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【摘 要】本文结合中职机电专业学生实践能力培养的实际需求，以数控加工中圆度误差的机电调整为例，简要概述数控加工中圆度误差，阐明机电专业学生实践能力培养的基本思路，论述培养学生实践能力的策略，以提高学生适应能力和就业能力。
【关键词】中职 机电专业 数控加工 圆度误差 机电调整 实践能力
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2019）07B-0058-03
机电专业的学生是否具有较强的实践能力，将直接对其未来的就业和发展带来影响。因此为达到学以致用的目的，教师需要在教育教学工作中尽可能地为学生提供实践操作的机会，并在实践操作中加强对其的技术指导和考核。这样不仅能对学生的学习情况进行有效的检验，而且也能对自身教学的不足进行梳理，最终在师生互助和相互学习下促进学生实践能力不断提升。数控加工作为机电专业学生学习的主要内容之一，其中的对数控加工中形成的圆度误差进行控制和优化，是学生必须掌握的技能。
一、数控加工中圆度误差的概述
一般而言，在进行数控加工时，形成的圆度误差主要有两个方面的因素，一是机械状况;二是伺服系统调整。为了更好地对其进行维修和补救，需要切实加强球杆仪的运用，并运用球杆仪分析测试图形，从而更好地将圆度误差形成的根源找出来。在师生合作、相互探究中，强化训练机电调整能力。
二、机电专业学生实践能力培养的基本思路
中职学生的学习动机就是为了更好地就业，在学校系统、全面地学习一门就业技术，并在学校提供的各种实践平台训练中掌握一套基本的技术体系，以更好地适应就业的需要。因此，在新课改背景下的中职机电专业教育教学工作中，我们必须秉承生本理念，在新课改的指导下，结合最新的就业形势和行业发展需求，对学生的实践能力培养的方式进行不断优化和完善。就当前来看，對中职机电专业的学生而言，不仅要继续将实践能力的培养作为主要的方向，而且在实践能力培养中需要对培养的内容、方式等进行创新和优化。只有这样才能更好地适应学生的时代特点，符合时代发展的潮流，打造具有中职教育特色的现代化实践人才培育的新模式。在常规的“强调重要性→理论学习→实践学习”的方式上进行创新，采取理论中穿插实践，实践中穿插理论的方式，在将理论和实践进行理实一体化结合的基础上，采取市场化的方式，对学生的实践能力进行培养。
三、学生实践能力培养的具体实施
（一）实践背景
学校机电专业学生在日常的理论学习和实践操作中，就数控加工中的圆度误差的调整而言，是一种常态化的实践作业。为强化学生的实践能力，笔者联系南宁市某精密机械设备公司，将该公司在这方面遇到的机械加工问题引入课堂。要求学生以小组为单位，在每个小组中挑选一名技术骨干组成技术团队，在确保盈利的条件下，深入该企业对圆度误差进行调整和控制，并将所得收入全部纳入班级实践经费之中。最后由八个小组分别选派一名代表进入该企业，对存在问题的某机械设备进行改进和优化。他们进入该企业之后，对一台数控机进行改造和优化。
（二）设备情况
本次维修的是该企业的一台立式的数控机，该数控机的加工中心采用的数控系统为 FANUC 系列，其各轴均采取全闭环的控制。之前该企业的数控工人在加工中产生 XY 平面圆度误差的情况较为严重。
（三）实践情况
第一步，现场调研，掌握实况。八人小组深入现场之后，通过现场调研和分析，找出存在的症结，随后在八人小组中成立以陈同学为主的维修小组。陈同学负责本次进入企业实践维修的技术总监，同时也是小组长，其他成员配合完成。在找出症结和听了企业的意见之后，采取球杆测试仪进行测试，并进行试验程序（GO3）编制，先将 GO3 逆转两周之后，再将 GO2 进行顺转两周，测出的情况详见图 1（由于该企业的球杆诊断仪的显示屏存在一定的问题，所以画面的模糊度较大，下同，见下页）。
