李省委

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700）

0 引言

隨著我國頒布實(shí)施“中國制造2025”開始，各個(gè)工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)中的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)設(shè)備升級(jí)都迫在眉睫，據(jù)2013年中國機(jī)床行業(yè)運(yùn)行及投資趨勢調(diào)研報(bào)告統(tǒng)計(jì)，我國有各類機(jī)床近1400萬臺(tái)。雖然總量多，但是自動(dòng)、半自動(dòng)車床的總量不足30%，要想滿足現(xiàn)在生產(chǎn)的需求，全靠購買新的設(shè)備機(jī)床代價(jià)是非常昂貴的，那么對(duì)原有的機(jī)床進(jìn)行改造，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、降低勞動(dòng)成本同時(shí)較大節(jié)省了投資省本。因此我們需要對(duì)原有的機(jī)床進(jìn)行改造升級(jí)，在保留原有機(jī)床的基本框架下改造其進(jìn)給系統(tǒng)、主軸的傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，從而優(yōu)化機(jī)床的性能，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的半自動(dòng)化、自動(dòng)化，提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 鉆床的整體改造思路

根據(jù)設(shè)計(jì)需求先對(duì)福州某機(jī)床廠生產(chǎn)的Z4116型機(jī)床進(jìn)行整體改造，機(jī)床總體設(shè)計(jì)的構(gòu)思與方案的確定，關(guān)系到機(jī)床的性能優(yōu)良、產(chǎn)品種類、經(jīng)濟(jì)效益等最為顯著。因此，在設(shè)計(jì)初我們要確定優(yōu)良的總體方案設(shè)計(jì)思路，確保產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)效益和機(jī)床實(shí)用性能。改造后的機(jī)床加工工藝流程如下：啟動(dòng) （電源及控制模塊）→自動(dòng)送料→自動(dòng)夾緊→主軸快進(jìn)→主軸工進(jìn)→主軸停留→主軸快退→夾具松開→出料→。根據(jù)此工藝流程圖可確定自動(dòng)鉆床的動(dòng)作流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)鉆床動(dòng)作流程圖

普通鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計(jì)的核心部分，原有的鉆床主軸傳動(dòng)關(guān)系是有電動(dòng)機(jī)通過皮帶傳遞給主軸；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由手動(dòng)控制圓柱齒條及齒輪完成。改造后使鉆床實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，主軸的源動(dòng)力傳動(dòng)還是由原來的電動(dòng)機(jī)通過皮帶傳遞給主軸，主軸的進(jìn)給系統(tǒng)改造為液壓缸驅(qū)動(dòng)來替代手動(dòng)進(jìn)給，主要包括鉆頭切削運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。

總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)選擇、PLC控制方案設(shè)計(jì)及總體布局設(shè)計(jì)；通過這些改造使機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，最終滿足工作需要。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡圖

2 主軸進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的普通臺(tái)式鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在工作時(shí)既要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也要做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力傳遞流程是主軸在套筒人，套筒放再鉆床主軸的箱體中，動(dòng)力傳遞是有花鍵連接。機(jī)床改造后更換原有的傳遞模式，導(dǎo)入液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)，由PLC控制系統(tǒng)控制液壓缸驅(qū)動(dòng)代替原有的手動(dòng)進(jìn)給，來實(shí)現(xiàn)主軸的快進(jìn)、工進(jìn)和快退動(dòng)作。在引入液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)后，由于液壓系統(tǒng)自身缺點(diǎn)及液壓缸的結(jié)構(gòu)和性能的限制，液壓缸不宜作高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須引入合適的軸承及其結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)，由液壓缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)控制原理圖

3 自動(dòng)鉆床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)鉆床的PLC控制設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆床控制系統(tǒng)控制方式常用有有兩種方式：手動(dòng)開關(guān)控制和PLC控制。手動(dòng)開關(guān)控制主要安裝在主電路上控制床機(jī)床的啟、停。PLC控制方式下，通過反復(fù)執(zhí)行反映控制要求的程序來實(shí)現(xiàn)控制功能，為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至PLC停機(jī)或切換到STOP工作模式。控制電路圖如圖4所示。

圖4 臺(tái)式鉆床PLC控制原理圖

3.2 自動(dòng)鉆床控制流程

自動(dòng)鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的控制流程包括主軸電機(jī)和液壓泵電機(jī)的啟動(dòng)控制、主軸快進(jìn)控制、主軸工進(jìn)控制、主軸停留控制、主軸快退控制、主軸快退停止控制和主軸電機(jī)和液壓泵電機(jī)的停止控制?？刂屏鞒虉D如圖5所示。

圖5 自動(dòng)鉆床進(jìn)給系統(tǒng)PLC控制流程簡圖

主軸快進(jìn)控制：當(dāng)工件檢測開關(guān)SB1閉合，接通工件夾緊定時(shí)器T2，達(dá)到計(jì)時(shí)完成后，三位四通電磁換向閥1Y得電，快進(jìn)油路接通，主軸快速進(jìn)給。

主軸工進(jìn)控制：主軸快進(jìn)行程完成后，開關(guān)SQ0閉合，三位四通電磁換向閥線圈1Y、二位二通電磁換向閥線圈3Y和二位三通電磁換向閥線圈4Y得電，液壓控制系統(tǒng)接入工進(jìn)油路，主軸工進(jìn)。

主軸停留：加工后，此時(shí)觸發(fā)PLC控制電路發(fā)出下一步指令，使主軸停留對(duì)加工孔進(jìn)行修磨。

主軸快退：PLC控制電路完成計(jì)時(shí)時(shí)

間后，各個(gè)換向閥完成相應(yīng)復(fù)位，使液壓控制系統(tǒng)接入快退油路，主軸快退。

主軸快退停止：主軸快退至行程開關(guān)SQ2處時(shí)，觸發(fā)PLC控制電路下一步指令，來控制液壓系統(tǒng)油路，使主軸停止快退。

主軸電機(jī)和液壓泵電機(jī)停止：當(dāng)工件檢測器檢測不到工件時(shí)，PLC控制程序中SB1常閉開關(guān)處于閉合狀態(tài)，達(dá)到計(jì)時(shí)時(shí)如果沒有工件待加工時(shí)主軸電機(jī)和液壓泵電機(jī)停止工作。

4 結(jié)束語

本文在原有傳統(tǒng)鉆床的基礎(chǔ)上主要對(duì)控制部分和主軸進(jìn)給方面進(jìn)行了系統(tǒng)改造和設(shè)計(jì)，介紹了鉆床總體的改造方案，液壓控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)在機(jī)床中的應(yīng)用，主要涉及到液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)、PLC自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用。改造后保留了原有機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的智能化加工，提高生成效率及安全。