自動鉆床執(zhí)行機構(gòu)與液壓系統(tǒng)設(shè)計

賀聞鵬，郭士林

（哈爾濱理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

就鉆床而言，非自動化的機床工作速度慢，達不到加工精度要求，導(dǎo)致在加工孔時相較于自動化鉆床工作效率低。另外，加工精度若達不到要求，導(dǎo)致次品率提高，將直接影響工人效率。因此，研究自動化系統(tǒng)是當(dāng)前臺式鉆床發(fā)展的主要任務(wù)。國內(nèi)外眾多專家、學(xué)者對鉆床進行了研究，并取得了顯著成果。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)臺式鉆床進行改進設(shè)計，為研究鉆床自動化奠定了基礎(chǔ)。

1 執(zhí)行機構(gòu)改造方案

文章提出了液壓系統(tǒng)的改造方案，通過液壓缸的進給運動代替人的手工操作。根據(jù)設(shè)計思路，要先考慮鉆頭切削運動和進給液壓缸的運動規(guī)律[1]。鉆頭的運動屬于旋轉(zhuǎn)切削運動和被直線的進給運動，故液壓缸的進給運動為直線運動。鉆頭的運動屬于旋轉(zhuǎn)切削運動和被直線的進給運動，故液壓缸的進給運動為直線運動。主運動是由電動機經(jīng)皮帶輪傳給主軸，再由軸承支承在活塞桿內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，活塞和活塞桿完成進給運動如圖1 所示。

圖1 進給運動圖

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

自動鉆床進給系統(tǒng)的控制是通過PLC 對主軸電機、液壓系統(tǒng)電磁閥、液壓泵電機以及行程開關(guān)的控制實現(xiàn)的[2]。其中，關(guān)于自動鉆床液壓系統(tǒng)回路的連接應(yīng)根據(jù)鉆床所要完成的具體動作來設(shè)計[3]?？刂瓶驁D如圖2 所示。

圖2 鉆床的控制框圖

3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 速度分析

確定滑臺液壓缸快進快退速度相等，V1=V3=0.1m/s，缸的工進速度V2=n1S1=360×0.15÷60mm/s=0.90mm/s。

可以計算出各工況的動作時間：t1=L1÷V1=1s；t2=L2÷V2=55.5s；快退t3=(L1+L2)÷V3=1.5s。

3.2 負載分析

液壓缸的受力為鉆削阻力。查閱書籍可知公式如下：

式中：Fe為鉆削阻力；D為鉆孔孔徑；S為進給量；HB為鑄件硬度。

計算出摩擦力、慣性力以及其他力，通過查閱書籍得到的公式來計算。

3.3 液壓缸參數(shù)計算

在工作時要保持液壓缸快進快退所需用時一致，還必須保證液壓泵的流量，把液壓缸面積小的腔認為工作腔[4-5]。在加速前進時采用差動連接，液壓缸直徑R要和活塞桿直徑y(tǒng)存在一定關(guān)系；查閱資料可知R=1.414y。

在正常工進時，機床可能因為慣性發(fā)生前沖，為了不發(fā)生這一現(xiàn)象，可設(shè)計維持一個回油背壓，取值為0.6MPa，取鉆床效率為0.9，查閱資料可得以下公式[4]：

查閱相關(guān)資料，將得出的值設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)直徑，取R=90mm。因R=1.414y，所以根據(jù)計算可以算出y的值：

按《液壓氣動系統(tǒng)及元件 缸內(nèi)徑及活塞桿外徑（GB/T 2348—1993）》，y為標(biāo)準(zhǔn)值，故y=63mm。根據(jù)公式可以算出各個腔的面積。

無桿腔的有效面積：

有桿腔的有效面積：

該設(shè)計的回油背壓的取值要參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，查閱資料可知在0.4MPa ～0.9MPa 選?。壕徛斑M時背壓力為0.8MPa，加速前進時背壓為0.5MPa。

