便攜式直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制與教學(xué)應(yīng)用

呂唯唯，李忠新，宮 琳，夏新峰

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院 地面機(jī)動(dòng)裝備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，北京 100081）

高校新工科背景建設(shè)下，培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力是高校本科生人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)，各高校為保障和改善基本教學(xué)條件，持續(xù)統(tǒng)籌實(shí)驗(yàn)室投資建設(shè)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件健康、快速發(fā)展，積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)裝置改制或研制的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，這對(duì)更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提升實(shí)驗(yàn)教師專(zhuān)業(yè)水平等方面都有積極的作用[1-8]。我校從2015 年以來(lái)每年都設(shè)立實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目基金，用于支持本科教學(xué)活動(dòng)中實(shí)驗(yàn)儀器開(kāi)發(fā)或改制、實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室管理等，2018 年本實(shí)驗(yàn)室充分結(jié)合“幾何規(guī)范學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)的需求和教學(xué)特點(diǎn)，研制了一種便攜式直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)效果良好。

1 技術(shù)背景

直線度誤差測(cè)量是幾何計(jì)量領(lǐng)域中的一個(gè)基本測(cè)量項(xiàng)目，是平面度、平行度、垂直度、同軸度等測(cè)量項(xiàng)目的基礎(chǔ)，也是機(jī)械制造業(yè)中的一個(gè)非常重要的內(nèi)容。在大型機(jī)械制造如工業(yè)鍋爐集箱制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)集箱、排管接頭高度差等都有嚴(yán)格的直線度要求，直線度對(duì)產(chǎn)品零部件的性能具有決定性的影響[9-13]。直線度誤差和尺寸精度、圓度、粗糙度被稱(chēng)為影響產(chǎn)品質(zhì)量的四大因素。

在教學(xué)活動(dòng)中存在以下問(wèn)題：①市場(chǎng)上的直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體積笨重，占地面積大（見(jiàn)圖1），實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中人為操作引起的誤差較大，測(cè)量效率較低；②現(xiàn)有直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試方法與工程實(shí)際應(yīng)用的差異性較大，例如現(xiàn)在機(jī)床導(dǎo)軌校準(zhǔn)很少再使用傳統(tǒng)的直角反光鏡來(lái)對(duì)準(zhǔn)調(diào)直；③實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，側(cè)重于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通常只能讓學(xué)生完成固定工件的直線度測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較高，難以滿(mǎn)足學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手需求，偏離實(shí)踐能力培養(yǎng)的初衷。因此，本文研制了一種結(jié)構(gòu)輕便、實(shí)踐內(nèi)容可拓展的直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用以滿(mǎn)足教學(xué)工作中的實(shí)際需求。

圖1 傳統(tǒng)直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)包含測(cè)量導(dǎo)軌、平面基座、反射鏡支架、光學(xué)反射鏡及支架快裝連接裝置，如圖2 所示。平面基座由大理石制成，尺寸為500 mm×150 mm× 80 mm，體積小巧，基座中間位置設(shè)計(jì)有直線槽和定位孔，直線度測(cè)量的滑軌被安置在直線槽中，通過(guò)垂直方向的定位螺釘固定安裝在平面基座上。反射鏡及鏡架通過(guò)支架快裝連接裝置安裝在滑軌上，可以在滑軌上沿著軌道直線移動(dòng)，導(dǎo)軌上有刻度尺，移動(dòng)精度為1 mm，可以精準(zhǔn)控制每一段測(cè)量距離。直線度測(cè)量過(guò)程中，將光學(xué)準(zhǔn)直儀放在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一端，通過(guò)移動(dòng)直線導(dǎo)軌上的調(diào)節(jié)反射鏡架來(lái)調(diào)整目鏡內(nèi)的十字光標(biāo)位置，對(duì)準(zhǔn)光標(biāo)后即可開(kāi)始測(cè)量該導(dǎo)軌的直線度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)定位螺釘?shù)奈恢脕?lái)靈活調(diào)整導(dǎo)軌的直線度。

圖2 便攜式直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

便攜式直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體結(jié)構(gòu)具有可重配置、找像快速等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）機(jī)械本體的關(guān)鍵部分如直線導(dǎo)軌、滑塊、快換裝置、轉(zhuǎn)接板、鏡架均可靈活拆卸與安裝，大部分部件可以采用市面上成熟的產(chǎn)品，定制成本不高，具備一定的可重配置性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以讓學(xué)生自己動(dòng)手組裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)習(xí)如何調(diào)整安裝精度，掌握常見(jiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和工程應(yīng)用。

（2）找像方式便捷高效。傳統(tǒng)直線度測(cè)量過(guò)程中在找像過(guò)程中使基座始終緊靠反射鏡基座側(cè)面位置擋板移動(dòng)，依賴(lài)擋板限制反射鏡的偏轉(zhuǎn)，校準(zhǔn)效率低。本文研制的反射鏡支架通過(guò)滑塊與導(dǎo)軌相連接，滑塊與直線導(dǎo)軌的兩個(gè)側(cè)面通過(guò)滾珠限位，能保證反射鏡鏡面在導(dǎo)軌直線方向移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生側(cè)轉(zhuǎn)偏動(dòng)，保證十字光斑始終在目鏡視場(chǎng)有效范圍內(nèi)，提高了測(cè)量的精度，滿(mǎn)足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)精度的需求，找像過(guò)程快速有效。

