CN108389495A - 一种可变形组合切削机床教学演示装置 - Google Patents

Abstract

一种可变形组合切削机床教学演示装置，主要由机械系统和电控系统两部分组成，该装置整体可折叠封装在一个便携式的长方体透明外壳中。机械系统部分主要模拟演示机床的主要结构组成和工作原理，该部分主要包括：主轴箱、换向机构、卡具机构及组合移动底座。当机床处于车床状态时，可以模拟出螺纹的加工。当主轴箱立起时，并同时更换三抓卡盘工具为铣刀或钻头，可以将车床变换为铣床（或钻床）的模拟演示。电控系统部分主要实现机械系统的动力输入和驱动电机转速、转向的控制，该部分主要包括：PWM直流电机调速器、电瓶、继电器、开关及控制按钮。本发明结构简单，功能多样化，演示直观，集成度高、携带方便、成本低，非常适用于切削机床课堂教学演示，对于激发学生的积极主动性，提高课堂教学效果有重要意义。

Description

一种可变形组合切削机床教学演示装置

技术领域

本发明属于机械工程制造领域，具体涉及一种可变形组合切削机床教学演示装置。

背景技术

《金属切削机床》课程是机械制造类专业一门实践性很强的必修专业课程。切削加工是机械制造中最基本的加工方法之一，它在现代装备制造过程中具有举足轻重的地位，所担负的加工量约占机器制造总工作量的40%~60%。而机床是切削加工中必不可少的重要机器，被称为工业之母，在机械制造加工中起主导地位，因此学好机床相关知识对于每一个机械类专业学生来说都非常重要的。

老师在讲述机床的运动分析、传动系统、传动结构及工作原理时，通常采用PPT中的图片或视频等手段来向学生进行演示。由于机床的加工是动态的、立体的，因此学生在听老师讲述时难免存在难以想象机床相关知识点的问题，感觉教学内容枯燥、乏味，产生畏难情绪、甚至厌学的现象。尽管有的老师在授课时，也会使用机床教具模型来进行教学演示，但此类教具的功能单一，往往只能演示一种机床设备的结构和加工原理，无法对多种不同功能的机床进行对比演示，充分阐述其各自特点。即使可以通过使用多个机床模型解决上述问题，但由于教具体积过于庞大，老师不容易随堂携带，而且目前此类机床教具相对较少，很难满足多个机床同时进行教学演示的目标要求，影响课堂效率和教学效果。因此亟需一种携带方便、操作简单、定位精确、多功能、价格低廉，并且能够直观形象展示切削机床结构组成、运动特点和工作原理的教学装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变形组合切削机床教学演示装置，具有多种机床变形能力，简单的操作就可将装置转变为车床、铣床或钻床，实现教学资源的整合，直观地演示各切削机床的结构与工作原理，以提高学生学习兴趣和课堂效率，增强教学效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种可变形组合切削机床教学演示装置，包括机械系统和电控系统两部分，所述机械系统和电控系统整体折叠封装在一个便携式的长方体透明外壳中；

所述机械系统包括主轴箱、换向机构、卡具机构及组合移动底座四部分；

其中，所述主轴箱包括电机、电机齿轮、主轴、主轴齿轮、从动轴、从动轴齿轮和从动轴齿轮；电机通过螺栓连接在主轴箱的壳体上，主轴和从动轴的两端通过滚动轴承固定支承在主轴箱的壳体上，且电机、主轴和从动轴彼此保持平行，电机直接通过键连接方式带动电机齿轮独立旋转，通过换向机构间接带动从动轴齿轮运动，进而通过同轴的从动轴齿轮带动主轴齿轮和主轴实现转速和动力的输出；

所述换向机构包括换向架、一个大换向齿轮和小换向齿轮；换向架的形状为一端为带凹槽的直杆手柄，另一端为直角三角形的齿轮端，锐角部分通过滚动轴承与主轴箱的从动轴进行同轴连接，当换向机构整体绕从动轴的滚动轴承外圈旋转进行换挡时，大换向齿轮始终同时分别与小换向齿轮和从动轴齿轮保持啮合；通过摇动换向架的手柄，将其凹槽放置于演示装置外壳的两个不同位置的定位销上，可实现主轴旋转方向的转换。

