基于能力導向的三坐標測量技術實驗教學改革與實踐*
——以蚌埠學院為例

范恒亮，魏天路

(蚌埠學院 機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠 233030)

制造業作為我國的立國之本，在國民生產總值中占比較大。近年來，隨著信息技術的發展，智能制造和工業機器人領域也得到較快的發展，新工科建設也備受各所高校關注，就業市場對于掌握現代測量方法和具有創新能力的人才需求量日益增大。高校課程教學過程中，實驗作為培養學生能力的有效途徑，同時也是新工科建設的主要環節[1]。為了適應當今社會對應用型人才的需求，將現代測量技術和精密測量儀器的使用融于相關實驗課程中，將會逐步提升學生創新實踐能力。

應用型本科院校在教學改革和實踐過程中，應當充分借鑒研究型本科高校與高職高專院校的教學與實踐的寶貴經驗，結合應用型本科課程教學的特點，逐步改革教學方式，整合實踐教學內容[2]。本文首先分析目前教學過程中存在的問題，針對這些問題，提出基于能力導向的三坐標測量技術基礎性和綜合性實驗項目，并延伸到創新實驗訓練項目和校企協同共建培訓課程，突出學生在實驗教學中的主體地位，進而提升實驗教學質量，提高學生軟實力和解決復雜問題的能力。

一、教學現狀分析

(一)課程內容缺乏系統性

公差測量技術是機械類專業課程的重要組成部分，較好地掌握這門技術，可使學生加深對產品設計和生產環節中公差控制和誤差測量的理解。目前，在課程實驗中仍以教材中的知識灌輸為主，學生缺乏對測量技術系統性和整體性的認知，無法適應社會職業能力需求。

(二)實驗項目創新不足

傳統的基礎實驗課往往以驗證性實驗為主，如長度、垂直度誤差測量等，單個實驗項目僅僅為了鞏固單一的知識點。學生在實驗過程中，只對游標卡尺、百分表和千分尺等儀器進行簡單操作，實驗內容枯燥，未開展創新性實踐項目激發學習動力，學生難以了解測量新技術的發展趨勢與應用。

(三)實驗環節與企業實踐脫節

在公差測量實驗中，所選的實驗項目依然延續多年的教學模式，與企業實際涉及到的產品精度檢測項目差距較大。學生在企業實習和就業中，無法將課程所學知識與企業實踐較快地聯系起來，造成學生重復學習的現象。

二、實驗教學改革

蚌埠學院機械與車輛工程學院實驗室擁有三坐標測量機一臺，系統主要由供氣部分、控制柜、計算機、工作臺、操作手柄、測頭部分和主橋梁組成，如圖1所示。該儀器的工作原理主要是利用測頭部分中的測針測得工件上各元素的坐標，經后臺軟件計算、擬合、評價被測工件的各項公差項目[3-4]，判斷工件是否符合設計和工藝的要求。學生熟練掌握三坐標測量技術有關知識和操作技巧，畢業后可從事產品的設計開發、工藝規劃、編程和CAD/CAM技術等不同方向的工作。

圖1 三坐標測量機系統組成

(一)基礎性實驗教學

在機械類專業課“公差與測量技術”中，已對測量有關的基礎知識做了較為詳細的闡述，比如常見儀器的使用方法、垂直度、平行度、軸的跳動公差測量等[5]。結合學生在“機械零部件測繪”課程設計中，已對軸類零件有了一定的了解。因此，選擇軸類零件作為儀器的實驗測量對象，一方面使學生了解傳統測量方法與三坐標測量機測量方法的不同，另一方面可以對減速器課程設計涉及的知識進行鞏固。在學生掌握《公差與測量技術》基礎知識的基礎上，設計基于三坐標測量技術的基礎性實驗項目，實驗內容如表1所示。

表1 基礎性實驗項目

(二)綜合性實驗教學

為了有效改善基礎實驗中測量儀器精度較差，缺少設計性實驗的狀況，本文提出開展測量技術的綜合性實驗項目，將多門專業課程有關知識點進行整合，以提高學生的發散思維的能力。結合機械類專業開展的《機械設計》《機械制造技術》等課程，將產品設計、公差標注、加工精度與三坐標測量技術相聯系。通過該項目的實施，使學生明確設計環節公差標注的重要性，領會加工環節公差的作用與控制，掌握產品加工精度的測量與評價。該綜合性實驗，還可作為學生開展課程設計、畢業設計、學科競賽的載體，提高三坐標測量機的利用率和教科研價值。

實驗具體實施前對學生進行分組，并明確各組員的實驗過程中的重點任務。各組長可按照實驗的目的和要求對組員進行具體的分工和監督，并要求學生通過圖書和互聯網資源，學習和掌握三坐標測量技術的相關知識。根據實驗項目的任務和特點，按照以下步驟開展與實施。

