先進制造技術綜合性創新實驗的開發與實踐*＊

烏日開西·艾依提 伊里哈木·阿不都熱木 章翔峰

(新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

制造業在中國工業化的進程中扮演了重要角色，未來10～20年，制造業的發展和提升仍將是中國國民經濟的重要推動力。人才的培養是實現中國制造業從“中國制造”向“中國創造”轉變的關鍵所在［1］。對于機械工程及自動化專業的大學生，在學習階段培養其綜合實踐能力和創新能力，對其今后是否能成為合格的工程師起著重要作用。

在機械類專業的培養計劃中專業課程的實驗多是為了驗證、鞏固該課程中的一部分內容，與其他課程缺乏聯系。為了加深學生對專業課程間相互關系的認識，提高學生綜合運用專業知識的能力，很多院校都根據自身特點開發了綜合性的實驗［2-4］，建立了綜合性實驗平臺［5-7］，并取得了良好的效果。在新疆大學機械工程及自動化專業的培養計劃中，專業課程的實驗占了所有實踐教學環節30%左右，為了使學生了解主要的專業課程在制造過程中的作用及相互關系，根據新疆大學機械工程學院的課程設置與實驗室條件，開發了先進制造技術綜合性創新實驗，以提高學生綜合運用所學專業知識的能力。

1 綜合性創新實驗的開發背景

《機械設計》、《計算機輔助設計》、《機械制造技術基礎》、《數控技術》、《計算機輔助制造技術》、《互換性與公差測量》等專業課程與制造過程密切相關。這些課程都開設有實驗、上機等環節，但與其他課程間的聯系很少。近些年隨著211 建設、西部高校綜合能力提升計劃等項目的開展，學院購置了一批如三坐標測量儀、六自由度工業機器人等先進設備。這些設備多被用于科研，在本科生培養過程中沒有充分發揮作用。為了使學生深入了解各課程間的相互關系及在制造過程中的作用，了解先進設備的特點，針對我院相關實驗室的軟硬件設備，開發了多個涉及先進制造技術的綜合性創新實驗，本文中的實驗是其中一個集計算機輔助設計技術、計算機輔助制造技術、先進檢測技術為一體的綜合實驗。

2 實驗的開發思路

制造是指包括制造企業的產品設計、材料選擇、規劃、制造的生產、質量保證、管理和營銷的一系列有內在聯系的活動和運作/作業［8］。制造過程的各部分之間是相互關聯、相互作用的，培養計劃和專業課程也是根據制造過程的特點制定和開設。根據課程設置和設備情況，確定如下實驗思路:

學生利用UG 設計零件，通過工藝分析后進行數控過程仿真，再輸出數控加工代碼，利用數控機床進行加工，繼而用三坐標測量儀對加工的零件進行精度檢驗。通過這一過程將學過的理論知識綜合應用于制造過程，加深學生對制造過程的系統認識，了解先進設備的性能及特點。圖1所示為實驗流程與所涉及課程間的關系。

整個實驗過程細分為:三維建模、加工工藝制定、加工路徑仿真、數控加工、精度檢測與分析5 個部分，涉及了機械設計、機械制造技術基礎、計算機輔助設計、計算機輔助制造、數控技術、互換性與技術測量等6 門機械工程及自動化專業的核心課程。

3 實驗過程

綜合實驗各個部分所用的設備如表1 所示。

表1 綜合實驗中使用設備

3.1 三維建模

首先根據實驗中心的設備情況設定了三維模型的尺寸范圍，使之與數控加工中使用的鋁合金毛坯的尺寸相同(200 mm ×150 mm ×30 mm)。要求在設計時要從制造過程的角度，充分考慮零件結構工藝性、刀具、工件安裝與夾具、工藝規程等方面的具體要求。學生必須考慮毛坯尺寸、夾持高度、毛坯下料誤差等因素來設計零件，要避免刀具與夾具干涉，要根據所選刀具的直徑設計零件的圓角半徑、槽寬等尺寸。

此部分的關鍵是培養學生面向加工過程的設計能力，更加貼近實際制造過程，對學生的鍛煉價值更大。設計的零件由各個分組的學生自己確定，但要求有一定的難度，模型需通過指導教師檢查后方能進入下一步，以避免太簡單、無太大鍛煉價值的模型。

3.2 加工工藝制定

此部主要包括設定刀具參數、切削參數、加工路徑等內容。學生需根據《機械制造技術基礎》、《計算機輔助制造》等課程中學過的知識，根據零件的特征選擇設定刀具的半徑，進而確定掃描間距、切削用量、切削掃描方式等參數。在確定掃描方式時，學生要考慮對刀點位置、加工效率、切削方式等因素。在確定完所有參數后輸出數控加工工藝文件。

3.3 加工路徑仿真

此部分是利用生成的工藝參數對加工過程中刀具的加工路徑進行模擬，目的是判斷切削加工過程中刀具的對刀點、換刀點等的位置是否合理，刀具運行軌跡是否正確，是否會發生刀具與零件、夾具發生干涉碰撞等。通過仿真過程，學生可以在進行數控加工之前發現一些諸如干涉、空走路徑過長等問題，并加以修正后輸出數控加工代碼。

以上3 部分內容是在三維CAD 軟件UG 中完成的，利用了UG 的三維建模與數控加工模塊。以前在《計算機輔助制造》課程的上機教學過程中完成這一步就結束了，由于沒有實際加工過程，所以學生在設置刀具、切削用量等參數時的隨意性很大，在簡單的設置一些基本的參數后就開始仿真，看完仿真動畫后就結束了，所設置參數的正確與否無法檢驗。

