科研反哺在数控技术实验教学中的探索

    刘伟 刘顺

    摘要：以数控技术实验教学目标为基础，通过科研反哺，示范性开设三弧段等距型面轴磨削基础实验，并开创性设置砂轮位移在线测量实验。通过该综合性、创新性实验，全方位锻炼学生的创新意识和科研能力，有效提高本科生综合应用专业基础知识解决实际工程问题的能力。

    关键词：科研反哺;数控技术;实验教学;磨削

    《数控技术》属于机械设计制造及其自动化专业本科生一门承上启下的专业基础课程，其重点在于应用数字信息（即数控程序）对机械运动和工作过程进行控制。实验教学是学生利用仪器设备控制实验对象的变化，通过观察、测定和分析，验证并巩固课程知识，培养动手能力、观察分析能力、创新能力的一种实践性教学形式，在基础课和专业课中广泛应用[1]。实验教学属于实践教学的关键环节之一，是高等教育人才培养的重要组成部分。当前数控技术实验教学主要局限于课程理论的验证，内容相对比较传统、常规，难以激发学生的学习兴趣与创新思维，无法充分体现学生的主观能动性[2]。为了加强实验教学的深度与质量，充分培养学生的创新能力、科研能力，在实验教学中有必要设置综合性实验、创新性实验[3]。综合性实验、创新性实验的开展对实验教师的能力与素质提出了很高的要求，科研型教师将最新的科研成果融入实验教学，将科研反哺教学，以科研推动理论学习。

    一、科研反哺实验教学的意义

    实验教学与理论教学有着较大的差异性。理论教学要求教师对学科专业的知识结构了然于胸，在教授书本知识的同时，穿插最新研究成果对书本知识予以补充。实验教学则需要教师掌握丰富的实验经验和技能，在讲授专业知识之余，还应传授学生原理性知识以及科研技能，培养学生的科研兴趣，初步掌握一些科研的思路和技能。

    教学和科研是高校教师的基本职能，两者是互相依存、相辅相成的。教师通过科研可以提高研发水准，学生则可以通过教师的科研反哺教学培养实践精神。教师通过科研可以使自己平时在课堂教学或者实验教学中碰到的问题得以验证和解决，以科学研究验证现有理论和开创新成果。科研能够使教师掌握最新的专业理论和技能，丰富和拓展教师学术能力和执教水平。

    科研反哺教学，将最新的科研成果融入教学当中，建立科研与教学的有机结合、相辅相成的长效机制，实现科研与教学的协调、统一发展，不失为一种处理科研与教学关系的有效途径[4]。通过科研反哺教学，在帮助学生巩固理论知识和锻炼实践能力的基础上，还可以培养学生发现问题、分析问题、解决问题的综合能力。同时，实验教学亦是科研的催化剂，有助于对科研成果进一步拓展与验证，有助于教师建立更加清晰的科研思路及脉络。

    因此，科研反哺实验教学的意义在于以下方面。

    （1）教师通过多年科研经验，掌握了一定的先进实验技能，了解本学科最新的专业技术，因此可以传授学生书本之外的实验技能，使学生提前掌握读研或者工作后才能接触到的技能，从而培养出具有实践经验的技术型人才。

    （2）教师基于自身科研课题需求，需要用到先进仪器设备，或者对实验设备进行改造发挥其最大作用，甚至开发新的实验仪器。通过若干科研研究，教师对实验设备的性能、构造等有着透彻的了解，对实验原理有着深刻的见解，使得教师在传授知识时表达得更加透彻、易懂。教师亦可总结一些贴合书本理论且具有实际意义的综合性、创新性实验，从而达到理论指导实践的目的。

    （3）教师的科研课题往往是某学科中处于比较前沿、比较广泛的项目，课题的完成可以解决企业实际生产过程中遇到的理论、实际问题。将科研中涉及的理论和技术转化为教学内容，开展一系列项目性实验，能使学生在学习实验技能的同时，体验科学研究的过程，可以使学生层次提高、教师获益，并且使科研的意义得到升华。

    二、三弧段等距型面轴数控磨削实验教学设计

    （1）三弧段等距型面轴磨削基础。三弧段非圆等距型面是非圆等距型面中圆弧多边形应用最广泛的一种截面轮廓。非圆等距型面是指型面的非圆廓形等尺寸性，即轮廓上任意对应的两条相互平行的切线距离相等的性质[5]。非圆等距型面轮廓是型面无键联接件的典型廓形，其在轴毂动力传递中具有自动定心、传递大扭矩、传递效率高、应力集中小等特点，在矿山机械、锻压机械、铸造机械等方面有着广泛的应用[6]。当前非圆等距型面轮廓加工大都采用轨迹法，工件绕自身轴线转动，刀具在两个坐标方向作往复运动，属于三轴联动加工，该制造工艺运动较复杂，对机床的性能要求较高。为简化三弧段非圆等距型面轴加工工艺，引入X-C两轴联动磨削技术。工件绕其主轴C轴旋转，砂轮绕其中心逆时针旋转，同时砂轮随着工件的旋转沿X轴直线往返运动，加工过程中需确保工件与砂轮始终处于相切状态。

