“制造装备及自动化”课程实践教学尝试*

尹晓珊 ，钟建琳 ，彭宝营 ，王鹏家

（北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192）

0 前言

“制造装备及自动化”是机械设计制造及自动化专业的一门专业基础课，这门课程涉及“机械设计”“机械原理”“工程制图”“机械制造技术基础”等基础知识，内容更加丰富，综合性更强[1]。通过本课程的学习，学生能够了解制造装备的分类、装备设计的评价；了解工业机器人的机械结构、自动生产线的组成；掌握金属切削机床的基本理论、机床夹具设计的基本方法、机械加工生产线总体设计等[2]。目前，很多学校开设的“制造装备及自动化”课程还是以传统教学为主，课程的教学重点还是在理论知识方面，新方法、材料和工艺这三方面基本不涉及，注重传统理论知识的介绍[3]。加上本课程课时较少，但书中的理论知识偏多，教学课时明显不足[4]。教材知识较传统，教学中缺少对国内外相关技术发展的介绍，学生的知识存在缺失，导致在遇到实际问题时可能因没有掌握最新知识而迷茫[5]。另外，教学形式单一，本身课程的理论知识就偏多、知识较抽象，传统的老师讲学生听的模式，会使师生互动减少，课堂枯燥[6]。即使课程分配了6个学时的实践环节，但一般为加工中心主轴误差实验、加工中心几何精度检测、组合夹具拆装实验等验证性实验，验证性实验对学生实际操作能力和创新能力的影响不大[7]。国家提出“中国制造2025”“互联网+”等，要求学校培养的机械类学生不仅要掌握理论知识，还应该是创新型、应用型的人才[8-9]。因此，对本课程的实践教学改革进行尝试。

课题组以金属切削机床设计中并联机床的并联运动原理和应用为例，通过教师给定设计要求，学生分组合作，先用学生之前学过的SolidWorks建立三维模型进行装配，运动仿真路径无误后进行实际装配。本次实践操作不仅能让学生明白并联机床与传统机床的不同，而且还能锻炼学生对所学知识的综合应用能力及动手能力。

1 实践演示平台介绍

1.1 教学内容

机械类的知识，有较强的逻辑性和抽象性，概念内容琐碎枯燥，本课程涉及的要记忆的知识也很多。将理论与工程实践相结合，学生自己去设计、动手操作，通过直观的教学实物模型让学生对抽象知识有具体化的理解，让学生更好地接受知识，喜欢上这一门公共基础课。因此，以课程中提到的并联机床为例，结合三维建模软件SolidWorks和并联机构，从建模、装配、运动仿真到实物装配建立教学演示平台。

1.2 SolidWorks三维建模软件

SolidWorks功能强大，操作便捷，可以满足不同领域人的使用需求，它广泛应用于汽车、机械、航空业等领域。它的优点体现在以下几方面：有中文操作界面，无多余的对话框，保持原来CAD用户从二维到三维设计的作图习惯；零件设计上，使用特征绘图，工具栏中包含常用的拉伸、切除、扫描、旋转、孔、圆角等功能，能较快掌握并且进行特征建模，对于曲面和管道建模更加简单和方便；装配设计方面，可以动态地查看装配体的配合关系，快速测量距离，能直接打开单个零件进行修改，对于复杂的模型能快速进行总体装配，提高效率；运动仿真方面，能直接模拟机械机构的运动，直观看出是否存在零件间的干涉，为实际应用节约了时间和金钱；其特征模板为标准件和标准特征，用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，零件保存格式多样，并且能打开不同格式的零件，方便进行资源共享；它提供了生成完整的详细工程图的工具，而且工程图是相关联的，当人们修改图纸尺寸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新；此外，还有标准零件库，里面包含丰富的标准件、高级渲染功能，可选择零件的材料和外观颜色，能够使三维模型更加逼真。

1.3 并联机床

传统机床是由床身、立柱、主轴箱、刀架、工作台等部件串联而成非对称的布局形式，因此称为串联机床，这种机床布局作业范围大，灵活性好。随着机械行业的发展，机床面临进一步高速化、高精度化的挑战，随着国家对制造业的重视与投入，机床设计中开始应用并联运动原理。最早问世的是20世纪90年代美国公司生产的“VARIAX”虚拟轴机床。它是一种六个运动并联的设计，设计的原则是让轻者运动，重者不动或者少动[10]。传统机床与并联机床的对比如图1所示。

