智能加工技術(shù)在本科教學(xué)中的思考與實(shí)踐

劉宇+王遷

摘 要 傳統(tǒng)加工中只考慮數(shù)控機(jī)床或加工過程本身，缺乏對(duì)加工過程中數(shù)控機(jī)床和加工過程的交互作用的綜合理解。針對(duì)于對(duì)本科生對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控加工比較熟悉而缺乏對(duì)智能加工技術(shù)的系統(tǒng)理解，設(shè)計(jì)了一套智能加工試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大學(xué)生對(duì)智能加工技術(shù)理論與實(shí)踐的結(jié)合，并能提高對(duì)先進(jìn)傳感器技術(shù)以及信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞 智能加工技術(shù) 信號(hào)檢測(cè) 教學(xué)改革 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.12.054

The Thinking and Practice of the Intelligent Processing

Technology in the Undergraduate Teaching

LIU Yu， WANG Qian

（School of Mechanical Engineering and Automation， Northeastern University， Shenyang 110819）

Abstract The traditional processing only considers the numerical control machine tool or the process itself， however， it always lack the comprehensive understanding of the interactive influences between the numerical control machine tool and the processing process. It is important to design a set of intelligent processing experiment system for the undergraduate students that are more familiar with the traditional CNC machining and lack of understanding to the intelligent processing technology system. After that， it can improve the understanding of advanced sensor technology and signal detection and signal processing technology.

Key words Intelligent processing technology； signal detection； teaching reform； teaching practice

0 引言

智能加工技術(shù)是在傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合先進(jìn)的傳感器技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)等對(duì)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和過程反饋，對(duì)加工過程參數(shù)進(jìn)行評(píng)估和調(diào)整，從而達(dá)到既滿足經(jīng)濟(jì)性又不破壞零件表面質(zhì)量的目的。智能加工技術(shù)作為一種優(yōu)越的加工技術(shù)現(xiàn)已得到越來(lái)越多的關(guān)注和使用，因此在實(shí)際教學(xué)中引入其介紹是有一定必要的。另外，智能加工技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的課程，尤其涉及測(cè)試技術(shù)、控制理論、信息論、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等多種學(xué)科。該課程不僅知識(shí)點(diǎn)多，牽涉面廣，而且一味只是在課堂上采取傳統(tǒng)的口頭授課方式不能使學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握智能加工的理論知識(shí)以及實(shí)際動(dòng)手操作分析和解決問題的能力。但是由于智能加工中所使用的傳感器，信號(hào)采集和測(cè)試等硬件系統(tǒng)的價(jià)格昂貴，大學(xué)生很少有機(jī)會(huì)接觸這些設(shè)備，使得對(duì)于智能加工的了解只停留在理論層面上。因此我校機(jī)械電子工程研究所在學(xué)校的支持下建立了智能加工教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，從理論和實(shí)踐角度全方位培養(yǎng)同學(xué)們對(duì)智能加工的了解，為社會(huì)培養(yǎng)全面熟練掌握智能加工技術(shù)的實(shí)用型技能人才。

1 智能加工傳統(tǒng)方法

智能加工的典型方法是利用各種先進(jìn)的傳感器采集加工過程中的信號(hào)，再利用信號(hào)檢測(cè)和故障識(shí)別技術(shù)，對(duì)加工過程中的振動(dòng)、切削溫度、刀具磨損以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)預(yù)先建立的系統(tǒng)控制模型，實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大多采用的傳感設(shè)備有加速度傳感器、位置傳感器、傳聲器等，加速度傳感器是最常使用的傳感器，它直接檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度信號(hào)。常用的位置傳感器有電渦流位置傳感器和激光測(cè)振儀。電渦流傳感器相對(duì)于金屬而言是可用的，而激光測(cè)振儀是比較昂貴的設(shè)備。噪聲傳感器在進(jìn)行機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)時(shí)使用比較多。不同傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)不同，但都能反映振動(dòng)的特性，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)特征選擇傳感器類型。在選擇傳感器時(shí)同時(shí)也應(yīng)考慮量程、分辨率、頻率響應(yīng)范圍等性能參數(shù)。

傳感器作為采集信號(hào)的首要環(huán)節(jié)，信號(hào)采集設(shè)備則是溝通傳感器和計(jì)算機(jī)軟件設(shè)備的橋梁，利用信號(hào)采集設(shè)備將傳感器信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)在進(jìn)行分析處理。信號(hào)采集系統(tǒng)應(yīng)具有大動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率、多通道、同步采集的特點(diǎn)。目前世界上先進(jìn)的信號(hào)采集設(shè)備有丹麥B&K公司的BK3560B、以及美國(guó)NI公司的各類信號(hào)采集卡如NI9234數(shù)據(jù)采集卡、NI6009數(shù)據(jù)采集卡等。

