鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造

吳松+何澤江+謝偉+李峰

摘 要：根據(jù)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》《機(jī)械制造工藝學(xué)》等課程特點(diǎn)，課題組開(kāi)發(fā)出了一套簡(jiǎn)易鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，本文介紹了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括硬件及軟件設(shè)計(jì)。該簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)成本低，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性，能大大增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)床夾具相關(guān)知識(shí)、自動(dòng)化加工方面相關(guān)知識(shí)的理解。對(duì)提高學(xué)生實(shí)踐能力有重要作用。

關(guān)鍵詞：鉆銑加工；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；伺服電機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.218

1 前言

《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》《機(jī)械制造工藝學(xué)》等課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，而其中機(jī)床夾具作用、組成、設(shè)計(jì)是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。由于學(xué)生沒(méi)有下廠實(shí)際工作過(guò)，加上講課內(nèi)容過(guò)于抽象和空洞，學(xué)生難以理解，光靠課堂講授學(xué)生難以掌握相關(guān)內(nèi)容。

本課題設(shè)計(jì)與制作一套教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。可以極大提高學(xué)生對(duì)機(jī)床夾具設(shè)計(jì)方面知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。

2 鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)組成。

硬件系統(tǒng)由簡(jiǎn)易手動(dòng)微型臺(tái)鉆、微型迷你多功能工作臺(tái)、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、一套銑床夾具和一套鉆床夾具組成。

其中簡(jiǎn)易手動(dòng)微型臺(tái)鉆選用工業(yè)級(jí)大功率710W微型鉆銑床BG5156，該臺(tái)鉆最大鉆孔直徑可達(dá)13mm，夾頭類型是通用夾頭，既可以?shī)A持鉆頭，也可以?shī)A持圓柱銑刀。臺(tái)鉆可實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速，主軸轉(zhuǎn)速在0—2800r/min，精度好，扭力大，可加工各類工程塑料、有色金屬和鋼材，性價(jià)比較高。

工作臺(tái)選用微型迷你多功能工作臺(tái)BG6300。該多功能工作臺(tái)配合前面臺(tái)鉆可作為銑床使用。可完成高精度坐標(biāo)孔和小型的銑削工作。該工作臺(tái)技術(shù)參數(shù)如下：工作臺(tái)尺寸310*90mm，X軸行程200mm，Y軸行程50mm，刻度旋鈕一圈行程1.25mm。裝夾溝槽間距34mm。工作臺(tái)伺服系統(tǒng)采用三菱伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器MR-JE-20A+HF-KN23J-S100 200W一套。

設(shè)計(jì)制作一套小型可安裝在多功能工作臺(tái)上的鉆床夾具和一套銑床夾具。利用這兩套夾具學(xué)生可以在鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)上進(jìn)行鉆孔加工、平面銑削、溝槽銑削。加深對(duì)機(jī)床夾具的認(rèn)識(shí)。這兩套夾具的特點(diǎn)是：可快速拆卸成多個(gè)分立零件，如：拆卸為定位套、定位心軸、固定V型塊、浮動(dòng)V型塊、定位銷、定位支承釘、定位支承板。而這些分立零件又是機(jī)床夾具的基本組成部分。通過(guò)快速拆卸和組裝操作，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)這些夾具組成部分的功用的理解。

使用時(shí)，把微型迷你多功能工作臺(tái)BG6300安裝在簡(jiǎn)易手動(dòng)微型臺(tái)鉆上，這樣可以擴(kuò)大臺(tái)鉆功能，既可以鉆孔也能銑削。設(shè)計(jì)支架和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)把三菱伺服電機(jī)安裝在工作臺(tái)上，與工作臺(tái)絲杠連接，可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)機(jī)電傳動(dòng)控制和數(shù)控控制。便于自動(dòng)化加工。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用51單片機(jī)通過(guò)控制伺服電機(jī)，改變速度、行程、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)而控制工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。