    （2）三弧段等距型面轴磨削数控程序编制。三弧段等距型面轴的截面轮廓不规则，轮廓曲率半径不断变化，但是可以用函数表示廓形曲线。三弧段等距型面轴数控磨削与外圆磨削明显不一致，要实现其X-C联动磨削，需要对其截面轮廓进行插补。X-C联动磨削一般按照C轴每转1°或0.5°来计算砂轮在X轴方向的位移，即砂轮在每一个等分角度转角点对应的位移，其位移变化量相对较小，可以直接采用直线插补。根据三弧段等距型面轴的廓形函数与X-C联动磨削数学模型，即可求得工件转角与砂轮位移的对应数据表，将该数据表导入回转类非圆零件数控加工程序模块，最终生成三弧段等距型面轴X-C联动磨削数控程序。数控技术实验教学的重点在于让学生熟悉数控机床的坐标系、数控加工的指令及程序结构，并掌握数控加工程序的编制。三弧段等距型面轴磨削数控程序编制可以充分体现该教学目标。

    （3）三弧段等距型面轴数控磨削实验。三弧段等距型面轴数控磨削实验在非圆高速数控磨床上进行，实验具体过程为：选用合适的砂轮类型与尺寸、冷却液类型;打开电源，开启数控机床;将工件安装在头架与尾架间并固定好位置，对工件的X和Z轴对刀;手动操作机床回零，根据对刀时的X、Z值修改程序中保存的X、Z初始坐标值;设定恰当的砂轮线速度、磨削深度、工件转速等工艺参数;选择编制的数控程序，让机床进行自动磨削加工;待实验完毕后按照要求关闭数控机床;断开数控机床电源，清洁并整理实验仪器和设备，将实验仪器和設备归位，打扫实验现场。通过数控磨削加工实验，学生可以了解非圆高速数控磨床的机械结构特点、基本操作，加深对数控机床坐标系、数控指令的理解，拓展机械制造相关理论的认识与应用。

    三、数控磨削砂轮位移在线测量拓展实验设计

    三弧段等距型面轴X-C联动磨削会产生很大的加速度，磨床的伺服系统响应滞后，砂轮位移达不到程序预期目标，使工件磨削不充分，存在较大误差，影响工件的加工精度与使用性能。三弧段等距型面轴X-C联动磨削砂轮位移在线测量平台包括激光位移传感器、數据采集仪，以及固定传感器的磁力座、螺栓和螺母。激光位移传感器通过螺栓和螺母固定并将螺栓用磁力座夹住，将磁力座吸附在尾架上，将连接线接好，使传感器镜头平面与砂轮架前表面平行，并调节激光位移传感器的倾角;打开新建的数据采集与分析界面，设置好采集通道中的激光位移传感器的参数;实验前手动控制砂轮与三弧段等距型面轴最小圆弧半径点接触，采用激光位移传感器测量初始距离;启动数控程序，让数控机床进行三弧段等距型面轴的磨削加工;激光位移传感器和数据采集仪检测得到不同时刻的砂轮位移，对砂轮位移数据进行分析。通过砂轮位移在线测量，使学生理解激光位移传感器的工作原理，掌握其使用方法;理解数控磨削过程中存在的磨床伺服系统响应对X轴位移误差影响的问题。

    四、结语

    结合数控技术课程及其实验教学的具体情况，充分吸收科研项目中数控相关实验，通过科研反哺数控技术实验教学，示范性开设三弧段等距型面轴磨削基础实验，并开创性设置砂轮位移在线测量实验，使学生熟悉掌握数控机床结构与基本操作、数控程序编写、位移测量、数据采集分析处理、实验报告撰写等。同时通过全程参与，在设计实验方案中提高学生的思维能力，搭建实验平台中提高动手能力，分析实验数据中增强总结能力等，全方位综合锻炼创新意识和科研能力，对于有效提高学生综合运用专业基础知识解决实际工程问题的能力具有重要的意义，为进一步从事制造领域相关科学研究和企业生产实践工作奠定了坚实的基础。

    参考文献：

    [1]冯文杰.机械工程基础实验教程[M].重庆：重庆大学出版社，2007.

    [2]刘伟，伍俏平，罗荣.“机械工程基础实验”的教学现状与改革探讨[J].教育教学论坛，2017，（35）：112-113.

    [3]杨慧斌，闫娟.浅谈科研反哺实践教学[J].中国校外教育，2010，（22）：79.

    [4]高磊，令狐浪，杨德志，等.科研反哺教学在药学综合实验中的实施[J].基础医学教育，2020，22（6）：413-415.

    [5]杜新宇，杜太生.型面无键联接及制造[M].武汉：华中科技大学出版社，2016.

    [6]刘春孝，王海燕.型面联接研究综述[J].焦作大学学报，2008，（3）：69-70.