所述卡具机构包括刀架固定平台、旋转刀架和铣床卡具，其中刀架固定平台和旋转刀架组成车床卡具，刀架固定平台为凸形平台，平台上部开有槽孔，下部开有螺纹孔，旋转刀架插入平台上部槽孔后通过螺栓与平台下部进行螺纹连接固定；旋转刀架上端形状为十字头，外伸部分与刀架固定平台进行配合，以实现压紧固定车刀刀具。所述铣床卡具为与钻床卡具结构完全相同的带有两条T型槽的平板。

所述组合移动底座是由结构尺寸完全相同的纵向移动底座和横向移动底座组合而成；其中纵向移动底座的下方通过导槽与演示装置底部的导轨配合进行纵向移动，通过齿轮与演示装置底部的齿条精确啮合，控制纵向移动方向的进给量；横向移动底座的下方通过导槽与纵向移动底座上方的导轨配合进行横向移动，通过齿轮与纵向移动底座上方的齿条精确啮合，控制横向移动方向的进给量。

所述主轴箱和换向机构一起独立封装在直角梯形的模块中，所述模块一侧外表面粘接有等腰梯形的旋转臂，旋转臂与演示装置外壳之间进行铰链连接，通过旋转臂带动主轴箱和换向机构一起旋转90度，可实现将车床变换为铣床或钻床模式。

本发明具有如下有益效果：本发明与现有技术相比，具有结构简单，模型功能多样化，演示直观、细致、全面，操作过程简单、变速和换向控制高效、灵活以及安全的优点。此外，整个装置封装在一个便携式的透明亚克力玻璃材质长方形壳体中，集成度高、携带方便、成本低，无需专门的试验室和其他辅助试验设备，非常适用于切削机床课堂教学演示，对于激发学生的积极主动性，提高课堂教学效果有重要意义。

附图说明：

图1是本发明的可变形组合切削机床教学演示装置的结构示意图。

图2是本发明的主轴箱的结构示意图

图3a、图3b、图3c分别是本发明的换向机构在正转、停止和反转挡位时的结构示意图。

图4是本发明的车床与铣床（或钻床）之间变形转换示意图。

图5是本发明的车床卡具处于工作状态时的结构示意图。

图6是本发明的车床卡具处于非工作状态时的结构示意图。

图7是本发明的铣床（或钻床）卡具的结构示意图。

图8是本发明的组合移动底座的结构示意图。

图9是本发明的电控系统部分的电路原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本种可变形组合切削机床教学演示装置，包括机械系统和电控系统两部分，其特征在于：所述机械系统和电控系统整体折叠封装在一个便携式的长方体透明外壳中；

所述机械系统包括主轴箱Ⅰ、换向机构Ⅱ、卡具机构Ⅲ及组合移动底座Ⅳ四部分；所述机械系统部分主要模拟演示车床、铣床和钻床的不同结构组成和工作原理。

其中，所述主轴箱Ⅰ包括电机1、电机齿轮2、主轴3、主轴齿轮4、从动轴5、从动轴齿轮6和从动轴齿轮7；电机1通过螺栓连接在主轴箱Ⅰ的壳体上，主轴3和从动轴5的两端通过滚动轴承固定支承在主轴箱Ⅰ的壳体上，且电机1、主轴3和从动轴5彼此保持平行，电机直接通过键连接方式带动电机齿轮2独立旋转，通过换向机构Ⅱ间接带动从动轴齿轮7运动，进而通过同轴的从动轴齿轮6带动主轴齿轮4和主轴3实现转速和动力的输出。具体实现时，电机通过螺栓连接在主轴箱壳体上，电机轴与主轴保持平行，且直接通过键连接带动电机齿轮独立旋转，并通过电机齿轮与转向机构上的齿轮进行啮合，间接带动主轴箱内从动轴和主轴进行运动；主轴上的一端通过过盈配合固定有主轴齿轮，另一端通过螺栓连接方式固定安装三爪卡盘；从动轴上的一端通过过盈配合固定有两个从动轴齿轮，其中一个从动轴齿轮与主轴齿轮进行啮合传动，另一个从动轴齿轮与换向机构的换向齿轮进行啮合传动。

