楊澤青 王春方 劉麗冰 陳英姝 彭凱

摘? 要 為提高精密儀器與機械制造技術(shù)實踐教學(xué)質(zhì)量，分析河北工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)實踐教學(xué)存在的問題及改革需求，構(gòu)建典型盤類零件幾何精度在線檢測過程虛擬仿真教學(xué)平臺。經(jīng)過四年的教學(xué)實踐與逐步完善，實施效果表明，該虛擬仿真教學(xué)平臺模塊設(shè)置合理、目標(biāo)明確，有利于培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問題分析解決能力和現(xiàn)代工具使用能力，對深化實踐教學(xué)改革起到良好的示范作用。

關(guān)鍵詞 幾何精度;在線檢測;實踐教學(xué);虛擬仿真教學(xué)平臺;精密儀器與機械制造技術(shù)

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：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 精密儀器虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)的必要性

精密儀器與機械制造技術(shù)是高等學(xué)校測控技術(shù)及儀器專業(yè)所設(shè)置的一門主干專業(yè)課，是研究儀器生產(chǎn)和裝配工藝過程精度保障的一門課程。該課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)重在培養(yǎng)學(xué)生精密零件幾何精度在線檢測及誤差分析能力，啟發(fā)學(xué)生從檢測工藝角度不斷改進精密零件及儀器零部件精度，為后續(xù)專業(yè)綜合實踐奠定基礎(chǔ)，對培養(yǎng)從事精密儀器檢測工藝分析與精度控制人才具有重要作用[1]。

隨著新工科、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，實踐教學(xué)體系需要緊跟新技術(shù)的發(fā)展，不斷進行豐富和擴展。但是由于受到場地及資金等限制，如高速高精密數(shù)控機床動輒百萬元，工業(yè)4.0智慧工廠需要較大場地且價值不菲，先進高端實驗設(shè)備難以進入專業(yè)實踐教學(xué)[2]。虛擬仿真實驗教學(xué)基于虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗[3]，解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難等問題，如觸覺檢測裝置造價高，柔性智能生產(chǎn)線高成本、高消耗、不可逆操作等;補充由于受場地限制、缺乏價格昂貴的復(fù)雜裝備、危險度高等造成的訓(xùn)練項目教學(xué)環(huán)節(jié)的缺失，完善實踐教學(xué)體系，提高實踐教學(xué)質(zhì)量。并且學(xué)生能夠多人協(xié)同，隨時開展創(chuàng)新訓(xùn)練，有助于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動實踐的能力，實現(xiàn)個性化分散式實訓(xùn)教學(xué)。因此，有必要探索構(gòu)建方便學(xué)生學(xué)習(xí)的精密零件幾何精度在線檢測過程虛擬仿真教學(xué)平臺，積極引導(dǎo)學(xué)生進行探究性與自主性學(xué)習(xí)[4]。

2 構(gòu)建零件幾何精度在線檢測虛擬仿真教學(xué)平臺

虛擬仿真教學(xué)平臺基本架構(gòu)? 盤類零件作為精密儀器中典型零件之一，主要起支撐和導(dǎo)向作用，應(yīng)用范圍較廣。盤類零件幾何精度在線檢測過程虛擬仿真教學(xué)平臺主要讓學(xué)生掌握其序前基準(zhǔn)檢測過程，序中軸徑、孔徑尺寸檢測過程，以及序后關(guān)鍵尺寸精度及形位精度檢測過程，所以設(shè)計的虛擬仿真教學(xué)平臺功能模塊框圖如圖1所示，主要包含檢測工藝系統(tǒng)組件模型庫、檢測工藝系統(tǒng)基本運動仿真模塊、序前基準(zhǔn)檢測、序中關(guān)鍵尺寸精度監(jiān)測、序后幾何精度檢驗五個功能模塊。其中，檢測工藝系統(tǒng)組件模型庫包含盤類工件、夾具、檢測裝置、數(shù)控車床模型及檢測工藝系統(tǒng)裝配模型;檢測工藝系統(tǒng)基本運動仿真模塊包括主軸轉(zhuǎn)動、尾座沿Z方向移動、測頭沿X/Z方向移動;序前基準(zhǔn)檢測主要包括盤類零件軸向基準(zhǔn)檢測模塊和盤類零件內(nèi)孔中心線相對于主軸回轉(zhuǎn)中心線的偏心檢測模塊;序中關(guān)鍵尺寸精度監(jiān)測模塊主要包括盤類零件加工過程中關(guān)鍵尺寸精度如孔徑、軸徑檢測，并與加工工序所允許的公差進行對比，實現(xiàn)關(guān)鍵尺寸精度監(jiān)測功能;序后幾何精度檢驗?zāi)K主要包括盤類零件加工后關(guān)鍵尺寸精度如孔徑、軸徑、軸段長度檢測模塊，加工后關(guān)鍵形位精度如圓柱度檢測模塊，并與加工后所允許的公差進行對比，實現(xiàn)關(guān)鍵幾何精度檢驗功能。

