木塊自動(dòng)鉆孔機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

李雙成

（廣東理工學(xué)院 智能制造學(xué)院,廣東 肇慶 526100）

機(jī)床氣動(dòng)夾具是現(xiàn)代制造業(yè)的重要加工裝備,其快速定位、夾緊工藝使產(chǎn)品生產(chǎn)效率大幅提升,為機(jī)械制造、家具生產(chǎn)等行業(yè)快速發(fā)展提供了有力保障。 隨著科技的不斷進(jìn)步,針對(duì)如何進(jìn)一步提高機(jī)床氣動(dòng)夾具的自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率,國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者進(jìn)行了深入的研究和探討。 鄧維克等[1]對(duì)木塊自動(dòng)鉆孔夾具氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并使用PLC 電控系統(tǒng)對(duì)木塊進(jìn)行送進(jìn)、定位夾緊和鉆孔控制。 張利平[2]給出了多個(gè)機(jī)床氣動(dòng)夾具應(yīng)用實(shí)例及自動(dòng)化控制方案。 張永紅等[3]提出一種模塊化氣動(dòng)夾具方案,解決了小型回轉(zhuǎn)薄壁類零件定位夾緊困難、制造難度大等問題。 姜杰鳳等[4]設(shè)計(jì)出一套密集架底盤焊接夾緊方案,并用單片機(jī)控制夾具各氣缸動(dòng)作。 江德松等[5]設(shè)計(jì)了PLC 控制的多工件裝夾多工位可旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)夾具,有效發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床功能,提高了加工效率,解決了企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)難題。 雖然這些方法都在一定程度上提高了零件的定位精度和產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,但像A 家具廠這樣的企業(yè)主要對(duì)木材進(jìn)行加工,對(duì)零件定位精度要求不高,而對(duì)生產(chǎn)效率要求較高,同時(shí)存在現(xiàn)有設(shè)備老舊,維修、保養(yǎng)、更新現(xiàn)有設(shè)備成本又很高的問題。 電控系統(tǒng)雖可提高生產(chǎn)效率,但在家具廠這樣的高污染環(huán)境下,存在易短路、易起火等問題,也給中小家具企業(yè)的生產(chǎn)效率及利潤(rùn)帶來很大沖擊。 針對(duì)A 家具廠現(xiàn)有木塊自動(dòng)鉆孔氣動(dòng)夾具存在的諸多不足,本研究對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化路徑進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 木塊自動(dòng)鉆孔機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過程

A 家具廠木塊自動(dòng)鉆孔機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。 木塊自動(dòng)鉆孔機(jī)氣動(dòng)原理如圖2 所示,系統(tǒng)動(dòng)作流程如下:送料氣缸8 活塞桿伸出將料箱10 中底部木塊推至滑臺(tái)9 右側(cè)鉆孔位（即夾緊氣缸11 的正下方） →夾緊氣缸13活塞桿伸出在水平方向定位木塊→夾緊氣缸11 活塞桿伸出在垂直方向夾緊木塊→鉆頭對(duì)木塊鉆孔→鉆頭退出→送料氣缸8 活塞桿退出松開工件→夾緊氣缸11、13 活塞桿退出松開工件。 圖2 中電磁換向閥較多,在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)時(shí)需要利用PLC 電控系統(tǒng)控制各閥的換向動(dòng)作及換向時(shí)間[6-14]。

圖1 木塊自動(dòng)鉆孔機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of wood block automatic drilling machine

圖2 木塊自動(dòng)鉆孔機(jī)氣動(dòng)原理Fig.2 Pneumatic schematic of wood block automatic drilling machine

