CN203366627U - 一种教学型数控轨迹插补运算实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种教学型数控轨迹插补运算实验装置，包括底座、支架、移动架、滑块组、工作台、绘图笔、左右向驱动机构、前后向驱动机构和控制装置；支架固定在底座上，绘图笔固定在支架上；工作台与上滑块组和丝杠螺母固定连接，移动架下方与另一滑块组和另一丝杠螺母固定连接；左右向驱动机构安装在底座上，前后向驱动机构安装在移动架上，驱动机构由丝杠螺母副、轴承座和轴承、联轴器、步进电机组成；控制装置包括计算机、并口电平转换器、2个限位开关、2个步进电机驱动器以及开关电源。本实用新型结构简单、成本低廉，携带方便，机械运动及控制部分均为开放式，完全满足数控插补教学实验的要求，使用后能较大幅度地提高教学效果。

Description

一种教学型数控轨迹插补运算实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种教学装置，具体涉及一种数控轨迹插补运算实验装置。 

背景技术

当前，数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率的必不可少的技术手段。由于数控技术的重要性，国内许多高等院校在机械类专业都开设了数控技术课程。但是由于教学条件的限制，要将理论与实践结合起来不太容易，而数控机床等设备价格昂贵，学校用有限的资金买回一两台，无论从数量、成本还是从安全性上考虑，都不大适合学生的普及性教学和实验，而且数控机床不能做到开放式教学，影响教学效果，因此，这样的数控教学实验室即便建成，实际应用效果往往也不是很理想。如何改善和提高数控技术课程的实验环境，使学生能通过实际操作将理论与实践有机结合，是数控技术教学工作面临的一大难题。 

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对目前高等院校数控加工教学仪器设备存在的困难，提供一种结构简单、携带方便、成本低廉、满足数控插补教学需要的数控轨迹插补运算实验装置。 

本实用新型的技术方案是：本实用新型的教学型数控轨迹插补运算实验装置，其结构特点是：包括底座、支架、移动架、滑块组、工作台、绘图笔、左右向驱动机构、前后向驱动机构和控制装置； 

上述的底座包括前侧导轨、后侧导轨和底板，前侧导轨和后侧导轨分别固定安装在底板的上端面的前后两侧；支架包括左支撑架、右支撑架和横梁；横梁的中间位置设置有绘图笔安装孔，横梁的两端分别与左支撑架和右支撑架固定连接；支架通过其左支撑架和右支撑架与底座固定连接；移动架包括底板、左侧导轨和右侧导轨，左侧导轨和右侧导轨分别固定安装在底板的上端面的左右两侧；滑块组包括构成相同的上滑块组和下滑块组，上滑块组包括四个结构相同的滑块，该4个滑块在移动架的左侧导轨和右侧导轨上各设置2块，且均由其下端分别与左侧导轨和右侧导轨可滑动套接；上滑块组的4个滑块的上端均与工作台的下端固定连接；下滑块组的4个滑块在底座的前侧导轨和后侧导轨上各设置2块，且均由其下端分别与前侧导轨和后侧导轨可滑动套接；下滑块组的4个滑块的上端与移动架的下端固定连接；绘图笔通过支架的横梁的绘图笔安装孔固 定安装在横梁上； 

左右向驱动机构和前后向驱动机构组件相同，均包括丝杠螺母副、轴承座、联轴器和步进电机，丝杠螺母副包括丝杆和丝杠螺母；轴承座内设有轴承；前后向驱动机构安装在移动架的底板的上端面上，其丝杠螺母副的丝杠螺母与工作台的下端面固定连接；左右向驱动机构安装在底座的底板的上端面上，其丝杠螺母副的丝杠螺母与移动架的下端面固定连接； 

上述的控制装置包括2个步进电机驱动器；该2个步进电机驱动器中的一个与左右向驱动机构的步进电机电连接；2个步进电机驱动器中的另一个与前后向驱动机构的步进电机电连接。 

