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1微小機(jī)床的介紹

微小機(jī)床主要有4類(lèi)：微小車(chē)床、微小銑床、微小鉆床、微小車(chē)銑床。目前國(guó)內(nèi)主要以微小銑床居多，包括上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等多所學(xué)校都進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，也有部分學(xué)校建立了小型機(jī)床的實(shí)驗(yàn)室，用于學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、加工小型零件等方面。微小機(jī)床作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)設(shè)備，不僅需要一定的相對(duì)穩(wěn)定可靠機(jī)械結(jié)構(gòu)，還需要通俗易懂的編程界面去直觀的顯示當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等參數(shù)。通常微小機(jī)床測(cè)試采集系統(tǒng)所需要的一些附加設(shè)備有磁力表座、激光傳感器、力錘、信號(hào)采集卡等。

2微小銑床試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)

2.1系統(tǒng)組成

為了方便對(duì)本科生進(jìn)行教學(xué)，在進(jìn)行微小銑削技術(shù)介紹時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循簡(jiǎn)單易懂的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還必須符合通用微小機(jī)床各方面的性能要求，方便學(xué)生進(jìn)行操作，且一般不會(huì)受到傷害，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成破壞。因此微小銑削的教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備如下特點(diǎn)：(1)完備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠滿足學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室微銑床上面進(jìn)行簡(jiǎn)單的零件切削加工；(2)完備的數(shù)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)絕大多數(shù)的切削加工形式，比如切槽，切圓弧等；(3)完備的運(yùn)動(dòng)模式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速和低速的手動(dòng)運(yùn)行，還可以實(shí)現(xiàn)精確的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，更有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)兩種插補(bǔ)方式，滿足試驗(yàn)的精度要求；(4)簡(jiǎn)單的操作界面，通俗的操作方式，符合學(xué)生加工零件的思路的界面，讓學(xué)生能夠快速地學(xué)會(huì)使用微小機(jī)床的加工操作。為了適應(yīng)本科生教學(xué)，進(jìn)行了微小銑削方面的研究，開(kāi)發(fā)了一臺(tái)微小銑床，并設(shè)計(jì)一套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。此微小機(jī)床的部分參數(shù)如下：(1)機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)為450×650×700mm；(2)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)行程為150×50×80mm；(3)機(jī)床所采用的是日本THK公司所生產(chǎn)的導(dǎo)軌，采用滾珠絲杠方式驅(qū)動(dòng)；(4)Z軸配有雷尼紹公司的光柵尺，分辨率為0.1um；(5)三個(gè)軸均采用日本東方電機(jī)的5相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2試驗(yàn)臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)

2.2.1實(shí)驗(yàn)室微小銑床的硬件建設(shè)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)位于新機(jī)械樓五樓，配備有專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室及專(zhuān)門(mén)的工控機(jī)。工控機(jī)上面已經(jīng)安裝好所需要的運(yùn)動(dòng)控制程序，并與微小銑床完好連接。實(shí)驗(yàn)室由一名實(shí)驗(yàn)老師及兩名助理共同管理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行日程維護(hù)，保證設(shè)備可以正常運(yùn)行。

2.2.2實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)的編寫(xiě)

本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)主要參考《GTS系列運(yùn)動(dòng)控制器編程手冊(cè)》及《GTS-400-PV(G)-PCI系列運(yùn)動(dòng)控制器用戶手冊(cè)》編寫(xiě)，從最簡(jiǎn)單的操作入手，簡(jiǎn)單，通俗易懂，遵循適用原則，目的是提升學(xué)生使用微小銑床的操作能力，能夠?qū)?jiǎn)單零件的加工有一定的了解，還能夠自行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單微小零件并進(jìn)行加工，同時(shí)還可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，對(duì)一個(gè)零件的加工方式進(jìn)行討論，綜合對(duì)比后給出一套好的方案，通過(guò)實(shí)際加工進(jìn)行確認(rèn)優(yōu)劣。

2.2.3實(shí)驗(yàn)老師及助理的培訓(xùn)

