個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床的研制及其在教學(xué)中的應(yīng)用

王華權(quán) 王 釗

深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院 廣東深圳 518060

☆現(xiàn)代教育技術(shù)與裝備☆

個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床的研制及其在教學(xué)中的應(yīng)用

王華權(quán) 王 釗

深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院 廣東深圳 518060

個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，廣泛適用于大專院校的數(shù)控加工教學(xué)及培訓(xùn)。學(xué)生在安全輕松的環(huán)境中學(xué)習(xí)數(shù)控加工技術(shù)，有利于掌握數(shù)控加工技術(shù)，激發(fā)創(chuàng)新性技能。

數(shù)控機(jī)床；數(shù)控加工；教學(xué)

Abstract: Personal portable CNC machine tool has many characteristics, such as safe, economic, save energy, and so on. It can be widely applied in learning/training of CNC machining tools in university. PPCNC can provide a safe and relaxing environment for students to learn the CNC machining technology. It is good tool for students to master CNC machining technology.

Key words: CNC machine tool; CNC technology; learning

數(shù)控加工技術(shù)是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，如果沒有上機(jī)操作時(shí)間保障，相關(guān)課程就形同虛設(shè)。如何給學(xué)生創(chuàng)造必要的上機(jī)操作實(shí)踐學(xué)時(shí)，是普及數(shù)字化加工技術(shù)的關(guān)鍵所在。

數(shù)控技術(shù)教育面臨4種困擾，即：買不起、養(yǎng)不起、用不起、擔(dān)不起。

(1)買不起：數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，很多學(xué)校買不起。即使是發(fā)達(dá)國(guó)家的高等院校也無法做到讓學(xué)生按需使用數(shù)控機(jī)床。

(2)養(yǎng)不起：數(shù)控機(jī)床需要大面積、高潔凈環(huán)境的場(chǎng)地，修理、日常維護(hù)費(fèi)用高，很多學(xué)校養(yǎng)不起。

(3)用不起：數(shù)控機(jī)床加工的原材料、能源、刀具及輔料的消耗大，很多學(xué)校付擔(dān)不起這筆費(fèi)用。

(4)擔(dān)不起：數(shù)控機(jī)床按程序工作，一旦有誤，危害性遠(yuǎn)大于普通機(jī)床，輕則損機(jī)，重則傷人，其經(jīng)濟(jì)責(zé)任或人身傷害的責(zé)任，任課教師承擔(dān)不起，學(xué)校也承擔(dān)不起。

面對(duì)以上困擾，各院校(除培養(yǎng)操作人員的職業(yè)技術(shù)院校外)數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀是學(xué)時(shí)不足，總體教學(xué)效果欠佳。

經(jīng)過近幾年的潛心研究，筆者研制出個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床(以下簡(jiǎn)稱PPCNC)并總結(jié)了其獨(dú)特的教學(xué)方式，解除了上述諸多困擾。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

PPCNC是一種專門針對(duì)數(shù)控加工教學(xué)用途研發(fā)的教學(xué)設(shè)備(如圖1所示)。

圖1

該設(shè)備以PC機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，用自行開發(fā)的數(shù)控軟件界面進(jìn)行加工操作，具有自動(dòng)、手動(dòng)直接輸入操作模式以及刀偏設(shè)置、刀路模擬、診斷等機(jī)床顯示狀態(tài)(如圖2所示)。鑒于對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有數(shù)控加工教學(xué)現(xiàn)狀的了解以及數(shù)控加工技術(shù)教育核心任務(wù)的深入思考，筆者確定以塑料、代木作為加工對(duì)象進(jìn)行機(jī)床總體設(shè)計(jì)，加工精度定為0.02 mm，以能滿足數(shù)控加工核心內(nèi)容的學(xué)習(xí)要求。經(jīng)過多年的研究和師生試用，PPCNC已經(jīng)具備了承擔(dān)數(shù)控加工教學(xué)和大專院校工程訓(xùn)練(數(shù)控加工部分)教學(xué)任務(wù)的功能。

圖2

2 主要技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)工作行程：X軸66 mm，Y軸40 mm，Z軸66 mm。

(2)機(jī)床尺寸：長(zhǎng)×寬×高=400 mm×250 mm×250 mm。

(3)重復(fù)精度：0.02 mm。

(4)控制系統(tǒng)：PC機(jī)+控制軟件+USB接口。

(5)工作速度：600 mm/min(G0指令下)。

(6)主軸轉(zhuǎn)速：4000 r/min(空載)。

(7)電源：24 V；30 W。

(8)重量：10 kg。

2.2 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，利用PPCNC進(jìn)行數(shù)控加工教學(xué)，具有以下特點(diǎn)：

