數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)的設(shè)計

紀(jì)兆毅，彭長震

JI Zhao-yi1，PENG Chang-zhen2

（1.菏澤學(xué)院 機(jī)電工程系，菏澤 274000；2.曹縣精銳機(jī)械鎖業(yè)有限公司，曹縣 274000）

0 引言

中國已成為世界最大的鎖具生產(chǎn)國和消費國——這是個不爭的事實。由于鎖具行業(yè)屬于勞動密集型行業(yè)，入行門檻低，專業(yè)化程度不高，高端產(chǎn)品種類非常稀少。目前，國內(nèi)鎖具市場以生產(chǎn)中低檔的鎖具產(chǎn)品為主，競爭早已白熱化，由于原材料價格上升，勞動力成本增加，以及越來越多的新技術(shù)新產(chǎn)品的競爭，讓鎖具行業(yè)的日子越來越難過，鎖具行業(yè)新一輪的技術(shù)競爭已經(jīng)拉開帷幕，技術(shù)含量高的高端產(chǎn)品未來發(fā)展趨勢明顯，高端鎖具將逐漸成為鎖具市場的主流。

隨著高科技的迅速發(fā)展，高端產(chǎn)品的實現(xiàn)，必須依賴于鎖具設(shè)備的自動化水平，在沒有全自動機(jī)器，以及機(jī)器人操作的不現(xiàn)實狀況下，半自動數(shù)控設(shè)備，成了所有鎖具加工的救命稻草。

對于彈子鎖是一個尺寸要求精度高，產(chǎn)品外觀精美，批量大，生產(chǎn)效率要求高的產(chǎn)品。國內(nèi)制鎖廠家多采用手工鉆床鉆孔，其精度和效率都比較低，難以滿足高精度的產(chǎn)品要求。為此我們在原有手工鉆孔工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實際國情，根據(jù)生產(chǎn)實際需要研制了數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)，使其具有數(shù)控加工的能力，為我國鎖具企業(yè)由勞動密集型轉(zhuǎn)化為技術(shù)密集型提供了一條途徑。

1 數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)方案原理實現(xiàn)和技術(shù)參數(shù)

該彈子孔鉆孔機(jī)包括機(jī)架部分，主座，立座，工作臺和控制開關(guān)，人機(jī)界面。其特征在于：所述的工裝夾具部分安裝在工作臺上，采用氣動夾緊方式，用高速電主軸直接夾持鉆頭實現(xiàn)鉆孔運動。

該鉆孔機(jī)更優(yōu)的技術(shù)方案是：高速電機(jī)主軸直接夾持鉆頭并通過無間隙傳動絲杠，實現(xiàn)鉆孔運動，保證其穩(wěn)定性。

該鉆孔機(jī)有益效果是：采用直線滑軌與直線軸承配合，有步進(jìn)電機(jī)結(jié)合無間隙傳動滾珠絲杠，使工作臺前后，上下運動，保證了運動中的進(jìn)給精度，自動化程度和生產(chǎn)效率大大提高，加工精度高。

數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

鉆孔材料： 銅、鑄鐵、鋼

最大鉆孔直徑： 4mm

主軸電機(jī)功率： 1.5KW

主軸轉(zhuǎn)速： 6000-24000轉(zhuǎn)/分

工作臺最大縱向位移：100mm

氣壓： 0.6MPA

生產(chǎn)產(chǎn)量： 4000-6000把/8小時

2 彈子孔數(shù)控鉆孔機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)由機(jī)身架部分、高速主軸、傳動部分及電氣控制系統(tǒng)組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1和表1所示。

2.1 機(jī)身架部分

由焊接機(jī)架、機(jī)架地板和防震支撐桿組成。

2.2 傳動部分

由上下步進(jìn)電機(jī)、前后步進(jìn)電機(jī)、連接裝置、高速電主軸組成。

圖1 數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 示意圖1中各序號名稱

高速電機(jī)的上下運動是靠上下傳動步進(jìn)電機(jī)接合傳動絲杠實現(xiàn)的。工作臺前后運動是靠前后傳動步進(jìn)電機(jī)結(jié)合傳動絲杠實現(xiàn)的。工作臺的雙工位切換是靠工作臺內(nèi)部的交換氣缸實現(xiàn)。

2.3 工件夾具部分

工件夾具安裝在工作臺上，夾具可分為單工位和雙工位，氣動夾緊。

2.4 電氣控制部分.