因?yàn)樗_(kāi)發(fā)的微小銑床及控制系統(tǒng)是由實(shí)驗(yàn)室自己開(kāi)發(fā)的，需要對(duì)負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)老師及助理進(jìn)行培訓(xùn)才能徹底明白系統(tǒng)的原理，如果出現(xiàn)一些意外的故障時(shí)能夠沉穩(wěn)的進(jìn)行處理。而培訓(xùn)則主要以對(duì)系統(tǒng)的熟悉為主，調(diào)整參數(shù)以盡可能的了解微小銑床的加工性能指標(biāo)，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(xué)生能夠直觀的觀測(cè)到微小銑床的實(shí)際加工過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)生使用微小銑床進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工。在上課時(shí)，還需要能夠緊緊抓住學(xué)生的興趣所在，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的工作進(jìn)度，對(duì)于學(xué)生所遇到的問(wèn)題，能夠做到心中有數(shù)，并及時(shí)做好學(xué)生實(shí)踐加工的指導(dǎo)工作。

2.2.4整理素材

由于數(shù)控加工是一門(mén)涉及到多學(xué)科的東西，知識(shí)面非常廣泛，學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)踐加工的過(guò)程中，要想迅速形成比較清晰的記憶脈絡(luò)是比較困難的，對(duì)加工的代碼應(yīng)用也不會(huì)太明確。因此，實(shí)習(xí)老師應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備好一定的素材，比如先在紙上畫(huà)好一定形狀的圖形，以便學(xué)生能夠有一個(gè)明確的目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有目的地設(shè)計(jì)方案。還需要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度擬定好一定層級(jí)的加工工件圖，由易到難，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由淺入深，分層次、分水平，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生逐步熟悉微小機(jī)床的操作步驟，直到能夠獨(dú)立地對(duì)一個(gè)給定零件進(jìn)行加工工藝的分析并能夠獨(dú)立自主進(jìn)行工藝加工過(guò)程的擬定。

2.2.5過(guò)程化的考核

作為本科生的一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，則需要進(jìn)行一定的考核，目的是為了督促學(xué)生能夠積極主動(dòng)地完成給定的加工任務(wù)，熟練掌握機(jī)床的操作這一基本的技能。因此在上課前也需要學(xué)生對(duì)每次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行一定的預(yù)習(xí)，重新溫習(xí)一下之前上課所學(xué)到的理論知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)課上，通過(guò)與理論課上所看所學(xué)進(jìn)行一定的結(jié)合，也能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)有更深的了解，可以有針對(duì)性地對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)課學(xué)生學(xué)到的不僅僅是理論，更應(yīng)該是操作技能的提高。所以在實(shí)驗(yàn)課上，不僅要教會(huì)學(xué)生如何正確的進(jìn)行操作，在不犯重大錯(cuò)誤的情況下應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生積極進(jìn)行加工方式的創(chuàng)新，不怕學(xué)生犯錯(cuò)誤。只有深入了解了某些錯(cuò)誤造成的后果，才會(huì)對(duì)正確的操作有更加深刻的印象。所以，在考核的時(shí)候不應(yīng)只是對(duì)加工結(jié)果的評(píng)比，而應(yīng)該是包含操作正確性、規(guī)范性及加工質(zhì)量的結(jié)合，最終綜合出一個(gè)合理公正的結(jié)果。同時(shí)過(guò)程化考核的最終成績(jī)由學(xué)生自我評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)和教師的考核評(píng)價(jià)三部分共同組成，爭(zhēng)取做到客觀、公正、全面，要讓學(xué)生達(dá)到讓理論課上學(xué)得到知識(shí)得到淋漓盡致的發(fā)揮，結(jié)合學(xué)習(xí)情況和實(shí)踐操作，讓學(xué)習(xí)效果得到進(jìn)一步提升。

