校企聯合探索實驗教學新模式

包 麗，張洪軍，李西兵，王世剛

(齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

機械類專業大學生長期處于一種理論和工廠實踐相脫離的狀態，即便通過金工實習等實踐教學，可以增進對工廠實踐的了解，但也對實際解決問題的方向沒有頭緒，而且現有的實驗課雖然與專業課程相對應，但是實驗課的設置項目內容固定，學生只是根據教師的要求“照方抓藥”[1]，根本沒有理會實驗的理論深度，也發揮不出學生的主體作用，更難從傳統實驗中增強創新意識和提高創新能力。針對現狀，筆者依托與我院校企聯合的齊齊哈爾二機床集團，通過對該集團生產的某型數控機床靜剛度的實驗，驗證了該機床有限元模型建立的正確性，并提出了改進該型機床靜剛度的方向，同時將這種有限元分析[2]的思想引入實驗教學中，增強了學生對理論知識的理解，培養了學生的創新意識和實踐創新能力。

1 通過靜剛度試驗驗證機床有限元靜力學模型

1.1 建立機床有限元靜力學模型

采用Pro/E軟件先將機床各部件建立三維實體模型并裝配得到整機模型，導入ANSYS的Work-bench應用平臺，設置機床的材料屬性[2]。其中床身的材料為HT250，楊氏模量為1.2×105Mpa,密度為7 210 kg/m3,泊松比0.22；導軌等其他大件用Q235A，楊氏模量為2.1×105Mpa,密度為7 860 kg/m3,泊松比0.3。進行網格劃分時，采用SOLID 45 單元和Combine 14 單元，其中,用SOLID 45單元對實體進行網格劃分,用Combine14 單元來模擬床身導軌、床鞍導軌處的結合面[3]。由于結合面的剛度通常比較低，是機床的薄弱環節，可將結合面處理成若干彈簧和阻尼構成的力學模型[4]；對接觸點的X,Y,Z3個自由度上分別用一個Combine14來替代。進行網格劃分后，得到有限元模型，見圖1。

圖1 臥式數控機床有限元模型

1.2 靜力學分析及3個方向上靜剛度對比

靜剛度作為衡量機床性能優劣的重要指標[5]，對于臥式數控機床來說，它自身的重力對機床的變形和加工精度有著重要的影響。計算機床在重力作用下的變形情況，計算結果見圖2。車刀端面的最大位移為0.017 5 mm，工件端的最大位移為0.011 2 mm。

圖2 重力作用下的變形情況

在機床有限元模型中，按照實際工況設置邊界約束條件，將床身地腳孔內圓柱面作為固定約束。模型中工件外徑200 mm，長460 mm，加工位置距卡盤端面230 mm。分別在刀具和工件的對應面上施加X、Y、Z3個方向的力觀察機床整機的變形情況[5]。主切削力Fy=3 000N,軸向進給力Fz=3 000N，徑向力Fx=3 000N，以X向靜剛度分析為例，得到的整機在Fx作用下的變形情況見圖3。3個方向的靜剛度對比表格見表1。由表1可知，機床在Y方向上變形量最大，剛度最小。

圖3 Fx作用下的變形情況

表1 機床3個方向的靜剛度對比

1.3 靜剛度試驗

靜剛度測試包括加載和卸載2個部分，每次實驗重復3次，最后取平均值。試驗現場圖見圖4。

圖4 靜剛度試驗現場

實驗原理[6]：以機床綜合靜剛度測試為例，通過施加在卡持在主軸上的圓棒的力以及利用固定在刀架上的千分表檢測出主軸頭位移，即可計算出機床Y向綜合靜剛度。將試驗測得各離散點及表1中有限元分析數值分別進行擬合，進一步計算并求出各擬合曲線的斜率，得到機床各方向在加載和卸載時的靜剛度值。由此可知機床的3個方向靜剛度在卸載時都要大于加載時，這是因為機床內部各零部件間存在阻尼、摩擦等作用，使得卸載時系統彈性恢復表現出一定的遲滯性[6]。機床3個方向上模擬出的加載、卸載和有限元分析的3條曲線如圖5所示。由圖5中3條擬合出的曲線可見，有限元的分析結果和試驗測試結果具有良好的吻合度，說明了有限元模型建立的正確性。

