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摘 要：针对当代大学生只是拥有理论知识，而极度缺乏实际加工实践的现象，搭建了一个实验室的微小铣床。主要用于本科生实验教学中，可以满足学生自行设计零件及加工工艺，并对其进行实际的加工操作。该文从教学实践和教学思考两个方面对微小加工技术进行分析和探讨，让学生熟悉数控加工的基本操作，提高学生主动思考的积极性及动手能力，同时也实现了“教、学、做”的一体化教学，并指出了下一步将要做的工作。
关键词：数控加工 微小加工 教学改革 实践教学
中图分类号：G48 文献标识码：A 文章编号：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
目前许多金属材料制成的三维微小零件都是在常规尺寸的超精密机床上加工而成的，这些机床成本高、效率低、能耗大、主轴转速相对较低，难以满足微小零件的加工要求。而微小型机床不仅有助于提高利用空间利用率和降低成本，而且由于惯性减小，从而容易达到高速加工和高精度运动控制。在本科生的教学过程中，使用大型机床教学相对较为困难，而微小机床则相对容易。因此，该文针对本科生教学，使用微小机床进行数控操作，并且编制浅显易懂的操作界面，让学生可以容易的对机床进行操作，实现所要求的教学目的。
1 微小机床的介绍
微小机床主要有4类：微小车床、微小铣床、微小钻床、微小车铣床。目前国内主要以微小铣床居多，包括上海交通大学、哈尔滨工业大学、东北大学等多所学校都进行了相关方面的研究，也有部分学校建立了小型机床的实验室，用于学生的创新设计、加工小型零件等方面。
微小机床作为实验教学的一个设备，不仅需要一定的相对稳定可靠机械结构，还需要通俗易懂的编程界面去直观的显示当前的运动状态等参数。通常微小机床测试采集系统所需要的一些附加设备有磁力表座、激光传感器、力锤、信号采集卡等。
2 微小铣床试验台的建设
2.1 系统组成
为了方便对本科生进行教学，在进行微小铣削技术介绍时应当遵循简单易懂的标准，同时还必须符合通用微小机床各方面的性能要求，方便学生进行操作，且一般不会受到伤害，不会对设备造成破坏。因此微小铣削的教学系统应当具备如下特点：（1）完备的机械结构，能够满足学生在实验室微铣床上面进行简单的零件切削加工；（2）完备的数控系统，能够实现绝大多数的切削加工形式，比如切槽，切圆弧等；（3）完备的运动模式，不仅能够实现高速和低速的手动运行，还可以实现精确的点位运动，更有直线插补和圆弧插补两种插补方式，满足试验的精度要求；（4）简单的操作界面，通俗的操作方式，符合学生加工零件的思路的界面，让学生能够快速地学会使用微小机床的加工操作。
为了适应本科生教学，进行了微小铣削方面的研究，开发了一台微小铣床，并设计一套运动控制系统。具体结构如图1所示。此微小机床的部分参数如下：（1）机床的整体结构为450×650×700 mm；（2）三个方向的运动行程为150×50×80 mm；（3）机床所采用的是日本THK公司所生产的导轨，采用滚珠丝杠方式驱动；（4）Z轴配有雷尼绍公司的光栅尺，分辨率为0.1 um；（5）三个轴均采用日本东方电机的5相步进电机驱动。
2.2 试验台在教学中的应用及实现
2.2.1 实验室微小铣床的硬件建设
本实验台位于新机械楼五楼，配备有专门的实验室及专门的工控机。工控机上面已经安装好所需要的运动控制程序，并与微小铣床完好连接。实验室由一名实验老师及两名助理共同管理，并对实验设备进行日程维护，保证设备可以正常运行。
2.2.2 实验指导手册的编写
本实验指导手册主要参考《GTS系列运动控制器编程手册》及《GTS-400-PV（G）-PCI系列运动控制器用户手册》编写，从最简单的操作入手，简单，通俗易懂，遵循适用原则，目的是提升学生使用微小铣床的操作能力，能够对简单零件的加工有一定的了解，还能够自行设计简单微小零件并进行加工，同时还可以提高学生的动手能力以及团队协作精神，对一个零件的加工方式进行讨论，综合对比后给出一套好的方案，通过实际加工进行确认优劣。 2.2.3 实验老师及助理的培训
