多功能动态刀具几何角度演示装置研制

郭华锋 胡志强 于萍 李志 李菊丽 何绍华 吴肖

摘 要 刀具几何角度是机械制造技术基础课程重要的知识点，对后续章节的学习至关重要。基于单片机技术设计一种多功能动态刀具几何角度演示装置。通过按键控制舵机旋转动态展现刀具正交平面参考系及主要几何角度变化过程。利用语音播放系统实时讲解刀具几何角度定义和所处状态，采用液晶显示屏同步显示各角度定义和数值。实践表明：该教具增强了学生直观认识，有助于学生对知识点的理解和掌握，培养了学生的创新意识，教学效果显著，市场前景和推广价值较大，也为其他教具的制作提供了一个崭新的思路。

关键词 刀具几何角度；教具；正交平面参考系；机械制造技术基础课程

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）02-0047-04

1 引言

机械类课程具有实践性和应用性强的特点，对学生理解力和空间想象能力要求较高，课程枯燥乏味，常规的理论教学很难引起学生兴趣。因此，这类课程都会采用教具来进行辅助教学，增加课堂活力，教学效果显著增强[1]。机械制造技术基础课程是工科专业必修的一门专业基础课，刀具几何角度是该课程非常重要的知识点。作为刀具常用的几何角度，前角、后角、主偏角、副偏角、刀尖角和刃倾角均在正交平面参考系中定义，学生在学习“刀具切削部分的基本定义”内容时不易理解刀具几何角度，主要在于正交平面参考系为静止的假想体系，对学生的空间想象能力有着较高要求。

目前，大多数高校教师讲解刀具切削部分几何角度的基本定义时，大都是通过实物刀具、挂图、PPT演示及板书等手段。但这些教学方式和教具均不能动态展示正交平面参考系及刀具几何角度，不利于学生对刀具相关知识点的理解。基于现有车刀教具存在的缺点，以普通外圆车刀为例，设计一种可直观显示正交平面参考系、动态演示刀具几何角度、实时语音播报及液晶显示的车刀角度演示装置，旨在帮助学生加深对刀具几何角度及车刀结构的理解，同时为其他教具的设计提供一个崭新的思路。

2 车刀教具研究现状

车刀一般由刀柄和刀头构成，刀柄主要用于安装；刀头为切削部分，主要用于切除金属材料。目前，国内外关于车刀教具的研究虽然较多，但大都以静态展示为主，并不能直观反映出假想的正交平面参考系（由基面、切削平面和正交平面构成），学生无法直观认知，理解起来较为困难，这也成为教学的重点和难点。

目前的教具主要有市场商业化的车刀模型（整体式或可拆卸式）、钢制刀具和教师自行开发的教具[2]。如宁波市鄞州姜山金星机械模具厂生产的铝合金车刀模型教具，可以在一定程度上帮助学生理解刀具的“三面两刃一尖”，但无法直观看到正交平面参考系。刘新子[3]的“组合式车刀教具”专利涉及一种可灵活拆卸组合的车刀教具，通过拆卸组装展示各种类型车刀及车刀几何角度，从而可迅速提高学生空间想象力并使其理解掌握教学内容；但手动拆卸较为麻烦，不利于课堂教学。恽达明[4]的“用于教学演示的车刀模型”专利所涉及的车刀教学模型结构简单、拆装方便，把抽象的空间概念具体化，容易让学生接受；但不能显示出最难想象的正交平面参考系，学生不易理解具体的车刀几何角度定义。戚月珍[5]采用有机玻璃制作了一款可拆卸式车刀模型，形象直观地展示了刀具几何角度和正交平面参考系；但学生操作起来较为烦琐，并且不能动态演示。

基于此，设计一种可动态展开正交平面参考系及动态演示刀具常用几何角度的智能车刀教具演示装置，采用彩色亚克力板材制作，集51单片机、12864液晶显示屏、语音播放系统及按键操控系统于一体，具有结构简单、操控性好、实用性强、价格低廉等优点。

3 总体方案设计及功能实现

设计目标 金属切削刀具虽然种类和结构多种多样，但基本原理一致，因此，本作品以前角、后角、刃倾角均为正值的45°尖头车刀为例，研制一种多功能动态刀具几何角度演示装置。主要功能如下：

1）实现刀具正交平面参考系的动态展开；

2）实现刀具常用几何角度的动态演示；

3）实现按键操作，液晶显示刀具定义和刀具角度大小；

4）实现语音播放刀具演示状态。

方案实现 以单片机为核心处理器，通过按键操作实现舵机角度旋转，控制车刀刀刃和正交平面参考系的动态演示。下面介绍各功能的实现。

1）刀具正交平面参考系的动态展开功能实现。车刀演示装置初始状态时，正交平面参考系基面、切削平面、正交平面均隐藏于车刀内部，利用三个舵机控制参考平面的显示与隐藏。其中，正交平面由两部分组成，利用热熔胶将靠近切削平面的那部分与切削平面边缘黏结起来，实现一个舵机同时控制切削平面与正交平面的一部分。图1所示为车刀正交平面参考系顯示状态。

