擴展大型教學設備功能延長儀器使用壽命

尹發(fā)根 肖建輝

摘? 要：實驗室大型儀器設備技術含量高、功能相對單一，因此更新周期短，使用對象狹窄，容易導致設備利用率低甚至閑置，造成資產(chǎn)浪費。以待報廢的恒通MPS280快速成型機為例，提出一種通過擴展儀器功能提高大型設備利用率、延長使用壽命的方法。設備改造后的使用效果表明，通過對部分零件進行更換，MPS280完全可以得到二次利用，新功能使用效果良好，能夠滿足教學需求。

關鍵詞：恒通MPS280快速成型機;功能擴展;儀器使用壽命;熱激光頭模組

中圖分類號：G647? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）32-0048-03

Abstract： Large laboratory instruments and equipment have high technical content and relatively single functions， so the updating period is short and the use range is narrow， which easily leads to low utilization rate or even idleness of equipment， resulting in waste of assets.Taking Hengtong MPS280 rapid prototyping machine as an example， this paper proposes a method to improve utilization rate of large equipment and extend service life by extending instrument function.The use effect after the equipment transformation shows that MPS280 can be completely reused by replacing some parts， and the new function has a good use effect， which can meet the teaching requirements.

Keywords： Hengtong MPS280 rapid prototyping machine; function expansion; service life of the instrument; thermal laser head module

引言

實驗設備是各院校開展實踐教學、科學研究等活動的基礎，而大型貴重儀器在一定程度上反映了高校的教學水平和科研能力[1-2]。近年來，隨著中央對教育經(jīng)費的不斷增加，各高校也加大了大型儀器設備的資金投入。教育部相關統(tǒng)計表明，截止到2017年底，全國高校單價10萬元和40萬元以上的大型設備總值分別達到了2065.05億和1190.6億元[3]。隨著大型儀器設備不斷增加，各個高校同時面臨著利用率不高的問題[4]。相關文獻表明，全國各大院校20%的大型設備處于閑置狀態(tài)[5]，甚至出現(xiàn)了少數(shù)設備全年零開機現(xiàn)象[6]。缺乏大型設備共享平臺導致各高校重復購買，以及高校設備缺少社會化應用途徑是導致設備利用率低的主要原因。大型儀器設備核心技術更新快，功能不豐富甚至單一，也是利用率無法大幅提高的重要因素。眾所周知，大型貴重儀器設備一般都是非標準設備，技術上主要追求某項功能尖端、完美。功能單一造成設備使用對象相對固定且狹窄，不能像標準設備那樣供多專業(yè)師生共同使用。同時，核心技術快速發(fā)展，導致設備更新周期短。各高校為了跟上技術發(fā)展，獲得理想的教學、科研效果，不得不將那些未到使用年限，性能良好的大型設備進行閑置處理，等待報廢，轉而購買性能更優(yōu)的產(chǎn)品。這就大大縮短了大型設備生命周期，不但降低了利用率，還提高了教學成本，造成了資源浪費。因此提高大型設備的利用率，降低教學成本，是我們亟需解決的問題。但是由于體制和利益問題，短時期內(nèi)無法通過資源共享和高校設備社會化這兩種途徑提升大型設備的利用率。但是我們可以通過設備改造，新增設備功能，使更多的師生使用這些設備，提高利用率、延長儀器生命周期，降低設備使用成本。

本文以恒通MPS280快速成型機為例，通過更換部分重要部件，并對軟件進行升級，使原本處于待報廢的大型設備具有新的功能，被賦予二次生命。改造后的MPS280快速成型機作為開放性設備提供給我院所有師生使用，提高了利用率，延長了使用壽命，避免了重大資產(chǎn)報廢，同時也為其他大型設備的改造提供了范例。

1 恒通MPS280快速成型機及其改造背景

1.1 恒通MPS280快速成型機

恒通MPS280快速成型機，是陜西恒通智能機器有限公司生產(chǎn)的一款3D模型快速制作設備。該設備基于光敏樹脂受紫外激光照射凝固的原理，通過計算機控制激光逐層掃描固化液槽中的光敏樹脂，最終得到實物原型，其中每一層固化的截面是由實物的三維CAD模型分層得到的。MPS280快速成型機能夠在無需模具的情況下快速、精確的制作任意復雜形狀的零件模型，實現(xiàn)新產(chǎn)品的“無模制造”，對各工科特別是機械類學生的模具設計教學有著巨大的作用。MPS280整體結構如圖1所示，主要包含操作面板、控制電腦以及作業(yè)區(qū)三大部分。操作面板包含設備各部分的電源開關;控制電腦作為上位機為激光頭等執(zhí)行部件提供指令;作業(yè)區(qū)包含的激光頭、液槽、步進電機等設備共同執(zhí)行上位機指令完成實物制作。

1.2 MPS280快速成型機的改造背景

我院為抓住3D打印快速發(fā)展的時機，培養(yǎng)相關專業(yè)學生，在2007年以55萬元的價格購入了該設備，并經(jīng)專人承擔教學及其管理工作。在此基礎上，有關教師組織學生成立了興趣小組，在學習的同時對3D打印技術進行創(chuàng)新，而且積極組織學生參加各類相關比賽，取得了不俗的成績，圖2為學生利用MPS280快速成型機完成的部分參數(shù)作品。

