基于機電專業學生實踐能力的探究

蘇永華

【摘 要】本文結合中職機電專業學生實踐能力培養的實際需求，以數控加工中圓度誤差的機電調整為例，簡要概述數控加工中圓度誤差，闡明機電專業學生實踐能力培養的基本思路，論述培養學生實踐能力的策略，以提高學生適應能力和就業能力。

【關鍵詞】中職 機電專業 數控加工 圓度誤差 機電調整 ?實踐能力

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）07B-0058-03

機電專業的學生是否具有較強的實踐能力，將直接對其未來的就業和發展帶來影響。因此為達到學以致用的目的，教師需要在教育教學工作中盡可能地為學生提供實踐操作的機會，并在實踐操作中加強對其的技術指導和考核。這樣不僅能對學生的學習情況進行有效的檢驗，而且也能對自身教學的不足進行梳理，最終在師生互助和相互學習下促進學生實踐能力不斷提升。數控加工作為機電專業學生學習的主要內容之一，其中的對數控加工中形成的圓度誤差進行控制和優化，是學生必須掌握的技能。

一、數控加工中圓度誤差的概述

一般而言，在進行數控加工時，形成的圓度誤差主要有兩個方面的因素，一是機械狀況;二是伺服系統調整。為了更好地對其進行維修和補救，需要切實加強球桿儀的運用，并運用球桿儀分析測試圖形，從而更好地將圓度誤差形成的根源找出來。在師生合作、相互探究中，強化訓練機電調整能力。

二、機電專業學生實踐能力培養的基本思路

中職學生的學習動機就是為了更好地就業，在學校系統、全面地學習一門就業技術，并在學校提供的各種實踐平臺訓練中掌握一套基本的技術體系，以更好地適應就業的需要。因此，在新課改背景下的中職機電專業教育教學工作中，我們必須秉承生本理念，在新課改的指導下，結合最新的就業形勢和行業發展需求，對學生的實踐能力培養的方式進行不斷優化和完善。就當前來看，對中職機電專業的學生而言，不僅要繼續將實踐能力的培養作為主要的方向，而且在實踐能力培養中需要對培養的內容、方式等進行創新和優化。只有這樣才能更好地適應學生的時代特點，符合時代發展的潮流，打造具有中職教育特色的現代化實踐人才培育的新模式。在常規的“強調重要性→理論學習→實踐學習”的方式上進行創新，采取理論中穿插實踐，實踐中穿插理論的方式，在將理論和實踐進行理實一體化結合的基礎上，采取市場化的方式，對學生的實踐能力進行培養。

三、學生實踐能力培養的具體實施

（一）實踐背景

學校機電專業學生在日常的理論學習和實踐操作中，就數控加工中的圓度誤差的調整而言，是一種常態化的實踐作業。為強化學生的實踐能力，筆者聯系南寧市某精密機械設備公司，將該公司在這方面遇到的機械加工問題引入課堂。要求學生以小組為單位，在每個小組中挑選一名技術骨干組成技術團隊，在確保盈利的條件下，深入該企業對圓度誤差進行調整和控制，并將所得收入全部納入班級實踐經費之中。最后由八個小組分別選派一名代表進入該企業，對存在問題的某機械設備進行改進和優化。他們進入該企業之后，對一臺數控機進行改造和優化。

（二）設備情況

本次維修的是該企業的一臺立式的數控機，該數控機的加工中心采用的數控系統為 FANUC 系列，其各軸均采取全閉環的控制。之前該企業的數控工人在加工中產生 XY 平面圓度誤差的情況較為嚴重。

（三）實踐情況

第一步，現場調研，掌握實況。八人小組深入現場之后，通過現場調研和分析，找出存在的癥結，隨后在八人小組中成立以陳同學為主的維修小組。陳同學負責本次進入企業實踐維修的技術總監，同時也是小組長，其他成員配合完成。在找出癥結和聽了企業的意見之后，采取球桿測試儀進行測試，并進行試驗程序（GO3）編制，先將 GO3 逆轉兩周之后，再將 GO2 進行順轉兩周，測出的情況詳見圖 1（由于該企業的球桿診斷儀的顯示屏存在一定的問題，所以畫面的模糊度較大，下同，見下頁）。

