一種轉(zhuǎn)塔式六角鉆床換刀觸發(fā)方式的改進(jìn)

王純賢，甘恩榮，尹建賀，胡勝來(lái)，蔣輝東，鄭勝華

(1 合肥工業(yè)大學(xué) 宣城工程技術(shù)研究院，安徽 宣城 242000;2.宣城市建林機(jī)械有限公司，安徽 宣城 242057)

0 引言

機(jī)床是制造裝備的“工作母機(jī)”，數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的“大腦”。數(shù)控機(jī)床的制造水平，是影響國(guó)家制造業(yè)水平、工業(yè)現(xiàn)代化程度和國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。在鉆床方面，目前，鉆孔用的設(shè)備一般為臺(tái)式鉆床和搖臂鉆床，但這兩種設(shè)備只有一根主軸，無(wú)法快速更換刀具，故當(dāng)需要加工不同直徑的孔時(shí)，此類鉆床加工效率很低。而臺(tái)灣興農(nóng)工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的一種轉(zhuǎn)塔式六角鉆床卻能很好地克服這個(gè)問題。

該六角鉆床具有六根主軸，六合一的模式方便短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一孔徑做不同性質(zhì)的加工，刀塔可一次完成定位、鉆孔、擴(kuò)孔、鏜孔、鉸孔、攻牙、滾光等加工程序。此外，在準(zhǔn)確的重復(fù)刀具主軸的定位下，不需昂貴的鉆床工具。該鉆床價(jià)格只是綜合加工機(jī)的1/3，性價(jià)比較高。該轉(zhuǎn)塔式六角鉆床在軸承、汽動(dòng)組件、涂裝器材、空油壓零件、模具、汽機(jī)車零件與運(yùn)動(dòng)器材等相關(guān)孔加工產(chǎn)業(yè)方面有著廣泛的應(yīng)用。

但是，由于該機(jī)床的換刀動(dòng)作是依靠滑座的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)觸發(fā)的，所以換刀時(shí)間過長(zhǎng)，制約了機(jī)床加工效率的進(jìn)一步提高。因此，如果能改進(jìn)其換刀觸發(fā)方式，將能有效地縮短換刀時(shí)間，提高機(jī)床的加工效率。

1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的介紹

機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)床動(dòng)力由主軸電機(jī)輸出后經(jīng)同步帶輪傳至機(jī)身本體內(nèi)的萬(wàn)向聯(lián)軸器，電機(jī)軸端和萬(wàn)向聯(lián)軸器端各有兩個(gè)同步帶輪，一大一小，通過選用不同的同步帶輪可以獲得兩種不同的傳動(dòng)比，達(dá)到增速或減速的目的，使主軸的速度范圍增大，以適應(yīng)不同的加工速度要求。

動(dòng)力通過萬(wàn)向聯(lián)軸器從機(jī)身本體傳至滑座本體內(nèi)的齒輪軸，工作時(shí)滑座在機(jī)身本體上的導(dǎo)軌中上下滑動(dòng)，以帶動(dòng)六角頭本體上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)?？缮炜s型萬(wàn)向聯(lián)軸器能在兩軸不在同一軸線，存在軸線夾角的情況下實(shí)現(xiàn)所聯(lián)接的兩軸連續(xù)回轉(zhuǎn)，并可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。這就使得滑座本體可以在行程范圍內(nèi)在機(jī)身本體上自由地運(yùn)動(dòng)。

六角頭本體是固定在滑座上的，動(dòng)力在滑座本體內(nèi)經(jīng)過一系列機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳遞后，傳至六角頭本體，再由一對(duì)相互垂直的斜齒輪傳至向下的主軸，帶動(dòng)該主軸上的刀具運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆孔或切屑。

機(jī)身本體升降手輪是用于調(diào)節(jié)機(jī)身本體在機(jī)身立柱上的相對(duì)位置的，通過調(diào)節(jié)機(jī)身本體的位置使得刀具相對(duì)工作臺(tái)有不同的基本高度，以適應(yīng)更多不同外形尺寸的零件的加工，使得可加工的零件范圍增大。

伺服電機(jī)是用于控制滑座本體在機(jī)身本體上滑行的，由于六角頭本體是安裝在滑座本體上的，所以伺服電機(jī)便可控制刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過變速箱后，由齒輪齒條將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑座在豎直方向上運(yùn)動(dòng)。

