钻铣加工实验教学系统设计及制造

摘 要：根据《机械制造技术基础》《机械制造工艺学》等课程特点，课题组开发出了一套简易钻铣加工实验教学系统，本文介绍了该实验系统设计方法，包括硬件及软件设计。该简易实验教学系统成本低，具有较强的创新性，能大大增强学生对机床夹具相关知识、自动化加工方面相关知识的理解。对提高学生实践能力有重要作用。

关键词：钻铣加工；实验系统；伺服电机

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

1 前言

《机械制造技术基础》《机械制造工艺学》等课程是一门实践性很强的课程，而其中机床夹具作用、组成、设计是一个教学难点。由于学生没有下厂实际工作过，加上讲课内容过于抽象和空洞，学生难以理解，光靠课堂讲授学生难以掌握相关内容。

本课题设计与制作一套教学实验用的钻铣加工实验教学系统，该系统用于实验教学。可以极大提高学生对机床夹具设计方面知识的学习和理解。

2 钻铣加工实验教学系统设计方法

钻铣加工实验教学系统由硬件系统和控制软件系统组成。

硬件系统由简易手动微型台钻、微型迷你多功能工作台、伺服电机及驱动器、一套铣床夹具和一套钻床夹具组成。

其中简易手动微型台钻选用工业级大功率710W微型钻铣床BG5156，该台钻最大钻孔直径可达13mm，夹头类型是通用夹头，既可以夹持钻头，也可以夹持圆柱铣刀。台钻可实现无极变速，主轴转速在0—2800r/min，精度好，扭力大，可加工各类工程塑料、有色金属和钢材，性价比较高。

工作台选用微型迷你多功能工作台BG6300。该多功能工作台配合前面台钻可作为铣床使用。可完成高精度坐标孔和小型的铣削工作。该工作台技术参数如下：工作台尺寸310*90mm，X轴行程200mm，Y轴行程50mm，刻度旋钮一圈行程1.25mm。装夹沟槽间距34mm。工作台伺服系统采用三菱伺服电机和驱动器MR-JE-20A+HF-KN23J-S100 200W一套。

设计制作一套小型可安装在多功能工作台上的钻床夹具和一套铣床夹具。利用这两套夹具学生可以在钻铣加工实验教学系统上进行钻孔加工、平面铣削、沟槽铣削。加深对机床夹具的认识。这两套夹具的特点是：可快速拆卸成多个分立零件，如：拆卸为定位套、定位心轴、固定V型块、浮动V型块、定位销、定位支承钉、定位支承板。而这些分立零件又是机床夹具的基本组成部分。通过快速拆卸和组装操作，可以进一步加深学生对这些夹具组成部分的功用的理解。

使用时，把微型迷你多功能工作台BG6300安装在简易手动微型台钻上，这样可以扩大台钻功能，既可以钻孔也能铣削。设计支架和齿轮传动系统把三菱伺服电机安装在工作台上，与工作台丝杠连接，可实现工作台机电传动控制和数控控制。便于自动化加工。本实验系统采用51单片机通过控制伺服电机，改变速度、行程、转矩等进而控制工作台实现自动加工。

为了防止工作台运行到行程末端后伺服电机继续输出功率使工作台旋转进给造成丝杠损坏或者损坏伺服电机，需要对工作台进行行程保护。行程保护方法是在工作台行程末端安装接近开关。工作台运行时，单片机定时检测行程开关的状态，判断工作台是否运行到末端，一旦判断出工作台运行到末端则强制停机。

3 实验步骤

如：以一个在长方形零件上铣削一个宽度为8mm，深度为5mm的沟槽为例，沟槽中心与长方体零件一边距离为20mm，一边为10mm。加工方式：大批量加工，用夹具保证加工精度。实验前，要求学生预习相关夹具知识、自由度知识。思考加工该零件需要限制几个自由度，使用什么样的定位元件？

（1）实验时，学生观察实验室的铣床夹具结构，并进行拆卸和重新组装。了解V型块、定位销、定位支承钉、定位支承板等夹具组成部分功用和限制自由度的数目。并画出夹具方案简图。

（2）学生把组装好的铣床夹具安装在钻铣加工实验教学系统的多功能工作台上，并在机床主轴上安装刀具。这里就涉及到夹具的安装和对刀知识点。不正确的安装和对刀会造成零件较大的加工误差。对刀时可以通过控制键盘，通过伺服电机系统控制工作台前后、左右移动。

（3）安装和对刀定位完成后，学生按下加工按钮，铣床工作台自动运行，圆柱铣刀对沟槽进行加工。

（4）加工完成后，学生对加工零件进行测量，检查其加工精度，如果误差较大，查找原因。

实验可以采用分组进行，3—4人一组，团队讨论、研究加工方案。

4 创新点与项目特色

（1）钻铣加工实验教学系统把机床夹具和机床安装和机床加工联接为一个统一整体， 夹具系统由一些组合件和通用件组成，可以拆装，利用这些组合件和通用件快速搭接钻床夹具和铣床夹具。可拆装机床夹具可快速拆解成单一模块并可快速重新组装；通过拆装和搭接使学生把夹具设计制造相关知识融会贯通，在此基础上较快掌握機动夹紧机床夹具的设计方法。

（2）了解简单数控机床系统组成。钻铣加工实验教学系统实际为一个简易的数控系统，具有一般数控系统具有的模块。如机床主体、伺服电机、驱动系统、机床夹具、位置传感器、操作系统软件等。通过对工件自动加工和教师现场讲解，进一步加深学生对数控机床的理解。

（3）为降低成本实验材料既可以用钢件，也可以使用木材、石蜡、塑料等材料。

5实验教学效果

通过钻铣加工实验教学系统，学生把理论知识与具体实践结合在了一起，大大增加了学生的感性认识。使学生在较短学时内掌握相关知识点，经过几届学生实践证明，教学效果较好。

参考文献：

[1]王时英.解剖式夹具设计教学研究[J].太原理工大学学报，2004.

作者简介：吴松（1995-），男，吉林长春人，学士，研究方向：机械制造自动化。