第二步，剖析原因，有的放矢。維修小組從球桿診斷儀診斷畫面看出，其正圓度較差。分析之后畫出了圖 1 的還原圖（如圖 2 所示，見下頁），換言之，圖 1 是圖 2 中的（a）和（b）組合而成。雖然其形成的機理不同，但是均對正圓度帶來了影響。

從圖 2（a）的分析來看，其主要是顯示了機床的 X 軸和 Y 軸在換向時形成了尖峰，也就是進行了反向沖躍。通過現場的實踐來看，尖峰的大小會隨著機床的進給率不同而出現不同的變化。這就說明了換向處隨著機床間隙與摩擦力的方向而變化，進而發生黏性的停頓。小組成員通過現場試驗和調校，發現導致這一故障的原因主要是以下幾個方面：①電機所施加的扭矩不夠;②軸對反向間隙的補償不當;③所設速度自身的前饋系數設置不正確，當電動機反轉時，機械系統中容易出現時滯。正是由于前饋系數不足，導致形成徑向誤差。加上速度增益較低，導致成型的形狀變形，而且還存在象限凸起的情況。為了對其進行處理，小組成員通力合作和研究，最初確定機電調整方案。首先，借助數控系統所具備的反向間隙補償功能和間隙補償中的加速功能，將速度環的增益加大。其次，對速度前饋系數進行調整，確保所采用的進給率滿足精加工的需求，借助換向過程，對移動指令與速度指令增加一定的補償數據，從而確保間隙加速量根據指數函數來變化。最后，將象限突起的情況進行改善和優化。但是在實際實施時，由于該型號的 FANUC 系統只能進行反向間隙補償，不能進行速度前饋系數、間隙補償減速等伺服調整，所以后續在最初的方案上進行了優化，對速度控制單元中的速度環增益微調電位器進行了調整。這樣就確保了速度環的增益盡可能地達到振蕩的基線，從而有效地改善象限突起的情況。

從圖 2（b）的分析來看，順時針時呈現橢圓形，逆時針時呈現“8”字形，兩種變形分別順著 45°和 135°的方向拉伸而變形。旋轉中出現的拉伸變形使軸向發生變化。由于拉伸變形隨著機床的進給率變化而發生變化，因此說明 X 軸和 Y 軸在垂直度差抑或是存在伺服不匹配的情況。為了對其進行處理，該小組通過對其成因進行分析和研究后發現，之所以伺服不匹配，主要是因為 X 軸和 Y 軸之間的伺服環增益之間不匹配，使得一根軸比一根軸超前，進而在順時針時呈現橢圓形。經過計算，圖 1 中的伺服不匹配數值是-6.29 s。當進給倍率相同時，對 X 軸和 Y 軸的粉碎誤差進行細致觀察后，發現 Y 軸在平穩進給過程中，其跟隨誤差值的變化是在個位數之內，而相同情況下，X 軸在平穩進給過程中，其跟隨誤差值的變化則處于百位數范圍之內，因此說明其跳動的范圍較大。通過現場分析和研判，發現導致 X 軸和 Y 軸較大跟隨誤差值的原因，主要是 X 軸和 Y 軸的伺服環增益與滑動情況的出現，以及絲桿螺母副的傳動阻尼大小不一，導軌滾動體在松緊程度上不同等，這些都是屬于機械因素。在現場分析和研判中，因為發現 X 軸的導軌潤滑情況良好，整個運行過程中都附有油膜，所以就將潤滑不良的可能性排除。考慮到機械調整中拆卸的部件較多，小組成員為了減少機電調整的麻煩，在電氣控制過程中，采取增加 Y 軸的伺服環增益的方式，以彌補機械的不良變化。隨后小組成員對 FANUC 系統的參數進行查看，發現其全部軸的伺服環增益均是同一參數。為避免泄密，本次修正中，維修小組首先將伺服環增益參數設置為 2000 s-1（實際參數涉密）。因為這樣無法采取改變某個軸的增益參數的方式，所以隨后小組嘗試性地將全部軸的伺服環增益增加到 4000 s-1（實際參數涉密），最后得出圖 3 所示的軌跡。從圖 3 可以看出，圓形軌跡得到了明顯的改善和優化，伺服不匹配的情況也降為-3.85 ms。但是隨后又發現 X 軸在定位中的過沖現象較為明顯，其圓度誤差值不減反增，尤其是 GO3 逆時針旋轉到 45°和 GO2 順時針旋轉到 135°時，存在明顯的嚴重的鋸齒形區域，且此時形成的碎誤差值的跳動最為嚴重。這就說明X軸運動到這時，其機械阻尼會出現劇烈的變化，使得所有的閉環系統中的振蕩十分明顯。若只是簡單地借助電氣控制中的伺服調整，那么顯顯難以從根本上有效地解決有關圓度誤差的問題，因此必須要將導致震蕩的機械因素找出來。