进一步的方案是：上述的左右向驱动机构的轴承座固定安装在底座的底板的左侧上端面上；左右向驱动机构的联轴器固定安装在底座的底板的右侧上端面上；左右向驱动机构的丝杠螺母副的丝杆的左端与轴承座内的轴承传动连接；丝杆的右端与联轴器传动连接；联轴器与步进电机传动连接； 

上述的前后向驱动机构的轴承座固定安装在移动架的底板的前端的上端面上；前后向驱动机构的联轴器固定安装在移动架的底板的后端的上端面上；前后向驱动机构的丝杠螺母副的丝杆的前端与轴承座内的轴承传动连接；丝杆的后端与联轴器传动连接；联轴器与步进电机传动连接。 

进一步的方案是：上述的控制装置还包括计算机、并口电平转换器、限位开关K1、限位开关K2和开关电源；开关电源设有5V电源输出端和24V电源输出端，该2个电源输出端均具有正极和负极；2个步进电机驱动器均具有CP+、CP-、DIR+、DIR-、RST+、RST-、A+、A-、B+、B-、VCC以及GND接线端；并口电平转换器与计算机信号电连接；并口电平转换器具有2组共4个信号输出端；2个步进电机驱动器的CP+和DIR+端分别对应与并口平转换器的信号输出端电连接；2个步进电机驱动器的CP-和DIR-接线端均与开关电源的5V电源输出端负极电连接；2个步进电机驱动器的A+、A-、B+、B-端分别与一台步进电机的相应端口电连接；2个步进电机驱动器的RST+端分别通过限位开关K1和K2与开关电源的5V电源输出端正极电连接；2个步进电机驱动器的RST-端与开关电源的5V电源输出端负极电连接；2个步进电机驱动器的VCC端均与开关电源的24V输出端正极电连接；2个步进电机驱动器的GND端均与开关电源的24V输出端负极电连接。 

进一步的方案还有：上述的绘图笔包括上套、笔和位置调整螺栓；上述的笔的上端设置于上套内并通过调整螺栓固定在上套上；上套与上述的支架的横梁的绘图笔安装孔榫接从而固定在横梁上。 

本实用新型具有积极的效果：（1）本实用新型结构简单、制造成本低廉，完全满足数控插补教学实验的要求。（2）本实用新型比较小巧，携带方便，机械运动及控制部分均为开放式，在教学实验过程中，学生能全面清楚的了解各个环节，提高教学效果。 

附图说明

图1为本实用新型的机械部分结构示意图； 

图2为本实用新型的控制装置电气原理图。 

上述附图中的附图标记如下： 

底座1，前侧导轨1-1，后侧导轨1-2，底板1-3， 

支架2，左支撑架21，前支撑脚21-1，后支撑脚21-2，支撑梁21-3，连接梁21-4，右支撑架22，前支撑脚22-1，后支撑脚22-2，支撑梁22-3，连接梁22-4，横梁23， 

移动架3，底板31、左侧导轨32，右侧导轨33， 

滑块组4，上滑块组41，滑块41-1， 

工作台5， 

绘图笔6，上套61，笔62，调整螺栓63， 

丝杠螺母副7，丝杆71，丝杠螺母72，轴承座9，联轴器10，步进电机11，控制装置12。 

具体实施方式

（实施例1） 

见图1和图2，本实施例的教学型数控轨迹插补运算实验装置，由底座1、支架2、移动架3、滑块组4、工作台5、绘图笔6、左右向驱动机构、前后向驱动机构和控制装置12组成。 

底座1由成一体的左右向水平设置的按前后位置区分的前侧导轨1-1和后侧导轨1-2以及底板1-3组成；前侧导轨1-1和后侧导轨1-2均铅垂向设置在底板1-3上端面上。 

前述的支架2为木质构件，由左支撑架21、右支撑架22和横梁23组成，横梁23的中间位置设置有绘图笔安装孔；左支撑架21由成一体的铅垂设置的按前后区分的前支撑脚21-1、后支撑脚21-2、前后向水平设置的连接梁21-4以及铅垂设置于连接梁21-4上的支撑梁21-3组成，左支撑架21通过其前支撑脚21-1和后支撑脚21-2的下端与底座1用螺钉固定连接；右支撑架22由成一体的铅垂设置的按前后区分的前支撑脚22-1、后支撑脚22-2、前后向水平设置的连接梁22-4以及铅垂设置于连接梁22-4上的支撑梁22-3组成，右支撑架22通过其前支撑脚22-1和后支撑脚22-2的下端与底座1用螺钉固定连接；横梁23的两端从上往下与左支撑架21的支撑梁21-3和右支撑架22的支撑 梁22-3用螺钉固定连接。 