所述换向机构Ⅱ包括换向架8、一个大换向齿轮9和小换向齿轮10；换向架8的形状为一端为带凹槽的直杆手柄，另一端为直角三角形的齿轮端，锐角部分通过滚动轴承与主轴箱Ⅰ的从动轴5进行同轴连接，当换向机构Ⅱ整体绕从动轴5的滚动轴承外圈旋转进行换挡时，大换向齿轮9始终同时分别与小换向齿轮10和从动轴齿轮7保持啮合；通过摇动换向架8的手柄，将其凹槽放置于演示装置外壳的两个不同位置的定位销上，可实现主轴旋转方向的转换。

所述卡具机构Ⅲ包括刀架固定平台13、旋转刀架14和铣床卡具，其中刀架固定平台13和旋转刀架14组成车床卡具，刀架固定平台13为凸形平台，平台上部开有槽孔，下部开有螺纹孔，旋转刀架14插入平台上部槽孔后通过螺栓与平台下部进行螺纹连接固定；旋转刀架14上端形状为十字头，外伸部分与刀架固定平台进行配合，以实现压紧固定车刀刀具。车床卡具与移动底座通过铰链连接进行翻转变形，当向上翻转时将位于底座正上方，可用于车刀刀具的固定安装，当向下翻转时将与底座平齐，可用于铣床卡具的固定安装。所述铣床卡具15为与钻床卡具结构完全相同的带有两条T型槽的平板。

所述组合移动底座Ⅳ是由结构尺寸完全相同的纵向移动底座16和横向移动底座17组合而成；其中纵向移动底座16的下方通过导槽与演示装置底部的导轨配合进行纵向移动，通过齿轮与演示装置底部的齿条精确啮合，控制纵向移动方向的进给量；横向移动底座17的下方通过导槽与纵向移动底座16上方的导轨配合进行横向移动，通过齿轮与纵向移动底座16上方的齿条精确啮合，控制横向移动方向的进给量。

所述主轴箱Ⅰ和换向机构Ⅱ一起独立封装在直角梯形的模块中，所述模块一侧外表面粘接有等腰梯形的旋转臂11，旋转臂11与演示装置外壳之间进行铰链连接，通过旋转臂带动主轴箱Ⅰ和换向机构Ⅱ一起旋转90度，可实现将车床变换为铣床或钻床模式

所述电控系统部分主要实现机械系统的动力输入和驱动电机转速、转向的控制，该部分主要包括：PWM直流电机调速器、电瓶、继电器、开关及控制按钮。所述直流电机为整套演示装置提供动力输入，通过PWM直流电机调速器的旋钮，调节励磁电流，实现电机的变速输出；所述电瓶为直流电机提供12V电力；所述继电器共三个，为电控系统部分的核心，在控制电路中采用正负极反接来控制电机的正反转，包括两个接触器的自锁，以及互锁装置防止短路。所述开关为电源总开关，实现通电和断电操作；所述控制按钮有三个，分别实现电机的正转、反转和停止。

本发明的可变形组合切削机床教学演示装置整体封装在一个透明亚克力玻璃材质长方形壳体中，老师在进行课堂教学演示时，先将其右半部的外壳沿滑槽向右滑动分开，保留左侧主体演示部分。如图1所示为可变形组合切削机床教学演示装置整体的结构示意图，主要由机械系统和电控系统两部分组成，该装置整体折叠封装在一个便携式的长方体透明外壳中。其中：所述机械系统部分主要包括：主轴箱Ⅰ、换向机构Ⅱ、卡具机构Ⅲ及组合移动底座Ⅳ。图2所示主轴箱Ⅰ包含一个电机1、电机齿轮2、一个主轴3、主轴齿轮4、一个从动轴5、从动轴齿轮6和从动轴齿轮7。电机1通过螺栓连接在主轴箱Ⅰ的壳体上，主轴3和从动轴5的两端通过滚动轴承固定支承在主轴箱Ⅰ的壳体上，且电机1、主轴3和从动轴5彼此保持平行，电机直接通过键连接方式带动电机齿轮2独立旋转，通过换向机构Ⅱ间接带动从动轴齿轮7运动，进而通过同轴的从动轴齿轮6带动主轴齿轮4和主轴3实现转速和动力的输出。

