適用于錐面加工的數(shù)控鉆床的研制

陳建武

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,福建 莆田 351254）

適用于錐面加工的數(shù)控鉆床的研制

陳建武

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,福建 莆田 351254）

該文簡(jiǎn)述了如何選用數(shù)控系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了鉆床的Z軸的自動(dòng)進(jìn)給和工作臺(tái)的自動(dòng)分度，從而實(shí)現(xiàn)了錐面上的鉆孔的自動(dòng)加工，提高了生產(chǎn)效率。

錐面加工；數(shù)控；鉆床；研制

1 引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)生活用品的要求越來(lái)越高，不僅體現(xiàn)在質(zhì)量上，對(duì)形狀也有很高的要求，于是復(fù)雜的形狀加工對(duì)制造設(shè)備的要求也越來(lái)越高。如1圖所示，以往加工錐形面一般是采用人工劃線(xiàn)，然后再在鉆床上鉆孔，或者設(shè)計(jì)專(zhuān)用的工作臺(tái)，通過(guò)手工進(jìn)行分度旋轉(zhuǎn)加工。這兩種方法一方面勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，每件加工需要幾個(gè)工時(shí)；另一方面加工精度也差，經(jīng)常出現(xiàn)在錐面上打滑，無(wú)法鉆進(jìn)，鉆孔定位困難，造成工件報(bào)廢和返工。因此應(yīng)用高精度，高自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床加工是最好的解決辦法。但是專(zhuān)用的大型數(shù)控機(jī)床或加工中心往往價(jià)格動(dòng)輒要幾十萬(wàn)，對(duì)于中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，是一筆沉重的負(fù)擔(dān)。[1]如在工廠現(xiàn)有的普通鉆床（如Z4116型）的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控化改造，是一條成本低、見(jiàn)效快的方案。

圖1 碟形片

2 鉆床數(shù)控改造的基本方案

傳統(tǒng)的鉆床加工工藝是：先將工件固定在定制工作臺(tái)上，然后沿極坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)到工件加工方向，再控制鉆頭到工件位置進(jìn)行加工，每加工完一個(gè)孔需手工旋轉(zhuǎn)工件一次，工人的操作難度較大，勞動(dòng)強(qiáng)度大。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，使工人從復(fù)雜的工作中解脫出來(lái)，我們采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，一臺(tái)控制主軸，實(shí)現(xiàn)Z軸方向自動(dòng)進(jìn)給；另一臺(tái)控制A軸，通過(guò)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，使其繞著A軸旋轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)和自動(dòng)進(jìn)給，大大地提高了加工效率。

功能框圖：

圖2 功能框圖

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的重要組成部分。機(jī)床生產(chǎn)廠家和最終用戶(hù)主要關(guān)注的問(wèn)題是配置什么樣的數(shù)控系統(tǒng)和通過(guò)選擇哪些數(shù)控功能才能滿(mǎn)足機(jī)床性能。目前，可供選擇的數(shù)控系統(tǒng)很多，性能好壞差別很大，直接影響到價(jià)格的高低。國(guó)外引進(jìn)的系統(tǒng)主要有日本的FANUC系統(tǒng)、MITSUBISHI系統(tǒng)、德國(guó)的SINUMERIK系統(tǒng)、法系統(tǒng)國(guó)的NUM系統(tǒng)、意大利的FIDIA系統(tǒng)、西班牙的FAGOR系統(tǒng)、美國(guó)的A-B系統(tǒng)等；國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)主要有廣州系統(tǒng)、航天系統(tǒng)、華中系統(tǒng)、遼寧藍(lán)天系統(tǒng)、南京大方系統(tǒng)、北方凱奇系統(tǒng)、清華系統(tǒng)、KND系統(tǒng)等，每家公司都有不同檔次系統(tǒng)各種規(guī)格的產(chǎn)品。[2]

