劉 永 ，陳 誠 ，王生懷 ，陳君寶 ，褚曉雯 ，周 旭

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

高校課程中的實驗教學(xué)部分側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的實踐和操作能力，起到了理論課程教學(xué)無法替代的作用。近年來，相關(guān)的機電和自動化類專業(yè)都進(jìn)行了相應(yīng)的實驗教學(xué)改革[1-2]。在智能制造技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下，傳統(tǒng)的演示型、驗證型實驗項目已無法完成培養(yǎng)人才工程能力的課程目標(biāo)[3-4]?；诖?，部分高校開發(fā)了設(shè)計型、開放型、創(chuàng)新型的實驗項目[5-6]，起到了較好的教學(xué)效果。隨著互聯(lián)網(wǎng)及虛擬制造技術(shù)的發(fā)展，高校逐步開設(shè)虛擬仿真實驗[7]。同時，為了突出培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的工程實踐能力，高校增加了相應(yīng)的零件加工實驗課程[8-10]。針對湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程實驗項目及其設(shè)備陳舊的問題，課題組更新了數(shù)控雕刻機加工零件、組合夾具設(shè)計組裝實驗。結(jié)果表明，更新的實驗教學(xué)項目能更好地適應(yīng)智能制造背景下企業(yè)機械制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，將實驗由演示型、驗證型轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合型、創(chuàng)新型和動手型，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且滿足了課程目標(biāo)對實驗教學(xué)的要求。

1 實驗教學(xué)存在的問題

“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”是一門實踐性很強的本科機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的必修課。其課程目標(biāo)定位是通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具備機械工程師的專業(yè)素養(yǎng)、掌握機械制造領(lǐng)域的專業(yè)理論、具備初步分析及解決機械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的工程能力。湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院該課程與實驗教學(xué)相關(guān)的課程目標(biāo)是讓學(xué)生掌握機械制造技術(shù)的實驗手段和分析方法，能夠應(yīng)用機械制造技術(shù)及數(shù)學(xué)、力學(xué)等相關(guān)原理正確地表達(dá)機械產(chǎn)品制造與裝配中的工程問題，并能通過實驗與分析得出有效結(jié)論。傳統(tǒng)的演示型、驗證型實驗通常是教師動手操作加講解、學(xué)生在旁觀看和聽講?？春吐牭膶嶒炦^程讓學(xué)生極容易走馬觀花，既沒有參與感及體驗感，也很難激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，無法起到實驗教學(xué)配合理論教學(xué)鞏固、消化課堂理論知識的作用，更談不上培養(yǎng)學(xué)生高階的分析、解決機械制造工程問題的能力和核心專業(yè)素養(yǎng)。該課程的實驗項目包括車刀角度測量、切削力及切削熱測量、工藝系統(tǒng)剛度測量、機床主要部件拆裝、螺紋絲桿傳動誤差測量、微型加工中心動作模擬演示等。以湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院開設(shè)的車刀角度測量實驗為例，學(xué)生可以用萬能角度測量儀測量外圓、內(nèi)圓、切斷、斷面車刀的前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角等角度，以此鍛煉學(xué)生的動手操作能力。螺紋絲桿傳動誤差測量實驗、微型加工中心動作模擬演示實驗等的實驗設(shè)備是國內(nèi)高校開發(fā)的，具有集成性好的特點，而且學(xué)生可以用PLC控制器進(jìn)行控制。螺紋絲桿傳動誤差測量實驗數(shù)據(jù)可以先采集

再進(jìn)行事后分析，該實驗可以對螺紋絲桿傳動的隨機誤差和系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，但實驗設(shè)備是封裝好的，學(xué)生做完實驗后只是訓(xùn)練了數(shù)據(jù)處理能力，對傳動誤差產(chǎn)生的原因并沒有深入認(rèn)識，導(dǎo)致了實驗報告中的誤差產(chǎn)生原因分析不準(zhǔn)確、不到位。微型加工中心動作模擬演示實驗由PLC控制器控制，學(xué)生可以自己接線，在程序運行后，再觀看實驗設(shè)備的運行動作。該實驗項目可以同時進(jìn)行6~7個實驗，但這些實驗側(cè)重于機電傳動控制，與“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的關(guān)聯(lián)度不大，且實驗設(shè)備也是封裝好的，不具備開放性，無法進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計實驗。由此可見，在智能制造背景下，目前的課程實驗已無法滿足課程的發(fā)展需要，需要更新實驗項目。

