智能加工技术在本科教学中的思考与实践

刘宇+王迁

摘 要 传统加工中只考虑数控机床或加工过程本身，缺乏对加工过程中数控机床和加工过程的交互作用的综合理解。针对于对本科生对传统数控加工比较熟悉而缺乏对智能加工技术的系统理解，设计了一套智能加工试验系统，可实现大学生对智能加工技术理论与实践的结合，并能提高对先进传感器技术以及信号检测和信号处理技术的认识。

关键词 智能加工技术 信号检测 教学改革 教学实践

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.12.054

The Thinking and Practice of the Intelligent Processing

Technology in the Undergraduate Teaching

LIU Yu， WANG Qian

（School of Mechanical Engineering and Automation， Northeastern University， Shenyang 110819）

Abstract The traditional processing only considers the numerical control machine tool or the process itself， however， it always lack the comprehensive understanding of the interactive influences between the numerical control machine tool and the processing process. It is important to design a set of intelligent processing experiment system for the undergraduate students that are more familiar with the traditional CNC machining and lack of understanding to the intelligent processing technology system. After that， it can improve the understanding of advanced sensor technology and signal detection and signal processing technology.

Key words Intelligent processing technology； signal detection； teaching reform； teaching practice

0 引言

智能加工技术是在传统的数控加工技术的基础上结合先进的传感器技术以及信号处理技术等对加工过程进行实时状态监测和过程反馈，对加工过程参数进行评估和调整，从而达到既满足经济性又不破坏零件表面质量的目的。智能加工技术作为一种优越的加工技术现已得到越来越多的关注和使用，因此在实际教学中引入其介绍是有一定必要的。另外，智能加工技术是一门多学科交叉的课程，尤其涉及测试技术、控制理论、信息论、计算机、数学等多种学科。该课程不仅知识点多，牵涉面广，而且一味只是在课堂上采取传统的口头授课方式不能使学生全面系统地掌握智能加工的理论知识以及实际动手操作分析和解决问题的能力。但是由于智能加工中所使用的传感器，信号采集和测试等硬件系统的价格昂贵，大学生很少有机会接触这些设备，使得对于智能加工的了解只停留在理论层面上。因此我校机械电子工程研究所在学校的支持下建立了智能加工教学试验台，从理论和实践角度全方位培养同学们对智能加工的了解，为社会培养全面熟练掌握智能加工技术的实用型技能人才。

1 智能加工传统方法

智能加工的典型方法是利用各种先进的传感器采集加工过程中的信号，再利用信号检测和故障识别技术，对加工过程中的振动、切削温度、刀具磨损以及设备的运行状态等进行监测，根据预先建立的系统控制模型，实时调整加工参数。现在国内外大多采用的传感设备有加速度传感器、位置传感器、传声器等，加速度传感器是最常使用的传感器，它直接检测机械结构的振动加速度信号。常用的位置传感器有电涡流位置传感器和激光测振仪。电涡流传感器相对于金属而言是可用的，而激光测振仪是比较昂贵的设备。噪声传感器在进行机械设备状态检测时使用比较多。不同传感器采集到的振动信号不同，但都能反映振动的特性，在实际应用中可以根据机械设备和结构特征选择传感器类型。在选择传感器时同时也应考虑量程、分辨率、频率响应范围等性能参数。

传感器作为采集信号的首要环节，信号采集设备则是沟通传感器和计算机软件设备的桥梁，利用信号采集设备将传感器信号采集到计算机在进行分析处理。信号采集系统应具有大动态范围、高分辨率、多通道、同步采集的特点。目前世界上先进的信号采集设备有丹麦B&K公司的BK3560B、以及美国NI公司的各类信号采集卡如NI9234数据采集卡、NI6009数据采集卡等。

2 智能加工技术试验台的建设

2.1 系统组成

在本科生教学过程中为了能够更全面地介绍智能加工技术，除了课堂上教师讲授的理论知识外，更应该强调学生在实际中的应用。因此，在介绍时应从硬件和软件两条主线出发，向学生全面系统介绍智能加工技术的组成、使用以及原理。为了使本科生能更好地掌握智能加工技术，设计的试验系统应具有可实现性、可操作性和实用性的特点，能够帮助学生更快地掌握先进的传感技术、信号采集技术、信号检测和故障诊断技术。

为了适合本科生教学，进行了智能加工技术方面的教学研究，开发了一个试验装置，其组成结构包括硬件组成和软件组成。其中硬件组成包括美国NI公司的9234数据采集卡、美国PCB公司的单向加速度传感器352C04、计算机一台以及小型微铣床一台（系统中硬件设备的具体参数如表1），能实现对机械系统的信号采集。系统的软件部分是利用Labview图像化编程软件编制的振动信号状态监测软件。该套软件可实现对振动信号的实时采集，设置采样频率、采样时间和采集通道等参数，通过数据采集卡采集到振动信号并利用小波分析的信号分析方法从振动信号提取小波模极大值作为状态监测值，通过预先设定的阈值识别设备状态，一旦检测到设备出现故障立即向机床控制程序发出指令调整加工参数，避免设备发生故障，另外软件中也包括一些关于信号的时域、频域和时频域分析方法，这样使学生能掌握多种信号分析手段（系统组成如图1所示）。