(1)造價(jià)低：該設(shè)備的造價(jià)僅為普通工業(yè)用數(shù)控銑床的1/20～1/10。

(2)安全性好：該設(shè)備采用24 V直流供電，無須設(shè)置漏洞保護(hù)，主軸功率小，刀具工作范圍小且有護(hù)罩保護(hù)，設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件細(xì)小，基本不會(huì)出現(xiàn)傷及操作人員的情況，消除了誤操作對(duì)學(xué)生造成傷害的擔(dān)憂。

(3)場(chǎng)地要求低：PPCNC可置于教學(xué)課桌上，供學(xué)習(xí)使用。100 m2的教室可放置50套PPCNC和操控計(jì)算機(jī)。

(4)維護(hù)費(fèi)低、耗材?。篜PCNC在正常使用狀態(tài)下不用特別維護(hù)，平均耗電30 W，每個(gè)加工實(shí)例可在50 mm×50 mm×10 mm的塑料(或代木)上完成(材料費(fèi)用僅0.5元)。

以上特點(diǎn)，可使本文所述的4種困擾，一并消弭。

3 應(yīng)用實(shí)例

我校在自制的PPCNC教學(xué)平臺(tái)上，根據(jù)數(shù)控加工技術(shù)的要求和本機(jī)床的特點(diǎn)，開發(fā)了一些教學(xué)應(yīng)用實(shí)例，制作了音像教學(xué)資料，建成了面積110 m2，擁有36套配有多媒體設(shè)備和個(gè)人數(shù)控機(jī)床的實(shí)驗(yàn)教室(如圖3所示)。教師在現(xiàn)場(chǎng)授課后，多名學(xué)生在同一教室、同一時(shí)間觀看教學(xué)示例錄像并通過耳機(jī)聽講解，邊學(xué)邊做，互不干擾。采用此方法，僅1名教師即可完成同時(shí)給35名學(xué)生授課、示范及逐個(gè)指導(dǎo)加工作業(yè)等教學(xué)任務(wù)。

圖3

實(shí)驗(yàn)表明，在這種教學(xué)環(huán)境中，學(xué)生通過15～20學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)，即可掌握數(shù)控加工的基本技術(shù)，上機(jī)制作諸如3D五角星、風(fēng)扇葉片曲面、銅鑰匙等工件(如圖4所示)。據(jù)筆者了解，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)行數(shù)控教學(xué)實(shí)踐中，能為所有參加數(shù)控加工學(xué)習(xí)的學(xué)生提供完成如此復(fù)雜程度工件所需的設(shè)備工時(shí)、材料、場(chǎng)地、電耗以及其他消耗品的案例尚屬罕見。

圖4

4 教材建設(shè)

筆者認(rèn)為，對(duì)于本科生，數(shù)控加工學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)應(yīng)以掌握數(shù)控加工核心技術(shù)和基本概念為主，在我國(guó)現(xiàn)有的教學(xué)條件下，學(xué)校無法提供足夠的學(xué)時(shí)、機(jī)時(shí)讓學(xué)生去對(duì)數(shù)控加工的每個(gè)細(xì)節(jié)都進(jìn)行深入鉆研，也沒有必要讓學(xué)生去作此鉆研。工業(yè)數(shù)控機(jī)床的諸多功能在本科階段基礎(chǔ)的數(shù)控加工教學(xué)中均不可能涉及，在教育裝備和教材中存在取舍的空間。

我們?cè)趶V泛深入研究數(shù)控加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了國(guó)內(nèi)外主流數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商的數(shù)控操作面板，提取了最核心、最基本的功能要素，自行編寫了一套基于PC機(jī)的專用數(shù)控操作軟件界面，將最基本的自動(dòng)運(yùn)行模式、手動(dòng)直接輸入命令模式、刀具偏置模式、刀路模擬模式以及診斷模式等納入軟件的控制界面中，并編制了詳細(xì)的使用說明書。編寫并錄制了一套具有多個(gè)教學(xué)案例的電子版多媒體教材，學(xué)生可以先在計(jì)算機(jī)顯示屏上觀看典型工件的建模、刀路設(shè)計(jì)的錄像，同時(shí)從耳機(jī)中聽到配音解說。然后在與計(jì)算機(jī)顯示器并排放置的個(gè)人便攜式機(jī)床上進(jìn)行加工。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃中，設(shè)置了5個(gè)典型工件和1個(gè)自選工件的教學(xué)內(nèi)容。每次課3～4個(gè)學(xué)時(shí)，其中教師講課1個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)生看錄像和設(shè)計(jì)刀路1個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)生加工典型零件及清理設(shè)備1～2個(gè)學(xué)時(shí)。