第二步，剖析原因，有的放矢。维修小组从球杆诊断仪诊断画面看出，其正圆度较差。分析之后画出了图 1 的还原图（如图 2 所示，见下页），换言之，图 1 是图 2 中的（a）和（b）组合而成。虽然其形成的机理不同，但是均对正圆度带来了影响。
从图 2（a）的分析来看，其主要是显示了机床的 X 轴和 Y 轴在换向时形成了尖峰，也就是进行了反向冲跃。通过现场的实践来看，尖峰的大小会随着机床的进给率不同而出现不同的变化。这就说明了换向处随着机床间隙与摩擦力的方向而变化，进而发生黏性的停顿。小组成员通过现场试验和调校，发现导致这一故障的原因主要是以下几个方面：①电机所施加的扭矩不够;②轴对反向间隙的补偿不当;③所设速度自身的前馈系数设置不正确，当电动机反转时，机械系统中容易出现时滞。正是由于前馈系数不足，导致形成径向误差。加上速度增益较低，导致成型的形状变形，而且还存在象限凸起的情况。为了对其进行处理，小组成员通力合作和研究，最初确定机电调整方案。首先，借助数控系统所具备的反向间隙补偿功能和间隙补偿中的加速功能，将速度环的增益加大。其次，对速度前馈系数进行调整，确保所采用的进给率满足精加工的需求，借助换向过程，对移动指令与速度指令增加一定的补偿数据，从而确保间隙加速量根据指数函数来变化。最后，将象限突起的情况进行改善和优化。但是在实际实施时，由于该型号的 FANUC 系统只能进行反向间隙补偿，不能进行速度前馈系数、间隙补偿减速等伺服调整，所以后续在最初的方案上进行了优化，对速度控制单元中的速度环增益微调电位器进行了调整。这样就确保了速度环的增益尽可能地达到振荡的基线，从而有效地改善象限突起的情况。
从图 2（b）的分析来看，顺时针时呈现椭圆形，逆时针时呈现“8”字形，两种变形分别顺着 45°和 135°的方向拉伸而变形。旋转中出现的拉伸变形使轴向发生变化。由于拉伸变形随着机床的进给率变化而发生变化，因此说明 X 轴和 Y 轴在垂直度差抑或是存在伺服不匹配的情况。为了对其进行处理，该小组通过对其成因进行分析和研究后发现，之所以伺服不匹配，主要是因为 X 轴和 Y 轴之间的伺服环增益之间不匹配，使得一根轴比一根轴超前，进而在顺时针时呈现椭圆形。经过计算，图 1 中的伺服不匹配数值是-6.29 s。当进给倍率相同时，对 X 轴和 Y 轴的粉碎误差进行细致观察后，发现 Y 轴在平稳进给过程中，其跟随误差值的变化是在个位数之内，而相同情况下，X 轴在平稳进给过程中，其跟随误差值的变化则处于百位数范围之内，因此说明其跳动的范围较大。通过现场分析和研判，发现导致 X 轴和 Y 轴较大跟随误差值的原因，主要是 X 轴和 Y 轴的伺服环增益与滑动情况的出现，以及丝杆螺母副的传动阻尼大小不一，导轨滚动体在松紧程度上不同等，这些都是属于机械因素。在现场分析和研判中，因为发现 X 轴的导轨润滑情况良好，整个运行过程中都附有油膜，所以就将润滑不良的可能性排除。考虑到机械调整中拆卸的部件较多，小组成员为了减少机电调整的麻烦，在电气控制过程中，采取增加 Y 轴的伺服环增益的方式，以弥补机械的不良变化。随后小组成员对 FANUC 系统的参数进行查看，发现其全部轴的伺服环增益均是同一参数。为避免泄密，本次修正中，维修小组首先将伺服环增益参数设置为 2000 s-1（实际参数涉密）。因为这样无法采取改变某个轴的增益参数的方式，所以随后小组尝试性地将全部轴的伺服环增益增加到 4000 s-1（实际参数涉密），最后得出图 3 所示的轨迹。从图 3 可以看出，圆形轨迹得到了明显的改善和优化，伺服不匹配的情况也降为-3.85 ms。但是随后又发现 X 轴在定位中的过冲现象较为明显，其圆度误差值不减反增，尤其是 GO3 逆时针旋转到 45°和 GO2 顺时针旋转到 135°时，存在明显的严重的锯齿形区域，且此时形成的碎误差值的跳动最为严重。这就说明X轴运动到这时，其机械阻尼会出现剧烈的变化，使得所有的闭环系统中的振荡十分明显。若只是简单地借助电气控制中的伺服调整，那么显显难以从根本上有效地解决有关圆度误差的问题，因此必须要将导致震荡的机械因素找出来。 图 3
