Z3040搖臂鉆床綜合改造分析*

饒東強

( 廣東省南?；た倧S有限公司，廣東 佛山 528225 )

Z3040搖臂鉆床綜合改造分析*

饒東強

( 廣東省南?；た倧S有限公司，廣東 佛山 528225 )

基于對Z3040搖臂鉆床原理、結(jié)構(gòu)、性能的分析研究基礎(chǔ)上，通過傳動系統(tǒng)改造、電氣控制PLC改造和功能擴展的改造 ，提高了Z3040搖臂鉆床的精度、性能，改善了加工工藝，延長機器使用的周期，節(jié)約了成本，成為Z3040搖臂鉆床優(yōu)化的一個很好的補充。

Z3040搖臂鉆床；傳動系統(tǒng)改造；功能擴展改造

0 引 言

面對現(xiàn)代化工工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的要求不斷提高，特別是民爆行業(yè)近幾年設(shè)備更新?lián)Q代工作加速，Z3040搖臂鉆床加工可以廣泛應(yīng)用于這個過程之中，如鉆、擴、鉸、攻螺紋等工藝經(jīng)常應(yīng)用于實際加工過程，這其中由于搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制造工期較長，且由于是齒輪傳動，不能做到無級變速，進給量難以變換；其控制系統(tǒng)的電器線路比較繁瑣，穩(wěn)定性、可靠性不高；當要加工一些位置復(fù)雜，干擾程度高的螺紋孔位置時，會遇到一些困難，增加了加工的準確性和穩(wěn)定性方面的難度。針對這些問題，分別提出了對傳動系統(tǒng)進行傳動改造、電氣控制PLC改造和功能擴展的改造。

1 傳動系統(tǒng)的改造

1.1 設(shè)計方案

Z3040傳動系統(tǒng)設(shè)計原理主要的組成為主軸、夾緊、進給三大部分，為了實現(xiàn)無級變速、并且增加其變速量，將主軸和進給傳動改為液壓方式，可以很好的控制變速范圍和進給量，滿足加工工藝的復(fù)雜要求，而對夾緊系統(tǒng)則將獨立的供油方式改為共用方式，簡化機械結(jié)構(gòu)[1]。

主軸傳動改造：對系統(tǒng)的壓力進行限制，通過減小驅(qū)動的流量，降低壓力，同時使壓力調(diào)節(jié)更加細化。使調(diào)速閥的控制趨向二級或多級，在回油路徑中形成背壓，使系統(tǒng)的運行平穩(wěn)過渡，減少主軸傳動系統(tǒng)應(yīng)發(fā)的調(diào)節(jié)誤差。

進給傳動改造：與主軸傳動的液壓改造方式類似，在油路設(shè)置二級或多級的減速方式，降低轉(zhuǎn)速，對于小進給量或低速運行有很大的改良效果。

夾緊部分改造：在基本維持原有的結(jié)構(gòu)的前提下，通過液壓控制閥的組合，在夾緊系統(tǒng)中實現(xiàn)保壓和進退的改善。

1.2 調(diào)速方案的選擇

調(diào)速方式主要涉及到兩類：其一，結(jié)合節(jié)流閥和差壓式變量泵的工作效能，達到調(diào)速目的；其二，利用調(diào)速閥和壓力限制變量泵的結(jié)合，達到調(diào)速目的。兩種調(diào)速方式各有優(yōu)缺點，調(diào)速閥與壓力限制變量泵的優(yōu)點是可以自如的控制流量與壓力，對于快進與工進之間的過渡比較平穩(wěn)，誤差小；但是, 其不足之處是該組合方式回路的負載變化比較大,當加工工藝需要在小負載環(huán)境下工作時，變量泵的供壓較高,但操作中的元件的壓力相對低,對于變量泵泄漏的能量和在調(diào)速閥的壓降損失比較明顯, 并且油液溫升很快，難以很好的滿足加工要求。而利用節(jié)流閥與差壓式變量泵的組合方式，對于大小負載的工作要求可以動態(tài)變化，保持回路中的供油壓力與工作壓力視負載情況而定, 維持流量與壓差的穩(wěn)定，保障加工的平穩(wěn)性，減小能耗，提高效率。

