經(jīng)濟型專用雙軸深孔鉆床進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

覃莉莉++羅洪波

摘 要：該文比較了幾種常用的自動控制方法，選擇“開環(huán)伺服系統(tǒng)”作為控制方法，設(shè)計了麻花鉆自動進給機構(gòu)，滿足深孔加工的要求。研究的結(jié)果，對工程技術(shù)人員設(shè)計深孔加工專用設(shè)備，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：深孔鉆 麻花鉆 自動控制 進給

中圖分類號：TH132.46 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0067-03

作為一種傳統(tǒng)的孔加工方法，麻花鉆在孔加工工藝中的應(yīng)用最為廣泛。近年來，麻花鉆越來越多地應(yīng)用于深孔加工領(lǐng)域。跟“槍鉆”、“BTA深孔鉆”、“噴吸鉆”、“DF深孔鉆”等深孔加工方法相比，麻花鉆的優(yōu)點在于刀具和機床的結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低廉。主要的缺點包括：不能連續(xù)排屑、刀具潤滑性較差、切削冷卻條件差、切削溫度高、刀具磨損快。這些缺點限制了切削速度和進給速度的提高，從而影響了生產(chǎn)率。

把傳統(tǒng)的麻花鉆加工方法跟現(xiàn)代自動控制技術(shù)相結(jié)合，在保證低成本的同時，滿足深孔高效切削的要求是機械制造領(lǐng)域值得重視的課題。

1 問題的提出

某工程機械剎車制動夾鉗，材料為QT450-10。工藝上要求對兩個Φ6，深165的深孔進行加工，要求能達到每小時12件的產(chǎn)能。出于成本上的考慮，選擇麻花鉆作為深孔加工的方法設(shè)計專用機床。為解決鉆削過程中的排屑和散熱問題，采用在加工的過程中，間歇地將鉆頭退出，進行倒屑的方式完成整個進給行程。165 mm的進給行程，需要往復(fù)多次才能完成，這個過程希望能實現(xiàn)自動控制，以降低勞動強度。

2 自動控制方法的選擇

本項目的控制要求為：通過自動控制的方式，帶動執(zhí)行機構(gòu)多次往復(fù)運動，分段完成165 mm的進給行程。所加工孔為油孔，要求與油道相貫即可，孔深允差為±3 mm，精度要求不高。為達到設(shè)計需要的產(chǎn)能，減掉裝夾及準(zhǔn)備時間30秒，自動控制機構(gòu)需要帶動執(zhí)行元件在4分30秒內(nèi)走完所有行程。常用的可能滿足本項目控制要求的控制方法如下。

2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，是數(shù)控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動元件通常為功率步進電動機，如圖1所示，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動電路放大送到步進電動機，電動機輸出軸轉(zhuǎn)過一定的角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動機床工作臺移動。步進電動機軸轉(zhuǎn)過的角度跟指令脈沖的個數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)速度的大小跟指令脈沖的頻率成正比。由于沒有檢測反饋裝置，系統(tǒng)中各部分的誤差，如步進電機的步距角誤差、機械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進電動機性能的限制，低速不平穩(wěn)、高速扭矩小。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制與調(diào)整，一般用于輕載、負(fù)載變化不大，精度要求不高的場合，在經(jīng)濟型數(shù)控機床和普通機床改造中應(yīng)用廣泛。

2.2 開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)

開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)先把信號放大后再去驅(qū)動電磁閥，以控制液壓油的流量、壓力和方向，然后帶動執(zhí)行機構(gòu)工作。因為它只有“通”或“斷”兩個位置，所以稱開關(guān)式。

2.3 伺服式電液驅(qū)動系統(tǒng)

這是一種把電信號變換成液壓信號，再經(jīng)過液壓傳動環(huán)節(jié)去拖動執(zhí)行機構(gòu)的方法。執(zhí)行機構(gòu)的位移經(jīng)過變換器變成電信號，反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制信號比較。