2 木塊自動(dòng)鉆孔機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

分析圖2,再根據(jù)上述系統(tǒng)動(dòng)作流程初步判斷出缸8、13、11 的活塞桿動(dòng)作順序?yàn)闅飧? 活塞桿、氣缸11活塞桿、氣缸13 活塞桿。 將圖2 中電磁閥全部剔除,同時(shí)切斷通向各缸的氣路,其他元器件全部保留,為方便整個(gè)氣路控制,加入手動(dòng)式二位四通換向閥20,并用管路將閥20 與主氣路連接成一體,其他元器件均保留,改進(jìn)的氣動(dòng)系統(tǒng)如圖3 所示。 鉆頭完成木塊鉆孔后,各缸活塞桿在做退出動(dòng)作時(shí),缸8 亦先行退出。 基于此,將缸8 進(jìn)出氣口直接用管路連接至閥20 的閥口,同時(shí)為方便控制缸13、11 的動(dòng)作順序, 引入單向兩位四通氣動(dòng)式換向閥21、22 接于缸13、11 進(jìn)出氣口,如圖4 所示。 根據(jù)上述氣動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作過程,用管路將圖4 中缸13、11 的無桿腔與缸8 的無桿腔串聯(lián),同時(shí)再將缸13、11 的有桿腔與缸8 的有桿腔用管路進(jìn)行串聯(lián),之后并聯(lián)到進(jìn)出主氣路中,如圖5 所示。 這里需要說明的是,在圖5 中通過調(diào)節(jié)閥6、7、14、15、18、19的節(jié)流口開度完全能夠滿足上述各缸順序動(dòng)作要求。

圖3 改進(jìn)的氣動(dòng)系統(tǒng)Fig.3 Improved pneumatic system

圖4 缸8 接入換向閥后的氣動(dòng)系統(tǒng)Fig.4 Pneumatic system after cylinder 8 connected to reversing valve

圖5 缸13、11 連接到主氣路后氣動(dòng)系統(tǒng)Fig.5 Pneumatic system after cylinders 13 and 11 connected to the main air circuit

由圖5 可知:氣動(dòng)式換向閥21、22 在整個(gè)氣路中并未起到任何作用,現(xiàn)考慮原設(shè)備氣路各缸的動(dòng)作流程（缸8 動(dòng)作→缸13 動(dòng)作→缸11 動(dòng)作） ,應(yīng)將閥21、22 右位氣控口與通往缸8 有桿腔的管路并聯(lián)在一起,這樣可保證缸8 在完全退出后,缸11、13 有桿腔的活塞桿順序退出,但這樣連接不僅會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變得很亂,主控閥20 換向后也不能保證3 個(gè)缸順序動(dòng)作。 現(xiàn)考慮將閥21、22 的氣控口并聯(lián)在一起,同時(shí)為保證各缸順序動(dòng)作,引入閥23、24 和儲(chǔ)氣罐25、26 來控制閥21、22 的換向時(shí)間,這樣不僅整個(gè)系統(tǒng)的管路變得整潔、美觀,而且能保證3 個(gè)缸順序動(dòng)作,連接氣路如圖6 所示。 分析圖6 可知:當(dāng)主控閥20 處于圖示位置時(shí),泵1 中的氣體先進(jìn)入缸8,無桿腔驅(qū)動(dòng)活塞桿先行伸出送料,同時(shí)給儲(chǔ)氣罐25 儲(chǔ)存氣體;在缸8 送料至指定位置后,閥21、22 右位閥口在高壓氣體作用下接入系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)閥14、15、18、19 的閥口開度可實(shí)現(xiàn)缸13 先定位、缸11 后夾緊的順序動(dòng)作;在鉆頭鉆完孔退出后,松開閥20 手柄,閥芯在右位彈簧的作用下交叉閥口接入系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)主氣路閥口換向,如圖7 所示。 由上述分析可知,當(dāng)閥20 在左位閥口時(shí),閥21、22 右位閥口靠?jī)?chǔ)氣罐25 中的高壓氣體頂開單向閥24 接入系統(tǒng),當(dāng)主閥20 換向時(shí),24、23 閥口均處于關(guān)閉和斷開狀態(tài),閥21、22 右位氣體無法回流,保證閥21、22 常通位在主氣路中不會(huì)換向,此時(shí)雖然3 個(gè)缸的有桿腔均接入主系統(tǒng),但通過適當(dāng)調(diào)節(jié)各缸下端單向節(jié)流閥口開度可實(shí)現(xiàn)缸8 活塞桿先行退回,之后缸13、11 再順序退出,至此完成預(yù)定退回動(dòng)作。

圖6 閥21、22 氣控口接入氣路后的氣動(dòng)系統(tǒng)Fig.6 Pneumatic system after valves 21 and 22 connected to the air circuit