2 智能加工技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)

2.1 系統(tǒng)組成

在本科生教學(xué)過程中為了能夠更全面地介紹智能加工技術(shù)，除了課堂上教師講授的理論知識(shí)外，更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實(shí)際中的應(yīng)用。因此，在介紹時(shí)應(yīng)從硬件和軟件兩條主線出發(fā)，向?qū)W生全面系統(tǒng)介紹智能加工技術(shù)的組成、使用以及原理。為了使本科生能更好地掌握智能加工技術(shù)，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具有可實(shí)現(xiàn)性、可操作性和實(shí)用性的特點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生更快地掌握先進(jìn)的傳感技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)和故障診斷技術(shù)。

為了適合本科生教學(xué)，進(jìn)行了智能加工技術(shù)方面的教學(xué)研究，開發(fā)了一個(gè)試驗(yàn)裝置，其組成結(jié)構(gòu)包括硬件組成和軟件組成。其中硬件組成包括美國(guó)NI公司的9234數(shù)據(jù)采集卡、美國(guó)PCB公司的單向加速度傳感器352C04、計(jì)算機(jī)一臺(tái)以及小型微銑床一臺(tái)（系統(tǒng)中硬件設(shè)備的具體參數(shù)如表1），能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的信號(hào)采集。系統(tǒng)的軟件部分是利用Labview圖像化編程軟件編制的振動(dòng)信號(hào)狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件。該套軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，設(shè)置采樣頻率、采樣時(shí)間和采集通道等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集到振動(dòng)信號(hào)并利用小波分析的信號(hào)分析方法從振動(dòng)信號(hào)提取小波模極大值作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)值，通過預(yù)先設(shè)定的閾值識(shí)別設(shè)備狀態(tài)，一旦檢測(cè)到設(shè)備出現(xiàn)故障立即向機(jī)床控制程序發(fā)出指令調(diào)整加工參數(shù)，避免設(shè)備發(fā)生故障，另外軟件中也包括一些關(guān)于信號(hào)的時(shí)域、頻域和時(shí)頻域分析方法，這樣使學(xué)生能掌握多種信號(hào)分析手段（系統(tǒng)組成如圖1所示）。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)在教學(xué)中的作用

為了使試驗(yàn)臺(tái)在教學(xué)中更好發(fā)揮作用，教師應(yīng)當(dāng)首先安排課程進(jìn)行理論知識(shí)講解，包括傳感器的特性和使用方法、信號(hào)采集的基礎(chǔ)知識(shí)、信號(hào)采集設(shè)備的使用和一些常用的信號(hào)分析方法。使學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手前先對(duì)硬件設(shè)備的使用有一定的了解，不至于在使用時(shí)由于理論知識(shí)不足而造成傳感設(shè)備和采集設(shè)備的誤用或損壞。理論知識(shí)講解結(jié)束后教師可安排實(shí)際操作課程，向同學(xué)介紹試驗(yàn)系統(tǒng)和講解軟件系統(tǒng)的使用。這樣通過前期的準(zhǔn)備和后期的實(shí)際應(yīng)用使教師能夠更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也使學(xué)生更能放心大膽地使用試驗(yàn)設(shè)備。

圖1 教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成

在實(shí)際操作的過程中，教師首先應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难菔?，手把手的向?qū)W生教授傳感器和信號(hào)采集卡的使用，在軟件部分教師應(yīng)先講授采樣頻率、采樣點(diǎn)和采集通道的設(shè)置，另外教師也應(yīng)講授關(guān)于信號(hào)的時(shí)域和頻域和時(shí)頻域分析方法，這樣能使學(xué)生在實(shí)踐中掌握這些先進(jìn)的信號(hào)分析方法并學(xué)習(xí)到這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合和使用條件等。另外，在教學(xué)中試驗(yàn)中微銑床可能不會(huì)像工廠中實(shí)際加工信號(hào)那樣復(fù)雜和具有真實(shí)性，這樣對(duì)于各種信號(hào)分析手段理解不夠透徹，所以在實(shí)際操作中如果檢測(cè)不到設(shè)備故障可以利用系統(tǒng)軟件仿真故障信號(hào)在對(duì)其進(jìn)行分析，使學(xué)生不僅能夠掌握傳感技術(shù)和信號(hào)采集技術(shù)也能夠?qū)Ω鞣N信號(hào)分析方法有更直觀的了解，在以后的學(xué)習(xí)中也能印象深刻，并且學(xué)以致用。

