高校机械精度设计课程的实践教学方法改进研究

张起勋 邵承会 张忠元 刘鹏 周立明 张建海 罗彦茹 陈炳锟 闫振华

摘要：尺寸精度检测是国内高校《机械精度设计基础》课程的必要实践环节，各个高校在尺寸精度检测的实践教学环节中开展了相关教学内容研究与教研方法改革。本文基于虚拟网络平台，通过动画方式模拟尺寸精度测量仪器的测量过程，使枯燥的实践学习增加趣味性。同时，本科生通过虚拟仿真实验操作训练，在实践教学课中能够熟练操作仪器，这不仅有利于仪器的安全保护，还能够提高本科生的实际测量能力以及工程意识。

关键词：尺寸精度检测;虚拟网络平台;实践教学

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

中图分类号：G427

文献标识码：A

文章编号：1671-1580（2019）03—0103—04

机械精度的实践教学课程是充分运用机械精度设计和检测技术的基本知识，应用各种检验和测量设备验证零件是否合格的综合性实践教学。实践教学课程以各种零件作实验样件，比如齿轮、轴、链条、泵体和减速器箱体等，要求本科生掌握零件的检验或者测量的全过程，掌握尺寸误差、形位误差、表面粗糙度的检测方法和检测原理，使本科生掌握对所学知识的综合运用能力。近几年，吉林大学机械学院机械精度课程组购买了先进实验仪器与设备，例如数字万能测长仪、测绘投影仪、三坐标测量仪等，大幅度提高了本科生对机械精度這门课程的理解。本文基于虚拟网络平台，通过动画方式模拟测绘投影仪的测量过程，使枯燥的实验学习增加趣味性，同时本科生通过虚拟仿真实验操作训练，在实践教学课中能够熟练操作仪器，这不仅有利于仪器的安全保护，还能够提高本科生的实际测量能力以及工程意识。

一、实践教学内容

为保证机械零件的尺寸精度，零件加工完后必须对其尺寸加以检测，以保证零件符合设计要求。检测又分为检验与测量。检验：能确定几何量是否合格，但得不到具体的数值。测量：能获得几何量的具体数值。

几何量的测量是为了确定被测几何量的量值而进行的实践教学过程，但是任一测得值都由真值和测量误差值组成，因此在实际的测量中，应该选择适当的检测仪器，采用正确的测量方法，尽量减小测量误差，以使测量值趋近于真值。同时，应该考虑验收极限，验收极限是指验收孔、轴实际尺寸时，判断合格与否的尺寸界线。分别有两种方式：验收极限方式一，验收极限从规定的上下极限尺寸分别向工件公差带内移动一个安全裕度A来确定。A为公差带宽度的1/10。方式一应用场合如下：遵循包容要求的孔、轴和标准公差等级;高精度的孔、轴的验收极限;对于工艺能力指数Cp≥1且遵循包容要求的孔、轴，其最大实体尺寸一边的验收极限;对于尺寸呈偏态分布的孔、轴，可以仅对偏态一边采用内缩方式确定。验收极限方式二，验收极限等于规定的上下极限尺寸，即安全裕度A值等于零。方式二应用场合如下：当工艺能力指数Cp≥1时，孔、轴的验收极限;非配合和一般公差尺寸的孔、轴的验收极限。轴尺寸精度和孔的尺寸精度的检验和测量方法，在考虑计量器具同时除应根据工件的尺寸大小、工件的外形等确定计量器具的示值范围和测量范围以外，应该考虑保证所需要的测量精度。为了能够有效地提高测量精度，降低加工难度，大多数采用比较测量法。在大批量生产零件时，为能够提供高效率的检测，一般可用光滑极限量规检验轴和孔的尺寸，轴的尺寸检验用的是环规或者卡规，孔的尺寸检验用的是塞规。光滑极限量规是一种无刻度的定值专用计量器具，有通规和止规。被测零件能够通过，止规不能够通过，那么被测零件的尺寸判定为合格。光滑极限量规的作用是能够检验孔、轴实际尺寸和形状误差的综合结果。

