微小加工技術在本科教學實踐中的思考與實踐

劉宇等

摘 要：針對當代大學生只是擁有理論知識，而極度缺乏實際加工實踐的現象，搭建了一個實驗室的微小銑床。主要用于本科生實驗教學中，可以滿足學生自行設計零件及加工工藝，并對其進行實際的加工操作。該文從教學實踐和教學思考兩個方面對微小加工技術進行分析和探討，讓學生熟悉數控加工的基本操作，提高學生主動思考的積極性及動手能力，同時也實現了“教、學、做”的一體化教學，并指出了下一步將要做的工作。

關鍵詞：數控加工 微小加工 教學改革 實踐教學

中圖分類號：G48 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-099-02

Abstract：In view of the phenomenon that contemporary college students only have the theoretical knowledge lacking much practical practice actually， we establish a micro milling machine in the laboratory， which mainly used in undergraduate experimental courses. Students can design parts and machining technical process by themselves and operate machine tool to manufacture the parts. This paper makes analysis from two aspects of practice and thinking about micro milling， and lets students to be familiar with the basic operation of CNC machining.Then it also makes the integrated teaching of “teaching， learning and doing”be realized though encouraging students to improve their abilities to initiative and think actively. Finally， it shows what to do for the next step.

Key Words：CNC machining；Micro machining；Teaching reform；Practice teaching

目前許多金屬材料制成的三維微小零件都是在常規尺寸的超精密機床上加工而成的，這些機床成本高、效率低、能耗大、主軸轉速相對較低，難以滿足微小零件的加工要求。而微小型機床不僅有助于提高利用空間利用率和降低成本，而且由于慣性減小，從而容易達到高速加工和高精度運動控制。在本科生的教學過程中，使用大型機床教學相對較為困難，而微小機床則相對容易。因此，該文針對本科生教學，使用微小機床進行數控操作，并且編制淺顯易懂的操作界面，讓學生可以容易的對機床進行操作，實現所要求的教學目的。

1 微小機床的介紹

微小機床主要有4類：微小車床、微小銑床、微小鉆床、微小車銑床。目前國內主要以微小銑床居多，包括上海交通大學、哈爾濱工業大學、東北大學等多所學校都進行了相關方面的研究，也有部分學校建立了小型機床的實驗室，用于學生的創新設計、加工小型零件等方面。

微小機床作為實驗教學的一個設備，不僅需要一定的相對穩定可靠機械結構，還需要通俗易懂的編程界面去直觀的顯示當前的運動狀態等參數。通常微小機床測試采集系統所需要的一些附加設備有磁力表座、激光傳感器、力錘、信號采集卡等。

2 微小銑床試驗臺的建設

2.1 系統組成

為了方便對本科生進行教學，在進行微小銑削技術介紹時應當遵循簡單易懂的標準，同時還必須符合通用微小機床各方面的性能要求，方便學生進行操作，且一般不會受到傷害，不會對設備造成破壞。因此微小銑削的教學系統應當具備如下特點：（1）完備的機械結構，能夠滿足學生在實驗室微銑床上面進行簡單的零件切削加工；（2）完備的數控系統，能夠實現絕大多數的切削加工形式，比如切槽，切圓弧等；（3）完備的運動模式，不僅能夠實現高速和低速的手動運行，還可以實現精確的點位運動，更有直線插補和圓弧插補兩種插補方式，滿足試驗的精度要求；（4）簡單的操作界面，通俗的操作方式，符合學生加工零件的思路的界面，讓學生能夠快速地學會使用微小機床的加工操作。

為了適應本科生教學，進行了微小銑削方面的研究，開發了一臺微小銑床，并設計一套運動控制系統。具體結構如圖1所示。此微小機床的部分參數如下：（1）機床的整體結構為450×650×700 mm；（2）三個方向的運動行程為150×50×80 mm；（3）機床所采用的是日本THK公司所生產的導軌，采用滾珠絲杠方式驅動；（4）Z軸配有雷尼紹公司的光柵尺，分辨率為0.1 um；（5）三個軸均采用日本東方電機的5相步進電機驅動。

2.2 試驗臺在教學中的應用及實現

2.2.1 實驗室微小銑床的硬件建設

本實驗臺位于新機械樓五樓，配備有專門的實驗室及專門的工控機。工控機上面已經安裝好所需要的運動控制程序，并與微小銑床完好連接。實驗室由一名實驗老師及兩名助理共同管理，并對實驗設備進行日程維護，保證設備可以正常運行。

2.2.2 實驗指導手冊的編寫

本實驗指導手冊主要參考《GTS系列運動控制器編程手冊》及《GTS-400-PV（G）-PCI系列運動控制器用戶手冊》編寫，從最簡單的操作入手，簡單，通俗易懂，遵循適用原則，目的是提升學生使用微小銑床的操作能力，能夠對簡單零件的加工有一定的了解，還能夠自行設計簡單微小零件并進行加工，同時還可以提高學生的動手能力以及團隊協作精神，對一個零件的加工方式進行討論，綜合對比后給出一套好的方案，通過實際加工進行確認優劣。

2.2.3 實驗老師及助理的培訓

因為所開發的微小銑床及控制系統是由實驗室自己開發的，需要對負責的實驗老師及助理進行培訓才能徹底明白系統的原理，如果出現一些意外的故障時能夠沉穩的進行處理。而培訓則主要以對系統的熟悉為主，調整參數以盡可能的了解微小銑床的加工性能指標，能夠在不同的材料和不同的加工工況下做出最好的加工方案，并且能夠熟練地使用演示程序讓學生能夠直觀的觀測到微小銑床的實際加工過程，指導學生使用微小銑床進行簡單的加工。在上課時，還需要能夠緊緊抓住學生的興趣所在，掌握學生學習的工作進度，對于學生所遇到的問題，能夠做到心中有數，并及時做好學生實踐加工的指導工作。

