五工位鉆攻一體機(jī)的設(shè)計(jì)研究

王勇， 葛園園， 鄭昊

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009)

0 引言

圓孔和螺紋是機(jī)械零件中最為常見的特征狀態(tài)。圓孔和螺紋的尺寸精度、形位精度的高低，直接影響著零件的合格率以及各個零件之間的裝配關(guān)系[1]。

現(xiàn)有的多孔加工設(shè)備大致可分為兩類：一類為自動化生產(chǎn)線和數(shù)控加工中心，能夠高效地完成難度較高的各種孔加工，但首次投資成本大，維修復(fù)雜，維護(hù)成本高；另一類是各種可以進(jìn)行小批量、復(fù)雜零件加工的仿形加工機(jī)床，但機(jī)床尺寸大，零件更換復(fù)雜，手工操作誤差大，難以達(dá)到較高的加工精度，且生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長，在進(jìn)行單件或小批量的生產(chǎn)（批量在10～100件內(nèi)）時，相對于傳統(tǒng)機(jī)床，小型專用機(jī)床的配置效率更高，生產(chǎn)成本更低[2]。

針對以上問題，本文提出了單件小批量的孔加工專用小型鉆攻機(jī)床的設(shè)計(jì)方案，采用回轉(zhuǎn)式工作臺轉(zhuǎn)換工位，并設(shè)計(jì)了以PLC為核心的控制系統(tǒng)，簡化加工過程，減少人工操作時間，降低生產(chǎn)成本。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)方案

機(jī)床采用“可編程邏輯控制器+交流伺服系統(tǒng)+變頻調(diào)速系統(tǒng)+觸控屏”的控制方案。根據(jù)工藝要求、工件數(shù)量以及加工模式來配置機(jī)床，機(jī)床主要包括底座、工作臺、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、動力頭組件、防護(hù)、排屑機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)構(gòu)和觸控屏等結(jié)構(gòu)，采用交流伺服和PLC控制器，編程實(shí)現(xiàn)加工控制[3-4]。機(jī)床由伺服電動機(jī)提供動力，帶動回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動、滾珠絲杠的運(yùn)動以及動力頭主軸進(jìn)給運(yùn)動[5]，主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)預(yù)設(shè)，機(jī)床底座長1372 mm， 寬1135 mm；高440 mm；回轉(zhuǎn)工作臺高度315 mm；夾具高度100 mm；考慮到工件最低孔的位置、排屑、操作人員位置、收取工件，對機(jī)床進(jìn)行維護(hù)，對動力頭進(jìn)行更換的方便程度，以及其他實(shí)際的工作情況，最終確定裝料高度為400mm。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

為了方便工作人員對機(jī)床的刀具和機(jī)身進(jìn)行調(diào)整和清理，考慮到機(jī)床加工行程需要和床身大小等因素，并確保加工安全，確定Z軸的專機(jī)最大行程為375 mm。

2 機(jī)床主要功能部件

2.1 回轉(zhuǎn)工作臺

加工的零件特點(diǎn)是孔的大小深淺不一，總體尺寸小、多孔且多工步、規(guī)格種類多（螺紋孔、通孔、定位孔等）。為保證同一設(shè)備一次裝夾完成鉆、攻等工序，工件需多工位轉(zhuǎn)換。本機(jī)床工位的轉(zhuǎn)換由回轉(zhuǎn)工作臺完成[6]，回轉(zhuǎn)工作臺繞Z軸旋轉(zhuǎn)，通過交流伺服電動機(jī)帶動蝸輪蝸桿和齒輪機(jī)構(gòu)連接分度盤進(jìn)行回轉(zhuǎn)和分度運(yùn)動，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。為保證精度，其分度轉(zhuǎn)位由光柵尺反饋進(jìn)行控制。

考慮到多工位多工序的加工情況，加工工位布置如圖3所示，工作臺上均布5個工位，每個工位相隔72°，對應(yīng)的絲杠座上安裝有所需型號的鉆、鉸或攻絲動力頭，4個加工工位可以按照給定加工程序同時進(jìn)行加工。

機(jī)床工作過程為：上位機(jī)向機(jī)床發(fā)送操作指令，工作臺先松開夾緊裝置，啟動交流伺服電動機(jī)，按指令確定工作臺的回轉(zhuǎn)方向、速度及角度等參數(shù)，上料機(jī)構(gòu)上料，啟動夾具夾緊工件，夾緊動作通過電磁閥驅(qū)動氣缸實(shí)現(xiàn)。鉆孔動力頭進(jìn)行鉆孔和攻絲，動力頭的Z向運(yùn)動由電動機(jī)驅(qū)動絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，鉆頭的運(yùn)動（速度和轉(zhuǎn)向）由動力頭電動機(jī)驅(qū)動，光柵尺能夠精確控制刀頭的進(jìn)給量。該工序結(jié)束后，由PLC控制電動機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)到下個工位進(jìn)行下一個工序的加工[7]。

2.2 機(jī)床動力頭設(shè)計(jì)