加工工藝的合理與否與實踐經驗有很大的關系，而學生在制定工藝方面幾乎無任何經驗，只能根據對課本知識的理解來制定工藝。在這個部分存在一些工藝不合理的問題會在后續實驗過程中逐步顯現出來，比較典型的問題有在數控加工環節中出現斷刀、表面加工質量差、加工效率低等問題。在這個階段，指導教師需要在第二、第三兩個部分根據加工過程對學生提具體的要求，引導學生合理設置工藝參數，培養學生根據具體零件進行工藝制定的能力。在后續數控加工部分，指導教師還要根據出現的具體問題進行回溯講解分析。

3.4 數控加工

此部分的目的是學生通過實際加工來對建模與工藝編制過程進行驗證。由于不同的數控系統在程序格式、代碼意義等方面有一些差別，因此在加工前要根據數控銑床的數控系統對UG 生成的數控程序的代碼進行微調。

前面各部分中潛在的問題會在加工過程中集中暴露出來，比較常見的問題有因主軸轉速、進給速度設置不當導致的加工表面質量差，刀具快速磨損甚至斷刀;路徑規劃中空走行程過長導致的加工效率低等等。指導教師根據加工過程中出現的問題在現場進行針對性的分析、講解，強化關鍵知識點，使學生能夠將所學的理論知識與實踐進行更好的結合。

3.5 精度檢測與分析

此部分利用三坐標測量機對學生加工的零件進行尺寸、形狀、位置精度的檢測，使學生進一步發現在前幾個部分中存在的問題，加深對加工工藝的制定與保證形位公差間關系的認識。實驗分組進行，測量時根據各組學生制作的零件特點，對零件關鍵面的尺寸精度，形狀、位置精度進行測量，并將測量數據輸出為報表。

此部分的另一個主要功能是培養學生通過檢測數據，分析在設計、加工過程中出現的一些影響加工質量的原因的能力。指導教師指導學生對報表中的超差數據進行分析，再將實驗過程與課本中的理論知識結合起來，找出造成誤差的原因，討論解決的方法，從而進一步培養學生分析解決工程實踐中問題的思維和能力。

例如有個常見的問題，很多學生不考慮安裝誤差，以為只要將毛坯在銑床工作臺的平口鉗中夾緊就可以保證毛坯的上表面與銑床工作臺面平行了，所以在制定工藝時設定為直接開始輪廓加工，對毛坯的上表面并不加工。有些細心的學生在數控加工過程中會發現在切削過程中的加工余量不均勻，但又不知道原因是什么。針對這個問題，在測量時實驗指導老師專門測量了鋁毛坯上表面未加工表面和與其平行的已加工表面的平面度和平行度。在測量報告中可以看到二者的平面度一般在0.04 mm 以下，但二者的平行度卻普遍在0.5 mm 以上，有些甚至達到1 mm。學生剛開始看到這個數據時百思不得其解，指導教師從設計階段開始一步一步的引導，讓學生分析可能導致平行度誤差大的原因，使學生認識這個誤差是在安裝時產生的，由于毛坯在下料時造成的誤差，加之在平口鉗中夾緊的過程中沒有放平，使鋁毛坯的上表面與工作臺面不平行，所以導致了這個平行度誤差。繼而在啟發學生如何消除這個誤差，讓學生知道在編制工藝時程序中先將上表面銑削一層，即可消除這個誤差。

4 實驗的效果

通過該綜合性創新實驗使學生進一步認識了制造過程中相關技術間的聯系，加深了學生對制造過程中的CAD/CAM 一體化、精密測量技術等先進制造技術的認識。培養了學生的動手能力和綜合分析、解決工程問題的能力。通過綜合實驗使學生能夠面向制造過程，考慮各種實際工況來設計零件和制定工藝，通過分析檢測數據來發現和解決設計、工藝編制、加工過程中的問題。

發現了在綜合實驗中所涉及的課程在課堂教學中的一些不足，在綜合實驗中發現了一些學生沒有很好掌握的共性問題，在今后相關課程的課堂教學及實驗等方面要進行針對性的解決。圖2～5 所示為由一名學生在本綜合實驗中完成的實例。

5 結語

根據新疆大學機械工程及自動化專業的課程設置及實驗設備等情況，針對專業特點開發了先進制造技術綜合性創新實驗。通過綜合實驗的開發與教學實踐，充分調動了學生的積極性，提高了學生的動手能力，培養了學生在實踐中的解決工程問題的能力。

［1］梁玉，汪藝，余捷.明天的制造技術—第三屆中德先進制造技術研討會紀實報道［J］.制造技術與機床，2012(11):51 -53.

［2］馬希直，周瑾.機械設計綜合實驗的實施［J］.實驗室研究與探索，2009，28(5):129 -133.

［3］劉炳良，劉月花.機電一體化系統綜合實驗室的創新構建與實現［J］.信息系統工程，2010(10):129 -131.

［4］潘繼生，吳嵩山.機械傳動性能綜合實驗的開發與實驗教學探討［J］.廣東工業大學學報:社會科學版，2009(S1):240 -242.

［5］李東民，張建中，宋慶軍，等.基于機電一體化系統設計理論的機電液綜合實驗臺開發［J］.機床與液壓，2012，40(22):68 -70.

［6］陳淵，蔡敢為，李巖舟，等.開放式多自由度可控機構綜合實驗臺的研制［J］.裝備制造技術，2011(9):1 -2.

［7］李永法.電液伺服閥綜合實驗臺的研制［J］.河南科技學院學報，2009，37(2):52 -55.

［8］何濤，楊競，范云，等.先進制造技術［M］.北京:北京大學出版社，2006.