基于平模加工的普通臺鉆改造設(shè)計

蘇春錦

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，福州 350003)

0 前言

如圖1所示，平模零件是飼料機械中用來控制飼料顆粒大小的零件，其外徑有Φ200、Φ250、Φ315、Φ400、Φ500等系列，控制飼料顆粒粗細的孔徑可分為：Φ1.0、Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5、Φ3.5、Φ4.0、Φ5.0、Φ6.0等。一塊平模零件上有成百上千個小孔，并且兩面都有倒角?？梢姡@孔和倒角是平模加工的主要加工量。

圖1 平模零件

雖然數(shù)控機床也能實現(xiàn)鉆孔加工，但因數(shù)控機床價格遠比普通臺鉆高，故飼料機械中的平模零件的鉆孔工作還是普遍采用臺鉆來完成。為了降低平模鉆孔的加工成本和提高鉆孔生產(chǎn)效率，對于幾百上千個孔的平模零件的生產(chǎn)，需把高強度手工進給的臺鉆改為氣動自動進給臺鉆。

1 臺鉆結(jié)構(gòu)原理

如圖2所示，臺鉆由電機作為動力，通過塔式三角帶輪傳動傳遞給主軸實現(xiàn)臺鉆鉆頭旋轉(zhuǎn)的主運動。帶有齒條結(jié)構(gòu)的主軸套筒與主軸箱采用高精度的間隙配合而能夠直線運動，帶有齒條結(jié)構(gòu)的主軸套筒與手柄相聯(lián)接的齒輪嚙合形成齒輪齒條傳動，從而轉(zhuǎn)動手柄可以使主軸套筒實現(xiàn)直線運動并實現(xiàn)了鉆頭直線運動的進給運動。因為主軸與帶有齒條結(jié)構(gòu)的主軸套筒內(nèi)孔采用高精度的滾動軸承聯(lián)接，主軸能自由地在主軸套筒里面旋轉(zhuǎn)，但主軸套筒的上下移動會帶動主軸的上下移動，空心塔式三角帶輪通過鍵聯(lián)接與內(nèi)花鍵軸固定，內(nèi)花鍵軸與主軸的上端有一個比較長的花鍵軸實現(xiàn)花鍵聯(lián)接，空心塔式三角帶輪帶動內(nèi)花鍵軸的轉(zhuǎn)動而帶動主軸轉(zhuǎn)動，這樣主軸在花鍵聯(lián)接的方式下既能上下移動又能轉(zhuǎn)動。

1.搖把；2.限位擋塊；3.頭架；4.螺母；5.主軸；6.進給手柄；7.鎖緊手柄；8.底座；9.立柱座；10.立柱；11.螺釘；12.電動機；13.接線盒圖2 臺鉆結(jié)構(gòu)

2 臺鉆改造

通過對臺鉆機械結(jié)構(gòu)和電氣控制的改造，使平模零件在工作臺上安裝定位后，能夠自動控制平模零件的鉆孔加工及定位。

2.1 機械結(jié)構(gòu)改造

2.1.1 主軸進給裝置改造

拆去原氣動進給普通臺鉆的進給手柄和齒輪，裝上一套氣動控制裝置來完成主軸的進給運動，而主軸的旋轉(zhuǎn)運動還是由原來的塔式三角帶傳動實現(xiàn)。這樣在操作時，工件裝夾并定位好后就無需用手抓操作手柄進給，而是通過開關(guān)按鍵實現(xiàn)自動進給。具體改裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，在主軸套筒的下方安裝一個進給氣缸橫梁，橫梁的兩端分別安裝一個雙作用進給氣缸，同時進給氣缸固定在支架上；在進給氣缸橫梁前面的中間部位安裝一個阻尼器，用來緩沖氣缸行程末端的運動和力。

圖3 臺鉆主軸進給的機械改造

2.1.2 工作臺改造

平模零件上孔多，鉆孔定位的工作量也很大，為實現(xiàn)鉆孔的自動定位，在臺鉆原來的工作臺上固定疊加兩個十字相交且由步進電機帶動的自動進給工作臺，從而實現(xiàn)平模零件鉆孔時的自動定位，如圖4所示。

圖4 臺鉆自動進給工作臺

2.2 電氣控制改造

從臺鉆機械結(jié)構(gòu)的改造可以看出，主軸的旋轉(zhuǎn)運動還是由原來的電機通過塔式三角帶傳動實現(xiàn)，而主軸的直線進給由氣缸活塞桿的直線往復(fù)運動來實現(xiàn)，同時，工件的移動由兩個十字相交步進電機帶動的自動工作臺來實現(xiàn)，電氣控制系統(tǒng)要完成上述控制功能。

