高效自動攻絲機的設計及控制研究

2014-12-18 08:04:16劉本學

制造業(yè)自動化 2014年21期

劉本學，申俊，董剛

（鄭州大學機械工程學院，鄭州 450001)

0 引言

建筑工程熱水管道的安裝所使用管道材料為瑪鋼材料，該材料的性能特點為：抗斷性能優(yōu)良、抗脫性能好、抗銹蝕能力強和抗滑性能強。并且相對于鋼材材料來說，瑪鋼材料價格低廉，因此在水暖工程上應用廣泛。水暖安裝在安裝時，管路的密封需要用到相應的堵頭，依據(jù)行業(yè)標準與實際的安裝情況：R1/2型堵頭應用最為廣泛（其為入戶水暖管道最后密封部件），市場需求量最大。生產(chǎn)此類堵頭的設備須滿足低廉快捷的要求，現(xiàn)有的堵頭攻絲設備，在使用過程中存在如下問題[1～3]：

1）生產(chǎn)效率低；現(xiàn)有的加工機械為單機操作，單臺機器一次僅能加工一個堵頭，生產(chǎn)效率低。

2）自動化水平低；在生產(chǎn)過程中，現(xiàn)有攻絲機需人工根據(jù)肉眼判斷攻絲深度，然觸動開關(guān)實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)工作，整個加工過程，人員勞動強度大，生產(chǎn)效率低。

3）電機損壞大，單件用電量高；由于堵頭在加工過程中，需要工人開動按鈕操縱電機的正反轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)攻絲和退絲的功能要求。電機的正轉(zhuǎn)向反轉(zhuǎn)快速轉(zhuǎn)換過程中，電流增大，發(fā)熱量增多，導致耗電增多，電機壽命降低。

基于現(xiàn)有堵頭攻絲機的諸多缺點，本文進行了一種新型高效自動攻絲機的設計。

1 新型自動攻絲機結(jié)構(gòu)特點

為了克服現(xiàn)有堵頭攻絲機的不足，新設計的自動攻絲機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，1為機架，2為動力總成系統(tǒng)（主要包括電動機與減速機），3為換向總成系統(tǒng)，4為刀具加工總成系統(tǒng)，5為電器控制系統(tǒng)與氣動執(zhí)行元件，6為毛坯輸送總成。

圖1 攻絲機機構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)的顯著特點為：1）采用機械、氣動和自動化組合，自動化程度高，加工精度高；2）采用新型結(jié)構(gòu)保證在加工和卸料過程中電機不正反轉(zhuǎn)交替，延長使用壽命并節(jié)約能源；3）采用傳感器及執(zhí)行元件降低工人勞動強度；4）一次可以生產(chǎn)多個堵頭（本方案為四個，數(shù)量可以根據(jù)現(xiàn)場布置添加），生產(chǎn)效率高。

自動攻絲機采用全自動模式進行生產(chǎn)，并通過相應的傳感器來滿足工藝精度、加工效率和工作可靠性要求，利用傳感開關(guān)等來控制自動攻絲機的加工與退刀過程[4]。全自動攻絲機生產(chǎn)過程如圖2所示。

圖2 攻絲機加工原理圖

工件在傳送帶的帶動下前行，走到位置傳感器5時，傳送帶停止，攻絲機刀具下行對工件進行加工，加工至設定深度（加工完成或其他）時，攻絲機刀具位置傳感器2感應到相應加工距離，并通過控制器控制攻絲機換向機構(gòu)進行換向。同時，在攻絲機的加工刀具離開工件之后，傳送帶開始運行，已加工工件被輸送走，為加工工件到達加工位置等待下一循環(huán)。這樣整個過程中操作人員只需要在工作臺左側(cè)將工件逐個安放于工作槽中即可。

2 不停機換向機構(gòu)的設計

自動攻絲機在加工完成后應具有相應的退刀過程，以此來保證工件的合理取出與自動加工的延續(xù)性。與現(xiàn)有攻絲機技術(shù)相比，本文所設計攻絲機在工件加工完成后的退刀，不需要電動機的反轉(zhuǎn)，通過中間換向機構(gòu)即可實現(xiàn)退刀，其優(yōu)點在于可以避免電動機的頻繁啟停，提高了電機的使用壽命，并降低能耗。圖3所示為所設計的相應的不停機換向機構(gòu)圖。

圖3 換向機構(gòu)圖

自動換向的實現(xiàn)主要通過：正轉(zhuǎn)時，花鍵套與上部軸連接，反轉(zhuǎn)時，花鍵套與下部機構(gòu)連接，正反轉(zhuǎn)的輸出裝置裝有中間惰輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)動方向的改變。如圖3所示，在軸系的空間布局中，通過合理的軸系布局使動力輸出軸2、惰輪軸14、中間軸9上面的齒輪：動力輸出軸齒輪15、中間惰輪12、中間齒輪11嚙合，同時保證動力輸入軸齒輪7與中間齒輪10嚙合。