圖2為一個常用的伺服式電液驅(qū)動部件的工作原理圖，該系統(tǒng)由電磁鐵、銜鐵、彈簧、固定節(jié)流孔、擋板、噴嘴等原件組成。其中左、右兩個噴嘴分別與執(zhí)行機構(gòu)（液壓缸）的左、右腔相通。工作原理及工作過程如下：

當(dāng)控制信號uc增大時，比較器輸出的偏差uE及放大器的輸出都增大，電磁鐵線圈中的電流增大，電磁鐵的吸力也增大。銜鐵因電磁鐵吸力增大而左擺。擋板偏向左噴嘴，使左噴嘴內(nèi)背壓大于右噴嘴的背壓。液壓缸左腔壓力大于右腔，活塞右移，使負(fù)載向右移動。與此同時，與活塞同軸的齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪軸使滑線電位器觸點移動，從而改變了反饋電壓ui。調(diào)節(jié)過程繼續(xù)，直到ui等于uc，比較器輸出為零時，電磁鐵線圈失電，擋板回到中間位置，活塞才停止移動。

這種驅(qū)動系統(tǒng)適應(yīng)性寬、特性好、控制精度高、抗干擾能力強，在工業(yè)自動化控制中應(yīng)用廣泛。

以上控制方法中，不帶反饋裝置的“開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)”由于液壓的泄漏和可壓縮性大等問題，行程精度難以控制，在傳動鏈出現(xiàn)誤差時，難以通過“點動”的方式實現(xiàn)比較精確對微調(diào)，容易出現(xiàn)累積誤差，導(dǎo)致加工的孔深超差?！八欧诫娨候?qū)動系統(tǒng)”控制精度高，能完全滿足本項目的控制要求，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，不予采用?！伴_環(huán)伺服系統(tǒng)”能滿足控制的要求，成本低廉。但由于步進電機步距角精度不高，運動的過程中容易出現(xiàn)失步的問題，高速扭矩小，低速運行時容易出現(xiàn)低頻振動，加速性能差，不能滿足本項目頻繁帶動執(zhí)行機構(gòu)往復(fù)運動的要求。交流伺服電機的步距角精度高，在運動的過程中不容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，高速扭矩大，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加速性能好。用單片機容易實現(xiàn)對交流伺服電機的開環(huán)控制，控制系統(tǒng)簡單。只要傳動鏈的誤差控制得當(dāng)，傳動精度能滿足孔深允差控制在±3 mm的要求。

綜上所述，為簡化控制系統(tǒng)，降低成本，保證足夠的行程精度，本項目采用“開環(huán)伺服系統(tǒng)”，選擇交流伺服電機作為驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的動力源。傳動鏈的設(shè)計上，遵循傳動鏈盡量短的原則，避免過大的機械傳動誤差。出現(xiàn)較大的行程誤差時，可以通過在裝夾工件前“點動”伺服電機的方式或者手動調(diào)整進給軸的方式來進行修正。

3 經(jīng)濟型專用雙軸深孔鉆床自動進給系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計

進給傳動系統(tǒng)圖如圖3所示。進給運動的動力源來自主軸箱內(nèi)的進給電機。進給電機為0.75 kW的伺服電機。伺服電機采用單片機嵌入式控制器進行控制，其操作以及參數(shù)的調(diào)整可以在控制面板上進行。

機構(gòu)設(shè)計了手動、自動兩種操作方式。手動方式能保證伺服系統(tǒng)出故障時，能繼續(xù)使用機床，減少停機時間。自動方式可以減少工作強度，提高生產(chǎn)率。當(dāng)離合器打到“自動”運行的檔位時，伺服電機的轉(zhuǎn)動通過鏈傳動傳遞到一個40∶1的渦輪蝸桿減速器上。減速器的輸出運動通過另一個鏈輪傳動機構(gòu)把運動傳遞到進給軸上，進給軸上裝有兩個外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動可以帶動主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機構(gòu)，從而實現(xiàn)兩根主軸的進給運動。

