適用于錐面加工的數控鉆床的研制

陳建武

（湄洲灣職業技術學院 ,福建 莆田 351254）

適用于錐面加工的數控鉆床的研制

陳建武

（湄洲灣職業技術學院 ,福建 莆田 351254）

該文簡述了如何選用數控系統和步進電機，實現了鉆床的Z軸的自動進給和工作臺的自動分度，從而實現了錐面上的鉆孔的自動加工，提高了生產效率。

錐面加工；數控；鉆床；研制

1 引言

隨著人們生活水平的提高，對生活用品的要求越來越高，不僅體現在質量上，對形狀也有很高的要求，于是復雜的形狀加工對制造設備的要求也越來越高。如1圖所示，以往加工錐形面一般是采用人工劃線，然后再在鉆床上鉆孔，或者設計專用的工作臺，通過手工進行分度旋轉加工。這兩種方法一方面勞動強度大，效率低，每件加工需要幾個工時；另一方面加工精度也差，經常出現在錐面上打滑，無法鉆進，鉆孔定位困難，造成工件報廢和返工。因此應用高精度，高自動化的數控機床加工是最好的解決辦法。但是專用的大型數控機床或加工中心往往價格動輒要幾十萬，對于中小企業來說，是一筆沉重的負擔。[1]如在工廠現有的普通鉆床（如Z4116型）的基礎上進行數控化改造，是一條成本低、見效快的方案。

圖1 碟形片

2 鉆床數控改造的基本方案

傳統的鉆床加工工藝是：先將工件固定在定制工作臺上，然后沿極坐標轉動到工件加工方向，再控制鉆頭到工件位置進行加工，每加工完一個孔需手工旋轉工件一次，工人的操作難度較大，勞動強度大。為實現自動定位，使工人從復雜的工作中解脫出來，我們采用數控系統進行控制兩臺步進電機，一臺控制主軸，實現Z軸方向自動進給；另一臺控制A軸，通過蝸輪蝸桿驅動工作臺，使其繞著A軸旋轉。從而實現工件的自動旋轉和自動進給，大大地提高了加工效率。

功能框圖：

圖2 功能框圖

2.1 數控系統的選擇

數控系統是數控機床的“大腦”，是實現自動化控制的重要組成部分。機床生產廠家和最終用戶主要關注的問題是配置什么樣的數控系統和通過選擇哪些數控功能才能滿足機床性能。目前，可供選擇的數控系統很多，性能好壞差別很大，直接影響到價格的高低。國外引進的系統主要有日本的FANUC系統、MITSUBISHI系統、德國的SINUMERIK系統、法系統國的NUM系統、意大利的FIDIA系統、西班牙的FAGOR系統、美國的A-B系統等；國產系統主要有廣州系統、航天系統、華中系統、遼寧藍天系統、南京大方系統、北方凱奇系統、清華系統、KND系統等，每家公司都有不同檔次系統各種規格的產品。[2]

如何選用數控系統？主要應從以下三個方面考慮：性價比高，使用維修方便，系統的市場壽命長。過分追求水平高、新的系統會造成成本和功能的極大浪費。因此，應該從滿足主機性能為主考慮問題，對系統性能和價格等方面做一個綜合分析，從而選用性能滿足的、性價比最高的數控系統。同時，盡量不選傳統的封閉體系結構的數控系統或PC嵌入NC結構的數控系統，因為這類系統的功能擴展、改變和維修都必須借助于系統供應商。盡可能選用NC嵌入PC結構或SOFT結構的開放式數控系統，這類系統的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分采用計算機與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用接口，那么就可以像計算機上安裝各種品牌的聲卡、顯卡和對應的驅動程序一樣，用戶可以在WINDOWSNT平臺上，利用開放的CNC內核，開發所需的功能，構成各種類型的數控系統[2]。數控系統還要考慮工人上手的難易程度。

綜上原因，本鉆床選用了廣州數控的GSK928TD系統，能實現兩軸控制，最小指令單位：0.001mm，能實現的插補方式：X、Z二軸直線、園弧插補，功能雖然沒有華中數控的多，但是它比較容易上手，而且系統經用戶使用，大家一致認為廣數的系統比較穩定，而且價格適中。

2.2 傳動元件的選擇

為了實現Z軸的自動進給和工作臺的自動分度，在保證精密的傳遞運動，兼顧傳遞動力。因此，我們采用了電機經同步帶直接驅動齒輪來傳遞運動。

2.3 電機及驅動器的選擇

隨著數字控制的發展，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。

步進電機是開環控制，通過控制脈沖個數來控制角位移量，控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到準確定位和高速的目的。伺服電機自帶的編碼器能反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度，所以是閉環控制。[3]

步進電機和伺服電機的選擇應根據應用情況來確定。一般來說，如果需要較高的生產能力，比如在機器主軸中，則應選擇伺服電機。反之，如果性能和速度要求一般，在副軸中（如機器調整和設置）則步進電機是理想的選擇，因為它們更易于設計到控制系統中而且操作費用低。在大多數情況下，步進電機由于不需要微調或反饋電路，所以它的結構和功能較簡單，故不易發生故障。考慮本鉆床的精度要求為0.01mm，精度要求不是很高，不需要成本較高、精度較高的伺服電機，故采用步進電機實現Z軸的自動進給和工作臺的自動分度功能。經設計計算（本文略）確定采用國產的110BYG3502混合步進電機驅動，其技術參數如下：所匹配的驅動器型號為MR—J2—350A，額定輸出功率為1.5kw，額定輸出轉矩為12N·m，，最大轉速為2500r/min。系統具有自適應控制，使響應性，高穩定性的實現成為可能。

步進電機主要參數：

指標 參數值步距角 0.6°/STEP電壓 80-350V電流 3.6A/PHASE相電感 30mH/PHASE額定轉距 12N·m

3 結語

通過設計和改造，在普通鉆床上加上數控系統和相應的驅動裝置組裝成數控鉆床后，能實現自動化生產、提高產品的生產效率，減輕了工人的勞動強度。每臺機床裝配自動分度的夾具，實現自動鉆孔，工人僅需裝夾工件就可以了，可同時操作2—3臺同類型機床，生產效率可提高至原來的3—5倍，單件生產人工成本降為原來的30％。而且，普通鉆床的數控化改造整體生產成本在15000元以內，一般機械加工廠都可以自己制造或改造，一年內可以收回成本。由于Z軸是同步帶傳動具有大切削力輸出能力，整個機床兼有簡單的數控銑床的功能。市場前景較好，便于大規模推廣。

[1]楊旭東.經濟型數控鉆的改進設計[J].韶關學院學報,2013（08）.

[2]羅百輝.數控機床的選型風險控制[Z].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_472201c601000cvh.html,2013.

[3]胡幸鳴.電機及拖動基[M].北京：機械工業出版社：168-179.

項目資助：莆田市科技計劃項目（2013G15）