擴(kuò)展大型教學(xué)設(shè)備功能延長(zhǎng)儀器使用壽命

尹發(fā)根 肖建輝

摘? 要：實(shí)驗(yàn)室大型儀器設(shè)備技術(shù)含量高、功能相對(duì)單一，因此更新周期短，使用對(duì)象狹窄，容易導(dǎo)致設(shè)備利用率低甚至閑置，造成資產(chǎn)浪費(fèi)。以待報(bào)廢的恒通MPS280快速成型機(jī)為例，提出一種通過(guò)擴(kuò)展儀器功能提高大型設(shè)備利用率、延長(zhǎng)使用壽命的方法。設(shè)備改造后的使用效果表明，通過(guò)對(duì)部分零件進(jìn)行更換，MPS280完全可以得到二次利用，新功能使用效果良好，能夠滿足教學(xué)需求。

關(guān)鍵詞：恒通MPS280快速成型機(jī);功能擴(kuò)展;儀器使用壽命;熱激光頭模組

中圖分類號(hào)：G647? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0048-03

Abstract： Large laboratory instruments and equipment have high technical content and relatively single functions， so the updating period is short and the use range is narrow， which easily leads to low utilization rate or even idleness of equipment， resulting in waste of assets.Taking Hengtong MPS280 rapid prototyping machine as an example， this paper proposes a method to improve utilization rate of large equipment and extend service life by extending instrument function.The use effect after the equipment transformation shows that MPS280 can be completely reused by replacing some parts， and the new function has a good use effect， which can meet the teaching requirements.

Keywords： Hengtong MPS280 rapid prototyping machine; function expansion; service life of the instrument; thermal laser head module

引言

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是各院校開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究等活動(dòng)的基礎(chǔ)，而大型貴重儀器在一定程度上反映了高校的教學(xué)水平和科研能力[1-2]。近年來(lái)，隨著中央對(duì)教育經(jīng)費(fèi)的不斷增加，各高校也加大了大型儀器設(shè)備的資金投入。教育部相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，截止到2017年底，全國(guó)高校單價(jià)10萬(wàn)元和40萬(wàn)元以上的大型設(shè)備總值分別達(dá)到了2065.05億和1190.6億元[3]。隨著大型儀器設(shè)備不斷增加，各個(gè)高校同時(shí)面臨著利用率不高的問(wèn)題[4]。相關(guān)文獻(xiàn)表明，全國(guó)各大院校20%的大型設(shè)備處于閑置狀態(tài)[5]，甚至出現(xiàn)了少數(shù)設(shè)備全年零開(kāi)機(jī)現(xiàn)象[6]。缺乏大型設(shè)備共享平臺(tái)導(dǎo)致各高校重復(fù)購(gòu)買，以及高校設(shè)備缺少社會(huì)化應(yīng)用途徑是導(dǎo)致設(shè)備利用率低的主要原因。大型儀器設(shè)備核心技術(shù)更新快，功能不豐富甚至單一，也是利用率無(wú)法大幅提高的重要因素。眾所周知，大型貴重儀器設(shè)備一般都是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，技術(shù)上主要追求某項(xiàng)功能尖端、完美。功能單一造成設(shè)備使用對(duì)象相對(duì)固定且狹窄，不能像標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備那樣供多專業(yè)師生共同使用。同時(shí)，核心技術(shù)快速發(fā)展，導(dǎo)致設(shè)備更新周期短。各高校為了跟上技術(shù)發(fā)展，獲得理想的教學(xué)、科研效果，不得不將那些未到使用年限，性能良好的大型設(shè)備進(jìn)行閑置處理，等待報(bào)廢，轉(zhuǎn)而購(gòu)買性能更優(yōu)的產(chǎn)品。這就大大縮短了大型設(shè)備生命周期，不但降低了利用率，還提高了教學(xué)成本，造成了資源浪費(fèi)。因此提高大型設(shè)備的利用率，降低教學(xué)成本，是我們亟需解決的問(wèn)題。但是由于體制和利益問(wèn)題，短時(shí)期內(nèi)無(wú)法通過(guò)資源共享和高校設(shè)備社會(huì)化這兩種途徑提升大型設(shè)備的利用率。但是我們可以通過(guò)設(shè)備改造，新增設(shè)備功能，使更多的師生使用這些設(shè)備，提高利用率、延長(zhǎng)儀器生命周期，降低設(shè)備使用成本。

