鉆銑加工實驗教學系統設計及制造

吳松+何澤江+謝偉+李峰

摘 要：根據《機械制造技術基礎》《機械制造工藝學》等課程特點，課題組開發出了一套簡易鉆銑加工實驗教學系統，本文介紹了該實驗系統設計方法，包括硬件及軟件設計。該簡易實驗教學系統成本低，具有較強的創新性，能大大增強學生對機床夾具相關知識、自動化加工方面相關知識的理解。對提高學生實踐能力有重要作用。

關鍵詞：鉆銑加工；實驗系統；伺服電機

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

1 前言

《機械制造技術基礎》《機械制造工藝學》等課程是一門實踐性很強的課程，而其中機床夾具作用、組成、設計是一個教學難點。由于學生沒有下廠實際工作過，加上講課內容過于抽象和空洞，學生難以理解，光靠課堂講授學生難以掌握相關內容。

本課題設計與制作一套教學實驗用的鉆銑加工實驗教學系統，該系統用于實驗教學。可以極大提高學生對機床夾具設計方面知識的學習和理解。

2 鉆銑加工實驗教學系統設計方法

鉆銑加工實驗教學系統由硬件系統和控制軟件系統組成。

硬件系統由簡易手動微型臺鉆、微型迷你多功能工作臺、伺服電機及驅動器、一套銑床夾具和一套鉆床夾具組成。

其中簡易手動微型臺鉆選用工業級大功率710W微型鉆銑床BG5156，該臺鉆最大鉆孔直徑可達13mm，夾頭類型是通用夾頭，既可以夾持鉆頭，也可以夾持圓柱銑刀。臺鉆可實現無極變速，主軸轉速在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，性價比較高。

工作臺選用微型迷你多功能工作臺BG6300。該多功能工作臺配合前面臺鉆可作為銑床使用。可完成高精度坐標孔和小型的銑削工作。該工作臺技術參數如下：工作臺尺寸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。工作臺伺服系統采用三菱伺服電機和驅動器MR-JE-20A+HF-KN23J-S100 200W一套。

設計制作一套小型可安裝在多功能工作臺上的鉆床夾具和一套銑床夾具。利用這兩套夾具學生可以在鉆銑加工實驗教學系統上進行鉆孔加工、平面銑削、溝槽銑削。加深對機床夾具的認識。這兩套夾具的特點是：可快速拆卸成多個分立零件，如：拆卸為定位套、定位心軸、固定V型塊、浮動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床夾具的基本組成部分。通過快速拆卸和組裝操作，可以進一步加深學生對這些夾具組成部分的功用的理解。

使用時，把微型迷你多功能工作臺BG6300安裝在簡易手動微型臺鉆上，這樣可以擴大臺鉆功能，既可以鉆孔也能銑削。設計支架和齒輪傳動系統把三菱伺服電機安裝在工作臺上，與工作臺絲杠連接，可實現工作臺機電傳動控制和數控控制。便于自動化加工。本實驗系統采用51單片機通過控制伺服電機，改變速度、行程、轉矩等進而控制工作臺實現自動加工。

為了防止工作臺運行到行程末端后伺服電機繼續輸出功率使工作臺旋轉進給造成絲杠損壞或者損壞伺服電機，需要對工作臺進行行程保護。行程保護方法是在工作臺行程末端安裝接近開關。工作臺運行時，單片機定時檢測行程開關的狀態，判斷工作臺是否運行到末端，一旦判斷出工作臺運行到末端則強制停機。

3 實驗步驟

如：以一個在長方形零件上銑削一個寬度為8mm，深度為5mm的溝槽為例，溝槽中心與長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。實驗前，要求學生預習相關夾具知識、自由度知識。思考加工該零件需要限制幾個自由度，使用什么樣的定位元件？

（1）實驗時，學生觀察實驗室的銑床夾具結構，并進行拆卸和重新組裝。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目。并畫出夾具方案簡圖。

（2）學生把組裝好的銑床夾具安裝在鉆銑加工實驗教學系統的多功能工作臺上，并在機床主軸上安裝刀具。這里就涉及到夾具的安裝和對刀知識點。不正確的安裝和對刀會造成零件較大的加工誤差。對刀時可以通過控制鍵盤，通過伺服電機系統控制工作臺前后、左右移動。

（3）安裝和對刀定位完成后，學生按下加工按鈕，銑床工作臺自動運行，圓柱銑刀對溝槽進行加工。

（4）加工完成后，學生對加工零件進行測量，檢查其加工精度，如果誤差較大，查找原因。

實驗可以采用分組進行，3—4人一組，團隊討論、研究加工方案。

4 創新點與項目特色

（1）鉆銑加工實驗教學系統把機床夾具和機床安裝和機床加工聯接為一個統一整體， 夾具系統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。可拆裝機床夾具可快速拆解成單一模塊并可快速重新組裝；通過拆裝和搭接使學生把夾具設計制造相關知識融會貫通，在此基礎上較快掌握機動夾緊機床夾具的設計方法。

（2）了解簡單數控機床系統組成。鉆銑加工實驗教學系統實際為一個簡易的數控系統，具有一般數控系統具有的模塊。如機床主體、伺服電機、驅動系統、機床夾具、位置傳感器、操作系統軟件等。通過對工件自動加工和教師現場講解，進一步加深學生對數控機床的理解。

（3）為降低成本實驗材料既可以用鋼件，也可以使用木材、石蠟、塑料等材料。

5實驗教學效果

通過鉆銑加工實驗教學系統，學生把理論知識與具體實踐結合在了一起，大大增加了學生的感性認識。使學生在較短學時內掌握相關知識點，經過幾屆學生實踐證明，教學效果較好。

參考文獻：

[1]王時英.解剖式夾具設計教學研究[J].太原理工大學學報，2004.

作者簡介：吳松（1995-），男，吉林長春人，學士，研究方向：機械制造自動化。endprint