机械制造工艺过程实践教学实验系统及方法

摘要

本发明是一种能够用于开展机械制造工艺过程实践教学的实验系统及其方法。本发明的实验系统包括有若干个由上下料设备(1)、计算机控制设备(2)、小型多工位组合机床(3)、输送模块(4)组成的实验模块，其中小型多工位组合机床(3)装设在输送模块(4)的旁侧，上下料设备(1)装设在小型多工位组合机床(3)的旁侧，计算机控制设备(2)的控制信号输出端口分别与上下料设备(1)、小型多工位组合机床(3)、输送模块(4)的控制信号输入端口连接。本发明的实验系统能在实验室运行，用于开展机械制造工艺过程实践教学，实践教学的内容与当前生产制造水平相适应，学生能够动手参与并实际操作。本发明的教学方法直观有效，有利于提高教学效果。

说明书

技术领域：

本发明是一种能够用于开展机械制造工艺过程实践教学实验系统及其方法，特别是一种能以学生为主开展机械加工方法、加工工艺过程、机械加工装备、自动上下料装置、机器人技术、工装夹具、公差测量、机械装配过程、制造过程管理以及自动控制技术等方面专业知识技能的教学实验系统及教学方法，属于教学实验的创新性技术。

背景技术：

在工科大学机械制造工程相关课程的教学当中，加工制造过程、工艺工装、加工检测方面还缺乏完整的实验教学手段。目前虽然有先进的柔性制造教学系统可供学生实验，但这种设备复杂昂贵，不能够很好地模拟当前的生产制造水平，提供一个让学生亲自动手，模拟操作的生产环境。产品制造是一个过程，理论教学中称之为加工工艺路线。目前很多学校采购了大量的各种机床，但大部分是通用机床，用于学生金工实习或生产实习，实际上学生不能完整的模拟某种产品的生产工艺过程，使得学生没有一个连贯的认识，实习的效果零乱，学生印象不深刻。

另一方面，目前大量工科大学存在工程训练实践环节薄弱的现象，主要是缺乏完整的规划。这里所说的工程训练实践是希望学生在完成一般的金工实习和各种相关课程实验的基础上，不再仅限于学习机构、零件与结构的设计，还应得到″系统设计″的训练，也就是模拟工程实际需要，加强″制造工艺条件″、″成本″、″配套″、″使用条件″等工程意识的内容。学生不但要学到较为广泛的理论基础知识，也应掌握一些“看的见、摸得着”的基本技能，增强学生学习专业的兴趣和爱好。过去一个很重要的做法是将学生放到工厂的实际生产线中学习，这样有很强的真实性，但现在的工厂越来越难以接收学生进行实习，很多时候只同意一般性参观，同样带来学生参与性不够、受环境诸多限制等问题，因此实现的难度越来越大。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能在实验室运行的，与当前生产制造水平相适应，学生能够动手参与实际操作的机械制造工艺过程实践教学实验系统。

本发明的另一目的在于一种简单方便，能显著提高教学效果的机械制造工艺过程实践教学方法。

本发明机械制造工艺过程实践教学的实验系统，包括有若干个由上下料设备(1)、计算机控制设备(2)、小型多工位组合机床(3)、输送模块(4)组成的实验模块，其中小型多工位组合机床(3)装设在输送模块(4)的旁侧，上下料设备(1)装设在小型多工位组合机床(3)的旁侧，计算机控制设备(2)的控制信号输出端口分别与上下料设备(1)、小型多工位组合机床(3)、输送模块(4)的控制信号输入端口连接。

上述上下料设备(1)为工业机器人或其他自动上下料装置。

上述小型多工位组合机床(3)的工作台可以是回转工作台，也可以是直角坐标移动工作台。

上述小型多工位组合机床(3)为能在各个工位上能够实现钻孔、扩孔、铣平面、倒角、攻丝典型加工的多功能机床。

上述输送模块(4)为皮带输送模块或链输送模块。

上述小型多工位组合机床(3)上能够安装与教学方案符合的工装夹具子系统。

上述小型多工位组合机床(3)为能由学生根据典型教学方案安装调试工艺工装夹具或/和选配加工刀具或/和制造由学生根据典型教学方案设计的工艺工装夹具的机床。

上述实验模块中还包括有公差检测仪器。

上述实验模块中还包括有用于人工装配的装配设备，装配设备包括有手工工具、货架、装配零件。

本发明机械制造工艺过程实践教学实验系统的教学方法，包括如下步骤：

1)学生确定具体制造工件的典型教学方案；

2)编制机械加工工艺路线；

3)学生设计工艺工装夹具；

4)在小型多工位组合机床(3)上制造工艺工装夹具；

5)在小型多工位组合机床(3)安装调试上述制造的工艺工装夹具；

6)学生编制控制软件；

7)将工件毛坯(6)放在输送模块(4)，上料设备子系统(1)将工件毛坯(6)放在小型多工位组合机床(3)的加工工位上，待加工完成后下料设备子系统(2)将加工好的工件放在输送模块(4)，公差检测仪器对工件进行检测。