前述的移动架3由前后向水平设置的底板31、铅垂设置于底板31上端左侧的左侧导轨32和底板31上端右侧的右侧导轨33组成； 

前述的滑块组4设置有相同的两组，按上下区分为上滑块组41和下滑块组，上滑块组41由四个结构相同的滑块41-1组成，滑块41-1按前后向分别在前述的移动架3的左侧导轨32和右侧导轨33上各设置2块；上滑块组的四个滑块的下端分别与左侧导轨32或右侧导轨33滑动套接；下滑块组的四个滑块的上端与前述的移动架3的下端固定连接；下滑块组的四个滑块的下端与底座1的前侧导轨1-1或后侧导轨1-2滑动套接； 

前述的工作台5为长方形的有机玻璃材质构件，工作台5的下端通过螺钉与前述的上滑块组41的四个滑块41-1分别固定连接； 

绘图笔6由上套61、笔62和调整螺栓63组成；笔62的上端设于上套61内并通过调整螺栓63固定在上套61上，通过拧松调整螺栓63可上下调整笔62的高度使其与工作台5的间隙达到合适工作的位置；上套61与前述的横梁23中间位置设置的绘图笔安装孔榫接从而固定在横梁23上。 

前述的左右向驱动机构和前后向驱动机构组件相同，均各自由一套丝杠螺母副7、轴承座9、联轴器10和步进电机11组件构成，轴承座9内设有轴承。 

为陈述方便，左右向后述称为X轴向，前后向后述称为Y轴向。 

左右向驱动机构设置于底座1的底板1-3上，其丝杠螺母副7由丝杆71和丝杠螺母72组成。X轴向的轴承座9固定安装在底座1的底板1-3的左端面上，轴承座9内设置有轴承，丝杠螺母副7的丝杆71的左端与轴承座9内的轴承传动连接；丝杆71的右端与联轴器10传动连接；联轴器10与步进电机11传动连接；丝杠螺母72与前述的工作台5的下端面固定连接；联轴器10的下端固定在底座1的底板1-3的后端的上端面上。前后向驱动机构设置于移动架3的底板31上；Y轴向的轴承座9固定安装在移动架3的底板31的前端的上端面上，轴承座9内设置轴承，Y轴向的丝杠螺母副7的丝杆71的前端与轴承座9内的轴承传动连接；丝杆71的后端与联轴器10传动连接；丝杠螺母72与移动架3的下端面固定连接；联轴器10与步进电机11传动连接；联轴器10的下端固定在移动架3的底板31的后端的上端面上。前述的X轴向驱动机构在使用时驱动工作台5沿左右向也即X轴向移动；Y轴向驱动机构在使用时驱动工作台5沿前后向也即Y轴向移动。 

仍见图2，控制装置12主要由计算机、并口、并口电平转换器、2个限位开关K1和K2、2个步进电机驱动器和1个开关电源组成；开关电源为能输出5V和24V两路直流电的开关电源（为绘图方便分两处在图中画出）；开关电源的5V和24V电源输出端均 具有正极和负极。计算机为常用的PC机，其内置有控制软件，其通过自身的通信接口与并口通信连接；并口电平转换器的电源端与开关电源的5V输出端电连接；并口电平转换器的输入端与并口的2、3、4、5以及25号接线脚分别相应电连接；并口电平转换器具有两组共4个信号输出端；2个步进电机驱动器均具有CP+、CP-、DIR+、DIR-、RST+、RST-、A+、A-、B+、B-、VCC以及GND接线端；并口电平转换器4个信号输出端中的一组2个输出端分别与X轴的步进电机驱动器的CP+和DIR+端电连接；其中的另一组2个输出端分别与Y轴的步进电机驱动器的CP+和DIR+端电连接；并口电平转换器用于将计算机经并口传输的3.3V的脉冲电压信号转换成5V的脉冲电信号传输给2个步进电机驱动器。2个步进电机驱动器的CP-和DIR-接线端均与开关电源的5V电源的负极电连接；2个步进电机驱动器的A+、A-、B+、B-端分别与相应的步进电机11的相应端口电连接；2个步进电机驱动器的VCC端均与开关电源的24V输出端正极电连接；2个步进电机驱动器的GND端均与开关电源的24V输出端负极电连接；2个步进电机驱动器的RST+端分别通过限位开关K1和K2与开关电源的5V电源输出端的正极和负极电连接；2个步进电机驱动器的和RST-端与开关电源的5V电源输出端的负极电连接；开关电源使用时由其火线端L和零线端N与220V市电电连接。 

