“制造裝備及自動化”課程實踐教學嘗試*

尹曉珊 ，鐘建琳 ，彭寶營 ，王鵬家

（北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192）

0 前言

“制造裝備及自動化”是機械設計制造及自動化專業的一門專業基礎課，這門課程涉及“機械設計”“機械原理”“工程制圖”“機械制造技術基礎”等基礎知識，內容更加豐富，綜合性更強[1]。通過本課程的學習，學生能夠了解制造裝備的分類、裝備設計的評價；了解工業機器人的機械結構、自動生產線的組成；掌握金屬切削機床的基本理論、機床夾具設計的基本方法、機械加工生產線總體設計等[2]。目前，很多學校開設的“制造裝備及自動化”課程還是以傳統教學為主，課程的教學重點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，教學課時明顯不足[4]。教材知識較傳統，教學中缺少對國內外相關技術發展的介紹，學生的知識存在缺失，導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，教學形式單一，本身課程的理論知識就偏多、知識較抽象，傳統的老師講學生聽的模式，會使師生互動減少，課堂枯燥[6]。即使課程分配了6個學時的實踐環節，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，驗證性實驗對學生實際操作能力和創新能力的影響不大[7]。國家提出“中國制造2025”“互聯網+”等，要求學校培養的機械類學生不僅要掌握理論知識，還應該是創新型、應用型的人才[8-9]。因此，對本課程的實踐教學改革進行嘗試。

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

1 實踐演示平臺介紹

1.1 教學內容

機械類的知識，有較強的邏輯性和抽象性，概念內容瑣碎枯燥，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合，學生自己去設計、動手操作，通過直觀的教學實物模型讓學生對抽象知識有具體化的理解，讓學生更好地接受知識，喜歡上這一門公共基礎課。因此，以課程中提到的并聯機床為例，結合三維建模軟件SolidWorks和并聯機構，從建模、裝配、運動仿真到實物裝配建立教學演示平臺。

1.2 SolidWorks三維建模軟件

SolidWorks功能強大，操作便捷，可以滿足不同領域人的使用需求，它廣泛應用于汽車、機械、航空業等領域。它的優點體現在以下幾方面：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計的作圖習慣；零件設計上，使用特征繪圖，工具欄中包含常用的拉伸、切除、掃描、旋轉、孔、圓角等功能，能較快掌握并且進行特征建模，對于曲面和管道建模更加簡單和方便；裝配設計方面，可以動態地查看裝配體的配合關系，快速測量距離，能直接打開單個零件進行修改，對于復雜的模型能快速進行總體裝配，提高效率；運動仿真方面，能直接模擬機械機構的運動，直觀看出是否存在零件間的干涉，為實際應用節約了時間和金錢；其特征模板為標準件和標準特征，用戶可以直接從特征模板上調用標準的零件和特征，零件保存格式多樣，并且能打開不同格式的零件，方便進行資源共享；它提供了生成完整的詳細工程圖的工具，而且工程圖是相關聯的，當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，還有標準零件庫，里面包含豐富的標準件、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 并聯機床

傳統機床是由床身、立柱、主軸箱、刀架、工作臺等部件串聯而成非對稱的布局形式，因此稱為串聯機床，這種機床布局作業范圍大，靈活性好。隨著機械行業的發展，機床面臨進一步高速化、高精度化的挑戰，隨著國家對制造業的重視與投入，機床設計中開始應用并聯運動原理。最早問世的是20世紀90年代美國公司生產的“VARIAX”虛擬軸機床。它是一種六個運動并聯的設計，設計的原則是讓輕者運動，重者不動或者少動[10]。傳統機床與并聯機床的對比如圖1所示。

圖1 傳統機床與并聯運動機床對比圖

并聯機床和傳統機床有很大的差異，它的上下平面取代傳統機床的床身和立柱，上平面可以帶動主軸和刀具運動，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；桿件的運動可以由伺服電機和滾珠絲杠驅動，帶動上平面進行運動，達到加工工件的目的。傳統機床一般為X、Y、Z三個進給運動的機床，而并聯機床中存在等效運動，因此并聯機床又稱虛擬軸機床，它具有很多優異的性能，但確定具體的運動位置比較復雜。根據自由度的不同，可以分為三自由度并聯機構和六自由度并聯機構，它們都去掉床身、立柱等質量重的零部件，因此機構速度高、質量小、精度高、各分支運動誤差不累積，但工作空間小，尤其是回轉運動范圍小，并且桿件間容易干涉，運動算法復雜。并聯機床的運動原理和并聯機構的運動原理相同，因此課題組選擇典型六自由度并聯機構為實踐對象。

2 實踐教學環節設計

2.1 分組合作

課程內容重點講述了傳統金屬切削機床的設計、機床夾具和自動化裝配線的設計。本次實踐環節的并聯機床，與傳統機床設計原理有所不同，其中涉及的知識比較多，因此讓學生們分小組合作進行。老師給定六自由度并聯機構相關參數，小組成員自行分配任務，這樣不僅能讓每一個學生都參與其中，也有助于促進學生之間的互助和溝通。

2.2 SolidWorks三維建模及裝配

需要學生們查閱相關文獻，按照老師所給的參數設計并聯機構的三維零件模型。并聯機構由上下平臺、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，帶動桿件進行來回收縮，使其具有不同的運動空間姿態，因內部結構復雜，本示例只保證外觀尺寸準確和外形一致；最后是球鉸，它連接平面和桿件，一般球鉸能夠360°旋轉，但在本次示例中，因6個桿同時進行運動，空間范圍有限，很容易造成位置干涉，因此限制球鉸的運動范圍是±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，對零件進行倒圓角處理，添加對應材料和外觀顏色，必要時可以進行SolidWorks渲染。

創建一個裝配體，按照所給定的位置關系進行裝配。正確使用點、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系，裝配過程中，首先要確定好基準面，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：一是當上下平面平行時，桿一定是處在中點位置，此時各桿的伸長量是一致的，該桿的長度是使用Matlab軟件進行運動學位置反解得到的，本次裝配參數已給；二是上球鉸、運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機構三維裝配體如圖3所示。

圖2 六自由度并聯機構實物圖

圖3 六自由度并聯機構三維裝配圖

相對來說，學生對三維建模的興趣濃厚，因此，三維建模和裝配環節有助于提高學生的思維創新能力，激發學生學習興趣。

2.3 動手實踐與總結

每一個小組完成虛擬裝配和運動仿真，老師檢查運動仿真無誤后，可以進行實際裝配。在實際裝配過程中，學生會注意思考裝配的原則、定位方式和順序。當小組成員完成裝配后，老師進行小組指導，根據實際情況給出相應建議。課程結束后，讓學生們以小組為單位上交實踐報告，報告內容應包括并聯運動機床的原理、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與感想。

通過本課程實踐活動，將所學的理論知識應用到工程中，在實際裝配中能發現問題并且解決問題，不但增強了學生們相互合作的精神，而且讓學生們都有機會參與其中，為以后進入社會、走向工作崗位奠定了基礎。

3 結論

1）教師課上講授新的理論知識，學生課下自己練習操作，有助于學生更好地掌握新知識，實踐后發現問題能與同學一起討論，或與老師交流反饋，師生互動增加，學生學習的主動性增強，教學效果更好。

2）有助于培養機械類學生工程素養。工科學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，理論學習和動手實踐缺一不可。

3）本次實踐，學生通過并聯機床的原理學習、零部件的選型及設計、三維建模、虛擬裝配、運動仿真、實際裝配等一系列過程，不僅掌握了本課程涉及的新知識、提高了裝備設計能力，還增強了學習興趣。