大型精密檢測設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)

王志瓊， 谷東偉， 周淑紅， 常奇志

(1.吉林大學(xué) 國家級機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，吉林 長春 130022；2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,吉林 長春 130012)

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大型精密檢測設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)

王志瓊1， 谷東偉2， 周淑紅1， 常奇志1

(1.吉林大學(xué) 國家級機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，吉林 長春 130022；2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,吉林 長春 130012)

以豐富學(xué)生實(shí)踐知識，貼近工程實(shí)際為目的，吉林大學(xué)利用檢測領(lǐng)域里的前沿技術(shù)，首次在國內(nèi)運(yùn)用大型精密檢測設(shè)備面向高校本科生開設(shè)機(jī)械精度設(shè)計基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。針對實(shí)驗(yàn)設(shè)備價格昂貴，臺套數(shù)不足的問題，全面系統(tǒng)的研究建立基于大型精密檢測儀器設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。通過虛實(shí)結(jié)合的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，能夠使學(xué)生掌握現(xiàn)代化檢測方法與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大型精密儀器設(shè)備在本科教學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手能力和創(chuàng)新能力，體現(xiàn)高等學(xué)校的價值。

精密檢測設(shè)備； 數(shù)字化； 機(jī)械精度； 實(shí)驗(yàn)資源

0 引 言

機(jī)械精度設(shè)計是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計不可或缺的重要成部分。在高校機(jī)械類和近機(jī)類專業(yè)中，機(jī)械精度設(shè)計是與實(shí)踐緊密聯(lián)系的一門本科生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過該門課程學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握公差設(shè)計的基本知識與技能，提高學(xué)生機(jī)械精度設(shè)計的能力，為進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品研究、設(shè)計與加工制造，成為機(jī)械工程領(lǐng)域的創(chuàng)新人才奠定良好的基礎(chǔ)[1-3]。

國家級機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心先后投入上百萬文資金建設(shè)精密測量實(shí)驗(yàn)室，添置了橋式三坐標(biāo)測量儀、齒輪測量中心、光學(xué)輪廓儀、測量投影儀等大型精密檢測儀器設(shè)備，在全國首次利用精密檢測儀器設(shè)備針對本科生開設(shè)機(jī)械精度檢測實(shí)驗(yàn)[4]。通過大型精密檢測儀器設(shè)備改革更新了尺寸誤差測量內(nèi)容、幾何誤差測量內(nèi)容、齒輪精度測量等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時開設(shè)了獨(dú)立設(shè)課的綜合實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，掌握現(xiàn)代化的檢測儀器與方法，豐富實(shí)踐知識[5-6]。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題

橋式三坐標(biāo)測量儀、齒輪測量中心和光學(xué)輪廓儀是利用檢測領(lǐng)域里的前沿技術(shù)，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，大、中型企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品檢測的常用大型精密檢測儀器設(shè)備，如圖1、2所示。由于單臺套大型精密儀器設(shè)備其精度高，價格昂貴，實(shí)驗(yàn)成本高，若要達(dá)到教育部對實(shí)踐教學(xué)的要求，有效提高學(xué)生的實(shí)際動手能力和創(chuàng)新能力，將需要大量的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和大面積的實(shí)驗(yàn)場地，耗費(fèi)巨額的經(jīng)費(fèi)[7]。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可能大量購置。

圖1 橋式三坐標(biāo)測量儀

圖2 光學(xué)輪廓儀

機(jī)械精度設(shè)計基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為機(jī)械類和近機(jī)類5個學(xué)院10個專業(yè)1 100多名本科生開設(shè)機(jī)械精度實(shí)驗(yàn)課程。課程覆蓋面廣、受眾量多、受益面大，并且大型儀器設(shè)備操作前必須進(jìn)行一定的培訓(xùn)。因此在有限的學(xué)時內(nèi)學(xué)生不可能親自操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不佳[8]。

2 建設(shè)目標(biāo)與任務(wù)

