基于工作臺(tái)自動(dòng)分度的鉆床數(shù)控化改造
2017-3-20 來(lái)源：湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：陳威 蔡明雄 郭渭萍
摘要：針對(duì)目前機(jī)械加工、制造和維修行業(yè)中難以一次性完成任意角度分度鉆孔的問(wèn)題，以臺(tái)式鉆床為例，重點(diǎn)介紹工作臺(tái)的自動(dòng)分度和鉆床數(shù)控化改造的方案和工作原理：將傳統(tǒng)的機(jī)械與現(xiàn)有的數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使鉆床具有工作臺(tái)自動(dòng)分度、主軸自動(dòng)進(jìn)給功能。改造后的鉆床經(jīng)濟(jì)適用、簡(jiǎn)單易行，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，已成功運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。
關(guān)鍵詞：數(shù)控改造；鉆床；自動(dòng)進(jìn)給；自動(dòng)分度
數(shù)控機(jī)床具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化作業(yè)、加工工件質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，能較好地解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、樣式多變等的零件加工問(wèn)題，保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量穩(wěn)定，且能大幅提高生產(chǎn)率。
在我國(guó)機(jī)械加工、制造業(yè)和維修行業(yè)中，很多小型企業(yè)、家庭作坊和個(gè)體經(jīng)營(yíng)戶所用的老、舊機(jī)床在設(shè)備中還占相當(dāng)大的比例，已滿足不了產(chǎn)品種類迅速增加和質(zhì)量不斷提高的生產(chǎn)需求。但一次性投入巨資購(gòu)買(mǎi)新的數(shù)控機(jī)床不太現(xiàn)實(shí)。對(duì)現(xiàn)有的普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，無(wú)疑是一種投資少、見(jiàn)效快，且能在短期內(nèi)使企業(yè)加工生產(chǎn)能力上規(guī)模、上檔次的有效方法。
本文以臺(tái)式鉆床鉆削多孔零件為例，具體闡述臺(tái)式鉆床工作臺(tái)自動(dòng)分度的實(shí)現(xiàn)和鉆床數(shù)控化改造的方法。
1.問(wèn)題的提出
隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)配件行業(yè)的發(fā)展，多孔零部件的鉆孔攻絲加工等也隨之增加。如汽車(chē)、摩托車(chē)多孔零部件：發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、鋁鑄件殼體、制動(dòng)鼓、剎車(chē)盤(pán)、轉(zhuǎn)向器、輪轂、差速殼、軸頭、半軸、車(chē)橋等，泵類、閥類、液壓元件、太陽(yáng)能配件，等等。這類工件往往要求加工精度高、工效快。而以往加工這類零件的多孔部份，通常是先人工劃線或設(shè)計(jì)一個(gè)專用的鉆模，再在鉆床上鉆孔。這種加工方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且加工精度差，經(jīng)常出現(xiàn)孔距超差而造成工件報(bào)廢和返工。因此應(yīng)用高精度、自動(dòng)化程度高的數(shù)控鉆床已勢(shì)在必行.
為了節(jié)約投資資金、降低加工成本，擬對(duì)現(xiàn)有臺(tái)鉆進(jìn)行數(shù)控化改造。以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖1所示零件多孔部份的自動(dòng)鉆削加工為例。改造前，需要人工取放工件、鉆模進(jìn)行夾緊，1 個(gè)人只能操作 1 臺(tái)鉆床，不僅生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大而且不安全；改造后，只需人工取放工件，其他工序全部自動(dòng)完成，1人就可操作3~5臺(tái)鉆床，生產(chǎn)效率提高數(shù)倍，勞動(dòng)強(qiáng)度也大為降低，且產(chǎn)品加工精度高、參數(shù)一致性好。
圖1 零件圖
2.數(shù)控化改造方案
圖2 數(shù)控系統(tǒng)工作原理圖
以原鉆床為基礎(chǔ)，保持主要結(jié)構(gòu)基本不變，設(shè)計(jì)一套可控制主軸自動(dòng)進(jìn)給和工作臺(tái)自動(dòng)分度的系統(tǒng)，如圖2所示。具體方案如下：
1）保持原鉆床基本結(jié)構(gòu)不變。保留原鉆床主傳動(dòng)鏈、工作臺(tái)，在原工作臺(tái)上安裝一套由數(shù)控系統(tǒng)控制的自動(dòng)分度裝置。
2）將控制鉆床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的手柄拆去，在鉆床的主軸上加步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿副嚙合，從而實(shí)現(xiàn)了主軸向下進(jìn)給或向上退出，加工完成后，由數(shù)控系統(tǒng)控制返回起始點(diǎn)。
3）為方便鉆床步進(jìn)電機(jī)的互檢、降低售后維修保養(yǎng)成本，改造后的鉆床所選用的步進(jìn)電機(jī)盡量為同一型號(hào)。
4）數(shù)控系統(tǒng)的選用。考慮到經(jīng)濟(jì)性和操作的簡(jiǎn)易性，采用現(xiàn)成的廣數(shù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。
2.1 機(jī)械部份改造
1）主軸（Z軸）自動(dòng)進(jìn)給。
