钳工锉削教学新型装置设计与开发

钳工是机械加工的一个工种，在制造技术先进化、智能化的今天，依旧是各制造企业必设的一类重要岗位，人才需求量大。各大院校机械类、近机械类专业均开设有钳工课程。在教师教授过程中，学生通常只能通过教师为数不多的亲身演示，学习正确的锉削姿势和方法；同时由于教师无法全面监控学生的锉削操作过程，从而无法及时地纠正学生可能出现的一些不规范甚至错误的操作方式，导致学生不能完全正确掌握正确、规范的锉削姿势和方法。为解决这一问题，有必要提供一种能快速提高学生锉削姿势的装置，提高教学效率。安庆职业技术学院的赵夫超老师发明了《一种水平校准锉刀》（专利号CN103962648A）和长沙航空职业技术学院盛科老师发明了《一种能矫正锉刀水平的新型台虎钳》针对钳工教学过程中存在的问题进行了有效的研究，填补了一些空白，但都没能在规范学生的操作姿势和练习评分上提出解决方法。本次研究通过创改专用钳口、创设告警电路、创新传感与软件集成，运用多种传感器融合、运动数据采集及数据显示等先进技术，实现锉削运动数据采集、锉削姿势监控和纠正等功能，自我改进锉削姿势和方法，以提升学习效果。根据装置采集的数据与软件设置数据进行对比进行评分。

1专用钳口设计

台虎钳专用钳口：设计研制具有适合宽度的带凹槽的专用钳口，该钳口需满足以下要求：一是对锉刀运动轨迹的约束，以保证锉刀始终可在接触点上方运动；二是控制加工工件垂直高度的限位要求，以保证锉削面与传感器触点的位置要求。台虎钳专用钳口实物图如图1所示，台虎钳专用钳口设计图如图2所示。

2传感器布置与告警电路设计

如图3所示，一种教学用锉削姿势练习校正检测装置包括两相互平行设置的侧板，所述的侧板为磁吸侧板，在两侧板之间形成空间；在两侧板的前方安装有台虎钳桌，在两侧板之间设有安装到台虎钳桌上的台虎钳的中心，该中心是指通过固定钳口、活动钳口且通过丝杆中心的一条线。在两侧板之间设有二组以上的红外传感器组。在本装置中，所述的红外传感器组包括初始状态红外传感器组、中间状态红外传感器组和终极状态红外传感器组。每组红外传感器组包括二个对射红外传感器，所述的红外传感器包括设在其中一侧板上的红外发射器和设在另一侧板上的红外接收器。在装置中，在侧板上对应于前脚的脚板、前脚膝盖、臀部前侧、胸侧、颈部前侧、头部前侧、后脚的脚板、后脚膝盖、臀部后侧、背侧、颈部后侧、头部后侧、前手的前端和后手的肘部处分别对应设有红外传感器。红外传感器利用磁铁吸附在磁吸侧板上。这样，根据不同的操作者可调节红外传感器的位置，以适用于不同人员的需求。如图4所示，给出了四种状态的锉削姿势。在锉削过程中，教科书中规定了正确的锉削姿势，锉削平面的正确姿势为初始状态，前脚的膝盖略为弯曲，后脚绷直，让操作者的背部与后脚在一条直线上，上身略前倾，抬头，前手握锉刀前端，后手弯曲并握住锉刀柄。当需要进行锉削时，前脚的膝盖弯曲，上身、后脚跟随整体前倾，保持后脚和上身在同一直线上，两只手跟随平行运动。基于这样的锉削姿势，利用红外传感器来检测操作者的位置，并至少设置初始、中间和终极状态三个位置对应的红外传感器组，将检测到的信号传送到控制器中，利用显示器、报警器等来确定锉削位置是否正确。这样，学生自己根据信号能知晓锉削的姿势是否正确，老师也能及时的发现，学生根据错误的锉削位置进行纠正，从而能让学生更加快速的掌握锉削姿势，提高了教学效率。在本实用新型中，红外信号从传感器传输到控制器并进行报警或显示属于现有技术。本实用新型的检测原理是：当操作者达到相应位置时，人的相应部位会阻挡红外传输，这样，对应的红外接收器不能接收到信号，说明姿势正确，当对应的位置能接收到红外信号，则说明姿势不正确，另外，在本装置中，一组红外传感器组形成一个信号，只有当一组红外传感器中的所有红外传感器的信号没有接收到时，才说明该状态的姿势是正确的，否则，锉削姿势不正确。比如，如图4所示为初始状态的锉削姿势，在该状态下，操作人员遮挡了初始状态红外传感器组中所有红外传感器中红外发射器发射到红外接收器的红外线，说明初始状态的姿势是正确的，如果有至少一初始状态红外传感器组中的红外接收器接收到对应的红外发射器的红外线，说明姿势不正确。同理，在其他的位置也是一样。在本研究中，通过检测到的位置信号通过控制器进行处理，能对操作人员的姿势是否正确进行评分。

3站姿纠正控制设计站

姿纠正控制模块：为使操作者有一个比较规范的操作姿势，并达到减轻疲劳，提高锉削效率、质量的目的，需研究操作者左右脚与台虎钳中心线的角度、不同身高者左右脚的跨度距离等因素的影响，对站位姿势及时加以纠正控制。站姿纠正控制模块示意图如图5所示，站姿纠正控制模块设计图如图6所示。

4锉削训考评分软件模型设计

创新训考方式，研发平面锉削评分系统，实时采集多种传感数据，通过智能算法实时计算训考操作得分，并给出分析报告和改进意见，提升实训考核管理水平。锉削训考评分软件系统操作界面如图7所示。

5结论

本次研究针对基本钳工平面锉削训练学员练习难点对传统的练习模式做出了改进和研发。通过改进适合宽度的带凹槽的专用钳口，对锉刀运动轨迹的约束，以保证锉刀始终可在接触点上方运动；同时控制加工工件垂直高度的限位要求，以保证锉削面与传感器触点的位置要求。通过告警电路设计，触点选位设计，平台安装及附件设计三方面研究搭建锉削偏移告警基础平台，并运用多种传感器融合技术，对锉刀的运动轨迹往返次数、锉削用时、失误次数等锉削核心数据进行实时监测，并通过数据采集系统输出到数据终端，授课老师可直接通过数据分析进行教学纠正。为使操作者有一个比较规范的操作姿势，并达到减轻疲劳，提高锉削质量的目的，需研究操作者左右脚与台虎钳中心线的角度、不同身高者左右脚的跨度距离等因素的影响，从而加装站位脚模胶垫及压力、位移等传感器，对站位姿态加以控制和及时纠正。最后通过开发的训考评分软件，实时采集多种传感数据，通过智能算法计算训考操作得分，并给出分析报告和改进意见，提升实训考核管理水平。

参考文献

[1]盛科.一种矫正锉刀水平的虎钳[P].(专利号ZL201720413833.X)2017.11.

[2]朱定见,洪晓东.金工实训[M].成都:电子科技大学出版社,2014.6:21-36.

[3]徐颖.提高钳工操作技能的对策思考[J].产业与科技论坛,2015,12:247-248.

作者:吴云 锋盛科 单位:长沙航空职业技术学院