談數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)科研反哺

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摘要:以數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)科研反哺，示范性開(kāi)設(shè)三弧段等距型面軸磨削基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)創(chuàng)性設(shè)置砂輪位移在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，全方位鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力，有效提高本科生綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞:科研反哺;數(shù)控技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué);磨削

《數(shù)控技術(shù)》屬于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)本科生一門承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其重點(diǎn)在于應(yīng)用數(shù)字信息(即數(shù)控程序)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生利用儀器設(shè)備控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象的變化，通過(guò)觀察、測(cè)定和分析，驗(yàn)證并鞏固課程知識(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手能力、觀察分析能力、創(chuàng)新能力的一種實(shí)踐性教學(xué)形式，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課中廣泛應(yīng)用［1］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)屬于實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是高等教育人才培養(yǎng)的重要組成部分。當(dāng)前數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要局限于課程理論的驗(yàn)證，內(nèi)容相對(duì)比較傳統(tǒng)、常規(guī)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新思維，無(wú)法充分體現(xiàn)學(xué)生的主觀能動(dòng)性［2］。為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度與質(zhì)量，充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、科研能力，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有必要設(shè)置綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)［3］。綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展對(duì)實(shí)驗(yàn)教師的能力與素質(zhì)提出了很高的要求，科研型教師將最新的科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將科研反哺教學(xué)，以科研推動(dòng)理論學(xué)習(xí)。

一、科研反哺實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)有著較大的差異性。理論教學(xué)要求教師對(duì)學(xué)科專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)了然于胸，在教授書本知識(shí)的同時(shí)，穿插最新研究成果對(duì)書本知識(shí)予以補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)教學(xué)則需要教師掌握豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和技能，在講授專業(yè)知識(shí)之余，還應(yīng)傳授學(xué)生原理性知識(shí)以及科研技能，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，初步掌握一些科研的思路和技能。教學(xué)和科研是高校教師的基本職能，兩者是互相依存、相輔相成的。教師通過(guò)科研可以提高研發(fā)水準(zhǔn)，學(xué)生則可以通過(guò)教師的科研反哺教學(xué)培養(yǎng)實(shí)踐精神。教師通過(guò)科研可以使自己平時(shí)在課堂教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)教學(xué)中碰到的問(wèn)題得以驗(yàn)證和解決，以科學(xué)研究驗(yàn)證現(xiàn)有理論和開(kāi)創(chuàng)新成果?？蒲心軌蚴菇處熣莆兆钚碌膶I(yè)理論和技能，豐富和拓展教師學(xué)術(shù)能力和執(zhí)教水平?？蒲蟹床附虒W(xué)，將最新的科研成果融入教學(xué)當(dāng)中，建立科研與教學(xué)的有機(jī)結(jié)合、相輔相成的長(zhǎng)效機(jī)制，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一發(fā)展，不失為一種處理科研與教學(xué)關(guān)系的有效途徑［4］。通過(guò)科研反哺教學(xué)，在幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)和鍛煉實(shí)踐能力的基礎(chǔ)上，還可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)亦是科研的催化劑，有助于對(duì)科研成果進(jìn)一步拓展與驗(yàn)證，有助于教師建立更加清晰的科研思路及脈絡(luò)。因此，科研反哺實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義在于以下方面。(1)教師通過(guò)多年科研經(jīng)驗(yàn)，掌握了一定的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技能，了解本學(xué)科最新的專業(yè)技術(shù)，因此可以傳授學(xué)生書本之外的實(shí)驗(yàn)技能，使學(xué)生提前掌握讀研或者工作后才能接觸到的技能，從而培養(yǎng)出具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)型人才。(2)教師基于自身科研課題需求，需要用到先進(jìn)儀器設(shè)備，或者對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造發(fā)揮其最大作用，甚至開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)儀器。通過(guò)若干科研研究，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能、構(gòu)造等有著透徹的了解，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有著深刻的見(jiàn)解，使得教師在傳授知識(shí)時(shí)表達(dá)得更加透徹、易懂。教師亦可總結(jié)一些貼合書本理論且具有實(shí)際意義的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到理論指導(dǎo)實(shí)踐的目的。(3)教師的科研課題往往是某學(xué)科中處于比較前沿、比較廣泛的項(xiàng)目，課題的完成可以解決企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇到的理論、實(shí)際問(wèn)題。將科研中涉及的理論和技術(shù)轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)展一系列項(xiàng)目性實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程，可以使學(xué)生層次提高、教師獲益，并且使科研的意義得到升華。

