零件几何精度在线检测虚拟仿真教学平台构建及实践

杨泽青 王春方 刘丽冰 陈英姝 彭凯

摘  要 为提高精密仪器与机械制造技术实践教学质量，分析河北工业大学测控技术与仪器专业实践教学存在的问题及改革需求，构建典型盘类零件几何精度在线检测过程虚拟仿真教学平台。经过四年的教学实践与逐步完善，实施效果表明，该虚拟仿真教学平台模块设置合理、目标明确，有利于培养学生复杂工程问题分析解决能力和现代工具使用能力，对深化实践教学改革起到良好的示范作用。

关键词 几何精度;在线检测;实践教学;虚拟仿真教学平台;精密仪器与机械制造技术

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：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 精密儀器虚拟仿真教学平台建设的必要性

精密仪器与机械制造技术是高等学校测控技术及仪器专业所设置的一门主干专业课，是研究仪器生产和装配工艺过程精度保障的一门课程。该课程实验教学环节重在培养学生精密零件几何精度在线检测及误差分析能力，启发学生从检测工艺角度不断改进精密零件及仪器零部件精度，为后续专业综合实践奠定基础，对培养从事精密仪器检测工艺分析与精度控制人才具有重要作用[1]。

随着新工科、新技术不断涌现，实践教学体系需要紧跟新技术的发展，不断进行丰富和扩展。但是由于受到场地及资金等限制，如高速高精密数控机床动辄百万元，工业4.0智慧工厂需要较大场地且价值不菲，先进高端实验设备难以进入专业实践教学[2]。虚拟仿真实验教学基于虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，可以让学生在虚拟环境中开展实验[3]，解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难等问题，如触觉检测装置造价高，柔性智能生产线高成本、高消耗、不可逆操作等;补充由于受场地限制、缺乏价格昂贵的复杂装备、危险度高等造成的训练项目教学环节的缺失，完善实践教学体系，提高实践教学质量。并且学生能够多人协同，随时开展创新训练，有助于培养学生主动学习、主动实践的能力，实现个性化分散式实训教学。因此，有必要探索构建方便学生学习的精密零件几何精度在线检测过程虚拟仿真教学平台，积极引导学生进行探究性与自主性学习[4]。

2 构建零件几何精度在线检测虚拟仿真教学平台

虚拟仿真教学平台基本架构  盘类零件作为精密仪器中典型零件之一，主要起支撑和导向作用，应用范围较广。盘类零件几何精度在线检测过程虚拟仿真教学平台主要让学生掌握其序前基准检测过程，序中轴径、孔径尺寸检测过程，以及序后关键尺寸精度及形位精度检测过程，所以设计的虚拟仿真教学平台功能模块框图如图1所示，主要包含检测工艺系统组件模型库、检测工艺系统基本运动仿真模块、序前基准检测、序中关键尺寸精度监测、序后几何精度检验五个功能模块。其中，检测工艺系统组件模型库包含盘类工件、夹具、检测装置、数控车床模型及检测工艺系统装配模型;检测工艺系统基本运动仿真模块包括主轴转动、尾座沿Z方向移动、测头沿X/Z方向移动;序前基准检测主要包括盘类零件轴向基准检测模块和盘类零件内孔中心线相对于主轴回转中心线的偏心检测模块;序中关键尺寸精度监测模块主要包括盘类零件加工过程中关键尺寸精度如孔径、轴径检测，并与加工工序所允许的公差进行对比，实现关键尺寸精度监测功能;序后几何精度检验模块主要包括盘类零件加工后关键尺寸精度如孔径、轴径、轴段长度检测模块，加工后关键形位精度如圆柱度检测模块，并与加工后所允许的公差进行对比，实现关键几何精度检验功能。

