高效自動(dòng)攻絲機(jī)的設(shè)計(jì)及控制研究

劉本學(xué)，申 俊，董 剛

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

建筑工程熱水管道的安裝所使用管道材料為瑪鋼材料，該材料的性能特點(diǎn)為：抗斷性能優(yōu)良、抗脫性能好、抗銹蝕能力強(qiáng)和抗滑性能強(qiáng)。并且相對(duì)于鋼材材料來(lái)說(shuō)，瑪鋼材料價(jià)格低廉，因此在水暖工程上應(yīng)用廣泛。水暖安裝在安裝時(shí)，管路的密封需要用到相應(yīng)的堵頭，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際的安裝情況：R1/2型堵頭應(yīng)用最為廣泛（其為入戶(hù)水暖管道最后密封部件），市場(chǎng)需求量最大。生產(chǎn)此類(lèi)堵頭的設(shè)備須滿(mǎn)足低廉快捷的要求，現(xiàn)有的堵頭攻絲設(shè)備，在使用過(guò)程中存在如下問(wèn)題[1～3]：

1）生產(chǎn)效率低；現(xiàn)有的加工機(jī)械為單機(jī)操作，單臺(tái)機(jī)器一次僅能加工一個(gè)堵頭，生產(chǎn)效率低。

2）自動(dòng)化水平低；在生產(chǎn)過(guò)程中，現(xiàn)有攻絲機(jī)需人工根據(jù)肉眼判斷攻絲深度，然觸動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)工作，整個(gè)加工過(guò)程，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。

3）電機(jī)損壞大，單件用電量高；由于堵頭在加工過(guò)程中，需要工人開(kāi)動(dòng)按鈕操縱電機(jī)的正反轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)攻絲和退絲的功能要求。電機(jī)的正轉(zhuǎn)向反轉(zhuǎn)快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電流增大，發(fā)熱量增多，導(dǎo)致耗電增多，電機(jī)壽命降低。

基于現(xiàn)有堵頭攻絲機(jī)的諸多缺點(diǎn)，本文進(jìn)行了一種新型高效自動(dòng)攻絲機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 新型自動(dòng)攻絲機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為了克服現(xiàn)有堵頭攻絲機(jī)的不足，新設(shè)計(jì)的自動(dòng)攻絲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，1為機(jī)架，2為動(dòng)力總成系統(tǒng)（主要包括電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)），3為換向總成系統(tǒng)，4為刀具加工總成系統(tǒng)，5為電器控制系統(tǒng)與氣動(dòng)執(zhí)行元件，6為毛坯輸送總成。

圖1 攻絲機(jī)機(jī)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)為：1）采用機(jī)械、氣動(dòng)和自動(dòng)化組合，自動(dòng)化程度高，加工精度高；2）采用新型結(jié)構(gòu)保證在加工和卸料過(guò)程中電機(jī)不正反轉(zhuǎn)交替，延長(zhǎng)使用壽命并節(jié)約能源；3）采用傳感器及執(zhí)行元件降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；4）一次可以生產(chǎn)多個(gè)堵頭（本方案為四個(gè)，數(shù)量可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置添加），生產(chǎn)效率高。

自動(dòng)攻絲機(jī)采用全自動(dòng)模式進(jìn)行生產(chǎn)，并通過(guò)相應(yīng)的傳感器來(lái)滿(mǎn)足工藝精度、加工效率和工作可靠性要求，利用傳感開(kāi)關(guān)等來(lái)控制自動(dòng)攻絲機(jī)的加工與退刀過(guò)程[4]。全自動(dòng)攻絲機(jī)生產(chǎn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 攻絲機(jī)加工原理圖

工件在傳送帶的帶動(dòng)下前行，走到位置傳感器5時(shí)，傳送帶停止，攻絲機(jī)刀具下行對(duì)工件進(jìn)行加工，加工至設(shè)定深度（加工完成或其他）時(shí)，攻絲機(jī)刀具位置傳感器2感應(yīng)到相應(yīng)加工距離，并通過(guò)控制器控制攻絲機(jī)換向機(jī)構(gòu)進(jìn)行換向。同時(shí)，在攻絲機(jī)的加工刀具離開(kāi)工件之后，傳送帶開(kāi)始運(yùn)行，已加工工件被輸送走，為加工工件到達(dá)加工位置等待下一循環(huán)。這樣整個(gè)過(guò)程中操作人員只需要在工作臺(tái)左側(cè)將工件逐個(gè)安放于工作槽中即可。

