“制造裝備及自動化”課程實踐教學(xué)嘗試*

尹曉珊 ，鐘建琳 ，彭寶營 ，王鵬家

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 前言

“制造裝備及自動化”是機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，這門課程涉及“機(jī)械設(shè)計”“機(jī)械原理”“工程制圖”“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”等基礎(chǔ)知識，內(nèi)容更加豐富，綜合性更強(qiáng)[1]。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解制造裝備的分類、裝備設(shè)計的評價；了解工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動生產(chǎn)線的組成；掌握金屬切削機(jī)床的基本理論、機(jī)床夾具設(shè)計的基本方法、機(jī)械加工生產(chǎn)線總體設(shè)計等[2]。目前，很多學(xué)校開設(shè)的“制造裝備及自動化”課程還是以傳統(tǒng)教學(xué)為主，課程的教學(xué)重點(diǎn)還是在理論知識方面，新方法、材料和工藝這三方面基本不涉及，注重傳統(tǒng)理論知識的介紹[3]。加上本課程課時較少，但書中的理論知識偏多，教學(xué)課時明顯不足[4]。教材知識較傳統(tǒng)，教學(xué)中缺少對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展的介紹，學(xué)生的知識存在缺失，導(dǎo)致在遇到實際問題時可能因沒有掌握最新知識而迷茫[5]。另外，教學(xué)形式單一，本身課程的理論知識就偏多、知識較抽象，傳統(tǒng)的老師講學(xué)生聽的模式，會使師生互動減少，課堂枯燥[6]。即使課程分配了6個學(xué)時的實踐環(huán)節(jié)，但一般為加工中心主軸誤差實驗、加工中心幾何精度檢測、組合夾具拆裝實驗等驗證性實驗，驗證性實驗對學(xué)生實際操作能力和創(chuàng)新能力的影響不大[7]。國家提出“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等，要求學(xué)校培養(yǎng)的機(jī)械類學(xué)生不僅要掌握理論知識，還應(yīng)該是創(chuàng)新型、應(yīng)用型的人才[8-9]。因此，對本課程的實踐教學(xué)改革進(jìn)行嘗試。

課題組以金屬切削機(jī)床設(shè)計中并聯(lián)機(jī)床的并聯(lián)運(yùn)動原理和應(yīng)用為例，通過教師給定設(shè)計要求，學(xué)生分組合作，先用學(xué)生之前學(xué)過的SolidWorks建立三維模型進(jìn)行裝配，運(yùn)動仿真路徑無誤后進(jìn)行實際裝配。本次實踐操作不僅能讓學(xué)生明白并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的不同，而且還能鍛煉學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力及動手能力。

1 實踐演示平臺介紹

1.1 教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械類的知識，有較強(qiáng)的邏輯性和抽象性，概念內(nèi)容瑣碎枯燥，本課程涉及的要記憶的知識也很多。將理論與工程實踐相結(jié)合，學(xué)生自己去設(shè)計、動手操作，通過直觀的教學(xué)實物模型讓學(xué)生對抽象知識有具體化的理解，讓學(xué)生更好地接受知識，喜歡上這一門公共基礎(chǔ)課。因此，以課程中提到的并聯(lián)機(jī)床為例，結(jié)合三維建模軟件SolidWorks和并聯(lián)機(jī)構(gòu)，從建模、裝配、運(yùn)動仿真到實物裝配建立教學(xué)演示平臺。