2 換刀觸發(fā)方式的改進(jìn)

2.1 換刀過程

當(dāng)NC 控制器得到換刀的指令時(shí)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作，使滑座本體向上運(yùn)動(dòng)，直至套筒螺絲碰到固定在機(jī)身本體上的壓桿，由于繼續(xù)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，壓桿將推動(dòng)套筒螺絲向下運(yùn)動(dòng)，套筒螺絲又推動(dòng)運(yùn)動(dòng)環(huán)向下壓縮彈簧，并推動(dòng)推桿向下運(yùn)動(dòng)。推桿動(dòng)作到位后，NC 控制器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑座向下運(yùn)動(dòng)，推桿，運(yùn)動(dòng)環(huán)和套筒螺絲在彈簧力的作用下快速回到原來(lái)的位置。推桿動(dòng)作后將會(huì)帶動(dòng)一系列機(jī)械動(dòng)作，使主軸動(dòng)力分離，六角頭與滑座之間的連接分離，主軸電機(jī)的動(dòng)力與日內(nèi)瓦機(jī)構(gòu)連接，使日內(nèi)瓦機(jī)構(gòu)動(dòng)作，推動(dòng)六角頭沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過六十度，然后主軸電機(jī)的動(dòng)力與日內(nèi)瓦機(jī)構(gòu)分離，六角頭與滑座之間的連接結(jié)合，主軸電機(jī)的動(dòng)力與主軸重新結(jié)合，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一次換刀。然后NC 控制器檢測(cè)刀位信號(hào)，如果當(dāng)前刀位與所要求的刀位不符，將繼續(xù)重復(fù)上述過程換刀，直到換至所需要的刀位。

2.2 換刀過程分析

在上述換刀過程中，每次換刀必須要讓滑座向上運(yùn)動(dòng)到極限位置，來(lái)觸發(fā)換刀動(dòng)作，之后又必須向下運(yùn)動(dòng)一定距離，使得推桿有足夠的空間退回原來(lái)的位置，避免連續(xù)換刀。而換刀前，刀具一般都是處于加工狀態(tài)，需要換刀時(shí)，滑座向上運(yùn)動(dòng)，使刀具離開工件足夠距離，但此時(shí)滑座仍處在導(dǎo)軌的下端位置，驅(qū)動(dòng)滑座從導(dǎo)軌的下端運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)軌的上端，去與機(jī)身上的壓桿相碰來(lái)觸發(fā)換刀動(dòng)作，使得換刀時(shí)間加長(zhǎng)，加工效率變低。

圖2 換刀的觸發(fā)動(dòng)作示意圖

2.3 提出改進(jìn)思路

為此，考慮一種新的方法來(lái)觸發(fā)換刀動(dòng)作，以提高換刀速度，縮短換刀時(shí)間。要想縮短換刀時(shí)間，就不能依靠滑座的運(yùn)動(dòng)來(lái)觸發(fā)換刀動(dòng)作，應(yīng)使滑座處于任何位置均能快速觸發(fā)換刀動(dòng)作。

3 換刀觸發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 方案的確定

為使換刀動(dòng)作方便快速地觸發(fā)，考慮將原來(lái)的運(yùn)動(dòng)環(huán)壓蓋去掉，在該位置安裝一個(gè)動(dòng)作元件，通過控制動(dòng)作元件來(lái)推動(dòng)推桿動(dòng)作，觸發(fā)換刀，不再需要滑座運(yùn)動(dòng)較長(zhǎng)距離去觸發(fā)換刀。這樣便可節(jié)省換刀時(shí)間，提高機(jī)床的工作效率。該動(dòng)作元件可以選用氣缸或者液壓缸，由于推動(dòng)推桿動(dòng)作并不需要很大的力，而且氣缸的介質(zhì)采用壓縮空氣，沒有供應(yīng)上的困難，用過的空氣可直接排入大氣，方便處理，不會(huì)產(chǎn)生污染，采用氣缸的價(jià)格成本低，因此，本次設(shè)計(jì)采用氣缸。

