第11卷 第4期 Vol.11 No.4洛阳工业高等专科学校学报 2001年12月Journal of Luoyang Technology College Dec. 2001
利用慧鱼教具及创意组合模型设计自动立式钻铣床
田小军，任宏涛
（洛阳工业高等专科学校 471003 机械工程系，河南洛阳）
摘 要：介绍了慧鱼创意组合模型模拟机床设计及控制的思想，并且通过制作自动立式钻铣床的具体实例阐明了设计过程。经实践，该机床模型功能完善，动作可靠，可以满足教学及科研需要。关键词：慧鱼；PLC；自动立式钻铣床
中图分类号：TH12 文献标识码：B 文章编号：
1008-8814(2001)04-0018-03
1 引言
“慧鱼教具及创意组合模型”，又称为“工程积木”，“智慧魔方”，简称“慧鱼”。 它集教具和仿真模型于一身，是科技知识启蒙、创造性思维训练及创造力开发的最佳载体。“慧鱼教具及创意组合模型”是由德国发明家Artur Fischer博士于1964年发明的。“慧鱼”有各种型号和规格的零件近千种，一般工程机械制造所需要的零部件如连杆、齿轮、马达、涡轮，以及汽缸、压缩机、发动机、离合器，甚至热(光、触、磁)敏传感器、信号转换开关、计算机接口等等，在“慧鱼”中都可以找到。 因此，“慧鱼教具及创意组合模型”零部件的仿真度，几乎能够实现任何复杂技术过程和大型设计的模型，使之真实地“再现”。作者通过慧鱼教具在自动立式钻铣床设计方面的应用举例来简 单介绍如何将慧鱼教具引入学校的实验教学的。
利用慧鱼配套的各种零件、如齿轮、圆盘、立柱、蜗轮、蜗杆、微型电机、行程开关以及各种接插件，紧固件等按设计要求可组装成立式钻床的模型。这些零件大都是由工程塑料制成，有相当的强度与硬度，而且加工尺寸标准、精度很高，因而组装起来配合精密、模型牢固稳定。
台可以横向进给、纵向进给、回转工作台可以回转。因此须将钻床主轴设计成可以自动上下移动的，以实现机床的自动进给。另外，要控制工作台能够实现工作台的横向、纵向和回转工作台的回转
运动。
2.2 机械传动系统设计
钻铣床的运动主要有工作台的横向进给、纵向进给、回转工作台的回转运动，主轴沿立柱的进给运动以及主轴自身的旋转运动。因为主轴的旋转运动只需电机带动即可，因此在设计传动系统时主要考虑前两者的运动。其中工作台的运动是这样考虑的：动力来源是由电机M1提供的，电机又通过两级齿轮减速机构来带动蜗杆传动，蜗杆又带动蜗轮传动，工作台是直接连在蜗轮上的。因此，齿轮和蜗轮蜗杆构成了圆工作台的传动系统，其结构如图1所示。自动进给机构采用的是齿轮齿条传动，它的动力来源由电机M2提供。电机M2通过一个五级减速机构后带动齿条运动。五级
减速机构中也有一级是蜗轮蜗杆传动。这主要是考虑到主轴在沿立柱上下运动时需要可靠自锁，而蜗轮蜗杆传动很重要的一个特点就是在满足一定的条件下能够实现很好的自锁性，其结构如图2所示。
图1 自动立式钻床圆 工作台传动系统图
2 方案设计
2.1 机械结构设计
钻床是用于加工内孔的机床，主要加工外形复杂、没有对称回转轴线的工件。立式钻铣床是应用较广泛的机床，既可以进行孔的钻、扩、铰加工，又可以进行简单的铣削加工；其特点为主轴轴线垂直布置，工件放在工作台上，工作台和进给箱都可沿立柱调整其上下位置，以适应不同的高度，工作
3.电气控制系统设计
3.1 电气控制设计
自动钻床运动主要有两大部分组成：圆工作台
第4期 田小军等 利 用慧鱼教具及创意组合模型设计自动立式钻铣床 19
M1个均有掉电保护功能的计数器。该型号PLC功能较强，平均每步执行速度约为1µs，其输入输出相应时间不超过10ms。另外，在PLC的内部还提供有24伏直流电源，因此，在驱动功率不大的情况下，无须外接直流电源。而且，由于PLC的输出为继电器输出，因此，无须放大电路即可带动驱动电机工作。
表2 I/O 口分配表
输 入 自动控制 停止 手动控制 工作台点动 刀具上移点动 刀具下移点动 刀具转动 刀具停止 行程开关E1 行程开关E2