图3a、3b、3c分别表示换向机构在不同挡位时的结构示意图，所述换向机构Ⅱ包含一个换向架8、一个大换向齿轮9和小换向齿轮10。换向架8的形状为一端为带凹槽的直杆手柄，另一端为直角三角形的齿轮端，锐角部分通过滚动轴承与主轴箱Ⅰ的从动轴5进行同轴连接，当换向机构Ⅱ整体绕从动轴5的滚动轴承外圈旋转进行换挡时，大换向齿轮9始终同时分别与小换向齿轮10和从动轴齿轮7保持啮合。摇动换向架8的手柄，将其凹槽放置于演示装置外壳的两个不同位置的定位销上，可实现主轴旋转方向的转换，其具体操作方法是：

①当手柄位于定位销A的右侧时，电机1带动电机齿轮2正转，电机齿轮2与小换向齿轮10啮合，并经过大换向齿轮9和从动轴齿轮7的啮合传动，实现主轴箱Ⅰ内从动轴5的反转，最后通过从动轴齿轮6和主轴齿轮4的啮合传动，实现主轴3的正转输出。

②当手柄位于定位销A和B之间时，电机1带动电机齿轮2正转，电机齿轮2与换向机构Ⅱ保持脱离，大换向齿轮9和小换向齿轮10都保持静止，从而使得主轴箱Ⅰ内的从动轴5和主轴3也保持静止状态。

③当手柄位于定位销B的左侧时，电机1带动电机齿轮2正转，电机齿轮2与大换向齿轮9啮合，小换向齿轮10保持空转，通过大换向齿轮9和从动轴齿轮7的啮合传动，实现主轴箱Ⅰ内从动轴5的正转，最后通过从动轴齿轮6和主轴齿轮4的啮合传动，实现主轴3的反转输出。

图4为本发明的车床与铣床（或钻床）之间变形转换示意图，图中可以看出，所述主轴箱Ⅰ和换向机构Ⅱ一起独立封装在直角梯形的小模块中，该小模块一侧外表面粘接有等腰梯形的旋转臂11，旋转臂11与演示装置外壳之间进行铰链连接，通过旋转臂带动主轴箱Ⅰ和换向机构Ⅱ一起旋转90度，可实现将车床变换为铣床（或钻床）模式。当处于车床工作模式时，主轴箱输出端安装三爪卡盘12夹持工件，卡具机构Ⅲ中的车床卡具绕组合移动底座Ⅳ的铰链向上翻转，结构如图5所示，该车床卡具包括刀架固定平台13和旋转刀架14两部分，其中刀架固定平台13为凸形平台，平台上部开有槽孔，下部开有螺纹孔，旋转刀架14插入平台上部槽孔后通过螺栓与平台下部进行螺纹连接固定。旋转刀架14上端形状为十字头，外伸部分与刀架固定平台进行配合，可压紧固定车刀刀具。当处于车床非工作模式时，卡具机构Ⅲ中的车床卡具绕组合移动底座Ⅳ的铰链向下翻转，结构如图6所示，车床卡具底部与组合移动底座平齐，该平台即可安装铣床卡具15，结构如图7所示。所述铣床卡具15与钻床卡具结构完全相同，为带有两条T型槽的平板，可通过螺栓和螺母将工件固定在槽中任意位置。如图8所示为组合移动底座的结构示意图，所述组合移动底座是由结构尺寸完全相同的纵向移动底座16和横向移动底座17组合而成，其中纵向底座16的下方通过导槽与演示装置底部的导轨配合进行纵向移动，通过齿轮与演示装置底部的齿条精确啮合，控制纵向移动方向的进给量。而横向底座17的下方通过导槽与纵向底座16上方的导轨配合进行横向移动，通过齿轮与纵向底座16上方的齿条精确啮合，控制横向移动方向的进给量。

图9为电控系统部分的电路原理图，所述电控系统部分主要实现机械系统的动力输入和驱动电机转速、转向的控制，该部分主要包括：PWM直流电机调速器18、电瓶19、继电器20、继电器21、电源总开关22、停止控制按钮23、正转控制按钮24、反转控制按钮25、。通过PWM直流电机调速器18的旋钮，调节励磁电流，实现电机1的变速输出；所述电瓶19为直流电机1提供12V电力；所述继电器20和21在控制电路中采用正负极反接来控制电机1的正反转，在控制电路中包括KM1，KM2的自锁，以及互锁装置防止短路，当按下电源总开关22后按控制按钮24电机开始正转，按下控制按钮23后电机停止，再按下控制按钮25电机反转，同理按下控制按钮23后电机停止。

