn)中心線的偏心檢測(cè)模塊;序中關(guān)鍵尺寸精度監(jiān)測(cè)模塊主要包括盤(pán)類(lèi)零件加工過(guò)程中關(guān)鍵尺寸精度如孔徑、軸徑檢測(cè)，并與加工工序所允許的公差進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵尺寸精度監(jiān)測(cè)功能;序后幾何精度檢驗(yàn)?zāi)K主要包括盤(pán)類(lèi)零件加工后關(guān)鍵尺寸精度如孔徑、軸徑、軸段長(zhǎng)度檢測(cè)模塊，加工后關(guān)鍵形位精度如圓柱度檢測(cè)模塊，并與加工后所允許的公差進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幾何精度檢驗(yàn)功能。

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建? 該虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建的檢測(cè)工藝系統(tǒng)組件模型庫(kù)包括機(jī)床床身、卡盤(pán)、溜板箱、尾座、顯示屏、按鈕等。其中，卡盤(pán)用來(lái)夾持待測(cè)零件;溜板箱包括電機(jī)、刀盤(pán)和導(dǎo)軌，刀盤(pán)上某一工位用來(lái)裝測(cè)頭;顯示屏用來(lái)觸發(fā)檢測(cè)任務(wù)及顯示測(cè)得數(shù)據(jù)。構(gòu)建的檢測(cè)工藝系統(tǒng)仿真環(huán)境如圖2所示。

在加工前，為了確定零件的軸向基準(zhǔn)面，需要對(duì)其端面基準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，便于在軸向上確定各個(gè)面的位置以及相互之間的位置關(guān)系，按照規(guī)劃的檢測(cè)路徑檢測(cè)端面位置，即采集不在同一條直線上的三個(gè)點(diǎn)，利用其坐標(biāo)確定基準(zhǔn)平面的位置。用戶進(jìn)入仿真環(huán)境界面后，點(diǎn)擊“軸向基準(zhǔn)”按鈕，就可進(jìn)行軸向基準(zhǔn)的檢測(cè)，如圖3所示。

加工后盤(pán)類(lèi)零件的圓柱度要求較高，所以在工序后需要對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。在外圓柱面等間距任選12個(gè)截面，按照規(guī)劃的檢測(cè)路徑檢測(cè)外圓柱面各測(cè)點(diǎn)，通過(guò)最小二乘擬合法計(jì)算得到圓柱度誤差值，與允許的圓柱度公差對(duì)比，進(jìn)而判斷其是否合格。圖4為圓柱度檢驗(yàn)?zāi)K的動(dòng)畫(huà)截圖。

3 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)踐效果分析

盤(pán)類(lèi)零件幾何精度在線檢測(cè)過(guò)程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于精密儀器與機(jī)械制造技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中，具有節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，打破時(shí)空限制、在線教學(xué)真實(shí)等眾多優(yōu)點(diǎn)[5-7]，不僅使學(xué)生獲得從感性到理性、直觀到思維的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，可以檢驗(yàn)盤(pán)類(lèi)零件在線檢測(cè)程序中路徑規(guī)劃的合理性，以防止與其他部件及障礙物發(fā)生碰撞造成檢測(cè)裝置損壞;而且可以真實(shí)模擬盤(pán)類(lèi)零件幾何精度檢測(cè)過(guò)程，用于在工序前輔助零件、夾具的裝夾、找正，確定加工基準(zhǔn)，在工序間監(jiān)測(cè)盤(pán)類(lèi)零件的加工情況，以及序后最終對(duì)成品進(jìn)行檢驗(yàn)，獲取加工狀態(tài)信息和質(zhì)量信息;同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立構(gòu)思和自主學(xué)習(xí)能力，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，由軟件提供的豐富節(jié)點(diǎn)造型和動(dòng)畫(huà)交互功能讓學(xué)生直觀理解盤(pán)類(lèi)零件在線檢測(cè)原理及在線檢測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的在線檢測(cè)、誤差分析、精度設(shè)計(jì)、精密工藝分析等復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力具有重要作用。

四年的實(shí)踐效果表明：盤(pán)類(lèi)零件幾何精度在線檢測(cè)過(guò)程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)對(duì)精密儀器與機(jī)械制造技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革探索是有意義的，培養(yǎng)的學(xué)生得到用人單位的認(rèn)可和好評(píng)。許多學(xué)生認(rèn)為該實(shí)踐環(huán)節(jié)讓他們真正認(rèn)識(shí)與理解了典型精密零件幾何精度在線檢測(cè)過(guò)程，有助于培養(yǎng)專業(yè)核心能力及復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力。

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*基金項(xiàng)目：河北省高等教育學(xué)會(huì)高等教育科學(xué)研究課題（項(xiàng)目編號(hào)：GJXH2019-010）;河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019GJJG038）;河北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201702005）;教育部高等學(xué)校儀器類(lèi)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)高等學(xué)校儀器類(lèi)專業(yè)新工科建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018C066）。

作者：楊澤青，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，副教授，博士，研究方向?yàn)榫軆x器設(shè)計(jì);王春方、劉麗冰、陳英姝、彭凱，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（300130）。