2.2 试验台在教学中的作用

为了使试验台在教学中更好发挥作用，教师应当首先安排课程进行理论知识讲解，包括传感器的特性和使用方法、信号采集的基础知识、信号采集设备的使用和一些常用的信号分析方法。使学生在实际动手前先对硬件设备的使用有一定的了解，不至于在使用时由于理论知识不足而造成传感设备和采集设备的误用或损坏。理论知识讲解结束后教师可安排实际操作课程，向同学介绍试验系统和讲解软件系统的使用。这样通过前期的准备和后期的实际应用使教师能够更好地了解学生的学习状态，也使学生更能放心大胆地使用试验设备。

图1 教学试验台系统组成

在实际操作的过程中，教师首先应进行适当的演示，手把手的向学生教授传感器和信号采集卡的使用，在软件部分教师应先讲授采样频率、采样点和采集通道的设置，另外教师也应讲授关于信号的时域和频域和时频域分析方法，这样能使学生在实践中掌握这些先进的信号分析方法并学习到这些方法的优缺点和适用场合和使用条件等。另外，在教学中试验中微铣床可能不会像工厂中实际加工信号那样复杂和具有真实性，这样对于各种信号分析手段理解不够透彻，所以在实际操作中如果检测不到设备故障可以利用系统软件仿真故障信号在对其进行分析，使学生不仅能够掌握传感技术和信号采集技术也能够对各种信号分析方法有更直观的了解，在以后的学习中也能印象深刻，并且学以致用。

在上课过程中不仅要教会学生正确的操作，更要让学生放心大胆地去尝试错误的操作，这样才能对正确的操作有更深的印象。

3 智能加工技术本科生教学实践的思考

3.1 试验台的主要特点

针对本科生教学中对智能加工只停留在理论层面而不注重实际操作而提出的试验系统具有如下特点：（1）易操作性：试验设备结构简单，由传感器、信号采集设备和软件系统所组成，只要具备一定的信号采集基础知识和电脑操作能力便能使用试验设备。（2）实用性：试验设备包括硬件部分和软件部分，在设计阶段就考虑了学生的学习能力和适用能力，通过对试验设备的实践操作使学生能够对信号采集和分析方法有更深的了解，这些知识无论是在以后其他的课程学习或是以后工作过程中都有很大帮助。（3）可实现性：试验设备选用的硬件设备如传感器和数据采集卡易于购置、性能优良，软件是利用Labview软件编写，它是一种图形化的编程语言，操作界面简单，程序可读性好，功能易于实现。

3.2 试验台存在的不足

试验设备尽管能使学生对智能加工有更深的了解，但是终究与工厂中使用的智能加工技术有一定差别。一方面，该试验设备只是使用一个单向加速度传感器采集振动信号，并没有使用现在比较流行的多重传感器采集技术，使学生只能掌握一种传感器的使用方法和特性不能掌握多种传感器，另外，单一的传感信号分析比较片面而不是很全面。另一方面，由于使用的传感器和数据采集卡价格比较昂贵，不能够使学生一人拥有一套试验设备，只能通过分组的方式进行教学，每个学生学习的时间会缩短，这样可能使学生对一些知识学习得不够透彻。

3.3 下一步要进行的工作

基于以上存在的问题，可以做针对性的解决方案。教师在向学生授课之前应进行适当培训，一些教师不能完全系统的掌握这些信号采集和分析方法，所学的知识可能与企业的实际应用脱节。因此，为了更好地向本科生介绍智能加工技术，学校应鼓励教师们去工厂中参观学习，深入了解企业实际需求以及智能加工技术的发展现状，以实际行动不断优化系统软硬件部分的设计，在进行本科教学，这样能将企业中的第一手需求和应用带给学生，从而为社会培养具备先进智能技术的专业技术人才。在本科生教学中，相对于建立更全面系统的试验系统，更应该强调学生在学习过程中是否学到教师教授的知识，建立单传感器系统，简单直接，所学即所用。另外在教学中使用分组教学的方式尽管缩短学生的学习时间，但是教师可以让学生预先学习基础知识，做到心中有数。

另外，实验室还应制定一套具体的试验设备使用方法说明书，这样使学生从说明书和教师教授两方面掌握正确使用试验设备的方法，避免由于使用不当造成设备的损坏。

4 结束语

智能加工技术试验设备是顺应当前企业工厂加工使用方法对本科教育提出的课程改革，以提高学生对智能加工技术的了解而建立起来的，使学生在具体操作中掌握先进的传感技术、信号采集和分析、状态监测和故障识别技术，让学生对智能加工的理解具体而生动，从而实现“教“与”学“的最佳组合。教学过程中更强调以学生为中心，在教师的指导下结合以往学到的专业基础知识，利用试验系统提升学生的学习能力和实践能力，成为掌握先进智能加工技术的专业型人才。

参考文献

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