虚拟仿真教学平台的构建  该虚拟仿真教学平台采用模块化设计思想，构建的检测工艺系统组件模型库包括机床床身、卡盘、溜板箱、尾座、显示屏、按钮等。其中，卡盘用来夹持待测零件;溜板箱包括电机、刀盘和导轨，刀盘上某一工位用来装测头;显示屏用来触发检测任务及显示测得数据。构建的检测工艺系统仿真环境如图2所示。

在加工前，为了确定零件的轴向基准面，需要对其端面基准进行检测，便于在轴向上确定各个面的位置以及相互之间的位置关系，按照规划的检测路径检测端面位置，即采集不在同一条直线上的三个点，利用其坐标确定基准平面的位置。用户进入仿真环境界面后，点击“轴向基准”按钮，就可进行轴向基准的检测，如图3所示。

加工后盘类零件的圆柱度要求较高，所以在工序后需要对其进行检验。在外圆柱面等间距任选12个截面，按照规划的检测路径检测外圆柱面各测点，通过最小二乘拟合法计算得到圆柱度误差值，与允许的圆柱度公差对比，进而判断其是否合格。图4为圆柱度检验模块的动画截图。

3 虚拟仿真教学平台应用实践效果分析

盘类零件几何精度在线检测过程虚拟仿真教学平台应用于精密仪器与机械制造技术实践教学中，具有节约实验成本，打破时空限制、在线教学真实等众多优点[5-7]，不仅使学生获得从感性到理性、直观到思维的学习体验，可以检验盘类零件在线检测程序中路径规划的合理性，以防止与其他部件及障碍物发生碰撞造成检测装置损坏;而且可以真实模拟盘类零件几何精度检测过程，用于在工序前辅助零件、夹具的装夹、找正，确定加工基准，在工序间监测盘类零件的加工情况，以及序后最终对成品进行检验，獲取加工状态信息和质量信息;同时可以培养学生独立构思和自主学习能力，从而激发学习兴趣和创新意识，由软件提供的丰富节点造型和动画交互功能让学生直观理解盘类零件在线检测原理及在线检测运动轨迹，对培养学生的在线检测、误差分析、精度设计、精密工艺分析等复杂工程问题解决能力具有重要作用。

四年的实践效果表明：盘类零件几何精度在线检测过程虚拟仿真教学平台对精密仪器与机械制造技术实践教学改革探索是有意义的，培养的学生得到用人单位的认可和好评。许多学生认为该实践环节让他们真正认识与理解了典型精密零件几何精度在线检测过程，有助于培养专业核心能力及复杂工程问题解决能力。

参考文献

[1]王桂梅，王庆东，刘杰辉.基于行业特色背景的测控技术与仪器专业CDIO教学模式研究[J].河北工程大学学报（社会科学版），2010（2）：55-56.

[2]杨泽青，肖艳军，刘丽冰，等.基于《华盛顿协议》的测控专业实践教学体系优化重构[J].实验室研究与探索，2017（3）：176-180，192.

[3]熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验室研究与探索，2020（5）：1-4，16.

[4]谷艳华，苗广文，杨得军.混合教学模式下虚拟仿真教学的探索与实践[J].实验技术与管理，2019（7）：188-191.

[5]冯梅琳，何学文，罗小燕，等.基于CDIO理念的测控专业实践教学创新体系[J].实验室研究与探索，2014（3）：180-184.

[6]魏小于，肖莉，聂政.解剖学虚拟仿真教学平台的构建和应用[J].基础医学教育，2019（3）：229-231.

[7]赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017（4）：90-93.

*基金项目：河北省高等教育学会高等教育科学研究课题（项目编号：GJXH2019-010）;河北省高等教育教学改革研究与实践项目（项目编号：2019GJJG038）;河北工业大学教育教学改革研究重点项目（项目编号：201702005）;教育部高等学校仪器类专业教学指导委员会高等学校仪器类专业新工科建设项目（项目编号：2018C066）。

作者：杨泽青，河北工业大学机械工程学院，副教授，博士，研究方向为精密仪器设计;王春方、刘丽冰、陈英姝、彭凯，河北工业大学机械工程学院（300130）。