利用慧魚創(chuàng)意組合模型實現(xiàn)數(shù)控設備教具推廣教學的探討與實踐

苗杰

（西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

0 引 言

課堂教學中，學生初次接觸數(shù)控技術，對實物沒有深刻的認識。傳統(tǒng)課堂中圖片、視頻等形式很難滿足學生深入了解數(shù)控裝備結(jié)構及其復雜運動過程的需求，大型數(shù)控設備無法進入數(shù)控技術及裝備知識講解的理論課堂。在數(shù)控加工現(xiàn)場設備存在噪聲，影響老師在加工現(xiàn)場講解數(shù)控技術理論知識的教學質(zhì)量，由于存在安全隱患，有些動作細節(jié)即使是利用數(shù)控設備實際操作演示，學生也不易觀察清楚。即使制造出實物的數(shù)控技術演示教具，由于數(shù)控設備往往需要機械與電子部分相互結(jié)合，其運動的復雜程度與精密性，決定了教具一旦損壞，不僅維修價格高昂，而且需要找特定的廠家與零件進行更換，在教學過程中，教具在搬運與演示過程中發(fā)生損壞的現(xiàn)象屢見不鮮。

現(xiàn)在，一般的工科高校都有自己的慧魚創(chuàng)意結(jié)構實驗室，但是現(xiàn)有高校對慧魚創(chuàng)意結(jié)構實驗室的應用往往僅限于幫助在校大學生加深對各種機械傳動結(jié)構的認知，以及把一些結(jié)構進行簡單的創(chuàng)意組合。慧魚創(chuàng)意組合模型主要有創(chuàng)意組合包、培訓模型、工業(yè)模型三大系列，涵蓋了機械、電子、控制、氣動、汽車技術、能源技術和機器人技術等領域和高新學科，利用工業(yè)標準的基本構件（機械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運用設計構思和實驗分析，可以實現(xiàn)任何技術過程的還原，更可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機械設備操作的模擬，從而為實驗教學、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)流水線可行性論證提供了可能，世界知名的德國西門子、德國寶馬、美國IBM 等一大批著名公司都采用慧魚模型來論證生產(chǎn)流水線［1］。筆者通過帶領學生參加第六屆全國大學生機械創(chuàng)新大賽，在賽場上的見聞，可以得出結(jié)論：慧魚創(chuàng)意組合模型完全可以實現(xiàn)對絕大多數(shù)工科院校的數(shù)控設備的模擬，并且由于慧魚創(chuàng)意組合模型的主要部件采用優(yōu)質(zhì)尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損，可以保證反復拆裝的同時不影響模型結(jié)合的精確度；構件的工業(yè)燕尾槽專利設計使六面都可拼接［1］，可便于實現(xiàn)對損壞部件的更換。解決了實體教育容易損壞、維修不方便、價格高昂的弊端。

因此，通過把制作教具的任務分配給相近領域教學的幾所院校，通過院校把可以準確表達利用慧魚創(chuàng)意組合模型制作出來的教具的連接方式的照片與相關程序在公共平臺進行推廣的方式，實現(xiàn)各院校對本院校的慧魚創(chuàng)意組合實驗室資源的最大化利用，同時有效地解決了現(xiàn)在數(shù)控技術教學過程中存在的傳統(tǒng)教學方式表現(xiàn)力不夠、加工現(xiàn)場教學效果欠佳等問題。

