微小加工技術(shù)在本科教學(xué)實(shí)踐中的思考與實(shí)踐

劉宇等

摘 要：針對當(dāng)代大學(xué)生只是擁有理論知識，而極度缺乏實(shí)際加工實(shí)踐的現(xiàn)象，搭建了一個實(shí)驗(yàn)室的微小銑床。主要用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以滿足學(xué)生自行設(shè)計零件及加工工藝，并對其進(jìn)行實(shí)際的加工操作。該文從教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)思考兩個方面對微小加工技術(shù)進(jìn)行分析和探討，讓學(xué)生熟悉數(shù)控加工的基本操作，提高學(xué)生主動思考的積極性及動手能力，同時也實(shí)現(xiàn)了“教、學(xué)、做”的一體化教學(xué)，并指出了下一步將要做的工作。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工 微小加工 教學(xué)改革 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G48 文獻(xiàn)標(biāo)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(guī)尺寸的超精密機(jī)床上加工而成的，這些機(jī)床成本高、效率低、能耗大、主軸轉(zhuǎn)速相對較低，難以滿足微小零件的加工要求。而微小型機(jī)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(dá)到高速加工和高精度運(yùn)動控制。在本科生的教學(xué)過程中，使用大型機(jī)床教學(xué)相對較為困難，而微小機(jī)床則相對容易。因此，該文針對本科生教學(xué)，使用微小機(jī)床進(jìn)行數(shù)控操作，并且編制淺顯易懂的操作界面，讓學(xué)生可以容易的對機(jī)床進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)所要求的教學(xué)目的。

1 微小機(jī)床的介紹

微小機(jī)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(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、加工小型零件等方面。

微小機(jī)床作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個設(shè)備，不僅需要一定的相對穩(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)動狀態(tài)等參數(shù)。通常微小機(jī)床測試采集系統(tǒng)所需要的一些附加設(shè)備有磁力表座、激光傳感器、力錘、信號采集卡等。

2 微小銑床試驗(yàn)臺的建設(shè)

2.1 系統(tǒng)組成

為了方便對本科生進(jìn)行教學(xué)，在進(jìn)行微小銑削技術(shù)介紹時應(yīng)當(dāng)遵循簡單易懂的標(biāo)準(zhǔn)，同時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，且一般不會受到傷害，不會對設(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)動模式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速和低速的手動運(yùn)行，還可以實(shí)現(xiàn)精確的點(diǎn)位運(yùn)動，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，開發(fā)了一臺微小銑床，并設(shè)計一套運(yùn)動控制系統(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450×650×700 mm；（2）三個方向的運(yùn)動行程為150×50×80 mm；（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；（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(jī)的5相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。

2.2 試驗(yàn)臺在教學(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)臺位于新機(jī)械樓五樓，配備有專門的實(shí)驗(yàn)室及專門的工控機(jī)。工控機(jī)上面已經(jīng)安裝好所需要的運(yùn)動控制程序，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)手冊的編寫

本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊主要參考《GTS系列運(yùn)動控制器編程手冊》及《GTS-400-PV（G）-PCI系列運(yùn)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(xué)生使用微小銑床的操作能力，能夠?qū)唵瘟慵募庸び幸欢ǖ牧私?，還能夠自行設(shè)計簡單微小零件并進(jìn)行加工，同時還可以提高學(xué)生的動手能力以及團(tuán)隊協(xié)作精神，對一個零件的加工方式進(jìn)行討論，綜合對比后給出一套好的方案，通過實(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_發(fā)的微小銑床及控制系統(tǒng)是由實(shí)驗(yàn)室自己開發(fā)的，需要對負(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)一些意外的故障時能夠沉穩(wěn)的進(jìn)行處理。而培訓(xùn)則主要以對系統(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)生能夠直觀的觀測到微小銑床的實(shí)際加工過程，指導(dǎo)學(xué)生使用微小銑床進(jìn)行簡單的加工。在上課時，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，對于學(xué)生所遇到的問題，能夠做到心中有數(shù)，并及時做好學(xué)生實(shí)踐加工的指導(dǎo)工作。

2.2.4 整理素材

由于數(shù)控加工是一門涉及到多學(xué)科的東西，知識面非常廣泛，學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)踐加工的過程中，要想迅速形成比較清晰的記憶脈絡(luò)是比較困難的，對加工的代碼應(yīng)用也不會太明確。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，比如先在紙上畫好一定形狀的圖形，以便學(xué)生能夠有一個明確的目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有目的地設(shè)計方案。還需要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度擬定好一定層級的加工工件圖，由易到難，由簡單到復(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)立地對一個給定零件進(jìn)行加工工藝的分析并能夠獨(dú)立自主進(jìn)行工藝加工過程的擬定。

