基于仿真技術(shù)的三坐標測量工程訓練

孟振華 李華偉 許巖東 袁方方

摘要：為了解決制約三坐標測量訓練教學中存在的問題，設(shè)計了一種基于仿真技術(shù)的“理實結(jié)合”三坐標測量訓練教學方法。教學實踐表明，該教學方法以工藝理論為基礎(chǔ)，借助虛擬仿真實驗技術(shù)顯著提高了三坐標測量訓練教學質(zhì)量。同時，該方法還有效利用了場地和設(shè)備等實驗資源。

關(guān)鍵詞：三坐標測量；工程訓練；虛擬仿真；擬合算法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）09-0195-03

三坐標測量機作為一種自動化、智能化檢測設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機械制造、電子、航空航天、國防等眾多領(lǐng)域。各用人單位對于具備三坐標測量操作技能人員的需求也在日益增加，將三坐標測量訓練納入工程訓練教學體系對培養(yǎng)學生面向現(xiàn)代制造的綜合能力意義重大。然而，三坐標測量訓練由于設(shè)備成本高、精密易損等原因始終難以在工程訓練課程中規(guī)模化開展。本文立足工程師培養(yǎng)，通過深入分析三坐標測量訓練中存在的問題以及成因，提出一種基于虛擬仿真技術(shù)的“理實結(jié)合”三坐標測量訓練，并應(yīng)用于工程實踐課程教學。

一、現(xiàn)狀分析

三坐標測量訓練是現(xiàn)代工程訓練課程體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，各高校也開始對于三坐標測量訓練課程建設(shè)進行探索。西安科技大學的杜媛英、尚長春等通過多層次三坐標測量訓練項目豐富了三坐標測量訓練內(nèi)容，滿足不同能力水平學生的學習需求；南通大學的張竹青、趙南生等結(jié)合數(shù)控實訓提出了項目式教學，提高了學生學習的積極性和主動性。煙臺大學于2013年購置了一臺海克斯康explorer 06.08.06三坐標測量機，并針對各類科技競賽以及實驗室開放項目設(shè)計了相關(guān)的三坐標測量實驗科目，并取得了預期成效。然而，三坐標測量卻難以作為一個工程訓練項目融入工程訓練教學體系。

煙臺大學工程訓練教學組織模式為：“并行分組，串行循環(huán)”，將200名學生分成多個小組，每個小組依序完成各工種的訓練任務(wù)。根據(jù)“木桶效應(yīng)”，接納人數(shù)最少的工種決定了每個工種的分組人數(shù)。相比于其他訓練工種，三坐標測量訓練無論是設(shè)備購置成本還是訓練室配套設(shè)施投入都相對較高。三坐標測量機多數(shù)部件精密易損，對于操作技能和操作熟練程度要求較高。因此，現(xiàn)階段建設(shè)一座擁有10臺以上三坐標測量機，同時接納25人以上的三坐標測量訓練室難度較大。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前多數(shù)高校只購置了1臺三坐標測量機，且多應(yīng)用于科研與學科競賽等人數(shù)少、學時長、層次高的活動。工程實踐課程作為工程訓練教學體系的第二層次，其教學重點為工藝技能訓練，這就要求在教學過程中既要保證每名學生都能操作設(shè)備，又要滿足每名學生訓練學時量的要求。單靠一臺設(shè)備只能是“一人操作、眾人圍觀”，顯然無法滿足工程實踐課程的訓練要求。

二、教學改革

針對上述問題，煙臺大學于2016年實施三坐標測量訓練教學研究改革，基于虛擬仿真技術(shù)建設(shè)“理實結(jié)合”的三坐標測量訓練教學平臺，旨在從理論知識和工藝技能兩方面提升三坐標測量訓練教學質(zhì)量。

理論知識方面補充測點擬合算法作為三坐標測量工藝的理論基礎(chǔ)。常見的測點擬合算法有最小二乘法、拉格朗日插值法、牛頓迭代法等。鑒于學生的理論課程學習程度，最小二乘法算法只涉及高等數(shù)學求導運算和線性代數(shù)矩陣計算等基礎(chǔ)知識，其原理易于理解，適合作為三坐標測量訓練的理論教學內(nèi)容。學生通過最小二乘法學習可以從理論層面理解各種幾何要素的生成過程以及測點策略，為后續(xù)實踐操作夯實了基礎(chǔ)。

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于工程訓練可以有效節(jié)約設(shè)備的購置成本，通過仿真操作環(huán)境達到訓練學生操作能力的目的。選擇虛擬仿真儀器需要把握好“虛”與“實”的結(jié)合程度，“虛”是手段，“實”是目的。如果“虛”的成分過多會導致訓練環(huán)境脫離工程實際，如“全虛擬”三坐標測量機，其XYZ方向操作手柄也由鼠標點擊完成，這種虛擬儀器與真機在操作方式上差距較大，不利于操作技能訓練，而“實”的成分過多又會大幅增加設(shè)備購置成本，制約訓練規(guī)模。綜合考慮上述原因，本項目采用泰西測量的三坐標仿真測量系統(tǒng)，由虛擬測量軟件以及實體操作手柄組成，測量軟件基于RationalDMIS離線測量功能開發(fā)。仿真三坐標測量訓練室以計算機房為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了一人一機的訓練條件，并使計算機房成為兼顧CAD/CAM訓練和仿真三坐標測量訓練的多功能訓練場地，提升了訓練場地和實驗設(shè)備的使用率。

