开放式多轴联动演示模型

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    1．研制背景
    1.1研制背景
( K9 H5 z# d- b+ q% P. ^; ]    a.传统的教具展示具有局限性。
    传统的教具一般只能展现单一的原理，且结构相对独立，这样就使得原理在实际中应用情况展示不足。学生在上课时，只能根据教具[url=http://www.3dsource.cn/design/detail/product1-SITE131125161352332.html]火影忍者模型库[/url]相关内容，而难以了解该理论的实际运用状况，这使得学生将知识由理解向应用的转变变得十分困难，不能很好的达到学以致用。另外，传统的教具所展现的多为教学学习中的经典范例，对于以往的经典的知识可以做直观地演示。然而机械加工技术飞速发展的今天，多种加工及成型技术层出不穷，亟需一款能够做课堂教学及课堂外科普演示的设备。
' w( C" E3 g+ F) Q6 g# o) D    b.实际设备难以用于教学使用。
    实际生产所用的设备，由于生产实际要求的限制，一般装配比较精密，结构不便展示，难以满足教学讲解和展示的需要。同时，基于对精度的考虑，实际设备几乎不允许进行拆装演示讲解。另外，一些大型的机械设备也不便于携带，不可教室中展示。这些局限使得学生难以直观的了解到相关知识的实际运用过程。并且，由于新兴的加工设备市场尚未成型，产品良莠不齐，价格高低不一，对于学校或其他组织购置实际设备做展示产生了极大障碍。
    1.2国内外研究概况
  {/ W2 ]# e; W3 t    国外：玛丽?华盛顿大学的教师在2012年的设计入门课程中使用3D打印机作为学习环境。由学生扫描实物或自己设计出物品。打印出原型。并在此基础上试验和改进。在FullSail大学，学生们使用该技术制作3D漫画人物。他们利用三维软件设计人偶并打印出塑料模型。美国弗吉尼亚大学的学生通过3D打印技术制造出一架模型飞机并成功试飞，飞机的所有零部件都是通过3D打印制造的。美国国家科学基金会（NSF）的数字图书馆项目提供了很多3D动物和器官结构模型，包括无脊椎和脊椎生物，很多是已灭绝生物。该项目的参与者正在扫描并打印复制古人类化石。哈佛大学博物馆的研究人员也在利用计算机为收集到的残缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出复制品。
- g' B6 ]( A; r3 ~, i  n    国内：淄博科技教育中心将自主研发的3D打印教具引入课堂，不仅能够打印教具、学具、模型等,还能让学生在课堂上得到三维立体造型的实践锻炼,这在全国尚属首创。浙江高校将3D打印机作为机电专业的一个研究方向，鼓励学生学习、自主设计制造。通过对国内外教具设计的了解与研究，我们发现学生在教学生活中，更加需要一款可以将书本知识与实际相结合、能够寓教于乐的教学用具。
9 Z( [$ R  J- H( `* \- i    针对国内外现状，我们可以知道：在国外，已将3D打印等先进的成型技术引入课堂教学，而国内虽然也有初步探索，但是还是依靠自己火影忍者模型库[url]http://www.3dsource.cn/design/detail/product1-SITE131125161352332.html[/url]，缺少一种可以用作演示的产品。基于此，我们设计了这款开放式多轴联动演示系统。
    2．设计方案
    该开放式多轴联动演示系统由主体平台部分、工作台模块、主轴模块、多轴拓展模块和电控系统五部分组成。
    2.1主体平台部分
5 W! ^" L) P" f$ |7 J    主体平台部分采用铝板制作完成，整体尺寸为200mm×260mm×274mm，体积小巧，便于携带演示使用。
    在主体平台部分的X、Y、Z轴上，分别装有：
: U" N& r- f& f* {3 U& {    a.四对8mm光轴，作为导轨起导向作用；
    b.四个步进电机，起驱动X、Y、Z轴丝杠运动的作用；