X00 X01 X02 X03 X04 X05 X06 X07 X10 X11 X12
输 出 电机M1 电机M2反转 电机M2正转 电机M3
自动工作指示灯 手动工作指示灯 工作台转动指示灯 刀具上移指示灯 刀具下移指示灯 刀具转动指示灯
Y00 Y01 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 Y07 Y10 Y11
置。这样就能实现多工位加工，再结合PLC的软件控制就可以实现工作台的自动控制了。进给机构的硬件控制部分也是由挡块和行程开关组成的，在立柱的上下限位置分别放置两个行程开关，进给箱就可以在电机M2的带动下沿立柱上下移动了。各行程开关和电机的作用由表1给出。
表1 行程开关和电机的作用
元件 E1 E2 E3 M1 M2 M3
作用
进给运动的上限位行程开关
进给运动的下限位行程开关，调节 E2 控制多工位钻孔 工作台电机 主轴进给电机 主轴旋转电机
行程开关E3
3.3 PLC控制程序设计
控制程序设计主要包括自动控制和手动控制两部分。自动控制的流程如图3所示：
采用手动控制时，可以自由的控制各个电机。此时各行程开关依然起自动保护功能，如当点动上移时如压下行程开关E1时，则上移失去
图3 控制流程图
考虑到在实际生产中往往有多种控制模式，设计了手动控制和自动控制两种方法，并且注意了这两种方法的相互联锁。所以手动控制和自动控制不会同时启动，只有停止了机床后才可以进行相互转换。当设置为手动控制后，各个电机可以自由控制，增加了设计的灵活性。
3.2 PLC硬件电路设计
根据系统的控制要求，确定I/O 2口分配如表：目前，在机床的电气控制中，可编程控制器的应用越来越广泛，因此，本例采用了目前应用较多的三菱FXON系列PLC来控制该自动钻床。
FXON系列PLC是由日本三菱公司生产的一种超小型PLC，主要用于较简单的开关量控制，配以模拟单元也可进行模拟量控制。根据电气控制设计设计方案，可选用FXON-40MR型的PLC。它的性能指标为：24点输入。编号范围为X400～X413和X500～Y513；16点输出。 编号范围为Y430～Y437和Y530～Y537；有24点定时范围为0.1～999秒的定时器和8点定时范围为0.01～99.9秒的定时器；有32
作用，此时只能点动下移。同样当点动下移时，如压下行程开关E2时，则点动下移失去作用，此时只能点动上移。当手动控制时行程开关E3自动失去作用，工作台可以转动任意角度。
根据自动立式钻床电气系统控制程序流程，可编写出相应的梯形图程序。为了保证系统运行的可靠性以及满足加工要求，程序须达到如下要求：
1) M1利用两个软继电器和M3分别表示自动控制和手动控制两个不同的运动状态，既能使两个程序合二为一，又能保证两者之间的可靠互锁。
2) 设置了若干指示灯，使得机床的动作便于清
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晰观察。
3) 因实际生产中的立式钻床在加工是由人工操作，在模型中无法表示，因此我们采用定时器T0来表示加工时间，定时时间到，表示加工完成，可进行下一动作。定时器的定时时间可自由调整。
的创造力，不仅国外的很多的大型工业企业利用“慧鱼”来模拟大型机械设备的仿真，而且欧美的许多国家还普遍用作教具，来辅助理论教学。慧鱼模型组合体系提供的创意可能性取之不尽，用之不竭。在学校教学过程中遇到的很多复杂的技术性问题都可以借助慧鱼模型进行展示，让学生获得感性认识。
“慧鱼”既适合于普通大、中、小学对学生进行素质教育，也适合以提高学生技能为目标的成人教育及职业教育，更适合家长对孩子进行创造性思维训练和创新能力的培养，所以被国际知名人士称为“造就一代工程师的伟业”。
参 考文献：
慧鱼模型与创新教育德国慧鱼集团江苏代理源美公司.[1] .