3微小銑削技術(shù)在本科教學(xué)實(shí)踐的思考

3.1該項(xiàng)研究的特點(diǎn)和價(jià)值

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室微小銑削技術(shù)的本科教學(xué)應(yīng)用，作用廣泛，意義重大，主要有以下幾個(gè)方面。(1）本科生對(duì)于大型數(shù)控機(jī)床包括車(chē)、銑、刨、磨、鉆、鏜等接觸的都比較少，加上大型機(jī)床的價(jià)格都相對(duì)較高，維護(hù)也較難，學(xué)生平時(shí)也更少有機(jī)會(huì)親自去操作機(jī)床加工一定的零件。在這個(gè)微小銑床上，設(shè)備的維護(hù)容易，學(xué)生也將會(huì)有較多的機(jī)會(huì)去真正的實(shí)際加工工件，切身體會(huì)機(jī)械加工的難易，也能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)整個(gè)數(shù)控加工過(guò)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(fèi)的金錢(qián)也相對(duì)較少，所以可以允許學(xué)生發(fā)揮自己的想象力，設(shè)計(jì)出一些樣式新穎的工件，或者對(duì)已有的工件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)新的加工工藝，對(duì)比不同的方案，切實(shí)感受加工結(jié)果。(3）對(duì)于多年從事數(shù)控機(jī)床的老師而言，他們可以對(duì)此數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行一定的指導(dǎo)和修改，更加方便的為學(xué)生服務(wù)，設(shè)計(jì)出更加滿足學(xué)生使用的數(shù)控加工程序。(4）對(duì)于那些對(duì)數(shù)控加工或者對(duì)程序編程特別感興趣的同學(xué)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室的微小銑床給了他們這樣一個(gè)機(jī)會(huì)去施展自己的才華。一方面他們可以改進(jìn)現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)程序，使得加工效率更高或者加工質(zhì)量更高;另一方面也可以通過(guò)自己設(shè)定的加工參數(shù)得到最后的工件，努力對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，讓數(shù)控加工的結(jié)果更加滿意。

3.2目前存在的問(wèn)題

該實(shí)驗(yàn)所采用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是基于固高公司的GTS-400通過(guò)C#運(yùn)動(dòng)控制卡所編寫(xiě)的，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制卡所提供的底層函數(shù)的使用還不是特別的得心應(yīng)手，部分程序可以得到進(jìn)一步的優(yōu)化。所使用的操作界面也可以經(jīng)過(guò)多數(shù)學(xué)生的反饋進(jìn)一步改進(jìn)，更加符合大家操作的習(xí)慣，突出需要強(qiáng)調(diào)的部分，對(duì)于那些可以不要的功能也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)木珶挕?/p>

3.3下一步進(jìn)行的工作

針對(duì)固高公司所提供的底層函數(shù)應(yīng)用不夠，需要做一定的工作對(duì)底層函數(shù)進(jìn)行深刻的認(rèn)知，然后對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的程序進(jìn)行優(yōu)化；在操作界面方面需要廣泛聽(tīng)取各方面的意見(jiàn)，并且參考西門(mén)子或者FANUC數(shù)控系統(tǒng)的界面進(jìn)行修改，添加一些機(jī)床各個(gè)方面的狀態(tài)顯示及故障顯示，保證能夠及時(shí)對(duì)學(xué)生的誤操作進(jìn)行提醒；將微小銑床加工的零件和通用數(shù)控銑床加工的零件進(jìn)行對(duì)比，比較加工效率和加工質(zhì)量及單體零件價(jià)格等，分析微小銑床在加工零件時(shí)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

本教學(xué)實(shí)踐在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了微小數(shù)控銑床的搭建及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使得讓學(xué)生實(shí)際操作機(jī)床變得切實(shí)可行，也順應(yīng)了時(shí)代潮流對(duì)大學(xué)生的要求，提高了學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識(shí)，提高了其操作微小機(jī)床的能力，讓學(xué)生在課堂上學(xué)到的理論知識(shí)有了實(shí)踐的機(jī)會(huì)，也使學(xué)生對(duì)數(shù)控加工的過(guò)程從認(rèn)知到理解再到實(shí)際的操作，實(shí)現(xiàn)了“教、學(xué)、做”的一體化教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)室搭建微小銑床是一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)的過(guò)程，可根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行不斷地調(diào)整與改進(jìn)，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力有無(wú)可限量的提高。還可以激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)控加工及編程的熱愛(ài)，促使學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新，自行設(shè)計(jì)所需要的精密的微小零件，并通過(guò)自己的所知所學(xué)將其加工出實(shí)物，能大幅提高學(xué)生的科研能力。

作者：劉宇 李鵬飛 郝麗娜 戴麗 單位：東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院