第三步，通力合作，排除故障。在经过对误差原因进行综合分析的基础上，维修小组通力合作，制定故障排除方案，有效地改善了圆度误差。将 X 轴的护板拆开，并用手将丝杆盘动。在之前发现的锯齿形区域中，可以明显地感觉到摩阻力在增加，随后对丝杆螺母副的工作情况进行检查，检查后发生其工作正常，对四个导轨滚动体的松紧度进行调整，但是并没有改变情况。随后小组成员对拆下的滚动体进行检查，发现其中的一块滚动体中的滚柱从安装处斜插出来，并挤在导轨和滚动体之间。由此发现这个滚柱在工作台中随着导轨的移动而带来的阻碍，使得 X 轴的锯齿形区域在摩阻力上较大。若伺服环的增益设置不足，那么会导致 X 轴出现低速爬行的情况;如果将伺服环的增益设置更大，将导致 X 轴出现振荡的情况。因此，维修小组对损坏的滚动体进行重新更换和安装。当伺服环的增益大于 2900 s-1 時，发生过冲的情况。随后小组对其进行优化调整，将 2900 s-1 改为 2800 s-1。当进给倍率不变时，X 轴跟误差值赫尔维修之前比较明显下降和稳定。对其圆度进行测量，结果如图 4 所示。将图 4 和图 1 对比之后发生，其圆度误差值发生了明显的变化，同时振荡基本上也已经消除。为了将圆度误差进一步优化和完善，在笔者的帮助和提示下，学生在调整数控系统的伺服之外，还对 X 轴和 Y 轴的垂直度进行检查。维修小组实测之后，发现 X 轴和 Y 轴的垂直度是 0.02mm，发现这也是导致圆度误差的原因之一，随后将 X 轴和 Y 轴的垂直度进行调整。然后又对圆度进行测量，测量值得到了很大的改善，有效地将圆度误差进行了控制。
图 4
（四）实践总结
通过本次的实践活动，有效地锻炼了学生的实践能力。在具体的实践中，学生将所学的理论和实践知识进行有效应用，锻炼了学生的应变能力。但是本次实践也存在一些不足，一是实践的人数较少，参与实践的人员都是该班的优等生;二是学生在实践中走了一些弯路，在改进方法上没有全面地运用相关知识;三是学生容易满足。为此针对本次实践活动，笔者要求每个小组成员填写如表 1 所示的实践调研报告。
为了学生得到全面发展，针对本次实践中暴露出的问题，未来在学生实践能力培养中，需要确保所有的学生都能参加，这就需要加强与大型企业和第一生产现场之间的联系，为学生的实践锻炼提供机会。同时，我们要充分利用现有的校训基地，加强对学生进行针对性训练，并要求学生在实践中反思。结合时代发展的需求，针对性地设置相关的项目，尤其是要设置能促进学生与时俱进的训练项目，注重培养学生的创新能力。只有这样才能更好地契合学生的学习兴趣，牢固掌握机电专业技术知识，并在实践中灵活应用，从而更好地培养出现适应时代发展所需的复合型中职机电人才。
【参考文献】
[1]张 珂，张 玮，阎卫增，侯怀书.圆度误差的神经网络评定及测量不确定度研究[J].机械科学与技术，2019（3）
[2]李 巍，郭 泽.基于球杆仪的五轴机床空间圆弧误差建模及补偿方法[J].装备制造技术，2018（12）
[3]申 浩，李耀明，任丽娟，张 煌，廖科伟.基于田口法与响应曲面法的枪钻深孔加工圆度误差分析[J].工具技术，2018（11）
[4]张文彬.基于职业能力培养的中职机电专业教学模式探讨[J].南方农机，2018（19）