現(xiàn)將我校在這種教學模式下的探討與實踐舉例，進行進一步的說明。

1 結(jié)構設計

數(shù)控加工中心換刀及加工過程演示教具由刀庫部分、主軸部分、工作臺、控制臺、銑刀和底板組成，刀庫部分為圓盤形齒輪，在其下方搭載4 個刀座，圓盤形齒輪的左側(cè)與蝸桿A 相嚙合，蝸桿A 與左側(cè)電機E 連接，電機E下方安裝開關F,搭載4 個刀座的圓盤形齒輪、電機E 及蝸桿A、開關F 構成一個整體，該整體安裝在中空方形套筒上；中空方形套筒嵌套在導軌上，左側(cè)與氣缸相連,氣缸安裝在導軌左側(cè)上，氣缸與氣動馬達聯(lián)接；主軸部分，蝸桿B 與電機A 連接；蝸桿滑塊為長條形，左右兩側(cè)各有一個通孔，2 根支撐桿分別穿過左右通孔，蝸桿滑塊在2 支撐桿上滑動，支撐桿左右兩端設置有開關A、開關B 和開關C；工作臺安置在蝸桿滑塊機構上，蝸桿D 與電機C 連接，蝸桿滑塊機構及電機C 左右兩端分別安裝在蝸桿E與蝸桿C 的兩個蝸桿滑塊上，蝸桿C 與電機D 連接，蝸桿C 的另一端與蝸桿E 外接齒輪用鏈條連接；在工作臺行程經(jīng)過部分設置開關E 和開關D，在工作臺上安裝卡盤、電機B 和虎鉗，在控制臺上安置4 個開關和燈泡；刀具由通孔四棱錐和3 mm 銑刀組成，3 mm 銑刀穿過并固定在通孔四棱錐上；底板上方搭載部件從左至右分別為支柱、開關E、蝸桿E、控制臺和蝸桿C，支柱與底板為可拆卸連接。

圖1 教具結(jié)構示意圖

2 操作流程

2.1 回原點

按動控制臺上開關A，電機A 帶動蝸桿B 轉(zhuǎn)動，主軸在蝸桿滑塊的帶動下向上運動，觸碰到行程開關B 后停止。工作臺先后在由電機C 和電機D 帶動的蝸桿滑塊作用下，通過行程開關D 和行程開關E 限位，到達x、y 軸指定的原點位置，控制臺上指示燈點亮實現(xiàn)對回原點過程的演示。

2.2 刀具裝夾

按動控制臺上開關B，氣動馬達啟動，刀庫在氣缸的帶動下到達主軸下方，蝸桿A 在電機E 帶動下旋轉(zhuǎn)，帶動圓盤形的齒輪旋轉(zhuǎn)，把所要裝夾刀具運動到主軸正下方，電機A 帶動蝸桿B 轉(zhuǎn)動，主軸在蝸桿滑塊的帶動下向下運動，觸碰到行程開關A 后停止，到達機床的換刀點，四棱錐形凹槽圓柱套筒壓住通孔四棱錐，電磁鐵通電，主軸在蝸桿滑塊的帶動下向上運動，觸碰到行程開關B 后停止，主軸在電機F 的帶動下正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對刀具的裝夾。

2.3 換刀

按動控制臺上開關C，氣動馬達啟動，刀庫在氣缸的帶動下到達主軸下方，電機A 帶動蝸桿B 轉(zhuǎn)動，主軸在蝸桿滑塊的帶動下向下運動，觸碰到行程開關A 后停止，電磁鐵斷電，把刀具安置在刀座上，電機A 帶動蝸桿B 轉(zhuǎn)動，主軸在蝸桿滑塊的帶動下向上運動，觸碰到行程開關B 后停止，蝸桿A 在電機E 帶動下旋轉(zhuǎn)，帶動刀庫旋轉(zhuǎn)，把所要裝夾刀具運動到主軸正下方，電機A 帶動蝸桿B轉(zhuǎn)動，主軸在蝸桿滑塊的帶動下向下運動，觸碰到行程開關A 后停止，到達機床的換刀點，四棱錐形凹槽圓柱套筒壓住通孔四棱錐，電磁鐵通電，主軸在蝸桿滑塊的帶動下向上運動，觸碰到行程開關B 后停止，主軸在電機F 的帶動下正轉(zhuǎn)，氣動馬達反向啟動，刀庫在氣缸的帶動下回到原位，實現(xiàn)換刀過程。

2.4 模擬加工

按動控制臺上開關D，主軸正轉(zhuǎn)，通過控制主軸螺桿的電機A，控制卡盤的電機B，控制工作臺螺杠B和螺桿C 的電機C 和電機D 與各個限位開關，實現(xiàn)四軸聯(lián)動模擬加工。