虛擬仿真教學(xué)平臺的構(gòu)建? 該虛擬仿真教學(xué)平臺采用模塊化設(shè)計思想，構(gòu)建的檢測工藝系統(tǒng)組件模型庫包括機床床身、卡盤、溜板箱、尾座、顯示屏、按鈕等。其中，卡盤用來夾持待測零件;溜板箱包括電機、刀盤和導(dǎo)軌，刀盤上某一工位用來裝測頭;顯示屏用來觸發(fā)檢測任務(wù)及顯示測得數(shù)據(jù)。構(gòu)建的檢測工藝系統(tǒng)仿真環(huán)境如圖2所示。

在加工前，為了確定零件的軸向基準(zhǔn)面，需要對其端面基準(zhǔn)進行檢測，便于在軸向上確定各個面的位置以及相互之間的位置關(guān)系，按照規(guī)劃的檢測路徑檢測端面位置，即采集不在同一條直線上的三個點，利用其坐標(biāo)確定基準(zhǔn)平面的位置。用戶進入仿真環(huán)境界面后，點擊“軸向基準(zhǔn)”按鈕，就可進行軸向基準(zhǔn)的檢測，如圖3所示。

加工后盤類零件的圓柱度要求較高，所以在工序后需要對其進行檢驗。在外圓柱面等間距任選12個截面，按照規(guī)劃的檢測路徑檢測外圓柱面各測點，通過最小二乘擬合法計算得到圓柱度誤差值，與允許的圓柱度公差對比，進而判斷其是否合格。圖4為圓柱度檢驗?zāi)K的動畫截圖。

3 虛擬仿真教學(xué)平臺應(yīng)用實踐效果分析

盤類零件幾何精度在線檢測過程虛擬仿真教學(xué)平臺應(yīng)用于精密儀器與機械制造技術(shù)實踐教學(xué)中，具有節(jié)約實驗成本，打破時空限制、在線教學(xué)真實等眾多優(yōu)點[5-7]，不僅使學(xué)生獲得從感性到理性、直觀到思維的學(xué)習(xí)體驗，可以檢驗盤類零件在線檢測程序中路徑規(guī)劃的合理性，以防止與其他部件及障礙物發(fā)生碰撞造成檢測裝置損壞;而且可以真實模擬盤類零件幾何精度檢測過程，用于在工序前輔助零件、夾具的裝夾、找正，確定加工基準(zhǔn)，在工序間監(jiān)測盤類零件的加工情況，以及序后最終對成品進行檢驗，獲取加工狀態(tài)信息和質(zhì)量信息;同時可以培養(yǎng)學(xué)生獨立構(gòu)思和自主學(xué)習(xí)能力，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，由軟件提供的豐富節(jié)點造型和動畫交互功能讓學(xué)生直觀理解盤類零件在線檢測原理及在線檢測運動軌跡，對培養(yǎng)學(xué)生的在線檢測、誤差分析、精度設(shè)計、精密工藝分析等復(fù)雜工程問題解決能力具有重要作用。

四年的實踐效果表明：盤類零件幾何精度在線檢測過程虛擬仿真教學(xué)平臺對精密儀器與機械制造技術(shù)實踐教學(xué)改革探索是有意義的，培養(yǎng)的學(xué)生得到用人單位的認(rèn)可和好評。許多學(xué)生認(rèn)為該實踐環(huán)節(jié)讓他們真正認(rèn)識與理解了典型精密零件幾何精度在線檢測過程，有助于培養(yǎng)專業(yè)核心能力及復(fù)雜工程問題解決能力。

參考文獻

[1]王桂梅，王慶東，劉杰輝.基于行業(yè)特色背景的測控技術(shù)與儀器專業(yè)CDIO教學(xué)模式研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2010（2）：55-56.

[2]楊澤青，肖艷軍，劉麗冰，等.基于《華盛頓協(xié)議》的測控專業(yè)實踐教學(xué)體系優(yōu)化重構(gòu)[J].實驗室研究與探索，2017（3）：176-180，192.

[3]熊宏齊.虛擬仿真實驗教學(xué)助推理論教學(xué)與實驗教學(xué)的融合改革與創(chuàng)新[J].實驗室研究與探索，2020（5）：1-4，16.

[4]谷艷華，苗廣文，楊得軍.混合教學(xué)模式下虛擬仿真教學(xué)的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2019（7）：188-191.

[5]馮梅琳，何學(xué)文，羅小燕，等.基于CDIO理念的測控專業(yè)實踐教學(xué)創(chuàng)新體系[J].實驗室研究與探索，2014（3）：180-184.

[6]魏小于，肖莉，聶政.解剖學(xué)虛擬仿真教學(xué)平臺的構(gòu)建和應(yīng)用[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2019（3）：229-231.

[7]趙銘超，孫澄宇.虛擬仿真實驗教學(xué)的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017（4）：90-93.

*基金項目：河北省高等教育學(xué)會高等教育科學(xué)研究課題（項目編號：GJXH2019-010）;河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目（項目編號：2019GJJG038）;河北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究重點項目（項目編號：201702005）;教育部高等學(xué)校儀器類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會高等學(xué)校儀器類專業(yè)新工科建設(shè)項目（項目編號：2018C066）。

作者：楊澤青，河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，副教授，博士，研究方向為精密儀器設(shè)計;王春方、劉麗冰、陳英姝、彭凱，河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院（300130）。