[5]王东霞，温秀兰，乔贵方.工件圆度误差测量不确定度评定[J].光学精密工程，2018（10）
[6]周魁喜.中职机电专业实践教学策略[J].农家参谋，2018（6）
（责编 卢建龙）
【关键词】中职 机电专业 数控加工 圆度误差 机电调整 实践能力
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2019）07B-0058-03
机电专业的学生是否具有较强的实践能力，将直接对其未来的就业和发展带来影响。因此为达到学以致用的目的，教师需要在教育教学工作中尽可能地为学生提供实践操作的机会，并在实践操作中加强对其的技术指导和考核。这样不仅能对学生的学习情况进行有效的检验，而且也能对自身教学的不足进行梳理，最终在师生互助和相互学习下促进学生实践能力不断提升。数控加工作为机电专业学生学习的主要内容之一，其中的对数控加工中形成的圆度误差进行控制和优化，是学生必须掌握的技能。
一、数控加工中圆度误差的概述
一般而言，在进行数控加工时，形成的圆度误差主要有两个方面的因素，一是机械状况;二是伺服系统调整。为了更好地对其进行维修和补救，需要切实加强球杆仪的运用，并运用球杆仪分析测试图形，从而更好地将圆度误差形成的根源找出来。在师生合作、相互探究中，强化训练机电调整能力。
二、机电专业学生实践能力培养的基本思路
中职学生的学习动机就是为了更好地就业，在学校系统、全面地学习一门就业技术，并在学校提供的各种实践平台训练中掌握一套基本的技术体系，以更好地适应就业的需要。因此，在新课改背景下的中职机电专业教育教学工作中，我们必须秉承生本理念，在新课改的指导下，结合最新的就业形势和行业发展需求，对学生的实践能力培养的方式进行不断优化和完善。就当前来看，對中职机电专业的学生而言，不仅要继续将实践能力的培养作为主要的方向，而且在实践能力培养中需要对培养的内容、方式等进行创新和优化。只有这样才能更好地适应学生的时代特点，符合时代发展的潮流，打造具有中职教育特色的现代化实践人才培育的新模式。在常规的“强调重要性→理论学习→实践学习”的方式上进行创新，采取理论中穿插实践，实践中穿插理论的方式，在将理论和实践进行理实一体化结合的基础上，采取市场化的方式，对学生的实践能力进行培养。
三、学生实践能力培养的具体实施
（一）实践背景
学校机电专业学生在日常的理论学习和实践操作中，就数控加工中的圆度误差的调整而言，是一种常态化的实践作业。为强化学生的实践能力，笔者联系南宁市某精密机械设备公司，将该公司在这方面遇到的机械加工问题引入课堂。要求学生以小组为单位，在每个小组中挑选一名技术骨干组成技术团队，在确保盈利的条件下，深入该企业对圆度误差进行调整和控制，并将所得收入全部纳入班级实践经费之中。最后由八个小组分别选派一名代表进入该企业，对存在问题的某机械设备进行改进和优化。他们进入该企业之后，对一台数控机进行改造和优化。
（二）设备情况
本次维修的是该企业的一台立式的数控机，该数控机的加工中心采用的数控系统为 FANUC 系列，其各轴均采取全闭环的控制。之前该企业的数控工人在加工中产生 XY 平面圆度误差的情况较为严重。
（三）实践情况
第一步，现场调研，掌握实况。八人小组深入现场之后，通过现场调研和分析，找出存在的症结，随后在八人小组中成立以陈同学为主的维修小组。陈同学负责本次进入企业实践维修的技术总监，同时也是小组长，其他成员配合完成。在找出症结和听了企业的意见之后，采取球杆测试仪进行测试，并进行试验程序（GO3）编制，先将 GO3 逆转两周之后，再将 GO2 进行顺转两周，测出的情况详见图 1（由于该企业的球杆诊断仪的显示屏存在一定的问题，所以画面的模糊度较大，下同，见下页）。