2.5 創(chuàng)新性

1）通過各行程開關與各用電器的配合，通過單片機編程，實現(xiàn)對加工中心各工作過程的演示；

2）電磁鐵下方安置四棱錐形的凹槽圓柱套筒與刀具上端相配合，自動定心，在模擬加工時帶動刀具旋轉(zhuǎn)；

3）通過刀庫轉(zhuǎn)動時刀座撞擊行程開關來實現(xiàn)各銑刀到達換刀點位置時的準確定位；

4）在刀座小徑圓環(huán)內(nèi)嵌套小磁鐵，解決了主軸把刀具安放到刀座上時電磁鐵斷電后存在的磁滯問題；

5）底板上方支柱可以拆卸，便于模塊的升級和替換。

通過在公共平臺上共享各具體結(jié)構連接方式的照片（圖2）與程序圖（圖3），講解相關理論知識院校進行下載，并且組織慧魚創(chuàng)意組合實驗室管理教師或?qū)W工助理進行組裝，便可實現(xiàn)數(shù)控教具零投資大規(guī)模的生產(chǎn)與推廣應用，同時該類教具發(fā)生損壞時可以通過替換慧魚零件來進行維修。

圖2 結(jié)構連接方式

圖3 程序圖

圖4 為本加工中心換刀及加工過程演示教具在本校試點進行課堂演示的過程。

圖4 課堂演示

3 成本分析及基于該種數(shù)控技術共享模式下的新式教學體系展望

通過在講解相關數(shù)控設備知識的院校中進行任務分配的方式，建立網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)各慧魚創(chuàng)意組合模型搭載出的數(shù)控設備教具連接方式與相關程序的共享，通過各合作院校在網(wǎng)絡平臺上對相關文件的下載，與各院校自身慧魚創(chuàng)意結(jié)構實驗室?guī)ш犂蠋熍c學工助理參照相關文件進行教具搭建，建立起數(shù)控技術教具的零成本制作與推廣體系，此類教具出現(xiàn)損壞時，可以通過更換慧魚創(chuàng)意組合模型的零件來實現(xiàn)對教具的修補，不需要專業(yè)的人員與設備，極大地節(jié)約了成本并利用了各高校的現(xiàn)有教學資源。我們設計的數(shù)控加工中心換刀及加工過程演示教具在理論上可以實現(xiàn)，在多次的模擬試驗中具備我們預期的功能，整體設計貼近實際。在我校的數(shù)控制造技術課堂開設的試點中與“慧魚教具走入課堂”教學計劃中均取得了很好的成果，受到了教師與學生的一致好評。

4 結(jié) 論

針對現(xiàn)有機械專業(yè)相關工科院校教學中存在的學生對于大型數(shù)控設備缺乏感性認知；傳統(tǒng)課堂圖片視頻教學手段無法滿足學生對數(shù)控技術的學習的需求；加工現(xiàn)場噪音嘈雜，學生不易仔細觀察數(shù)控設備加工過程以及實物教具機電一體化程度較高，發(fā)生損壞難以進行修理并且價格高昂等一系列的問題，基于慧魚創(chuàng)意組合模型實驗室在各高校的廣泛普及，及其利用工業(yè)標準的基本構件（機械元件/電氣元件/氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運用設計構思和實驗分析，在機械、電子、控制、氣動、汽車技術、能源技術和機器人技術等領域和高新學科領域內(nèi)可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機械設備操作的模擬。特提出了一種新的數(shù)控技術教具的制作方式與推廣體系。

通過相關院校把基于慧魚創(chuàng)意組合模型制作出的數(shù)控技術演示教具的相關圖片、程序信息在公共網(wǎng)絡平臺上共享的方式，實現(xiàn)零成本的慧魚教具的大范圍制作與推廣，同時由于慧魚模型具有主要部件采用優(yōu)質(zhì)尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損，可以保證反復拆裝的同時不影響模型結(jié)合的精確度；構件的工業(yè)燕尾槽專利設計使六面都可拼接，可便于實現(xiàn)對損壞部件的更換等特性，解決了機電一體化程度較高的數(shù)控技術教具在損壞時維修困難造價高昂的問題。

并且通過對我校制作的數(shù)控加工中心換刀及加工過程演示教具的介紹，與在本校數(shù)控制造技術課堂開設的試點中與"慧魚教具走入課堂"教學計劃中的實際應用，說明了該種教具制作推廣手段的可行性與先進性。

［1］ 曲凌.慧魚創(chuàng)意機器人設計與實踐教程［M］.上海：上海交通大學出版社，2007.