基于工作臺自動分度的鉆床數控化改造
2018-4-9 來源： 華僑大學 福建省湄洲灣職業技術學校 作者：陳威 蔡明雄 郭渭萍
摘 要：針對目前機械加工、制造和維修行業中難以一次性完成任意角度分度鉆孔的問題，以臺式鉆床為例，重點介紹工作臺的自動分度和鉆床數控化改造的方案和工作原理：將傳統的機械與現有的數控技術相結合，使鉆床具有工作臺自動分度、主軸自動進給功能。改造后的鉆床經濟適用、簡單易行，可降低勞動強度、提高生產效率，已成功運用到實際生產中。
關鍵詞：數控改造；鉆床；自動進給；自動分度
數控機床具有操作簡單、自動化作業、加工工件質量穩定等特點，能較好地解決結構復雜、精密、批量小、樣式多變等的零件加工問題，保證產品的加工質量穩定，且能大幅提高生產率。
在我國機械加工、制造業和維修行業中，很多小型企業、家庭作坊和個體經營戶所用的老、舊機床在設備中還占相當大的比例，已滿足不了產品種類迅速增加和質量不斷提高的生產需求。但一次性投入巨資購買新的數控機床不太現實。對現有的普通機床進行數控改造，無疑是一種投資少、見效快，且能在短期內使企業加工生產能力上規模、上檔次的有效方法。
本文以臺式鉆床鉆削多孔零件為例，具體闡述臺式鉆床工作臺自動分度的實現和鉆床數控化改造的方法。
1 、問題的提出
隨著國內汽車配件行業的發展，多孔零部件的鉆孔攻絲加工等也隨之增加。如汽車、摩托車多孔零部件：發動機箱體、鋁鑄件殼體、制動鼓、剎車盤、轉向器、輪轂、差速殼、軸頭、半軸、車橋等，泵類、閥類、液壓元件、太陽能配件，等等。這類工件往往要求加工精度高、工效快。而以往加工這類零件的多孔部份，通常是先人工劃線或設計一個專用的鉆模，再在鉆床上鉆孔。這種加工方法不僅勞動強度大、效率低，而且加工精度差，經常出現孔距超差而造成工件報廢和返工。因此應用高精度、自動化程度高的數控鉆床已勢在必行。為了節約投資資金、降低加工成本，擬對現有臺鉆進行數控化改造。以實現對圖1所示零件多孔部份的自動鉆削加工為例。改造前，需要人工取放工件、鉆模進行夾緊，1 個人只能操作 1 臺鉆床，不僅生產效率低、勞動強度大而且不安全；改造后，只需人工取放工件，其他工序全部自動完成，1人就可操作3~5臺鉆床，生產效率提高數倍，勞動強度也大為降低，且產品加工精度高、參數一致性好。
圖1 零件圖
2 、數控化改造方案
圖2 數控系統工作原理圖
以原鉆床為基礎，保持主要結構基本不變，設計一套可控制主軸自動進給和工作臺自動分度的系統，如圖2所示。具體方案如下：
1）保持原鉆床基本結構不變。保留原鉆床主傳動鏈、工作臺，在原工作臺上安裝一套由數控系統控制的自動分度裝置。
2）將控制鉆床進給運動的手柄拆去，在鉆床的主軸上加步進電機，步進電機通過蝸輪蝸桿副嚙合，從而實現了主軸向下進給或向上退出，加工完成后，由數控系統控制返回起始點。
3）為方便鉆床步進電機的互檢、降低售后維修保養成本，改造后的鉆床所選用的步進電機盡量為同一型號。
4）數控系統的選用。考慮到經濟性和操作的簡易性，采用現成的廣數系統來實現點位控制。
2.1 機械部份改造
1）主軸（Z軸）自動進給。
考慮到主傳動系統不變，根據臺鉆主軸的進給與主軸的轉速在鉆孔加工時并不需要嚴格匹配，而只需要根據所加工的孔徑的大小將主軸進給速度控制在一個合適的范圍內即可的特點，設計了兩種主軸（Z 軸）自動進給實現方案：第一種選用滾珠絲桿副；第二種是在主軸原來操作桿的位置上安裝蝸輪、聯軸器和步進電機，再加裝一蝸桿，使其與蝸輪形成運動副。這兩種方案都可以把旋轉運動變為直線運動，也可以起到減速作用。但是由于該臺式鉆床設備老舊，所以滾珠絲桿副雖然在傳運精度和效率上比蝸輪蝸桿副要高，但是在安裝時其結構比后者要復雜得多。故綜合考慮設備本身實際、所加工零件的要求和經濟性，最終選擇第二種方案實現主軸（Z 軸）自動進給。
2）工作臺的自動分度裝置。
在臺鉆原有的工作臺上安裝一臺步進電機，步進電機旋轉帶動根據產品大小而設計的夾緊裝置，以達到自動分度的效果。
2.2 數控系統部份
采用現有市場常用的廣數系統 928TE，該系統性價比高。借鑒加工中心配一旋轉軸的原理，將主軸設為 Z 軸，將工作臺的自動分度裝置設定為 X 軸。借助廣數系統的兩個驅動器，其中一個驅動單元控制步進電機的轉動，從而帶動蝸輪蝸桿副傳動實現鉆床主軸的進給；另一個驅動單元控制工作臺上步進電機的轉動，從而帶動夾緊裝置實現自動分度。
改造后，機床的手動進給變成了自動進給。鉆孔時，主軸的自動進給可通過數控系統來給定。可以根據需要加工零件孔的分布數量在數控系統中進行編程，使鉆床可以加工出不同數量均布的孔系。
2.3 步進電機的選擇
步進電機是一種將電脈沖轉化成角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，就驅動步進電機按設定的方向旋轉一個固定的角度（稱為步距角），步進電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機旋轉的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機結構和功能都比較簡單，不易發生故障。
本次改造是根據最大靜轉距和最高工作頻率進行電機的選擇。經過計算確定傳動系統采用110BYG3502 步進電機，其主要技術參數為：步距角θb=0.6°；最大靜轉距Tm=12 N·m；相數為3；電壓為30~300 V；電流為3.4 A。考慮到方便機床步進電機的互檢且降低售后維修保養成本，工作臺自動分度所選用的步進電機也為同一型號。
3 、臺式鉆床數控化改造的優缺點
1）成本低、周期快。由于很多零配件市場上都有現成的貨源，因此同購置新鉆床相比可節省70%左右的費用，而且廠家可以自行完成改造。
2）便于掌握操作和維修。由于是自行改造，操作者對改造后的鉆床的加工能力及其它性能了如指掌，在操作使用和維修方面見效快。
3）機械性能穩定性相對較差。由于受原鉆床機械結構的限制而不宜做突破性的改造，改造后的鉆床機械性能穩定性相對較差。
4 、結語
本設計改造周期短、費用低，改造后的鉆床操作、使用方便。機床增加了自動進給的功能，操作者可以運用廣數系統對不同加工直徑、分布不同的孔系零件進行編程加工。機床自動化程度高，能靈活、迅速地適應加工零件的變更，對工人的技術水平要求也不高，特別適宜中小型企業的鉆床改造。本數控化改造對于想節約資金又要擴大機床的加工工藝范圍的企業而言，不失為一項可行的方案。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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