第二步，剖析原因，有的放矢。维修小组从球杆诊断仪诊断画面看出，其正圆度较差。分析之后画出了图 1 的还原图（如图 2 所示，见下页），换言之，图 1 是图 2 中的（a）和（b）组合而成。虽然其形成的机理不同，但是均对正圆度带来了影响。
从图 2（a）的分析来看，其主要是显示了机床的 X 轴和 Y 轴在换向时形成了尖峰，也就是进行了反向冲跃。通过现场的实践来看，尖峰的大小会随着机床的进给率不同而出现不同的变化。这就说明了换向处随着机床间隙与摩擦力的方向而变化，进而发生黏性的停顿。小组成员通过现场试验和调校，发现导致这一故障的原因主要是以下几个方面：①电机所施加的扭矩不够;②轴对反向间隙的补偿不当;③所设速度自身的前馈系数设置不正确，当电动机反转时，机械系统中容易出现时滞。正是由于前馈系数不足，导致形成径向误差。加上速度增益较低，导致成型的形状变形，而且还存在象限凸起的情况。为了对其进行处理，小组成员通力合作和研究，最初确定机电调整方案。首先，借助数控系统所具备的反向间隙补偿功能和间隙补偿中的加速功能，将速度环的增益加大。其次，对速度前馈系数进行调整，确保所采用的进给率满足精加工的需求，借助换向过程，对移动指令与速度指令增加一定的补偿数据，从而确保间隙加速量根据指数函数来变化。最后，将象限突起的情况进行改善和优化。但是在实际实施时，由于该型号的 FANUC 系统只能进行反向间隙补偿，不能进行速度前馈系数、间隙补偿减速等伺服调整，所以后续在最初的方案上进行了优化，对速度控制单元中的速度环增益微调电位器进行了调整。这样就确保了速度环的增益尽可能地达到振荡的基线，从而有效地改善象限突起的情况。
从图 2（b）的分析来看，顺时针时呈现椭圆形，逆时针时呈现“8”字形，两种变形分别顺着 45°和 135°的方向拉伸而变形。旋转中出现的拉伸变形使轴向发生变化。由于拉伸变形随着机床的进给率变化而发生变化，因此说明 X 轴和 Y 轴在垂直度差抑或是存在伺服不匹配的情况。为了对其进行处理，该小组通过对其成因进行分析和研究后发现，之所以伺服不匹配，主要是因为 X 轴和 Y 轴之间的伺服环增益之间不匹配，使得一根轴比一根轴超前，进而在顺时针时呈现椭圆形。经过计算，图 1 中的伺服不匹配数值是-6.29 s。当进给倍率相同时，对 X 轴和 Y 轴的粉碎误差进行细致观察后，发现 Y 轴在平稳进给过程中，其跟随误差值的变化是在个位数之内，而相同情况下，X 轴在平稳进给过程中，其跟随误差值的变化则处于百位数范围之内，因此说明其跳动的范围较大。通过现场分析和研判，发现导致 X 轴和 Y 轴较大跟随误差值的原因，主要是 X 轴和 Y 轴的伺服环增益与滑动情况的出现，以及丝杆螺母副的传动阻尼大小不一，导轨滚动体在松紧程度上不同等，这些都是属于机械因素。在现场分析和研判中，因为发现 X 轴的导轨润滑情况良好，整个运行过程中都附有油膜，所以就将润滑不良的可能性排除。考虑到机械调整中拆卸的部件较多，小组成员为了减少机电调整的麻烦，在电气控制过程中，采取增加 Y 轴的伺服环增益的方式，以弥补机械的不良变化。随后小组成员对 FANUC 系统的参数进行查看，发现其全部轴的伺服环增益均是同一参数。为避免泄密，本次修正中，维修小组首先将伺服环增益参数设置为 2000 s-1（实际参数涉密）。因为这样无法采取改变某个轴的增益参数的方式，所以随后小组尝试性地将全部轴的伺服环增益增加到 4000 s-1（实际参数涉密），最后得出图 3 所示的轨迹。从图 3 可以看出，圆形轨迹得到了明显的改善和优化，伺服不匹配的情况也降为-3.85 ms。但是随后又发现 X 轴在定位中的过冲现象较为明显，其圆度误差值不减反增，尤其是 GO3 逆时针旋转到 45°和 GO2 顺时针旋转到 135°时，存在明显的严重的锯齿形区域，且此时形成的碎误差值的跳动最为严重。这就说明X轴运动到这时，其机械阻尼会出现剧烈的变化，使得所有的闭环系统中的振荡十分明显。若只是简单地借助电气控制中的伺服调整，那么显显难以从根本上有效地解决有关圆度误差的问题，因此必须要将导致震荡的机械因素找出来。 图 3
