机械测量在实践教学中的改革与实践

鲍永杰　丁天英　姜　英（大连理工大学工程训练中心，辽宁大连　116024）

机械测量在实践教学中的改革与实践

鲍永杰丁天英姜英
（大连理工大学工程训练中心，辽宁大连116024）

工程训练是高校中受众学生数最多的实践教学课程，是培养学生实践能力和创新意识的重要教育资源。机械测量知识贯穿于工程训练的每个教学体系，也是使学生掌握机械制造知识、区分机械加工工艺的重要环节。本文以工程训练实训为教学基础，以涵盖传统测量方法与先进测量方法中机械测量知识点为目的，针对机械测量中直接测量、间接测量、接触式测量和非接触式测量方法，以三坐标测量机、关节臂测量机和数字式投影仪为例，开展工程训练机械测量模块教学研究和探索。

机械测量工程训练实践教学

1.引言

“教育回归工程，教学回归实践”成为当代高等工程教育改革的主流趋势［1，2］。工程训练是我国高等教育改革发展中出现的是一种新的实践教学模式，是我国工科高校内实施面上工程实践教育和教学的主平台［1］。工程训练面向本科各专业学生，给大学生以工程实践的教育、工业制造的了解、工业文化的体验，具有通识性工程实践教学特征。工程训练中心已成为高校中受众学生数最多的实践教学基地，是培养学生实践能力和创新意识的重要教育资源。在如何尽快转变我国高校实践育人这个薄弱环节问题上，工程训练中心应当承担起首当其冲的责任。

现代测量技术在先进制造技术中具有举足轻重的地位，对实现零件互换性、提高产品可靠性和质量起到至关重要的作用，测量技术的发展越来越趋于精密化、集成化和智能化［3］。机械测量贯穿于整个工程训练课程中，无论何种工艺加工的工件，由于机床、夹具、刀具、工艺和操作技能等方面的影响，工件的尺寸、形状、相对位置以及表面质量等都不可避免的出现加工误差，这些加工误差对工件的精度、运动平稳性、机械性能和使用寿命等都会带来影响，因此机械测量方法检验工件加工精度是否处于合理的范围显得至关重要。因此，机械测量模块是工程训练教学体系中重要组成部分，对学生掌握完整的工业工程理念起着至关重要的作用。

2.机械测量模块教学现状

机械测量是涵盖机械、通信、数学、电气等多学科的综合性应用基础教学模块，是联系设计课程与工艺课程的纽带，也是基础学习到专业学习的桥梁，即具有理论性又有很强的实践性。熟练地掌握检测技术，对产品选用正确的检测方法与检测仪器是工科院校大学生应必备的基本能力。目前，高校对机械测量内容主要以《几何量公差与配合》、《精度设计与检测》等专业课程实验的形式开设，大多面向机械类专业学生［4］，并以验证性实验为主要内容，与工程实际有很大的差距，也缺乏机械测量与机械加工工艺的关联性与交互性。

工程训练是大学生实践教学环节的重要组成部分，面向机械类和非机械类各个学科的大学生，是使学生了解大工程概念，提高工程素质，适应现代工程技术发展的关键平台。由于工程训练教学内容多、测量设备昂贵和难以形成用于教学的批量，使得大部分高校将机械测量知识只能融入到每个实训教学中［5］，这样既不利于学生掌握检测技术的教学内容，又淡化了检测技术的重要性，同时无法将先进的检测技术引入到实训模块中，无法适应新形势下工程训练体系的要求。

3.机械测量模块在工程训练实训中的课程设置

本文利用大连理工大学工程训练中心现有的数字式投影仪、三坐标测量机、便携式关节臂机等先进测量设备，通过典型零件几何特征检测内容的设置，使学生对机械测量技术的相关知识、各类检测方法、测量原理、误差分析与数据处理内容有系统的认知，并与工程训练实训内容相结合，理论联系实际，进一步掌握工程应用中的机械制造专业知识和技能，切实提高学生的实践技术能力。

测量方法是根据被测对象的特点来选择和确定的。被测对象的特点主要是指它的精度要求、几何形状、尺寸大小、材料性质以及数量等。测量方法分类主要有直接测量、间接测量、综合测量、单项测量、接触测量、非接触测量、绝对测量、相对测量等，本文为了便于学生理解和区分，以最常用的接触式测量、非接触式测量、直接测量、间接测量四种测量方法设置教学内容，机械测量模块教学拓扑图如图1所示。