動力頭是完成鉆孔和攻絲的重要部件，小型機(jī)床加工所需轉(zhuǎn)矩不是很大，故采用伺服電動機(jī)+滾珠絲杠+滾珠絲杠螺母+動力頭的運(yùn)動方案，用滾珠絲杠帶動動力頭做繞Z軸縱向主運(yùn)動。動力主軸用帶輪連接異步交流電動機(jī)，交流供電。動力頭切削轉(zhuǎn)矩是10.3 N·m，切削主軸直徑是25 mm，動力頭加工參數(shù)如表1所示。

圖2 回轉(zhuǎn)工作臺總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 機(jī)床工位示意圖

表1 機(jī)床加工參數(shù)表

機(jī)床的鉆孔直徑最大值為：鋼件12 mm，銅件12 mm，鑄鐵達(dá) 10 mm，鋁、銅件 16 mm；最大攻絲能力：M12；最大鉆孔深度100 mm，鋼件攻絲直徑達(dá)12 mm。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件

機(jī)床控制系統(tǒng)是以PLC為控制核心，編程實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量信號的邏輯控制和對機(jī)床的集成控制與管理，操作包括實(shí)現(xiàn)工作臺的旋轉(zhuǎn)，動力頭Z向鉆、攻，傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，冷卻降溫系統(tǒng)的開閉等。觸摸屏作為上位機(jī)可接收PLC指令，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的設(shè)置、加工模式的切換和系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)的監(jiān)控[8]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 機(jī)床控制系統(tǒng)基本組成圖

本系統(tǒng)選用臺達(dá)DVP32ES211T型PLC控制器，外擴(kuò)3個臺達(dá)DVP16XP211T型擴(kuò)展模塊，觸摸屏選用臺達(dá)DOPB07S411型7 in觸摸屏，并選用臺達(dá)ASDA-A2系列的交流伺服系統(tǒng)，伺服電動機(jī)型號為ECMA E△13-20型。機(jī)床鉆削和攻絲動力頭的交流電動機(jī)所需功率為0.62 kW，選用功率為1.5 kW變頻器，型號為VFD015E43A，攻絲動力頭變頻器型號為VFD022E43A，采取一拖二方式。

在機(jī)床的控制系統(tǒng)中，機(jī)床PLC控制系統(tǒng)的總輸入、輸出點(diǎn)各為40點(diǎn)，包括觸摸屏、伺服驅(qū)動器、變頻控制器等與PLC通過RS232-RS485混合式通訊接口進(jìn)行連接的，波特率為19 200 bps，通訊逾時時間為100 ms。通訊指令采用MODWR，聯(lián)機(jī)裝置地址為4（變頻器地址），寫入數(shù)據(jù)地址16H（頻率命令）。RS485通訊格式設(shè)置程序如圖5所示。

3.2 控制系統(tǒng)軟件及實(shí)現(xiàn)

圖5 RS485通訊格式設(shè)置程序圖

圖6 控制程序主體流程圖

選用臺達(dá)公司配套的WPLSoft編程軟件。針對加工過程分析，機(jī)床軟件主要包括：單工件多工位加工程序設(shè)計(jì)、多工件單工位加工程序設(shè)計(jì)、機(jī)床加工過程調(diào)整子程序設(shè)計(jì)、機(jī)床刀具與回轉(zhuǎn)工作臺回零子程序設(shè)計(jì)、機(jī)床刀具對準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)以及機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)等[9-10]，控制流程如圖6所示，機(jī)床加工過程由軟件編程控制：供料機(jī)構(gòu)或人工上料→夾具夾緊→鉆孔→鉸孔→攻絲→下料。鉆孔加工梯形圖如圖7所示。

圖7 鉆削加工控制程序梯形圖

系統(tǒng)開啟后，觸摸屏顯示監(jiān)控和操作界面，可通過按鈕選擇工作模式，實(shí)現(xiàn)加工的整個流程的全自動化生產(chǎn)，同時可通過觸摸屏軟件查看機(jī)床參數(shù)并進(jìn)行設(shè)置，包括各工位動力頭主軸轉(zhuǎn)速、工作臺電動機(jī)轉(zhuǎn)速、升降距離的設(shè)置以及動力主軸和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的電動機(jī)是否要進(jìn)行回轉(zhuǎn)選項(xiàng)，同時考慮到加工前的試車等。

4 結(jié)論

本文針對單件小批量零件的多孔加工問題，設(shè)計(jì)了一款小型五工位鉆攻一體機(jī)，即基于“可編程邏輯控制器+交流伺服系統(tǒng)+變頻調(diào)速系統(tǒng)+觸控屏”的機(jī)床結(jié)構(gòu)，根據(jù)孔加工過程的多工序多工位的要求，設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)式工作臺進(jìn)行多工位轉(zhuǎn)換，并設(shè)計(jì)了以PLC為核心的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床加工過程的自動化和簡單化。簡化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了小型機(jī)床上的多孔工件的自動化加工，節(jié)約了生產(chǎn)時間，降低了生產(chǎn)成本。