圖7 閥20 復(fù)位后的氣動(dòng)系統(tǒng)Fig.7 Pneumatic system after valve 20 is reset

由圖7 可知,當(dāng)閥20 處于圖示位置時(shí)儲(chǔ)氣罐26 被接入主氣路中,泵1 在驅(qū)動(dòng)各缸順序退回的同時(shí)還給儲(chǔ)氣罐26 充氣,在各缸完成既定退出動(dòng)作之后,儲(chǔ)氣罐26 中的氣體壓力已大于閥23 右位彈簧壓力,驅(qū)使溢流閥的閥芯右移,將閥21、22 的右位氣控口接入大氣,2 個(gè)閥芯在左位彈簧作用下復(fù)位,缸11、13 進(jìn)出氣口與主氣路斷開,實(shí)現(xiàn)兩缸活塞桿在完全退出后自鎖,避免取件時(shí)兩缸的誤動(dòng)作傷人。 至此,改進(jìn)氣路已設(shè)計(jì)完成。 為避免系統(tǒng)各元器件編號(hào)混亂,將圖7 重新編號(hào),同時(shí)考慮系統(tǒng)排氣時(shí)噪聲過大,影響工作人員身心健康,在閥4、20 排氣口處加裝消聲器,重新繪制系統(tǒng)（圖8） 。

圖8 改進(jìn)設(shè)計(jì)后木塊自動(dòng)鉆孔機(jī)氣動(dòng)原理Fig.8 Pneumatic schematic of wood block automatic drilling machine after improved design

3 仿真分析

將圖8 在automation studio 7.0 professional 軟件中建模。 根據(jù)各缸的動(dòng)作順序要求,設(shè)置各氣壓元器件參數(shù)。 泵1 的最大壓力1 MPa、最大氣流量0.044 6 m3/s,卸荷閥4 開啟壓力0.8 MPa、最大壓力3.5 MPa,單向節(jié)流閥6 和7 內(nèi)徑2 mm、開啟壓力2 MPa,氣缸8 活塞桿直徑50 mm、桿徑25 mm、外負(fù)載質(zhì)量5 kg,氣缸11 活塞桿直徑50 mm、桿徑25 mm、外負(fù)載質(zhì)量6 kg,單向節(jié)流閥12 內(nèi)徑1.8 mm、開啟壓力1 MPa,單向節(jié)流閥13內(nèi)徑1 mm、開啟壓力5 MPa,氣缸15 活塞桿直徑50 mm、桿徑25 mm、外負(fù)載質(zhì)量3 kg,單向節(jié)流閥16 內(nèi)徑1 mm、開啟壓力0.4 MPa,單向節(jié)流閥17 內(nèi)徑2 mm、開啟壓力4 MPa,溢流閥20 開啟壓力8 MPa、最大壓力3.5 MPa,儲(chǔ)氣罐22 總?cè)莘e0.003 m3, 儲(chǔ)氣罐23 總?cè)莘e0.009 m3。

將數(shù)據(jù)錄入automation studio 7.0 professional 系統(tǒng),仿真各活塞桿伸出、縮回動(dòng)作氣路,分別如圖9 和圖10 所示。 三缸活塞桿伸出、縮回速度-時(shí)間特性曲線如圖11 所示。

圖9 活塞桿伸出仿真Fig.9 Piston extension simulation

圖10 活塞桿縮回仿真Fig.10 Piston retraction simulation

圖11 活塞桿伸出、縮回速度-時(shí)間曲線Fig.11 The v-t curve of piston extension and retraction

3.1 系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)各缸伸出運(yùn)行情況

當(dāng)圖8 中的閥5 左位接入系統(tǒng)時(shí),對(duì)圖11 進(jìn)行分析:送料缸8 在活塞桿剛伸出時(shí)有波動(dòng),但范圍較小,很快趨于穩(wěn)定;缸8 將木塊送至指定位置持續(xù)0.761 s,之后定位缸15 活塞桿伸出對(duì)木塊進(jìn)行定位。 由圖11可知,缸15 的速度峰值為289. 78 cm/s,速度谷值為-23. 57 cm/s,速度波動(dòng)較大,最大波動(dòng)差值為313.35 cm/s。 這是因?yàn)閾Q向閥18、19 的閥口換向,系統(tǒng)氣路突然增加,主氣路壓力突變,缸15 無外負(fù)載僅需要克服活塞桿自重,隨著系統(tǒng)壓力的逐步升高,缸15 的運(yùn)行速度也逐漸趨于穩(wěn)定。 圖8 中夾緊缸11 在定位缸未完全定位前即已伸出,這樣可以提高生產(chǎn)效率,與前述缸15 速度特性一樣,受閥8、19 閥口突變及缸體垂直布置影響,缸11 的活塞桿速度波動(dòng)范圍也較大,峰值為161.41 cm/s,谷值為0, 最大波動(dòng)差值為161.41 cm/s,其波動(dòng)范圍遠(yuǎn)小于缸15,是儲(chǔ)氣罐此時(shí)已儲(chǔ)存一部分氣體,系統(tǒng)壓力逐步回升所致。 由于缸11 的布置方式為豎直放置且桿在下,出于安全考慮,將單向節(jié)流閥12、13 的閥口開度調(diào)小,壓力閥口調(diào)大,其運(yùn)行時(shí)間為0.95 s,時(shí)間稍慢,避免了活塞桿俯沖的危害。