如何選用數(shù)控系統(tǒng)？主要應(yīng)從以下三個(gè)方面考慮：性?xún)r(jià)比高，使用維修方便，系統(tǒng)的市場(chǎng)壽命長(zhǎng)。過(guò)分追求水平高、新的系統(tǒng)會(huì)造成成本和功能的極大浪費(fèi)。因此，應(yīng)該從滿(mǎn)足主機(jī)性能為主考慮問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)性能和價(jià)格等方面做一個(gè)綜合分析，從而選用性能滿(mǎn)足的、性?xún)r(jià)比最高的數(shù)控系統(tǒng)。同時(shí)，盡量不選傳統(tǒng)的封閉體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)或PC嵌入NC結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，因?yàn)檫@類(lèi)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展、改變和維修都必須借助于系統(tǒng)供應(yīng)商。盡可能選用NC嵌入PC結(jié)構(gòu)或SOFT結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分采用計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口，那么就可以像計(jì)算機(jī)上安裝各種品牌的聲卡、顯卡和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣，用戶(hù)可以在WINDOWSNT平臺(tái)上，利用開(kāi)放的CNC內(nèi)核，開(kāi)發(fā)所需的功能，構(gòu)成各種類(lèi)型的數(shù)控系統(tǒng)[2]。數(shù)控系統(tǒng)還要考慮工人上手的難易程度。

綜上原因，本鉆床選用了廣州數(shù)控的GSK928TD系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)兩軸控制，最小指令單位：0.001mm，能實(shí)現(xiàn)的插補(bǔ)方式：X、Z二軸直線(xiàn)、園弧插補(bǔ)，功能雖然沒(méi)有華中數(shù)控的多，但是它比較容易上手，而且系統(tǒng)經(jīng)用戶(hù)使用，大家一致認(rèn)為廣數(shù)的系統(tǒng)比較穩(wěn)定，而且價(jià)格適中。

2.2 傳動(dòng)元件的選擇

為了實(shí)現(xiàn)Z軸的自動(dòng)進(jìn)給和工作臺(tái)的自動(dòng)分度，在保證精密的傳遞運(yùn)動(dòng)，兼顧傳遞動(dòng)力。因此，我們采用了電機(jī)經(jīng)同步帶直接驅(qū)動(dòng)齒輪來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。

2.3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的選擇

隨著數(shù)字控制的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)是開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位和高速的目的。伺服電機(jī)自帶的編碼器能反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，所以是閉環(huán)控制。[3]

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用情況來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，如果需要較高的生產(chǎn)能力，比如在機(jī)器主軸中，則應(yīng)選擇伺服電機(jī)。反之，如果性能和速度要求一般，在副軸中（如機(jī)器調(diào)整和設(shè)置）則步進(jìn)電機(jī)是理想的選擇，因?yàn)樗鼈兏子谠O(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)中而且操作費(fèi)用低。在大多數(shù)情況下，步進(jìn)電機(jī)由于不需要微調(diào)或反饋電路，所以它的結(jié)構(gòu)和功能較簡(jiǎn)單，故不易發(fā)生故障?？紤]本鉆床的精度要求為0.01mm，精度要求不是很高，不需要成本較高、精度較高的伺服電機(jī)，故采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)Z軸的自動(dòng)進(jìn)給和工作臺(tái)的自動(dòng)分度功能。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算（本文略）確定采用國(guó)產(chǎn)的110BYG3502混合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其技術(shù)參數(shù)如下：所匹配的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MR—J2—350A，額定輸出功率為1.5kw，額定輸出轉(zhuǎn)矩為12N·m，，最大轉(zhuǎn)速為2500r/min。系統(tǒng)具有自適應(yīng)控制，使響應(yīng)性，高穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)成為可能。

步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)：

指標(biāo) 參數(shù)值步距角 0.6°/STEP電壓 80-350V電流 3.6A/PHASE相電感 30mH/PHASE額定轉(zhuǎn)距 12N·m

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)和改造，在普通鉆床上加上數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置組裝成數(shù)控鉆床后，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。每臺(tái)機(jī)床裝配自動(dòng)分度的夾具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆孔，工人僅需裝夾工件就可以了，可同時(shí)操作2—3臺(tái)同類(lèi)型機(jī)床，生產(chǎn)效率可提高至原來(lái)的3—5倍，單件生產(chǎn)人工成本降為原來(lái)的30％。而且，普通鉆床的數(shù)控化改造整體生產(chǎn)成本在15000元以?xún)?nèi)，一般機(jī)械加工廠都可以自己制造或改造，一年內(nèi)可以收回成本。由于Z軸是同步帶傳動(dòng)具有大切削力輸出能力，整個(gè)機(jī)床兼有簡(jiǎn)單的數(shù)控銑床的功能。市場(chǎng)前景較好，便于大規(guī)模推廣。

[1]楊旭東.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào),2013（08）.

[2]羅百輝.數(shù)控機(jī)床的選型風(fēng)險(xiǎn)控制[Z].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_472201c601000cvh.html,2013.

[3]胡幸鳴.電機(jī)及拖動(dòng)基[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社：168-179.

項(xiàng)目資助：莆田市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013G15）