2000.4.10
[2] .杨长能张兴毅.可编程序控制器(PC)基础及应用[M].重
庆:重庆大学出版社.
收稿日期：2001-08-18
4 系统调试
当程序设计完成以后就可以联机调试了，利用三菱PLC自带的Fxgpwin软件，能够在计算机上编辑，修改程序。通过RS232C串行通信接口，可直接将修改完毕的程序输入到PLC的EPROM里，然后再将PLC的输入输出端子接到相应的电气元件设备（按钮，行程开关，电机）上，就可以进行调试了。Fxgpwin软件也具有在线监控功能，可在程序运行期间直接在计算机屏幕上监控各个I/O元素的状态。
5 结束语
由于“慧鱼”具有很高的技术含量和无限丰富
Design Automatic Vertical Drilling-milling Machine by Fishertechnik Teaching Models
TIAN Xiao-jun, REN Hong-tao
(Dept. of Mechanical, Luoyang College of Technology, Luoyang 471003, China)
Abstract: Fischertechnik is very popular on schools and universities for simulating and teaching technical coherences. Through constructing automatic vertical drilling-milling machine by fishertechnik teaching models, this paper introduced the idea that how to simulate designing and controlling the machine. Key words
: Fishertechnik; PLC; Vertical Drilling-milling Machine
第11卷 第4期 Vol.11 No.4洛阳工业高等专科学校学报 2001年12月Journal of Luoyang Technology College Dec. 2001
利用慧鱼教具及创意组合模型设计自动立式钻铣床
田小军，任宏涛
（洛阳工业高等专科学校 471003 机械工程系，河南洛阳）
摘 要：介绍了慧鱼创意组合模型模拟机床设计及控制的思想，并且通过制作自动立式钻铣床的具体实例阐明了设计过程。经实践，该机床模型功能完善，动作可靠，可以满足教学及科研需要。关键词：慧鱼；PLC；自动立式钻铣床
中图分类号：TH12 文献标识码：B 文章编号：
1008-8814(2001)04-0018-03
1 引言
“慧鱼教具及创意组合模型”，又称为“工程积木”，“智慧魔方”，简称“慧鱼”。 它集教具和仿真模型于一身，是科技知识启蒙、创造性思维训练及创造力开发的最佳载体。“慧鱼教具及创意组合模型”是由德国发明家Artur Fischer博士于1964年发明的。“慧鱼”有各种型号和规格的零件近千种，一般工程机械制造所需要的零部件如连杆、齿轮、马达、涡轮，以及汽缸、压缩机、发动机、离合器，甚至热(光、触、磁)敏传感器、信号转换开关、计算机接口等等，在“慧鱼”中都可以找到。 因此，“慧鱼教具及创意组合模型”零部件的仿真度，几乎能够实现任何复杂技术过程和大型设计的模型，使之真实地“再现”。作者通过慧鱼教具在自动立式钻铣床设计方面的应用举例来简 单介绍如何将慧鱼教具引入学校的实验教学的。
利用慧鱼配套的各种零件、如齿轮、圆盘、立柱、蜗轮、蜗杆、微型电机、行程开关以及各种接插件，紧固件等按设计要求可组装成立式钻床的模型。这些零件大都是由工程塑料制成，有相当的强度与硬度，而且加工尺寸标准、精度很高，因而组装起来配合精密、模型牢固稳定。
台可以横向进给、纵向进给、回转工作台可以回转。因此须将钻床主轴设计成可以自动上下移动的，以实现机床的自动进给。另外，要控制工作台能够实现工作台的横向、纵向和回转工作台的回转