第三步，通力合作，排除故障。在经过对误差原因进行综合分析的基础上，维修小组通力合作，制定故障排除方案，有效地改善了圆度误差。将 X 轴的护板拆开，并用手将丝杆盘动。在之前发现的锯齿形区域中，可以明显地感觉到摩阻力在增加，随后对丝杆螺母副的工作情况进行检查，检查后发生其工作正常，对四个导轨滚动体的松紧度进行调整，但是并没有改变情况。随后小组成员对拆下的滚动体进行检查，发现其中的一块滚动体中的滚柱从安装处斜插出来，并挤在导轨和滚动体之间。由此发现这个滚柱在工作台中随着导轨的移动而带来的阻碍，使得 X 轴的锯齿形区域在摩阻力上较大。若伺服环的增益设置不足，那么会导致 X 轴出现低速爬行的情况;如果将伺服环的增益设置更大，将导致 X 轴出现振荡的情况。因此，维修小组对损坏的滚动体进行重新更换和安装。当伺服环的增益大于 2900 s-1 時，发生过冲的情况。随后小组对其进行优化调整，将 2900 s-1 改为 2800 s-1。当进给倍率不变时，X 轴跟误差值赫尔维修之前比较明显下降和稳定。对其圆度进行测量，结果如图 4 所示。将图 4 和图 1 对比之后发生，其圆度误差值发生了明显的变化，同时振荡基本上也已经消除。为了将圆度误差进一步优化和完善，在笔者的帮助和提示下，学生在调整数控系统的伺服之外，还对 X 轴和 Y 轴的垂直度进行检查。维修小组实测之后，发现 X 轴和 Y 轴的垂直度是 0.02mm，发现这也是导致圆度误差的原因之一，随后将 X 轴和 Y 轴的垂直度进行调整。然后又对圆度进行测量，测量值得到了很大的改善，有效地将圆度误差进行了控制。
图 4
（四）实践总结
通过本次的实践活动，有效地锻炼了学生的实践能力。在具体的实践中，学生将所学的理论和实践知识进行有效应用，锻炼了学生的应变能力。但是本次实践也存在一些不足，一是实践的人数较少，参与实践的人员都是该班的优等生;二是学生在实践中走了一些弯路，在改进方法上没有全面地运用相关知识;三是学生容易满足。为此针对本次实践活动，笔者要求每个小组成员填写如表 1 所示的实践调研报告。
为了学生得到全面发展，针对本次实践中暴露出的问题，未来在学生实践能力培养中，需要确保所有的学生都能参加，这就需要加强与大型企业和第一生产现场之间的联系，为学生的实践锻炼提供机会。同时，我们要充分利用现有的校训基地，加强对学生进行针对性训练，并要求学生在实践中反思。结合时代发展的需求，针对性地设置相关的项目，尤其是要设置能促进学生与时俱进的训练项目，注重培养学生的创新能力。只有这样才能更好地契合学生的学习兴趣，牢固掌握机电专业技术知识，并在实践中灵活应用，从而更好地培养出现适应时代发展所需的复合型中职机电人才。
【参考文献】
[1]张 珂，张 玮，阎卫增，侯怀书.圆度误差的神经网络评定及测量不确定度研究[J].机械科学与技术，2019（3）
[2]李 巍，郭 泽.基于球杆仪的五轴机床空间圆弧误差建模及补偿方法[J].装备制造技术，2018（12）
[3]申 浩，李耀明，任丽娟，张 煌，廖科伟.基于田口法与响应曲面法的枪钻深孔加工圆度误差分析[J].工具技术，2018（11）
[4]张文彬.基于职业能力培养的中职机电专业教学模式探讨[J].南方农机，2018（19）
[5]王东霞，温秀兰，乔贵方.工件圆度误差测量不确定度评定[J].光学精密工程，2018（10）
[6]周魁喜.中职机电专业实践教学策略[J].农家参谋，2018（6）
（责编 卢建龙）