先进制造技术综合性创新实验的开发与实践*＊

乌日开西·艾依提 伊里哈木·阿不都热木 章翔峰

(新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

制造业在中国工业化的进程中扮演了重要角色，未来10～20年，制造业的发展和提升仍将是中国国民经济的重要推动力。人才的培养是实现中国制造业从“中国制造”向“中国创造”转变的关键所在［1］。对于机械工程及自动化专业的大学生，在学习阶段培养其综合实践能力和创新能力，对其今后是否能成为合格的工程师起着重要作用。

在机械类专业的培养计划中专业课程的实验多是为了验证、巩固该课程中的一部分内容，与其他课程缺乏联系。为了加深学生对专业课程间相互关系的认识，提高学生综合运用专业知识的能力，很多院校都根据自身特点开发了综合性的实验［2-4］，建立了综合性实验平台［5-7］，并取得了良好的效果。在新疆大学机械工程及自动化专业的培养计划中，专业课程的实验占了所有实践教学环节30%左右，为了使学生了解主要的专业课程在制造过程中的作用及相互关系，根据新疆大学机械工程学院的课程设置与实验室条件，开发了先进制造技术综合性创新实验，以提高学生综合运用所学专业知识的能力。

1 综合性创新实验的开发背景

《机械设计》、《计算机辅助设计》、《机械制造技术基础》、《数控技术》、《计算机辅助制造技术》、《互换性与公差测量》等专业课程与制造过程密切相关。这些课程都开设有实验、上机等环节，但与其他课程间的联系很少。近些年随着211 建设、西部高校综合能力提升计划等项目的开展，学院购置了一批如三坐标测量仪、六自由度工业机器人等先进设备。这些设备多被用于科研，在本科生培养过程中没有充分发挥作用。为了使学生深入了解各课程间的相互关系及在制造过程中的作用，了解先进设备的特点，针对我院相关实验室的软硬件设备，开发了多个涉及先进制造技术的综合性创新实验，本文中的实验是其中一个集计算机辅助设计技术、计算机辅助制造技术、先进检测技术为一体的综合实验。

2 实验的开发思路

制造是指包括制造企业的产品设计、材料选择、规划、制造的生产、质量保证、管理和营销的一系列有内在联系的活动和运作/作业［8］。制造过程的各部分之间是相互关联、相互作用的，培养计划和专业课程也是根据制造过程的特点制定和开设。根据课程设置和设备情况，确定如下实验思路:

学生利用UG 设计零件，通过工艺分析后进行数控过程仿真，再输出数控加工代码，利用数控机床进行加工，继而用三坐标测量仪对加工的零件进行精度检验。通过这一过程将学过的理论知识综合应用于制造过程，加深学生对制造过程的系统认识，了解先进设备的性能及特点。图1所示为实验流程与所涉及课程间的关系。

整个实验过程细分为:三维建模、加工工艺制定、加工路径仿真、数控加工、精度检测与分析5 个部分，涉及了机械设计、机械制造技术基础、计算机辅助设计、计算机辅助制造、数控技术、互换性与技术测量等6 门机械工程及自动化专业的核心课程。

3 实验过程

综合实验各个部分所用的设备如表1 所示。

表1 综合实验中使用设备

3.1 三维建模

首先根据实验中心的设备情况设定了三维模型的尺寸范围，使之与数控加工中使用的铝合金毛坯的尺寸相同(200 mm ×150 mm ×30 mm)。要求在设计时要从制造过程的角度，充分考虑零件结构工艺性、刀具、工件安装与夹具、工艺规程等方面的具体要求。学生必须考虑毛坯尺寸、夹持高度、毛坯下料误差等因素来设计零件，要避免刀具与夹具干涉，要根据所选刀具的直径设计零件的圆角半径、槽宽等尺寸。

此部分的关键是培养学生面向加工过程的设计能力，更加贴近实际制造过程，对学生的锻炼价值更大。设计的零件由各个分组的学生自己确定，但要求有一定的难度，模型需通过指导教师检查后方能进入下一步，以避免太简单、无太大锻炼价值的模型。

3.2 加工工艺制定

此部主要包括设定刀具参数、切削参数、加工路径等内容。学生需根据《机械制造技术基础》、《计算机辅助制造》等课程中学过的知识，根据零件的特征选择设定刀具的半径，进而确定扫描间距、切削用量、切削扫描方式等参数。在确定扫描方式时，学生要考虑对刀点位置、加工效率、切削方式等因素。在确定完所有参数后输出数控加工工艺文件。

3.3 加工路径仿真

此部分是利用生成的工艺参数对加工过程中刀具的加工路径进行模拟，目的是判断切削加工过程中刀具的对刀点、换刀点等的位置是否合理，刀具运行轨迹是否正确，是否会发生刀具与零件、夹具发生干涉碰撞等。通过仿真过程，学生可以在进行数控加工之前发现一些诸如干涉、空走路径过长等问题，并加以修正后输出数控加工代码。

以上3 部分内容是在三维CAD 软件UG 中完成的，利用了UG 的三维建模与数控加工模块。以前在《计算机辅助制造》课程的上机教学过程中完成这一步就结束了，由于没有实际加工过程，所以学生在设置刀具、切削用量等参数时的随意性很大，在简单的设置一些基本的参数后就开始仿真，看完仿真动画后就结束了，所设置参数的正确与否无法检验。

加工工艺的合理与否与实践经验有很大的关系，而学生在制定工艺方面几乎无任何经验，只能根据对课本知识的理解来制定工艺。在这个部分存在一些工艺不合理的问题会在后续实验过程中逐步显现出来，比较典型的问题有在数控加工环节中出现断刀、表面加工质量差、加工效率低等问题。在这个阶段，指导教师需要在第二、第三两个部分根据加工过程对学生提具体的要求，引导学生合理设置工艺参数，培养学生根据具体零件进行工艺制定的能力。在后续数控加工部分，指导教师还要根据出现的具体问题进行回溯讲解分析。

3.4 数控加工

此部分的目的是学生通过实际加工来对建模与工艺编制过程进行验证。由于不同的数控系统在程序格式、代码意义等方面有一些差别，因此在加工前要根据数控铣床的数控系统对UG 生成的数控程序的代码进行微调。

前面各部分中潜在的问题会在加工过程中集中暴露出来，比较常见的问题有因主轴转速、进给速度设置不当导致的加工表面质量差，刀具快速磨损甚至断刀;路径规划中空走行程过长导致的加工效率低等等。指导教师根据加工过程中出现的问题在现场进行针对性的分析、讲解，强化关键知识点，使学生能够将所学的理论知识与实践进行更好的结合。

3.5 精度检测与分析

此部分利用三坐标测量机对学生加工的零件进行尺寸、形状、位置精度的检测，使学生进一步发现在前几个部分中存在的问题，加深对加工工艺的制定与保证形位公差间关系的认识。实验分组进行，测量时根据各组学生制作的零件特点，对零件关键面的尺寸精度，形状、位置精度进行测量，并将测量数据输出为报表。

此部分的另一个主要功能是培养学生通过检测数据，分析在设计、加工过程中出现的一些影响加工质量的原因的能力。指导教师指导学生对报表中的超差数据进行分析，再将实验过程与课本中的理论知识结合起来，找出造成误差的原因，讨论解决的方法，从而进一步培养学生分析解决工程实践中问题的思维和能力。

例如有个常见的问题，很多学生不考虑安装误差，以为只要将毛坯在铣床工作台的平口钳中夹紧就可以保证毛坯的上表面与铣床工作台面平行了，所以在制定工艺时设定为直接开始轮廓加工，对毛坯的上表面并不加工。有些细心的学生在数控加工过程中会发现在切削过程中的加工余量不均匀，但又不知道原因是什么。针对这个问题，在测量时实验指导老师专门测量了铝毛坯上表面未加工表面和与其平行的已加工表面的平面度和平行度。在测量报告中可以看到二者的平面度一般在0.04 mm 以下，但二者的平行度却普遍在0.5 mm 以上，有些甚至达到1 mm。学生刚开始看到这个数据时百思不得其解，指导教师从设计阶段开始一步一步的引导，让学生分析可能导致平行度误差大的原因，使学生认识这个误差是在安装时产生的，由于毛坯在下料时造成的误差，加之在平口钳中夹紧的过程中没有放平，使铝毛坯的上表面与工作台面不平行，所以导致了这个平行度误差。继而在启发学生如何消除这个误差，让学生知道在编制工艺时程序中先将上表面铣削一层，即可消除这个误差。

4 实验的效果

通过该综合性创新实验使学生进一步认识了制造过程中相关技术间的联系，加深了学生对制造过程中的CAD/CAM 一体化、精密测量技术等先进制造技术的认识。培养了学生的动手能力和综合分析、解决工程问题的能力。通过综合实验使学生能够面向制造过程，考虑各种实际工况来设计零件和制定工艺，通过分析检测数据来发现和解决设计、工艺编制、加工过程中的问题。

发现了在综合实验中所涉及的课程在课堂教学中的一些不足，在综合实验中发现了一些学生没有很好掌握的共性问题，在今后相关课程的课堂教学及实验等方面要进行针对性的解决。图2～5 所示为由一名学生在本综合实验中完成的实例。

5 结语

根据新疆大学机械工程及自动化专业的课程设置及实验设备等情况，针对专业特点开发了先进制造技术综合性创新实验。通过综合实验的开发与教学实践，充分调动了学生的积极性，提高了学生的动手能力，培养了学生在实践中的解决工程问题的能力。

［1］梁玉，汪艺，余捷.明天的制造技术—第三届中德先进制造技术研讨会纪实报道［J］.制造技术与机床，2012(11):51 -53.

［2］马希直，周瑾.机械设计综合实验的实施［J］.实验室研究与探索，2009，28(5):129 -133.

［3］刘炳良，刘月花.机电一体化系统综合实验室的创新构建与实现［J］.信息系统工程，2010(10):129 -131.

［4］潘继生，吴嵩山.机械传动性能综合实验的开发与实验教学探讨［J］.广东工业大学学报:社会科学版，2009(S1):240 -242.

［5］李东民，张建中，宋庆军，等.基于机电一体化系统设计理论的机电液综合实验台开发［J］.机床与液压，2012，40(22):68 -70.

［6］陈渊，蔡敢为，李岩舟，等.开放式多自由度可控机构综合实验台的研制［J］.装备制造技术，2011(9):1 -2.

［7］李永法.电液伺服阀综合实验台的研制［J］.河南科技学院学报，2009，37(2):52 -55.

［8］何涛，杨竞，范云，等.先进制造技术［M］.北京:北京大学出版社，2006.