运动。
2.2 机械传动系统设计
钻铣床的运动主要有工作台的横向进给、纵向进给、回转工作台的回转运动，主轴沿立柱的进给运动以及主轴自身的旋转运动。因为主轴的旋转运动只需电机带动即可，因此在设计传动系统时主要考虑前两者的运动。其中工作台的运动是这样考虑的：动力来源是由电机M1提供的，电机又通过两级齿轮减速机构来带动蜗杆传动，蜗杆又带动蜗轮传动，工作台是直接连在蜗轮上的。因此，齿轮和蜗轮蜗杆构成了圆工作台的传动系统，其结构如图1所示。自动进给机构采用的是齿轮齿条传动，它的动力来源由电机M2提供。电机M2通过一个五级减速机构后带动齿条运动。五级
减速机构中也有一级是蜗轮蜗杆传动。这主要是考虑到主轴在沿立柱上下运动时需要可靠自锁，而蜗轮蜗杆传动很重要的一个特点就是在满足一定的条件下能够实现很好的自锁性，其结构如图2所示。
图1 自动立式钻床圆 工作台传动系统图
2 方案设计
2.1 机械结构设计
钻床是用于加工内孔的机床，主要加工外形复杂、没有对称回转轴线的工件。立式钻铣床是应用较广泛的机床，既可以进行孔的钻、扩、铰加工，又可以进行简单的铣削加工；其特点为主轴轴线垂直布置，工件放在工作台上，工作台和进给箱都可沿立柱调整其上下位置，以适应不同的高度，工作
3.电气控制系统设计
3.1 电气控制设计
自动钻床运动主要有两大部分组成：圆工作台
第4期 田小军等 利 用慧鱼教具及创意组合模型设计自动立式钻铣床 19
M1个均有掉电保护功能的计数器。该型号PLC功能较强，平均每步执行速度约为1µs，其输入输出相应时间不超过10ms。另外，在PLC的内部还提供有24伏直流电源，因此，在驱动功率不大的情况下，无须外接直流电源。而且，由于PLC的输出为继电器输出，因此，无须放大电路即可带动驱动电机工作。
表2 I/O 口分配表
输 入 自动控制 停止 手动控制 工作台点动 刀具上移点动 刀具下移点动 刀具转动 刀具停止 行程开关E1 行程开关E2
X00 X01 X02 X03 X04 X05 X06 X07 X10 X11 X12
输 出 电机M1 电机M2反转 电机M2正转 电机M3
自动工作指示灯 手动工作指示灯 工作台转动指示灯 刀具上移指示灯 刀具下移指示灯 刀具转动指示灯
Y00 Y01 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 Y07 Y10 Y11
置。这样就能实现多工位加工，再结合PLC的软件控制就可以实现工作台的自动控制了。进给机构的硬件控制部分也是由挡块和行程开关组成的，在立柱的上下限位置分别放置两个行程开关，进给箱就可以在电机M2的带动下沿立柱上下移动了。各行程开关和电机的作用由表1给出。
表1 行程开关和电机的作用
元件 E1 E2 E3 M1 M2 M3
作用
进给运动的上限位行程开关
进给运动的下限位行程开关，调节 E2 控制多工位钻孔 工作台电机 主轴进给电机 主轴旋转电机
行程开关E3
3.3 PLC控制程序设计
控制程序设计主要包括自动控制和手动控制两部分。自动控制的流程如图3所示：
采用手动控制时，可以自由的控制各个电机。此时各行程开关依然起自动保护功能，如当点动上移时如压下行程开关E1时，则上移失去
图3 控制流程图
考虑到在实际生产中往往有多种控制模式，设计了手动控制和自动控制两种方法，并且注意了这两种方法的相互联锁。所以手动控制和自动控制不会同时启动，只有停止了机床后才可以进行相互转换。当设置为手动控制后，各个电机可以自由控制，增加了设计的灵活性。
3.2 PLC硬件电路设计
根据系统的控制要求，确定I/O 2口分配如表：目前，在机床的电气控制中，可编程控制器的应用越来越广泛，因此，本例采用了目前应用较多的三菱FXON系列PLC来控制该自动钻床。