二、三弧段等距型面軸數(shù)控磨削實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

(1)三弧段等距型面軸磨削基礎(chǔ)。三弧段非圓等距型面是非圓等距型面中圓弧多邊形應(yīng)用最廣泛的一種截面輪廓。非圓等距型面是指型面的非圓廓形等尺寸性，即輪廓上任意對(duì)應(yīng)的兩條相互平行的切線距離相等的性質(zhì)［5］。非圓等距型面輪廓是型面無(wú)鍵聯(lián)接件的典型廓形，其在軸轂動(dòng)力傳遞中具有自動(dòng)定心、傳遞大扭矩、傳遞效率高、應(yīng)力集中小等特點(diǎn)，在礦山機(jī)械、鍛壓機(jī)械、鑄造機(jī)械等方面有著廣泛的應(yīng)用［6］。當(dāng)前非圓等距型面輪廓加工大都采用軌跡法，工件繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具在兩個(gè)坐標(biāo)方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，屬于三軸聯(lián)動(dòng)加工，該制造工藝運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，對(duì)機(jī)床的性能要求較高。為簡(jiǎn)化三弧段非圓等距型面軸加工工藝，引入X-C兩軸聯(lián)動(dòng)磨削技術(shù)。工件繞其主軸C軸旋轉(zhuǎn)，砂輪繞其中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)砂輪隨著工件的旋轉(zhuǎn)沿X軸直線往返運(yùn)動(dòng)，加工過(guò)程中需確保工件與砂輪始終處于相切狀態(tài)。(2)三弧段等距型面軸磨削數(shù)控程序編制。三弧段等距型面軸的截面輪廓不規(guī)則，輪廓曲率半徑不斷變化，但是可以用函數(shù)表示廓形曲線。三弧段等距型面軸數(shù)控磨削與外圓磨削明顯不一致，要實(shí)現(xiàn)其X-C聯(lián)動(dòng)磨削，需要對(duì)其截面輪廓進(jìn)行插補(bǔ)。X-C聯(lián)動(dòng)磨削一般按照C軸每轉(zhuǎn)1°或0．5°來(lái)計(jì)算砂輪在X軸方向的位移，即砂輪在每一個(gè)等分角度轉(zhuǎn)角點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移，其位移變化量相對(duì)較小，可以直接采用直線插補(bǔ)。根據(jù)三弧段等距型面軸的廓形函數(shù)與X-C聯(lián)動(dòng)磨削數(shù)學(xué)模型，即可求得工件轉(zhuǎn)角與砂輪位移的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表，將該數(shù)據(jù)表導(dǎo)入回轉(zhuǎn)類非圓零件數(shù)控加工程序模塊，最終生成三弧段等距型面軸X-C聯(lián)動(dòng)磨削數(shù)控程序。數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)在于讓學(xué)生熟悉數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系、數(shù)控加工的指令及程序結(jié)構(gòu)，并掌握數(shù)控加工程序的編制。三弧段等距型面軸磨削數(shù)控程序編制可以充分體現(xiàn)該教學(xué)目標(biāo)。(3)三弧段等距型面軸數(shù)控磨削實(shí)驗(yàn)。三弧段等距型面軸數(shù)控磨削實(shí)驗(yàn)在非圓高速數(shù)控磨床上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)具體過(guò)程為:選用合適的砂輪類型與尺寸、冷卻液類型;打開(kāi)電源，開(kāi)啟數(shù)控機(jī)床;將工件安裝在頭架與尾架間并固定好位置，對(duì)工件的X和Z軸對(duì)刀;手動(dòng)操作機(jī)床回零，根據(jù)對(duì)刀時(shí)的X、Z值修改程序中保存的X、Z初始坐標(biāo)值;設(shè)定恰當(dāng)?shù)纳拜喚€速度、磨削深度、工件轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù);選擇編制的數(shù)控程序，讓機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)磨削加工;待實(shí)驗(yàn)完畢后按照要求關(guān)閉數(shù)控機(jī)床;斷開(kāi)數(shù)控機(jī)床電源，清潔并整理實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備歸位，打掃實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)數(shù)控磨削加工實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解非圓高速數(shù)控磨床的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本操作，加深對(duì)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系、數(shù)控指令的理解，拓展機(jī)械制造相關(guān)理論的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用。

三、數(shù)控磨削砂輪位移在線測(cè)量拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

三弧段等距型面軸X-C聯(lián)動(dòng)磨削會(huì)產(chǎn)生很大的加速度，磨床的伺服系統(tǒng)響應(yīng)滯后，砂輪位移達(dá)不到程序預(yù)期目標(biāo)，使工件磨削不充分，存在較大誤差，影響工件的加工精度與使用性能。三弧段等距型面軸X-C聯(lián)動(dòng)磨削砂輪位移在線測(cè)量平臺(tái)包括激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀，以及固定傳感器的磁力座、螺栓和螺母。激光位移傳感器通過(guò)螺栓和螺母固定并將螺栓用磁力座夾住，將磁力座吸附在尾架上，將連接線接好，使傳感器鏡頭平面與砂輪架前表面平行，并調(diào)節(jié)激光位移傳感器的傾角;打開(kāi)新建的數(shù)據(jù)采集與分析界面，設(shè)置好采集通道中的激光位移傳感器的參數(shù);實(shí)驗(yàn)前手動(dòng)控制砂輪與三弧段等距型面軸最小圓弧半徑點(diǎn)接觸，采用激光位移傳感器測(cè)量初始距離;啟動(dòng)數(shù)控程序，讓數(shù)控機(jī)床進(jìn)行三弧段等距型面軸的磨削加工;激光位移傳感器和數(shù)據(jù)采集儀檢測(cè)得到不同時(shí)刻的砂輪位移，對(duì)砂輪位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)砂輪位移在線測(cè)量，使學(xué)生理解激光位移傳感器的工作原理，掌握其使用方法;理解數(shù)控磨削過(guò)程中存在的磨床伺服系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)X軸位移誤差影響的問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

結(jié)合數(shù)控技術(shù)課程及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體情況，充分吸收科研項(xiàng)目中數(shù)控相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)科研反哺數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，示范性開(kāi)設(shè)三弧段等距型面軸磨削基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)創(chuàng)性設(shè)置砂輪位移在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉掌握數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與基本操作、數(shù)控程序編寫、位移測(cè)量、數(shù)據(jù)采集分析處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等。同時(shí)通過(guò)全程參與，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案中提高學(xué)生的思維能力，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中提高動(dòng)手能力，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中增強(qiáng)總結(jié)能力等，全方位綜合鍛煉創(chuàng)新意識(shí)和科研能力，對(duì)于有效提高學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力具有重要的意義，為進(jìn)一步從事制造領(lǐng)域相關(guān)科學(xué)研究和企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者：劉偉 劉順 單位：湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室