机械装调实训装置开发与设计

摘要：文章通过充分探讨，弥补机械装调实训中系统性机械测量技术的弱项，对各项实训项目进行充分整合，设计制作系统化的跨岗位的机械基础知识验证分析平台，使各专业学生从“机械基础”“互换性与测量技术”“机械零部件测绘实训”等课程的学习中全面进行实践锻炼，进一步提高学生的学习兴趣和学习效果，为后续学习打好基础，最大限度地满足人才培养需求。

关键词：测量研究；实践教学；教具研发

中图法分类号：TG659 文献标识码：A

１ 面临的困难与发展情况

人们经常提起的机械工程检测技术，看似很平常的一个项目，却是机械制造行业中的一个非常重要的核心技术，对于提升产品质量以及实现零部件交换性有着举足轻重的意义。它就是机械制造的“眼睛”，我们必须通过测量技术，才能准确判断产品的工艺是否达到设计要求［１］ 。否则会“失之毫厘，谬以千里”。

高职院校在机械相关专业中，一直比较重视机械测量技术教学，但在其他工科和人文社科专业等，要么没有相关实训，要么简单应付。但是，如果在各专业都进行一定的机械测量技术培训，并按专业相关度进行“分层”实施，将会对各专业学生的后续学习和发展提供一定帮助。其中，机械测量技术涉及体积检测、几何误差测量、表面粗糙度检测、锥度和角检测、螺纹检测和齿轮检测等。

由于测量技术实训需求较大，且涵盖基础训练、素质训练、综合训练、高端訓练、创新训练等不同的阶段要求，因此在不同的院校，学生的实训效果也存在较大区别，主要问题如表１ 所列。

对于高职层次的测量技术教学，相关的研究多数在机械专业的教学设备、教学方法、课程改革上。而对于跨专业综合性的测量技术教学，则基本没有研究［２］ 。本项目研究拟在扩大测量技术课程开课规模，帮助各类专业学生学习与专业相适宜的基本测量技能实践课程。

２ 机械装调实训装置的设计思路

２．１ 测量项目的选取

通过对学生专业分类教学需求的分析，从人文社科、非机械工科、机械专业３ 个层次进行综合考虑。

（１）人文社科类专业以工程认知实践为核心。

测量技术随着制造业的出现和技术演变，一直存在于整个制造业进程中。在职业教育培训中，测量技能应作为一个必须掌握的基本技能。但因为课时限制，且测量技术理论与应用的知识特别多，合理的教学计划设置特别重要，在限定的课程时间内，有些测量方面的知识点可以通过讲座、参观、简单作业或初步的练习来进行掌握或者简单了解。因为不少职业院校对历史人文社科类的专业方面的认识仍停留在固化的理论学习领域，其检测设备较少或者缺乏，而日常生活的研究学习中，各种简单或复杂的检测任务经常存在，使得他们了解测量技术方面的工程实施、测量器材的使用方法等机会相对减少，工科素养差，测量技术基础理论欠乏，基本技能缺失，导致其人文素养如“跛鸭”。

基于此，非常有必要强化人文社科类学生机械测量或者综合检测技能的培养，重点要求他们熟悉新产品概念及研发工作过程，了解一些代表性企业产品生产流程，培养企业环境、安全、产品工艺、产品质量等方面工程素质，要求他们掌握产品实践中比较常用的产品检测设备的主要操作技能和一般读数方式，了解各类量具的基本检测工作原理。以被测工件的几何长度和几何角度为主要检测对象，了解几种常见的测量方法。

该类学生主要以游标式检测设备和螺旋副式检测设备作为主要测量设备，以所测工件的长度和角度为主要检测目标，并重点检测工件的基本参数。

（２）非机械工科学生除要求具有基本工程技术素质，还必须掌握基本加工方法、基本质量保证能力（质量体系、检测检验）等。

要求学生会使用基本检测设备，并熟悉其工作原理。除要求具有基本工程素养，还必须掌握基本制造技术、基本质量保证能力（质量体系、检测检验）、基本项目管理技能、基本施工技能等。因此，将角度、长度、表面粗糙度、形位误差的平行度和垂直度选作测量参数。另外，针对一些无法直接测量的特殊几何参数，要求学生掌握相应间接测量技术的实际应用。

（３）机械类工科学生在进行测量技术实训以前，已经掌握了部分工程技术基本理论，对工程图纸、机械设计、机械加工、质量管理等有一定的了解。所以，需要该类学生拥有科学成套的测量工程技术知识和技能，能够熟练地应用各种基本量具，也能够灵活地应用各种常规、现代的最新测量设备，并根据自己的创意设想，实现从设计到加工、测量的过程操作。

该类学生在校内测量技术实践课中，除常用游标式和微动螺旋副式测量设备，还需要熟悉如粗糙度仪、内径百分表、影像测量设备等仪器的应用方式。

检测对象主要以三维数据关系为主，需要学生针对被测目标的三维特征，独立制定检测方案，并选取正确的检测仪器，从而选择多种不同的测量方法并将其相结合，来完成实践活动［３］ 。

综合三类学生对不同学科的专业学习要求，本研究力求实现从普通了解到专业学习的分层化教学，以及先易后难、智能和自动化并重的测量目标，选取长度、角度、粗糙度、齿轮的公法线长度、直线度误差、垂直度误差、平面度误差等参数为主，进行教学教具的初步设计，并据此改进。

２．２拟采取的测量技术

２．２．１ 激光器测量技术激光技术具有测量范围更广、测量时限更短、精度高、有非接触式的优异特性，特别适用于测量长度、速度、位移、振动等，将它作为检测光源和适当的光电器件，配合完成相关参数的测量。它极大提高了机械测量的量程，以及线性度等参数的测量精确度。