3.2 進給傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。進給傳動軸中部設(shè)計有圓周齒式離合器，圓周齒式離合器包括內(nèi)齒半離合器和外齒半離合器。鏈輪通過螺紋連接的方式與內(nèi)齒半離合器作固定連接，鏈輪和內(nèi)齒半離合器空套在進給軸上。外齒半離合器通過花鍵跟進給軸相連。進給軸后端裝有端面齒式離合器（圖中未表示），位于外側(cè)的端面齒式半離合器上安裝有轉(zhuǎn)動手柄（圖中未表示），端面齒離合器進入嚙合，可以通過手柄帶動進給軸作手動進給。伺服電機的轉(zhuǎn)動通過鏈傳動傳遞到一個40∶1的渦輪蝸桿減速器上，伺服電機端鏈輪齒數(shù)為14，對應(yīng)相減速器上鏈輪齒數(shù)為14。減速器的輸出運動通過另一個鏈輪傳動機構(gòu)把運動傳遞到進給軸上，此鏈輪機構(gòu)中減速器端鏈輪齒數(shù)為14，對應(yīng)進給軸端鏈輪齒數(shù)為27。因此，可以計算得到總的傳動比i為14∶14×（1∶40）×（14∶27）=7∶540。進給軸上裝有兩個外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動可以帶動主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機構(gòu)，從而實現(xiàn)兩根主軸的進給運動，該齒輪齒條機構(gòu)的模數(shù)m為3 mm，進給軸上外嚙合齒輪齒數(shù)Z為12，主軸套筒齒條總行程為280 mm，因此進給軸每旋轉(zhuǎn)一周，主軸進給量為齒輪分度圓直徑Dh=mz=36 mm，周長L=πmz=113.04 mm。經(jīng)計算，適當(dāng)?shù)剡x擇伺服電機的速度，能滿足1小時12件的產(chǎn)能要求。

4 結(jié)語

與先進的深孔加工技術(shù)相比，麻花鉆用于深孔加工，加工條件差，加工精度不高，刀具容易磨損。但在孔深精度要求不高的情況下，配合自動控制的手段，可以設(shè)計出滿足加工要求、成本低廉的專用自動機床。

參考文獻

[1] 羅洪波.經(jīng)濟型全自動雙軸深孔鉆床的研究與設(shè)計體化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[2] 濮良貴，紀(jì)名剛.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 張燏.機電一體化概論[M].人民郵電出版社，2009.

[4] 彭朝霞.C6163車床的深孔鉆床改造技術(shù)[J].科技傳播，2012（11）：117-118.

[5] 黃曉斌.可重構(gòu)深孔機床設(shè)計研究[D].太原：華北工學(xué)院，2003.endprint

摘 要：該文比較了幾種常用的自動控制方法，選擇“開環(huán)伺服系統(tǒng)”作為控制方法，設(shè)計了麻花鉆自動進給機構(gòu)，滿足深孔加工的要求。研究的結(jié)果，對工程技術(shù)人員設(shè)計深孔加工專用設(shè)備，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：深孔鉆 麻花鉆 自動控制 進給

中圖分類號：TH132.46 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0067-03

作為一種傳統(tǒng)的孔加工方法，麻花鉆在孔加工工藝中的應(yīng)用最為廣泛。近年來，麻花鉆越來越多地應(yīng)用于深孔加工領(lǐng)域。跟“槍鉆”、“BTA深孔鉆”、“噴吸鉆”、“DF深孔鉆”等深孔加工方法相比，麻花鉆的優(yōu)點在于刀具和機床的結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低廉。主要的缺點包括：不能連續(xù)排屑、刀具潤滑性較差、切削冷卻條件差、切削溫度高、刀具磨損快。這些缺點限制了切削速度和進給速度的提高，從而影響了生產(chǎn)率。

