盤狀零件孔加工的自動化改造

羅湛，陳亞

(1.大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024;2.貴州民族大學地質災害防治工程技術研究中心，貴州貴陽550000;3.北京富地紅華動力技術有限責任公司貴陽分公司，貴州貴陽550000)

隨著國內人力成本的不斷上升，企業(yè)的利潤越來越低。為降低人工支出，就必須裁員或是遷往人力成本相對比較低的地區(qū)。搬遷對于很多企業(yè)來說，需要準備巨大的搬遷費用，實際操作比較困難。因而對現有生產設備進行自動化改造，精簡員工人數，提高生產率是企業(yè)發(fā)展的必由之路。

1 工藝改進方案

某廠生產的法蘭狀零件材料選用45 鋼，毛坯的外圓、端面已經完成半精加工，要求在圓周上加工4個均布的螺栓孔，并在上表面锪出沉頭孔。原來少量生產時，將工藝分為鉆孔和锪孔兩道工序完成，鉆孔和锪孔都使用簡易分度夾具，加工完一個孔后，手動旋轉分度盤進行分度，再加工下一個孔，定位夾緊都是人工完成，生產效率不高。隨著市場的變化，對該產品的需求量猛增，急需對工藝進行改進以提高產量。在對產品外形特點、加工要求、工廠設備狀況、財力狀況進行反復論證后，提出了PLC 和液壓相結合的孔加工系統(tǒng)設計方案，工藝設計思路如圖1所示。

圖1 加工流程示意圖

控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC，定位、夾緊、卸料采用液壓缸驅動。刀具改用具有鉆、锪孔功能的復合刀具，即刀具的前端是鉆頭，后半段是锪鉆，刀具進給一次時，依次完成鉆孔和锪孔。對現有的鉆床進行改造，拆除主軸箱，安裝外協(xié)定制的復合主軸箱，并將進給機構改為液壓驅動，新主軸箱上裝有4把刀具，一次進給可完成4 個孔的加工。工件定位采用平面和短V 塊進行定位，限制工件5 個自由度，使用短V 塊從另一端夾緊。工作時傳送裝置將工件從左側送入縱向槽，工件到達指定位置后，由磁性傳感器發(fā)出工件就位信號，夾緊V 塊快速將工件向定位V 塊開口處推動。由于V 塊具有自動定心功能，在運動過程中，自動將工件的圓心調整到夾緊V 塊的中心線上，保證工件不會與槽壁摩擦、擠壓造成卡料現象，在工件接近定位V 塊時減速調整，使工件正確定位。工件在夾緊過程中檢測夾緊缸的壓力，通過調整壓力開關，控制工件的夾緊力。工件加工完后，夾緊V 塊后退，頂出桿將工件頂出，再由推料桿將工件送入右端的料斗，同時啟動高壓氣源吹除切屑，為下一循環(huán)作準備。改造的目標是實現整個系統(tǒng)的高度自動化，提高生產效率。

2 數字閥設計思路

系統(tǒng)進給機構采用液壓數字閥驅動。當前市場上的數字閥價格較高，進口產品更昂貴，為此，選用價格較低的二位二通閥構建數字閥，通過控制5 個二位二通閥的動作實現快速運動和工進。如圖2所示，閥5 是快速旁路，快進或快退時導通，此時壓力油主要通過閥5 快速進入油缸;截止時，進入油缸的壓力油受閥1、2、3、4 控制，以實現數字閥的功能。閥1、2、3、4 的開口面積嚴格按照1∶2∶4∶8 的比例選取，由于所有閥是并聯(lián)結構，各閥兩端的壓差相等，當閥1、2、3、4 導通時，流量的比例關系是1∶2∶4∶8，若閥1 的流量是q，則閥2、3、4 的流量分別是2q、4q、8q，其對應關系正好滿足二-十進制數轉換的關系。通過控制閥1、2、3、4 的通斷，精確調整進入液壓缸的油量進而實現對活塞桿速度的控制。設閥1、2、3、4 的導通表示“1”，斷開表示“0”。閥1 導通時，二進制數為“0001”，十進制為“1”，進入缸體的流量為q，速度為v;閥1、3 導通時，二進制數為“0101”，十進制為“5”，進入缸體的流量為5q，速度為5v。當然，實現上述調速必須保證調速閥的流量大于閥1、2、3、4 的輸入需求。綜上所述，當調速閥6 的流量穩(wěn)定，就可以細分出16 種流量，液壓缸將獲得16 種進給速度。若是對調速閥進行標定，改變調速閥的流量，缸體將有無限多種進給速度，在工進中可以隨時精確改變進給速度，實現多種速度的工進，特別適合復合刀具的進給驅動。這種驅動方式與傳統(tǒng)的機械傳動進給控制相比，工藝適應范圍更廣。

