智能制造背景下“机械制造技术基础”实验更新探索*

刘 永 ，陈 诚 ，王生怀 ，陈君宝 ，褚晓雯 ，周 旭

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北 十堰 442002）

高校课程中的实验教学部分侧重培养学生的实践和操作能力，起到了理论课程教学无法替代的作用。近年来，相关的机电和自动化类专业都进行了相应的实验教学改革[1-2]。在智能制造技术广泛应用的背景下，传统的演示型、验证型实验项目已无法完成培养人才工程能力的课程目标[3-4]。基于此，部分高校开发了设计型、开放型、创新型的实验项目[5-6]，起到了较好的教学效果。随着互联网及虚拟制造技术的发展，高校逐步开设虚拟仿真实验[7]。同时，为了突出培养和锻炼学生的工程实践能力，高校增加了相应的零件加工实验课程[8-10]。针对湖北汽车工业学院机械工程学院“机械制造技术基础”课程实验项目及其设备陈旧的问题，课题组更新了数控雕刻机加工零件、组合夹具设计组装实验。结果表明，更新的实验教学项目能更好地适应智能制造背景下企业机械制造技术的发展现状，将实验由演示型、验证型转变为综合型、创新型和动手型，不仅激发了学生的学习兴趣，而且满足了课程目标对实验教学的要求。

1 实验教学存在的问题

“机械制造技术基础”是一门实践性很强的本科机械设计制造及其自动化专业的必修课。其课程目标定位是通过课程的学习，学生具备机械工程师的专业素养、掌握机械制造领域的专业理论、具备初步分析及解决机械制造领域复杂工程问题的工程能力。湖北汽车工业学院机械工程学院该课程与实验教学相关的课程目标是让学生掌握机械制造技术的实验手段和分析方法，能够应用机械制造技术及数学、力学等相关原理正确地表达机械产品制造与装配中的工程问题，并能通过实验与分析得出有效结论。传统的演示型、验证型实验通常是教师动手操作加讲解、学生在旁观看和听讲。看和听的实验过程让学生极容易走马观花，既没有参与感及体验感，也很难激发学习兴趣，无法起到实验教学配合理论教学巩固、消化课堂理论知识的作用，更谈不上培养学生高阶的分析、解决机械制造工程问题的能力和核心专业素养。该课程的实验项目包括车刀角度测量、切削力及切削热测量、工艺系统刚度测量、机床主要部件拆装、螺纹丝杆传动误差测量、微型加工中心动作模拟演示等。以湖北汽车工业学院机械工程学院开设的车刀角度测量实验为例，学生可以用万能角度测量仪测量外圆、内圆、切断、断面车刀的前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等角度，以此锻炼学生的动手操作能力。螺纹丝杆传动误差测量实验、微型加工中心动作模拟演示实验等的实验设备是国内高校开发的，具有集成性好的特点，而且学生可以用PLC控制器进行控制。螺纹丝杆传动误差测量实验数据可以先采集

再进行事后分析，该实验可以对螺纹丝杆传动的随机误差和系统误差进行分析，但实验设备是封装好的，学生做完实验后只是训练了数据处理能力，对传动误差产生的原因并没有深入认识，导致了实验报告中的误差产生原因分析不准确、不到位。微型加工中心动作模拟演示实验由PLC控制器控制，学生可以自己接线，在程序运行后，再观看实验设备的运行动作。该实验项目可以同时进行6~7个实验，但这些实验侧重于机电传动控制，与“机械制造技术基础”课程的关联度不大，且实验设备也是封装好的，不具备开放性，无法进行创新性设计实验。由此可见，在智能制造背景下，目前的课程实验已无法满足课程的发展需要，需要更新实验项目。

2 新开发实验实施过程

2.1 数控雕刻机加工零件实验

课题组选购了某公司生产的数控雕刻机，该设备为四轴联动、功率较小的数控铣床。工作台可以沿X、Y轴移动，通过步进电机与滚珠丝杆副连接，能使工作台在X、Y轴方向联动。工作台的三维模型如图1所示。主轴竖直布置，其升降依靠Z轴的步进电机和滚珠丝杆副、直线导轨副的运动实现。主轴旋转电机为小型交流伺服电机。

图1 工作台三维模型图

数控雕刻机配有MACH3多轴运动控制卡，由24 V直流电源供电，与X、Y、Z轴步进电机及主轴伺服电机驱动器连接，再由Mach3数控加工软件的G代码程序输出给上述驱动器。当设备启动、急停按钮及Z轴对刀等输入信号输入到该运动卡中时，控制电机驱动器就可以控制电机的动作。在通用的三维设计软件中建立加工零件的三维模型，保存成通用的文件格式输出。将保存的文件在精雕软件中打开，设置好加工的参数，如刀具类型、切入方式、退刀方式、加工表面、切削转速、进给量、切深等。设置好参数后，在精雕软件中运行模拟加工过程，在没有错误报警后，保存生成TXT文件格式的数控程序G代码。将生成的TXT文件导入到设备上的Mach3数控加工软件中，通过对刀计算刀具机床原点和工件原点的相对坐标，设置好两者的相对距离，在Mach3软件中完成X、Y、Z轴三个方向对刀。设置好参数后，运行加工数控程序，可以让设备自动运行，直到加工过程完成。

