多功能動態刀具幾何角度演示裝置研制

郭華鋒 胡志強 于萍 李志 李菊麗 何紹華 吳肖

摘 要 刀具幾何角度是機械制造技術基礎課程重要的知識點，對后續章節的學習至關重要?；趩纹瑱C技術設計一種多功能動態刀具幾何角度演示裝置。通過按鍵控制舵機旋轉動態展現刀具正交平面參考系及主要幾何角度變化過程。利用語音播放系統實時講解刀具幾何角度定義和所處狀態，采用液晶顯示屏同步顯示各角度定義和數值。實踐表明：該教具增強了學生直觀認識，有助于學生對知識點的理解和掌握，培養了學生的創新意識，教學效果顯著，市場前景和推廣價值較大，也為其他教具的制作提供了一個嶄新的思路。

關鍵詞 刀具幾何角度；教具；正交平面參考系；機械制造技術基礎課程

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）02-0047-04

1 引言

機械類課程具有實踐性和應用性強的特點，對學生理解力和空間想象能力要求較高，課程枯燥乏味，常規的理論教學很難引起學生興趣。因此，這類課程都會采用教具來進行輔助教學，增加課堂活力，教學效果顯著增強[1]。機械制造技術基礎課程是工科專業必修的一門專業基礎課，刀具幾何角度是該課程非常重要的知識點。作為刀具常用的幾何角度，前角、后角、主偏角、副偏角、刀尖角和刃傾角均在正交平面參考系中定義，學生在學習“刀具切削部分的基本定義”內容時不易理解刀具幾何角度，主要在于正交平面參考系為靜止的假想體系，對學生的空間想象能力有著較高要求。

目前，大多數高校教師講解刀具切削部分幾何角度的基本定義時，大都是通過實物刀具、掛圖、PPT演示及板書等手段。但這些教學方式和教具均不能動態展示正交平面參考系及刀具幾何角度，不利于學生對刀具相關知識點的理解?；诂F有車刀教具存在的缺點，以普通外圓車刀為例，設計一種可直觀顯示正交平面參考系、動態演示刀具幾何角度、實時語音播報及液晶顯示的車刀角度演示裝置，旨在幫助學生加深對刀具幾何角度及車刀結構的理解，同時為其他教具的設計提供一個嶄新的思路。

2 車刀教具研究現狀

車刀一般由刀柄和刀頭構成，刀柄主要用于安裝；刀頭為切削部分，主要用于切除金屬材料。目前，國內外關于車刀教具的研究雖然較多，但大都以靜態展示為主，并不能直觀反映出假想的正交平面參考系（由基面、切削平面和正交平面構成），學生無法直觀認知，理解起來較為困難，這也成為教學的重點和難點。

目前的教具主要有市場商業化的車刀模型（整體式或可拆卸式）、鋼制刀具和教師自行開發的教具[2]。如寧波市鄞州姜山金星機械模具廠生產的鋁合金車刀模型教具，可以在一定程度上幫助學生理解刀具的“三面兩刃一尖”，但無法直觀看到正交平面參考系。劉新子[3]的“組合式車刀教具”專利涉及一種可靈活拆卸組合的車刀教具，通過拆卸組裝展示各種類型車刀及車刀幾何角度，從而可迅速提高學生空間想象力并使其理解掌握教學內容；但手動拆卸較為麻煩，不利于課堂教學。惲達明[4]的“用于教學演示的車刀模型”專利所涉及的車刀教學模型結構簡單、拆裝方便，把抽象的空間概念具體化，容易讓學生接受；但不能顯示出最難想象的正交平面參考系，學生不易理解具體的車刀幾何角度定義。戚月珍[5]采用有機玻璃制作了一款可拆卸式車刀模型，形象直觀地展示了刀具幾何角度和正交平面參考系；但學生操作起來較為煩瑣，并且不能動態演示。

基于此，設計一種可動態展開正交平面參考系及動態演示刀具常用幾何角度的智能車刀教具演示裝置，采用彩色亞克力板材制作，集51單片機、12864液晶顯示屏、語音播放系統及按鍵操控系統于一體，具有結構簡單、操控性好、實用性強、價格低廉等優點。

3 總體方案設計及功能實現

設計目標 金屬切削刀具雖然種類和結構多種多樣，但基本原理一致，因此，本作品以前角、后角、刃傾角均為正值的45°尖頭車刀為例，研制一種多功能動態刀具幾何角度演示裝置。主要功能如下：

1）實現刀具正交平面參考系的動態展開；

2）實現刀具常用幾何角度的動態演示；

3）實現按鍵操作，液晶顯示刀具定義和刀具角度大小；

4）實現語音播放刀具演示狀態。

方案實現 以單片機為核心處理器，通過按鍵操作實現舵機角度旋轉，控制車刀刀刃和正交平面參考系的動態演示。下面介紹各功能的實現。

1）刀具正交平面參考系的動態展開功能實現。車刀演示裝置初始狀態時，正交平面參考系基面、切削平面、正交平面均隱藏于車刀內部，利用三個舵機控制參考平面的顯示與隱藏。其中，正交平面由兩部分組成，利用熱熔膠將靠近切削平面的那部分與切削平面邊緣黏結起來，實現一個舵機同時控制切削平面與正交平面的一部分。圖1所示為車刀正交平面參考系顯示狀態。

2）刀具常用幾何角度的動態演示功能實現。刀具常用幾何角度演示是通過車刀上刀面、刀刃及參考平面動態運動來實現的，利用五個舵機分別演示前角、后角、主偏角、副偏角、刀尖角、刃傾角。圖1所示為前角、后角示意圖，圖2所示為刃傾角示意圖，圖3所示為主偏角、副偏角、刀尖角示意圖。