本实施例中，开关电源优选上海翔惠电子有限公司生产的型号SW20-2G系列、5-24V开关电源；步进电机优选常州鼎兴电子有限公司生产的型号为57BYG060的步进电机；步进电机驱动器优选常州鼎兴电子限公司生产的型号为DX-BQM241B的步进电机驱动器；限位开关优选型号为ZC-W255的欧姆龙限位开关。 

本实施例的教学型数控轨迹插补运算实验装置使用方式如下述： 

首先在工作台5上固定好白纸，调节工作台的位置，将X轴和Y轴调节到“零点位置”附近，“零点位置”由限位开关控制，当机床达到那个位置，将会切断电机的驱动电源，从而发出的脉冲不能驱动步进电机，以模拟数控机床的“回零”动作；然后调节好绘图笔的位置夹紧并固定，模拟数控机床的“装刀”和“对刀”动作；最后运行个人计算机中设置的编写好的控制软件，即可进行各类曲线的数控轨迹插补运算实验。因为该训练项目用于教学实验，给学生们讲述插补的道理与过程，因此指定插补曲线画在第一象限就能满足要求，当然其余象限的情况原理与第一象限的插补方法类似，根据工作台的运动范围，确定软件插补的运行界面大小与工作台一致。该控制软件是基于Matlab软件和VB软件平台编写，其中Matlab软件主要是针对曲线的图形绘制进行处理如直线、圆弧样条曲线、抛物线、双曲线等，VB软件主要是进行可视化界面、软件插补程序的设计编制以及VB访问并口的程序驱动步进电机运动。本实施例的教学型数控轨迹插补运算实验装置可操作化程度高，学生可根据不同曲线或不同插补运算方法，自行 编程程序进行实验，更有利于学生掌握该方面的知识，而且本实施例的装置运行过程全程可视，形象直观，便于学生对知识的理解和接受。 

以上实施例是对本实用新型的具体实施方式的说明，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本实用新型的专利保护范围。 

Claims (4)

1.一种教学型数控轨迹插补运算实验装置，其特征在于：包括底座（1）、支架（2）、移动架（3）、滑块组（4）、工作台（5）、绘图笔（6）、左右向驱动机构、前后向驱动机构和控制装置（12）；

所述的底座（1）包括前侧导轨（1-1）、后侧导轨（1-2）和底板（1-3），前侧导轨（1-1）和后侧导轨（1-2）分别固定安装在底板（1-3）的上端面的前后两侧；支架（2）包括左支撑架（21）、右支撑架（22）和横梁（23），横梁（23）的中间位置设置有绘图笔安装孔，横梁（23）的两端分别与左支撑架（21）和右支撑架（22）固定连接；支架（2）通过其左支撑架（21）和右支撑架（22）与底座（1）固定连接；移动架（3）包括底板（31）、左侧导轨（32）和右侧导轨（33），左侧导轨（32）和右侧导轨（33）分别固定安装在底板（31）的上端面的左右两侧；滑块组（4）包括构成相同的上滑块组（41）和下滑块组；上滑块组（41）包括四个结构相同的滑块（41-1），该4个滑块（41-1）在移动架（3）的左侧导轨（32）和右侧导轨（33）上各设置2块，且均由其下端分别与左侧导轨（32）和右侧导轨（33）可滑动套接；上滑块组（41）的4个滑块（41-1）的上端均与工作台（5）的下端固定连接；下滑块组的4个滑块在底座（1）的前侧导轨（1-1）和后侧导轨（1-2）上各设置2块，且均由其下端分别与前侧导轨（1-1）和后侧导轨（1-2）可滑动套接；下滑块组的4个滑块的上端与移动架（3）的下端固定连接；绘图笔（6）通过支架（2）的横梁（23）的绘图笔安装孔固定安装在横梁（23）上；