1.3 液壓元件的選用

(1) 液壓馬達的選用 按照Z3040 搖臂鉆床的最初設(shè)計要求，主軸傳動的轉(zhuǎn)速介于25～2 000 r/min之間, 進給量介于為40～3 200 μm/ r。經(jīng)調(diào)查證實，一般生產(chǎn)用Z3040搖臂鉆床實際進給量介于60～1 000 μm/ r之間。根據(jù)液壓馬達的應(yīng)用要求，加工過程中要實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的工作條件，可以考慮多作用徑向柱塞馬達、斜盤軸向柱塞馬達或擺線轉(zhuǎn)子馬達等樣式。而對應(yīng)于調(diào)速范圍的具體要求，斜盤軸向柱塞馬達適應(yīng)于調(diào)速寬度大、軸向自由、徑向尺寸小的場合；內(nèi)曲線多作用徑向柱塞馬達適用于穩(wěn)定要求高、低速、大轉(zhuǎn)矩的場合。當面對進給量大、轉(zhuǎn)矩大(Tmax=0.4 kN·m)、轉(zhuǎn)速高的加工環(huán)境時,液壓馬達的選擇就要綜合考慮。經(jīng)過論證,可選用型號為1QJM01-160的柱塞式液壓馬達，其具體參數(shù)為額定壓力1×107Pa，理論排量160 mL/r，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)寬度8～630 r/m，最大輸出轉(zhuǎn)矩為0.42 kN·m。柱塞式液壓馬達可用作改善鉆床主軸與進給傳動系統(tǒng)，并與帶式無極變速器配合使用，可以達到調(diào)速與進給的優(yōu)化，提高加工的穩(wěn)定性、精確性與可操作性。

(2) 液壓缸參數(shù)的選擇 一般液壓缸的型號包含單作用液壓缸、雙作用液壓缸和組合式液壓缸，考慮到加工過程中對進退的要求，可選用單桿雙作用液壓缸，桿的直徑取D活塞桿=0.090 m，缸體的內(nèi)徑取D內(nèi)徑=0.125 m。

(3) 液壓泵的選擇 由參數(shù)可知，泵的最大工作壓力不超過4×106Pa，液壓泵的流量為14 100 mL/m，原則上選用YBX-25 限壓式變量液壓泵，轉(zhuǎn)速n介于600～1 500 r/min之間，額定功率為4 000 W，排量范圍小于25 mL/r，額定壓力6.3×106Pa，工作當中的實際使用效率0.8。

(4) 液壓泵電機的選擇 根據(jù)液壓泵的工作參數(shù)，確定驅(qū)動電機的型號為Y90L-4，其額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min,額定功率為1 500 W，滿載負荷時的電流為3 650 mA。

1.4 調(diào)速及數(shù)顯裝置

數(shù)顯裝置可以提高操作的簡易程度，減小失誤。在對節(jié)流閥的調(diào)速閥控制時，在軸上設(shè)置微型轉(zhuǎn)向電動機，采用按鍵裝置, 正反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)可以通過對微型開關(guān)的操作來實現(xiàn)。為了觀察Z3040搖臂鉆床的主軸轉(zhuǎn)速和進給量,做到更精確的調(diào)節(jié)目的，在其上設(shè)置數(shù)顯裝置。將光電編碼器安裝在主軸上, 原理是通過測量光柵的脈沖信號，而單片機可以計算出脈沖信號與主軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，并且不受其他因素的影響，可以精確測量主軸轉(zhuǎn)速。同樣，數(shù)顯裝置安裝在進給量的調(diào)節(jié)裝置上，可以很方便的調(diào)節(jié)變換進給量，誤差小、操作簡易，極大地提高了加工的效率。

2 功能改造

2.1 鉆擴功能改造

如圖1所示。在面對加工位置不理想、干擾因素多的螺紋孔時，經(jīng)常要將工藝進行再細分，如圖2的壓力機機體下部位置的三個螺紋孔,由于受到上部結(jié)構(gòu)的干擾，很難對螺紋孔進行直接加工，通常要分為定位、電鉆手工打孔，手工攻絲，顯然在這三個步驟當中都容易產(chǎn)生較大的偏差，而且加工效率低，當面對大批量的加工要求時，具有一定的局限性[2]。

圖1 復(fù)雜鉆擴螺紋

圖2 擴展功能-鉆銑機構(gòu)1.機床進給移動軸 2.機床旋轉(zhuǎn)主軸 3.鎖緊塊 4、5、12、13.傘齒輪 6.傳動軸 7.機體 8.錐銷 9.鍵 10.軸 11.懸臂 14.鉆夾頭 15.機構(gòu)主軸

對于不能直接垂直加工的孔位，可以考慮橫向引出，使鉆頭伸至孔位上方，以方便加工。具體的擴展功能結(jié)構(gòu)可以參照圖2，即鉆銑機構(gòu)安裝在機體上。主軸的垂直旋轉(zhuǎn)運動要傳遞到橫向引出軸的垂直運動，可以利用錐齒輪的特性來實現(xiàn)。如圖所示：首先通過4、5一對錐齒輪將垂直的主軸(機床旋轉(zhuǎn)主軸2)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為橫向軸(傳動軸6)的旋轉(zhuǎn)運動，具體的轉(zhuǎn)速比例可以根據(jù)結(jié)構(gòu)、加工需要而定，再通過固定連接將橫向軸(傳動軸6)的運動傳遞到軸10，最后則是用一對錐齒輪12、13的配合完成從橫向旋轉(zhuǎn)到縱向旋轉(zhuǎn)的傳遞(軸10到鉆擴機構(gòu)主軸15的轉(zhuǎn)換)，在鉆擴主軸15上安裝鉆頭就可以達到鉆孔的目的，同樣，鉆擴機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是通過搖臂鉆床的主軸和兩對錐齒輪的換算確定的，即調(diào)節(jié)搖臂鉆床主軸轉(zhuǎn)速來鉆頭改變鉆擴主軸鉆速，相似的，通過改變主體機構(gòu)的進給量來控制鉆擴機構(gòu)的進給量。

