高校機械精度設計課程的實踐教學方法改進研究

張起勛 邵承會 張忠元 劉鵬 周立明 張建海 羅彥茹 陳炳錕 閆振華

摘要：尺寸精度檢測是國內高?！稒C械精度設計基礎》課程的必要實踐環節，各個高校在尺寸精度檢測的實踐教學環節中開展了相關教學內容研究與教研方法改革。本文基于虛擬網絡平臺，通過動畫方式模擬尺寸精度測量儀器的測量過程，使枯燥的實踐學習增加趣味性。同時，本科生通過虛擬仿真實驗操作訓練，在實踐教學課中能夠熟練操作儀器，這不僅有利于儀器的安全保護，還能夠提高本科生的實際測量能力以及工程意識。

關鍵詞：尺寸精度檢測;虛擬網絡平臺;實踐教學

doi：10.16083/j.cnkl.1671-15 80.2019.03.024

中圖分類號：G427

文獻標識碼：A

文章編號：1671-1580（2019）03—0103—04

機械精度的實踐教學課程是充分運用機械精度設計和檢測技術的基本知識，應用各種檢驗和測量設備驗證零件是否合格的綜合性實踐教學。實踐教學課程以各種零件作實驗樣件，比如齒輪、軸、鏈條、泵體和減速器箱體等，要求本科生掌握零件的檢驗或者測量的全過程，掌握尺寸誤差、形位誤差、表面粗糙度的檢測方法和檢測原理，使本科生掌握對所學知識的綜合運用能力。近幾年，吉林大學機械學院機械精度課程組購買了先進實驗儀器與設備，例如數字萬能測長儀、測繪投影儀、三坐標測量儀等，大幅度提高了本科生對機械精度這門課程的理解。本文基于虛擬網絡平臺，通過動畫方式模擬測繪投影儀的測量過程，使枯燥的實驗學習增加趣味性，同時本科生通過虛擬仿真實驗操作訓練，在實踐教學課中能夠熟練操作儀器，這不僅有利于儀器的安全保護，還能夠提高本科生的實際測量能力以及工程意識。

一、實踐教學內容

為保證機械零件的尺寸精度，零件加工完后必須對其尺寸加以檢測，以保證零件符合設計要求。檢測又分為檢驗與測量。檢驗：能確定幾何量是否合格，但得不到具體的數值。測量：能獲得幾何量的具體數值。

幾何量的測量是為了確定被測幾何量的量值而進行的實踐教學過程，但是任一測得值都由真值和測量誤差值組成，因此在實際的測量中，應該選擇適當的檢測儀器，采用正確的測量方法，盡量減小測量誤差，以使測量值趨近于真值。同時，應該考慮驗收極限，驗收極限是指驗收孔、軸實際尺寸時，判斷合格與否的尺寸界線。分別有兩種方式：驗收極限方式一，驗收極限從規定的上下極限尺寸分別向工件公差帶內移動一個安全裕度A來確定。A為公差帶寬度的1/10。方式一應用場合如下：遵循包容要求的孔、軸和標準公差等級;高精度的孔、軸的驗收極限;對于工藝能力指數Cp≥1且遵循包容要求的孔、軸，其最大實體尺寸一邊的驗收極限;對于尺寸呈偏態分布的孔、軸，可以僅對偏態一邊采用內縮方式確定。驗收極限方式二，驗收極限等于規定的上下極限尺寸，即安全裕度A值等于零。方式二應用場合如下：當工藝能力指數Cp≥1時，孔、軸的驗收極限;非配合和一般公差尺寸的孔、軸的驗收極限。軸尺寸精度和孔的尺寸精度的檢驗和測量方法，在考慮計量器具同時除應根據工件的尺寸大小、工件的外形等確定計量器具的示值范圍和測量范圍以外，應該考慮保證所需要的測量精度。為了能夠有效地提高測量精度，降低加工難度，大多數采用比較測量法。在大批量生產零件時，為能夠提供高效率的檢測，一般可用光滑極限量規檢驗軸和孔的尺寸，軸的尺寸檢驗用的是環規或者卡規，孔的尺寸檢驗用的是塞規。光滑極限量規是一種無刻度的定值專用計量器具，有通規和止規。被測零件能夠通過，止規不能夠通過，那么被測零件的尺寸判定為合格。光滑極限量規的作用是能夠檢驗孔、軸實際尺寸和形狀誤差的綜合結果。

如圖1所示，測繪投影儀是通過非接觸式測量方法進行測量零件的。利用光學鏡頭把微小零件放大一定倍數，最終在電腦顯示器上成像，可以通過軟件測量出零件的實際尺寸。

測繪投影儀是尺寸精度檢測中的重點實踐課程，通過網絡實驗項目使學生了解測繪投影儀的操作過程，理解造成尺寸誤差的原因，虛擬實驗操作如下：

（一）基于FLASH動畫，建立測繪投影儀的主要結構動畫，如二維平臺、攝像頭及內部調整機構，以及虛擬的計算機屏幕，通過動畫說明測繪投影儀各旋鈕功能。

（二）點擊被測零件庫窗口，學生根據學號，選擇相應的被測零件，將被測零件（鏈片）擺放在操作平臺上，調焦距。

（三）點擊虛擬操作軟件窗口，根據攝像頭的放大倍數，使被測零件在虛擬計算機屏幕里顯示。

（四）應用虛擬的計算機屏幕中的測量工具進行測量。

（五）點擊評定窗口，評定被測零件是否合格。

二、實踐教學改革目的

（一）虛擬仿真實驗能夠提高本科生對實踐教學課程的興趣

本科生普遍重視成績，對機械精度的實踐教學課程興趣不大，經常是抱著“應付了事”的態度;虛擬仿真實驗教學通過多媒體技術能夠非常有效地向學生展示儀器的操作流程，幫助學生更好地做好實踐教學課程預習，理解自己將要進行的課程內容和學習方法，進而提高學生對實踐教學課程的興趣，從而提高實際訓練的效果。

（二）虛擬仿真實驗教學能夠提高實踐教學的質量

機械精度課程是面對整個工學部的本科生，因此每年都有上千名本科生學習該課程，由于實驗儀器數量有限，不能完全達到每人進行儀器操作，很難保證實踐教學質量，但通過虛擬仿真實驗課程，可以讓每一位同學親自操作該儀器進行測量零件，并培養操作儀器的基本安全意識和良好的習慣，還可以極大地拓展教學的內容覆蓋面，充實實踐教學的內容，讓本科生的操作能力更加全面，使得實踐教學質量得到提高。

三、實踐教學改革方案——人機互動功能設計

人機互動功能設計如圖2所示，基于虛擬網絡平臺，制作的測繪投影儀尺寸精度測量虛擬仿真實驗界面如圖3所示。

（一）點擊虛擬測繪投影儀模型窗口

如圖3所示，基于FLASH動畫制作測繪投影儀操作平臺模型，建立攝像頭及內部調整結構，以及虛擬的計算機屏幕，說明測繪投影儀的工作原理，例如投影儀放大倍數以及操作平臺x和y方向移動等內容，使得本科生操作起來更加容易。

（二）點擊被測零件庫窗口

如圖4所示，建立被測零件庫，例如鏈條、螺母等一系列微小型零件庫。學生根據學號，選擇相應的被測零件，確保每個人測量的零件不同。查看該被測零件的圖紙，根據圖紙的尺寸公差標注，最終評定零件是否合格。

（三）點擊虛擬操作軟件窗口

如圖5所示，根據攝像頭的放大倍數，使被測零件在虛擬計算機屏幕里顯示。具體操作步驟為：在測繪投影儀操作平臺零件上，通過鼠標識別被測零件外尺寸測點的位置。全部取完后，在要素列表中出現相應的要素名稱（例如四邊形、長方形、橢圓形、圓形、正方形以及菱形等），該要素包含了所有測量點的數據。

（四）點擊進入尺寸測量窗口

如圖6所示，在該窗口中，點擊右鍵，調入相應的要素名稱（例如網形，正方形以及菱形等），雙擊該要素，出現尺寸計算結果的窗口，該計算結果保留小數點后三位。

（五）點擊評定窗口

在該窗口中輸入被測零件圖紙中尺寸公差，將該測量結果與尺寸公差進行比對，評定該尺寸誤差是否合格（合格顯示綠色，不合格顯示紅色）。

（六）點擊進入

當前面全部結束后，方可激活“考核”界面，點擊進入，以選擇題的方式，呈現若干題目，學生選擇出自己做的答案后，直接輸出考核成績。點擊此時出現的“提交”按鈕，將本次實驗的測量對象、測量結果、判定結果及考核題目、成績提交給系統，由指導教師檢查每位學生的提交報告。

四、結論

虛擬仿真實驗教學通過多媒體技術能夠非常有效地向學生展示儀器的操作流程，幫助本科生做好實踐教學預習，理解自己將要進行的實踐教學內容和實踐教學方法，由此能夠提高實踐教學訓練的效果，并激發本科生主動學習機械精度設計課程的興趣。

后續應該增加虛擬平臺的建設，需要開發《機械精度設計基礎》中講解的測量儀器的網絡虛擬仿真實驗平臺，例如三座標測量儀平臺、萬能測齒儀、漸開線測量儀平臺等，形成《機械精度設計基礎》課程的虛擬仿真實驗平臺，有利于儀器的安全保護，能夠提高本科生的實際測量能力以及工程意識。

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