因为所开发的微小铣床及控制系统是由实验室自己开发的，需要对负责的实验老师及助理进行培训才能彻底明白系统的原理，如果出现一些意外的故障时能够沉稳的进行处理。而培训则主要以对系统的熟悉为主，调整参数以尽可能的了解微小铣床的加工性能指标，能够在不同的材料和不同的加工工况下做出最好的加工方案，并且能够熟练地使用演示程序让学生能够直观的观测到微小铣床的实际加工过程，指导学生使用微小铣床进行简单的加工。在上课时，还需要能够紧紧抓住学生的兴趣所在，掌握学生学习的工作进度，对于学生所遇到的问题，能够做到心中有数，并及时做好学生实践加工的指导工作。
2.2.4 整理素材
由于数控加工是一门涉及到多学科的东西，知识面非常广泛，学生在学习实践加工的过程中，要想迅速形成比较清晰的记忆脉络是比较困难的，对加工的代码应用也不会太明确。因此，实习老师应该在实验前准备好一定的素材，比如先在纸上画好一定形状的图形，以便学生能够有一个明确的目标，引导学生进行有目的地设计方案。还需要根据学生的学习进度拟定好一定层级的加工工件图，由易到难，由简单到复杂，由浅入深，分层次、分水平，循序渐进地引导学生逐步熟悉微小机床的操作步骤，直到能够独立地对一个给定零件进行加工工艺的分析并能够独立自主进行工艺加工过程的拟定。
2.2.5 过程化的考核
作为本科生的一个实验教学，则需要进行一定的考核，目的是为了督促学生能够积极主动地完成给定的加工任务，熟练掌握机床的操作这一基本的技能。因此在上课前也需要学生对每次实验的内容进行一定的预习，重新温习一下之前上课所学到的理论知识。在实验课上，通过与理论课上所看所学进行一定的结合，也能够对学生的学习状态有更深的了解，可以有针对性地对学生进行指导。
实验课学生学到的不仅仅是理论，更应该是操作技能的提高。所以在实验课上，不仅要教会学生如何正确的进行操作，在不犯重大错误的情况下应鼓励学生积极进行加工方式的创新，不怕学生犯错误。只有深入了解了某些错误造成的后果，才会对正确的操作有更加深刻的印象。所以，在考核的时候不应只是对加工结果的评比，而应该是包含操作正确性、规范性及加工质量的结合，最终综合出一个合理公正的结果。
同时过程化考核的最终成绩由学生自我评价、小组评价和教师的考核评价三部分共同组成，争取做到客观、公正、全面，要让学生达到让理论课上学得到知识得到淋漓尽致的发挥，结合学习情况和实践操作，让学习效果得到进一步提升。
3 微小铣削技术在本科教学实践的思考
3.1 该项研究的特点和价值
该项实验室微小铣削技术的本科教学应用，作用广泛，意义重大，主要有以下几个方面。
（1）本科生对于大型数控机床包括车、铣、刨、磨、钻、镗等接触的都比较少，加上大型机床的价格都相对较高，维护也较难，学生平时也更少有机会亲自去操作机床加工一定的零件。在这个微小铣床上，设备的维护容易，学生也将会有较多的机会去真正的实际加工工件，切身体会机械加工的难易，也能培养学生对整个数控加工过程的理解。
（2）在此微小铣床上，由于其加工工件的尺寸一般限制在较小的尺寸上，所需要花费的金钱也相对较少，所以可以允许学生发挥自己的想象力，设计出一些样式新颖的工件，或者对已有的工件图纸设计新的加工工艺，对比不同的方案，切实感受加工结果。
（3）对于多年从事数控机床的老师而言，他们可以对此数控系统进行一定的指导和修改，更加方便的为学生服务，设计出更加满足学生使用的数控加工程序。
（4）对于那些对数控加工或者对程序编程特别感兴趣的同学来说，实验室的微小铣床给了他们这样一个机会去施展自己的才华。一方面他们可以改进现有的数控系统程序，使得加工效率更高或者加工质量更高；另一方面也可以通过自己设定的加工参数得到最后的工件，努力对加工过程进行优化，让数控加工的结果更加满意。
