基于單片機(jī)控制的普通鉆床自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李桂玲 曹月真 張 雨 于志宏 彭軍強(qiáng)

（衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 衡水 053000）

鉆削作為基礎(chǔ)機(jī)械加工方法,在機(jī)加工中占據(jù)重要地位。普通鉆床不同于數(shù)控機(jī)床,沒(méi)有刀庫(kù)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀,現(xiàn)有鉆削加工過(guò)程中多采用手工更換刀具,效率低,人為因素會(huì)影響加工精度,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),很多中小型企業(yè)沒(méi)有足夠資金更換自動(dòng)化加工設(shè)備,普通加工設(shè)備仍會(huì)是機(jī)械加工行業(yè)的必要設(shè)備,隨著人工成本的提高,企業(yè)迫切需求對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造,提高加工效率,降低人工成本。本文以Z5150B 立式鉆床為研究對(duì)象,闡述了自動(dòng)換刀系統(tǒng)的動(dòng)作原理,設(shè)計(jì)制作了機(jī)械結(jié)構(gòu)和單片機(jī)控制程序。

1 總體設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)換刀系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分組成,機(jī)械結(jié)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)刀具的運(yùn)送,雙桿氣缸和手指氣缸取送和夾持刀具,鉆夾頭的鎖緊與松開(kāi)采用錐齒輪鎖緊鑰匙。

方鋼焊接成可調(diào)節(jié)機(jī)架以適應(yīng)不同鉆夾頭的高度。通過(guò)單片機(jī)控制氣缸電磁開(kāi)關(guān)和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的功能,如圖1。

圖1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)換刀系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有機(jī)架、零件放置臺(tái)、水平絲杠組件、氣缸組件、錐齒輪組件、刀具架組成,如圖2 所示,其中鉆夾頭和工件夾具為鉆床上的固定部件。水平絲杠組件和氣缸組件將刀具從刀具架取出運(yùn)送到鉆夾頭處,錐齒輪組件帶動(dòng)鉆夾頭轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊刀具。

圖2 自動(dòng)換刀系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

2.1 機(jī)架

機(jī)架采用40 方鋼焊接組裝,機(jī)架上方設(shè)計(jì)有零件放置臺(tái),放置待加工零件,下方設(shè)計(jì)有可調(diào)節(jié)底板,調(diào)節(jié)底板上的圓鋼設(shè)計(jì)有不同位置的螺紋孔,用螺釘與機(jī)架連接,根據(jù)機(jī)床的高度調(diào)整自動(dòng)換刀裝置的高度。

2.2 刀具運(yùn)送機(jī)構(gòu)

刀具運(yùn)送機(jī)構(gòu)通過(guò)安裝底板1 固定的機(jī)架上,由水平絲杠機(jī)構(gòu)和氣缸組件兩部分組成,如圖3 所示。氣缸組件通過(guò)連接板4 與滑塊2 連接,絲杠3 轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊2 水平移動(dòng),從而將刀具從刀架處運(yùn)送到鉆夾頭處。絲杠3 由第一步進(jìn)電機(jī)6 驅(qū)動(dòng),兩端有軸承支座5 支承,絲杠與絲杠螺母配合,將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平位移,絲杠螺母上方安裝有連接板4,將絲杠螺母、直線滑軌雙滑塊和氣缸組件連接起來(lái),從而帶動(dòng)氣缸組件水平移動(dòng)。刀具的兩個(gè)水平位置是刀具位和鉆夾頭處,兩點(diǎn)之間刀具的中心位置必須是精準(zhǔn)的,采用控制第一步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)位移來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 刀具運(yùn)送機(jī)構(gòu)

氣缸組件由兩個(gè)雙桿氣缸和一個(gè)手指氣缸組成,雙桿氣缸行程為20mm,手指氣缸行程為10mm,采用鋼板固定連接,手指氣缸上安裝有刀具輔助夾臂,相互靠近的一側(cè)均開(kāi)設(shè)有齒槽,便于夾緊圓柱形的刀柄。將1 號(hào)到位設(shè)定為初始位置,從刀架到鉆夾頭的動(dòng)作過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)取刀動(dòng)作過(guò)程