图1 传统机床与并联运动机床对比图

并联机床和传统机床有很大的差异，它的上下平面取代传统机床的床身和立柱，上平面可以带动主轴和刀具运动，下平面固定不动，可以固定加工零件；上下平面之间由几根可以自由收缩的杆件相连，杆件和上下平面之间可以采用球铰连接；杆件的运动可以由伺服电机和滚珠丝杠驱动，带动上平面进行运动，达到加工工件的目的。传统机床一般为X、Y、Z三个进给运动的机床，而并联机床中存在等效运动，因此并联机床又称虚拟轴机床，它具有很多优异的性能，但确定具体的运动位置比较复杂。根据自由度的不同，可以分为三自由度并联机构和六自由度并联机构，它们都去掉床身、立柱等质量重的零部件，因此机构速度高、质量小、精度高、各分支运动误差不累积，但工作空间小，尤其是回转运动范围小，并且杆件间容易干涉，运动算法复杂。并联机床的运动原理和并联机构的运动原理相同，因此课题组选择典型六自由度并联机构为实践对象。

2 实践教学环节设计

2.1 分组合作

课程内容重点讲述了传统金属切削机床的设计、机床夹具和自动化装配线的设计。本次实践环节的并联机床，与传统机床设计原理有所不同，其中涉及的知识比较多，因此让学生们分小组合作进行。老师给定六自由度并联机构相关参数，小组成员自行分配任务，这样不仅能让每一个学生都参与其中，也有助于促进学生之间的互助和沟通。

2.2 SolidWorks三维建模及装配

需要学生们查阅相关文献，按照老师所给的参数设计并联机构的三维零件模型。并联机构由上下平台、电动缸、球铰等相连接而成，因此先使用SolidWorks建立各个零件的三维模型，首先是上下平面模型的建立，需要确定平面的直径和拉伸的厚度；其次是电动缸零件的三维模型，它的作用是提供动力，带动杆件进行来回收缩，使其具有不同的运动空间姿态，因内部结构复杂，本示例只保证外观尺寸准确和外形一致；最后是球铰，它连接平面和杆件，一般球铰能够360°旋转，但在本次示例中，因6个杆同时进行运动，空间范围有限，很容易造成位置干涉，因此限制球铰的运动范围是±15°，完成这项操作需要用到SolidWorks的高级约束。为了让零件更加真实和美观，对零件进行倒圆角处理，添加对应材料和外观颜色，必要时可以进行SolidWorks渲染。

创建一个装配体，按照所给定的位置关系进行装配。正确使用点、线、面之间的配合要求，如重合、同轴心、相切、垂直等，考虑各零部件之间的定位关系，装配过程中，首先要确定好基准面，固定六个自由度保持下平面不动，然后参照实物图，如图2所示，从下往上依次装配。在装配过程中，有两个问题需要注意：一是当上下平面平行时，杆一定是处在中点位置，此时各杆的伸长量是一致的，该杆的长度是使用Matlab软件进行运动学位置反解得到的，本次装配参数已给；二是上球铰、运动缸中杆和下球铰的中心处在同一条直线上。最终完成的六自由度并联机构三维装配体如图3所示。

图2 六自由度并联机构实物图

图3 六自由度并联机构三维装配图

相对来说，学生对三维建模的兴趣浓厚，因此，三维建模和装配环节有助于提高学生的思维创新能力，激发学生学习兴趣。

2.3 动手实践与总结

每一个小组完成虚拟装配和运动仿真，老师检查运动仿真无误后，可以进行实际装配。在实际装配过程中，学生会注意思考装配的原则、定位方式和顺序。当小组成员完成装配后，老师进行小组指导，根据实际情况给出相应建议。课程结束后，让学生们以小组为单位上交实践报告，报告内容应包括并联运动机床的原理、零件建模和装配的主要步骤、实际装配中遇到的问题和解决方法，以及每一个成员的总结与感想。

通过本课程实践活动，将所学的理论知识应用到工程中，在实际装配中能发现问题并且解决问题，不但增强了学生们相互合作的精神，而且让学生们都有机会参与其中，为以后进入社会、走向工作岗位奠定了基础。

3 结论

1）教师课上讲授新的理论知识，学生课下自己练习操作，有助于学生更好地掌握新知识，实践后发现问题能与同学一起讨论，或与老师交流反馈，师生互动增加，学生学习的主动性增强，教学效果更好。

2）有助于培养机械类学生工程素养。工科学生不仅要具备丰富理论知识，还要有一定的动手和解决实际问题的能力，理论学习和动手实践缺一不可。

3）本次实践，学生通过并联机床的原理学习、零部件的选型及设计、三维建模、虚拟装配、运动仿真、实际装配等一系列过程，不仅掌握了本课程涉及的新知识、提高了装备设计能力，还增强了学习兴趣。