2.2.5 過程化的考核

作為本科生的一個實(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。在實(shí)驗(yàn)課上，通過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，可以有針對性地對學(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，不僅要教會學(xué)生如何正確的進(jìn)行操作，在不犯重大錯誤的情況下應(yīng)鼓勵學(xué)生積極進(jìn)行加工方式的創(chuàng)新，不怕學(xué)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(yīng)只是對加工結(jié)果的評比，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，最終綜合出一個合理公正的結(jié)果。

同時過程化考核的最終成績由學(xué)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(xué)生達(dá)到讓理論課上學(xué)得到知識得到淋漓盡致的發(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 該項研究的特點(diǎn)和價值

該項實(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，主要有以下幾個方面。

（1）本科生對于大型數(shù)控機(jī)床包括車、銑、刨、磨、鉆、鏜等接觸的都比較少，加上大型機(jī)床的價格都相對較高，維護(hù)也較難，學(xué)生平時也更少有機(jī)會親自去操作機(jī)床加工一定的零件。在這個微小銑床上，設(shè)備的維護(hù)容易，學(xué)生也將會有較多的機(jī)會去真正的實(shí)際加工工件，切身體會機(jī)械加工的難易，也能培養(yǎng)學(xué)生對整個數(shù)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(fèi)的金錢也相對較少，所以可以允許學(xué)生發(fā)揮自己的想象力，設(shè)計出一些樣式新穎的工件，或者對已有的工件圖紙設(shè)計新的加工工藝，對比不同的方案，切實(shí)感受加工結(jié)果。

（3）對于多年從事數(shù)控機(jī)床的老師而言，他們可以對此數(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)計出更加滿足學(xué)生使用的數(shù)控加工程序。

（4）對于那些對數(shù)控加工或者對程序編程特別感興趣的同學(xué)來說，實(shí)驗(yàn)室的微小銑床給了他們這樣一個機(jī)會去施展自己的才華。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自己設(shè)定的加工參數(shù)得到最后的工件，努力對加工過程進(jìn)行優(yōu)化，讓數(shù)控加工的結(jié)果更加滿意。

3.2 目前存在的問題

該實(shí)驗(yàn)所采用的運(yùn)動控制系統(tǒng)是基于固高公司的GTS-400通過C#運(yùn)動控制卡所編寫的，對于運(yùn)動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底層函數(shù)進(jìn)行深刻的認(rèn)知，然后對數(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取各方面的意見，并且參考西門子或者FANUC數(shù)控系統(tǒng)的界面進(jìn)行修改，添加一些機(jī)床各個方面的狀態(tài)顯示及故障顯示，保證能夠及時對學(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)行對比，比較加工效率和加工質(zhì)量及單體零件價格等，分析微小銑床在加工零件時的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。

4 結(jié)語

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，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)了時代潮流對大學(xué)生的要求，提高了學(xué)生對數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識，提高了其操作微小機(jī)床的能力，讓學(xué)生在課堂上學(xué)到的理論知識有了實(shí)踐的機(jī)會，也使學(xué)生對數(shù)控加工的過程從認(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與時俱進(jìn)的過程，可根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行不斷地調(diào)整與改進(jìn)，對學(xué)生的實(shí)踐能力有無可限量的提高。還可以激發(fā)學(xué)生對數(shù)控加工及編程的熱愛，促使學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新，自行設(shè)計所需要的精密的微小零件，并通過自己的所知所學(xué)將其加工出實(shí)物，能大幅提高學(xué)生的科研能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 李斌.數(shù)控技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

[2] 李忠新，左建華，陶麗剛，等.機(jī)電基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的實(shí)踐與思考[J].科教導(dǎo)刊，2014（2）：138-139，165.

[3] 盧倩，王福元，崔治.高等院校機(jī)電一體化類課程實(shí)踐教學(xué)改革策略探討[J].科教導(dǎo)刊，2011（9）：156-157.

[4] 隋修武，牛雪娟，杜紅玉.研究生的“機(jī)電一體化”思維培養(yǎng)及創(chuàng)新能力提升[J].科教導(dǎo)刊，2014（8）：52，64.