2.3 刀具裝夾機(jī)構(gòu)

刀具裝夾機(jī)構(gòu)是將刀具夾緊在鉆夾頭中,保證刀具與鉆夾頭的同軸度精度和足夠的夾緊力。由雙桿氣缸、步進(jìn)電機(jī)和錐齒輪鑰匙等組成,如圖4 所示。Z5150B 立式鉆床的鉆夾頭14 表面為錐齒輪,鉆夾頭外圓均布三個(gè)圓孔,初始為松開(kāi)狀態(tài),待1 號(hào)刀具15 進(jìn)入鉆夾頭14后,雙桿氣缸11 動(dòng)作伸出20mm,推動(dòng)電機(jī)安裝板、第二步進(jìn)電機(jī)12 和錐齒輪13 向前移動(dòng)20mm,錐齒輪前端設(shè)計(jì)有圓柱形的定位柱,插入鉆夾頭外圓上孔內(nèi),起到定位的作用,此時(shí)兩齒輪正好嚙合。接下來(lái)啟動(dòng)第二步進(jìn)電機(jī)12,根據(jù)鉆夾頭從松開(kāi)狀態(tài)到夾緊1 號(hào)刀具需要轉(zhuǎn)動(dòng)的位移,依據(jù)傳動(dòng)比確定錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù),從而設(shè)定第二步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。

圖4 刀具裝夾機(jī)構(gòu)

電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),鉆夾頭夾緊1 號(hào)刀具,雙桿氣缸11動(dòng)作縮回20mm,手指氣缸7 向外松開(kāi)1 號(hào)刀具,水平氣缸8 向后縮回20mm,豎直氣缸9 向下縮回20mm,第一電機(jī)帶動(dòng)絲杠反向轉(zhuǎn)動(dòng),連接板水平移動(dòng)至初始位置。

2.4 刀具架

該刀具架設(shè)計(jì)了4 個(gè)位置,放置4 把常用的刀具,直徑為4mm、6mm、8mm、10mm,根據(jù)鉆夾頭和運(yùn)送刀具的氣缸組件的高度,手指氣缸加持的刀柄位置是一致的,就要求4 把刀具的頂端需要平齊,根據(jù)刀柄長(zhǎng)度不同,刀架設(shè)計(jì)為臺(tái)階形狀以保證刀具頂面平齊。每個(gè)臺(tái)階上加工有與刀具配合的圓柱孔,深度為20mm,依據(jù)豎直氣缸9 的行程20mm 來(lái)確定的孔深,保證刀具從孔內(nèi)取出。刀具架下方設(shè)計(jì)為L(zhǎng) 板,通過(guò)其上的安裝孔將刀具架安裝在機(jī)架上,如圖5。

圖5 刀具架結(jié)構(gòu)

2.5 更換刀具

以Z5150B 立式鉆床拆卸1 號(hào)刀具為例,按下1 號(hào)位拆卸按鈕,自動(dòng)卸刀動(dòng)作過(guò)程見(jiàn)表2。

表2 自動(dòng)卸刀動(dòng)作過(guò)程

更換2 號(hào)刀時(shí),按下2 號(hào)位裝刀按鈕,第一步進(jìn)電機(jī)6 先帶動(dòng)絲杠將氣缸組件移動(dòng)到2 號(hào)刀位,再執(zhí)行表1中序號(hào)3 之后的動(dòng)作。卸刀過(guò)程同表2 中所述。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件有第一、二步進(jìn)電機(jī)、3 個(gè)行程為20mm 的雙桿氣缸和一個(gè)行程為10mm 的手指氣缸。步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為42 步進(jìn)電機(jī),采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與51 單片機(jī)控制器連接,設(shè)計(jì)有氣泵為氣缸提供氣源,通過(guò)電磁閥與51 單片機(jī)控制器連接。