如图1所示，测绘投影仪是通过非接触式测量方法进行测量零件的。利用光学镜头把微小零件放大一定倍数，最终在电脑显示器上成像，可以通过软件测量出零件的实际尺寸。

测绘投影仪是尺寸精度检测中的重点实践课程，通过网络实验项目使学生了解测绘投影仪的操作过程，理解造成尺寸误差的原因，虚拟实验操作如下：

（一）基于FLASH动画，建立测绘投影仪的主要结构动画，如二维平台、摄像头及内部调整机构，以及虚拟的计算机屏幕，通过动画说明测绘投影仪各旋钮功能。

（二）点击被测零件库窗口，学生根据学号，选择相应的被测零件，将被测零件（链片）摆放在操作平台上，调焦距。

（三）点击虚拟操作软件窗口，根据摄像头的放大倍数，使被测零件在虚拟计算机屏幕里显示。

（四）应用虚拟的计算机屏幕中的测量工具进行测量。

（五）点击评定窗口，评定被测零件是否合格。

二、实践教学改革目的

（一）虚拟仿真实验能够提高本科生对实践教学课程的兴趣

本科生普遍重视成绩，对机械精度的实践教学课程兴趣不大，经常是抱着“应付了事”的态度;虚拟仿真实验教学通过多媒体技术能够非常有效地向学生展示仪器的操作流程，帮助学生更好地做好实践教学课程预习，理解自己将要进行的课程内容和学习方法，进而提高学生对实践教学课程的兴趣，从而提高实际训练的效果。

（二）虚拟仿真实验教学能够提高实践教学的质量

机械精度课程是面对整个工学部的本科生，因此每年都有上千名本科生学习该课程，由于实验仪器数量有限，不能完全达到每人进行仪器操作，很难保证实践教学质量，但通过虚拟仿真实验课程，可以让每一位同学亲自操作该仪器进行测量零件，并培养操作仪器的基本安全意识和良好的习惯，还可以极大地拓展教学的内容覆盖面，充实实践教学的内容，让本科生的操作能力更加全面，使得实践教学质量得到提高。

三、实践教学改革方案——人机互动功能设计

人机互动功能设计如图2所示，基于虚拟网络平台，制作的测绘投影仪尺寸精度测量虚拟仿真实验界面如图3所示。

（一）点击虚拟测绘投影仪模型窗口

如图3所示，基于FLASH动画制作测绘投影仪操作平台模型，建立摄像头及内部调整结构，以及虚拟的计算机屏幕，说明测绘投影仪的工作原理，例如投影仪放大倍数以及操作平台x和y方向移动等内容，使得本科生操作起来更加容易。

（二）点击被测零件库窗口

如图4所示，建立被测零件库，例如链条、螺母等一系列微小型零件库。学生根据学号，选择相应的被测零件，确保每个人测量的零件不同。查看该被测零件的图纸，根据图纸的尺寸公差标注，最终评定零件是否合格。

（三）点击虚拟操作软件窗口

如图5所示，根据摄像头的放大倍数，使被测零件在虚拟计算机屏幕里显示。具体操作步骤为：在测绘投影仪操作平台零件上，通过鼠标识别被测零件外尺寸测点的位置。全部取完后，在要素列表中出现相应的要素名称（例如四边形、长方形、椭圆形、圆形、正方形以及菱形等），该要素包含了所有测量点的数据。

（四）点击进入尺寸测量窗口

如图6所示，在该窗口中，点击右键，调入相应的要素名称（例如网形，正方形以及菱形等），双击该要素，出现尺寸计算结果的窗口，该计算结果保留小数点后三位。

（五）点击评定窗口

在该窗口中输入被测零件图纸中尺寸公差，将该测量结果与尺寸公差进行比对，评定该尺寸误差是否合格（合格显示绿色，不合格显示红色）。

（六）點击进入

当前面全部结束后，方可激活“考核”界面，点击进入，以选择题的方式，呈现若干题目，学生选择出自己做的答案后，直接输出考核成绩。点击此时出现的“提交”按钮，将本次实验的测量对象、测量结果、判定结果及考核题目、成绩提交给系统，由指导教师检查每位学生的提交报告。

四、结论

虚拟仿真实验教学通过多媒体技术能够非常有效地向学生展示仪器的操作流程，帮助本科生做好实践教学预习，理解自己将要进行的实践教学内容和实践教学方法，由此能够提高实践教学训练的效果，并激发本科生主动学习机械精度设计课程的兴趣。

后续应该增加虚拟平台的建设，需要开发《机械精度设计基础》中讲解的测量仪器的网络虚拟仿真实验平台，例如三座标测量仪平台、万能测齿仪、渐开线测量仪平台等，形成《机械精度设计基础》课程的虚拟仿真实验平台，有利于仪器的安全保护，能够提高本科生的实际测量能力以及工程意识。

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