加工步驟：將加工工件垂直安裝在主體機構(gòu)上，在壓力機上定好三個螺紋孔位，打上沖眼，將橫向引出的軸(鉆擴機構(gòu))伸至孔位平面上方，依照先前打好的沖眼進行鉆孔加工，同樣，在鉆擴主軸上安裝絲錐，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進行螺紋孔的加工操作。螺紋底孔加工好后在鉆夾頭上裝上絲錐, 選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)速就可以完成螺紋孔的加工。

2.2 銑削功能改造

除了鉆擴功能，還可以添加銑削功能，如圖3所示的聯(lián)軸器的鍵槽加工，具體改造將懸臂11卸下， 在傳動軸6上安裝銑刀，與鉆擴改造的加工方法類似，只是有垂直方向的加工變?yōu)闄M向銑削，具體的機械轉(zhuǎn)速，加工進給量，同樣經(jīng)過機構(gòu)本體的主軸轉(zhuǎn)速與進給量的調(diào)節(jié)加以控制[3]。

圖3 聯(lián)軸器內(nèi)鍵槽加工

2.3 夾具的擴展設(shè)計

針對批量加工以及大、特、獨等零部件的加工，合理的夾具設(shè)計是必須考慮的重要因素，如此方能充分發(fā)揮拓展搖臂鉆床加工功能。夾具設(shè)計依據(jù)的原則是簡捷、實用、快速、可靠。根據(jù)工件的種類、結(jié)構(gòu)特征的不同，可采用不同的形式夾具設(shè)計，根據(jù)鉆床夾具的定位元件、夾緊裝置、對刀導引元件、分度元件、連接元件等組成部分設(shè)計好每次加工夾具。如實際工作中，利用車床卡盤定位帶有圓柱形加工面的異形零件，或是配合加裝假軸定位加工異型零件都會取得良好的加工結(jié)果。

3 基于PLC控制的電氣改造

傳統(tǒng)的Z3040搖臂鉆床的旋轉(zhuǎn)與升降不能復(fù)位，并且缺少失壓和欠壓的安全保障措施。改造后的電氣控制基于PLC系統(tǒng)，一般電氣控制改造分為硬件改造與軟件改造，但基于原有的設(shè)計結(jié)構(gòu)基本定型，所以著重介紹軟件設(shè)計。PLC軟件編寫的控制程序主要包括預(yù)開程序、電機的啟停程序、搖臂升降程序、夾緊與釋放程序和一些輔助程序組成。綜合考慮Z3040搖臂鉆床的基本需求，其輸入點數(shù)不少于18，輸出點數(shù)不少于12個，可以采用FPO型號的產(chǎn)品，編程時在Windows環(huán)境下以FPO型號的PLC為參考，接口為RS-232C，I/O連接通用化程度高，并且經(jīng)濟高效，同時采用90A2裝置進行模擬測試[4]。

4 結(jié) 語

當今加工的產(chǎn)品對精度、性能要求更高，并且還要在保證經(jīng)濟效益的前提下，傳統(tǒng)的Z3040搖臂床具有一定的局限性，無論是在加工的復(fù)雜性還是多樣性方面都有需要改造的必要，這樣既能延長機器使用的周期，節(jié)約成本，又能改善加工工藝，提高精度與生產(chǎn)率，成為Z3040搖臂鉆床優(yōu)化的一個很好的補充，同樣對其他種類的加工設(shè)備也提供了一個很好的借鑒。

[1] 陳少艾，王文義，熊志軍. 基于Z3040搖臂鉆床主軸變速系統(tǒng)的液壓改造[J]. 液壓與氣動, 2005(2):49-50.

[2] 肖金平. 機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].第2版. 南昌: 江西高校出版社, 2005.

[3] 東北工學院機械零件設(shè)計手冊編寫組. 機械零件設(shè)計手冊[M].第2版. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1982.

[4] 齊占慶.機床電氣控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[5] 郁漢琪.機床電氣控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2006.

Improvement and Analysis for Z3040 Radial Drilling Machine

RAO Dong-qiang

(NanhaiChemicalGeneralFactoryCo.,Ltd,FoshanGuangdong528200,China)

In this paper, based on the analysis and research of the Z3040 radial drilling machine principle, structure and performance，through the transformation of transmission system, electric control of PLC modification and function expansion, the Z3040 radial drilling machine precision，processing technology and performance are improved，the service life of the machine is prolonged, which saves the cost, and become a good complement to Z3040 radial drilling machine optimization.

Z3040 radial drilling machine；transformation of the transmission system；function extension transformation

2014-01-22

饒東強 (1957-)，男，廣東梅州人，工程師，從事民爆器材設(shè)備研發(fā)，加工方面的研究工作。

TG52

A

1007-4414(2014)02-0159-03