考慮到主傳動(dòng)系統(tǒng)不變，根據(jù)臺(tái)鉆主軸的進(jìn)給與主軸的轉(zhuǎn)速在鉆孔加工時(shí)并不需要嚴(yán)格匹配，而只需要根據(jù)所加工的孔徑的大小將主軸進(jìn)給速度控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)即可的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種主軸（Z 軸）自動(dòng)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)方案：第一種選用滾珠絲桿副；第二種是在主軸原來(lái)操作桿的位置上安裝蝸輪、聯(lián)軸器和步進(jìn)電機(jī)，再加裝一蝸桿，使其與蝸輪形成運(yùn)動(dòng)副。這兩種方案都可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可以起到減速作用。但是由于該臺(tái)式鉆床設(shè)備老舊，所以滾珠絲桿副雖然在傳運(yùn)精度和效率上比蝸輪蝸桿副要高，但是在安裝時(shí)其結(jié)構(gòu)比后者要復(fù)雜得多。故綜合考慮設(shè)備本身實(shí)際、所加工零件的要求和經(jīng)濟(jì)性，最終選擇第二種方案實(shí)現(xiàn)主軸（Z 軸）自動(dòng)進(jìn)給。
2）工作臺(tái)的自動(dòng)分度裝置。
在臺(tái)鉆原有的工作臺(tái)上安裝一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)根據(jù)產(chǎn)品大小而設(shè)計(jì)的夾緊裝置，以達(dá)到自動(dòng)分度的效果。
2.2 數(shù)控系統(tǒng)部份
采用現(xiàn)有市場(chǎng)常用的廣數(shù)系統(tǒng) 928TE，該系統(tǒng)性價(jià)比高。借鑒加工中心配一旋轉(zhuǎn)軸的原理，將主軸設(shè)為 Z 軸，將工作臺(tái)的自動(dòng)分度裝置設(shè)定為 X 軸。借助廣數(shù)系統(tǒng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)蝸輪蝸桿副傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉆床主軸的進(jìn)給；另一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元控制工作臺(tái)上步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)夾緊裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分度。
改造后，機(jī)床的手動(dòng)進(jìn)給變成了自動(dòng)進(jìn)給。鉆孔時(shí)，主軸的自動(dòng)進(jìn)給可通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)給定。可以根據(jù)需要加工零件孔的分布數(shù)量在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行編程，使鉆床可以加工出不同數(shù)量均布的孔系。
2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化成角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度（稱為步距角），步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和功能都比較簡(jiǎn)單，不易發(fā)生故障。
本次改造是根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距和最高工作頻率進(jìn)行電機(jī)的選擇。經(jīng)過(guò)計(jì)算確定傳動(dòng)系統(tǒng)采用110BYG3502 步進(jìn)電機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：步距角θb=0.6°；最大靜轉(zhuǎn)距Tm=12 N·m；相數(shù)為3；電壓為30~300 V；電流為3.4 A。
考慮到方便機(jī)床步進(jìn)電機(jī)的互檢且降低售后維修保養(yǎng)成本，工作臺(tái)自動(dòng)分度所選用的步進(jìn)電機(jī)也為同一型號(hào)。
3.臺(tái)式鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)
1）成本低、周期快。由于很多零配件市場(chǎng)上都有現(xiàn)成的貨源，因此同購(gòu)置新鉆床相比可節(jié)省70%左右的費(fèi)用，而且廠家可以自行完成改造。
2）便于掌握操作和維修。由于是自行改造，操作者對(duì)改造后的鉆床的加工能力及其它性能了如指掌，在操作使用和維修方面見(jiàn)效快。
3）機(jī)械性能穩(wěn)定性相對(duì)較差。由于受原鉆床機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制而不宜做突破性的改造，改造后的鉆床機(jī)械性能穩(wěn)定性相對(duì)較差。
4.結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)改造周期短、費(fèi)用低，改造后的鉆床操作、使用方便。機(jī)床增加了自動(dòng)進(jìn)給的功能，操作者可以運(yùn)用廣數(shù)系統(tǒng)對(duì)不同加工直徑、分布不同的孔系零件進(jìn)行編程加工。機(jī)床自動(dòng)化程度高，能靈活、迅速地適應(yīng)加工零件的變更，對(duì)工人的技術(shù)水平要求也不高，特別適宜中小型企業(yè)的鉆床改造。本數(shù)控化改造對(duì)于想節(jié)約資金又要擴(kuò)大機(jī)床的加工工藝范圍的企業(yè)而言，不失為一項(xiàng)可行的方案。
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