图1　机械测量模块在工程训练实训中课程设置拓扑图

3.1数字式投影仪教学

数字式投影仪是利用光学原理以精确的放大倍率将物体放大投影在投影屏上测定物体形状、尺寸的仪器。本文中数字式投影仪型号测量精度为±0.005mm，可测量X、Y方向上的位移量和角位移量。测量工件如图2所示，工件为通孔结构，便于光源进入使孔轮廓清晰，工件上有每半部分上有5个通孔三种规格，中间大孔孔径为2.5mm，中孔孔径为1mm，小孔孔径为0.7mm。数字式投影仪小孔孔径测量和孔中心距测量既属于非接触式测量又同时属于直接测量，对于直径1mm以下小孔采用常规的游标卡尺、内径千分尺等测量误差较大，而采用数字式投影仪测量则测量精度明显提高。

图2　数字式投影仪小孔测量

3.2便携式关节臂教学内容

机械测量技术发展迅速，尺寸精度已经由二维单一几何量测量进入了综合的三维形状测量阶段［6］。关节臂测量机通过接触式探针或激光扫描测头对物体上几何特征进行点或点群获取，并在计算机内经过函数计算，得出被测物体的三维模型。它是一种间接测量的量仪，也包含接触式测量（接触式测头）和非接触式测量（激光扫描测头）。本文采用汽车模型外轮廓面作为课程内容，采用非接触式测量方法对汽车外轮廓的复杂曲面进行扫描和建模，最终形成三维测量模型，测量过程如图3所示。

图3　汽车模型外轮廓三维扫描

3.3三坐标测量机教学内容

三坐标测量机是已精密的机械结构为基础，结合先进的位置传感技术、数字控制和计算机数据处理技术，采用接触式测头获取工件空间坐标点的方式，实现物体几何特征的函数计算与建模。三坐标测量机测量是典型的接触式测量和间接测量方法的实例，本文将工件上的圆弧槽作为教学示例（如图4所示），通过接触式探针测头获取圆弧槽表面多个数据点的坐标值，经过计算机处理，将这些数据拟合成测量元素，得到被测几何特征的尺寸和形状信息。学生从中既可以得到机械测量中点接触测量方法和间接测量方法的知识，同时了解产品开发中机械测量在逆向工程中的应用，从而使学生更深入的掌握机械测量知识模块的学与用。

图4　三坐标测量圆弧槽示例

4.结论

机械测量技术是机械制造技术中的重要组成部分，是生产工艺中不可或缺的关键环节，本文以工程训练实训为教学基础，以涵盖传统测量方法与先进测量方法中机械测量知识点为目的，采用典型的数字式投影仪、关节臂测量机、三坐标测量机作为教学设备，对机械测量中的直接测量、间接测量、接触式测量和非接触式测量四个方面进行测量知识模块设置，从而使学生在工程训练实训中更全面的掌握机械测量的相关概念、应用背景和测量方法选择原则等知识点，探索机械测量技术在工程训练实训中的教学改革与实践模式。

［1］梁延德.我国高校工程训练中心的建设与发展.实验技术与管理，2013，30（6）：6-8

［2］周玲，孙艳丽，康小燕.回归工程服务社会：美国大学工程教育的案例分析与思考［J］.清华大学教育研究，2011，32（6）：117-124

［3］姚利娟.基于三坐标测量机的实验教学方法探索.实验科学与技术，2014，12（4）：109-111

［4］尹迎新.机械测量技术实训课程设计.天津职业院校联合学报，2013，15（5）：101-104

［5］李晓春，曲晓海，杨洋，周亮.浅谈机械测量模块教学对其他工程训练模块的影响，装备制造技术，2013（7）：256-257

［6］徐春梅.张立红.本科阶段测量技术实训教学改革与实践，2015，13 （2）：131-133

Reform and Practice of Mechanical Measurement Module in Practical Teaching

BAO Yong-jie，DING Tian-ying，JIANG Ying
（Engineering Training Center，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Engineering training is a practice teaching course available to the most students in universities and also an important educational resource to develop students'practical ability and innovation consciousness.Mechanical measurement knowledge goes throughout each teaching system of engineering training，which is also an important part to enable students to master the mechanical manufacturing knowledge and distinguish mechanical processing technologies.This paper uses practical engineering training as the teaching foundation and intends for covering mechanical measuring knowledge in both traditional and advanced measurement method.This paper is based on direct measurement，indirect measurement，contact measurement and non-contact measurement method in mechanical measurement and takes CMM，arm CMM and digital projector for example to carry out the research and exploration in mechanical measuring module of engineering training.

Mechanical measurement；Engineering Training；Practice teaching

鲍永杰（1980—），男，内蒙古赤峰市人，工学博士，大理工大学国家级工程训练示范中心工程师，从事工程训练实训教学研究。

辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目“基于综合性工程素质培养的工程训练教学内容改革与实践”资助。