3.2 目前存在的问题
该实验所采用的运动控制系统是基于固高公司的GTS-400通过C#运动控制卡所编写的，对于运动控制卡所提供的底层函数的使用还不是特别的得心应手，部分程序可以得到进一步的优化。所使用的操作界面也可以经过多数学生的反馈进一步改进，更加符合大家操作的习惯，突出需要强调的部分，对于那些可以不要的功能也可以进行适当的精炼。
3.3 下一步进行的工作
针对固高公司所提供的底层函数应用不够，需要做一定的工作对底层函数进行深刻的认知，然后对数控系统的程序进行优化；在操作界面方面需要广泛听取各方面的意见，并且参考西门子或者FANUC数控系统的界面进行修改，添加一些机床各个方面的状态显示及故障显示，保证能够及时对学生的误操作进行提醒；将微小铣床加工的零件和通用数控铣床加工的零件进行对比，比较加工效率和加工质量及单体零件价格等，分析微小铣床在加工零件时的优点与缺点。
4 结语
本教学实践在实验室里进行了微小数控铣床的搭建及控制系统的设计，使得让学生实际操作机床变得切实可行，也顺应了时代潮流对大学生的要求，提高了学生对数控机床的认识，提高了其操作微小机床的能力，让学生在课堂上学到的理论知识有了实践的机会，也使学生对数控加工的过程从认知到理解再到实际的操作，实现了“教、学、做”的一体化教学。
该实验室搭建微小铣床是一个与时俱进的过程，可根据实际的需求进行不断地调整与改进，对学生的实践能力有无可限量的提高。还可以激发学生对数控加工及编程的热爱，促使学生进行科技创新，自行设计所需要的精密的微小零件，并通过自己的所知所学将其加工出实物，能大幅提高学生的科研能力。
参考文献
[1] 李斌.数控技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.
[2] 李忠新，左建华，陶丽刚，等.机电基础实验教学平台建设的实践与思考[J].科教导刊，2014（2）：138-139，165.
[3] 卢倩，王福元，崔治.高等院校机电一体化类课程实践教学改革策略探讨[J].科教导刊，2011（9）：156-157.
[4] 隋修武，牛雪娟，杜红玉.研究生的“机电一体化”思维培养及创新能力提升[J].科教导刊，2014（8）：52，64.
关键词：数控加工 微小加工 教学改革 实践教学
中图分类号：G48 文献标识码：A 文章编号：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
目前许多金属材料制成的三维微小零件都是在常规尺寸的超精密机床上加工而成的，这些机床成本高、效率低、能耗大、主轴转速相对较低，难以满足微小零件的加工要求。而微小型机床不仅有助于提高利用空间利用率和降低成本，而且由于惯性减小，从而容易达到高速加工和高精度运动控制。在本科生的教学过程中，使用大型机床教学相对较为困难，而微小机床则相对容易。因此，该文针对本科生教学，使用微小机床进行数控操作，并且编制浅显易懂的操作界面，让学生可以容易的对机床进行操作，实现所要求的教学目的。
1 微小机床的介绍
微小机床主要有4类：微小车床、微小铣床、微小钻床、微小车铣床。目前国内主要以微小铣床居多，包括上海交通大学、哈尔滨工业大学、东北大学等多所学校都进行了相关方面的研究，也有部分学校建立了小型机床的实验室，用于学生的创新设计、加工小型零件等方面。
微小机床作为实验教学的一个设备，不仅需要一定的相对稳定可靠机械结构，还需要通俗易懂的编程界面去直观的显示当前的运动状态等参数。通常微小机床测试采集系统所需要的一些附加设备有磁力表座、激光传感器、力锤、信号采集卡等。
2 微小铣床试验台的建设
2.1 系统组成