通過對機床中各部件進行有限元分析，得到機床各部件在整個系統中變形的比例，見圖6。由圖6可知，主軸和刀架在Y方向上變形量較大，導致Y向剛度相對較低。因此機床在Y向剛度方面需要強化設計。

圖5 機床X,Y,Z方向的綜合靜剛度

圖6 機床各部件變形在系統變形的比例

2 依托校企聯合，探索實驗教學新模式

2.1 在校內建立三維數字化模擬實驗室

齊齊哈爾第二機床集團與我院進行校企聯合，其集團董事長擔任我院名譽院長。在集團的資助下，我院于2010年建成了三維數字化模擬實驗室。該實驗室對我院學生實施全面開放，在周一到周五的規定時間內，由學院指派有豐富數字化建模經驗的教師對實驗室進行管理和對學生進行指導。通過這幾年三維數字化模擬實驗室的實踐，我院學生在應用三維軟件建模和相關模擬軟件的應用方面取得了很大成果。在近幾年的全國三維數字化大賽和制圖類大賽中，我院學生組成的代表隊取得了國家級一等獎10多項，省級以上獎項50余項。

2.2 在企業內建立實訓基地

我院于2009年設立了機械類卓越工程師班，由30名機械類專業學生組成。從大三下學期開始，班級的學生將全部進入齊齊哈爾第二機床集團公司下屬的企業進行實訓。實訓分為3組，每組10人。公司指派專門的工程師和車間的師傅對每組學生進行指導。在學生實訓見習、頂崗實習、工程師授課、教師參與企業實踐、教師和工程師共同指導學生的畢業設計、為企業技術服務以及校企文化等方面開展實訓性合作。

2.3 建立雙師制度

通過企業工程師和學校有工程經驗的教師共同為機械類專業學生授課，引入企業中實際亟須解決的項目。由教師牽頭，學生為主體組成解決企業實際問題的項目組，引導和鼓勵學生深度參與相關項目。由于項目的多樣性，培養了學生的創新能力。同時，選取部分項目滲透到相關課程的理論教學和實驗教學中。通過企業真實的項目來探索實驗教學新模式，更加符合實驗教學的目標，即通過學生動手實踐增強其對理論知識的理解，從而可以更好地將理論應用于實踐當中。

3 校企聯合探索實驗教學新模式的思考

培養學生的實際操作能力和創新能力，必須對現有的教學理念、課程體系和實驗模式進行逐步的改進和探索。結合機械專業的某項實驗——測試機床的靜剛度，本文對實驗教學進行了實踐性探索，引發了對新模式的思考。

(1) 依托企業資源，采用多種合作方式和激勵手段充分調動學生參與科研項目的熱情和積極性[7]，最大限度發掘學生的科研能力。通過整合機械專業中適合到企業進行實驗的課程實驗，給學生在講授基礎知識時就要重點培養其專業技能，強調實驗在工廠中的實際應用，進而促進學生對實驗教學的興趣。

(2) 學校應采取各種措施，如我院已經執行的卓越工程師計劃和逐年加大的博士化進程，來鞭策師資隊伍提升競爭力，在人才培養和技術合作上取得實質進展。加大鼓勵學生參與科技競賽的力度和引導學生深入參與創新基金項目[8-14]，通過本科生實驗及實踐教學和畢業設計題譜的滾動發展，進一步構筑大眾化教育背景下的精英教育培養體系。

4 結束語

通過對某項機床靜剛度的試驗，驗證了該機床有限元模型的正確性，并為機床剛度改進的方向提供了理論基礎。整個實驗過程由提出問題到制定解決問題的方案，學生積極地查閱書籍和文獻[15]，從機床有限元模型的建立及實驗過程的驗證，到最后撰寫實驗報告及相關論文，他們均發揮了主體性作用。通過校企聯合培養學生，將實驗教學引入到實際工程項目當中，學生增強了對實驗教學的興趣，還對其理論深度有了更進一步的理解。這種依托校企聯合的模式，拓展了實驗教學的新途徑，有助于提高學生的創新意識和創新能力。

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