零件幾何精度在線檢測虛擬仿真教學平臺構建及實踐

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實踐教學質量，分析河北工業大學測控技術與儀器專業實踐教學存在的問題及改革需求，構建典型盤類零件幾何精度在線檢測過程虛擬仿真教學平臺。經過四年的教學實踐與逐步完善，實施效果表明，該虛擬仿真教學平臺模塊設置合理、目標明確，有利于培養學生復雜工程問題分析解決能力和現代工具使用能力，對深化實踐教學改革起到良好的示范作用。

關鍵詞 幾何精度;在線檢測;實踐教學;虛擬仿真教學平臺;精密儀器與機械制造技術

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：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平臺建設的必要性

精密儀器與機械制造技術是高等學校測控技術及儀器專業所設置的一門主干專業課，是研究儀器生產和裝配工藝過程精度保障的一門課程。該課程實驗教學環節重在培養學生精密零件幾何精度在線檢測及誤差分析能力，啟發學生從檢測工藝角度不斷改進精密零件及儀器零部件精度，為后續專業綜合實踐奠定基礎，對培養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、新技術不斷涌現，實踐教學體系需要緊跟新技術的發展，不斷進行豐富和擴展。但是由于受到場地及資金等限制，如高速高精密數控機床動輒百萬元，工業4.0智慧工廠需要較大場地且價值不菲，先進高端實驗設備難以進入專業實踐教學[2]。虛擬仿真實驗教學基于虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，可以讓學生在虛擬環境中開展實驗[3]，解決真實實驗項目條件不具備或實際運行困難等問題，如觸覺檢測裝置造價高，柔性智能生產線高成本、高消耗、不可逆操作等;補充由于受場地限制、缺乏價格昂貴的復雜裝備、危險度高等造成的訓練項目教學環節的缺失，完善實踐教學體系，提高實踐教學質量。并且學生能夠多人協同，隨時開展創新訓練，有助于培養學生主動學習、主動實踐的能力，實現個性化分散式實訓教學。因此，有必要探索構建方便學生學習的精密零件幾何精度在線檢測過程虛擬仿真教學平臺，積極引導學生進行探究性與自主性學習[4]。

2 構建零件幾何精度在線檢測虛擬仿真教學平臺

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

虛擬仿真教學平臺的構建? 該虛擬仿真教學平臺采用模塊化設計思想，構建的檢測工藝系統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、刀盤和導軌，刀盤上某一工位用來裝測頭;顯示屏用來觸發檢測任務及顯示測得數據。構建的檢測工藝系統仿真環境如圖2所示。

在加工前，為了確定零件的軸向基準面，需要對其端面基準進行檢測，便于在軸向上確定各個面的位置以及相互之間的位置關系，按照規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，利用其坐標確定基準平面的位置。用戶進入仿真環境界面后，點擊“軸向基準”按鈕，就可進行軸向基準的檢測，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為圓柱度檢驗模塊的動畫截圖。

3 虛擬仿真教學平臺應用實踐效果分析

盤類零件幾何精度在線檢測過程虛擬仿真教學平臺應用于精密儀器與機械制造技術實踐教學中，具有節約實驗成本，打破時空限制、在線教學真實等眾多優點[5-7]，不僅使學生獲得從感性到理性、直觀到思維的學習體驗，可以檢驗盤類零件在線檢測程序中路徑規劃的合理性，以防止與其他部件及障礙物發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，在工序間監測盤類零件的加工情況，以及序后最終對成品進行檢驗，獲取加工狀態信息和質量信息;同時可以培養學生獨立構思和自主學習能力，從而激發學習興趣和創新意識，由軟件提供的豐富節點造型和動畫交互功能讓學生直觀理解盤類零件在線檢測原理及在線檢測運動軌跡，對培養學生的在線檢測、誤差分析、精度設計、精密工藝分析等復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平臺對精密儀器與機械制造技術實踐教學改革探索是有意義的，培養的學生得到用人單位的認可和好評。許多學生認為該實踐環節讓他們真正認識與理解了典型精密零件幾何精度在線檢測過程，有助于培養專業核心能力及復雜工程問題解決能力。

參考文獻

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

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

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

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

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

[6]魏小于，肖莉，聶政.解剖學虛擬仿真教學平臺的構建和應用[J].基礎醫學教育，2019（3）：229-231.

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

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

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