在上課過程中不僅要教會(huì)學(xué)生正確的操作，更要讓學(xué)生放心大膽地去嘗試錯(cuò)誤的操作，這樣才能對(duì)正確的操作有更深的印象。

3 智能加工技術(shù)本科生教學(xué)實(shí)踐的思考

3.1 試驗(yàn)臺(tái)的主要特點(diǎn)

針對(duì)本科生教學(xué)中對(duì)智能加工只停留在理論層面而不注重實(shí)際操作而提出的試驗(yàn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）易操作性：試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由傳感器、信號(hào)采集設(shè)備和軟件系統(tǒng)所組成，只要具備一定的信號(hào)采集基礎(chǔ)知識(shí)和電腦操作能力便能使用試驗(yàn)設(shè)備。（2）實(shí)用性：試驗(yàn)設(shè)備包括硬件部分和軟件部分，在設(shè)計(jì)階段就考慮了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和適用能力，通過對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)踐操作使學(xué)生能夠?qū)π盘?hào)采集和分析方法有更深的了解，這些知識(shí)無(wú)論是在以后其他的課程學(xué)習(xí)或是以后工作過程中都有很大幫助。（3）可實(shí)現(xiàn)性：試驗(yàn)設(shè)備選用的硬件設(shè)備如傳感器和數(shù)據(jù)采集卡易于購(gòu)置、性能優(yōu)良，軟件是利用Labview軟件編寫，它是一種圖形化的編程語(yǔ)言，操作界面簡(jiǎn)單，程序可讀性好，功能易于實(shí)現(xiàn)。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)存在的不足

試驗(yàn)設(shè)備盡管能使學(xué)生對(duì)智能加工有更深的了解，但是終究與工廠中使用的智能加工技術(shù)有一定差別。一方面，該試驗(yàn)設(shè)備只是使用一個(gè)單向加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，并沒有使用現(xiàn)在比較流行的多重傳感器采集技術(shù)，使學(xué)生只能掌握一種傳感器的使用方法和特性不能掌握多種傳感器，另外，單一的傳感信號(hào)分析比較片面而不是很全面。另一方面，由于使用的傳感器和數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格比較昂貴，不能夠使學(xué)生一人擁有一套試驗(yàn)設(shè)備，只能通過分組的方式進(jìn)行教學(xué)，每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間會(huì)縮短，這樣可能使學(xué)生對(duì)一些知識(shí)學(xué)習(xí)得不夠透徹。

3.3 下一步要進(jìn)行的工作

基于以上存在的問題，可以做針對(duì)性的解決方案。教師在向?qū)W生授課之前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)，一些教師不能完全系統(tǒng)的掌握這些信號(hào)采集和分析方法，所學(xué)的知識(shí)可能與企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。因此，為了更好地向本科生介紹智能加工技術(shù)，學(xué)校應(yīng)鼓勵(lì)教師們?nèi)スS中參觀學(xué)習(xí)，深入了解企業(yè)實(shí)際需求以及智能加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以實(shí)際行動(dòng)不斷優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件部分的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行本科教學(xué)，這樣能將企業(yè)中的第一手需求和應(yīng)用帶給學(xué)生，從而為社會(huì)培養(yǎng)具備先進(jìn)智能技術(shù)的專業(yè)技術(shù)人才。在本科生教學(xué)中，相對(duì)于建立更全面系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否學(xué)到教師教授的知識(shí)，建立單傳感器系統(tǒng)，簡(jiǎn)單直接，所學(xué)即所用。另外在教學(xué)中使用分組教學(xué)的方式盡管縮短學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間，但是教師可以讓學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，做到心中有數(shù)。

另外，實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)制定一套具體的試驗(yàn)設(shè)備使用方法說明書，這樣使學(xué)生從說明書和教師教授兩方面掌握正確使用試驗(yàn)設(shè)備的方法，避免由于使用不當(dāng)造成設(shè)備的損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能加工技術(shù)試驗(yàn)設(shè)備是順應(yīng)當(dāng)前企業(yè)工廠加工使用方法對(duì)本科教育提出的課程改革，以提高學(xué)生對(duì)智能加工技術(shù)的了解而建立起來(lái)的，使學(xué)生在具體操作中掌握先進(jìn)的傳感技術(shù)、信號(hào)采集和分析、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障識(shí)別技術(shù)，讓學(xué)生對(duì)智能加工的理解具體而生動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)“教“與”學(xué)“的最佳組合。教學(xué)過程中更強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，在教師的指導(dǎo)下結(jié)合以往學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，利用試驗(yàn)系統(tǒng)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，成為掌握先進(jìn)智能加工技術(shù)的專業(yè)型人才。

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