3）刀具定義和刀具角度大小功能實現。采用12864液晶顯示屏與單片機連接，通過識別按鍵操作內容來判斷車刀演示狀態并實時地將信息顯示在屏幕上，同時顯示車刀角度的大小。按鍵和液晶顯示屏固定在車刀刀柄上表面，如圖4所示。

4）語音播放刀具演示狀態功能實現。向ISD1600語音模塊錄入多段音頻，通過單片機控制語音模塊的尋址地址，實現不同按鍵操作對應不同的語音提醒，最后利用小喇叭播放語音。

4 加工制作

確定整體設計方案和預設功能之后，基于PRO/E軟件完成零部件設計、裝配及運動仿真，確保設計的合理性和科學性。采用AutoCAD軟件完成零部件二維工程圖的繪制。根據工程圖采用激光雕刻機進行亞克力板材切割，最后利用ABS膠水完成總裝配。

各刀面及刀刃的設計與加工 本設計中前角為正值，前刀面材料為亞克力。在前刀面中設計一個矩形槽，用于正交平面的伸出與縮回。車刀初始狀態時，正交平面隱藏在前刀面下方，當需要演示正交平面參考系時，正交平面便從前刀面的矩形槽中伸出；演示完畢后，再縮回至刀頭內。

如圖5所示，主后刀面由兩塊亞克力板材用ABS膠水黏結而成，其中一塊板材上邊緣處設有凹槽，將刃傾角放置在凹槽內，同時在主后刀面內放置舵機1，實現舵機控制刃傾角繞轉軸旋轉。如圖6所示，連桿1為主切削刃在基面中的投影線，連桿2為副切削刃在基面中的投影線。在主后刀面中設計一個十字形凹槽，便于連桿1、切削平面及正交平面的伸出與縮回。副后刀面中間開一個凹槽，便于連桿2的伸出與縮回。將舵機2和舵機3均固定在主后刀面與副后刀面拐角處，實現舵機2控制連桿1的轉動，舵機3控制連桿2的轉動。

正交平面參考系的設計與加工 本裝置可以動態控制正交平面參考系的顯示與隱藏。初始狀態時，車刀所有參考平面均隱藏于車刀內部，通過舵機旋轉一定角度，實現參考平面的伸出與縮進。如圖7所示，基面由激光切割1 mm亞克力板材制作而成，表面形狀為三角形，并在拐角處切割一個小孔，用于與舵機4旋轉軸固定連接，利用ABS膠水和熱熔膠將舵機黏結在刀柄側壁上。

如圖8所示，正交平面為通過切削刃上選定點并同時垂直于基面和切削平面的平面，由于正交平面只顯示一小部分，大部分仍隱藏在車刀內部，因此僅需設計顯示的那一部分正交平面1和正交平面2。分別在兩個正交平面內開一個矩形槽，使得舵機5、6在矩形槽內自由滑動，舵機旋轉時，正交平面繞上面的軸旋轉，實現伸出與縮進。切削平面也是由1 mm厚的亞克力板經激光切割而成，利用膠水將其豎直邊緣與正交平面1外邊緣黏結在一起，實現一個舵機可同時控制切削平面和正交平面1。

電子控制系統的設計與制作 采用STC12C5A60S2為主控芯片，控制系統包括電源供電系統、復位系統、晶振系統、按鍵控制系統、舵機控制系統、液晶顯示系統、語音播放系統。電源供電系統選用四節1860型鋰電池、一片AMS1117穩壓芯片為系統提供穩定的電源電壓。舵機控制系統選用SG90型固定翼S版舵機，其信號線分別與單片機P2^0～P2^5引腳相連。液晶顯示系統采用12864液晶顯示屏并行傳輸方式，并與單片機的P0端口相連，數據傳輸速度較快。語音播放系統選用ISD1700型語音芯片，通過與單片機的連接，實現按鍵操作語音芯片，小喇叭播放音效。采用液晶顯示屏進行文字顯示。

基于設計3D總裝圖，按照裝配要求完成多功能動態刀具幾何角度演示裝置，通過測試，動作、語音、液晶顯示、按鈕、開關及控制系統均工作良好。裝配完成后的實物如圖9所示。

5 結束語

通過思路創新，以現代教育信息技術為手段，遵循現代設計方法學，綜合考慮加工和裝配工藝，基于單片機技術，設計一款多功能動態刀具幾何角度演示裝置教具。課堂教學效果表明，此教具不僅使教師教學游刃有余，而且大大激發了學生的學習興趣和創新意識，對培養學生創新能力、工程實踐能力，增強學生職業適應性，具有一定的實踐意義，也為專業教師創新教學方法和手段提供了一定的借鑒。

參考文獻

[1]袁煥，金大鵬.多功能教學教具演示綜合實驗臺的設計[J].湖北理工學院學報，2015，31（2）：8-11.

[2]徐旭登，王澤華，張棉好.用于切削三要素演示的新型多功能可移式復合機床教具[J].機械工程師，2016（7）：65-66.

[3]劉新子.組合式車刀教具[P].中國專利：ZL201110363732.3，2012-06-13.

[4]常州輕工職業技術學院.用于教學演示的車刀模型[P].中國專利：ZL201220327582.0，2013-01-02.

[5]戚月珍.可拆式典型車刀教具的設計與制作[J].山東工業技術，2015（6）：50.