具有在线检测功能的多用磨床示教仪研究

具有在线检测功能的多用磨床示教仪研究

崔立军,何欣,张艳茹，白睿祥,李乔森

天津职业技术师范大学工程实训中心，天津，300222

摘 要: 磨床实训教学是职业院校人才培养的重要课程，本课题是市级大创项目，将结合调研需求提出基于多用途的教学型磨床示教仪的技术指标，并对教学型多用磨床进行总体方案设计，开展机械结构的设计、硬件选型、电气控制、软件参数调试、界面优化、在线检测、模拟样机制作、测试与试验等研究工作。

关键词: 实训教学; 在线检测; 多用途;磨床示教仪

一 引 言

数控磨床广泛应用在航空、航天、汽车等高精密设备零件的加工，数控磨床的质量直接影响被加工工件的品质，国内职业院校中有关培训投入尚有不足，与国外培训投入尚有一定差距。

教学中磨床教学仪器设备在提高高职院校学生职业技能水平起着举足轻重的作用，培养满足制造需求的技能型人才离不开实体教学仪器的投入。多用磨床示教仪为当下之所需

难点1：磨床教学仪器功能单一，价格昂贵，比如：一台数控磨床就需要10万元以上，有些院校即便采购，数量也有限，很多还停留在虚拟仿真阶段，无法满足实际要求。

难点2：数控磨床实训还仅停留在仿真验证与应用实践阶段，无法做到在线检测目前多数职业院校的数控实训主要是加工实训。加工实训主要以使用典型的数控系统进行数控加工实训，学生只是学会使用了某种数控系统的基本界面操作，不能进行在线检测。只能在厂家提供的功能上进行相关的实训，不能根据自己的实训要求灵活进行。

二、项目开发的意义

研究出一台能放置于传统课堂中，主要用于教学的多用途数控磨床是非常有必要的。针对本次，目的是搭建一台多用途教学式数控磨床。搭建出这样的多用途教学式数控磨床的意义 主要有： 1.能减少学校在数控设备方面的投入。多用途数控磨床造价低廉，估计造价仅为普通工业数控磨床的8%； 2.让数控磨床教学更加生动。通过老师指导，学生可以在 课堂中直接接触多用途数控磨床，使教学变得更加生动形象

3.安全性增加。多用途数控磨床的主轴功率比普通工业数控磨床的要小得多，其运动部件细小、刀具工作范围小；

4.能减少在实训耗材中的投入。很多学校以金属作为工件材料，对于多用途数控磨床，可以由工程塑料、木材代替， 其价格低于金属的价格。

三、项目设计

（一）项目主要内容 本次项目根据多用途数控磨床的特点，考虑到其主要应用于数控加工技术教学中，在参阅大量的文献资料之后，将主要任务分为机械结构设计，电气控制设计和实物搭建及调试，具体的研究内容如下：（1）对多用途教学式数控磨床机械结构进行设计，利用三维制图软件进行三维建模。先对多用途数控磨床的样式进行选型，将多用途磨床机械结构分为几个部分，对各部分进行设计，然后使用三维制图软件进行三维模型的绘制，使用平面制图软件对重要的零部件工程图进行绘制。 （2）对多用途教学式数控磨床电气控制部分进行设计，根据多用途磨床所要完成的功能，首先确定多用途磨床的控制原理，绘制出控制原理图，然后对需要用到的元器件进行选型，最后完成接线图的设计。（3）多用途教学式数控磨床的搭建、调试及功能测试。通过外购零部件的采购、连接部件的加工，制作出多用途数控磨床的机械部分，再进行接线，最后进行调试并测试多用途数控磨床功能实现情况。多用途教学式数控磨床的实施规划及指标设定本课题通过课堂调研、收集资料的方式确定了搭建多用途教学式数控磨床的意义，对多用途数控磨床的机械结构和电气控制进行设计，对外购部件进行采购后，进行电气连线和调试，最后对多用途数控磨床样机进行搭建并进行功能测试。

（二）机械结构总体规划及设计 本次项目课题研究的磨床为平磨+外圆，采用Y轴工作台 叠加在X轴工作台的方式，使工件在X、Y两个方向上实现进给运动，电主轴通过电主轴夹持装置安装在Z轴工作台上，沿Z轴做直线运动构成多用途磨床的三轴联动，砂轮在高速电机主轴的带动下高速旋转，对工件实现磨削。每个轴的工作台主要由步进电机、联轴器、滚珠丝杠副、导轨副、限位开关构成，其中滚珠丝杠和步进电机为传动的核心机构，实现较精密的进给运动。采用一定长度铝型材和铝型材支架搭建出来一个支撑框架，通过螺栓与螺母来固定每个轴的工作台，整个支撑框架可以通过铝型材连接件与固定在桌面上相配套的铝型材连接，牢牢地固定于桌面上。多用途数控磨床整体结构框图

（三）多用途教学式数控磨床电气控制整体规划及设计USB CNC运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功 能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉 冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。USB CNC运动控制器的上位机软件是Mach3数控软件， 它功能强大，平磨及外圆磨等多种模式，人机界面清晰，操作简单，容易掌握。通过对其输入G 代码，可以驱动电机按照程序运动，同时可以在仿真界面将刀路模拟出来。

四、创新设计

（一）数控代码与实体加工直接关联，实时验证。它把编辑功能，学习G代码的编程，并通过它在平板上绘制的刀具轨迹来直观验证编程的效果，有利于学生理解数控代码与实体加工之间的关联，并作为数控机床实训的前期培训工具，有利于提高学生的编程能力以及加深对数控基本理论和运算方法的理解。

（二）清晰了解系统工作原理与内部结构。采用二轴同步带直线导轨机械结构，继电器和电磁铁控制抬刀动作，同时使用了先进的机电一体化技术，把伺服电机、运动控制、数控机床、NC代码编程等技术结合在一起了。

（三）该教学用多用途磨床可以实现在线检测功能。

五、结束语

多用途磨床示教仪具有造价低、教学演示方便、安全可行，可以组织和安排培训课程的教学过程中学习在线检测，在当前的课堂教学改革和实验教学创新中，具有积极的作用。

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致谢：天津市高等学校大学生创新训练计划项目

项目名称：教学型数控磨床系统的研制  

项目编号：202210066083