本发明的核心理念是设定某种产品的制造作为典型的教学案例，模拟产品生产的基本过程，结合专业教学需要，在系统中实现如下功能：

1)小批量、个性化非金属或有色金属制品零件的加工；

2)小批量、个性化非金属或有色金属制品部件的装配；

3)小批量、个性化非金属或有色金属制品的生产效率及效益管理。

本发明教学实验系统根据所设定的典型教学方案，构建可重组的教学实验系统，本发明能为学生提供一个实践环境，实现以下教学实验功能：

1).根据典型教学方案，在系统上能模拟完整的产品生产过程，例如切削加工、检验、装配、包装等；

2).学生根据典型教学方案编制机械加工工艺路线规程；

3).学生根据典型教学方案设计工艺工装夹具，配备加工刀具；

4).学生制造工艺工装夹具；

5).学生将制造好的工艺工装夹具装配在组合机床上，完成安装调试工作，检验设计的正确性；

6).所有设备子系统为模块化设计，根据需要由学生实现工序和设备的重组，还可以根据不同的教学内容增减模块单元；

7).配备用于人工装配的手工工具、货架、检测工具等设备进行装配作业，实现人在系统中的作用；

8).每个子系统配备完善的教学软件系统，学生也可自行进行软件编程控制，根据实际教学需要可以重新设计开发控制软件。

9).通过生产线的运行设备模拟物流系统的优化配置，分析生产线上各设备中的瓶颈，研究不发生待机或阻塞的合理缓冲件数量，最佳物流路径和生产规划，使设备利用率和节拍达到均衡。

本发明根据实际需要，开发一套能在实验室运行的，与当前生产制造水平相适应，学生能够动手参与操作的教学实验设备，对于开展机械加工方法、加工工艺过程、机械加工设备、自动上下料装置、工装夹具、公差测量、机械装配过程、制造过程管理等方面专业知识技能训练可发挥重要作用。可以促进学生在机械设计、电气自动化、自动控制、机器人技术、计算机技术、传感器技术等方面的学习，并对电机驱动及控制技术、PLC控制系统的设计与应用、计算机网络通信技术和高级语言编程等技能得到实际的训练，激发学生的学习兴趣，使学生对机电系统的设计、装配、调试能力均能得到综合提高。

附图说明：

图1为本发明教学实验系统的结构示意图；

图2为本发明实施的典型教学案例产品设计图；

图3为采用本发明教学实验系统，学生参与实验各环节的流程图。

具体实施方式：

实施例：

本发明机械制造工艺过程教学实验系统的结构示意图如图1所示，包括有若干个由上下料设备1、计算机控制设备2、小型多工位组合机床3、输送模块4组成的实验模块，其中小型多工位组合机床3装设在输送模块4的旁侧，上下料设备1装设在小型多工位组合机床3的旁侧，计算机控制设备2的控制信号输出端口分别与上下料设备1、小型多工位组合机床3、输送模块4的控制信号输入端口连接。上述上下料设备1为工业机器人或其他自动上下料装置。上述小型多工位组合机床3的工作台可以是回转工作台，也可以是直角坐标移动工作台。上述小型多工位组合机床3为能在各个工位上能够实现钻孔、扩孔、铣平面、倒角、攻丝典型加工的多功能机床。上述输送模块4为皮带输送模块或链输送模块。本实施例中，输送模块4为皮带输送模块。

上述小型多工位组合机床3上能够安装与教学方案符合的工装夹具子系统。上述小型多工位组合机床3为能由学生根据典型教学方案安装调试工艺工装夹具或/和选配加工刀具或/和能制造由学生根据典型教学方案设计的工艺工装夹具的机床。本实施例中，上述小型多工位组合机床3为能由学生根据典型教学方案安装调试工艺工装夹具和选配加工刀具和能制造由学生根据典型教学方案设计的工艺工装夹具的机床。

为能检测加工产品是否合格，上述实验模块中还包括有公差检测仪器。

为使本发明能实现更多的功能，上述实验模块中还包括有若干个检验工位7、若干个钳工工位8、若干个装配工位9、以及包装工位10。此外，还可包括有若干个分捡工位11。此外，上述实验模块中还包括有用于人工装配的装配设备，装配设备包括有手工工具、货架、装配零件。

本发明机械制造工艺过程实践教学实验系统的教学方法，包括如下步骤：

1)学生确定具体制造工件的典型教学方案；

2)编制机械加工工艺路线；

3)学生设计工艺工装夹具；

4)在小型多工位组合机床3上制造工艺工装夹具；

5)在小型多工位组合机床3安装调试上述制造的工艺工装夹具；

6)学生编制控制软件；

7)将工件毛坯6放在输送模块4，上料设备子系统1将工件毛坯6放在小型多工位组合机床3的加工工位上，待加工完成后下料设备子系统2将加工好的工件放在输送模块4，公差检测仪器对工件进行检测。

图2是一种单点式压力表开关产品的设计图纸，包括有阀体A1、阀杆A2、手轮A3、压力表接口A4、进油口A5，要求完成阀体孔结构和尺寸的钻、扩、攻丝、铣平面等多道工序加工，对被加工表面进行形位公差测量，进行一些清洗等手工加工操作，完成相关零件的装配作业，对产品进行包装最后形成制成品等工作。学生根据这些要求，对生产线进行机械结构、工装夹具和控制过程调整，可以得到相关的实践的能力的锻炼，在上述教学实验生产线上具体实施按如下步骤：

1).学生根据典型教学方案模拟完整的产品生产过程，例如切削加工、检验、装配、包装等；

2).学生根据典型教学方案编制机械加工工艺路线规程，设计工艺工装夹具；

3).学生制造工艺工装夹具，并装配在该教学实验系统上完成安装调试工作，检验设计的正确性，锻炼实践能力；

4).所有设备子系统为模块化设计，根据需要由学生实现工序和设备的重组，还可以根据不同的教学内容增减模块单元；

5).配备用于人工装配的手工工具、货架、检测工具等设备进行装配作业，实现人在系统中的作用；

6).每个子系统配备完善的教学软件系统，学生也可自行进行软件编程控制，根据实际教学需要可以重新设计开发控制软件。