利用慧鱼创意组合模型实现数控设备教具推广教学的探讨与实践

苗杰

（西南石油大学 机电工程学院，成都 610500）

0 引 言

课堂教学中，学生初次接触数控技术，对实物没有深刻的认识。传统课堂中图片、视频等形式很难满足学生深入了解数控装备结构及其复杂运动过程的需求，大型数控设备无法进入数控技术及装备知识讲解的理论课堂。在数控加工现场设备存在噪声，影响老师在加工现场讲解数控技术理论知识的教学质量，由于存在安全隐患，有些动作细节即使是利用数控设备实际操作演示，学生也不易观察清楚。即使制造出实物的数控技术演示教具，由于数控设备往往需要机械与电子部分相互结合，其运动的复杂程度与精密性，决定了教具一旦损坏，不仅维修价格高昂，而且需要找特定的厂家与零件进行更换，在教学过程中，教具在搬运与演示过程中发生损坏的现象屡见不鲜。

现在，一般的工科高校都有自己的慧鱼创意结构实验室，但是现有高校对慧鱼创意结构实验室的应用往往仅限于帮助在校大学生加深对各种机械传动结构的认知，以及把一些结构进行简单的创意组合。慧鱼创意组合模型主要有创意组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件、电气元件、气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM 等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线［1］。笔者通过带领学生参加第六届全国大学生机械创新大赛，在赛场上的见闻，可以得出结论：慧鱼创意组合模型完全可以实现对绝大多数工科院校的数控设备的模拟，并且由于慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接［1］，可便于实现对损坏部件的更换。解决了实体教育容易损坏、维修不方便、价格高昂的弊端。

因此，通过把制作教具的任务分配给相近领域教学的几所院校，通过院校把可以准确表达利用慧鱼创意组合模型制作出来的教具的连接方式的照片与相关程序在公共平台进行推广的方式，实现各院校对本院校的慧鱼创意组合实验室资源的最大化利用，同时有效地解决了现在数控技术教学过程中存在的传统教学方式表现力不够、加工现场教学效果欠佳等问题。

现将我校在这种教学模式下的探讨与实践举例，进行进一步的说明。

1 结构设计

数控加工中心换刀及加工过程演示教具由刀库部分、主轴部分、工作台、控制台、铣刀和底板组成，刀库部分为圆盘形齿轮，在其下方搭载4 个刀座，圆盘形齿轮的左侧与蜗杆A 相啮合，蜗杆A 与左侧电机E 连接，电机E下方安装开关F,搭载4 个刀座的圆盘形齿轮、电机E 及蜗杆A、开关F 构成一个整体，该整体安装在中空方形套筒上；中空方形套筒嵌套在导轨上，左侧与气缸相连,气缸安装在导轨左侧上，气缸与气动马达联接；主轴部分，蜗杆B 与电机A 连接；蜗杆滑块为长条形，左右两侧各有一个通孔，2 根支撑杆分别穿过左右通孔，蜗杆滑块在2 支撑杆上滑动，支撑杆左右两端设置有开关A、开关B 和开关C；工作台安置在蜗杆滑块机构上，蜗杆D 与电机C 连接，蜗杆滑块机构及电机C 左右两端分别安装在蜗杆E与蜗杆C 的两个蜗杆滑块上，蜗杆C 与电机D 连接，蜗杆C 的另一端与蜗杆E 外接齿轮用链条连接；在工作台行程经过部分设置开关E 和开关D，在工作台上安装卡盘、电机B 和虎钳，在控制台上安置4 个开关和灯泡；刀具由通孔四棱锥和3 mm 铣刀组成，3 mm 铣刀穿过并固定在通孔四棱锥上；底板上方搭载部件从左至右分别为支柱、开关E、蜗杆E、控制台和蜗杆C，支柱与底板为可拆卸连接。

图1 教具结构示意图

2 操作流程

2.1 回原点

按动控制台上开关A，电机A 带动蜗杆B 转动，主轴在蜗杆滑块的带动下向上运动，触碰到行程开关B 后停止。工作台先后在由电机C 和电机D 带动的蜗杆滑块作用下，通过行程开关D 和行程开关E 限位，到达x、y 轴指定的原点位置，控制台上指示灯点亮实现对回原点过程的演示。

2.2 刀具装夹

按动控制台上开关B，气动马达启动，刀库在气缸的带动下到达主轴下方，蜗杆A 在电机E 带动下旋转，带动圆盘形的齿轮旋转，把所要装夹刀具运动到主轴正下方，电机A 带动蜗杆B 转动，主轴在蜗杆滑块的带动下向下运动，触碰到行程开关A 后停止，到达机床的换刀点，四棱锥形凹槽圆柱套筒压住通孔四棱锥，电磁铁通电，主轴在蜗杆滑块的带动下向上运动，触碰到行程开关B 后停止，主轴在电机F 的带动下正转，实现对刀具的装夹。

