自動鉆床執行機構與液壓系統設計

賀聞鵬，郭士林

（哈爾濱理工大學機械與動力工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

就鉆床而言，非自動化的機床工作速度慢，達不到加工精度要求，導致在加工孔時相較于自動化鉆床工作效率低。另外，加工精度若達不到要求，導致次品率提高，將直接影響工人效率。因此，研究自動化系統是當前臺式鉆床發展的主要任務。國內外眾多專家、學者對鉆床進行了研究，并取得了顯著成果。筆者在前人研究的基礎上，針對傳統臺式鉆床進行改進設計，為研究鉆床自動化奠定了基礎。

1 執行機構改造方案

文章提出了液壓系統的改造方案，通過液壓缸的進給運動代替人的手工操作。根據設計思路，要先考慮鉆頭切削運動和進給液壓缸的運動規律[1]。鉆頭的運動屬于旋轉切削運動和被直線的進給運動，故液壓缸的進給運動為直線運動。鉆頭的運動屬于旋轉切削運動和被直線的進給運動，故液壓缸的進給運動為直線運動。主運動是由電動機經皮帶輪傳給主軸，再由軸承支承在活塞桿內做旋轉運動，活塞和活塞桿完成進給運動如圖1 所示。

圖1 進給運動圖

2 控制系統的設計

自動鉆床進給系統的控制是通過PLC 對主軸電機、液壓系統電磁閥、液壓泵電機以及行程開關的控制實現的[2]。其中，關于自動鉆床液壓系統回路的連接應根據鉆床所要完成的具體動作來設計[3]?？刂瓶驁D如圖2 所示。

圖2 鉆床的控制框圖

3 液壓系統的設計

3.1 速度分析

確定滑臺液壓缸快進快退速度相等，V1=V3=0.1m/s，缸的工進速度V2=n1S1=360×0.15÷60mm/s=0.90mm/s。

可以計算出各工況的動作時間：t1=L1÷V1=1s；t2=L2÷V2=55.5s；快退t3=(L1+L2)÷V3=1.5s。

3.2 負載分析

液壓缸的受力為鉆削阻力。查閱書籍可知公式如下：

式中：Fe為鉆削阻力；D為鉆孔孔徑；S為進給量；HB為鑄件硬度。

計算出摩擦力、慣性力以及其他力，通過查閱書籍得到的公式來計算。

3.3 液壓缸參數計算

在工作時要保持液壓缸快進快退所需用時一致，還必須保證液壓泵的流量，把液壓缸面積小的腔認為工作腔[4-5]。在加速前進時采用差動連接，液壓缸直徑R要和活塞桿直徑y存在一定關系；查閱資料可知R=1.414y。

在正常工進時，機床可能因為慣性發生前沖，為了不發生這一現象，可設計維持一個回油背壓，取值為0.6MPa，取鉆床效率為0.9，查閱資料可得以下公式[4]：

查閱相關資料，將得出的值設為標準直徑，取R=90mm。因R=1.414y，所以根據計算可以算出y的值：

按《液壓氣動系統及元件 缸內徑及活塞桿外徑（GB/T 2348—1993）》，y為標準值，故y=63mm。根據公式可以算出各個腔的面積。

無桿腔的有效面積：

有桿腔的有效面積：

該設計的回油背壓的取值要參考標準數值，查閱資料可知在0.4MPa ～0.9MPa 選?。壕徛斑M時背壓力為0.8MPa，加速前進時背壓為0.5MPa。

3.4 液壓系統原理圖

設計的液壓系統中的回路包括改變液壓系統的執行速度的調速回路，讓系統加速的快速運動回路，讓系統速度加速或減速的速度換接回路[6-9]。液壓原理圖如圖3 所示。

圖3 液壓原理圖

4 液壓元件的選擇

4.1 電動機的選擇

由參考資料可知，當系統處于加速后退時消耗的功率最大。取標準值時，應取最大值，即在加速后退時。同時，也應存在一定的損失，液壓泵的總效率，則電動機的功率如下：

通過所算數據與相關系數比對，設計選擇一臺異步電動機，功率為0.75kW，轉速為960r/min。

4.2 油箱容積計算

油箱在液壓系統中十分重要。在設計油箱容積時，要做到在提供油時不能回油，回油時不能供油，二者不能互相干擾，還不能將過濾器裸露于空氣中。當有大量油回來時，不可以大于油箱總容量，并且不能因為散熱而損壞元件。

在該設計中，為了達到以上要求，就把容量定為泵的6 倍。查看標準值，選擇容量為100L。

5 自動鉆床的控制方法

5.1 控制要求

專機控制可能會出現以下情況：

1）該設計為了防止元件被破壞，設計了卸荷電磁鐵。當未開始工作時，就可以有一條回油路，防止元件遭到破壞。

2）倘若在加工過程中出現了問題，馬上按下按鈕即可使主軸停止進給。

5.2 鉆床的控制流程

該液壓系統所要完成的任務是孔加工，液壓系統的設計所要實現的是機床主軸的快速前進→工作進給→快速退回→原位停止的加工過程。

主軸啟動控制：主軸電動機和液壓泵電動機的啟動控制可分別通過主軸電動機和液壓泵電動機電路上的交流接觸器控制。為了PLC 在寫入控制程序后便于操作人員監控，主軸電動機和液壓泵電動機電路上的交流接觸器閉合。主軸電動機和液壓泵電動機啟動，5s 定時由定時器完成。

主軸快速前進：當工件檢測器檢測到工件后，工件檢測開關SB1 閉合。進行工件的夾緊計時，定時器完成后，三位五通電磁換向閥電磁鐵1CT 和二位二通電磁換向閥4CT 得電，液壓控制系統接入快進油路主軸快速進給。

主軸工作進給：主軸快進行程完成后，快進行程開關SQ0 閉合，二位四通電磁換向閥電磁鐵3CT、二位二通電磁換向閥電磁鐵4CT 得電，液壓控制系統接入工進油路主軸工進[5-6]。

主軸快速退回：計時器完成，計時后三位五通電磁換向閥電磁鐵2CT 和二位二通電磁換向閥4CT 得電，二位四通電磁換向閥電磁鐵3CT 失電復位，液壓控制系統接入快退油路主軸快退。

主軸原位停止：主軸快退至行程開關SQ2 處時，行程開關SQ2 閉合，三位五通電磁換向閥電磁鐵2CT 和二位二通電磁換向閥電磁鐵4CT 失電復位，主軸停止快退[7-9]。

6 結束語

文章所設計的自動鉆床具有很多優點：步驟簡單，體積小，可以明顯提高效率，而且占地面積小，靈活度高，自動化程度高，具有較高的加工精度的特點。長遠來看，液壓元件將成為產業的主要發展趨勢，隨著科學技術的發展，可憑借污染小、輸出高的優點進一步占領國內外的市場。