2 新開發(fā)實驗實施過程

2.1 數(shù)控雕刻機加工零件實驗

課題組選購了某公司生產(chǎn)的數(shù)控雕刻機，該設(shè)備為四軸聯(lián)動、功率較小的數(shù)控銑床。工作臺可以沿X、Y軸移動，通過步進(jìn)電機與滾珠絲桿副連接，能使工作臺在X、Y軸方向聯(lián)動。工作臺的三維模型如圖1所示。主軸豎直布置，其升降依靠Z軸的步進(jìn)電機和滾珠絲桿副、直線導(dǎo)軌副的運動實現(xiàn)。主軸旋轉(zhuǎn)電機為小型交流伺服電機。

圖1 工作臺三維模型圖

數(shù)控雕刻機配有MACH3多軸運動控制卡，由24 V直流電源供電，與X、Y、Z軸步進(jìn)電機及主軸伺服電機驅(qū)動器連接，再由Mach3數(shù)控加工軟件的G代碼程序輸出給上述驅(qū)動器。當(dāng)設(shè)備啟動、急停按鈕及Z軸對刀等輸入信號輸入到該運動卡中時，控制電機驅(qū)動器就可以控制電機的動作。在通用的三維設(shè)計軟件中建立加工零件的三維模型，保存成通用的文件格式輸出。將保存的文件在精雕軟件中打開，設(shè)置好加工的參數(shù)，如刀具類型、切入方式、退刀方式、加工表面、切削轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切深等。設(shè)置好參數(shù)后，在精雕軟件中運行模擬加工過程，在沒有錯誤報警后，保存生成TXT文件格式的數(shù)控程序G代碼。將生成的TXT文件導(dǎo)入到設(shè)備上的Mach3數(shù)控加工軟件中，通過對刀計算刀具機床原點和工件原點的相對坐標(biāo)，設(shè)置好兩者的相對距離，在Mach3軟件中完成X、Y、Z軸三個方向?qū)Φ?。設(shè)置好參數(shù)后，運行加工數(shù)控程序，可以讓設(shè)備自動運行，直到加工過程完成。

加工的零件材質(zhì)為鋁型材板，其長寬高分別為50 mm、50 mm、15.4 mm，采用直徑為4 mm立銑刀加工。實驗前將零件圖發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生用三維設(shè)計軟件建立數(shù)字模型，并保存成通用文件格式。同時讓學(xué)生提前觀看錄制好的精雕、Mach3數(shù)控加工軟件操作視頻，要求學(xué)生根據(jù)視頻操作設(shè)置參數(shù)、完成模擬加工、生成G代碼以及熟悉Mach3數(shù)控加工軟件的加工操作過程。正式實驗前要求學(xué)生提前熟悉實驗作業(yè)指導(dǎo)書，熟悉實驗的目的、方法及操作流程。實驗時，由5~6名學(xué)生為1組，每組學(xué)生配備1名教師負(fù)責(zé)安全監(jiān)督及操作指導(dǎo)。操作前給設(shè)備水箱加好水，模擬切削過程時加入切削液，用簡易的壓板將需要加工的工件夾緊。點擊設(shè)備啟動按鈕，在手動模式下對X、Y、Z軸三個方向?qū)Φ?。對刀的目的是在程序中考慮刀具的機床坐標(biāo)系原點和工件坐標(biāo)原點O之間的位置關(guān)系，保證刀具從機床坐標(biāo)系原點出發(fā)時能從程序設(shè)置好的起點切入工件。X、Y軸對刀時刀具和工件的兩輪廓邊會出現(xiàn)接觸間隙，Z軸對刀時刀具盡量略高于零件上表面，以免刀具撞到工件。當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ嚯x較遠(yuǎn)時，將步進(jìn)電機的步距角調(diào)大些，選擇連續(xù)運動模式；當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ嚯x較近時，將步進(jìn)電機的步距角調(diào)小些，選擇點動運動模式。保存X、Y兩軸的對刀位置后，Z軸對刀采用設(shè)備上配置的能實現(xiàn)自動對刀的專用對刀塊。該對刀塊實際是一種壓電式傳感器，將對刀塊放于工件上面，在軟件界面上點擊Z軸對刀按鈕，刀具會按程序設(shè)置好的較慢的速度向下運動。當(dāng)碰到對刀塊時，傳感器產(chǎn)生的壓電信號會反饋給機床程序控制系統(tǒng)，然后，控制程序會使主軸伺服電機反轉(zhuǎn)帶動刀具上升。程序自動減去對刀塊高度，以此獲得加工時刀具切入的Z軸坐標(biāo)。為保證切入時刀具不碰到工件表面，Z軸對刀時對刀塊和工件之間墊3~4張報紙，以保證切入時刀具和工件間有較小的間隙。對好刀后，導(dǎo)入G代碼數(shù)控程序，設(shè)備運行開始自動加工。加工完成后可以讓學(xué)生測量加工件的尺寸，并分析產(chǎn)生加工誤差的原因。