把傳統(tǒng)的麻花鉆加工方法跟現(xiàn)代自動控制技術(shù)相結(jié)合，在保證低成本的同時，滿足深孔高效切削的要求是機械制造領(lǐng)域值得重視的課題。

1 問題的提出

某工程機械剎車制動夾鉗，材料為QT450-10。工藝上要求對兩個Φ6，深165的深孔進行加工，要求能達到每小時12件的產(chǎn)能。出于成本上的考慮，選擇麻花鉆作為深孔加工的方法設(shè)計專用機床。為解決鉆削過程中的排屑和散熱問題，采用在加工的過程中，間歇地將鉆頭退出，進行倒屑的方式完成整個進給行程。165 mm的進給行程，需要往復(fù)多次才能完成，這個過程希望能實現(xiàn)自動控制，以降低勞動強度。

2 自動控制方法的選擇

本項目的控制要求為：通過自動控制的方式，帶動執(zhí)行機構(gòu)多次往復(fù)運動，分段完成165 mm的進給行程。所加工孔為油孔，要求與油道相貫即可，孔深允差為±3 mm，精度要求不高。為達到設(shè)計需要的產(chǎn)能，減掉裝夾及準(zhǔn)備時間30秒，自動控制機構(gòu)需要帶動執(zhí)行元件在4分30秒內(nèi)走完所有行程。常用的可能滿足本項目控制要求的控制方法如下。

2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，是數(shù)控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動元件通常為功率步進電動機，如圖1所示，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動電路放大送到步進電動機，電動機輸出軸轉(zhuǎn)過一定的角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動機床工作臺移動。步進電動機軸轉(zhuǎn)過的角度跟指令脈沖的個數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)速度的大小跟指令脈沖的頻率成正比。由于沒有檢測反饋裝置，系統(tǒng)中各部分的誤差，如步進電機的步距角誤差、機械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進電動機性能的限制，低速不平穩(wěn)、高速扭矩小。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制與調(diào)整，一般用于輕載、負(fù)載變化不大，精度要求不高的場合，在經(jīng)濟型數(shù)控機床和普通機床改造中應(yīng)用廣泛。

2.2 開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)

開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)先把信號放大后再去驅(qū)動電磁閥，以控制液壓油的流量、壓力和方向，然后帶動執(zhí)行機構(gòu)工作。因為它只有“通”或“斷”兩個位置，所以稱開關(guān)式。

2.3 伺服式電液驅(qū)動系統(tǒng)

這是一種把電信號變換成液壓信號，再經(jīng)過液壓傳動環(huán)節(jié)去拖動執(zhí)行機構(gòu)的方法。執(zhí)行機構(gòu)的位移經(jīng)過變換器變成電信號，反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制信號比較。

圖2為一個常用的伺服式電液驅(qū)動部件的工作原理圖，該系統(tǒng)由電磁鐵、銜鐵、彈簧、固定節(jié)流孔、擋板、噴嘴等原件組成。其中左、右兩個噴嘴分別與執(zhí)行機構(gòu)（液壓缸）的左、右腔相通。工作原理及工作過程如下：

當(dāng)控制信號uc增大時，比較器輸出的偏差uE及放大器的輸出都增大，電磁鐵線圈中的電流增大，電磁鐵的吸力也增大。銜鐵因電磁鐵吸力增大而左擺。擋板偏向左噴嘴，使左噴嘴內(nèi)背壓大于右噴嘴的背壓。液壓缸左腔壓力大于右腔，活塞右移，使負(fù)載向右移動。與此同時，與活塞同軸的齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪軸使滑線電位器觸點移動，從而改變了反饋電壓ui。調(diào)節(jié)過程繼續(xù)，直到ui等于uc，比較器輸出為零時，電磁鐵線圈失電，擋板回到中間位置，活塞才停止移動。

