CN116486685A - 一种用于模拟车削运动的演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车削运动领域，具体的说是一种用于模拟车削运动的演示装置，包括床体内部安装有一号伺服电动机，一号伺服电动机的输出轴顶端安装有电动伸缩杆，电动伸缩杆的输出轴顶端安装有卡盘，电动伸缩杆的输出轴为主动轴，二号伺服电动机安装在床体表面，且输出轴通过联轴器连接有滚珠丝杆，滚珠丝杆上螺纹连接有丝杆滑块，滚珠丝杆为从动轴，丝杆滑块表面安装有L字形支架，支架另一端安装有夹头，针对高职运动控制实验设备的需要,设计一种用于模拟车削运动的演示装置，能够直观地向学生展示了车削的模拟运动，提高教学质量，同时采用电子凸轮来实现装置的运动控制，可以实现点到点的位置控制以及速度控制。

Description

一种用于模拟车削运动的演示装置

技术领域

本发明涉及车削运动领域，具体的说是一种用于模拟车削运动的演示装置。

背景技术

车削运动即车床加工，车床主要用于加工具有回转表面的工件，而在机械加工自动化机床中，大多数情况下使用凸轮式自动车床对精密零件进行加工制造；

然而传统的凸轮式自动车床往往使用机械凸轮进行运作，一只机械凸轮只能实现一种特定的运动规律，输出缺乏柔性，且凸轮部件制造困难，装配误差大，不容易调整等缺点，这些缺点在加工过程中会影响产品质量，在教学过程中需要学生充分的认识和理解；

但由于凸轮式自动车床的体积过大，难以被带到课堂上进行教学，不能达到直观教学的效果，因此需要一种用于模拟车削运动的演示装置，来提高学生感性认识，从而加深对车削运动的了解；

发明内容

本发明的目的是提供一种用于模拟车削运动的演示装置，解决了凸轮式自动车床的体积过大，难以被带到课堂上进行教学，不能达到直观教学的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于模拟车削运动的演示装置，包括床体，所述床体内部安装有一号伺服电动机，且表面开设有通孔，所述一号伺服电动机的输出轴顶端安装有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的输出轴穿过通孔并位于床体表面上方，且顶端安装有卡盘，所述电动伸缩杆的输出轴为主动轴；

二号伺服电动机，所述二号伺服电动机安装在床体表面，且输出轴通过联轴器连接有滚珠丝杆，所述滚珠丝杆靠近二号伺服电动机的一端安装有轴承座，另一端安装有支撑块，所述轴承座和支撑块的底面均与床体表面连接，所述滚珠丝杆上螺纹连接有丝杆滑块，所述滚珠丝杆为从动轴；

所述丝杆滑块表面安装有L字形支架，所述支架另一端安装有夹头。

优选的，所述滚珠丝杆的丝距为5mm。

优选的，所述一号伺服电动机的输出轴表面设有一号增量式旋转编码器，所述一号增量式旋转编码器的固定端与一号伺服电动机的机壳连接，且输入端与一号伺服电动机的输出轴表面连接。

优选的，所述二号伺服电动机的输出轴表面设有二号增量式旋转编码器，所述二号增量式旋转编码器的固定端与二号伺服电动机的机壳连接，且输入端与二号伺服电动机的输出轴表面连接。

优选的，述轴承座远离二号伺服电动机的一侧安装有一号光电传感器。

优选的，所述床体表面安装有二号光电传感器，所述二号光电传感器位于卡盘的下方。

优选的，所述卡盘的夹持端表面均非永久性固接有橡胶。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一，本发明针对高职运动控制实验设备的需要,设计一种用于模拟车削运动的演示装置，装置结构简单，操作方便，直观地向学生展示了车削的模拟运动，提高教学质量；

其二，本发明模拟车削运动控制装置，主要采用电子凸轮来实现运动控制，可以实现点到点的位置控制以及速度控制，同时能有效解决机械凸轮磨损大，定位精度不高，凸轮部件制造困难，装配误差大，不容易调整和一个凸轮只能实现-种特定的运动规律，输出缺乏柔性等局限性问题；

其三，该教具虽然为教学而设计，但本身结构轻便，操作简单，在设计电子凸轮来实现车削运动控制时，可以作为基于电子凸轮的模拟机床车削装置的展示教具。

其四，通过设定一些轨迹参数，搭建了一个小型的原型系统来测试了本发明装置的灵活性、有效性，高效性，以便于通过改变运动参数来实现不同运动传动曲线，在流水线上使用本发明装置的原理，可以降低企业车削设备零部件频繁更换成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明演示曲线运动时的立体图；