為了防止工作臺(tái)運(yùn)行到行程末端后伺服電機(jī)繼續(xù)輸出功率使工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給造成絲杠損壞或者損壞伺服電機(jī)，需要對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行行程保護(hù)。行程保護(hù)方法是在工作臺(tái)行程末端安裝接近開(kāi)關(guān)。工作臺(tái)運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)定時(shí)檢測(cè)行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，判斷工作臺(tái)是否運(yùn)行到末端，一旦判斷出工作臺(tái)運(yùn)行到末端則強(qiáng)制停機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

如：以一個(gè)在長(zhǎng)方形零件上銑削一個(gè)寬度為8mm，深度為5mm的溝槽為例，溝槽中心與長(zhǎng)方體零件一邊距離為20mm，一邊為10mm。加工方式：大批量加工，用夾具保證加工精度。實(shí)驗(yàn)前，要求學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)夾具知識(shí)、自由度知識(shí)。思考加工該零件需要限制幾個(gè)自由度，使用什么樣的定位元件？

（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)室的銑床夾具結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行拆卸和重新組裝。了解V型塊、定位銷、定位支承釘、定位支承板等夾具組成部分功用和限制自由度的數(shù)目。并畫(huà)出夾具方案簡(jiǎn)圖。

（2）學(xué)生把組裝好的銑床夾具安裝在鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的多功能工作臺(tái)上，并在機(jī)床主軸上安裝刀具。這里就涉及到夾具的安裝和對(duì)刀知識(shí)點(diǎn)。不正確的安裝和對(duì)刀會(huì)造成零件較大的加工誤差。對(duì)刀時(shí)可以通過(guò)控制鍵盤，通過(guò)伺服電機(jī)系統(tǒng)控制工作臺(tái)前后、左右移動(dòng)。

（3）安裝和對(duì)刀定位完成后，學(xué)生按下加工按鈕，銑床工作臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，圓柱銑刀對(duì)溝槽進(jìn)行加工。

（4）加工完成后，學(xué)生對(duì)加工零件進(jìn)行測(cè)量，檢查其加工精度，如果誤差較大，查找原因。

實(shí)驗(yàn)可以采用分組進(jìn)行，3—4人一組，團(tuán)隊(duì)討論、研究加工方案。

4 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色

（1）鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)把機(jī)床夾具和機(jī)床安裝和機(jī)床加工聯(lián)接為一個(gè)統(tǒng)一整體， 夾具系統(tǒng)由一些組合件和通用件組成，可以拆裝，利用這些組合件和通用件快速搭接鉆床夾具和銑床夾具。可拆裝機(jī)床夾具可快速拆解成單一模塊并可快速重新組裝；通過(guò)拆裝和搭接使學(xué)生把夾具設(shè)計(jì)制造相關(guān)知識(shí)融會(huì)貫通，在此基礎(chǔ)上較快掌握機(jī)動(dòng)夾緊機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法。

（2）了解簡(jiǎn)單數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組成。鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)際為一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)控系統(tǒng)，具有一般數(shù)控系統(tǒng)具有的模塊。如機(jī)床主體、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床夾具、位置傳感器、操作系統(tǒng)軟件等。通過(guò)對(duì)工件自動(dòng)加工和教師現(xiàn)場(chǎng)講解，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床的理解。

（3）為降低成本實(shí)驗(yàn)材料既可以用鋼件，也可以使用木材、石蠟、塑料等材料。

5實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過(guò)鉆銑加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生把理論知識(shí)與具體實(shí)踐結(jié)合在了一起，大大增加了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。使學(xué)生在較短學(xué)時(shí)內(nèi)掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾屆學(xué)生實(shí)踐證明，教學(xué)效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]王時(shí)英.解剖式夾具設(shè)計(jì)教學(xué)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.

作者簡(jiǎn)介：吳松（1995-），男，吉林長(zhǎng)春人，學(xué)士，研究方向：機(jī)械制造自動(dòng)化。endprint