這種驅(qū)動系統(tǒng)適應(yīng)性寬、特性好、控制精度高、抗干擾能力強，在工業(yè)自動化控制中應(yīng)用廣泛。

以上控制方法中，不帶反饋裝置的“開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)”由于液壓的泄漏和可壓縮性大等問題，行程精度難以控制，在傳動鏈出現(xiàn)誤差時，難以通過“點動”的方式實現(xiàn)比較精確對微調(diào)，容易出現(xiàn)累積誤差，導(dǎo)致加工的孔深超差?！八欧诫娨候?qū)動系統(tǒng)”控制精度高，能完全滿足本項目的控制要求，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，不予采用?！伴_環(huán)伺服系統(tǒng)”能滿足控制的要求，成本低廉。但由于步進電機步距角精度不高，運動的過程中容易出現(xiàn)失步的問題，高速扭矩小，低速運行時容易出現(xiàn)低頻振動，加速性能差，不能滿足本項目頻繁帶動執(zhí)行機構(gòu)往復(fù)運動的要求。交流伺服電機的步距角精度高，在運動的過程中不容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，高速扭矩大，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加速性能好。用單片機容易實現(xiàn)對交流伺服電機的開環(huán)控制，控制系統(tǒng)簡單。只要傳動鏈的誤差控制得當(dāng)，傳動精度能滿足孔深允差控制在±3 mm的要求。

綜上所述，為簡化控制系統(tǒng)，降低成本，保證足夠的行程精度，本項目采用“開環(huán)伺服系統(tǒng)”，選擇交流伺服電機作為驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的動力源。傳動鏈的設(shè)計上，遵循傳動鏈盡量短的原則，避免過大的機械傳動誤差。出現(xiàn)較大的行程誤差時，可以通過在裝夾工件前“點動”伺服電機的方式或者手動調(diào)整進給軸的方式來進行修正。

3 經(jīng)濟型專用雙軸深孔鉆床自動進給系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計

進給傳動系統(tǒng)圖如圖3所示。進給運動的動力源來自主軸箱內(nèi)的進給電機。進給電機為0.75 kW的伺服電機。伺服電機采用單片機嵌入式控制器進行控制，其操作以及參數(shù)的調(diào)整可以在控制面板上進行。

機構(gòu)設(shè)計了手動、自動兩種操作方式。手動方式能保證伺服系統(tǒng)出故障時，能繼續(xù)使用機床，減少停機時間。自動方式可以減少工作強度，提高生產(chǎn)率。當(dāng)離合器打到“自動”運行的檔位時，伺服電機的轉(zhuǎn)動通過鏈傳動傳遞到一個40∶1的渦輪蝸桿減速器上。減速器的輸出運動通過另一個鏈輪傳動機構(gòu)把運動傳遞到進給軸上，進給軸上裝有兩個外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動可以帶動主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機構(gòu)，從而實現(xiàn)兩根主軸的進給運動。

3.2 進給傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。進給傳動軸中部設(shè)計有圓周齒式離合器，圓周齒式離合器包括內(nèi)齒半離合器和外齒半離合器。鏈輪通過螺紋連接的方式與內(nèi)齒半離合器作固定連接，鏈輪和內(nèi)齒半離合器空套在進給軸上。外齒半離合器通過花鍵跟進給軸相連。進給軸后端裝有端面齒式離合器（圖中未表示），位于外側(cè)的端面齒式半離合器上安裝有轉(zhuǎn)動手柄（圖中未表示），端面齒離合器進入嚙合，可以通過手柄帶動進給軸作手動進給。伺服電機的轉(zhuǎn)動通過鏈傳動傳遞到一個40∶1的渦輪蝸桿減速器上，伺服電機端鏈輪齒數(shù)為14，對應(yīng)相減速器上鏈輪齒數(shù)為14。減速器的輸出運動通過另一個鏈輪傳動機構(gòu)把運動傳遞到進給軸上，此鏈輪機構(gòu)中減速器端鏈輪齒數(shù)為14，對應(yīng)進給軸端鏈輪齒數(shù)為27。因此，可以計算得到總的傳動比i為14∶14×（1∶40）×（14∶27）=7∶540。進給軸上裝有兩個外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動可以帶動主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機構(gòu)，從而實現(xiàn)兩根主軸的進給運動，該齒輪齒條機構(gòu)的模數(shù)m為3 mm，進給軸上外嚙合齒輪齒數(shù)Z為12，主軸套筒齒條總行程為280 mm，因此進給軸每旋轉(zhuǎn)一周，主軸進給量為齒輪分度圓直徑Dh=mz=36 mm，周長L=πmz=113.04 mm。經(jīng)計算，適當(dāng)?shù)剡x擇伺服電機的速度，能滿足1小時12件的產(chǎn)能要求。

