基于單片機控制的普通鉆床自動換刀系統的設計與應用

李桂玲 曹月真 張 雨 于志宏 彭軍強

（衡水職業技術學院,河北 衡水 053000）

鉆削作為基礎機械加工方法,在機加工中占據重要地位。普通鉆床不同于數控機床,沒有刀庫不能實現自動換刀,現有鉆削加工過程中多采用手工更換刀具,效率低,人為因素會影響加工精度,產品質量不穩定。隨著制造業的轉型升級,很多中小型企業沒有足夠資金更換自動化加工設備,普通加工設備仍會是機械加工行業的必要設備,隨著人工成本的提高,企業迫切需求對現有普通機械加工設備進行升級改造,提高加工效率,降低人工成本。本文以Z5150B 立式鉆床為研究對象,闡述了自動換刀系統的動作原理,設計制作了機械結構和單片機控制程序。

1 總體設計方案

自動換刀系統由機械結構和控制系統兩大部分組成,機械結構采用步進電機帶動絲杠實現刀具的運送,雙桿氣缸和手指氣缸取送和夾持刀具,鉆夾頭的鎖緊與松開采用錐齒輪鎖緊鑰匙。

方鋼焊接成可調節機架以適應不同鉆夾頭的高度。通過單片機控制氣缸電磁開關和步進電機的轉動時間實現自動換刀的功能,如圖1。

圖1 自動換刀系統總體設計方案

2 機械結構設計

自動換刀系統的機械結構主要有機架、零件放置臺、水平絲杠組件、氣缸組件、錐齒輪組件、刀具架組成,如圖2 所示,其中鉆夾頭和工件夾具為鉆床上的固定部件。水平絲杠組件和氣缸組件將刀具從刀具架取出運送到鉆夾頭處,錐齒輪組件帶動鉆夾頭轉動夾緊刀具。

圖2 自動換刀系統機械結構組成

2.1 機架

機架采用40 方鋼焊接組裝,機架上方設計有零件放置臺,放置待加工零件,下方設計有可調節底板,調節底板上的圓鋼設計有不同位置的螺紋孔,用螺釘與機架連接,根據機床的高度調整自動換刀裝置的高度。

2.2 刀具運送機構

刀具運送機構通過安裝底板1 固定的機架上,由水平絲杠機構和氣缸組件兩部分組成,如圖3 所示。氣缸組件通過連接板4 與滑塊2 連接,絲杠3 轉動帶動滑塊2 水平移動,從而將刀具從刀架處運送到鉆夾頭處。絲杠3 由第一步進電機6 驅動,兩端有軸承支座5 支承,絲杠與絲杠螺母配合,將轉動轉換為水平位移,絲杠螺母上方安裝有連接板4,將絲杠螺母、直線滑軌雙滑塊和氣缸組件連接起來,從而帶動氣缸組件水平移動。刀具的兩個水平位置是刀具位和鉆夾頭處,兩點之間刀具的中心位置必須是精準的,采用控制第一步進電機的精準位移來實現。

圖3 刀具運送機構

氣缸組件由兩個雙桿氣缸和一個手指氣缸組成,雙桿氣缸行程為20mm,手指氣缸行程為10mm,采用鋼板固定連接,手指氣缸上安裝有刀具輔助夾臂,相互靠近的一側均開設有齒槽,便于夾緊圓柱形的刀柄。將1 號到位設定為初始位置,從刀架到鉆夾頭的動作過程見表1。

表1 自動取刀動作過程

2.3 刀具裝夾機構

刀具裝夾機構是將刀具夾緊在鉆夾頭中,保證刀具與鉆夾頭的同軸度精度和足夠的夾緊力。由雙桿氣缸、步進電機和錐齒輪鑰匙等組成,如圖4 所示。Z5150B 立式鉆床的鉆夾頭14 表面為錐齒輪,鉆夾頭外圓均布三個圓孔,初始為松開狀態,待1 號刀具15 進入鉆夾頭14后,雙桿氣缸11 動作伸出20mm,推動電機安裝板、第二步進電機12 和錐齒輪13 向前移動20mm,錐齒輪前端設計有圓柱形的定位柱,插入鉆夾頭外圓上孔內,起到定位的作用,此時兩齒輪正好嚙合。接下來啟動第二步進電機12,根據鉆夾頭從松開狀態到夾緊1 號刀具需要轉動的位移,依據傳動比確定錐齒輪的轉動圈數,從而設定第二步進電機的轉數。

圖4 刀具裝夾機構

電機停止轉動,鉆夾頭夾緊1 號刀具,雙桿氣缸11動作縮回20mm,手指氣缸7 向外松開1 號刀具,水平氣缸8 向后縮回20mm,豎直氣缸9 向下縮回20mm,第一電機帶動絲杠反向轉動,連接板水平移動至初始位置。