（3）實(shí)驗(yàn)臺(tái)直線導(dǎo)軌直線度可靈活調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)直線度幾乎不可變，便攜式直線度實(shí)驗(yàn)臺(tái)的直線導(dǎo)軌可以調(diào)節(jié)導(dǎo)軌與大理石矩形槽的間隙，在一定范圍內(nèi)改變直線導(dǎo)軌的直線度。圖3 中，直線導(dǎo)軌在大理石平臺(tái)的矩形槽安裝時(shí)，將導(dǎo)軌與作為基準(zhǔn)的底面和一側(cè)安裝面緊靠，而與非安裝的一側(cè)留有間隙，并用螺釘固定導(dǎo)軌，基座與直線度測(cè)量導(dǎo)軌的連接間隙可以自由調(diào)節(jié)，使得直線導(dǎo)軌的直線度可以在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。

（4）采用支架快捷裝置，使得反射鏡鏡架安裝位置精準(zhǔn)。鏡架的連接轉(zhuǎn)接板與支架快接裝置下半部分使用螺釘將固定在一起，如圖4 所示。支架快接裝置以磁力作為快速連接手段，鏡架底座與支架快接裝置靠磁力緊密吸住后，依靠鏡架底座上鑲嵌的剛性圓球與支架快捷裝置上的圓柱槽對(duì)接固定，因此接觸為點(diǎn)接觸，保證了鏡架的安裝位置精準(zhǔn)，不會(huì)發(fā)生側(cè)移。

圖3 導(dǎo)軌水平定位結(jié)構(gòu)

圖4 連接轉(zhuǎn)接平板結(jié)構(gòu)和支架快接裝置

（5）二軸解耦鏡架調(diào)節(jié)鏡面角度快捷、高效。采用彈簧式結(jié)構(gòu)的二軸O 形可調(diào)俯仰夾持鏡架，鏡架采用2 點(diǎn)定位，2 點(diǎn)解耦，鏡架上有2 個(gè)旋鈕（見(jiàn)圖5），通過(guò)旋轉(zhuǎn)2 個(gè)旋鈕，可以以相對(duì)邊為軸線轉(zhuǎn)動(dòng)鏡面角度，改進(jìn)了傳統(tǒng)反射鏡支架3 點(diǎn)調(diào)節(jié)帶來(lái)的耦合誤差，避免了鏡面旋轉(zhuǎn)自由度的耦合干擾。二軸鏡架調(diào)整角度精度高，鏡架二軸的螺距精度為0.25 mm，鏡面可調(diào)節(jié)角度范圍為±4°。

圖5 二軸鏡架整體結(jié)構(gòu)

4 教學(xué)實(shí)踐

便攜式直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要是為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)老舊裝置，增強(qiáng)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐創(chuàng)新內(nèi)容，啟蒙學(xué)生專(zhuān)業(yè)認(rèn)知能力而設(shè)計(jì)。針對(duì)傳統(tǒng)直線度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一的問(wèn)題，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)開(kāi)放性可支持學(xué)生對(duì)工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的知識(shí)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)包括識(shí)圖、部件裝配、基準(zhǔn)調(diào)試和直線度測(cè)量：向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的裝配圖，要求學(xué)生利用大一學(xué)期所學(xué)習(xí)的工程制圖課程知識(shí)，認(rèn)知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)，自主思索結(jié)構(gòu)之間的裝配關(guān)系，動(dòng)手實(shí)踐組裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；組裝過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合“幾何規(guī)范學(xué)”所學(xué)的幾何精度專(zhuān)業(yè)知識(shí)，理解安裝精度、加工精度對(duì)導(dǎo)軌直線度的影響，學(xué)習(xí)如何調(diào)整測(cè)量的基準(zhǔn)，掌握直線度測(cè)量的步驟和基本原理，啟蒙學(xué)生的工程思維，綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)，深入理解幾何精度測(cè)量的內(nèi)涵。

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)已用于大一、大二年級(jí)機(jī)械類(lèi)、近機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的“幾何規(guī)范學(xué)”和“機(jī)械工程基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)，年服務(wù)人數(shù)約為1 000 人，課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為8 學(xué)時(shí)；同時(shí)還用于大學(xué)生科技創(chuàng)新集訓(xùn)、北理工—中醫(yī)藥大學(xué)合作專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)。經(jīng)過(guò)一年的教學(xué)實(shí)踐，該裝置及其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到了師生們的高度認(rèn)可，實(shí)踐過(guò)程中學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性增強(qiáng)，交流探討熱情高，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研制了一種便攜式直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，具有體積小巧、結(jié)構(gòu)具有可重置性、安裝簡(jiǎn)便、測(cè)量快捷等特點(diǎn)，結(jié)合課程實(shí)驗(yàn)要求和學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)需求，可拓展“工程制圖”“機(jī)械原理”及“幾何精度”等課程知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)的知識(shí)交叉融合，為創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革奠定了良好的基礎(chǔ)，為進(jìn)一步提升本科生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐能力培養(yǎng)質(zhì)量起到了積極推動(dòng)作用[14-15]。