2.2.1 氣動控制改造

鉆孔進給過程中，鉆頭在起始位置到工件表面的空行程要求動作要快，以提高效率，在鉆孔過程中要根據(jù)要求調(diào)節(jié)進給速度，在工件快鉆透時要求進給速度要慢以防止進給力太大和鉆頭折斷。

鉆孔進給運動的實現(xiàn)是由兩個豎直安裝的雙作用氣缸來推動臺鉆主軸上下運動。為滿足鉆孔工藝要求，臺鉆氣動進給的氣動控制要采用不同控制回路：快速進給回路用來實現(xiàn)鉆頭在空行程的快速動作要求；二次慢速進給回路用來實現(xiàn)進給過程的兩種進給速度、快速返回；同步回路用來實現(xiàn)兩個氣缸同時動作；速度調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)用來實現(xiàn)不同工況的進給速度要求。主控閥采用兩位五通雙電控先導(dǎo)式電磁閥(帶手動)，設(shè)置單向節(jié)流閥來調(diào)節(jié)氣缸速度，利用快速排氣閥使氣缸快速排氣，如圖5所示。同時，通過阻尼器來保證慢速的進給速度和力的控制，如圖3所示。

圖5 臺鉆氣壓回路圖

2.2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。主控芯片采用STM32F103C8T6，STM32F103C8T6采用ARM 32位的CortexTM-M3 CPU內(nèi)核，最高72 MHz工作頻率，64 K的閃存程序存儲器，20 K的RAM存儲器，工作電壓范圍2～3.6 V，有睡眠、停機和待機模式低功耗模式，自帶3個12位AD轉(zhuǎn)換器，自帶2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器，支持定時器、ADC、DAC、SDIO、I 2 S、SPI、I 2 C和USART，有4個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道，有2個16位6通道高級控制定時器，多達6路PWM輸出，并帶死區(qū)控制，非常適合電機運動控制。

圖6 控制系統(tǒng)

嵌入式文件操作系統(tǒng)是基于國內(nèi)振南老師的znFAT系統(tǒng)移植過來的。

孔位存儲器選用通用的SD卡，以TXT文本形式存放孔號以及相應(yīng)孔號的X和Y的絕坐標值。SD卡與STM32F103C8T6單片機采用SPI通信。

工作臺的X方向和Y方向均采用57BYG250型步進電機驅(qū)動，驅(qū)動器均采用TB660型步進電機驅(qū)動器。

顯示屏采用LCD12864液晶屏，用來顯示要加工的孔號以及孔號的X和Y的絕對坐標位置。

三色工作指示燈用來提示設(shè)備是在準備狀態(tài)、加工運行狀態(tài)還是加工完成狀態(tài)，蜂鳴器用來提示設(shè)備故障等。

輸入鍵盤用來控制設(shè)備啟動、暫停、停止、修改孔位號的絕對坐標值以及手動移動工作臺等。

在零件圖紙中設(shè)定坐標原點，可以確定各孔的X和Y方向坐標值，從而確定各孔裝夾定位的位置，可以計算出各孔在工作臺上的X和Y的坐標值，并保存在SD卡內(nèi)的TXT文本里。工作人員只要手工完成平模零件的安裝定位，再通過按鍵復(fù)位、回原點、讀取孔的TXT文本、啟動即可開始自動加工，加工完成蜂鳴器發(fā)出3聲“滴滴滴”提示聲音，同時三色燈橙色燈閃爍。取件，再次手工完成平模零件的安裝定位，再通過按鍵復(fù)位、回原點、讀取孔的TXT文本、啟動，即又可開始自動加工件。加工流程如圖7所示。

圖7 加工流程圖

3 結(jié)語

針對平模零件加工的普通臺鉆改造，保留了臺鉆原來的主體結(jié)構(gòu)和工作性能，增加了自動操作功能，原來采用普通臺鉆時，經(jīng)驗豐富的熟練師傅一天只能加工一二個平模零件，采用本改造的設(shè)備后，一個普通師傅只需要進行平模零件上下料的操作，可以同時管理幾臺設(shè)備，大大提高了生產(chǎn)效率和零件的加工質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，獲得客戶好評。同時，為類似產(chǎn)品加工設(shè)備的改造提供了借鑒。