1.2 SolidWorks三維建模軟件

SolidWorks功能強(qiáng)大，操作便捷，可以滿足不同領(lǐng)域人的使用需求，它廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空業(yè)等領(lǐng)域。它的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面：有中文操作界面，無多余的對話框，保持原來CAD用戶從二維到三維設(shè)計的作圖習(xí)慣；零件設(shè)計上，使用特征繪圖，工具欄中包含常用的拉伸、切除、掃描、旋轉(zhuǎn)、孔、圓角等功能，能較快掌握并且進(jìn)行特征建模，對于曲面和管道建模更加簡單和方便；裝配設(shè)計方面，可以動態(tài)地查看裝配體的配合關(guān)系，快速測量距離，能直接打開單個零件進(jìn)行修改，對于復(fù)雜的模型能快速進(jìn)行總體裝配，提高效率；運(yùn)動仿真方面，能直接模擬機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，直觀看出是否存在零件間的干涉，為實際應(yīng)用節(jié)約了時間和金錢；其特征模板為標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)特征，用戶可以直接從特征模板上調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的零件和特征，零件保存格式多樣，并且能打開不同格式的零件，方便進(jìn)行資源共享；它提供了生成完整的詳細(xì)工程圖的工具，而且工程圖是相關(guān)聯(lián)的，當(dāng)人們修改圖紙尺寸時，三維模型、各個視圖、裝配體都會自動更新；此外，還有標(biāo)準(zhǔn)零件庫，里面包含豐富的標(biāo)準(zhǔn)件、高級渲染功能，可選擇零件的材料和外觀顏色，能夠使三維模型更加逼真。

1.3 并聯(lián)機(jī)床

傳統(tǒng)機(jī)床是由床身、立柱、主軸箱、刀架、工作臺等部件串聯(lián)而成非對稱的布局形式，因此稱為串聯(lián)機(jī)床，這種機(jī)床布局作業(yè)范圍大，靈活性好。隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，機(jī)床面臨進(jìn)一步高速化、高精度化的挑戰(zhàn)，隨著國家對制造業(yè)的重視與投入，機(jī)床設(shè)計中開始應(yīng)用并聯(lián)運(yùn)動原理。最早問世的是20世紀(jì)90年代美國公司生產(chǎn)的“VARIAX”虛擬軸機(jī)床。它是一種六個運(yùn)動并聯(lián)的設(shè)計，設(shè)計的原則是讓輕者運(yùn)動，重者不動或者少動[10]。傳統(tǒng)機(jī)床與并聯(lián)機(jī)床的對比如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)機(jī)床與并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床對比圖

并聯(lián)機(jī)床和傳統(tǒng)機(jī)床有很大的差異，它的上下平面取代傳統(tǒng)機(jī)床的床身和立柱，上平面可以帶動主軸和刀具運(yùn)動，下平面固定不動，可以固定加工零件；上下平面之間由幾根可以自由收縮的桿件相連，桿件和上下平面之間可以采用球鉸連接；桿件的運(yùn)動可以由伺服電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動，帶動上平面進(jìn)行運(yùn)動，達(dá)到加工工件的目的。傳統(tǒng)機(jī)床一般為X、Y、Z三個進(jìn)給運(yùn)動的機(jī)床，而并聯(lián)機(jī)床中存在等效運(yùn)動，因此并聯(lián)機(jī)床又稱虛擬軸機(jī)床，它具有很多優(yōu)異的性能，但確定具體的運(yùn)動位置比較復(fù)雜。根據(jù)自由度的不同，可以分為三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它們都去掉床身、立柱等質(zhì)量重的零部件，因此機(jī)構(gòu)速度高、質(zhì)量小、精度高、各分支運(yùn)動誤差不累積，但工作空間小，尤其是回轉(zhuǎn)運(yùn)動范圍小，并且桿件間容易干涉，運(yùn)動算法復(fù)雜。并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動原理和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理相同，因此課題組選擇典型六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為實踐對象。

2 實踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

2.1 分組合作

課程內(nèi)容重點(diǎn)講述了傳統(tǒng)金屬切削機(jī)床的設(shè)計、機(jī)床夾具和自動化裝配線的設(shè)計。本次實踐環(huán)節(jié)的并聯(lián)機(jī)床，與傳統(tǒng)機(jī)床設(shè)計原理有所不同，其中涉及的知識比較多，因此讓學(xué)生們分小組合作進(jìn)行。老師給定六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，小組成員自行分配任務(wù)，這樣不僅能讓每一個學(xué)生都參與其中，也有助于促進(jìn)學(xué)生之間的互助和溝通。

