便攜式直線度測量實驗臺研制與教學應用

呂唯唯，李忠新，宮 琳，夏新峰

（北京理工大學 機械與車輛學院 地面機動裝備實驗教學中心，北京 100081）

高校新工科背景建設下，培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力是高校本科生人才培養(yǎng)的重要目標，各高校為保障和改善基本教學條件，持續(xù)統(tǒng)籌實驗室投資建設，促進實驗教學條件健康、快速發(fā)展，積極開展實驗裝置改制或研制的實驗室建設項目，這對更新實驗教學手段，提升實驗教師專業(yè)水平等方面都有積極的作用[1-8]。我校從2015 年以來每年都設立實驗室建設項目基金，用于支持本科教學活動中實驗儀器開發(fā)或改制、實驗室信息化建設、實驗室管理等，2018 年本實驗室充分結(jié)合“幾何規(guī)范學”課程實驗的需求和教學特點，研制了一種便攜式直線度測量實驗平臺，用于本科生實驗教學，教學效果良好。

1 技術背景

直線度誤差測量是幾何計量領域中的一個基本測量項目，是平面度、平行度、垂直度、同軸度等測量項目的基礎，也是機械制造業(yè)中的一個非常重要的內(nèi)容。在大型機械制造如工業(yè)鍋爐集箱制造技術標準中，對集箱、排管接頭高度差等都有嚴格的直線度要求，直線度對產(chǎn)品零部件的性能具有決定性的影響[9-13]。直線度誤差和尺寸精度、圓度、粗糙度被稱為影響產(chǎn)品質(zhì)量的四大因素。

在教學活動中存在以下問題：①市場上的直線度測量實驗平臺體積笨重，占地面積大（見圖1），實驗操作過程中人為操作引起的誤差較大，測量效率較低；②現(xiàn)有直線度測量實驗平臺測試方法與工程實際應用的差異性較大，例如現(xiàn)在機床導軌校準很少再使用傳統(tǒng)的直角反光鏡來對準調(diào)直；③實驗內(nèi)容單一，側(cè)重于驗證性實驗，通常只能讓學生完成固定工件的直線度測量，實驗數(shù)據(jù)一致性較高，難以滿足學生的實踐動手需求，偏離實踐能力培養(yǎng)的初衷。因此，本文研制了一種結(jié)構輕便、實踐內(nèi)容可拓展的直線度測量實驗平臺，用以滿足教學工作中的實際需求。

圖1 傳統(tǒng)直線度測量實驗臺

2 實驗臺結(jié)構

實驗臺結(jié)構包含測量導軌、平面基座、反射鏡支架、光學反射鏡及支架快裝連接裝置，如圖2 所示。平面基座由大理石制成，尺寸為500 mm×150 mm× 80 mm，體積小巧，基座中間位置設計有直線槽和定位孔，直線度測量的滑軌被安置在直線槽中，通過垂直方向的定位螺釘固定安裝在平面基座上。反射鏡及鏡架通過支架快裝連接裝置安裝在滑軌上，可以在滑軌上沿著軌道直線移動，導軌上有刻度尺，移動精度為1 mm，可以精準控制每一段測量距離。直線度測量過程中，將光學準直儀放在實驗平臺的一端，通過移動直線導軌上的調(diào)節(jié)反射鏡架來調(diào)整目鏡內(nèi)的十字光標位置，對準光標后即可開始測量該導軌的直線度。實驗過程中，可以通過調(diào)節(jié)定位螺釘?shù)奈恢脕盱`活調(diào)整導軌的直線度。

圖2 便攜式直線度測量實驗臺

3 結(jié)構優(yōu)點

便攜式直線度測量實驗臺本體結(jié)構具有可重配置、找像快速等優(yōu)點，體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）機械本體的關鍵部分如直線導軌、滑塊、快換裝置、轉(zhuǎn)接板、鏡架均可靈活拆卸與安裝，大部分部件可以采用市面上成熟的產(chǎn)品，定制成本不高，具備一定的可重配置性，實驗過程中可以讓學生自己動手組裝實驗平臺，學習如何調(diào)整安裝精度，掌握常見機械結(jié)構的設計原理和工程應用。

（2）找像方式便捷高效。傳統(tǒng)直線度測量過程中在找像過程中使基座始終緊靠反射鏡基座側(cè)面位置擋板移動，依賴擋板限制反射鏡的偏轉(zhuǎn)，校準效率低。本文研制的反射鏡支架通過滑塊與導軌相連接，滑塊與直線導軌的兩個側(cè)面通過滾珠限位，能保證反射鏡鏡面在導軌直線方向移動過程中不會發(fā)生側(cè)轉(zhuǎn)偏動，保證十字光斑始終在目鏡視場有效范圍內(nèi)，提高了測量的精度，滿足了實驗教學精度的需求，找像過程快速有效。

（3）實驗臺直線導軌直線度可靈活調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的直線度測量實驗臺直線度幾乎不可變，便攜式直線度實驗臺的直線導軌可以調(diào)節(jié)導軌與大理石矩形槽的間隙，在一定范圍內(nèi)改變直線導軌的直線度。圖3 中，直線導軌在大理石平臺的矩形槽安裝時，將導軌與作為基準的底面和一側(cè)安裝面緊靠，而與非安裝的一側(cè)留有間隙，并用螺釘固定導軌，基座與直線度測量導軌的連接間隙可以自由調(diào)節(jié)，使得直線導軌的直線度可以在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。

（4）采用支架快捷裝置，使得反射鏡鏡架安裝位置精準。鏡架的連接轉(zhuǎn)接板與支架快接裝置下半部分使用螺釘將固定在一起，如圖4 所示。支架快接裝置以磁力作為快速連接手段，鏡架底座與支架快接裝置靠磁力緊密吸住后，依靠鏡架底座上鑲嵌的剛性圓球與支架快捷裝置上的圓柱槽對接固定，因此接觸為點接觸，保證了鏡架的安裝位置精準，不會發(fā)生側(cè)移。

圖3 導軌水平定位結(jié)構

圖4 連接轉(zhuǎn)接平板結(jié)構和支架快接裝置

（5）二軸解耦鏡架調(diào)節(jié)鏡面角度快捷、高效。采用彈簧式結(jié)構的二軸O 形可調(diào)俯仰夾持鏡架，鏡架采用2 點定位，2 點解耦，鏡架上有2 個旋鈕（見圖5），通過旋轉(zhuǎn)2 個旋鈕，可以以相對邊為軸線轉(zhuǎn)動鏡面角度，改進了傳統(tǒng)反射鏡支架3 點調(diào)節(jié)帶來的耦合誤差，避免了鏡面旋轉(zhuǎn)自由度的耦合干擾。二軸鏡架調(diào)整角度精度高，鏡架二軸的螺距精度為0.25 mm，鏡面可調(diào)節(jié)角度范圍為±4°。

圖5 二軸鏡架整體結(jié)構

4 教學實踐

便攜式直線度測量實驗臺主要是為了改進實驗老舊裝置，增強基礎性實驗實踐創(chuàng)新內(nèi)容，啟蒙學生專業(yè)認知能力而設計。針對傳統(tǒng)直線度實驗平臺的實驗內(nèi)容單一的問題，該實驗臺的結(jié)構開放性可支持學生對工程制圖、機械設計基礎等專業(yè)基礎課程的知識應用。實驗內(nèi)容設計包括識圖、部件裝配、基準調(diào)試和直線度測量：向?qū)W生提供實驗平臺的裝配圖，要求學生利用大一學期所學習的工程制圖課程知識，認知實驗平臺的硬件結(jié)構，自主思索結(jié)構之間的裝配關系，動手實踐組裝實驗平臺；組裝過程中，引導學生結(jié)合“幾何規(guī)范學”所學的幾何精度專業(yè)知識，理解安裝精度、加工精度對導軌直線度的影響，學習如何調(diào)整測量的基準，掌握直線度測量的步驟和基本原理，啟蒙學生的工程思維，綜合運用專業(yè)基礎課程知識，深入理解幾何精度測量的內(nèi)涵。

該實驗臺現(xiàn)已用于大一、大二年級機械類、近機類專業(yè)的“幾何規(guī)范學”和“機械工程基礎”課程實驗，年服務人數(shù)約為1 000 人，課程實驗學時為8 學時；同時還用于大學生科技創(chuàng)新集訓、北理工—中醫(yī)藥大學合作專業(yè)人才培養(yǎng)等實驗教學。經(jīng)過一年的教學實踐，該裝置及其實驗內(nèi)容得到了師生們的高度認可，實踐過程中學生的學習主動性增強，交流探討熱情高，實驗評價良好。

5 結(jié)語

本文研制了一種便攜式直線度測量實驗臺，具有體積小巧、結(jié)構具有可重置性、安裝簡便、測量快捷等特點，結(jié)合課程實驗要求和學生實踐能力培養(yǎng)需求，可拓展“工程制圖”“機械原理”及“幾何精度”等課程知識，引導學生掌握專業(yè)的知識交叉融合，為創(chuàng)新實踐教學改革奠定了良好的基礎，為進一步提升本科生專業(yè)基礎實踐能力培養(yǎng)質(zhì)量起到了積極推動作用[14-15]。