为了方便对本科生进行教学，在进行微小铣削技术介绍时应当遵循简单易懂的标准，同时还必须符合通用微小机床各方面的性能要求，方便学生进行操作，且一般不会受到伤害，不会对设备造成破坏。因此微小铣削的教学系统应当具备如下特点：（1）完备的机械结构，能够满足学生在实验室微铣床上面进行简单的零件切削加工；（2）完备的数控系统，能够实现绝大多数的切削加工形式，比如切槽，切圆弧等；（3）完备的运动模式，不仅能够实现高速和低速的手动运行，还可以实现精确的点位运动，更有直线插补和圆弧插补两种插补方式，满足试验的精度要求；（4）简单的操作界面，通俗的操作方式，符合学生加工零件的思路的界面，让学生能够快速地学会使用微小机床的加工操作。
为了适应本科生教学，进行了微小铣削方面的研究，开发了一台微小铣床，并设计一套运动控制系统。具体结构如图1所示。此微小机床的部分参数如下：（1）机床的整体结构为450×650×700 mm；（2）三个方向的运动行程为150×50×80 mm；（3）机床所采用的是日本THK公司所生产的导轨，采用滚珠丝杠方式驱动；（4）Z轴配有雷尼绍公司的光栅尺，分辨率为0.1 um；（5）三个轴均采用日本东方电机的5相步进电机驱动。
2.2 试验台在教学中的应用及实现
2.2.1 实验室微小铣床的硬件建设
本实验台位于新机械楼五楼，配备有专门的实验室及专门的工控机。工控机上面已经安装好所需要的运动控制程序，并与微小铣床完好连接。实验室由一名实验老师及两名助理共同管理，并对实验设备进行日程维护，保证设备可以正常运行。
2.2.2 实验指导手册的编写
本实验指导手册主要参考《GTS系列运动控制器编程手册》及《GTS-400-PV（G）-PCI系列运动控制器用户手册》编写，从最简单的操作入手，简单，通俗易懂，遵循适用原则，目的是提升学生使用微小铣床的操作能力，能够对简单零件的加工有一定的了解，还能够自行设计简单微小零件并进行加工，同时还可以提高学生的动手能力以及团队协作精神，对一个零件的加工方式进行讨论，综合对比后给出一套好的方案，通过实际加工进行确认优劣。 2.2.3 实验老师及助理的培训
因为所开发的微小铣床及控制系统是由实验室自己开发的，需要对负责的实验老师及助理进行培训才能彻底明白系统的原理，如果出现一些意外的故障时能够沉稳的进行处理。而培训则主要以对系统的熟悉为主，调整参数以尽可能的了解微小铣床的加工性能指标，能够在不同的材料和不同的加工工况下做出最好的加工方案，并且能够熟练地使用演示程序让学生能够直观的观测到微小铣床的实际加工过程，指导学生使用微小铣床进行简单的加工。在上课时，还需要能够紧紧抓住学生的兴趣所在，掌握学生学习的工作进度，对于学生所遇到的问题，能够做到心中有数，并及时做好学生实践加工的指导工作。
2.2.4 整理素材
由于数控加工是一门涉及到多学科的东西，知识面非常广泛，学生在学习实践加工的过程中，要想迅速形成比较清晰的记忆脉络是比较困难的，对加工的代码应用也不会太明确。因此，实习老师应该在实验前准备好一定的素材，比如先在纸上画好一定形状的图形，以便学生能够有一个明确的目标，引导学生进行有目的地设计方案。还需要根据学生的学习进度拟定好一定层级的加工工件图，由易到难，由简单到复杂，由浅入深，分层次、分水平，循序渐进地引导学生逐步熟悉微小机床的操作步骤，直到能够独立地对一个给定零件进行加工工艺的分析并能够独立自主进行工艺加工过程的拟定。
2.2.5 过程化的考核
作为本科生的一个实验教学，则需要进行一定的考核，目的是为了督促学生能够积极主动地完成给定的加工任务，熟练掌握机床的操作这一基本的技能。因此在上课前也需要学生对每次实验的内容进行一定的预习，重新温习一下之前上课所学到的理论知识。在实验课上，通过与理论课上所看所学进行一定的结合，也能够对学生的学习状态有更深的了解，可以有针对性地对学生进行指导。
实验课学生学到的不仅仅是理论，更应该是操作技能的提高。所以在实验课上，不仅要教会学生如何正确的进行操作，在不犯重大错误的情况下应鼓励学生积极进行加工方式的创新，不怕学生犯错误。只有深入了解了某些错误造成的后果，才会对正确的操作有更加深刻的印象。所以，在考核的时候不应只是对加工结果的评比，而应该是包含操作正确性、规范性及加工质量的结合，最终综合出一个合理公正的结果。