3.2 氣缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

(1)彈簧基本參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)用100N 大小的推力去推推桿時(shí)，可保證推桿動(dòng)作。當(dāng)推桿動(dòng)作到位后，氣缸卸荷，推桿運(yùn)動(dòng)環(huán)和套筒螺絲在彈簧力的作用下快速回到原來(lái)的位置，為保證退回，彈簧處于壓縮量最大的狀態(tài)時(shí)，彈簧力應(yīng)大于100N，設(shè)此時(shí)彈簧力為f =150N，推桿向下需要的行程為9mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，彈簧靜止長(zhǎng)度為b =26mm，處于上極限位置時(shí)便有4mm 的壓縮量，處于下極限位置時(shí)壓縮量為9 +4 =13mm。

式中，f—作用力;y—彈簧壓縮后長(zhǎng)度;b—彈簧靜止長(zhǎng)度;k—彈簧剛度系數(shù)(與彈簧材料，尺寸有關(guān))。

所以彈簧的靜止長(zhǎng)度為26mm，彈性系數(shù)為11.5N/mm，外徑18mm。

(2)活塞面積大小的計(jì)算

活塞需要提供的推力:

式中，f—推力;p—壓縮空氣壓力;s—活塞面積;r—活塞半徑。

通常設(shè)備的壓縮空氣供壓為0.6 ～0.7MPa 左右，故選用p=0.6MPa。

為了增大可靠性，對(duì)推力f'采用安全系數(shù)k=1.6，即:

故取r=15mm，即活塞的半徑為15mm。

(3)活塞行程的確定

推桿需要的行程是9mm，當(dāng)氣缸不動(dòng)作時(shí)，活塞下端的頂桿與套筒螺絲之間應(yīng)留2mm 的間隙，以保證推桿退回不受影響。故活塞的行程應(yīng)為:

根據(jù)活塞的大小，行程，設(shè)計(jì)出所需要的氣缸，簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 換刀觸發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

汽缸蓋的下端具有與滑座本體相配的螺紋，氣缸依靠該螺紋安裝在滑座本體上。氣缸動(dòng)作時(shí)，壓縮空氣從氣缸尾部進(jìn)入，推動(dòng)活塞向下動(dòng)作，見圖4。

圖4 改進(jìn)后的換刀觸發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 氣缸動(dòng)作的控制

氣缸的控制以及換刀的過程如圖5 所示。

圖5 氣缸控制以及換刀過程示意圖

當(dāng)系統(tǒng)得到換刀命令時(shí)，首先將當(dāng)前刀位信號(hào)與所需刀位信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)不一致時(shí)，操作系統(tǒng)向PLC發(fā)出一個(gè)正轉(zhuǎn)換刀脈沖，PLC 的對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)有效，使對(duì)應(yīng)中間繼電器得電，驅(qū)動(dòng)中間繼電器動(dòng)作，中間繼電器動(dòng)作后，電磁控制閥打開，壓縮空氣進(jìn)入氣缸，氣缸動(dòng)作，推動(dòng)推桿動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)換刀。換刀結(jié)束后，操作系統(tǒng)將檢測(cè)當(dāng)前刀位信號(hào)與所需刀位信號(hào)是否一致，不一致時(shí)，將再發(fā)出一個(gè)正轉(zhuǎn)換刀脈沖信號(hào)，直至換至所需刀具。氣缸每次動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間，可通過在PLC 程序中設(shè)定對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)的每次有效持續(xù)時(shí)間來(lái)控制。整個(gè)換刀過程中，在刀具離開工件安全距離后，滑座不需要?jiǎng)幼?，換刀動(dòng)作的觸發(fā)完全由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，能方便快速地實(shí)現(xiàn)換刀。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐測(cè)量，換刀觸發(fā)方式改進(jìn)前，相鄰刀具的換刀時(shí)間約為2.8s，改進(jìn)后相鄰刀具的換刀時(shí)間約為1.6s，節(jié)省了1.2s，當(dāng)所需刀具與當(dāng)前刀具不相鄰時(shí)，需要多次觸發(fā)換刀，才可換至所需刀具，節(jié)省的時(shí)間將更多。機(jī)床的六角頭共有六把刀具，加工時(shí)往往需要經(jīng)常換刀，因此換刀觸發(fā)方式的改進(jìn)，避免了很多不必要的時(shí)間浪費(fèi)，對(duì)機(jī)床加工效率的提高有顯著的作用。而且本次改進(jìn)只需要增加一個(gè)氣缸，一個(gè)中間繼電器和一個(gè)電磁控制閥，幾乎不需要機(jī)床制造成本的增加，具有很好的實(shí)用性。

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