2.4 刀具架

該刀具架設計了4 個位置,放置4 把常用的刀具,直徑為4mm、6mm、8mm、10mm,根據鉆夾頭和運送刀具的氣缸組件的高度,手指氣缸加持的刀柄位置是一致的,就要求4 把刀具的頂端需要平齊,根據刀柄長度不同,刀架設計為臺階形狀以保證刀具頂面平齊。每個臺階上加工有與刀具配合的圓柱孔,深度為20mm,依據豎直氣缸9 的行程20mm 來確定的孔深,保證刀具從孔內取出。刀具架下方設計為L 板,通過其上的安裝孔將刀具架安裝在機架上,如圖5。

圖5 刀具架結構

2.5 更換刀具

以Z5150B 立式鉆床拆卸1 號刀具為例,按下1 號位拆卸按鈕,自動卸刀動作過程見表2。

表2 自動卸刀動作過程

更換2 號刀時,按下2 號位裝刀按鈕,第一步進電機6 先帶動絲杠將氣缸組件移動到2 號刀位,再執行表1中序號3 之后的動作。卸刀過程同表2 中所述。

3 控制系統設計

控制系統的執行元件有第一、二步進電機、3 個行程為20mm 的雙桿氣缸和一個行程為10mm 的手指氣缸。步進電機型號為42 步進電機,采用電機驅動器與51 單片機控制器連接,設計有氣泵為氣缸提供氣源,通過電磁閥與51 單片機控制器連接。

3.1 步進電機的控制

第一步進電機的作用是驅動絲杠水平位移,使刀具從刀具位到裝夾頭,此處對刀具的位置要求精度較高。經多次試驗,采用控制電機的圈數來確定位移是有誤差的,會導致刀具與刀具架上的刀孔和裝夾頭上安裝孔有偏差,裝夾失敗。根據刀具位到裝夾頭的水平位移是固定不變的,通過水平位移距離和電機轉速,計算出所需時間。51 單片機控制器執行程序非?？?可實現微秒級的時間控制,從而通過精準的時間控制實現精準的位移控制,確保了刀具的精準裝卸。經多次反復試驗,4 個位置的刀具均能準確的完成裝卸。

第二步進電機的作用是驅動錐齒輪轉動,錐齒輪與鉆夾頭嚙合帶動鉆夾頭轉動,實現刀具的夾緊和松開。根據刀具直徑不同,安裝不同刀具時,鉆夾頭的旋轉圈數也不一樣,那么錐齒輪的圈數也會根據刀具不同轉數不同,通過計算嚙合的齒數,確定51 單片機控制第二步進電機的轉數,在程序中設定不同刀具對應的電機轉數。

3.2 氣缸電磁閥的控制

刀具運送機構由兩個雙桿氣缸和一個手指氣缸組成,雙桿氣缸的行程為20mm,實現刀具的豎直和水平的動作,手指氣缸上安裝由輔助夾臂,通過手指氣缸的開合夾持刀具。51 單片機控制氣缸電磁閥的通斷電,從而控制氣缸的充氣與放氣,實現氣缸的動作。

4 制作與應用

4.1 實物加工與組裝

基于Z5150B 立式鉆床的自動換刀系統在制作過程中,根據結構設計圖紙,零部件分為外購件和加工件。外購件有42 步進電機、電機驅動器、聯軸器、雙桿氣缸、手指氣缸、氣缸電磁閥、絲杠組件（含絲杠、絲杠螺母、軸承支座）、直線滑軌、錐齒輪、單片機控制器等。各零件的安裝采用厚度10mm 的鋁板,根據設計尺寸切割打孔,機架采用40 方鋼焊接而成。在制作過程中,安裝板上定位孔的位置要精準無誤,才能保證整個設備的精度。實物如圖6 所示。

圖6 自動換刀系統實物圖

4.2 調試與應用

在調試過程中,采用51 單片機實驗箱進行的,Keil軟件編寫控制程序,如圖7 所示。每個刀具設計有裝刀和卸刀兩個按鈕,通過按鈕操作,實現指定刀具裝夾。

圖7 單片機控制器

本自動換刀裝置結構簡單、操作便捷、成本低,可以便于刀具的集中存放和自動更換,提高了工作效率,節省了勞動成本。該裝置的結構設計還可應用于立式銑床,為中小加工企業設備改造提供了思路和方法,具有一定的借鑒意義。

5 結論

基于Z5150B 立式鉆床的自動換刀系統機械結構主要由機架、刀具運送機構、刀具裝夾機構、刀具架組成,采用氣動控制技術、步進電機驅動和51 單片機精準控制技術實現了鉆床的自動換刀功能,經設計、制作、組裝和調試完成了實物,安裝在Z5150B 立式鉆床上,經實際應用,工作穩定。今后可進一步完善外觀設計、功能設計,應用到同類型的加工設備上。