科研反哺在數控技術實驗教學中的探索

劉偉 劉順

摘要：以數控技術實驗教學目標為基礎，通過科研反哺，示范性開設三弧段等距型面軸磨削基礎實驗，并開創性設置砂輪位移在線測量實驗。通過該綜合性、創新性實驗，全方位鍛煉學生的創新意識和科研能力，有效提高本科生綜合應用專業基礎知識解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：科研反哺;數控技術;實驗教學;磨削

《數控技術》屬于機械設計制造及其自動化專業本科生一門承上啟下的專業基礎課程，其重點在于應用數字信息（即數控程序）對機械運動和工作過程進行控制。實驗教學是學生利用儀器設備控制實驗對象的變化，通過觀察、測定和分析，驗證并鞏固課程知識，培養動手能力、觀察分析能力、創新能力的一種實踐性教學形式，在基礎課和專業課中廣泛應用[1]。實驗教學屬于實踐教學的關鍵環節之一，是高等教育人才培養的重要組成部分。當前數控技術實驗教學主要局限于課程理論的驗證，內容相對比較傳統、常規，難以激發學生的學習興趣與創新思維，無法充分體現學生的主觀能動性[2]。為了加強實驗教學的深度與質量，充分培養學生的創新能力、科研能力，在實驗教學中有必要設置綜合性實驗、創新性實驗[3]。綜合性實驗、創新性實驗的開展對實驗教師的能力與素質提出了很高的要求，科研型教師將最新的科研成果融入實驗教學，將科研反哺教學，以科研推動理論學習。

一、科研反哺實驗教學的意義

實驗教學與理論教學有著較大的差異性。理論教學要求教師對學科專業的知識結構了然于胸，在教授書本知識的同時，穿插最新研究成果對書本知識予以補充。實驗教學則需要教師掌握豐富的實驗經驗和技能，在講授專業知識之余，還應傳授學生原理性知識以及科研技能，培養學生的科研興趣，初步掌握一些科研的思路和技能。

教學和科研是高校教師的基本職能，兩者是互相依存、相輔相成的。教師通過科研可以提高研發水準，學生則可以通過教師的科研反哺教學培養實踐精神。教師通過科研可以使自己平時在課堂教學或者實驗教學中碰到的問題得以驗證和解決，以科學研究驗證現有理論和開創新成果。科研能夠使教師掌握最新的專業理論和技能，豐富和拓展教師學術能力和執教水平。

科研反哺教學，將最新的科研成果融入教學當中，建立科研與教學的有機結合、相輔相成的長效機制，實現科研與教學的協調、統一發展，不失為一種處理科研與教學關系的有效途徑[4]。通過科研反哺教學，在幫助學生鞏固理論知識和鍛煉實踐能力的基礎上，還可以培養學生發現問題、分析問題、解決問題的綜合能力。同時，實驗教學亦是科研的催化劑，有助于對科研成果進一步拓展與驗證，有助于教師建立更加清晰的科研思路及脈絡。

因此，科研反哺實驗教學的意義在于以下方面。

（1）教師通過多年科研經驗，掌握了一定的先進實驗技能，了解本學科最新的專業技術，因此可以傳授學生書本之外的實驗技能，使學生提前掌握讀研或者工作后才能接觸到的技能，從而培養出具有實踐經驗的技術型人才。

（2）教師基于自身科研課題需求，需要用到先進儀器設備，或者對實驗設備進行改造發揮其最大作用，甚至開發新的實驗儀器。通過若干科研研究，教師對實驗設備的性能、構造等有著透徹的了解，對實驗原理有著深刻的見解，使得教師在傳授知識時表達得更加透徹、易懂。教師亦可總結一些貼合書本理論且具有實際意義的綜合性、創新性實驗，從而達到理論指導實踐的目的。

（3）教師的科研課題往往是某學科中處于比較前沿、比較廣泛的項目，課題的完成可以解決企業實際生產過程中遇到的理論、實際問題。將科研中涉及的理論和技術轉化為教學內容，開展一系列項目性實驗，能使學生在學習實驗技能的同時，體驗科學研究的過程，可以使學生層次提高、教師獲益，并且使科研的意義得到升華。

二、三弧段等距型面軸數控磨削實驗教學設計

（1）三弧段等距型面軸磨削基礎。三弧段非圓等距型面是非圓等距型面中圓弧多邊形應用最廣泛的一種截面輪廓。非圓等距型面是指型面的非圓廓形等尺寸性，即輪廓上任意對應的兩條相互平行的切線距離相等的性質[5]。非圓等距型面輪廓是型面無鍵聯接件的典型廓形，其在軸轂動力傳遞中具有自動定心、傳遞大扭矩、傳遞效率高、應力集中小等特點，在礦山機械、鍛壓機械、鑄造機械等方面有著廣泛的應用[6]。當前非圓等距型面輪廓加工大都采用軌跡法，工件繞自身軸線轉動，刀具在兩個坐標方向作往復運動，屬于三軸聯動加工，該制造工藝運動較復雜，對機床的性能要求較高。為簡化三弧段非圓等距型面軸加工工藝，引入X-C兩軸聯動磨削技術。工件繞其主軸C軸旋轉，砂輪繞其中心逆時針旋轉，同時砂輪隨著工件的旋轉沿X軸直線往返運動，加工過程中需確保工件與砂輪始終處于相切狀態。