2.2 SolidWorks三維建模及裝配

需要學(xué)生們查閱相關(guān)文獻(xiàn)，按照老師所給的參數(shù)設(shè)計并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三維零件模型。并聯(lián)機(jī)構(gòu)由上下平臺、電動缸、球鉸等相連接而成，因此先使用SolidWorks建立各個零件的三維模型，首先是上下平面模型的建立，需要確定平面的直徑和拉伸的厚度；其次是電動缸零件的三維模型，它的作用是提供動力，帶動桿件進(jìn)行來回收縮，使其具有不同的運(yùn)動空間姿態(tài)，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本示例只保證外觀尺寸準(zhǔn)確和外形一致；最后是球鉸，它連接平面和桿件，一般球鉸能夠360°旋轉(zhuǎn)，但在本次示例中，因6個桿同時進(jìn)行運(yùn)動，空間范圍有限，很容易造成位置干涉，因此限制球鉸的運(yùn)動范圍是±15°，完成這項操作需要用到SolidWorks的高級約束。為了讓零件更加真實和美觀，對零件進(jìn)行倒圓角處理，添加對應(yīng)材料和外觀顏色，必要時可以進(jìn)行SolidWorks渲染。

創(chuàng)建一個裝配體，按照所給定的位置關(guān)系進(jìn)行裝配。正確使用點(diǎn)、線、面之間的配合要求，如重合、同軸心、相切、垂直等，考慮各零部件之間的定位關(guān)系，裝配過程中，首先要確定好基準(zhǔn)面，固定六個自由度保持下平面不動，然后參照實物圖，如圖2所示，從下往上依次裝配。在裝配過程中，有兩個問題需要注意：一是當(dāng)上下平面平行時，桿一定是處在中點(diǎn)位置，此時各桿的伸長量是一致的，該桿的長度是使用Matlab軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)位置反解得到的，本次裝配參數(shù)已給；二是上球鉸、運(yùn)動缸中桿和下球鉸的中心處在同一條直線上。最終完成的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維裝配體如圖3所示。

圖2 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實物圖

圖3 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維裝配圖

相對來說，學(xué)生對三維建模的興趣濃厚，因此，三維建模和裝配環(huán)節(jié)有助于提高學(xué)生的思維創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.3 動手實踐與總結(jié)

每一個小組完成虛擬裝配和運(yùn)動仿真，老師檢查運(yùn)動仿真無誤后，可以進(jìn)行實際裝配。在實際裝配過程中，學(xué)生會注意思考裝配的原則、定位方式和順序。當(dāng)小組成員完成裝配后，老師進(jìn)行小組指導(dǎo)，根據(jù)實際情況給出相應(yīng)建議。課程結(jié)束后，讓學(xué)生們以小組為單位上交實踐報告，報告內(nèi)容應(yīng)包括并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床的原理、零件建模和裝配的主要步驟、實際裝配中遇到的問題和解決方法，以及每一個成員的總結(jié)與感想。

通過本課程實踐活動，將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到工程中，在實際裝配中能發(fā)現(xiàn)問題并且解決問題，不但增強(qiáng)了學(xué)生們相互合作的精神，而且讓學(xué)生們都有機(jī)會參與其中，為以后進(jìn)入社會、走向工作崗位奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1）教師課上講授新的理論知識，學(xué)生課下自己練習(xí)操作，有助于學(xué)生更好地掌握新知識，實踐后發(fā)現(xiàn)問題能與同學(xué)一起討論，或與老師交流反饋，師生互動增加，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性增強(qiáng)，教學(xué)效果更好。

2）有助于培養(yǎng)機(jī)械類學(xué)生工程素養(yǎng)。工科學(xué)生不僅要具備豐富理論知識，還要有一定的動手和解決實際問題的能力，理論學(xué)習(xí)和動手實踐缺一不可。

3）本次實踐，學(xué)生通過并聯(lián)機(jī)床的原理學(xué)習(xí)、零部件的選型及設(shè)計、三維建模、虛擬裝配、運(yùn)動仿真、實際裝配等一系列過程，不僅掌握了本課程涉及的新知識、提高了裝備設(shè)計能力，還增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣。