基于虚拟技术的机床夹具设计实验教学探讨

龙向前　何水龙　鲍家定

【摘要】机床夹具设计是《机械制造装备设计》课程中重要的实验内容。针对传统实验教学存在的不足，本文提出基于虚拟仿真技术的机床夹具设计实验教学方案，期望通过引入新技术，丰富夹具设备库、拓展学生眼界，提升学生学习兴趣，增强学生对机床夹具的综合设计能力，改善教学效果。

【關键词】虚拟技术  夹具设计  实验教学  改革

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）11-0218-01

1.引言

机床夹具是《机械制造装备设计》课程中非常重要的内容之一，它是机床上用于装夹工件（和引导刀具）的一种装置，是确保机床切削加工顺利进行以及质量能够达到要求标准的一项重要装备。在目前柔性制造的背景下，机床夹具快速设计和制造是机械制造装备柔性化的重点内容，让学生学好并掌握机床夹具的柔性化设计至关重要[1]。因此，《机械制造装备设计》课程开设了夹具拆装和组合夹具的设计、组装与调整的实验教学课程，促进学生熟练掌握机床夹具设计相关内容。实验环节是学生将理论应用于实践，同时通过实际操作加深对理论知识的理解和掌握，是一个相互提升的正循环相互促进过程，实验教学的效果将直接影响到学生利用基本理论知识解决实际问题的能力培养。

2.传统实验教学缺点

机床夹具实验课程就是调动学生的思考和动手能力，根据工件工序要求及结构特点，自行设计夹具总装方案，并进行装配及调整，以巩固《机械制造装备设计》课程中所学到的有关机床夹具的基本理论知识。但大多数高校的理论课教师和实验课教师不是同一个人，容易造成理论课教师和实验课教师缺乏沟通，导致理论与实验脱节，理论课不能支撑实验内容，实验课不能验证理论教师讲授的理论知识[2]。而且做实验前，学生很少有机会和时间提前去实验室熟悉夹具设备，实验过程大多都是学生被动的按照实验教师讲授的实验步骤，机械地重复拆装过程，容易把实验训练当成了任务。整个过程学生处于被动状态，实验训练能力单一，缺乏思考、不理解实验的意义和目的，导致理论教学和实验教学不能相互促进，不利于学生创新思维能力和综合能力的培养。同时，机械方面的实验课程设备还存在更新换代较慢，一些学校甚至还使用着上个世纪七八十年代的夹具设备，与实际生产中的先进设备脱节，降低了学生的兴趣，教学效果不佳。

3.虚拟仿真技术

随着计算机技术的高速发展，出现了另一类试验研究的新技术，即虚拟仿真技术。虚拟仿真技术就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术，是虚拟现实技术与学科专业深度融合的产物，将其应用在教学实践的前景和潜力巨大。教育部办公厅印发的《2017年教育信息化工作要点》提出要深化数字教育资源开发与应用，开展虚拟仿真实验共享平台建设。2018年教育部下发了开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知，并公布105个首批国家虚拟仿真实验教学项目[3]。地方各大高校也都跟着时代发展的步伐，建立了虚拟仿真实验室。虚拟仿真实验能为学生提供具有良好沉浸感、获得感和逼真感的虚拟仿真实验环境，激发学生学习兴趣，促进学生多学科、多专业知识点融会贯通的能力[4]。但是其缺点也很明显，虚拟仿真实验室的组建投入大，一个学校的虚拟实验室数量有限，不能满足所有专业的开班需求。同时，国家也没有统编的虚拟仿真实验教程，目前基本以软件供应商提供的设备手册作为实验指导书，操作手册不能完全满足实验教学的需求，学校应根据不同专业的特点，编写贴合教学实践的虚拟仿真实验指导书[5]。因此，完全采用全虚拟仿真技术进行夹具设计实验教学具有一定的局限性。

4.实验改革

鉴于虚拟仿真技术的优点和虚拟仿真实验室的不足，我们择优避缺将部分虚拟仿真技术引入机床夹具实验的过程中，对机床夹具的实验教学进行改革。改革后整个夹具设计实验主要包括虚拟仿真和实际实践两个部分。

（1）虚拟仿真部分

利用3D软件和网络技术构建机床夹具设备的数据库，补充和完善实验室中实体机床夹具的不足，弥补传统实验设备更新慢的缺陷，实现各类机床夹具的全覆盖，扩大学生对机床夹具的认知，扩宽学生的视野，跟上柔性制造步伐。有了完善的夹具数据库，理论教师上机床夹具理论知识部分时也可以轻易的将其通过多媒体展示出来，增加学生的认知度，从而打通理论与实验之间的关系。实验实践过程前学生可以在计算机上对本实验的拆装对象夹具进行主观认知和详细分解，了解各类机床夹具的结构、原理和特点，了解组合夹具的元件种类、结构与功用。通过三维模型熟悉典型夹具结构与分类、组合夹具的特点，加强对六点定位原理的认识，提高分析应用能力。同时也可以按加工要求利用数据库的夹具零部件设计各种夹具总装方案，完成装配和调整，培养学生的综合分析和设计能力。

（2）实验实践部分

实验实践部分是继承实验课程的精髓，它是锻炼学生实际操作的部分，具有提升学生动手能力、思维逻辑能力、创新能力和其它综合性管理能力的作用，是其它教学方式不可替代的。因此，学生在前面虚拟仿真认知的基础上，理清夹具中的基础件、支承件、定位元件、夹紧元件、对刀元件及导向元件和各元件之间的连接及定位关系。基于虚拟技术构思和设计出整个夹具的总体结构方案，并对机床夹具进行拆装、试装、调整、装配和检测，达到培养学生实践能力。

采取“虚”“实”结合的实验教学策略的教学改革实施后，使学生能够将理论课堂中学习到的机床夹具专业知识应用于虚拟实验中，提供实验实践操作前熟悉夹具设备的机会，并通过虚拟分析过程和结果总结出实践经验，然后再将这些实践经验应用于实际操作中，从而达到“虚”“实”结合，提高利用知识的实践能力。

5.结论

将虚拟仿真技术引入到实验教学中，弥补了传统机械类实验教学中设备更新慢、理论和实践课程脱节的缺陷。与时俱进，激发学生学习兴趣、调动学生学习的积极性和主动性，提升学生对新事物的认知、增强学生自主探索精神，改善教学效果。

参考文献：

[1]梅雪峰.机床夹具设计方法探究[J].现代制造技术与装备， 2019（3）：77-78.

[2]万林林，伍俏平，邓朝晖.工程教育专业认证下机械制造装备设计课程改革[J].当代教育理论与实践， 2015（4）： 40-42.

[3]李磊.虚拟仿真实验教学的必要性、存在问题及其可持续发展机制[J].湖北开放职业学院学报， 2019（7）： 151-153.

[4]王颖淑.基于虚拟实验的实验室推动机械专业教学改革研究[J].通讯世界，2019（3）：302-303.

[5]王慧，白红英，马丽.高校虚拟仿真实验室的建设与改革研究[J].中国管理信息化，2019（7）：216-218.