圖 3

第三步，通力合作，排除故障。在經過對誤差原因進行綜合分析的基礎上，維修小組通力合作，制定故障排除方案，有效地改善了圓度誤差。將 X 軸的護板拆開，并用手將絲桿盤動。在之前發現的鋸齒形區域中，可以明顯地感覺到摩阻力在增加，隨后對絲桿螺母副的工作情況進行檢查，檢查后發生其工作正常，對四個導軌滾動體的松緊度進行調整，但是并沒有改變情況。隨后小組成員對拆下的滾動體進行檢查，發現其中的一塊滾動體中的滾柱從安裝處斜插出來，并擠在導軌和滾動體之間。由此發現這個滾柱在工作臺中隨著導軌的移動而帶來的阻礙，使得 X 軸的鋸齒形區域在摩阻力上較大。若伺服環的增益設置不足，那么會導致 X 軸出現低速爬行的情況;如果將伺服環的增益設置更大，將導致 X 軸出現振蕩的情況。因此，維修小組對損壞的滾動體進行重新更換和安裝。當伺服環的增益大于 2900 s-1 時，發生過沖的情況。隨后小組對其進行優化調整，將 2900 s-1 改為 2800 s-1。當進給倍率不變時，X 軸跟誤差值赫爾維修之前比較明顯下降和穩定。對其圓度進行測量，結果如圖 4 所示。將圖 4 和圖 1 對比之后發生，其圓度誤差值發生了明顯的變化，同時振蕩基本上也已經消除。為了將圓度誤差進一步優化和完善，在筆者的幫助和提示下，學生在調整數控系統的伺服之外，還對 X 軸和 Y 軸的垂直度進行檢查。維修小組實測之后，發現 X 軸和 Y 軸的垂直度是 0.02mm，發現這也是導致圓度誤差的原因之一，隨后將 X 軸和 Y 軸的垂直度進行調整。然后又對圓度進行測量，測量值得到了很大的改善，有效地將圓度誤差進行了控制。

圖 4

（四）實踐總結

通過本次的實踐活動，有效地鍛煉了學生的實踐能力。在具體的實踐中，學生將所學的理論和實踐知識進行有效應用，鍛煉了學生的應變能力。但是本次實踐也存在一些不足，一是實踐的人數較少，參與實踐的人員都是該班的優等生;二是學生在實踐中走了一些彎路，在改進方法上沒有全面地運用相關知識;三是學生容易滿足。為此針對本次實踐活動，筆者要求每個小組成員填寫如表 1 所示的實踐調研報告。

為了學生得到全面發展，針對本次實踐中暴露出的問題，未來在學生實踐能力培養中，需要確保所有的學生都能參加，這就需要加強與大型企業和第一生產現場之間的聯系，為學生的實踐鍛煉提供機會。同時，我們要充分利用現有的校訓基地，加強對學生進行針對性訓練，并要求學生在實踐中反思。結合時代發展的需求，針對性地設置相關的項目，尤其是要設置能促進學生與時俱進的訓練項目，注重培養學生的創新能力。只有這樣才能更好地契合學生的學習興趣，牢固掌握機電專業技術知識，并在實踐中靈活應用，從而更好地培養出現適應時代發展所需的復合型中職機電人才。

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（責編 盧建龍）