本文以恒通MPS280快速成型機(jī)為例，通過(guò)更換部分重要部件，并對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)，使原本處于待報(bào)廢的大型設(shè)備具有新的功能，被賦予二次生命。改造后的MPS280快速成型機(jī)作為開(kāi)放性設(shè)備提供給我院所有師生使用，提高了利用率，延長(zhǎng)了使用壽命，避免了重大資產(chǎn)報(bào)廢，同時(shí)也為其他大型設(shè)備的改造提供了范例。

1 恒通MPS280快速成型機(jī)及其改造背景

1.1 恒通MPS280快速成型機(jī)

恒通MPS280快速成型機(jī)，是陜西恒通智能機(jī)器有限公司生產(chǎn)的一款3D模型快速制作設(shè)備。該設(shè)備基于光敏樹(shù)脂受紫外激光照射凝固的原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激光逐層掃描固化液槽中的光敏樹(shù)脂，最終得到實(shí)物原型，其中每一層固化的截面是由實(shí)物的三維CAD模型分層得到的。MPS280快速成型機(jī)能夠在無(wú)需模具的情況下快速、精確的制作任意復(fù)雜形狀的零件模型，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的“無(wú)模制造”，對(duì)各工科特別是機(jī)械類學(xué)生的模具設(shè)計(jì)教學(xué)有著巨大的作用。MPS280整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含操作面板、控制電腦以及作業(yè)區(qū)三大部分。操作面板包含設(shè)備各部分的電源開(kāi)關(guān);控制電腦作為上位機(jī)為激光頭等執(zhí)行部件提供指令;作業(yè)區(qū)包含的激光頭、液槽、步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備共同執(zhí)行上位機(jī)指令完成實(shí)物制作。

1.2 MPS280快速成型機(jī)的改造背景

我院為抓住3D打印快速發(fā)展的時(shí)機(jī)，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生，在2007年以55萬(wàn)元的價(jià)格購(gòu)入了該設(shè)備，并經(jīng)專人承擔(dān)教學(xué)及其管理工作。在此基礎(chǔ)上，有關(guān)教師組織學(xué)生成立了興趣小組，在學(xué)習(xí)的同時(shí)對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，而且積極組織學(xué)生參加各類相關(guān)比賽，取得了不俗的成績(jī)，圖2為學(xué)生利用MPS280快速成型機(jī)完成的部分參數(shù)作品。

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，恒通MPS280快速成型機(jī)體積大、速度慢、成本高等短板逐漸顯現(xiàn)，使用機(jī)時(shí)不斷減少，最終被新購(gòu)設(shè)備完全取代。從2012年開(kāi)始，該設(shè)備便被閑置，處于待報(bào)廢狀態(tài)。考慮到購(gòu)入價(jià)格高，報(bào)廢將產(chǎn)生大額資產(chǎn)減值，該設(shè)備的3D打印技術(shù)雖然落后于主流產(chǎn)品，但是其基礎(chǔ)部件以及各附件均完好，進(jìn)給功能依然穩(wěn)定，因此具有重新利用的價(jià)值，可以對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，二次使用。我們根據(jù)該設(shè)備的工作原理及其具有的機(jī)械性能，結(jié)合我院缺少雕刻設(shè)備的現(xiàn)狀，決定通過(guò)更換激光頭，將該設(shè)備改造為一臺(tái)激光雕刻機(jī)，使其具有打標(biāo)、雕刻、切割不同材質(zhì)的功能。改造完成后不但可以為學(xué)生的各種參賽作品打印LOGO，同時(shí)還可以在比賽中對(duì)各種材質(zhì)（如木材、皮革、有機(jī)玻璃、覆銅板等）進(jìn)行精確雕刻和切割，這樣既延長(zhǎng)了MPS280快速成型機(jī)的使用壽命，降低了教學(xué)成本，也解決了我院沒(méi)有雕刻設(shè)備的困境。