圖2 二位二通閥組成的數字閥原理圖

3 液壓設計原理圖

系統(tǒng)的液壓原理如圖3所示，傳送裝置將待加工工件輸送到極限位置后，輸送磁性開關觸發(fā)，傳送裝置停止，并給三位四通閥10 和二位二通閥11 發(fā)出控制信號，電磁鐵6YA 和7YA 通電，閥10 的P 口和A口導通，閥11 右位，夾緊缸14 的活塞桿伸出，將工件快速推向定位V 塊。在工件離定位V 塊約10 mm時缸14 的活塞桿觸發(fā)減速限位開關，7YA 斷電，閥11 復位，壓力油只經過調速閥12 進入缸14 左腔，通過調整調速閥12，可以控制工件接近定位V 塊的速度。工件和定位V 塊充分接觸后，隨著夾緊力的增大，缸14 左腔壓力逐漸升高，夾緊力達到設定值時，壓力開關13 觸發(fā)，使電磁鐵YA6 斷電，閥10回到中位，工件定位和夾緊流程結束。與此同時，二位二通閥19、三位四通閥20 也收到壓力開關13 動作的信號，電磁鐵12YA、14YA 通電，壓力油主要經調速閥4、閥19、閥20 進入進給缸21 的上腔，刀具快速向工件表面運動。刀具組件在距離工件表面5 mm時，觸發(fā)快進光電限位開關，12YA 立即斷電，壓力油只能經過二位二通閥15、16、17、18 組成的數字閥進入進給缸21，實現精確工進。由于工件的待加工表面是兩個直徑不同的階梯孔，在鉆孔結束后，會觸發(fā)鉆孔行程光電限位開關，閥15、16、17、18 將根據預先設定的動作運動，降低進給速度，再進入锪孔加工。刀具在向下進給遇到下極限位置光電開關后，電磁鐵14YA 斷電，12YA、13YA 通電，閥19 導通，閥20 換到左位，壓力油主要經閥4、19、20 進入缸21 下腔，活塞桿縮回，實現刀具快退。刀具快退到上行程極限后，撞擊進給上極限行程開關，12YA、13YA 斷電，5YA、7YA 得電，刀具進給停止，夾緊缸14 活塞桿縮回。夾緊V 塊縮回到極限位置時，5YA、7YA 斷電，2YA 通電，頂出缸6 的活塞桿將工件從定位V 塊頂出。缸6 的活塞桿運動受兩個行程開關控制，頂出缸活塞桿頂出到位后，2YA斷電，1YA 通電，閥5 換向，頂出桿快速縮回。當缸6 的活塞桿退回到起始位置后，撞擊后行程開關，給換向閥5、8 發(fā)出控制信號，閥5 的1YA 斷電，閥5回到中位，閥8 的電磁鐵4YA 得電，推出缸9 的活塞桿將工件推入接料斗。推出桿撞到伸出極限行程開關后，4YA 斷電，3YA 通電，推出桿快速縮回，在撞上縮回行程開關后，向閥8、排屑氣源開關、傳送裝置發(fā)控制信號，使3YA 斷電，換向閥8 中位，一次完整的加工流程結束，傳送裝置收到信號后，啟動下一工作循環(huán)。

圖3 系統(tǒng)液壓原理圖

4 PLC 控制設計

西門子PLC 產品線豐富，硬件可靠性高，軟件配套完善，市場占有率高，控制系統(tǒng)選擇其產品有利于確保整個加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于后期升級及維護。根據現有控制點數需求情況以及未來系統(tǒng)升級需要，最終選擇西門子S7-300 PLC。由于進給調速系統(tǒng)采用的是數字量控制，整個系統(tǒng)的信號檢測部分也都是開關量，所以控制系統(tǒng)程序設計相對容易。各控制量符號表如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)符號表

為使系統(tǒng)控制程序便于修改和維護，將數字閥部分的控制寫成16 個功能塊，每一個速度對應一個功能塊。例如要實現“速度7”，對應的二進制數為“0111”，PLC 的輸出端口就要使圖3 中的閥15、16、17 通電，閥18、19 斷電。功能塊的程序如下:

除控制數字閥的子塊外，另外編寫兩個塊用于設置鉆孔和锪孔速度，系統(tǒng)鉆孔和锪孔速度的初始值放在數據塊中，需要修改時通過觸摸屏進行設置，同時將加工的進程數據映射到觸摸屏上進行顯示。主程序部分是按照加工工藝流程依次編寫，整個系統(tǒng)完整的主程序如下所示:

5 結論

根據實際使用情況來看，也出現了一些問題，例如切屑清除不徹底造成定位誤差，夾緊不穩(wěn)定;盡管有鉆套引導，工件偏斜、刀具磨損不一致等現象使孔鉆偏，甚至出現刀具折斷現象;由于采用多把刀具同時進給，解決了速度問題，但是工藝適應性差，若是加工其他更多規(guī)格的產品，則必須設計分度裝置，一次鉆一個孔，生產效率必然降低。總之，經過運行初期反復調整后，系統(tǒng)運行正常，生產效率提高很多，基本達到預期要求。

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