建設(shè)大型精密檢測儀器設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源。采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，信息技術(shù)以及其它現(xiàn)代化技術(shù)手段相結(jié)合的方式，設(shè)計制作大型精密檢測設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程，并應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源突破時空、校區(qū)和專業(yè)的限制，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上學(xué)生無法預(yù)先掌握實(shí)驗(yàn)過程和復(fù)雜精密檢測過程的問題，提高了教學(xué)效率，改善了教學(xué)環(huán)境[9-11]。

實(shí)驗(yàn)在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上同時開設(shè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)課程，如圖3所示，通過虛實(shí)結(jié)合，在有限教育資源的情況下，保證實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量[12-13]。培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，掌握現(xiàn)代化檢測方法與設(shè)備，貼近工程實(shí)際，與時俱進(jìn)，以適應(yīng)當(dāng)前企業(yè)的需求，為將來從事現(xiàn)代化建設(shè)，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[14]。

圖3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方案

3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源的設(shè)計

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

基于大型精密檢測設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)的主要內(nèi)容，如圖4所示。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程主要是運(yùn)用視頻講解和動畫演示來詮釋精密檢測儀器設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、檢測原理、檢測方法、檢測過程、檢測數(shù)據(jù)形式、數(shù)據(jù)分析處理和企業(yè)應(yīng)用場景等。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)中，所有視頻都有配音和字幕，根據(jù)教學(xué)不同的要求，分別采用圖像、視頻、3D效果動畫以獲得最佳的教學(xué)效果。

圖4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容

每項(xiàng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程包含2大部分，分別為基本實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)。基本實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求，結(jié)合精度檢測真實(shí)實(shí)驗(yàn)建設(shè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程。主要目的是通過虛實(shí)結(jié)合，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握機(jī)械精度設(shè)計的基本內(nèi)容即幾何誤差、表面粗糙度、齒輪精度的檢測方法，了解檢測儀器的結(jié)構(gòu)與原理，根據(jù)測得數(shù)據(jù)評定零件的合格性。拓展實(shí)驗(yàn)主要是在基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加儀器設(shè)備在工程實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例，并結(jié)合企業(yè)實(shí)際應(yīng)用情況，使學(xué)生了解現(xiàn)代化檢測設(shè)備在企業(yè)實(shí)際檢測環(huán)境與檢測方法，培養(yǎng)工程實(shí)際應(yīng)用能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計

基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹x器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)思考。實(shí)驗(yàn)?zāi)康母鶕?jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和真實(shí)實(shí)驗(yàn)要求確定，教學(xué)目的明確[15-16]。儀器設(shè)備主要介紹儀器設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，簡單操作以及儀器設(shè)備在使用過程中的注意事項(xiàng)，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要具體描述實(shí)際實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，運(yùn)用CAD和CATIA等繪圖軟件將所測量的工件繪制出來，標(biāo)注檢測零部件名稱，檢測內(nèi)容，檢測要求等，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)原理主要介紹整個實(shí)驗(yàn)的檢測原理，采用圖文并茂的方式和3D效果動畫形象的表達(dá)。實(shí)驗(yàn)操作中具體的描述了實(shí)驗(yàn)該如何進(jìn)行操作，每一操作步驟由實(shí)際操作的照片和文字說明組成，條理清晰，如圖7所示。同時配有實(shí)驗(yàn)視頻演示，如圖8所示，實(shí)驗(yàn)視頻主要包括實(shí)驗(yàn)過程的錄制、視頻配音、視頻文字編輯三項(xiàng)工作，首先運(yùn)用錄像機(jī)將實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行錄制，然后運(yùn)用視頻編輯軟件對所錄制的視頻進(jìn)行聲音和文字編輯，使視頻達(dá)到最佳效果，對于測頭動態(tài)檢測過程運(yùn)用3D效果動畫進(jìn)行局部放大，實(shí)時同步。分別運(yùn)用機(jī)械精度合格和不合格等不同的檢測曲線、圖像和檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理與判斷。最后針對所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，對基礎(chǔ)知識的掌握，對拓展知識的了解，使學(xué)生對所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)與引申。