左右向驱动机构和前后向驱动机构组件相同，均包括丝杠螺母副（7）、轴承座（9）、联轴器（10）和步进电机（11），丝杠螺母副（7）包括丝杆（71）和丝杠螺母（72）；轴承座（9）内设有轴承；前后向驱动机构安装在移动架（3）的底板（31）的上端面上，其丝杠螺母副（7）的丝杠螺母（72）与工作台（5）的下端面固定连接；左右向驱动机构安装在底座（1）的底板（1-3）的上端面上，其丝杠螺母副的丝杠螺母与移动架（3）的下端面固定连接；

所述的控制装置（12）包括2个步进电机驱动器；该2个步进电机驱动器中的一个与左右向驱动机构的步进电机（11）电连接；2个步进电机驱动器中的另一个与前后向驱动机构的步进电机（11）电连接。

2.根据权利要求1所述的教学型数控轨迹插补运算实验装置，其特征在于：所述的左右向驱动机构的轴承座（9）固定安装在底座（1）的底板（1-3）的左侧上端面上；左右向驱动机构的联轴器（10）固定安装在底座（1）的底板（1-3）的右侧上端面上；左右向驱动机构的丝杠螺母副（7）的丝杆（71）的左端与轴承座（9）内的轴承传动连接；丝杆（71）的右端与联轴器（10）传动连接；联轴器（10）与步进电机（11）传动连接；

所述的前后向驱动机构的轴承座（9）固定安装在移动架（3）的底板（31）的前端的上端面上；前后向驱动机构的联轴器（10）固定安装在移动架（3）的底板（31）的后端的上端面上；前后向驱动机构的丝杠螺母副（7）的丝杆（71）的前端与轴承座（9）内的轴承传动连接；丝杆（71）的后端与联轴器（10）传动连接；联轴器（10）与步进电机（11）传动连接。

3.根据权利要求2所述的教学型数控轨迹插补运算实验装置，其特征在于：所述的控制装置（12）还包括计算机、并口电平转换器、限位开关K1、限位开关K2和开关电源；开关电源设有5V电源输出端和24V电源输出端，该2个电源输出端均具有正极和负极；2个步进电机驱动器均具有CP+、CP-、DIR+、DIR-、RST+、RST-、A+、A-、B+、B-、VCC以及GND接线端；并口电平转换器与计算机信号电连接；并口电平转换器具有2组共4个信号输出端；2个步进电机驱动器的CP+和DIR+端分别对应与并口平转换器的信号输出端电连接；2个步进电机驱动器的CP-和DIR-接线端均与开关电源的5V电源输出端负极电连接；2个步进电机驱动器的A+、A-、B+、B-端分别与一台步进电机（11）的相应端口电连接；2个步进电机驱动器的RST+端分别通过限位开关K1和K2与开关电源的5V电源输出端正极电连接；2个步进电机驱动器的RST-端与开关电源的5V电源输出端负极电连接；2个步进电机驱动器的VCC端均与开关电源的24V电源输出端正极电连接；2个步进电机驱动器的GND端均与开关电源的24V电源输出端负极电连接。

4.根据权利要求3所述的教学型数控轨迹插补运算实验装置，其特征在于：所述的绘图笔（6）包括上套（61）、笔（62）和位置调整螺栓（63）；所述的笔（62）的上端设置于上套（61）内并通过调整螺栓（63）固定在上套（61）上；上套（61）与所述的支架（2）的横梁（23）的绘图笔安装孔榫接从而固定在横梁（23）上。

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