基于能力导向的三坐标测量技术实验教学改革与实践*——以蚌埠学院为例

范恒亮，魏天路

(蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠 233030)

制造业作为我国的立国之本，在国民生产总值中占比较大。近年来，随着信息技术的发展，智能制造和工业机器人领域也得到较快的发展，新工科建设也备受各所高校关注，就业市场对于掌握现代测量方法和具有创新能力的人才需求量日益增大。高校课程教学过程中，实验作为培养学生能力的有效途径，同时也是新工科建设的主要环节[1]。为了适应当今社会对应用型人才的需求，将现代测量技术和精密测量仪器的使用融于相关实验课程中，将会逐步提升学生创新实践能力。

应用型本科院校在教学改革和实践过程中，应当充分借鉴研究型本科高校与高职高专院校的教学与实践的宝贵经验，结合应用型本科课程教学的特点，逐步改革教学方式，整合实践教学内容[2]。本文首先分析目前教学过程中存在的问题，针对这些问题，提出基于能力导向的三坐标测量技术基础性和综合性实验项目，并延伸到创新实验训练项目和校企协同共建培训课程，突出学生在实验教学中的主体地位，进而提升实验教学质量，提高学生软实力和解决复杂问题的能力。

一、教学现状分析

(一)课程内容缺乏系统性

公差测量技术是机械类专业课程的重要组成部分，较好地掌握这门技术，可使学生加深对产品设计和生产环节中公差控制和误差测量的理解。目前，在课程实验中仍以教材中的知识灌输为主，学生缺乏对测量技术系统性和整体性的认知，无法适应社会职业能力需求。

(二)实验项目创新不足

传统的基础实验课往往以验证性实验为主，如长度、垂直度误差测量等，单个实验项目仅仅为了巩固单一的知识点。学生在实验过程中，只对游标卡尺、百分表和千分尺等仪器进行简单操作，实验内容枯燥，未开展创新性实践项目激发学习动力，学生难以了解测量新技术的发展趋势与应用。

(三)实验环节与企业实践脱节

在公差测量实验中，所选的实验项目依然延续多年的教学模式，与企业实际涉及到的产品精度检测项目差距较大。学生在企业实习和就业中，无法将课程所学知识与企业实践较快地联系起来，造成学生重复学习的现象。

二、实验教学改革

蚌埠学院机械与车辆工程学院实验室拥有三坐标测量机一台，系统主要由供气部分、控制柜、计算机、工作台、操作手柄、测头部分和主桥梁组成，如图1所示。该仪器的工作原理主要是利用测头部分中的测针测得工件上各元素的坐标，经后台软件计算、拟合、评价被测工件的各项公差项目[3-4]，判断工件是否符合设计和工艺的要求。学生熟练掌握三坐标测量技术有关知识和操作技巧，毕业后可从事产品的设计开发、工艺规划、编程和CAD/CAM技术等不同方向的工作。

图1 三坐标测量机系统组成

(一)基础性实验教学

在机械类专业课“公差与测量技术”中，已对测量有关的基础知识做了较为详细的阐述，比如常见仪器的使用方法、垂直度、平行度、轴的跳动公差测量等[5]。结合学生在“机械零部件测绘”课程设计中，已对轴类零件有了一定的了解。因此，选择轴类零件作为仪器的实验测量对象，一方面使学生了解传统测量方法与三坐标测量机测量方法的不同，另一方面可以对减速器课程设计涉及的知识进行巩固。在学生掌握《公差与测量技术》基础知识的基础上，设计基于三坐标测量技术的基础性实验项目，实验内容如表1所示。

表1 基础性实验项目

(二)综合性实验教学

为了有效改善基础实验中测量仪器精度较差，缺少设计性实验的状况，本文提出开展测量技术的综合性实验项目，将多门专业课程有关知识点进行整合，以提高学生的发散思维的能力。结合机械类专业开展的《机械设计》《机械制造技术》等课程，将产品设计、公差标注、加工精度与三坐标测量技术相联系。通过该项目的实施，使学生明确设计环节公差标注的重要性，领会加工环节公差的作用与控制，掌握产品加工精度的测量与评价。该综合性实验，还可作为学生开展课程设计、毕业设计、学科竞赛的载体，提高三坐标测量机的利用率和教科研价值。

实验具体实施前对学生进行分组，并明确各组员的实验过程中的重点任务。各组长可按照实验的目的和要求对组员进行具体的分工和监督，并要求学生通过图书和互联网资源，学习和掌握三坐标测量技术的相关知识。根据实验项目的任务和特点，按照以下步骤开展与实施。