2.2.4 整理素材

由于數控加工是一門涉及到多學科的東西，知識面非常廣泛，學生在學習實踐加工的過程中，要想迅速形成比較清晰的記憶脈絡是比較困難的，對加工的代碼應用也不會太明確。因此，實習老師應該在實驗前準備好一定的素材，比如先在紙上畫好一定形狀的圖形，以便學生能夠有一個明確的目標，引導學生進行有目的地設計方案。還需要根據學生的學習進度擬定好一定層級的加工工件圖，由易到難，由簡單到復雜，由淺入深，分層次、分水平，循序漸進地引導學生逐步熟悉微小機床的操作步驟，直到能夠獨立地對一個給定零件進行加工工藝的分析并能夠獨立自主進行工藝加工過程的擬定。

2.2.5 過程化的考核

作為本科生的一個實驗教學，則需要進行一定的考核，目的是為了督促學生能夠積極主動地完成給定的加工任務，熟練掌握機床的操作這一基本的技能。因此在上課前也需要學生對每次實驗的內容進行一定的預習，重新溫習一下之前上課所學到的理論知識。在實驗課上，通過與理論課上所看所學進行一定的結合，也能夠對學生的學習狀態有更深的了解，可以有針對性地對學生進行指導。

實驗課學生學到的不僅僅是理論，更應該是操作技能的提高。所以在實驗課上，不僅要教會學生如何正確的進行操作，在不犯重大錯誤的情況下應鼓勵學生積極進行加工方式的創新，不怕學生犯錯誤。只有深入了解了某些錯誤造成的后果，才會對正確的操作有更加深刻的印象。所以，在考核的時候不應只是對加工結果的評比，而應該是包含操作正確性、規范性及加工質量的結合，最終綜合出一個合理公正的結果。

同時過程化考核的最終成績由學生自我評價、小組評價和教師的考核評價三部分共同組成，爭取做到客觀、公正、全面，要讓學生達到讓理論課上學得到知識得到淋漓盡致的發揮，結合學習情況和實踐操作，讓學習效果得到進一步提升。

3 微小銑削技術在本科教學實踐的思考

3.1 該項研究的特點和價值

該項實驗室微小銑削技術的本科教學應用，作用廣泛，意義重大，主要有以下幾個方面。

（1）本科生對于大型數控機床包括車、銑、刨、磨、鉆、鏜等接觸的都比較少，加上大型機床的價格都相對較高，維護也較難，學生平時也更少有機會親自去操作機床加工一定的零件。在這個微小銑床上，設備的維護容易，學生也將會有較多的機會去真正的實際加工工件，切身體會機械加工的難易，也能培養學生對整個數控加工過程的理解。

（2）在此微小銑床上，由于其加工工件的尺寸一般限制在較小的尺寸上，所需要花費的金錢也相對較少，所以可以允許學生發揮自己的想象力，設計出一些樣式新穎的工件，或者對已有的工件圖紙設計新的加工工藝，對比不同的方案，切實感受加工結果。

（3）對于多年從事數控機床的老師而言，他們可以對此數控系統進行一定的指導和修改，更加方便的為學生服務，設計出更加滿足學生使用的數控加工程序。

（4）對于那些對數控加工或者對程序編程特別感興趣的同學來說，實驗室的微小銑床給了他們這樣一個機會去施展自己的才華。一方面他們可以改進現有的數控系統程序，使得加工效率更高或者加工質量更高；另一方面也可以通過自己設定的加工參數得到最后的工件，努力對加工過程進行優化，讓數控加工的結果更加滿意。

3.2 目前存在的問題

該實驗所采用的運動控制系統是基于固高公司的GTS-400通過C#運動控制卡所編寫的，對于運動控制卡所提供的底層函數的使用還不是特別的得心應手，部分程序可以得到進一步的優化。所使用的操作界面也可以經過多數學生的反饋進一步改進，更加符合大家操作的習慣，突出需要強調的部分，對于那些可以不要的功能也可以進行適當的精煉。

3.3 下一步進行的工作

針對固高公司所提供的底層函數應用不夠，需要做一定的工作對底層函數進行深刻的認知，然后對數控系統的程序進行優化；在操作界面方面需要廣泛聽取各方面的意見，并且參考西門子或者FANUC數控系統的界面進行修改，添加一些機床各個方面的狀態顯示及故障顯示，保證能夠及時對學生的誤操作進行提醒；將微小銑床加工的零件和通用數控銑床加工的零件進行對比，比較加工效率和加工質量及單體零件價格等，分析微小銑床在加工零件時的優點與缺點。

4 結語

本教學實踐在實驗室里進行了微小數控銑床的搭建及控制系統的設計，使得讓學生實際操作機床變得切實可行，也順應了時代潮流對大學生的要求，提高了學生對數控機床的認識，提高了其操作微小機床的能力，讓學生在課堂上學到的理論知識有了實踐的機會，也使學生對數控加工的過程從認知到理解再到實際的操作，實現了“教、學、做”的一體化教學。

該實驗室搭建微小銑床是一個與時俱進的過程，可根據實際的需求進行不斷地調整與改進，對學生的實踐能力有無可限量的提高。還可以激發學生對數控加工及編程的熱愛，促使學生進行科技創新，自行設計所需要的精密的微小零件，并通過自己的所知所學將其加工出實物，能大幅提高學生的科研能力。

參考文獻

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