加工的零件材质为铝型材板，其长宽高分别为50 mm、50 mm、15.4 mm，采用直径为4 mm立铣刀加工。实验前将零件图发给学生，让学生用三维设计软件建立数字模型，并保存成通用文件格式。同时让学生提前观看录制好的精雕、Mach3数控加工软件操作视频，要求学生根据视频操作设置参数、完成模拟加工、生成G代码以及熟悉Mach3数控加工软件的加工操作过程。正式实验前要求学生提前熟悉实验作业指导书，熟悉实验的目的、方法及操作流程。实验时，由5~6名学生为1组，每组学生配备1名教师负责安全监督及操作指导。操作前给设备水箱加好水，模拟切削过程时加入切削液，用简易的压板将需要加工的工件夹紧。点击设备启动按钮，在手动模式下对X、Y、Z轴三个方向对刀。对刀的目的是在程序中考虑刀具的机床坐标系原点和工件坐标原点O之间的位置关系，保证刀具从机床坐标系原点出发时能从程序设置好的起点切入工件。X、Y轴对刀时刀具和工件的两轮廓边会出现接触间隙，Z轴对刀时刀具尽量略高于零件上表面，以免刀具撞到工件。当刀具和工件距离较远时，将步进电机的步距角调大些，选择连续运动模式；当刀具和工件距离较近时，将步进电机的步距角调小些，选择点动运动模式。保存X、Y两轴的对刀位置后，Z轴对刀采用设备上配置的能实现自动对刀的专用对刀块。该对刀块实际是一种压电式传感器，将对刀块放于工件上面，在软件界面上点击Z轴对刀按钮，刀具会按程序设置好的较慢的速度向下运动。当碰到对刀块时，传感器产生的压电信号会反馈给机床程序控制系统，然后，控制程序会使主轴伺服电机反转带动刀具上升。程序自动减去对刀块高度，以此获得加工时刀具切入的Z轴坐标。为保证切入时刀具不碰到工件表面，Z轴对刀时对刀块和工件之间垫3~4张报纸，以保证切入时刀具和工件间有较小的间隙。对好刀后，导入G代码数控程序，设备运行开始自动加工。加工完成后可以让学生测量加工件的尺寸，并分析产生加工误差的原因。

此实验为设计型、创新型、动手型实验，从零件三维建模、加工模拟、参数设置、数控实际加工、尺寸检验、误差原因分析、熟悉数控设备等多个角度锻炼了学生分析、解决机械制造领域复杂工程问题的能力。从效果来看，学生积极性较高，达到了课程目标在实验部分的要求。

2.2 组合夹具设计组装实验

机床夹具设计是“机械制造技术基础”课程的重要内容。在理论课堂上，教师分析、列举了工程实例，但由于缺乏实物，学生感性认识不足，因此很难达到理想的教学效果。随着智能制造技术在机械制造领域的广泛应用，数控机床及加工中心等装备的使用越来越普遍。面对多品种、多规格的夹具生产类型，要求非标工装夹具的设计周期不能太长，而传统的机床夹具设计存在周期长、专用性强、柔性差的缺点，但创新的组合夹具可以弥补上述问题。

课题组选用某公司生产的组合夹具教具，材质为铝合金。每套配备多个工件，包括不同规格的定位块、连接板、钻套、对刀块和夹紧装置，还配备有圆形、方形的槽形底板，可以同时组装15套不同的车床、铣床、钻床、镗床夹具。为方便指导学生进行夹具设计、装配，同时还配有虚拟教学资源，在三维软件上将设计的三维装配图生成可执行文件，可形成动态的爆炸图动画。实验结束后，要求学生在实验报告中绘出设计的零件机械加工工序简图、指明夹具上各个元件的作用、分析夹具是如何保证加工的工序尺寸及形位公差的。学生自己设计、动手搭建组合夹具，既有感性认识，又锻炼了创新性、高阶性分析和解决机械制造领域复杂工程问题的能力。

3 结论

在智能制造背景下，为了让实验项目更好地服务“机械制造技术基础”课程的教学目标，锻炼学生的高阶、创新思维能力及动手实践能力，增加实验教学的挑战度，课题组对“机械制造技术基础”课程的实验项目进行了更新。结果表明，更新的数控雕刻机加工零件和组合夹具设计组装实验项目解决了传统实验教学项目设计固定、不具备开放性的问题，将课程实验由演示型、验证型转变为综合型、创新型和动手型，极大地调动了学生的学习积极性。此外，更新的实验教学项目很好地配合了课程的理论教学内容，增强了智能制造背景下学生分析、解决机械制造领域复杂工程问题的能力。