具體的工作過程為：

動力輸入由聯(lián)軸器輸送至換向機構(gòu)輸入軸8，輸入軸帶動輸入軸齒輪7運轉(zhuǎn)。通過嚙合傳遞帶動中間齒輪10、中間軸9、中間齒輪11運轉(zhuǎn)，之后，中間齒輪11帶動惰輪12運轉(zhuǎn)，嚙合傳遞帶動輸出齒輪15，輸出齒輪15固定安裝于換向外花鍵。在氣缸活塞位于行程下端時，撥叉桿帶動撥叉與連接構(gòu)件6，是輸入軸與輸出軸通過外花鍵與花鍵套直接連接，此時動力由輸入軸8直接傳遞到輸出軸2，從而帶動帶輪1運轉(zhuǎn)，使動力輸送至進給系統(tǒng)。此過程中，輸出齒輪15與換向外花鍵在軸承上面空轉(zhuǎn)，不傳遞動力。當氣缸位于行程上端時，撥叉桿帶動撥叉與連接構(gòu)件6上行，輸入軸與輸出軸不再直接相連，此時，輸出軸2與換向外花鍵16相連，此時由于輸入軸輸入的動力帶動相應的齒輪與軸系運轉(zhuǎn)，齒輪15固定連接在換向外花鍵16上面。動力的傳遞路徑為：輸入軸→中間軸→惰輪→輸出軸。傳遞過程中經(jīng)過三次齒輪外嚙合傳遞，此時，輸出軸帶動帶輪的轉(zhuǎn)向與氣缸活塞位于下止點時帶輪轉(zhuǎn)向相反。這樣通過控制氣缸的活塞位置就可以調(diào)節(jié)相應的動力輸出方向，以此來達到控制自動攻絲機的加工與退刀過程。

3 自動攻絲機的基本控制設計

3.1 毛坯工件在傳送帶上面的控制

工件在傳送帶上面運行過程中，通過位置傳感器來感觸毛坯工件位置，在毛坯運行至攻絲機加工刀具正下方時，相應的位置傳感器發(fā)出信號，通過控制單元令輸送機停止運行，以保證工件加工的精確度，在加工完成后，控制單元指令輸送機繼續(xù)運行，以此保證后續(xù)工件的加工[5]。

3.2 自動攻絲機動力部分及工件加工的控制

攻絲機的動力部分由電動機與氣動元件提供，其中，電動機為刀具的進給與退刀過程提供動力，完成相應的加工流程，氣動元件為工件加工時毛坯的定位提供相應的動力。

攻絲機床工作循環(huán)：工件在傳送帶上位置確定以后，氣動元件帶動挺桿，頂住毛坯工件以保證在加工過程中毛坯不可移動。此時，機床控制中心發(fā)出刀具下行信號，攻絲機刀具下行并完成相應的加工過程，到達攻進終點后，控制中心啟動換向機構(gòu)完成換向，使刀具反轉(zhuǎn)，攻絲機回到原位，自此過程中氣動部分收回挺桿，完成一個工作循環(huán)。攻絲機操作循環(huán)示意圖如圖4所示。

圖4 攻絲機操作循環(huán)

自動攻絲機自動控制的設計與實現(xiàn)：根據(jù)設計要求，在控制器的作用下實現(xiàn)各工作裝置的動作[6,7]。基于加工零部件的精密要求程度，在攻絲過程中不涉及到反饋信號，各工作裝置的動作依靠位置傳感器來進行相應的控制。

通過應用PLC來控制電動機的啟動等一系列操作，來實現(xiàn)在攻絲過程中加工循環(huán)的連續(xù)性。當前，PLC作為一種工業(yè)控制計算機來完成相應控制，具有系統(tǒng)構(gòu)成簡單，工程造價低，編程方便等優(yōu)點，易于推廣應用[8]。右圖5是基于PLC所做的控制流程圖，以此來實現(xiàn)攻絲機的攻絲操作。

在毛坯工件有輸送帶輸送至準確位置并靜止后，控制中心發(fā)出相應指令，以此令氣動系統(tǒng)執(zhí)行進給系統(tǒng)總成中氣缸活塞下行，帶動挺桿運動，以此來使毛坯工件固定于工作臺面上，保證在加工過程中，毛坯工件不隨刀具移動。與此同時，控制單元控制換向機構(gòu)氣缸活塞下行，使得換向機構(gòu)輸出動力傳遞至刀具進給系統(tǒng)中，令刀具下行，對工件進行相應的攻絲加工。工件的加工深度由刀具位置傳感器來控制，在工件加工至合適深度后，傳感器接感應刀具位置，發(fā)出信號至控制單元，控制單元控制換向機構(gòu)氣缸活塞上行，以此來完成退刀過程，在刀具上行過程中挺桿收回。挺桿收回后，控制單元控制輸送機運行，傳遞下一工件至合適位置再進行相應的上述循環(huán)。

為了保證自動攻絲機的加工效率，具體的工作流程時間安排為（以加工R1/2型堵頭為例）如表1所示（整體加工節(jié)拍為7s）。