4 結(jié)語

與先進的深孔加工技術(shù)相比，麻花鉆用于深孔加工，加工條件差，加工精度不高，刀具容易磨損。但在孔深精度要求不高的情況下，配合自動控制的手段，可以設(shè)計出滿足加工要求、成本低廉的專用自動機床。

參考文獻

[1] 羅洪波.經(jīng)濟型全自動雙軸深孔鉆床的研究與設(shè)計體化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[2] 濮良貴，紀(jì)名剛.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 張燏.機電一體化概論[M].人民郵電出版社，2009.

[4] 彭朝霞.C6163車床的深孔鉆床改造技術(shù)[J].科技傳播，2012（11）：117-118.

[5] 黃曉斌.可重構(gòu)深孔機床設(shè)計研究[D].太原：華北工學(xué)院，2003.endprint

摘 要：該文比較了幾種常用的自動控制方法，選擇“開環(huán)伺服系統(tǒng)”作為控制方法，設(shè)計了麻花鉆自動進給機構(gòu)，滿足深孔加工的要求。研究的結(jié)果，對工程技術(shù)人員設(shè)計深孔加工專用設(shè)備，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：深孔鉆 麻花鉆 自動控制 進給

中圖分類號：TH132.46 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0067-03

作為一種傳統(tǒng)的孔加工方法，麻花鉆在孔加工工藝中的應(yīng)用最為廣泛。近年來，麻花鉆越來越多地應(yīng)用于深孔加工領(lǐng)域。跟“槍鉆”、“BTA深孔鉆”、“噴吸鉆”、“DF深孔鉆”等深孔加工方法相比，麻花鉆的優(yōu)點在于刀具和機床的結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低廉。主要的缺點包括：不能連續(xù)排屑、刀具潤滑性較差、切削冷卻條件差、切削溫度高、刀具磨損快。這些缺點限制了切削速度和進給速度的提高，從而影響了生產(chǎn)率。

把傳統(tǒng)的麻花鉆加工方法跟現(xiàn)代自動控制技術(shù)相結(jié)合，在保證低成本的同時，滿足深孔高效切削的要求是機械制造領(lǐng)域值得重視的課題。

1 問題的提出

某工程機械剎車制動夾鉗，材料為QT450-10。工藝上要求對兩個Φ6，深165的深孔進行加工，要求能達到每小時12件的產(chǎn)能。出于成本上的考慮，選擇麻花鉆作為深孔加工的方法設(shè)計專用機床。為解決鉆削過程中的排屑和散熱問題，采用在加工的過程中，間歇地將鉆頭退出，進行倒屑的方式完成整個進給行程。165 mm的進給行程，需要往復(fù)多次才能完成，這個過程希望能實現(xiàn)自動控制，以降低勞動強度。

2 自動控制方法的選擇

本項目的控制要求為：通過自動控制的方式，帶動執(zhí)行機構(gòu)多次往復(fù)運動，分段完成165 mm的進給行程。所加工孔為油孔，要求與油道相貫即可，孔深允差為±3 mm，精度要求不高。為達到設(shè)計需要的產(chǎn)能，減掉裝夾及準(zhǔn)備時間30秒，自動控制機構(gòu)需要帶動執(zhí)行元件在4分30秒內(nèi)走完所有行程。常用的可能滿足本項目控制要求的控制方法如下。