三、教學組織

三坐標測量訓練共安排16學時，分為測量原理和工藝訓練兩個環(huán)節(jié)。

第三階段要求學生根據(jù)自己的小組編號，運用線性最小二乘法，按照表2對應(yīng)序號行的數(shù)據(jù)計算出平面直線方程?？紤]到手工計算4階以上逆矩陣比較煩瑣，故將已知測點數(shù)控制為3點。熟悉Matlab等計算軟件的學生也可以編程計算。本階段教學重點在于讓學生通過動手計算感受測量軟件實施評價的過程。

2.工藝訓練。工藝訓練12學時。第一階段為真機演示教學，教師操作三坐標測量機（真機）進行測頭校驗、新建坐標系、尺寸誤差以及形位誤差評價的手動和自動測量。虛擬仿真儀器無法完全替代真機教學，如果學生在完全沒有進行過真機演示教學的情況下直接進行虛擬儀器的操作，會導致許多不良操作習慣的產(chǎn)生，比如對于實際工況下的干涉、碰撞等問題不能引起足夠的重視，甚至為了簡化操作直接貫穿被測工件，等等。真機教學的重點為測量操作的規(guī)范性，包括手控盒（操作手柄）的使用規(guī)程、手工測量觸測距離的把握、安全平面設(shè)置以及編程測量過程中防碰撞路徑點設(shè)置等，從學習初始培養(yǎng)正確的操作態(tài)度和操作習慣。

第二階段教師通過仿真三坐標測量機演示尺寸及形位公差測量。本階段教學重點為測量操作技能的掌握以及通過實踐固化對測量原理的理解。以平面測量為例，學生可以通過仿真測量機的可視化操作界面實時觀察。測點數(shù)不足3個的時候，無法構(gòu)成平面，也沒有平面度誤差數(shù)據(jù)；測點數(shù)為3個時，可以構(gòu)成平面，但由于3點確定唯一平面，3個測點必然都在所構(gòu)成的理想平面上，也沒有平面度誤差數(shù)據(jù)；而測點數(shù)大于3個的時候，平面是由測點擬合而成，測點分布在理想擬合平面的兩側(cè)，此時可以觀察到平面度的誤差數(shù)據(jù)。在垂直度測量教學中，通過被測工件在仿真測量機上的裝夾情況可以發(fā)現(xiàn)：雖然底面是一個大平面，但是在測量裝夾過程中成為與工裝的結(jié)合面而無法測量。通過三坐標測量訓練還能習得設(shè)計基準選取方面的知識，有助于學生將《畫法幾何與機械制圖》以及《互換性與技術(shù)測量》課程中的抽象知識形象化。當學生完成理論學習和平面度、垂直度測量訓練之后，能夠?qū)θ鴺藴y量工藝有個基本理解。此時，教師引導學生自學其他形位誤差的測量方法，并通過“學生演示操作+教師點評講解”的方式完成其余測量科目的學習，調(diào)動學生的學習主動性，在提升制造工藝能力和加工操作能力的同時，鍛煉運用理論知識解決實際工程問題的能力。

第三階段要求學生通過訓練熟練掌握測量工藝并通過考核。在考核中，測量報告的完成度占60%，操作規(guī)范性占40%。

四、總結(jié)

改革后的三坐標測量訓練在教學內(nèi)容上補充了測點擬合算法，從理論層面解決了學生對于工藝不理解的問題。在辯證分析工程訓練教學中“虛”與“實”關(guān)系的基礎(chǔ)上，確定了“真機+虛擬仿真機”的教學方案以及虛擬仿真機的系統(tǒng)組成方案，在擬實訓練的前提下確保了“一人一機”的訓練條件，解決了以往訓練設(shè)備數(shù)量不足的問題，同時增加了訓練科目數(shù)量，提升了訓練質(zhì)量和效率。此外，三坐標測量訓練通過使用虛擬仿真儀器節(jié)省了大量設(shè)備購置以及訓練室的建設(shè)成本，提升了訓練場地、設(shè)備的利用率。本項目的實施是對工程訓練課程體系建設(shè)、虛擬仿真實驗室建設(shè)、精密貴重儀器設(shè)備高效使用以及實驗資源優(yōu)化利用方面的一次積極實踐。

參考文獻：

[1]張竹青，趙南生，郭東軍，等.基于三坐標測量機的項目化教學設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用，2018，（01）.

[2]鐘全雄.基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的工程訓練教學平臺建設(shè)[J].教育現(xiàn)代化，2017，（41）.