2.3 换刀

按动控制台上开关C，气动马达启动，刀库在气缸的带动下到达主轴下方，电机A 带动蜗杆B 转动，主轴在蜗杆滑块的带动下向下运动，触碰到行程开关A 后停止，电磁铁断电，把刀具安置在刀座上，电机A 带动蜗杆B 转动，主轴在蜗杆滑块的带动下向上运动，触碰到行程开关B 后停止，蜗杆A 在电机E 带动下旋转，带动刀库旋转，把所要装夹刀具运动到主轴正下方，电机A 带动蜗杆B转动，主轴在蜗杆滑块的带动下向下运动，触碰到行程开关A 后停止，到达机床的换刀点，四棱锥形凹槽圆柱套筒压住通孔四棱锥，电磁铁通电，主轴在蜗杆滑块的带动下向上运动，触碰到行程开关B 后停止，主轴在电机F 的带动下正转，气动马达反向启动，刀库在气缸的带动下回到原位，实现换刀过程。

2.4 模拟加工

按动控制台上开关D，主轴正转，通过控制主轴螺杆的电机A，控制卡盘的电机B，控制工作台螺杠B和螺杆C 的电机C 和电机D 与各个限位开关，实现四轴联动模拟加工。

2.5 创新性

1）通过各行程开关与各用电器的配合，通过单片机编程，实现对加工中心各工作过程的演示；

2）电磁铁下方安置四棱锥形的凹槽圆柱套筒与刀具上端相配合，自动定心，在模拟加工时带动刀具旋转；

3）通过刀库转动时刀座撞击行程开关来实现各铣刀到达换刀点位置时的准确定位；

4）在刀座小径圆环内嵌套小磁铁，解决了主轴把刀具安放到刀座上时电磁铁断电后存在的磁滞问题；

5）底板上方支柱可以拆卸，便于模块的升级和替换。

通过在公共平台上共享各具体结构连接方式的照片（图2）与程序图（图3），讲解相关理论知识院校进行下载，并且组织慧鱼创意组合实验室管理教师或学工助理进行组装，便可实现数控教具零投资大规模的生产与推广应用，同时该类教具发生损坏时可以通过替换慧鱼零件来进行维修。

图2 结构连接方式

图3 程序图

图4 为本加工中心换刀及加工过程演示教具在本校试点进行课堂演示的过程。

图4 课堂演示

3 成本分析及基于该种数控技术共享模式下的新式教学体系展望

通过在讲解相关数控设备知识的院校中进行任务分配的方式，建立网络平台，实现各慧鱼创意组合模型搭载出的数控设备教具连接方式与相关程序的共享，通过各合作院校在网络平台上对相关文件的下载，与各院校自身慧鱼创意结构实验室带队老师与学工助理参照相关文件进行教具搭建，建立起数控技术教具的零成本制作与推广体系，此类教具出现损坏时，可以通过更换慧鱼创意组合模型的零件来实现对教具的修补，不需要专业的人员与设备，极大地节约了成本并利用了各高校的现有教学资源。我们设计的数控加工中心换刀及加工过程演示教具在理论上可以实现，在多次的模拟试验中具备我们预期的功能，整体设计贴近实际。在我校的数控制造技术课堂开设的试点中与“慧鱼教具走入课堂”教学计划中均取得了很好的成果，受到了教师与学生的一致好评。

4 结 论

针对现有机械专业相关工科院校教学中存在的学生对于大型数控设备缺乏感性认知；传统课堂图片视频教学手段无法满足学生对数控技术的学习的需求；加工现场噪音嘈杂，学生不易仔细观察数控设备加工过程以及实物教具机电一体化程度较高，发生损坏难以进行修理并且价格高昂等一系列的问题，基于慧鱼创意组合模型实验室在各高校的广泛普及，及其利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，在机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科领域内可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟。特提出了一种新的数控技术教具的制作方式与推广体系。

通过相关院校把基于慧鱼创意组合模型制作出的数控技术演示教具的相关图片、程序信息在公共网络平台上共享的方式，实现零成本的慧鱼教具的大范围制作与推广，同时由于慧鱼模型具有主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，可便于实现对损坏部件的更换等特性，解决了机电一体化程度较高的数控技术教具在损坏时维修困难造价高昂的问题。

并且通过对我校制作的数控加工中心换刀及加工过程演示教具的介绍，与在本校数控制造技术课堂开设的试点中与"慧鱼教具走入课堂"教学计划中的实际应用，说明了该种教具制作推广手段的可行性与先进性。

［1］ 曲凌.慧鱼创意机器人设计与实践教程［M］.上海：上海交通大学出版社，2007.