由于考慮到成本以及實際操作的需要，電氣控制系統(tǒng)主要靠變頻調(diào)速和PLC可編程控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)的工作特點是加工頻率和加工精度高、工作時間長。因此，其電氣控制系統(tǒng)必然出現(xiàn)頻繁切換的工作狀態(tài)，為了提高鉆孔機(jī)的工作效率和可靠性，采用可編程控制器（簡稱PLC）對加工過程加以控制。

3.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

系統(tǒng)的硬件主要由國產(chǎn)信捷XC3可編程控制器（簡稱PLC）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器（或交流伺服電機(jī)驅(qū)動器）、英威騰CHF100-1R5G-2變頻器、各種主令電氣（按鈕和位置傳感器）及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)（步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)和電磁閥等）構(gòu)成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

初始狀態(tài)時，冷卻液處于關(guān)閉狀態(tài)，上下步進(jìn)電機(jī)處于上端起始位置，夾緊氣缸處于放松狀態(tài)。操作人員通過人機(jī)交互面板設(shè)定所要鉆孔個數(shù)以及鉆孔深度、孔間距等參數(shù)，PLC接收參數(shù)并保存。工作時，首先按下電源開關(guān)，冷卻液開，左右移動復(fù)位，然后啟動高速電機(jī)主軸，放好工件，夾緊氣缸自動夾緊鎖芯，上下步進(jìn)電機(jī)向下運動帶動高速電機(jī)主軸向下工進(jìn)鉆孔，到達(dá)設(shè)定的孔深后，上下步進(jìn)電機(jī)帶動高速電機(jī)主軸快速回退，回退到初始位置后，前后步進(jìn)電機(jī)向后運動一個孔距至下一個鉆孔位置，如此往復(fù)，直至鉆完設(shè)定的孔數(shù)，一號工位鉆孔結(jié)束，左右移動定位開始運動，更換至二號工位，如前面鉆孔過程，一號工位和二號工位可以連續(xù)自動更換，或者通過腳踏開關(guān)更換。當(dāng)鉆孔結(jié)束后，關(guān)閉高速電機(jī)，按下電源開關(guān)，整個鉆孔過程結(jié)束。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

可編程控制器的軟件設(shè)計就是設(shè)計系統(tǒng)的梯形圖。根據(jù)加工工藝要求，梯形圖程序主要包括：

1）高速電機(jī)的啟動、停止、及其變頻調(diào)速控制；

2）通過鉆頭扭力的設(shè)定實現(xiàn)更換鉆頭提示，保護(hù)鉆頭；

3）工作循環(huán)及整個加工過程控制；

4）發(fā)生誤操作時系統(tǒng)自鎖控制；

5）步進(jìn)電機(jī)速度、鉆孔深度、孔距控制；

6）故障報警控制和急停控制。

4 彈子孔數(shù)控鉆孔機(jī)的性能特點

與以前的手工鉆床鉆孔相比，該鉆孔機(jī)的精度和效率都得到了大幅的提高，具體表現(xiàn)如下：

1）本機(jī)床采用直線滑軌和無間隙傳動絲杠帶動夾具和鉆頭做上下前后左右運動，保證了的工件夾具的進(jìn)給精度，由高速電主軸直接夾持鉆頭，保證了其鉆頭的穩(wěn)定性；

2）實現(xiàn)了鉆孔過程的自動化，加工效率高。控制系統(tǒng)采用可編程控制器控制，由面板可以自由調(diào)節(jié)鉆孔的中心距、加工速度、孔深、延時時間和初始定位距離等工藝參數(shù)，大大提高了加工效率，減輕了工人的勞動強度；

3）鉆孔精度高，手工鉆孔時鉆孔的深度全憑操作人員用目測判斷，難以滿足高精度的產(chǎn)品要求。本機(jī)器鉆孔的深度和孔間距可以自由設(shè)定，由可編程控制器自動準(zhǔn)確控制，完全滿足產(chǎn)品的高精度要求；

4）安全可靠，操作方便?？刂葡到y(tǒng)采用可編程控制器和操作面板控制，中文菜單，方便易懂，顯示設(shè)置信息和加工信息等，且有管理員密碼保護(hù)，方便生產(chǎn)管理。同時，系統(tǒng)的自鎖功能和故障報警功能從根本上保證了操作者和設(shè)備的安全；

5 結(jié)束語

生產(chǎn)實踐證明，該數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)完全滿足目前我國制鎖企業(yè)使用的要求，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，控制、傳動合理，自動化程度較高，性能可靠，維護(hù)維修方便。在使用過程中機(jī)床運行狀況良好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，提高了勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

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