5 應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)多年試用，筆者獲得了寶貴的第一手資料，依據(jù)這些資料，對(duì)PPCNC的機(jī)械系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、操作軟件進(jìn)行了多次改進(jìn)和完善。經(jīng)過部分教師和學(xué)生開設(shè)專門課程試用，效果良好。

在Windows操作系統(tǒng)中，學(xué)生在一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)上，通過切換界面，在看完音像教材的范例后，立即可以嘗試完成從設(shè)計(jì)工件、編制加工刀路、生成加工代碼，到最終在PPCNC上制作出工件的全部過程。學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生感受到了“玩玩具”的樂趣，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

相比現(xiàn)行的將數(shù)控原理理論教學(xué)環(huán)節(jié)與使用數(shù)控機(jī)床操作的實(shí)踐環(huán)節(jié)分離的教學(xué)模式，此種教學(xué)方式的教學(xué)效率明顯提高，學(xué)生對(duì)掌握數(shù)控加工技術(shù)所需要的時(shí)間明顯減少，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)理解程度明顯深化，教師和學(xué)生的腦力及體力勞動(dòng)強(qiáng)度明顯下降，使數(shù)控加工教學(xué)進(jìn)入一個(gè)近乎學(xué)生自學(xué)，而且是邊學(xué)、邊做、邊玩的學(xué)習(xí)方式。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)和測(cè)算：在試驗(yàn)教室持續(xù)6周的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，為91名機(jī)械專業(yè)大三學(xué)生提供了1 953人/學(xué)時(shí)的上機(jī)操作時(shí)間，學(xué)生自行設(shè)計(jì)并完成了指定的雕刻作品1件、三維斜平面加工零件1件、三維曲面加工作品1件、凹凸配合工件1套、配制鑰匙1把、自選加工作品1件。嘗試使用了塑料、代木和軟金屬等材料。學(xué)生自選零件的部分樣品如圖5～圖7所示。

圖5

圖6

圖7

91名學(xué)生共消耗毛坯材料價(jià)值約200元；金屬鑰匙批100條，價(jià)值30元，損壞刀具10支，價(jià)值20元。按單機(jī)功耗(計(jì)算機(jī)+PPCNC)150 W計(jì)，總共耗電251.1度，約251.1×0.68=170.75(元)。材料、刀具損耗、能源消耗，3項(xiàng)合計(jì)費(fèi)用420.75元，平均每名學(xué)生費(fèi)用為4.6元，未出現(xiàn)過傷及學(xué)生的事故，也未因誤操作造成機(jī)床損壞。

此外，這種利用PPCNC的教學(xué)模式，比先在教室上理論課然后利用工業(yè)CNC作為實(shí)訓(xùn)設(shè)備的教學(xué)模式，更為直觀、易懂。PPCNC與計(jì)算機(jī)顯示屏幕可并列放在課桌上，在PPCNC的MDI模式下，通過計(jì)算機(jī)鍵盤可直接輸入G指令，按鍵盤的回車鍵后，立即可以看到機(jī)床的動(dòng)作，便于學(xué)生理解各種G指令的含義。

6 結(jié)束語

PPCNC的研制與教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐，開創(chuàng)了一種全新的數(shù)控加工教學(xué)的新模式，為普及和提高我國(guó)數(shù)控加工技術(shù)的教學(xué)和應(yīng)用水平提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)。其獨(dú)到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使PPCNC的制造成本僅為目前在高校教學(xué)中廣泛使用的工業(yè)CNC成本的1/50～1/10，而且無安全顧慮，其教學(xué)應(yīng)用前景廣闊。

本機(jī)床于2011年同時(shí)申請(qǐng)了發(fā)明和實(shí)用新型專利，實(shí)用新型專利已于2011年8月授權(quán)(專利號(hào)：ZL2011 2 0063558.6，國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枺篜TC/CN2011/081945)。

PPCNC的應(yīng)用除可使機(jī)械專業(yè)的學(xué)生受益外，也可成為向非機(jī)專業(yè)學(xué)生及中小學(xué)生普及數(shù)控加工技術(shù)的教學(xué)平臺(tái)，成為提高學(xué)生實(shí)踐技能的有力工具。

Personal portable CNC machine tools and its application in teaching

Wang Huaquan, Wang Zhao
Shenzhen university, Shenzhen, 518060, China

2012-03-31

王華權(quán)，教授。