同时过程化考核的最终成绩由学生自我评价、小组评价和教师的考核评价三部分共同组成，争取做到客观、公正、全面，要让学生达到让理论课上学得到知识得到淋漓尽致的发挥，结合学习情况和实践操作，让学习效果得到进一步提升。
3 微小铣削技术在本科教学实践的思考
3.1 该项研究的特点和价值
该项实验室微小铣削技术的本科教学应用，作用广泛，意义重大，主要有以下几个方面。
（1）本科生对于大型数控机床包括车、铣、刨、磨、钻、镗等接触的都比较少，加上大型机床的价格都相对较高，维护也较难，学生平时也更少有机会亲自去操作机床加工一定的零件。在这个微小铣床上，设备的维护容易，学生也将会有较多的机会去真正的实际加工工件，切身体会机械加工的难易，也能培养学生对整个数控加工过程的理解。
（2）在此微小铣床上，由于其加工工件的尺寸一般限制在较小的尺寸上，所需要花费的金钱也相对较少，所以可以允许学生发挥自己的想象力，设计出一些样式新颖的工件，或者对已有的工件图纸设计新的加工工艺，对比不同的方案，切实感受加工结果。
（3）对于多年从事数控机床的老师而言，他们可以对此数控系统进行一定的指导和修改，更加方便的为学生服务，设计出更加满足学生使用的数控加工程序。
（4）对于那些对数控加工或者对程序编程特别感兴趣的同学来说，实验室的微小铣床给了他们这样一个机会去施展自己的才华。一方面他们可以改进现有的数控系统程序，使得加工效率更高或者加工质量更高；另一方面也可以通过自己设定的加工参数得到最后的工件，努力对加工过程进行优化，让数控加工的结果更加满意。
3.2 目前存在的问题
该实验所采用的运动控制系统是基于固高公司的GTS-400通过C#运动控制卡所编写的，对于运动控制卡所提供的底层函数的使用还不是特别的得心应手，部分程序可以得到进一步的优化。所使用的操作界面也可以经过多数学生的反馈进一步改进，更加符合大家操作的习惯，突出需要强调的部分，对于那些可以不要的功能也可以进行适当的精炼。
3.3 下一步进行的工作
针对固高公司所提供的底层函数应用不够，需要做一定的工作对底层函数进行深刻的认知，然后对数控系统的程序进行优化；在操作界面方面需要广泛听取各方面的意见，并且参考西门子或者FANUC数控系统的界面进行修改，添加一些机床各个方面的状态显示及故障显示，保证能够及时对学生的误操作进行提醒；将微小铣床加工的零件和通用数控铣床加工的零件进行对比，比较加工效率和加工质量及单体零件价格等，分析微小铣床在加工零件时的优点与缺点。
4 结语
本教学实践在实验室里进行了微小数控铣床的搭建及控制系统的设计，使得让学生实际操作机床变得切实可行，也顺应了时代潮流对大学生的要求，提高了学生对数控机床的认识，提高了其操作微小机床的能力，让学生在课堂上学到的理论知识有了实践的机会，也使学生对数控加工的过程从认知到理解再到实际的操作，实现了“教、学、做”的一体化教学。
该实验室搭建微小铣床是一个与时俱进的过程，可根据实际的需求进行不断地调整与改进，对学生的实践能力有无可限量的提高。还可以激发学生对数控加工及编程的热爱，促使学生进行科技创新，自行设计所需要的精密的微小零件，并通过自己的所知所学将其加工出实物，能大幅提高学生的科研能力。
参考文献
[1] 李斌.数控技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.
[2] 李忠新，左建华，陶丽刚，等.机电基础实验教学平台建设的实践与思考[J].科教导刊，2014（2）：138-139，165.
[3] 卢倩，王福元，崔治.高等院校机电一体化类课程实践教学改革策略探讨[J].科教导刊，2011（9）：156-157.
[4] 隋修武，牛雪娟，杜红玉.研究生的“机电一体化”思维培养及创新能力提升[J].科教导刊，2014（8）：52，64.