個人便攜式數(shù)控機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☆

個人便攜式數(shù)控機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)機電與控制工程學(xué)院 廣東深圳 518060

個人便攜式數(shù)控機床具有安全、高效、經(jīng)濟等特點，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)是一門實踐性極強的課程，如果沒有上機操作時間保障，相關(guān)課程就形同虛設(shè)。如何給學(xué)生創(chuàng)造必要的上機操作實踐學(xué)時，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、擔不起。

(1)買不起：數(shù)控機床價格昂貴，很多學(xué)校買不起。即使是發(fā)達國家的高等院校也無法做到讓學(xué)生按需使用數(shù)控機床。

(2)養(yǎng)不起：數(shù)控機床需要大面積、高潔凈環(huán)境的場地，修理、日常維護費用高，很多學(xué)校養(yǎng)不起。

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

(4)擔不起：數(shù)控機床按程序工作，一旦有誤，危害性遠大于普通機床，輕則損機，重則傷人，其經(jīng)濟責任或人身傷害的責任，任課教師承擔不起，學(xué)校也承擔不起。

面對以上困擾，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)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀是學(xué)時不足，總體教學(xué)效果欠佳。

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

1 設(shè)備簡介

PPCNC是一種專門針對數(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機作為數(shù)控系統(tǒng)，用自行開發(fā)的數(shù)控軟件界面進行加工操作，具有自動、手動直接輸入操作模式以及刀偏設(shè)置、刀路模擬、診斷等機床顯示狀態(tài)(如圖2所示)。鑒于對國內(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、代木作為加工對象進行機床總體設(shè)計，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

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)機床尺寸：長×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+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

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

(1)造價低：該設(shè)備的造價僅為普通工業(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，主軸功率小，刀具工作范圍小且有護罩保護，設(shè)備運動部件細小，基本不會出現(xiàn)傷及操作人員的情況，消除了誤操作對學(xué)生造成傷害的擔憂。

(3)場地要求低：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和操控計算機。

(4)維護費低、耗材省：PPCNC在正常使用狀態(tài)下不用特別維護，平均耗電30 W，每個加工實例可在50 mm×50 mm×10 mm的塑料(或代木)上完成(材料費用僅0.5元)。

以上特點，可使本文所述的4種困擾，一并消弭。

3 應(yīng)用實例

我校在自制的PPCNC教學(xué)平臺上，根據(jù)數(shù)控加工技術(shù)的要求和本機床的特點，開發(fā)了一些教學(xué)應(yīng)用實例，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)備和個人數(shù)控機床的實驗教室(如圖3所示)。教師在現(xiàn)場授課后，多名學(xué)生在同一教室、同一時間觀看教學(xué)示例錄像并通過耳機聽講解，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給35名學(xué)生授課、示范及逐個指導(dǎo)加工作業(yè)等教學(xué)任務(wù)。

圖3

實驗表明，在這種教學(xué)環(huán)境中，學(xué)生通過15～20學(xué)時的學(xué)習(xí)，即可掌握數(shù)控加工的基本技術(shù)，上機制作諸如3D五角星、風扇葉片曲面、銅鑰匙等工件(如圖4所示)。據(jù)筆者了解，在國內(nèi)現(xiàn)行數(shù)控教學(xué)實踐中，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、材料、場地、電耗以及其他消耗品的案例尚屬罕見。

圖4

4 教材建設(shè)

筆者認為，對于本科生，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，在我國現(xiàn)有的教學(xué)條件下，學(xué)校無法提供足夠的學(xué)時、機時讓學(xué)生去對數(shù)控加工的每個細節(jié)都進行深入鉆研，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。

我們在廣泛深入研究數(shù)控加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了國內(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機的專用數(shù)控操作軟件界面，將最基本的自動運行模式、手動直接輸入命令模式、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，并編制了詳細的使用說明書。編寫并錄制了一套具有多個教學(xué)案例的電子版多媒體教材，學(xué)生可以先在計算機顯示屏上觀看典型工件的建模、刀路設(shè)計的錄像，同時從耳機中聽到配音解說。然后在與計算機顯示器并排放置的個人便攜式機床上進行加工。

在實驗教學(xué)計劃中，設(shè)置了5個典型工件和1個自選工件的教學(xué)內(nèi)容。每次課3～4個學(xué)時，其中教師講課1個學(xué)時，學(xué)生看錄像和設(shè)計刀路1個學(xué)時，學(xué)生加工典型零件及清理設(shè)備1～2個學(xué)時。

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PPCNC的機械系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、操作軟件進行了多次改進和完善。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)生在一臺個人計算機上，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)控機床操作的實踐環(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)生對掌握數(shù)控加工技術(shù)所需要的時間明顯減少，對數(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強度明顯下降，使數(shù)控加工教學(xué)進入一個近乎學(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)計和測算：在試驗教室持續(xù)6周的運行時間內(nèi)，為91名機械專業(yè)大三學(xué)生提供了1 953人/學(xué)時的上機操作時間，學(xué)生自行設(shè)計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值約200元；金屬鑰匙批100條，價值30元，損壞刀具10支，價值20元。按單機功耗(計算機+PPCNC)150 W計，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項合計費用420.75元，平均每名學(xué)生費用為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作為實訓(xùn)設(shè)備的教學(xué)模式，更為直觀、易懂。PPCNC與計算機顯示屏幕可并列放在課桌上，在PPCNC的MDI模式下，通過計算機鍵盤可直接輸入G指令，按鍵盤的回車鍵后，立即可以看到機床的動作，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，為普及和提高我國數(shù)控加工技術(shù)的教學(xué)和應(yīng)用水平提供了一個嶄新的平臺。其獨到的結(jié)構(gòu)設(shè)計，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。

本機床于2011年同時申請了發(fā)明和實用新型專利，實用新型專利已于2011年8月授權(quán)(專利號：ZL2011 2 0063558.6，國際申請?zhí)枺篜TC/CN2011/081945)。

PPCNC的應(yīng)用除可使機械專業(yè)的學(xué)生受益外，也可成為向非機專業(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，成為提高學(xué)生實踐技能的有力工具。

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。