FXON系列PLC是由日本三菱公司生产的一种超小型PLC，主要用于较简单的开关量控制，配以模拟单元也可进行模拟量控制。根据电气控制设计设计方案，可选用FXON-40MR型的PLC。它的性能指标为：24点输入。编号范围为X400～X413和X500～Y513；16点输出。 编号范围为Y430～Y437和Y530～Y537；有24点定时范围为0.1～999秒的定时器和8点定时范围为0.01～99.9秒的定时器；有32
作用，此时只能点动下移。同样当点动下移时，如压下行程开关E2时，则点动下移失去作用，此时只能点动上移。当手动控制时行程开关E3自动失去作用，工作台可以转动任意角度。
根据自动立式钻床电气系统控制程序流程，可编写出相应的梯形图程序。为了保证系统运行的可靠性以及满足加工要求，程序须达到如下要求：
1) M1利用两个软继电器和M3分别表示自动控制和手动控制两个不同的运动状态，既能使两个程序合二为一，又能保证两者之间的可靠互锁。
2) 设置了若干指示灯，使得机床的动作便于清
第11卷 第4期 Vol.11 No.4洛阳工业高等专科学校学报 2001年12月Journal of Luoyang Technology College Dec. 2001
晰观察。
3) 因实际生产中的立式钻床在加工是由人工操作，在模型中无法表示，因此我们采用定时器T0来表示加工时间，定时时间到，表示加工完成，可进行下一动作。定时器的定时时间可自由调整。
的创造力，不仅国外的很多的大型工业企业利用“慧鱼”来模拟大型机械设备的仿真，而且欧美的许多国家还普遍用作教具，来辅助理论教学。慧鱼模型组合体系提供的创意可能性取之不尽，用之不竭。在学校教学过程中遇到的很多复杂的技术性问题都可以借助慧鱼模型进行展示，让学生获得感性认识。
“慧鱼”既适合于普通大、中、小学对学生进行素质教育，也适合以提高学生技能为目标的成人教育及职业教育，更适合家长对孩子进行创造性思维训练和创新能力的培养，所以被国际知名人士称为“造就一代工程师的伟业”。
参 考文献：
慧鱼模型与创新教育德国慧鱼集团江苏代理源美公司.[1] .
2000.4.10
[2] .杨长能张兴毅.可编程序控制器(PC)基础及应用[M].重
庆:重庆大学出版社.
收稿日期：2001-08-18
4 系统调试
当程序设计完成以后就可以联机调试了，利用三菱PLC自带的Fxgpwin软件，能够在计算机上编辑，修改程序。通过RS232C串行通信接口，可直接将修改完毕的程序输入到PLC的EPROM里，然后再将PLC的输入输出端子接到相应的电气元件设备（按钮，行程开关，电机）上，就可以进行调试了。Fxgpwin软件也具有在线监控功能，可在程序运行期间直接在计算机屏幕上监控各个I/O元素的状态。
5 结束语
由于“慧鱼”具有很高的技术含量和无限丰富
Design Automatic Vertical Drilling-milling Machine by Fishertechnik Teaching Models
TIAN Xiao-jun, REN Hong-tao
(Dept. of Mechanical, Luoyang College of Technology, Luoyang 471003, China)
Abstract: Fischertechnik is very popular on schools and universities for simulating and teaching technical coherences. Through constructing automatic vertical drilling-milling machine by fishertechnik teaching models, this paper introduced the idea that how to simulate designing and controlling the machine. Key words
: Fishertechnik; PLC; Vertical Drilling-milling Machine