1.分析图纸。零件设计图纸如图2(a)所示。根据该零件的结构特征和标注要求，制定合理的测量方案。该零件需要评价的项目较多，如平面度、圆跳动、位置度等元素误差的测量。要求测头可完成全方位旋转测量，装夹要求主视图面向测头，并要求合理选择测量坐标系。

2.测头的选择和校正。选择TESASTAR-M测头，测针号为TIP4BY44MM。校正的目的是获得测针的有效半径，出现测针半径缺失时，系统会进行有效的补偿。

3.工件的装夹如图2(b)所示，选择海克斯康通用夹具，利用压板、支撑住、定位销完成零件的装夹。装夹过程中，选择零件的主视图面向测头。

4.建立零件测量坐标系。利用“面—面—面”方式，以过1面且垂直于3面作为X轴、过2面且垂直于1面作为Y轴、过3面且垂直于2面作为Z轴，具体设置如图2(c)所示。

5.将图2(c)的CAD数模通过IGES接口导入PC-DMIS中。根据设计要求，分别要对面1的平面度、面4相对于面1的垂直度、面4相对于面3的平行度、柱体1的圆柱度等项目进行测量，利用系统自动特征进行上述项目自动测量，并输出测量报告。分析测量报告可知，平面4相对于平面3的平行度误差是不符合设计要求的，其余项目误差则达到设计和加工工艺要求。

三、创新实验训练

为了发挥三坐标测量机在逆向工程技术中数据采集的功能，开设创新实验训练项目《产品创新设计与3D打印》，并融入到大学生创新性训练项目[6]。通过以学生为主体的创新性实验改革，让学生利用精密仪器完成产品的精度测量，实现产品的逆向设计和制造[7]。

(a)零件设计图纸 (b)零件装夹 (c)零件CAD数模

以2019年大创项目为例，该项目以喷气式蜗轮发动机为研究对象，运用逆向设计理念，利用该仪器进行实体点云数据采集，通过CAD软件实现实体模型重建，再利用合适的3D打印工艺加工产品，具体步骤如下：

(一)利用激光扫描机、光栅式扫描机、三坐标测量机进行实体数据采集。利用Geomagic Studio软件对扫面的点数据进行重构实体CAD模型，重建完成后导入到Solidworks软件绘制零件图，如图3(a)所示，并生成3D打印系统可用的STL格式。

(二)选择合适3D打印工艺。根据喷气式蜗轮发动机的结构特点，选择熔融沉积技术(FDM)进行产品的快速制造，打印完成后进行装配，实物如图3(b)所示。

(三)引导学生探究产品加工精度控制方法。利用三坐标测量机对喷气式蜗轮发动机关键部件的加工质量进行测量和评价。

(a)装配渲染图

(b)3D打印装配实物图

四、校企协同共建培训课程

为了让学生了解测量技术的发展和企业的实际需求，将校企协同育人的培养模式应用于实验教学，让学生在学习过程中不断提高自身能力[8]。这种培养模式较好地将学校学到的课程理论知识与企业工程应用实践相结合，并逐步实现相互转化，以实现对本科生技能的培养。但实施过程中，要求精心设计实践项目，合理设置教学计划，以达到教学计划或要求与实践内容密切结合的目的，以提高实验教学的效果。

在与蚌埠液力机械有限公司合作共建培训课程中，该公司主要从事液压油缸的设计、研发、生产和销售，在产品精度检测环节需要使用三坐标测量机。在培训课程中，学生以检验员的岗位角色进行学习，通过测前准备、测头校正、特征测量、程序设计、数模导入、报告生成等完成液压油缸检测的训练。通过该培训课程，使学生熟练根据图纸标注制定检测方案，熟练PC-DMIS软件操作和编程，正确分析检测报告，完成产品质量的检测。使学生了解企业对三坐标测量的岗位需求的同时，逐步提高职业能力。

五、结语

基于三坐标测量技术开展实验教学改革与实践，切实以学生为中心、能力培养为导向、三坐标测量机工程应用为抓手进行培养模式改革。从基础性实验、综合性实验入手，延伸到创新实验训练项目和校企协同共建培训课程，旨在提高学生学习兴趣、拓宽学生视野。使学生逐步形成较为完整且更加贴近市场所需的知识体系，为学生就业或深造增加竞争力。