图2是本发明演示曲线运动时的俯视图；

图3是本发明演示曲线运动时的侧视图；

图4是本发明剪削工件时的立体图；

图5是本发明的剖视图；

图6是本发明剪削工件时的侧视图；

图中：床体1、一号伺服电动机11、通孔12、电动伸缩杆13、卡盘14、主动轴15、二号伺服电动机21、联轴器22、滚珠丝杆23、轴承座24、支撑块25、丝杆滑块26、支架27、夹头28、一号增量式旋转编码器31、二号增量式旋转编码器32、一号光电传感器41、二号光电传感器42。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3所示，本发明提供一种用于模拟车削运动的演示装置，包括床体1，所述床体1内部固定安装有一号伺服电动机11，且表面开设有通孔12，所述一号伺服电动机11的输出轴顶端固定安装有电动伸缩杆13，所述电动伸缩杆13的输出轴穿过通孔12并位于床体1表面上方，且顶端固定安装有卡盘14，所述电动伸缩杆13的输出轴为主动轴15；

二号伺服电动机21，所述二号伺服电动机21固定安装在床体1表面，且输出轴通过联轴器22固定连接有滚珠丝杆23，所述滚珠丝杆23靠近二号伺服电动机21的一端转动安装有轴承座24，另一端转动安装有支撑块25，所述轴承座24和支撑块25的底面均与床体1表面固定连接，通过轴承座24和支撑块25可以将滚珠丝杆23转动安装在床体1表面，所述滚珠丝杆23上螺纹连接有丝杆滑块26，通过滚珠丝杆23与丝杆滑块26螺纹连接，使得滚珠丝杆23在转动时，丝杆滑块26能够在滚珠丝杆23表面左右滑动，所述滚珠丝杆23为从动轴；

所述丝杆滑块26表面固定安装有L字形支架27，所述支架27另一端固定安装有夹头28；

进一步地，所述滚珠丝杆23的丝距为5mm；

如图2所示，所述一号伺服电动机11的输出轴表面设有一号增量式旋转编码器31，所述一号增量式旋转编码器31的固定端与一号伺服电动机11的机壳固定连接，且输入端与一号伺服电动机11的输出轴表面固定连接；

进一步地，所述二号伺服电动机21的输出轴表面设有二号增量式旋转编码器32，所述二号增量式旋转编码器32的固定端与二号伺服电动机21的机壳固定连接，且输入端与二号伺服电动机21的输出轴表面固定连接；

如图2所示，所述轴承座24远离二号伺服电动机21的一侧固定安装有一号光电传感器41；

进一步地，所述床体1表面安装有二号光电传感器42，所述二号光电传感器42位于卡盘14的下方；

该实施例在实施时，具体操作如下：

实施例一，如图1-3所示，电子凸轮是可以通过生成记录有主动轴15和从动轴的运动位置对应关系的电子凸轮曲线，来实现主动轴15和从动轴满足特定位置关系的控制系统；

电子凸轮曲线可以划分为同步阶段曲线和非同步阶段曲线；在同步阶段曲线中，主动轴15与从动轴的速度可以是保持一致；从动轴可以在同步阶段中完成目标动作，之后从动轴可以进入非同步阶段，准备进行下一次目标动作；

因此，在进行模拟车削运动教学前，通过一号增量式旋转编码器31和二号光电传感器42，将主动轴15的位置信号反馈给CPU模块，CPU接收到位置信号后进行运算处理，从而来确定主动轴15的当前运动位置，然后基于预先设置好的电子凸轮位置对应曲线，确定与主动轴15的当前运动位置相匹配的从动轴的目标运动位置；

如图2所示，主动轴15与从动轴的位置确定后，将触摸显示屏的固定端夹在卡盘14上，同时也将电容笔的固定端夹在夹头28上，然后对一号伺服电动机11和二号伺服电动机21进行通电，一方面使主动轴15开始转动，主动轴15转动时会带动卡盘14向原点位置转动，当二号光电传感器42感应到卡盘14转动至原点位置时，二号光电传感器42将信号反馈到CPU模块，CPU模块接收到信号后，对一号伺服电动机11进行断电处理，使得主动轴15停止转动，卡盘14将会停留在原点位置；另一方面使从动轴开始转动，使得与从动轴螺纹啮合运动的丝杆滑块26往原点移动，当一号光电传感器41感应到丝杆滑块26移动至原点位置时，一号光电传感器41将信号反馈到CPU模块，CPU模块接收到信号后，对二号伺服电动机21进行断电处理，使得从动轴停止转动，丝杆滑块26将会停留在原点位置；

