蘇春錦

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

0 前言

如圖1所示，平模零件是飼料機(jī)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(xì)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。可見，鉆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(jī)床也能實(shí)現(xiàn)鉆孔加工，但因數(shù)控機(jī)床價格遠(yuǎn)比普通臺鉆高，故飼料機(jī)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(qiáng)度手工進(jìn)給的臺鉆改為氣動自動進(jìn)給臺鉆。

1 臺鉆結(jié)構(gòu)原理

如圖2所示，臺鉆由電機(jī)作為動力，通過塔式三角帶輪傳動傳遞給主軸實(shí)現(xiàn)臺鉆鉆頭旋轉(zhuǎn)的主運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動并實(shí)現(xiàn)了鉆頭直線運(yùn)動的進(jìn)給運(yùn)動。因?yàn)橹鬏S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(shí)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(jìn)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(jī)；13.接線盒圖2 臺鉆結(jié)構(gòu)

2 臺鉆改造

通過對臺鉆機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)改造

2.1.1 主軸進(jìn)給裝置改造

拆去原氣動進(jìn)給普通臺鉆的進(jìn)給手柄和齒輪，裝上一套氣動控制裝置來完成主軸的進(jìn)給運(yùn)動，而主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動還是由原來的塔式三角帶傳動實(shí)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(jìn)給，而是通過開關(guān)按鍵實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)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(jìn)給氣缸橫梁，橫梁的兩端分別安裝一個雙作用進(jìn)給氣缸，同時進(jìn)給氣缸固定在支架上；在進(jìn)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(yùn)動和力。

圖3 臺鉆主軸進(jìn)給的機(jī)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(shí)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(jìn)電機(jī)帶動的自動進(jìn)給工作臺，從而實(shí)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(jìn)給工作臺

2.2 電氣控制改造

從臺鉆機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造可以看出，主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動還是由原來的電機(jī)通過塔式三角帶傳動實(shí)現(xiàn)，而主軸的直線進(jìn)給由氣缸活塞桿的直線往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)，同時，工件的移動由兩個十字相交步進(jìn)電機(jī)帶動的自動工作臺來實(shí)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(jìn)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(jìn)給速度，在工件快鉆透時要求進(jìn)給速度要慢以防止進(jìn)給力太大和鉆頭折斷。

鉆孔進(jìn)給運(yùn)動的實(shí)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(yùn)動。為滿足鉆孔工藝要求，臺鉆氣動進(jìn)給的氣動控制要采用不同控制回路：快速進(jìn)給回路用來實(shí)現(xiàn)鉆頭在空行程的快速動作要求；二次慢速進(jìn)給回路用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)給過程的兩種進(jìn)給速度、快速返回；同步回路用來實(shí)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(shí)現(xiàn)不同工況的進(jìn)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(jìn)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(jī)和待機(jī)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(dá)4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道，有2個16位6通道高級控制定時器，多達(dá)6路PWM輸出，并帶死區(qū)控制，非常適合電機(jī)運(yùn)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(biāo)值。SD卡與STM32F103C8T6單片機(jī)采用SPI通信。

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

三色工作指示燈用來提示設(shè)備是在準(zhǔn)備狀態(tài)、加工運(yùn)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(biāo)值以及手動移動工作臺等。

在零件圖紙中設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)，可以確定各孔的X和Y方向坐標(biāo)值，從而確定各孔裝夾定位的位置，可以計(jì)算出各孔在工作臺上的X和Y的坐標(biāo)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(diǎn)、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(diǎn)、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(yàn)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(jìn)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。