3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制

第一步進(jìn)電機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)絲杠水平位移,使刀具從刀具位到裝夾頭,此處對(duì)刀具的位置要求精度較高。經(jīng)多次試驗(yàn),采用控制電機(jī)的圈數(shù)來(lái)確定位移是有誤差的,會(huì)導(dǎo)致刀具與刀具架上的刀孔和裝夾頭上安裝孔有偏差,裝夾失敗。根據(jù)刀具位到裝夾頭的水平位移是固定不變的,通過(guò)水平位移距離和電機(jī)轉(zhuǎn)速,計(jì)算出所需時(shí)間。51 單片機(jī)控制器執(zhí)行程序非?？?可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的時(shí)間控制,從而通過(guò)精準(zhǔn)的時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位移控制,確保了刀具的精準(zhǔn)裝卸。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn),4 個(gè)位置的刀具均能準(zhǔn)確的完成裝卸。

第二步進(jìn)電機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),錐齒輪與鉆夾頭嚙合帶動(dòng)鉆夾頭轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)刀具的夾緊和松開(kāi)。根據(jù)刀具直徑不同,安裝不同刀具時(shí),鉆夾頭的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)也不一樣,那么錐齒輪的圈數(shù)也會(huì)根據(jù)刀具不同轉(zhuǎn)數(shù)不同,通過(guò)計(jì)算嚙合的齒數(shù),確定51 單片機(jī)控制第二步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù),在程序中設(shè)定不同刀具對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。

3.2 氣缸電磁閥的控制

刀具運(yùn)送機(jī)構(gòu)由兩個(gè)雙桿氣缸和一個(gè)手指氣缸組成,雙桿氣缸的行程為20mm,實(shí)現(xiàn)刀具的豎直和水平的動(dòng)作,手指氣缸上安裝由輔助夾臂,通過(guò)手指氣缸的開(kāi)合夾持刀具。51 單片機(jī)控制氣缸電磁閥的通斷電,從而控制氣缸的充氣與放氣,實(shí)現(xiàn)氣缸的動(dòng)作。

4 制作與應(yīng)用

4.1 實(shí)物加工與組裝

基于Z5150B 立式鉆床的自動(dòng)換刀系統(tǒng)在制作過(guò)程中,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙,零部件分為外購(gòu)件和加工件。外購(gòu)件有42 步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、雙桿氣缸、手指氣缸、氣缸電磁閥、絲杠組件（含絲杠、絲杠螺母、軸承支座）、直線滑軌、錐齒輪、單片機(jī)控制器等。各零件的安裝采用厚度10mm 的鋁板,根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸切割打孔,機(jī)架采用40 方鋼焊接而成。在制作過(guò)程中,安裝板上定位孔的位置要精準(zhǔn)無(wú)誤,才能保證整個(gè)設(shè)備的精度。實(shí)物如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)換刀系統(tǒng)實(shí)物圖

4.2 調(diào)試與應(yīng)用

在調(diào)試過(guò)程中,采用51 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行的,Keil軟件編寫(xiě)控制程序,如圖7 所示。每個(gè)刀具設(shè)計(jì)有裝刀和卸刀兩個(gè)按鈕,通過(guò)按鈕操作,實(shí)現(xiàn)指定刀具裝夾。

圖7 單片機(jī)控制器

本自動(dòng)換刀裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、成本低,可以便于刀具的集中存放和自動(dòng)更換,提高了工作效率,節(jié)省了勞動(dòng)成本。該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可應(yīng)用于立式銑床,為中小加工企業(yè)設(shè)備改造提供了思路和方法,具有一定的借鑒意義。

5 結(jié)論

基于Z5150B 立式鉆床的自動(dòng)換刀系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、刀具運(yùn)送機(jī)構(gòu)、刀具裝夾機(jī)構(gòu)、刀具架組成,采用氣動(dòng)控制技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和51 單片機(jī)精準(zhǔn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆床的自動(dòng)換刀功能,經(jīng)設(shè)計(jì)、制作、組裝和調(diào)試完成了實(shí)物,安裝在Z5150B 立式鉆床上,經(jīng)實(shí)際應(yīng)用,工作穩(wěn)定。今后可進(jìn)一步完善外觀設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì),應(yīng)用到同類型的加工設(shè)備上。