在进行模拟车削运动教学时，通过人机界面一方面向CPU模块输入触摸显示屏的长、宽、高等数据，单位为mm；以及输入主动轴15转动的速度；另一方面向CPU模块输入设置好的电子凸轮位置对应曲线，信息录入完成后，CPU模块对信息进行分析并处理，然后按下启动按钮，使得主动轴15和从动轴转动，进而使得丝杆滑块26带动电容笔向触摸显示屏方向移动；

当电容笔移动到与触摸显示屏表面接触时，即完成对屏工作，然后主动轴15和从动轴停止转动，延时1-3秒后，基于预先设置好的电子凸轮位置对应曲线，从动轴进入同步阶段，主动轴15与从动轴开始转动且转动的速度保持一致，单位rad/s；此时，主动轴15为演示轴，从动轴上的电容笔开始对显示屏表面进行曲线绘制，绘制出之前记录好的主动轴15和从动轴的运动位置对应关系的电子凸轮曲线，然后从动轴进入非同步阶段，准备进行下一次绘制动作；利用滚珠丝杆23的丝距为5mm，使得主动轴15旋转一圈，从动轴带动电容笔水平方向移动5mm距离；

主动轴15和从动轴会基于预先设置好的电子凸轮位置对应曲线，进行周期性运动，使得电容笔可以在触摸屏上面进行周期性曲线绘制，从而可以向学生直观的演示出电子凸轮的曲线运动轨迹；

此外，通过改变电子凸轮位置对应曲线参数，即改变轨迹参数，就可以直接向学生直观的演示出车削运动加工时轨迹的改变，展现出电子凸轮的灵活性；

主动轴15和从动轴完成周期性运动后，主动轴15和从动轴均停止转动，延时1S后，主动轴15和从动轴转动，使得卡盘14和丝杆滑块26均会到原点位置，进而可以在课堂上演示出整个模拟车削运动的加工过程，也达到机械凸轮相同的运动效果；

现有技术中院校是有车工教学实验室，但并非所有学校都有足够的专项资金购置凸轮式自动车床并设置相应的展示场地。在实际情况中，学生往往只需要学习凸轮式自动车床部分功能的运行原理，就如本申请，只需要一个用于课堂教学的教具，能够模拟车削运动即可。

实施例二，如图4-6所示，与实施例一的区别在于，该实施例中的卡盘14夹持端夹持工件的固定端，夹头28的夹持端夹持刀具的固定端，具体如下：电子凸轮曲线可以划分为同步阶段曲线和非同步阶段曲线；在同步阶段曲线中，主动轴15与从动轴的速度可以是保持一致；从动轴可以在同步阶段中完成目标动作，之后从动轴可以进入非同步阶段，准备进行下一次目标动作。比如，在车削运动的过程中，主动轴15可以为送料轴，从动轴可以剪削工件，从动轴在同步阶段中完成剪削动作，剪削出指定长度的材料，然后从动轴进入非同步阶段，准备进行下一次剪削动作，从而实现主动轴15与从动轴之间点到点的位置控制以及速度控制；

如图5-6所示，当刀具移动到与工件表面接触时，即完成对刀工作，然后主动轴15和从动轴停止转动，延时1-3秒后，基于预先设置好的电子凸轮位置对应曲线，从动轴进入同步阶段，主动轴15与从动轴开始转动且转动的速度保持一致，单位rad/s；此时，主动轴15为送料轴，从动轴为剪削部件，从动轴在同步阶段中完成剪削动作，剪削出工件表面指定长度的材料，然后从动轴进入非同步阶段，准备进行下一次剪削动作；

主动轴15和从动轴会基于预先设置好的电子凸轮位置对应曲线，进行周期性运动，使得刀具可以在工件表面进行周期性剪削工作，从而可以向学生直观的演示出车削运动；

主动轴15和从动轴完成周期性运动后，主动轴15和从动轴均停止转动，延时1S后，主动轴15和从动轴转动，使得卡盘14和丝杆滑块26均会到原点位置，进而可以在课堂上演示出整个车削运动的加工过程；