本发明的演示装置可以让同学们初步了解机床的结构与其工作原理，透明的外壳可以让大家清晰的看到构件的运动及能量传递，以及机床的变速与换向原理。举例说明，在机床处于车床状态时，可以模拟出螺纹的加工。当主轴箱立起时，并同时更换三抓卡盘工具为铣刀或钻头，可以将车床变换为铣床（或钻床）的模拟演示。此外，电机的正反转控制可由包含继电器的控制电路完成，可以让学生们了解如何使用此类电器元件控制电机。

Claims (1)

1.一种可变形组合切削机床教学演示装置，包括机械系统和电控系统两部分，其特征在于：所述机械系统和电控系统整体折叠封装在一个便携式的长方体透明外壳中；

所述机械系统包括主轴箱（Ⅰ）、换向机构（Ⅱ）、卡具机构（Ⅲ）及组合移动底座（Ⅳ）四部分；

其中，所述主轴箱（Ⅰ）包括电机（1）、电机齿轮（2）、主轴（3）、主轴齿轮（4）、从动轴（5）、从动轴齿轮（6）和从动轴齿轮（7）；电机（1）通过螺栓连接在主轴箱（Ⅰ）的壳体上，主轴（3）和从动轴（5）的两端通过滚动轴承固定支承在主轴箱（Ⅰ）的壳体上，且电机（1）、主轴（3）和从动轴（5）彼此保持平行，电机直接通过键连接方式带动电机齿轮（2）独立旋转，通过换向机构（Ⅱ）间接带动从动轴齿轮（7）运动，进而通过同轴的从动轴齿轮（6）带动主轴齿轮（4）和主轴（3）实现转速和动力的输出；

所述换向机构（Ⅱ）包括换向架（8）、一个大换向齿轮（9）和小换向齿轮（10）；换向架（8）的形状为一端为带凹槽的直杆手柄，另一端为直角三角形的齿轮端，锐角部分通过滚动轴承与主轴箱（Ⅰ）的从动轴（5）进行同轴连接，当换向机构（Ⅱ）整体绕从动轴（5）的滚动轴承外圈旋转进行换挡时，大换向齿轮（9）始终同时分别与小换向齿轮（10）和从动轴齿轮（7）保持啮合；通过摇动换向架（8）的手柄，将其凹槽放置于演示装置外壳的两个不同位置的定位销上，可实现主轴旋转方向的转换；

所述卡具机构（Ⅲ）包括刀架固定平台（13）、旋转刀架（14）和铣床卡具（15），其中刀架固定平台（13）和旋转刀架（14）组成车床卡具，刀架固定平台（13）为凸形平台，平台上部开有槽孔，下部开有螺纹孔，旋转刀架（14）插入平台上部槽孔后通过螺栓与平台下部进行螺纹连接固定；旋转刀架（14）上端形状为十字头，外伸部分与刀架固定平台进行配合，以实现压紧固定车刀刀具;所述铣床卡具（15）为与钻床卡具结构完全相同的带有两条T型槽的平板。

所述组合移动底座（Ⅳ）是由结构尺寸完全相同的纵向移动底座（16）和横向移动底座（17）组合而成；其中纵向移动底座（16）的下方通过导槽与演示装置底部的导轨配合进行纵向移动，通过齿轮与演示装置底部的齿条精确啮合，控制纵向移动方向的进给量；横向移动底座（17）的下方通过导槽与纵向移动底座（16）上方的导轨配合进行横向移动，通过齿轮与纵向移动底座（16）上方的齿条精确啮合，控制横向移动方向的进给量；

所述主轴箱（Ⅰ）和换向机构（Ⅱ）一起独立封装在直角梯形的模块中，所述模块一侧外表面粘接有等腰梯形的旋转臂（11），旋转臂（11）与演示装置外壳之间进行铰链连接，通过旋转臂带动主轴箱（Ⅰ）和换向机构（Ⅱ）一起旋转90度，可实现将车床变换为铣床或钻床模式。