2 不停機(jī)換向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)攻絲機(jī)在加工完成后應(yīng)具有相應(yīng)的退刀過(guò)程，以此來(lái)保證工件的合理取出與自動(dòng)加工的延續(xù)性。與現(xiàn)有攻絲機(jī)技術(shù)相比，本文所設(shè)計(jì)攻絲機(jī)在工件加工完成后的退刀，不需要電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)，通過(guò)中間換向機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)退刀，其優(yōu)點(diǎn)在于可以避免電動(dòng)機(jī)的頻繁啟停，提高了電機(jī)的使用壽命，并降低能耗。圖3所示為所設(shè)計(jì)的相應(yīng)的不停機(jī)換向機(jī)構(gòu)圖。

圖3 換向機(jī)構(gòu)圖

自動(dòng)換向的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)：正轉(zhuǎn)時(shí)，花鍵套與上部軸連接，反轉(zhuǎn)時(shí)，花鍵套與下部機(jī)構(gòu)連接，正反轉(zhuǎn)的輸出裝置裝有中間惰輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變。如圖3所示，在軸系的空間布局中，通過(guò)合理的軸系布局使動(dòng)力輸出軸2、惰輪軸14、中間軸9上面的齒輪：動(dòng)力輸出軸齒輪15、中間惰輪12、中間齒輪11嚙合，同時(shí)保證動(dòng)力輸入軸齒輪7與中間齒輪10嚙合。

具體的工作過(guò)程為：

動(dòng)力輸入由聯(lián)軸器輸送至換向機(jī)構(gòu)輸入軸8，輸入軸帶動(dòng)輸入軸齒輪7運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)嚙合傳遞帶動(dòng)中間齒輪10、中間軸9、中間齒輪11運(yùn)轉(zhuǎn)，之后，中間齒輪11帶動(dòng)惰輪12運(yùn)轉(zhuǎn)，嚙合傳遞帶動(dòng)輸出齒輪15，輸出齒輪15固定安裝于換向外花鍵。在氣缸活塞位于行程下端時(shí)，撥叉桿帶動(dòng)撥叉與連接構(gòu)件6，是輸入軸與輸出軸通過(guò)外花鍵與花鍵套直接連接，此時(shí)動(dòng)力由輸入軸8直接傳遞到輸出軸2，從而帶動(dòng)帶輪1運(yùn)轉(zhuǎn)，使動(dòng)力輸送至進(jìn)給系統(tǒng)。此過(guò)程中，輸出齒輪15與換向外花鍵在軸承上面空轉(zhuǎn)，不傳遞動(dòng)力。當(dāng)氣缸位于行程上端時(shí)，撥叉桿帶動(dòng)撥叉與連接構(gòu)件6上行，輸入軸與輸出軸不再直接相連，此時(shí)，輸出軸2與換向外花鍵16相連，此時(shí)由于輸入軸輸入的動(dòng)力帶動(dòng)相應(yīng)的齒輪與軸系運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪15固定連接在換向外花鍵16上面。動(dòng)力的傳遞路徑為：輸入軸→中間軸→惰輪→輸出軸。傳遞過(guò)程中經(jīng)過(guò)三次齒輪外嚙合傳遞，此時(shí)，輸出軸帶動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)向與氣缸活塞位于下止點(diǎn)時(shí)帶輪轉(zhuǎn)向相反。這樣通過(guò)控制氣缸的活塞位置就可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的動(dòng)力輸出方向，以此來(lái)達(dá)到控制自動(dòng)攻絲機(jī)的加工與退刀過(guò)程。

3 自動(dòng)攻絲機(jī)的基本控制設(shè)計(jì)

3.1 毛坯工件在傳送帶上面的控制

工件在傳送帶上面運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)位置傳感器來(lái)感觸毛坯工件位置，在毛坯運(yùn)行至攻絲機(jī)加工刀具正下方時(shí)，相應(yīng)的位置傳感器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)控制單元令輸送機(jī)停止運(yùn)行，以保證工件加工的精確度，在加工完成后，控制單元指令輸送機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，以此保證后續(xù)工件的加工[5]。

3.2 自動(dòng)攻絲機(jī)動(dòng)力部分及工件加工的控制

攻絲機(jī)的動(dòng)力部分由電動(dòng)機(jī)與氣動(dòng)元件提供，其中，電動(dòng)機(jī)為刀具的進(jìn)給與退刀過(guò)程提供動(dòng)力，完成相應(yīng)的加工流程，氣動(dòng)元件為工件加工時(shí)毛坯的定位提供相應(yīng)的動(dòng)力。