3.2 正常運(yùn)行后各缸活塞桿伸出情況

由圖11 可以看出:送料缸8 運(yùn)行曲線為光滑遞增弧線,送料時(shí)間為1.294 s,速度峰值為26.19 cm/s;定位缸15 運(yùn)行曲線有微小波動(dòng),但整體也為遞增圓弧曲線,速度峰值為29.48 cm/s,定位時(shí)間為1.24 s;夾緊缸11 運(yùn)行曲線趨于平緩,夾緊缸活塞桿伸出時(shí)間為2.276 s,速度峰值為12.89 cm/s;正常運(yùn)行后各缸退出時(shí)活塞桿運(yùn)行情況同前。 由圖11 可知,各缸正常工作后運(yùn)行曲線趨于平滑,不再像剛啟動(dòng)時(shí)那樣波動(dòng)較大,說明系統(tǒng)換向后壓力突變較小（儲(chǔ)氣罐壓力改變量較?。?。

3.3 各缸活塞桿縮回動(dòng)作

當(dāng)圖8 中閥5 右位閥口接入系統(tǒng)時(shí),分析圖11 可知:缸8 活塞桿縮回所用時(shí)間為1.32 s,運(yùn)行速度呈光滑弧線遞增,說明其運(yùn)行平穩(wěn),峰值速度為26.28 cm/s;定位缸15 在退出過程中所用時(shí)間為1.557 s,峰值速度為23.04 cm/s;夾緊氣缸11 在退出過程中有微小震蕩,整體也呈光滑弧線遞增且運(yùn)行平穩(wěn),速度峰值為21.96 cm/s,縮回時(shí)間為1.886 s。 此過程為系統(tǒng)各缸縮回松開工件,微小震蕩對(duì)加工無影響,系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全滿足木料鉆孔要求,設(shè)計(jì)成功。

4 結(jié)論

對(duì)比改進(jìn)前后兩套氣動(dòng)鉆孔系統(tǒng),得到結(jié)論如下:

1） 改進(jìn)后氣路系統(tǒng)使用的氣壓元器件較少,無須可編程控制器控制,只需要壓下?lián)Q向閥的行程開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、定位、夾緊、退出一整套動(dòng)作,制造成本較低,且氣動(dòng)式兩位四通換向閥在活塞桿伸出之前及縮回之后都具有自鎖功能,操作安全可靠。

2） 改進(jìn)后氣路系統(tǒng)中電器元件參與極少,系統(tǒng)故障排除容易,維護(hù)、保養(yǎng)成本低。

3） 改進(jìn)前后兩套系統(tǒng)均采用氣體作為傳動(dòng)介質(zhì),對(duì)木材加工這種易燃、多塵等惡劣環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng),并具有無污染、取之不盡等、使用后氣體可直接排放等優(yōu)點(diǎn),但前氣路系統(tǒng)使用電器元件控制,存在易燃、高污染環(huán)境下故障率高等不足。

4） 改進(jìn)前系統(tǒng)使用的電器元件較多,系統(tǒng)搭建成本較高,改進(jìn)后氣路系統(tǒng)降低了設(shè)備的制造成本。

5） 改進(jìn)前氣路系統(tǒng)未加消聲裝置,排氣時(shí)有較大的噪聲;改進(jìn)后氣路系統(tǒng)中增加了消聲器,可以有效減少系統(tǒng)噪聲,保護(hù)操作人員身心健康。

6） 由仿真速度曲線可知,前缸在未運(yùn)行完畢時(shí),后續(xù)氣缸已開始動(dòng)作,系統(tǒng)在保證各缸順序動(dòng)作的同時(shí),提高了鉆孔的工作效率。