圖5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖6 儀器設(shè)備

圖7 實(shí)驗(yàn)演示

圖8 實(shí)驗(yàn)操作

拓展實(shí)驗(yàn)主要包括其他檢測實(shí)驗(yàn)和企業(yè)實(shí)際檢測。其他檢測實(shí)驗(yàn)主要是在基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行檢測研究。如齒輪測量中心在基本實(shí)驗(yàn)中主要是檢測圓柱直齒輪的齒距、齒廓和螺旋線總偏差。而在拓展實(shí)驗(yàn)中將以文字、圖片和視頻的形式介紹齒輪測量中心檢測斜齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸桿等零部件齒輪精度檢測內(nèi)容。同時錄制企業(yè)或者科研當(dāng)中實(shí)際檢測過程視頻。通過拓展實(shí)驗(yàn)增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的知識面。有效地改善了學(xué)生學(xué)習(xí)條件，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐的廣度和深度，為學(xué)有余力的學(xué)生提供了一個很好的學(xué)習(xí)平臺。

4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源的應(yīng)用

大型精密檢測設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源已于2013在吉林大學(xué)校園網(wǎng)上運(yùn)行，與吉林大學(xué)機(jī)械精度設(shè)計基礎(chǔ)課程和機(jī)械工程綜合實(shí)驗(yàn)Ⅱ課程的真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，每年為吉林大學(xué)機(jī)械類和近機(jī)類5個學(xué)院10個專業(yè)1 100名學(xué)生開設(shè)機(jī)械精度實(shí)驗(yàn)課程。同時通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源，可為其他校區(qū)其他專業(yè)的學(xué)生提供數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程、為學(xué)校成人教育提供網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、為研究生提供科研學(xué)習(xí)。學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)，目前數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源網(wǎng)上瀏覽次數(shù)約有9萬多次。大型精密檢測儀器設(shè)備應(yīng)用于本科生教學(xué)當(dāng)中，目前在國內(nèi)其它高校還沒有發(fā)現(xiàn)。因此，基于大型精密檢測設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)可以進(jìn)一步與國內(nèi)其它高校實(shí)行資源共享。

5 結(jié) 語

大型精密檢查設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)提出了“將現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下機(jī)械精度設(shè)計課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)。該教學(xué)模式為學(xué)生提供了更加自由、豐富的教學(xué)資源。在此基礎(chǔ)上，中心根據(jù)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的建設(shè)原則，進(jìn)一步全面系統(tǒng)的建立基于高精密檢測儀器設(shè)備的虛擬檢測實(shí)驗(yàn)平臺，形成具有應(yīng)用性、共享性和特色性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為建設(shè)吉林大學(xué)國家級機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心提供強(qiáng)有力的支持。

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Digital Experimental Resource Construction Based on Large- Scale Precision Testing Equipment

WANGZhi-qiong1,GUDong-wei2,ZHOUShu-hong1,CHANGQi-zhi1

(1. National Machinery Basic Experimental Teaching Demonstration Center, Jilin University, Changchun 130022, China; 2. School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

Using advanced technology of inspection field, facing on undergraduates of colleges and universities, a basic mechanical precision design experiment is set up with large-scale sophisticated testing equipment. It establishes digital experimental teaching resources based on large-scale sophisticated testing equipment. It solves the problems of lacking experimental equipment because of high costs by virtuality and reality combination. It fosters students to know about advanced technology of inspection field, master modern testing methods and equipment. It realizes the application of large-scale sophisticated testing equipment to undergraduate teaching, and increases students' practical ability and innovation ability and embodies the value of colleges and universities.

sophisticated testing equipment; digitalization; mechanical precision; lab resources

2015-08-10

王志瓊 (1986-)，女，吉林通化人，碩士，工程師，機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心副主任，研究方向：實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、數(shù)控機(jī)床可靠性領(lǐng)域的研究。

Tel.：13944852656；E-mail：wzq2012@jlu.edu.cn

谷東偉 (1983-)，男，吉林農(nóng)安人，博士，講師，研究方向：機(jī)械制造基礎(chǔ)教學(xué)工作、數(shù)控機(jī)床可靠性領(lǐng)域的研究。

E-mail：gdw2000@163.com

TH-3

A

1006-7167(2016)05-0261-03