（2）三弧段等距型面軸磨削數控程序編制。三弧段等距型面軸的截面輪廓不規則，輪廓曲率半徑不斷變化，但是可以用函數表示廓形曲線。三弧段等距型面軸數控磨削與外圓磨削明顯不一致，要實現其X-C聯動磨削，需要對其截面輪廓進行插補。X-C聯動磨削一般按照C軸每轉1°或0.5°來計算砂輪在X軸方向的位移，即砂輪在每一個等分角度轉角點對應的位移，其位移變化量相對較小，可以直接采用直線插補。根據三弧段等距型面軸的廓形函數與X-C聯動磨削數學模型，即可求得工件轉角與砂輪位移的對應數據表，將該數據表導入回轉類非圓零件數控加工程序模塊，最終生成三弧段等距型面軸X-C聯動磨削數控程序。數控技術實驗教學的重點在于讓學生熟悉數控機床的坐標系、數控加工的指令及程序結構，并掌握數控加工程序的編制。三弧段等距型面軸磨削數控程序編制可以充分體現該教學目標。

（3）三弧段等距型面軸數控磨削實驗。三弧段等距型面軸數控磨削實驗在非圓高速數控磨床上進行，實驗具體過程為：選用合適的砂輪類型與尺寸、冷卻液類型;打開電源，開啟數控機床;將工件安裝在頭架與尾架間并固定好位置，對工件的X和Z軸對刀;手動操作機床回零，根據對刀時的X、Z值修改程序中保存的X、Z初始坐標值;設定恰當的砂輪線速度、磨削深度、工件轉速等工藝參數;選擇編制的數控程序，讓機床進行自動磨削加工;待實驗完畢后按照要求關閉數控機床;斷開數控機床電源，清潔并整理實驗儀器和設備，將實驗儀器和設備歸位，打掃實驗現場。通過數控磨削加工實驗，學生可以了解非圓高速數控磨床的機械結構特點、基本操作，加深對數控機床坐標系、數控指令的理解，拓展機械制造相關理論的認識與應用。

三、數控磨削砂輪位移在線測量拓展實驗設計

三弧段等距型面軸X-C聯動磨削會產生很大的加速度，磨床的伺服系統響應滯后，砂輪位移達不到程序預期目標，使工件磨削不充分，存在較大誤差，影響工件的加工精度與使用性能。三弧段等距型面軸X-C聯動磨削砂輪位移在線測量平臺包括激光位移傳感器、數據采集儀，以及固定傳感器的磁力座、螺栓和螺母。激光位移傳感器通過螺栓和螺母固定并將螺栓用磁力座夾住，將磁力座吸附在尾架上，將連接線接好，使傳感器鏡頭平面與砂輪架前表面平行，并調節激光位移傳感器的傾角;打開新建的數據采集與分析界面，設置好采集通道中的激光位移傳感器的參數;實驗前手動控制砂輪與三弧段等距型面軸最小圓弧半徑點接觸，采用激光位移傳感器測量初始距離;啟動數控程序，讓數控機床進行三弧段等距型面軸的磨削加工;激光位移傳感器和數據采集儀檢測得到不同時刻的砂輪位移，對砂輪位移數據進行分析。通過砂輪位移在線測量，使學生理解激光位移傳感器的工作原理，掌握其使用方法;理解數控磨削過程中存在的磨床伺服系統響應對X軸位移誤差影響的問題。

四、結語

結合數控技術課程及其實驗教學的具體情況，充分吸收科研項目中數控相關實驗，通過科研反哺數控技術實驗教學，示范性開設三弧段等距型面軸磨削基礎實驗，并開創性設置砂輪位移在線測量實驗，使學生熟悉掌握數控機床結構與基本操作、數控程序編寫、位移測量、數據采集分析處理、實驗報告撰寫等。同時通過全程參與，在設計實驗方案中提高學生的思維能力，搭建實驗平臺中提高動手能力，分析實驗數據中增強總結能力等，全方位綜合鍛煉創新意識和科研能力，對于有效提高學生綜合運用專業基礎知識解決實際工程問題的能力具有重要的意義，為進一步從事制造領域相關科學研究和企業生產實踐工作奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]馮文杰.機械工程基礎實驗教程[M].重慶：重慶大學出版社，2007.

[2]劉偉，伍俏平，羅榮.“機械工程基礎實驗”的教學現狀與改革探討[J].教育教學論壇，2017，（35）：112-113.

[3]楊慧斌，閆娟.淺談科研反哺實踐教學[J].中國校外教育，2010，（22）：79.

[4]高磊，令狐浪，楊德志，等.科研反哺教學在藥學綜合實驗中的實施[J].基礎醫學教育，2020，22（6）：413-415.

[5]杜新宇，杜太生.型面無鍵聯接及制造[M].武漢：華中科技大學出版社，2016.

[6]劉春孝，王海燕.型面聯接研究綜述[J].焦作大學學報，2008，（3）：69-70.