隨著3D打印技術的快速發(fā)展，恒通MPS280快速成型機體積大、速度慢、成本高等短板逐漸顯現(xiàn)，使用機時不斷減少，最終被新購設備完全取代。從2012年開始，該設備便被閑置，處于待報廢狀態(tài)?？紤]到購入價格高，報廢將產(chǎn)生大額資產(chǎn)減值，該設備的3D打印技術雖然落后于主流產(chǎn)品，但是其基礎部件以及各附件均完好，進給功能依然穩(wěn)定，因此具有重新利用的價值，可以對其進行升級改造，二次使用。我們根據(jù)該設備的工作原理及其具有的機械性能，結合我院缺少雕刻設備的現(xiàn)狀，決定通過更換激光頭，將該設備改造為一臺激光雕刻機，使其具有打標、雕刻、切割不同材質的功能。改造完成后不但可以為學生的各種參賽作品打印LOGO，同時還可以在比賽中對各種材質（如木材、皮革、有機玻璃、覆銅板等）進行精確雕刻和切割，這樣既延長了MPS280快速成型機的使用壽命，降低了教學成本，也解決了我院沒有雕刻設備的困境。

2 MPS280快速成型機功能改造

2.1 激光雕刻

傳統(tǒng)手工雕刻以及機械雕刻是利用機械手段對材質進行形態(tài)刻畫，而激光雕刻則是利用激光的熱能對材質瞬時融化或氣化以達到材質加工的目的。相比于傳統(tǒng)雕刻手段，激光雕刻設備與材質沒有接觸，不受機械運動影響，表面不會變形，因此可雕刻材質包括各種硬質和軟質材料，應用范圍更加廣泛，而且在加工速度和精度上更具有優(yōu)勢。通過對激光器各項參數(shù)設置，激光雕刻可以在不同材質上完成打標、雕刻、切割任務。由于有著上述優(yōu)點，激光雕刻已逐漸成為主要雕刻方式。

2.2 功能擴展

我們在保留恒通MPS280快速成型機數(shù)控部分的基礎上將原來的紫外激光器用一個熱激光頭模組代替。該熱激光頭模組如圖3所示，采用455nm純藍光，最大功率10W，主要由控制電路板、散熱風扇、激光發(fā)射部分、散熱鋁殼體組成。輸入電壓12V，通過PWM控制信號可進行功率調(diào)節(jié)以適應不同材質和不同雕刻方式。

由于MPS280快速成型機原有激光頭與液槽基準平面距離較遠，而現(xiàn)有熱激光頭模組的焦距不可調(diào)且十分短，因此我們自制了支架，一頭固定在原有激光頭底座上，一頭固定熱激光頭組模，如圖4所示。改造時，將液槽基準平面作為作業(yè)面，并在該平面上加蓋一塊鐵板用于襯托待雕刻材質。通過調(diào)節(jié)激光頭模組在支架的位置，使激光聚焦在作業(yè)面上。硬件改造完成后，將熱激光頭模組的參數(shù)設置軟件安裝到設備配套的電腦里，與MPS280快速成型機原有軟件一起完成雕刻任務。

3 MPS280改造后的應用

MPS280改造完成后，其雕刻流程如圖5所示。開機前應對雕刻設備所處實驗室環(huán)境進行檢查，確保設備安全運行。由于雕刻過程是利用激光熱能對材質進行灼燒熔化，因此要特別注意保持實驗室通風，并配備滅火設備。開機前檢查完成后，就可以通電開機，并在電腦上進行參數(shù)設置。首先應根據(jù)待雕刻材質類型以及期望效果選擇雕刻方式，具體可分為位圖打印、快速打標和刀路雕刻。然后調(diào)節(jié)激光功率，功率太小會導致圖形痕跡過淺，功率過大則容易因灼燒過度，影響圖形雕刻的精確度和清晰度。因此，需根據(jù)雕刻方式和材質合理調(diào)節(jié)功率大小，最后導入待雕刻圖形或刀路程序，完成雕刻，可導入的圖形包括CAD、JPG等多種格式。

MPS280改造完成后，我院將其作為開放性實驗設備，主要用于各項比賽作品的LOGO打印，以及機械繪圖課程的實踐教學。學生們可以利用該設備將設計的圖形雕刻在各種物品上，因此激發(fā)了大家的學習熱情，同時也延長了設備使用壽命，降低了教學成本。圖6是學生的部分雕刻作品，雕刻材質包括木板、皮革、實芯理化板、亞克力板以及不銹鋼。

4 結束語

隨著大型儀器設備日益增多，如何提高利用率、延長設備使用壽命是各高校面臨的共同問題。本文以恒通MPS280快速成型機為研究對象，在充分利用原有結構的基礎上，通過更換部分零件擴展其功能，使原處于待報廢狀態(tài)的設備重獲生機，不但避免了資產(chǎn)浪費，還解決了教學活動中遇見的實際問題，為提高各院校大型儀器設備的利用率，降低教學成本提供了范例。

參考文獻：

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