2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，是數(shù)控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動元件通常為功率步進電動機，如圖1所示，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動電路放大送到步進電動機，電動機輸出軸轉(zhuǎn)過一定的角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動機床工作臺移動。步進電動機軸轉(zhuǎn)過的角度跟指令脈沖的個數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)速度的大小跟指令脈沖的頻率成正比。由于沒有檢測反饋裝置，系統(tǒng)中各部分的誤差，如步進電機的步距角誤差、機械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進電動機性能的限制，低速不平穩(wěn)、高速扭矩小。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制與調(diào)整，一般用于輕載、負(fù)載變化不大，精度要求不高的場合，在經(jīng)濟型數(shù)控機床和普通機床改造中應(yīng)用廣泛。

2.2 開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)

開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)先把信號放大后再去驅(qū)動電磁閥，以控制液壓油的流量、壓力和方向，然后帶動執(zhí)行機構(gòu)工作。因為它只有“通”或“斷”兩個位置，所以稱開關(guān)式。

2.3 伺服式電液驅(qū)動系統(tǒng)

這是一種把電信號變換成液壓信號，再經(jīng)過液壓傳動環(huán)節(jié)去拖動執(zhí)行機構(gòu)的方法。執(zhí)行機構(gòu)的位移經(jīng)過變換器變成電信號，反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制信號比較。

圖2為一個常用的伺服式電液驅(qū)動部件的工作原理圖，該系統(tǒng)由電磁鐵、銜鐵、彈簧、固定節(jié)流孔、擋板、噴嘴等原件組成。其中左、右兩個噴嘴分別與執(zhí)行機構(gòu)（液壓缸）的左、右腔相通。工作原理及工作過程如下：

當(dāng)控制信號uc增大時，比較器輸出的偏差uE及放大器的輸出都增大，電磁鐵線圈中的電流增大，電磁鐵的吸力也增大。銜鐵因電磁鐵吸力增大而左擺。擋板偏向左噴嘴，使左噴嘴內(nèi)背壓大于右噴嘴的背壓。液壓缸左腔壓力大于右腔，活塞右移，使負(fù)載向右移動。與此同時，與活塞同軸的齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪軸使滑線電位器觸點移動，從而改變了反饋電壓ui。調(diào)節(jié)過程繼續(xù)，直到ui等于uc，比較器輸出為零時，電磁鐵線圈失電，擋板回到中間位置，活塞才停止移動。

這種驅(qū)動系統(tǒng)適應(yīng)性寬、特性好、控制精度高、抗干擾能力強，在工業(yè)自動化控制中應(yīng)用廣泛。

以上控制方法中，不帶反饋裝置的“開關(guān)式電液驅(qū)動系統(tǒng)”由于液壓的泄漏和可壓縮性大等問題，行程精度難以控制，在傳動鏈出現(xiàn)誤差時，難以通過“點動”的方式實現(xiàn)比較精確對微調(diào)，容易出現(xiàn)累積誤差，導(dǎo)致加工的孔深超差。“伺服式電液驅(qū)動系統(tǒng)”控制精度高，能完全滿足本項目的控制要求，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，不予采用。“開環(huán)伺服系統(tǒng)”能滿足控制的要求，成本低廉。但由于步進電機步距角精度不高，運動的過程中容易出現(xiàn)失步的問題，高速扭矩小，低速運行時容易出現(xiàn)低頻振動，加速性能差，不能滿足本項目頻繁帶動執(zhí)行機構(gòu)往復(fù)運動的要求。交流伺服電機的步距角精度高，在運動的過程中不容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，高速扭矩大，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加速性能好。用單片機容易實現(xiàn)對交流伺服電機的開環(huán)控制，控制系統(tǒng)簡單。只要傳動鏈的誤差控制得當(dāng)，傳動精度能滿足孔深允差控制在±3 mm的要求。