攻絲機(jī)床工作循環(huán)：工件在傳送帶上位置確定以后，氣動(dòng)元件帶動(dòng)挺桿，頂住毛坯工件以保證在加工過(guò)程中毛坯不可移動(dòng)。此時(shí)，機(jī)床控制中心發(fā)出刀具下行信號(hào)，攻絲機(jī)刀具下行并完成相應(yīng)的加工過(guò)程，到達(dá)攻進(jìn)終點(diǎn)后，控制中心啟動(dòng)換向機(jī)構(gòu)完成換向，使刀具反轉(zhuǎn)，攻絲機(jī)回到原位，自此過(guò)程中氣動(dòng)部分收回挺桿，完成一個(gè)工作循環(huán)。攻絲機(jī)操作循環(huán)示意圖如圖4所示。

圖4 攻絲機(jī)操作循環(huán)

自動(dòng)攻絲機(jī)自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在控制器的作用下實(shí)現(xiàn)各工作裝置的動(dòng)作[6,7]?；诩庸ち悴考木芤蟪潭?，在攻絲過(guò)程中不涉及到反饋信號(hào)，各工作裝置的動(dòng)作依靠位置傳感器來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

通過(guò)應(yīng)用PLC來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)等一系列操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)在攻絲過(guò)程中加工循環(huán)的連續(xù)性。當(dāng)前，PLC作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)完成相應(yīng)控制，具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低，編程方便等優(yōu)點(diǎn)，易于推廣應(yīng)用[8]。右圖5是基于PLC所做的控制流程圖，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)攻絲機(jī)的攻絲操作。

在毛坯工件有輸送帶輸送至準(zhǔn)確位置并靜止后，控制中心發(fā)出相應(yīng)指令，以此令氣動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)給系統(tǒng)總成中氣缸活塞下行，帶動(dòng)挺桿運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)使毛坯工件固定于工作臺(tái)面上，保證在加工過(guò)程中，毛坯工件不隨刀具移動(dòng)。與此同時(shí)，控制單元控制換向機(jī)構(gòu)氣缸活塞下行，使得換向機(jī)構(gòu)輸出動(dòng)力傳遞至刀具進(jìn)給系統(tǒng)中，令刀具下行，對(duì)工件進(jìn)行相應(yīng)的攻絲加工。工件的加工深度由刀具位置傳感器來(lái)控制，在工件加工至合適深度后，傳感器接感應(yīng)刀具位置，發(fā)出信號(hào)至控制單元，控制單元控制換向機(jī)構(gòu)氣缸活塞上行，以此來(lái)完成退刀過(guò)程，在刀具上行過(guò)程中挺桿收回。挺桿收回后，控制單元控制輸送機(jī)運(yùn)行，傳遞下一工件至合適位置再進(jìn)行相應(yīng)的上述循環(huán)。

為了保證自動(dòng)攻絲機(jī)的加工效率，具體的工作流程時(shí)間安排為（以加工R1/2型堵頭為例）如表1所示（整體加工節(jié)拍為7s）。

表1 攻絲機(jī)各動(dòng)作時(shí)間分配值（單位：秒）

圖5 攻絲機(jī)控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)從提高攻絲機(jī)加工效率與合理延長(zhǎng)機(jī)床電動(dòng)機(jī)壽命著手，進(jìn)行不停機(jī)換向機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)自動(dòng)攻絲機(jī)的控制進(jìn)行相應(yīng)的方案設(shè)定，保證機(jī)床能夠高效率、準(zhǔn)確的進(jìn)行加工。

相應(yīng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品相對(duì)于現(xiàn)有的攻絲機(jī)床具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）可以大幅提高相應(yīng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，單臺(tái)機(jī)床的日加工量可達(dá)到15000以上，相較于現(xiàn)有設(shè)備4000左右的日加工量，效率提升明顯。

2）自動(dòng)化程度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，同時(shí)基于不停機(jī)換向機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)不需要進(jìn)行頻繁的啟動(dòng)，提高了電動(dòng)機(jī)及整個(gè)機(jī)床的壽命。

3）廢品率低，采用單一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)組合刀具的加工方式，以此來(lái)保證刀具運(yùn)行的一致性，同時(shí)，輸送機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制提高了加工的精確度。

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