2）刀具常用几何角度的动态演示功能实现。刀具常用几何角度演示是通过车刀上刀面、刀刃及参考平面动态运动来实现的，利用五个舵机分别演示前角、后角、主偏角、副偏角、刀尖角、刃倾角。图1所示为前角、后角示意图，图2所示为刃倾角示意图，图3所示为主偏角、副偏角、刀尖角示意图。

3）刀具定义和刀具角度大小功能实现。采用12864液晶显示屏与单片机连接，通过识别按键操作内容来判断车刀演示状态并实时地将信息显示在屏幕上，同时显示车刀角度的大小。按键和液晶显示屏固定在车刀刀柄上表面，如图4所示。

4）语音播放刀具演示状态功能实现。向ISD1600语音模块录入多段音频，通过单片机控制语音模块的寻址地址，实现不同按键操作对应不同的语音提醒，最后利用小喇叭播放语音。

4 加工制作

确定整体设计方案和预设功能之后，基于PRO/E软件完成零部件设计、装配及运动仿真，确保设计的合理性和科学性。采用AutoCAD软件完成零部件二维工程图的绘制。根据工程图采用激光雕刻机进行亚克力板材切割，最后利用ABS胶水完成总装配。

各刀面及刀刃的设计与加工 本设计中前角为正值，前刀面材料为亚克力。在前刀面中设计一个矩形槽，用于正交平面的伸出与缩回。车刀初始状态时，正交平面隐藏在前刀面下方，当需要演示正交平面参考系时，正交平面便从前刀面的矩形槽中伸出；演示完毕后，再缩回至刀头内。

如图5所示，主后刀面由两块亚克力板材用ABS胶水黏结而成，其中一块板材上边缘处设有凹槽，将刃倾角放置在凹槽内，同时在主后刀面内放置舵机1，实现舵机控制刃倾角绕转轴旋转。如图6所示，连杆1为主切削刃在基面中的投影线，连杆2为副切削刃在基面中的投影线。在主后刀面中设计一个十字形凹槽，便于連杆1、切削平面及正交平面的伸出与缩回。副后刀面中间开一个凹槽，便于连杆2的伸出与缩回。将舵机2和舵机3均固定在主后刀面与副后刀面拐角处，实现舵机2控制连杆1的转动，舵机3控制连杆2的转动。

正交平面参考系的设计与加工 本装置可以动态控制正交平面参考系的显示与隐藏。初始状态时，车刀所有参考平面均隐藏于车刀内部，通过舵机旋转一定角度，实现参考平面的伸出与缩进。如图7所示，基面由激光切割1 mm亚克力板材制作而成，表面形状为三角形，并在拐角处切割一个小孔，用于与舵机4旋转轴固定连接，利用ABS胶水和热熔胶将舵机黏结在刀柄侧壁上。

如图8所示，正交平面为通过切削刃上选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面，由于正交平面只显示一小部分，大部分仍隐藏在车刀内部，因此仅需设计显示的那一部分正交平面1和正交平面2。分别在两个正交平面内开一个矩形槽，使得舵机5、6在矩形槽内自由滑动，舵机旋转时，正交平面绕上面的轴旋转，实现伸出与缩进。切削平面也是由1 mm厚的亚克力板经激光切割而成，利用胶水将其竖直边缘与正交平面1外边缘黏结在一起，实现一个舵机可同时控制切削平面和正交平面1。

电子控制系统的设计与制作 采用STC12C5A60S2为主控芯片，控制系统包括电源供电系统、复位系统、晶振系统、按键控制系统、舵机控制系统、液晶显示系统、语音播放系统。电源供电系统选用四节1860型锂电池、一片AMS1117稳压芯片为系统提供稳定的电源电压。舵机控制系统选用SG90型固定翼S版舵机，其信号线分别与单片机P2^0～P2^5引脚相连。液晶显示系统采用12864液晶显示屏并行传输方式，并与单片机的P0端口相连，数据传输速度较快。语音播放系统选用ISD1700型语音芯片，通过与单片机的连接，实现按键操作语音芯片，小喇叭播放音效。采用液晶显示屏进行文字显示。

基于设计3D总装图，按照装配要求完成多功能动态刀具几何角度演示装置，通过测试，动作、语音、液晶显示、按钮、开关及控制系统均工作良好。装配完成后的实物如图9所示。

5 结束语

通过思路创新，以现代教育信息技术为手段，遵循现代设计方法学，综合考虑加工和装配工艺，基于单片机技术，设计一款多功能动态刀具几何角度演示装置教具。课堂教学效果表明，此教具不仅使教师教学游刃有余，而且大大激发了学生的学习兴趣和创新意识，对培养学生创新能力、工程实践能力，增强学生职业适应性，具有一定的实践意义，也为专业教师创新教学方法和手段提供了一定的借鉴。

参考文献

[1]袁焕，金大鹏.多功能教学教具演示综合实验台的设计[J].湖北理工学院学报，2015，31（2）：8-11.

[2]徐旭登，王泽华，张棉好.用于切削三要素演示的新型多功能可移式复合机床教具[J].机械工程师，2016（7）：65-66.

[3]刘新子.组合式车刀教具[P].中国专利：ZL201110363732.3，2012-06-13.

[4]常州轻工职业技术学院.用于教学演示的车刀模型[P].中国专利：ZL201220327582.0，2013-01-02.

[5]戚月珍.可拆式典型车刀教具的设计与制作[J].山东工业技术，2015（6）：50.