3.4 液壓系統(tǒng)原理圖

設(shè)計的液壓系統(tǒng)中的回路包括改變液壓系統(tǒng)的執(zhí)行速度的調(diào)速回路，讓系統(tǒng)加速的快速運動回路，讓系統(tǒng)速度加速或減速的速度換接回路[6-9]。液壓原理圖如圖3 所示。

圖3 液壓原理圖

4 液壓元件的選擇

4.1 電動機的選擇

由參考資料可知，當(dāng)系統(tǒng)處于加速后退時消耗的功率最大。取標(biāo)準(zhǔn)值時，應(yīng)取最大值，即在加速后退時。同時，也應(yīng)存在一定的損失，液壓泵的總效率，則電動機的功率如下：

通過所算數(shù)據(jù)與相關(guān)系數(shù)比對，設(shè)計選擇一臺異步電動機，功率為0.75kW，轉(zhuǎn)速為960r/min。

4.2 油箱容積計算

油箱在液壓系統(tǒng)中十分重要。在設(shè)計油箱容積時，要做到在提供油時不能回油，回油時不能供油，二者不能互相干擾，還不能將過濾器裸露于空氣中。當(dāng)有大量油回來時，不可以大于油箱總?cè)萘?，并且不能因為散熱而損壞元件。

在該設(shè)計中，為了達到以上要求，就把容量定為泵的6 倍。查看標(biāo)準(zhǔn)值，選擇容量為100L。

5 自動鉆床的控制方法

5.1 控制要求

專機控制可能會出現(xiàn)以下情況：

1）該設(shè)計為了防止元件被破壞，設(shè)計了卸荷電磁鐵。當(dāng)未開始工作時，就可以有一條回油路，防止元件遭到破壞。

2）倘若在加工過程中出現(xiàn)了問題，馬上按下按鈕即可使主軸停止進給。

5.2 鉆床的控制流程

該液壓系統(tǒng)所要完成的任務(wù)是孔加工，液壓系統(tǒng)的設(shè)計所要實現(xiàn)的是機床主軸的快速前進→工作進給→快速退回→原位停止的加工過程。

主軸啟動控制：主軸電動機和液壓泵電動機的啟動控制可分別通過主軸電動機和液壓泵電動機電路上的交流接觸器控制。為了PLC 在寫入控制程序后便于操作人員監(jiān)控，主軸電動機和液壓泵電動機電路上的交流接觸器閉合。主軸電動機和液壓泵電動機啟動，5s 定時由定時器完成。

主軸快速前進：當(dāng)工件檢測器檢測到工件后，工件檢測開關(guān)SB1 閉合。進行工件的夾緊計時，定時器完成后，三位五通電磁換向閥電磁鐵1CT 和二位二通電磁換向閥4CT 得電，液壓控制系統(tǒng)接入快進油路主軸快速進給。

主軸工作進給：主軸快進行程完成后，快進行程開關(guān)SQ0 閉合，二位四通電磁換向閥電磁鐵3CT、二位二通電磁換向閥電磁鐵4CT 得電，液壓控制系統(tǒng)接入工進油路主軸工進[5-6]。

主軸快速退回：計時器完成，計時后三位五通電磁換向閥電磁鐵2CT 和二位二通電磁換向閥4CT 得電，二位四通電磁換向閥電磁鐵3CT 失電復(fù)位，液壓控制系統(tǒng)接入快退油路主軸快退。

主軸原位停止：主軸快退至行程開關(guān)SQ2 處時，行程開關(guān)SQ2 閉合，三位五通電磁換向閥電磁鐵2CT 和二位二通電磁換向閥電磁鐵4CT 失電復(fù)位，主軸停止快退[7-9]。

6 結(jié)束語

文章所設(shè)計的自動鉆床具有很多優(yōu)點：步驟簡單，體積小，可以明顯提高效率，而且占地面積小，靈活度高，自動化程度高，具有較高的加工精度的特點。長遠來看，液壓元件將成為產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可憑借污染小、輸出高的優(yōu)點進一步占領(lǐng)國內(nèi)外的市場。