2 MPS280快速成型機(jī)功能改造

2.1 激光雕刻

傳統(tǒng)手工雕刻以及機(jī)械雕刻是利用機(jī)械手段對(duì)材質(zhì)進(jìn)行形態(tài)刻畫(huà)，而激光雕刻則是利用激光的熱能對(duì)材質(zhì)瞬時(shí)融化或氣化以達(dá)到材質(zhì)加工的目的。相比于傳統(tǒng)雕刻手段，激光雕刻設(shè)備與材質(zhì)沒(méi)有接觸，不受機(jī)械運(yùn)動(dòng)影響，表面不會(huì)變形，因此可雕刻材質(zhì)包括各種硬質(zhì)和軟質(zhì)材料，應(yīng)用范圍更加廣泛，而且在加工速度和精度上更具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)激光器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，激光雕刻可以在不同材質(zhì)上完成打標(biāo)、雕刻、切割任務(wù)。由于有著上述優(yōu)點(diǎn)，激光雕刻已逐漸成為主要雕刻方式。

2.2 功能擴(kuò)展

我們?cè)诒Ａ艉阃∕PS280快速成型機(jī)數(shù)控部分的基礎(chǔ)上將原來(lái)的紫外激光器用一個(gè)熱激光頭模組代替。該熱激光頭模組如圖3所示，采用455nm純藍(lán)光，最大功率10W，主要由控制電路板、散熱風(fēng)扇、激光發(fā)射部分、散熱鋁殼體組成。輸入電壓12V，通過(guò)PWM控制信號(hào)可進(jìn)行功率調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同材質(zhì)和不同雕刻方式。

由于MPS280快速成型機(jī)原有激光頭與液槽基準(zhǔn)平面距離較遠(yuǎn)，而現(xiàn)有熱激光頭模組的焦距不可調(diào)且十分短，因此我們自制了支架，一頭固定在原有激光頭底座上，一頭固定熱激光頭組模，如圖4所示。改造時(shí)，將液槽基準(zhǔn)平面作為作業(yè)面，并在該平面上加蓋一塊鐵板用于襯托待雕刻材質(zhì)。通過(guò)調(diào)節(jié)激光頭模組在支架的位置，使激光聚焦在作業(yè)面上。硬件改造完成后，將熱激光頭模組的參數(shù)設(shè)置軟件安裝到設(shè)備配套的電腦里，與MPS280快速成型機(jī)原有軟件一起完成雕刻任務(wù)。

3 MPS280改造后的應(yīng)用

MPS280改造完成后，其雕刻流程如圖5所示。開(kāi)機(jī)前應(yīng)對(duì)雕刻設(shè)備所處實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行檢查，確保設(shè)備安全運(yùn)行。由于雕刻過(guò)程是利用激光熱能對(duì)材質(zhì)進(jìn)行灼燒熔化，因此要特別注意保持實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)，并配備滅火設(shè)備。開(kāi)機(jī)前檢查完成后，就可以通電開(kāi)機(jī)，并在電腦上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。首先應(yīng)根據(jù)待雕刻材質(zhì)類型以及期望效果選擇雕刻方式，具體可分為位圖打印、快速打標(biāo)和刀路雕刻。然后調(diào)節(jié)激光功率，功率太小會(huì)導(dǎo)致圖形痕跡過(guò)淺，功率過(guò)大則容易因灼燒過(guò)度，影響圖形雕刻的精確度和清晰度。因此，需根據(jù)雕刻方式和材質(zhì)合理調(diào)節(jié)功率大小，最后導(dǎo)入待雕刻圖形或刀路程序，完成雕刻，可導(dǎo)入的圖形包括CAD、JPG等多種格式。

MPS280改造完成后，我院將其作為開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要用于各項(xiàng)比賽作品的LOGO打印，以及機(jī)械繪圖課程的實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生們可以利用該設(shè)備將設(shè)計(jì)的圖形雕刻在各種物品上，因此激發(fā)了大家的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，降低了教學(xué)成本。圖6是學(xué)生的部分雕刻作品，雕刻材質(zhì)包括木板、皮革、實(shí)芯理化板、亞克力板以及不銹鋼。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著大型儀器設(shè)備日益增多，如何提高利用率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命是各高校面臨的共同問(wèn)題。本文以恒通MPS280快速成型機(jī)為研究對(duì)象，在充分利用原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)更換部分零件擴(kuò)展其功能，使原處于待報(bào)廢狀態(tài)的設(shè)備重獲生機(jī)，不但避免了資產(chǎn)浪費(fèi)，還解決了教學(xué)活動(dòng)中遇見(jiàn)的實(shí)際問(wèn)題，為提高各院校大型儀器設(shè)備的利用率，降低教學(xué)成本提供了范例。

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