此實驗為設(shè)計型、創(chuàng)新型、動手型實驗，從零件三維建模、加工模擬、參數(shù)設(shè)置、數(shù)控實際加工、尺寸檢驗、誤差原因分析、熟悉數(shù)控設(shè)備等多個角度鍛煉了學(xué)生分析、解決機械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。從效果來看，學(xué)生積極性較高，達(dá)到了課程目標(biāo)在實驗部分的要求。

2.2 組合夾具設(shè)計組裝實驗

機床夾具設(shè)計是“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的重要內(nèi)容。在理論課堂上，教師分析、列舉了工程實例，但由于缺乏實物，學(xué)生感性認(rèn)識不足，因此很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。隨著智能制造技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)控機床及加工中心等裝備的使用越來越普遍。面對多品種、多規(guī)格的夾具生產(chǎn)類型，要求非標(biāo)工裝夾具的設(shè)計周期不能太長，而傳統(tǒng)的機床夾具設(shè)計存在周期長、專用性強、柔性差的缺點，但創(chuàng)新的組合夾具可以彌補上述問題。

課題組選用某公司生產(chǎn)的組合夾具教具，材質(zhì)為鋁合金。每套配備多個工件，包括不同規(guī)格的定位塊、連接板、鉆套、對刀塊和夾緊裝置，還配備有圓形、方形的槽形底板，可以同時組裝15套不同的車床、銑床、鉆床、鏜床夾具。為方便指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行夾具設(shè)計、裝配，同時還配有虛擬教學(xué)資源，在三維軟件上將設(shè)計的三維裝配圖生成可執(zhí)行文件，可形成動態(tài)的爆炸圖動畫。實驗結(jié)束后，要求學(xué)生在實驗報告中繪出設(shè)計的零件機械加工工序簡圖、指明夾具上各個元件的作用、分析夾具是如何保證加工的工序尺寸及形位公差的。學(xué)生自己設(shè)計、動手搭建組合夾具，既有感性認(rèn)識，又鍛煉了創(chuàng)新性、高階性分析和解決機械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)論

在智能制造背景下，為了讓實驗項目更好地服務(wù)“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)目標(biāo)，鍛煉學(xué)生的高階、創(chuàng)新思維能力及動手實踐能力，增加實驗教學(xué)的挑戰(zhàn)度，課題組對“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的實驗項目進(jìn)行了更新。結(jié)果表明，更新的數(shù)控雕刻機加工零件和組合夾具設(shè)計組裝實驗項目解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)項目設(shè)計固定、不具備開放性的問題，將課程實驗由演示型、驗證型轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合型、創(chuàng)新型和動手型，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此外，更新的實驗教學(xué)項目很好地配合了課程的理論教學(xué)內(nèi)容，增強了智能制造背景下學(xué)生分析、解決機械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。