    c.四根滚珠丝杠，将步进电机的转动运动转化成为滑块的直线运动，以实现各轴运动。
    主体平台部分是整个系统功能实现的载体。为了便于用于课堂上老师对传动原理和相关机构的讲解和展示，我们将整体结构做透明化的设计，外部结构和内部构造一目了然，也方便用作其他场合的宣传演示。整个平台部分是基于三轴联动系统的简化设计，因此透明的结构也有利于观看者直观地了解多轴联动系统的设计原理和运动状态，以及3D打印机的工作原理和方式。
    2.2主轴模块部分
, T. @  r9 x" k    主轴模块是整个系统演示加工功能的实现部分。通过更换雕刻机调速电机和3D打印机挤出嘴等部件，实现该系统演示数控雕刻技术和3D打印等诸多功能，有利于学生在教学实践里接触到多种的数控加工技术，也便于演示者在其他场合做多种加工方式的演示。同时模块化的部件设计方式，也方便单独观察学习雕刻机调速电机和打印机挤出嘴的结构。
    为了更换方便，我们将主轴加工部件固定在固定座上，固定座和加工部件上有相匹配的螺纹孔，易于拆卸和安装。
, a" M1 L( n6 `; ~; [, H    2.3工作台模块
    工作台模块是数控加工展示时的工作平台，在工作台上装卡待加工零件，从而实现加工展示。为方便装卡，且节省成本，我们在工作台上留有25个M5的螺纹孔和10个M4的螺纹孔，使其可以装卡多种形状的待加工件。
) E0 {; P5 z# V1 u+ l    另外，可拆卸的工作台模块还可用于机床的工作台装配实践。在课堂实践时，学生可以通过工作台模块的拆装，熟悉机床工作台装配的一般步骤和注意事项。进一步体现作品的多功能。
    2.4多轴拓展模块
& @! a; l6 B! @$ b$ [! [+ s. U    多轴拓展模块是一个功能拓展模块。主要用于展示多轴联动系统中A轴的运动方式。观看者可以通过该模块，了解到多轴系统中A轴的工作状态，有利于充分了解多轴联动数控机床各伺服轴联动的实际情况和回转体工件在实际加工中的加工方式，从而对多轴联动数控机床有进一步的认识。
1 r$ h" q2 q' ~: d2 T, \    该模块同样是透明的结构设计，内部结构和运动情况清晰可见。在课堂教学以及宣传演示中，可以使用该模块单独进行步进电机和同步带配合使用的相关讲解，让观看者能够更多了解到步进电机在工程实践中的应用和步进电机的多种传动方式。
0 H  ~0 u! _6 O9 @# b6 R    2.5电控系统
' U. R& y5 ~4 ^. c    演示系统的电控系统采用低压直流电路。我们使用24V学生电源提供电力，保证演示和教学使用等场合的安全。这样的设计为工作状态时观察讲解电路提供了保障，学生可以更加直观地观察、了解多轴联动数控机床的机电控制系统的元件组成。
( \; ~3 Y# H) C8 o  W    3．运动控制方式
: w0 ]! U2 w0 I4 G, W* e    我们的作品主要应用于课堂教学展示，故考虑到课堂展示的实际环境。我们的雕刻机主控芯片采用的是USB CNC主控板，该主控板可以使用USB线与计算机连接，可以在现今的大多数多媒体教学教室内使用，也可以在室外任何有电脑的情况下使用，适用范围广泛。主控板连接四块步进电机驱动芯片电路，从而实现对电机的控制。
# \5 I: \  Y. n' C    3D打印的主控芯片使用的是Melzi 2.0主控板，该主控板可以使用USB数据线用计算机控制，同时还可使用TF卡实现脱机控制，可以将事先编写好的G代码程序下载至TF卡内，插入相应的卡槽即可使用,这使得我们作品的使用受环境影响较小，更加适合于多种环境的演示使用。
    雕刻功能的控制软件是CNC USB Controller。这款软件采用USB数据线与计算机连接控制，识别通用的G代码，满足演示平台的教学使用要求。3D打印的控制软件是Pronterface, 通过USB数据线与计算机连接实现控制或用TF卡脱机控制。
    系统加工使用的数控代码是G代码，可用现今使用的大多CAD或CAM软件生成，适合学生课外实践，自主设计，实践加工。