鏜刀自動進給系統(tǒng)的設計

孫萬泉

(馬鋼股份公司營銷中心 安徽馬鞍山 243000)

傳統(tǒng)鏜削工序的精髓在于通過手動敲擊來調(diào)整刀具的進給量，工件的鏜削精度完全取決于操作工的技術水平和操作熟練程度。在當前工件鏜削精度要求高以及熟練操作工老齡化嚴重的背景下，鏜刀自動進給已經(jīng)成為當前機械自動化加工領域研究的一大主要課題?，F(xiàn)總結(jié)大型鏜銑機多年的鏜削經(jīng)驗，從鏜刀自動進給系統(tǒng)架構(gòu)，鏜刀自動進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)以及鏜刀自動進給系統(tǒng)控制模塊等三方面簡述了鏜刀自動進給系統(tǒng)的設計方案，以期為鏜刀自動進給的研究提供一些思路。

1 鏜刀自動進給系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)鏜刀進給原理簡介

傳統(tǒng)鏜桿鏜刀結(jié)構(gòu)樣式多樣，隨工件結(jié)構(gòu)特點以及加工要求的變化而變化。雖然傳統(tǒng)鏜桿鏜刀結(jié)構(gòu)樣式不一，但是基本結(jié)構(gòu)都是一樣的，由鏜桿、鏜刀和壓緊螺絲三部分組成如圖1所示。

鏜桿是主體，一般呈細長空心圓柱狀，所有附件必須安裝在鏜桿上才能使用，工況不同使用的鏜桿的粗細、長度也不盡相同；鏜刀基本結(jié)構(gòu)與車刀類似，從鏜桿端頭中部穿過依靠壓緊螺絲牢固安裝在鏜桿上。使用過程中松掉壓緊螺絲，再用鐵錘輕敲鏜刀尾部來調(diào)整鏜刀的進給量，調(diào)整好后上緊壓緊螺絲，進而鏜制合乎設計尺寸的孔。

圖1 傳統(tǒng)鏜桿鏜刀結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)鏜孔方法繁瑣、勞動強度大、加工效率低，而且鏜孔精度的高低全憑操作工的敲刀的水平。現(xiàn)在市面上出售的微調(diào)刀是對傳統(tǒng)鏜桿鏜刀的進給方式進行改進而制造出來的，通過調(diào)節(jié)旋鈕就可以鏜刀的進給量，不需要人工敲刀，如圖所示；這種刀具比傳統(tǒng)鏜桿鏜刀先進，但是依舊無法做到鏜刀進給自動化。

1.2 鏜刀自動進給系統(tǒng)架構(gòu)

鏜刀自動進給系統(tǒng)是對傳統(tǒng)傳統(tǒng)鏜刀和微調(diào)刀進給方法進行創(chuàng)新改進，實現(xiàn)鏜刀進給自動化，螺絲壓緊自動化，整個鏜刀自動進給系統(tǒng)架構(gòu)如下圖2所示：

圖2 鏜刀自動進給系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個鏜刀自動進給系統(tǒng)架構(gòu)由機床操控系統(tǒng)、鏜刀進給模塊和螺絲壓緊模塊三個部分組成。操作工通過機床操控系統(tǒng)將鏜刀的進給方向和進給量等信息發(fā)送給鏜刀進給模塊，鏜刀進給模塊控制螺絲壓緊模塊松開螺絲，螺絲壓緊模塊將螺絲松開的信息傳輸給鏜刀進給模塊，進而鏜刀進給模塊控制鏜刀按要求進行進給調(diào)整，調(diào)整完畢后控制螺絲壓緊模塊壓緊螺絲，當鏜刀進給模塊接收到螺絲處于壓緊狀態(tài)后向機床操控系統(tǒng)反饋鏜刀當前進給狀態(tài)。

2 鏜刀自動進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

鏜刀自動進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的主體和執(zhí)行機構(gòu)，本文從鏜桿機械結(jié)構(gòu)設計、鏜刀進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計和壓緊螺絲松壓系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計三個方面研究鏜刀自動進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)。