车削机床所采用的车刀具有多种不同的类型，除了普通的外圆车刀以外，还配套有不同磨损程度的刀具，以及低强度的塑料刀具；在操作过程中通过替换车刀进行车削模拟，从而可以根据不同的刀具形状，灵活设定轨迹参数，改变加工轨迹；

如图1-6所示，通过一号增量式旋转编码器31和二号增量式旋转编码器32，可以实时监测主动轴15与从动轴的转动速度，以便于对主动轴15与从动轴转动速度的控制；

如图1所示，所述卡盘14的夹持端表面均非永久性固接有橡胶；该卡盘14的夹持端在使用时，可通过胶水粘合的方式将橡胶粘在卡盘14的夹持端表面，或者采用魔术贴的方式将橡胶与卡盘14的夹持端表面进行连接，即将魔术贴带有细小柔软纤维的一面与卡盘14的夹持端表面进行固定，含有较硬带钩刺毛的一面，与橡胶一面进行固定，这样，在使用时，即可以通过魔术贴，将橡胶与卡盘14的夹持端表面进行连接，同样，也可以采用其它方式进行连接；通过在卡盘14的夹持端表面均非永久性固接有橡胶，使得卡盘14可以夹持软质的工件，比如：橡皮泥、木质材料、有机玻璃、皮革等材料，减少因为卡盘14的夹持端表面的硬度导致工件被夹持变形的现象。

在操作过程中将卡盘和夹头分别用于夹持工件和刀具，以模拟车削机床的剪削工作；并可以跟换不同的刀具形状，灵活设定轨迹参数，改变加工轨迹，直观地向学生展示不同刀具所形成的轨迹参数。

综上所述，通过主动轴和从动轴基于设置好的电子凸轮位置对应曲线，进行周期性运动，使得电容笔可以在触摸屏上面进行周期性曲线绘制，从而可以向学生直观的演示出电子凸轮的曲线运动轨迹，并能够直接观测出车削机床如何实现点到点的位置控制以及速度控制；另一方面通过改变电子凸轮位置对应曲线参数，即改变轨迹参数，就可以直接向学生直观的模拟演示出车削机床加工时轨迹的改变，展现出电子凸轮车削机床的灵活性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于模拟车削运动的演示装置，其特征在于：包括床体（1），所述床体（1）内部安装有一号伺服电动机（11），且表面开设有通孔（12），所述一号伺服电动机（11）的输出轴顶端安装有电动伸缩杆（13），所述电动伸缩杆（13）的输出轴穿过通孔（12）并位于床体（1）表面上方，且顶端安装有卡盘（14），所述电动伸缩杆（13）的输出轴为主动轴（15）；

二号伺服电动机（21），所述二号伺服电动机（21）安装在床体（1）表面，且输出轴通过联轴器（22）连接有滚珠丝杆（23），所述滚珠丝杆（23）靠近二号伺服电动机（21）的一端安装有轴承座（24），另一端安装有支撑块（25），所述轴承座（24）和支撑块（25）的底面均与床体（1）表面连接，所述滚珠丝杆（23）上螺纹连接有丝杆滑块（26），所述滚珠丝杆（23）为从动轴；

所述丝杆滑块（26）表面安装有L字形支架（27），所述支架（27）另一端安装有夹头（28）。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟车削运动的演示装置，其特征在于：所述滚珠丝杆（23）的丝距为5mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟车削运动的演示装置，其特征在于：所述一号伺服电动机（11）的输出轴表面设有一号增量式旋转编码器（31），所述一号增量式旋转编码器（31）的固定端与一号伺服电动机（11）的机壳连接，且输入端与一号伺服电动机（11）的输出轴表面连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟车削运动的演示装置，其特征在于：所述二号伺服电动机（21）的输出轴表面设有二号增量式旋转编码器（32），所述二号增量式旋转编码器（32）的固定端与二号伺服电动机（21）的机壳连接，且输入端与二号伺服电动机（21）的输出轴表面连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟车削运动的演示装置，其特征在于：所述轴承座（24）远离二号伺服电动机（21）的一侧安装有一号光电传感器（41）。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟车削运动的演示装置，其特征在于：所述床体（1）表面安装有二号光电传感器（42），所述二号光电传感器（42）位于卡盘（14）的下方。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟车削运动的演示装置，其特征在于：所述卡盘（14）的夹持端表面均非永久性固接有橡胶。