1.分析圖紙。零件設計圖紙如圖2(a)所示。根據該零件的結構特征和標注要求，制定合理的測量方案。該零件需要評價的項目較多，如平面度、圓跳動、位置度等元素誤差的測量。要求測頭可完成全方位旋轉測量，裝夾要求主視圖面向測頭，并要求合理選擇測量坐標系。

2.測頭的選擇和校正。選擇TESASTAR-M測頭，測針號為TIP4BY44MM。校正的目的是獲得測針的有效半徑，出現測針半徑缺失時，系統會進行有效的補償。

3.工件的裝夾如圖2(b)所示，選擇海克斯康通用夾具，利用壓板、支撐住、定位銷完成零件的裝夾。裝夾過程中，選擇零件的主視圖面向測頭。

4.建立零件測量坐標系。利用“面—面—面”方式，以過1面且垂直于3面作為X軸、過2面且垂直于1面作為Y軸、過3面且垂直于2面作為Z軸，具體設置如圖2(c)所示。

5.將圖2(c)的CAD數模通過IGES接口導入PC-DMIS中。根據設計要求，分別要對面1的平面度、面4相對于面1的垂直度、面4相對于面3的平行度、柱體1的圓柱度等項目進行測量，利用系統自動特征進行上述項目自動測量，并輸出測量報告。分析測量報告可知，平面4相對于平面3的平行度誤差是不符合設計要求的，其余項目誤差則達到設計和加工工藝要求。

三、創新實驗訓練

為了發揮三坐標測量機在逆向工程技術中數據采集的功能，開設創新實驗訓練項目《產品創新設計與3D打印》，并融入到大學生創新性訓練項目[6]。通過以學生為主體的創新性實驗改革，讓學生利用精密儀器完成產品的精度測量，實現產品的逆向設計和制造[7]。

(a)零件設計圖紙 (b)零件裝夾 (c)零件CAD數模

以2019年大創項目為例，該項目以噴氣式蝸輪發動機為研究對象，運用逆向設計理念，利用該儀器進行實體點云數據采集，通過CAD軟件實現實體模型重建，再利用合適的3D打印工藝加工產品，具體步驟如下：

(一)利用激光掃描機、光柵式掃描機、三坐標測量機進行實體數據采集。利用Geomagic Studio軟件對掃面的點數據進行重構實體CAD模型，重建完成后導入到Solidworks軟件繪制零件圖，如圖3(a)所示，并生成3D打印系統可用的STL格式。

(二)選擇合適3D打印工藝。根據噴氣式蝸輪發動機的結構特點，選擇熔融沉積技術(FDM)進行產品的快速制造，打印完成后進行裝配，實物如圖3(b)所示。

(三)引導學生探究產品加工精度控制方法。利用三坐標測量機對噴氣式蝸輪發動機關鍵部件的加工質量進行測量和評價。

(a)裝配渲染圖

(b)3D打印裝配實物圖

四、校企協同共建培訓課程

為了讓學生了解測量技術的發展和企業的實際需求，將校企協同育人的培養模式應用于實驗教學，讓學生在學習過程中不斷提高自身能力[8]。這種培養模式較好地將學校學到的課程理論知識與企業工程應用實踐相結合，并逐步實現相互轉化，以實現對本科生技能的培養。但實施過程中，要求精心設計實踐項目，合理設置教學計劃，以達到教學計劃或要求與實踐內容密切結合的目的，以提高實驗教學的效果。

在與蚌埠液力機械有限公司合作共建培訓課程中，該公司主要從事液壓油缸的設計、研發、生產和銷售，在產品精度檢測環節需要使用三坐標測量機。在培訓課程中，學生以檢驗員的崗位角色進行學習，通過測前準備、測頭校正、特征測量、程序設計、數模導入、報告生成等完成液壓油缸檢測的訓練。通過該培訓課程，使學生熟練根據圖紙標注制定檢測方案，熟練PC-DMIS軟件操作和編程，正確分析檢測報告，完成產品質量的檢測。使學生了解企業對三坐標測量的崗位需求的同時，逐步提高職業能力。

五、結語

基于三坐標測量技術開展實驗教學改革與實踐，切實以學生為中心、能力培養為導向、三坐標測量機工程應用為抓手進行培養模式改革。從基礎性實驗、綜合性實驗入手，延伸到創新實驗訓練項目和校企協同共建培訓課程，旨在提高學生學習興趣、拓寬學生視野。使學生逐步形成較為完整且更加貼近市場所需的知識體系，為學生就業或深造增加競爭力。