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

苗杰

（西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500）

0 引 言

課堂教學(xué)中，學(xué)生初次接觸數(shù)控技術(shù)，對實物沒有深刻的認(rèn)識。傳統(tǒng)課堂中圖片、視頻等形式很難滿足學(xué)生深入了解數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜運動過程的需求，大型數(shù)控設(shè)備無法進(jìn)入數(shù)控技術(shù)及裝備知識講解的理論課堂。在數(shù)控加工現(xiàn)場設(shè)備存在噪聲，影響老師在加工現(xiàn)場講解數(shù)控技術(shù)理論知識的教學(xué)質(zhì)量，由于存在安全隱患，有些動作細(xì)節(jié)即使是利用數(shù)控設(shè)備實際操作演示，學(xué)生也不易觀察清楚。即使制造出實物的數(shù)控技術(shù)演示教具，由于數(shù)控設(shè)備往往需要機(jī)械與電子部分相互結(jié)合，其運動的復(fù)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(jìn)行更換，在教學(xué)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(gòu)實驗室，但是現(xiàn)有高校對慧魚創(chuàng)意結(jié)構(gòu)實驗室的應(yīng)用往往僅限于幫助在校大學(xué)生加深對各種機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，以及把一些結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列，涵蓋了機(jī)械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學(xué)科，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)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(shè)計構(gòu)思和實驗分析，可以實現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬，從而為實驗教學(xué)、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(lǐng)學(xué)生參加第六屆全國大學(xué)生機(jī)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(shè)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(fù)拆裝的同時不影響模型結(jié)合的精確度；構(gòu)件的工業(yè)燕尾槽專利設(shè)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(wù)分配給相近領(lǐng)域教學(xué)的幾所院校，通過院校把可以準(zhǔn)確表達(dá)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(guān)程序在公共平臺進(jìn)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(shù)教學(xué)過程中存在的傳統(tǒng)教學(xué)方式表現(xiàn)力不夠、加工現(xiàn)場教學(xué)效果欠佳等問題。

現(xiàn)將我校在這種教學(xué)模式下的探討與實踐舉例，進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)E 連接，電機(jī)E下方安裝開關(guān)F,搭載4 個刀座的圓盤形齒輪、電機(jī)E 及蝸桿A、開關(guān)F 構(gòu)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(dǎo)軌上，左側(cè)與氣缸相連,氣缸安裝在導(dǎo)軌左側(cè)上，氣缸與氣動馬達(dá)聯(lián)接；主軸部分，蝸桿B 與電機(jī)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(shè)置有開關(guān)A、開關(guān)B 和開關(guān)C；工作臺安置在蝸桿滑塊機(jī)構(gòu)上，蝸桿D 與電機(jī)C 連接，蝸桿滑塊機(jī)構(gòu)及電機(jī)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(jī)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(shè)置開關(guān)E 和開關(guān)D，在工作臺上安裝卡盤、電機(jī)B 和虎鉗，在控制臺上安置4 個開關(guān)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(guān)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(gòu)示意圖

2 操作流程

2.1 回原點

按動控制臺上開關(guān)A，電機(jī)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(guān)B 后停止。工作臺先后在由電機(jī)C 和電機(jī)D 帶動的蝸桿滑塊作用下，通過行程開關(guān)D 和行程開關(guān)E 限位，到達(dá)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(guān)B，氣動馬達(dá)啟動，刀庫在氣缸的帶動下到達(dá)主軸下方，蝸桿A 在電機(jī)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(jī)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(guān)A 后停止，到達(dá)機(jī)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(guān)B 后停止，主軸在電機(jī)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(guān)C，氣動馬達(dá)啟動，刀庫在氣缸的帶動下到達(dá)主軸下方，電機(jī)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(guān)A 后停止，電磁鐵斷電，把刀具安置在刀座上，電機(jī)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(guān)B 后停止，蝸桿A 在電機(jī)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(jī)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(guān)A 后停止，到達(dá)機(jī)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(guān)B 后停止，主軸在電機(jī)F 的帶動下正轉(zhuǎn)，氣動馬達(dá)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(guān)D，主軸正轉(zhuǎn)，通過控制主軸螺桿的電機(jī)A，控制卡盤的電機(jī)B，控制工作臺螺杠B和螺桿C 的電機(jī)C 和電機(jī)D 與各個限位開關(guān)，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(guān)與各用電器的配合，通過單片機(jī)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(guān)來實現(xiàn)各銑刀到達(dá)換刀點位置時的準(zhǔn)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(gòu)連接方式的照片（圖2）與程序圖（圖3），講解相關(guān)理論知識院校進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(jìn)行維修。

圖2 結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)共享模式下的新式教學(xué)體系展望

通過在講解相關(guān)數(shù)控設(shè)備知識的院校中進(jìn)行任務(wù)分配的方式，建立網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)各慧魚創(chuàng)意組合模型搭載出的數(shù)控設(shè)備教具連接方式與相關(guān)程序的共享，通過各合作院校在網(wǎng)絡(luò)平臺上對相關(guān)文件的下載，與各院校自身慧魚創(chuàng)意結(jié)構(gòu)實驗室?guī)ш犂蠋熍c學(xué)工助理參照相關(guān)文件進(jìn)行教具搭建，建立起數(shù)控技術(shù)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(bǔ)，不需要專業(yè)的人員與設(shè)備，極大地節(jié)約了成本并利用了各高校的現(xiàn)有教學(xué)資源。我們設(shè)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(yù)期的功能，整體設(shè)計貼近實際。在我校的數(shù)控制造技術(shù)課堂開設(shè)的試點中與“慧魚教具走入課堂”教學(xué)計劃中均取得了很好的成果，受到了教師與學(xué)生的一致好評。

4 結(jié) 論

針對現(xiàn)有機(jī)械專業(yè)相關(guān)工科院校教學(xué)中存在的學(xué)生對于大型數(shù)控設(shè)備缺乏感性認(rèn)知；傳統(tǒng)課堂圖片視頻教學(xué)手段無法滿足學(xué)生對數(shù)控技術(shù)的學(xué)習(xí)的需求；加工現(xiàn)場噪音嘈雜，學(xué)生不易仔細(xì)觀察數(shù)控設(shè)備加工過程以及實物教具機(jī)電一體化程度較高，發(fā)生損壞難以進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)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(shè)計構(gòu)思和實驗分析，在機(jī)械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬。特提出了一種新的數(shù)控技術(shù)教具的制作方式與推廣體系。

通過相關(guān)院校把基于慧魚創(chuàng)意組合模型制作出的數(shù)控技術(shù)演示教具的相關(guān)圖片、程序信息在公共網(wǎng)絡(luò)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(fù)拆裝的同時不影響模型結(jié)合的精確度；構(gòu)件的工業(yè)燕尾槽專利設(shè)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(jī)電一體化程度較高的數(shù)控技術(shù)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(shù)課堂開設(shè)的試點中與"慧魚教具走入課堂"教學(xué)計劃中的實際應(yīng)用，說明了該種教具制作推廣手段的可行性與先進(jìn)性。

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