基于工作臺自動分度的鉆床數(shù)控化改造
2018-4-9 來源： 華僑大學 福建省湄洲灣職業(yè)技術(shù)學校 作者：陳威 蔡明雄 郭渭萍
摘 要：針對目前機械加工、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題，以臺式鉆床為例，重點介紹工作臺的自動分度和鉆床數(shù)控化改造的方案和工作原理：將傳統(tǒng)的機械與現(xiàn)有的數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使鉆床具有工作臺自動分度、主軸自動進給功能。改造后的鉆床經(jīng)濟適用、簡單易行，可降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率，已成功運用到實際生產(chǎn)中。
關(guān)鍵詞：數(shù)控改造；鉆床；自動進給；自動分度
數(shù)控機床具有操作簡單、自動化作業(yè)、加工工件質(zhì)量穩(wěn)定等特點，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。
在我國機械加工、制造業(yè)和維修行業(yè)中，很多小型企業(yè)、家庭作坊和個體經(jīng)營戶所用的老、舊機床在設(shè)備中還占相當大的比例，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買新的數(shù)控機床不太現(xiàn)實。對現(xiàn)有的普通機床進行數(shù)控改造，無疑是一種投資少、見效快，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。
本文以臺式鉆床鉆削多孔零件為例，具體闡述臺式鉆床工作臺自動分度的實現(xiàn)和鉆床數(shù)控化改造的方法。
1 、問題的提出
隨著國內(nèi)汽車配件行業(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、摩托車多孔零部件：發(fā)動機箱體、鋁鑄件殼體、制動鼓、剎車盤、轉(zhuǎn)向器、輪轂、差速殼、軸頭、半軸、車橋等，泵類、閥類、液壓元件、太陽能配件，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)計一個專用的鉆模，再在鉆床上鉆孔。這種加工方法不僅勞動強度大、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廢和返工。因此應(yīng)用高精度、自動化程度高的數(shù)控鉆床已勢在必行。為了節(jié)約投資資金、降低加工成本，擬對現(xiàn)有臺鉆進行數(shù)控化改造。以實現(xiàn)對圖1所示零件多孔部份的自動鉆削加工為例。改造前，需要人工取放工件、鉆模進行夾緊，1 個人只能操作 1 臺鉆床，不僅生產(chǎn)效率低、勞動強度大而且不安全；改造后，只需人工取放工件，其他工序全部自動完成，1人就可操作3~5臺鉆床，生產(chǎn)效率提高數(shù)倍，勞動強度也大為降低，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)計一套可控制主軸自動進給和工作臺自動分度的系統(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。保留原鉆床主傳動鏈、工作臺，在原工作臺上安裝一套由數(shù)控系統(tǒng)控制的自動分度裝置。
2）將控制鉆床進給運動的手柄拆去，在鉆床的主軸上加步進電機，步進電機通過蝸輪蝸桿副嚙合，從而實現(xiàn)了主軸向下進給或向上退出，加工完成后，由數(shù)控系統(tǒng)控制返回起始點。
3）為方便鉆床步進電機的互檢、降低售后維修保養(yǎng)成本，改造后的鉆床所選用的步進電機盡量為同一型號。
4）數(shù)控系統(tǒng)的選用。考慮到經(jīng)濟性和操作的簡易性，采用現(xiàn)成的廣數(shù)系統(tǒng)來實現(xiàn)點位控制。
2.1 機械部份改造
1）主軸（Z軸）自動進給。
考慮到主傳動系統(tǒng)不變，根據(jù)臺鉆主軸的進給與主軸的轉(zhuǎn)速在鉆孔加工時并不需要嚴格匹配，而只需要根據(jù)所加工的孔徑的大小將主軸進給速度控制在一個合適的范圍內(nèi)即可的特點，設(shè)計了兩種主軸（Z 軸）自動進給實現(xiàn)方案：第一種選用滾珠絲桿副；第二種是在主軸原來操作桿的位置上安裝蝸輪、聯(lián)軸器和步進電機，再加裝一蝸桿，使其與蝸輪形成運動副。這兩種方案都可以把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，也可以起到減速作用。但是由于該臺式鉆床設(shè)備老舊，所以滾珠絲桿副雖然在傳運精度和效率上比蝸輪蝸桿副要高，但是在安裝時其結(jié)構(gòu)比后者要復(fù)雜得多。故綜合考慮設(shè)備本身實際、所加工零件的要求和經(jīng)濟性，最終選擇第二種方案實現(xiàn)主軸（Z 軸）自動進給。
2）工作臺的自動分度裝置。
在臺鉆原有的工作臺上安裝一臺步進電機，步進電機旋轉(zhuǎn)帶動根據(jù)產(chǎn)品大小而設(shè)計的夾緊裝置，以達到自動分度的效果。
2.2 數(shù)控系統(tǒng)部份
采用現(xiàn)有市場常用的廣數(shù)系統(tǒng) 928TE，該系統(tǒng)性價比高。借鑒加工中心配一旋轉(zhuǎn)軸的原理，將主軸設(shè)為 Z 軸，將工作臺的自動分度裝置設(shè)定為 X 軸。借助廣數(shù)系統(tǒng)的兩個驅(qū)動器，其中一個驅(qū)動單元控制步進電機的轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪蝸桿副傳動實現(xiàn)鉆床主軸的進給；另一個驅(qū)動單元控制工作臺上步進電機的轉(zhuǎn)動，從而帶動夾緊裝置實現(xiàn)自動分度。
改造后，機床的手動進給變成了自動進給。鉆孔時，主軸的自動進給可通過數(shù)控系統(tǒng)來給定。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 步進電機的選擇
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化成角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個固定的角度（稱為步距角），步進電機的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機旋轉(zhuǎn)的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機結(jié)構(gòu)和功能都比較簡單，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行電機的選擇。經(jīng)過計算確定傳動系統(tǒng)采用110BYG3502 步進電機，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。考慮到方便機床步進電機的互檢且降低售后維修保養(yǎng)成本，工作臺自動分度所選用的步進電機也為同一型號。
3 、臺式鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點
1）成本低、周期快。由于很多零配件市場上都有現(xiàn)成的貨源，因此同購置新鉆床相比可節(jié)省70%左右的費用，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效快。
3）機械性能穩(wěn)定性相對較差。由于受原鉆床機械結(jié)構(gòu)的限制而不宜做突破性的改造，改造后的鉆床機械性能穩(wěn)定性相對較差。
4 、結(jié)語
本設(shè)計改造周期短、費用低，改造后的鉆床操作、使用方便。機床增加了自動進給的功能，操作者可以運用廣數(shù)系統(tǒng)對不同加工直徑、分布不同的孔系零件進行編程加工。機床自動化程度高，能靈活、迅速地適應(yīng)加工零件的變更，對工人的技術(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)控化改造對于想節(jié)約資金又要擴大機床的加工工藝范圍的企業(yè)而言，不失為一項可行的方案。
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