2.1 鏜桿機械結(jié)構(gòu)設計

鏜桿是鏜刀自動進給系統(tǒng)的主要本體，是機床主軸和鏜刀之間的中間連接體，通過對鏜桿進行重新設計可以滿足鏜刀自動進給系統(tǒng)其它零部件的安裝。重新設計的鏜桿機械結(jié)構(gòu) 如下簡圖3所示:

圖3 鏜桿機械結(jié)構(gòu)示意圖

進給電機底座用于安裝驅(qū)動鏜刀的伺服電機，底座的高度、寬度和絲孔大小數(shù)目，由鏜桿和電機的外形尺寸來確定。鏜刀安裝方孔用于對鏜刀進行穿入式安裝，該方孔的大小由常用鏜刀的外形尺寸來確定。壓緊螺絲安裝座用于安裝壓緊螺絲對鏜刀進行緊固，該安裝座的位置和大小由鏜桿和方孔的外形尺寸來確定。

2.2 鏜刀進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計

采用齒輪齒條傳動方式對鏜刀進行進給調(diào)整，如下圖所示。鏜刀中部含有一定長度的齒條，私服電機主軸頭部裝載齒輪桿，伺服電機帶動齒輪桿進而帶動鏜刀移動相應的距離。伺服電機尾部裝載可移動電源和無線信號接收和發(fā)送裝置，兩側(cè)含有固定板由內(nèi)六角螺釘連接固定在鏜桿里。

2.3 壓緊螺絲松壓系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計

壓緊螺絲松壓系統(tǒng)由壓緊螺絲和螺絲壓緊座組成。螺絲壓緊座由內(nèi)含兩個旋轉(zhuǎn)螺母和小型伺服電機，小型伺服電機帶動旋轉(zhuǎn)螺母旋轉(zhuǎn)進而帶動兩個壓緊螺絲壓緊鏜刀。

3 鏜刀自動進給系統(tǒng)控制模塊

鏜刀自動進給系統(tǒng)控制模塊是整個系統(tǒng)的靈魂和控制機構(gòu)，本文從控制模塊信息傳遞方式的選擇、控制模塊電機的選擇和控制系統(tǒng)的流程等三個方面研究鏜刀自動進給系統(tǒng)的控制模塊。

3.1 控制模塊信息傳遞方式的選擇

鏜刀進給方位以及壓緊螺絲的松壓狀態(tài)等鏜刀自動進給系統(tǒng)的信息都需要以一定的方式進行傳遞和反饋?？紤]到鏜桿工作時處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法使用有線的形式進行信息的傳遞和反饋。因此，采用無線電來實現(xiàn)鏜刀進給系統(tǒng)和機床控制系統(tǒng)之間的通訊。常用的無線電通訊方式有多種：藍牙、WI-FI、Z-Wave、NB-IoT、LTE-M、LoRaWAN、Sigfox、Thread、Zigbee等。各種無線電通訊方式的優(yōu)缺點，如下表1所示：

表1 各種無線電通訊方式的性能表

基于藍牙傳輸具有上表所示優(yōu)點，因此選用藍牙數(shù)據(jù)無線傳輸實現(xiàn)數(shù)控機床和鏜刀控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 控制模塊電機的選擇

鏜刀自動進給系統(tǒng)要求電機的控制速度，位置精度非常準確，而且可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。因此，選用伺服電機來控制鏜刀的進給。

伺服電機分為交流伺服電機和直流伺服電機。交流伺服電機具有控制較復雜，驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)確定，而且需要更多的連線來支持其運行工作等缺點。直流伺服電機具有容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境等優(yōu)點。因此，選用定制外形的直流伺服電機。同時，采用體積小，容量大的鋰電池給伺服電機、藍牙收發(fā)裝置和控制芯片供電。

3.3 控制系統(tǒng)的流程

鏜刀自動控制系統(tǒng)主要由操作工、機床控制面板、無線藍牙傳輸裝置、鏜刀進給控制面板、伺服電機和壓緊螺絲/鏜刀等六個板塊組成，各個板塊之間的運行流程如圖4所示。

4 結(jié)論

鏜刀自動進給系統(tǒng)包括鏜刀自動進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)和鏜刀自動進給系統(tǒng)控制模塊等兩個方面，本文提出了一種鏜刀自動進給系統(tǒng)的設計方案，以期為鏜刀自動進給的研究提供一些思路。

圖4 控制系統(tǒng)運行流程圖