綜上所述，為簡化控制系統(tǒng)，降低成本，保證足夠的行程精度，本項目采用“開環(huán)伺服系統(tǒng)”，選擇交流伺服電機作為驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的動力源。傳動鏈的設(shè)計上，遵循傳動鏈盡量短的原則，避免過大的機械傳動誤差。出現(xiàn)較大的行程誤差時，可以通過在裝夾工件前“點動”伺服電機的方式或者手動調(diào)整進給軸的方式來進行修正。

3 經(jīng)濟型專用雙軸深孔鉆床自動進給系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計

進給傳動系統(tǒng)圖如圖3所示。進給運動的動力源來自主軸箱內(nèi)的進給電機。進給電機為0.75 kW的伺服電機。伺服電機采用單片機嵌入式控制器進行控制，其操作以及參數(shù)的調(diào)整可以在控制面板上進行。

機構(gòu)設(shè)計了手動、自動兩種操作方式。手動方式能保證伺服系統(tǒng)出故障時，能繼續(xù)使用機床，減少停機時間。自動方式可以減少工作強度，提高生產(chǎn)率。當(dāng)離合器打到“自動”運行的檔位時，伺服電機的轉(zhuǎn)動通過鏈傳動傳遞到一個40∶1的渦輪蝸桿減速器上。減速器的輸出運動通過另一個鏈輪傳動機構(gòu)把運動傳遞到進給軸上，進給軸上裝有兩個外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動可以帶動主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機構(gòu)，從而實現(xiàn)兩根主軸的進給運動。

3.2 進給傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。進給傳動軸中部設(shè)計有圓周齒式離合器，圓周齒式離合器包括內(nèi)齒半離合器和外齒半離合器。鏈輪通過螺紋連接的方式與內(nèi)齒半離合器作固定連接，鏈輪和內(nèi)齒半離合器空套在進給軸上。外齒半離合器通過花鍵跟進給軸相連。進給軸后端裝有端面齒式離合器（圖中未表示），位于外側(cè)的端面齒式半離合器上安裝有轉(zhuǎn)動手柄（圖中未表示），端面齒離合器進入嚙合，可以通過手柄帶動進給軸作手動進給。伺服電機的轉(zhuǎn)動通過鏈傳動傳遞到一個40∶1的渦輪蝸桿減速器上，伺服電機端鏈輪齒數(shù)為14，對應(yīng)相減速器上鏈輪齒數(shù)為14。減速器的輸出運動通過另一個鏈輪傳動機構(gòu)把運動傳遞到進給軸上，此鏈輪機構(gòu)中減速器端鏈輪齒數(shù)為14，對應(yīng)進給軸端鏈輪齒數(shù)為27。因此，可以計算得到總的傳動比i為14∶14×（1∶40）×（14∶27）=7∶540。進給軸上裝有兩個外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動可以帶動主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機構(gòu)，從而實現(xiàn)兩根主軸的進給運動，該齒輪齒條機構(gòu)的模數(shù)m為3 mm，進給軸上外嚙合齒輪齒數(shù)Z為12，主軸套筒齒條總行程為280 mm，因此進給軸每旋轉(zhuǎn)一周，主軸進給量為齒輪分度圓直徑Dh=mz=36 mm，周長L=πmz=113.04 mm。經(jīng)計算，適當(dāng)?shù)剡x擇伺服電機的速度，能滿足1小時12件的產(chǎn)能要求。

4 結(jié)語

與先進的深孔加工技術(shù)相比，麻花鉆用于深孔加工，加工條件差，加工精度不高，刀具容易磨損。但在孔深精度要求不高的情況下，配合自動控制的手段，可以設(shè)計出滿足加工要求、成本低廉的專用自動機床。

參考文獻

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