（１）激光测距。

激光测距（长度）的基本原理是：测定激光由被测目标返回的时间（或调制信号的相位），由此得到激光发射器与被测目标间的距离（长度）。

较简便的一种计算方法是，把光速为ｃ 的激光射向被测对象，并测定其来回所花的总时间ｔ，从而得到激光器与被测对象间的距离ｓ，即：

式中，ｔ 为激光发出与接收到返回信息之间的总时间。

可以看出，短脉冲激光测距的精度主要依赖于时间的测量精度。要进一步提高精度，需要激光脉冲频率更高，并且激光接收器件的响应速度要更快。因此，远距离测量激光源常使用输出大功率激光器，而近距离测量激光源主要使用小型半导体激光器。

（２）激光测长。

用不同的激光作为光源测量，其测量距离可以达到几十公里。一般测长范围不超过１０ ｍ，其测量精度可保证在０．１ μｍ 以内。

（３）三维激光扫描。

１） 激光雷达（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ，简称ＬＩＤＡＲ）原理是应用激光测距的原理，测定目标空间位置参数的一类新型测量设备，利用激光逐点跟踪测定激光器到被测目标点间的直线距离，以及相对空间偏移来获得目标点的三维空间定位。据此，通过激光器对物体表面的三维高速、逐点扫描，便可获得物体的完整三维表面模型。而三维激光全息扫描测量技术的主要测量内容即为精确检测目标物体的三维立体构造形态及三维空间立体特征，从而能够重构目标模型，同时能够实现更全面的后期几何结构处理、解析结构特征，如各种基本参数以及结构位移及变化关系，并可以分析各種结构特征等，从而为各种基于三维模型的工程技术应用而服务［４］ 。

传统三维测量技术一般仅用于测量目标的一个或多个不连续定位点的空间位置、定位数据等特征。

仅用于测量各种定位点数据以及相互之间的基本几何尺寸，如长度、间距、位置变化、点的位移等。

２）三维激光扫描技术的数据处理使用三维激光扫描仪在构建复杂实体三维几何模型时，必须收集大量的复杂的点云数据，而根据不同数据类型的应用范围、不同点云数据的特性，数据采集、处理的过程和实现方式也不尽相同。概括地说，三维立体扫描的基础数据处理流程包括数据信息采集、预处理、几何建模重构和模型可视化、模型再应用等，主要是模型重建。

数据采集是模型重构的前提条件，主要涉及传感器的应用；数据预处理为模型重构提供可靠的数据，提高模型重构的精度和速度，降低模型重构的复杂性，包含数据的各种处理等；模型重构阶段包含的内容有三维建模的重构与整形、对特殊信息数据的处理等。在具体应用时，要针对三维激光扫描数据的差异和建模的需求，选择适当的处理方法与手段。

本研究拟采用高速单片机配置高精度激光测距传感器，并采用相位测试法进行长度和距离测试。

２．２．２ ３Ｄ?ＭＥＭＳ 技术

微机电（ＭＥＭＳ） 本质上是一种把微型机械零组件（如传感器等）和电子控制电路整合到同一块半导体上的技术， 利用了芯片的机、电２ 种特性。３Ｄ?ＭＥＭＳ 是把硅片制造为成三维立体的结构，具有极高的精度、微功耗和微尺寸，更易于集成生产。利用该技术的传感器仅由微小硅片就能制成，并且可以检测空间各向加速度。还能够为特殊场合使用时提供理想的机械阻尼。而功率消耗极少，这使得它在采用自带电源驱动时具有更好的优势。

电容式３Ｄ?ＭＥＭＳ 的作用机理是在该传感器芯片中，三维空间方向各向的移动或倾斜会导致活动硅部分的少量位移，从而使得活动器件与静止元件之间的动态电容改变。通过对同一封装上的接口器件的数据处理与变换，将其较微弱的电容波动转换为与运动强度相关的动态模拟电压。而一般模拟量采样的方式主要有２ 种，即压电电阻式与静电电容式，其中静电电容式功耗更低［５］ 。

本研究拟采用高精度电容式ＭＥＭＳ 传感器，并采用电路进行校准和角度测试。

３ 结束语

本研究根据职业院校各专业的特点，分析了各专业对机械测量技术的３ 个层次的不同需求，以及不同职业院校中的相关设备的欠缺、教学活动的不足，阐述了常用的现代机械测量技术原理和方法，以此为基础设置了统一的机械测量技术训练器具和项目，并引入了数字智能测试的概念与方法，与高职实践教学及检测技术实践紧密结合，也可根据需要进行系统化的升级，使各专业学生在学习不同专业的同时，掌握应知应会的工科基础测量技术，对其在专业领域的学习和研究提供更有效的帮助，能够提高学生的学习兴趣，对学生的其他课程学习都能起到一定的帮助作用。

参考文献：

［１］ 段秋亚．高职院校工程测量技术专业课程教学与考核方式探究［Ｊ］．居舍，２０２０（７）：１８０．

［２］ 杨丽艳．检测技术在自动化机械制造系统中的实际运用［Ｊ］．现代国企研究，２０１８（２４）：１５４．

［３］ 卢晓智，陈俊超，高祖宇．检测技术在机械自动化制造系统中的应用［Ｊ］．科学技术创新，２０１８（１０）：１７４?１７５．

［４］ 赵晶晶，王明路．检测技术在自动化机械制造系统中的应用探讨［Ｊ］．中国设备工程，２０１８（５）：８９?９０．

［５］ 裘祖荣，石照耀，李岩．机械制造领域测量技术的发展研究［Ｊ］．机械工程学报，２０１０，４６（１４）：１?１１．

作者简介：龚安顺（１９７５—），本科，副教授，研究方向：智能控制、新能源汽车关键技术。