三维机械构形设计课程教学改革

吴 浩

(安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山 243002)

一、课程教学面临的问题

传统的PROE教师讲授往往是以教师为主导,学生作为一个被动的接受者。而教师的课堂讲授主要对照教学大纲进度按照教材内容按部就班把知识传授给学生,其中非常多的时间都是在讲具体的单个零件如何画出来,如何操作某一个指令画出圆、线、螺旋等基本操作。虽然也有装配图的讲授,但往往只是课程结束时最后一两次课作为一个综合练习。在讲授前面单个零件画法时如果不清楚某一个零件画法,就导致学生学习得不连贯,所学到的知识也是片段的,学生就会跟不上进度。

由于本门课程的实践性要求较高,需要学生进行大量反复的操作才能真正掌握这个三维设计软件,所以目前采用教师上课讲授和操作软件加上学生上机的形式来提高学生的操作能力。由于学生的学习积极性不强,觉得学习一个软件枯燥乏味,往往很多学生不重视上机,只是简单的应付了事,这样导致实践能力培养的效果并不明显。

二、课程教学的重点

(一)实践能力的培养

在学习PROE课程过程中,面向实际的实践性不够。学生往往缺少实际去工厂的经验和实际去接触机械设备的经历。针对这种情况我们组织学生去工厂参观实习来加深对设备的认识,去观看样机的设计过程和网络上的相应机械设备工作原理视频等来加深对机械设备的认识,这有利于真正弄懂机械设备的工作原理,也能了解设备具体的零件构成和设计,这样就能帮助学生用PROE三维设计软件画出实际的设备图。

(二)系统思维的培养

在面向实践过程中的三维机械设计课程中,主要面对的突出问题是学生没有系统的思维,也不能将之前学的比如机械设计知识融会贯通,只知道一个个小零件、简单零件图的画法,会依葫芦画瓢做一些简单的操作重现,很难独自画出一个比较综合的复杂的机械设备。针对当前学生在学习PROE课程过程中缺乏系统性思维,笔者通过组建项目组的方式来锻炼学生分工协作以及系统思维培养能力,将3-5个学生分成一个小组,让一个小组完成一个具体的机械设备的三维设计,将该机械设备由一个整体拆分为各个零件单元,让学生分别单独完成自已的部分,最后综合各位组员的成果形成一个设备的装配图。

三、教学实例分析

根据前面所提出的改革方案和措施,我们以自动光学检测设备为案例,将具体的设计分析任务进行适当的分解,以小组的形式,对自动光学检测设备系统整体认知和设计流程贯穿到学生的学习过程中,以提高实践能力和系统思维能力。

自动光学检测设备主要应用在电路板生产线上对贴装电子元件的表面进行检测,它是集成光学系统部分、机械结构部分、电气控制部分和软件算法部分于一体的光机电一体化设备,首先对整个设备的系统工作原理进行认识。如图1所示自动光学检测的主要工作流程包括通过图像采集系统获取图像,在获取图像时,对相机的运动进行路径规划以及对电路板的位置进行定位补偿,接着对焊点图像进行定位,特征提取与检测以及缺陷分类。

由于自动光学检测系统是一个综合各方面技术的多学科交叉的复杂系统,我们无法对整个系统所涉及的方方面面进行详细的阐述,在此主要针对图像采集系统的设计、软件算法的工作流程以及机械结构的设计三方面进行展开分析。

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(一)图像采集系统设计

图像采集系统包含了相机镜头光源图像采集卡等部件,图像采集部分的各个零部件的设计流程如下所示。各个零部件的设计都要放在系统总体方案下进行具体分析。

1.图像采集系统总体方案构建及硬件选用。图像采集部分主要包括有光源、相机、镜头、图像采集卡、机械支撑结构等。相机和镜头配备有专门的固定支架,光源在固定架作用下,可以根据需要选择不同型号的光源,光源根据现有常见的缺陷类型,考虑采用半球形三色环形光。

2．光源的选取。光源通过改变对比度,在机器视觉图像中,对比度是图像信号的质量。对比度是两个区域的图像中,如部件和它的背景之间的区别的度量。

3.相机的选取。相机类型主要有一维的线阵扫描相机、二维面阵相机和三维成像技术。大多数机器视觉应用使用面阵相机,虽然一些应用需要特殊的线阵扫描相机的要求。在线阵扫描和面阵照相机的类别内有许多附加选择(例如,单色或彩色)。

4.镜头的选取。主要涉及选择镜头的类型和选择镜头的焦距。镜头的选择过程如下:使用先前确定的视场大小和相机规格所述图像传感器尺寸计算图像放大率,再采用放大倍率和物距,计算出所需要的焦距,与最接近所计算的值接近的焦距选择镜头。

5.图像采集卡。图像采集卡是是一个相机接口的通用术语。图像采集卡的选择将主要出于以下考虑:(1)相机的特点——该图像采集卡必须与摄像机的输出(例如,模拟或兼容数字),相机的数据速率,并相机的定时;(2)电脑硬件——该图像采集卡必须与物理和功能兼容计算机和操作系统;(3)显示功能——需要频繁图像显示更新或需要非破坏性的应用图形叠加将受益于显示硬件集成上的图像采集卡。在应用中的成本更重要,有一个图像采集卡没有集成显示控制器会更可取。

6.图像处理。图像处理是机器视觉系统的核心,它主要对采取到的图像进行处理,能提取图像的感兴趣区域,对目标进行预处理,变换,分割以及识别的目的。

7.选择软件包。当选择一个软件包时,考虑这些特点:(1)功能——软件包必须支持计划要使用的图像处理函数;(3)API(应用程序编程接口)——这是一个库函数,开发人员必须编写软件来创建用户界面和调用想要的图像处理函数;(3)硬件兼容性——软件包必须兼容操作系统和相关的硬件如图像采集卡和相机。它为图像采集卡提供驱动软件并可以用函数控制相机功能。

8.可行性验证。开发机器视觉验证可行性是必须的。如果应用程序和技术与现有的系统相似,如果系统设计可以通过小修改来复制,则不必进行可行性研究。否则,可行性研究是一个绝对有必要作为机器视觉项目的一部分。机器视觉的可行性研究的目标是:(1)验证可接受的图像质量;(2)提供一个测试环境解决图像处理的问题;(3)验证操作和速度是否有问题;(4)提供测试环境来开发设备接口是否有实质性的问题。

9,其他影响因素。通过开始时详细的系统设计,大部分的机器视觉部件已经完成。然而,也有一些其他因素的影响需要处理。这些是:定位、可维护性、校准、零件移动、冲击和振动、冷、热、湿度、空气杂质和电子干扰等。

(二)软件程序的工作流程

如图2所示,在计算机界面找到程序启动图标,进入编辑模式可以开始制作检测程序,然后在编辑界面内,通过图像采集系统及运动传输装置采集到PCB板的图片,并制作出整块电路板的概略图,在概略图上制作MARK点定位,将CAD元件数据导人,就可以在程序内对相应的元件设置检测标准,电路板上的所有元件都设置好后,就可以对整块电路板的元件进行检测。

图2 程序的运行流程

(三)机械结构设计

自动光学检测设备的机械结构设计主要是对整个系统所涉及到的关键机械零部件进行设计,完整的设计过程不仅包含绘制零件三维模型、确定各零件的相应尺寸,还包含有各零件的受力及应力分析与校核。

1.绘制自动光学检测机的机架三维图:机架是整个自动光学检测机构的支撑部分,是连接地面的重要组成部分,虽然结构简单,但却起到了十分重要的作用,是整个自动光学检测机的基础组成部分。

2.绘制平台板三维模型:平台板是和滑杆连接在一起可以运动,用于放置电路板。

3.绘制图像采集部分三维模型:自动光学检测机的图像采集部分相当于整个机器的眼睛,是不可或缺的一部分。

4.绘制横梁三维模型:自动光学检测机的横梁起支撑图像采集部分作用。

5.绘制电动机三维模型:电动机是整个机器的动力装置,是自动光学检测机能够工作的必须零件。

6.绘制丝杠三维模型:丝杠是传递运动的零件。

绘制好上述各零部件后,将上述零件组装成自动光学检测机机构三维模型,用三维设计软件将所绘制的各个零件图组装在一起,就构成了自动光学检测机的三维模型。

四、结语

在三维机械构形设计(PROE)课程教学中,通过教学改革,使学生在学习PROE课程中不再是学习简单的片段的操作知识,而是学习如何从系统思维的角度去设计复杂机械设备,并通过实际参与等方式完成一个真正实际机械产品的设计,这是PROE课程改革的价值所在。在课堂实际教学中实现课程教学和动手实践的有机联合,对培养学生的实际产品设计能力意义深远。