臺式鉆床的自動化改造

李省委

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700）

0 引言

隨著我國頒布實施“中國制造2025”開始，各個工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)中的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)設(shè)備升級都迫在眉睫，據(jù)2013年中國機床行業(yè)運行及投資趨勢調(diào)研報告統(tǒng)計，我國有各類機床近1400萬臺。雖然總量多，但是自動、半自動車床的總量不足30%，要想滿足現(xiàn)在生產(chǎn)的需求，全靠購買新的設(shè)備機床代價是非常昂貴的，那么對原有的機床進行改造，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、降低勞動成本同時較大節(jié)省了投資省本。因此我們需要對原有的機床進行改造升級，在保留原有機床的基本框架下改造其進給系統(tǒng)、主軸的傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，從而優(yōu)化機床的性能，實現(xiàn)機床的半自動化、自動化，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)計需求先對福州某機床廠生產(chǎn)的Z4116型機床進行整體改造，機床總體設(shè)計的構(gòu)思與方案的確定，關(guān)系到機床的性能優(yōu)良、產(chǎn)品種類、經(jīng)濟效益等最為顯著。因此，在設(shè)計初我們要確定優(yōu)良的總體方案設(shè)計思路，確保產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟效益和機床實用性能。改造后的機床加工工藝流程如下：啟動 （電源及控制模塊）→自動送料→自動夾緊→主軸快進→主軸工進→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鉆床的動作流程如圖1所示。

圖1 自動鉆床動作流程圖

普通鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)是機械設(shè)計的核心部分，原有的鉆床主軸傳動關(guān)系是有電動機通過皮帶傳遞給主軸；進給運動系統(tǒng)是由手動控制圓柱齒條及齒輪完成。改造后使鉆床實現(xiàn)全自動，主軸的源動力傳動還是由原來的電動機通過皮帶傳遞給主軸，主軸的進給系統(tǒng)改造為液壓缸驅(qū)動來替代手動進給，主要包括鉆頭切削運動和進給液壓缸驅(qū)動進給運動，傳動系統(tǒng)的運動簡圖如圖2所示。

總體設(shè)計的內(nèi)容主要包括：執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計、傳動系統(tǒng)方案設(shè)計和原動機選擇、PLC控制方案設(shè)計及總體布局設(shè)計；通過這些改造使機床實現(xiàn)自動化，以達到預(yù)期目標，實現(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 傳動系統(tǒng)運動簡圖

2 主軸進給系統(tǒng)的設(shè)計方案

傳統(tǒng)的普通臺式鉆床主軸進給系統(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。主軸在工作時既要做旋轉(zhuǎn)運動也要做進給運動，動力傳遞流程是主軸在套筒人，套筒放再鉆床主軸的箱體中，動力傳遞是有花鍵連接。機床改造后更換原有的傳遞模式，導(dǎo)入液壓缸進給系統(tǒng)，由PLC控制系統(tǒng)控制液壓缸驅(qū)動代替原有的手動進給，來實現(xiàn)主軸的快進、工進和快退動作。在引入液壓缸進給系統(tǒng)后，由于液壓系統(tǒng)自身缺點及液壓缸的結(jié)構(gòu)和性能的限制，液壓缸不宜作高速的旋轉(zhuǎn)運動，因此，在設(shè)計時必須引入合適的軸承及其結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)，由液壓缸實現(xiàn)往復(fù)運動。液壓系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示。

圖3 自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖

3 自動鉆床的控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 自動鉆床的PLC控制設(shè)計

自動化鉆床控制系統(tǒng)控制方式常用有有兩種方式：手動開關(guān)控制和PLC控制。手動開關(guān)控制主要安裝在主電路上控制床機床的啟、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現(xiàn)控制功能，為了使PLC的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至PLC停機或切換到STOP工作模式?？刂齐娐穲D如圖4所示。

圖4 臺式鉆床PLC控制原理圖

3.2 自動鉆床控制流程

自動鉆床進給系統(tǒng)的控制流程包括主軸電機和液壓泵電機的啟動控制、主軸快進控制、主軸工進控制、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和液壓泵電機的停止控制?？刂屏鞒虉D如圖5所示。

圖5 自動鉆床進給系統(tǒng)PLC控制流程簡圖

主軸快進控制：當(dāng)工件檢測開關(guān)SB1閉合，接通工件夾緊定時器T2，達到計時完成后，三位四通電磁換向閥1Y得電，快進油路接通，主軸快速進給。

主軸工進控制：主軸快進行程完成后，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)接入工進油路，主軸工進。

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

主軸快退：PLC控制電路完成計時時

間后，各個換向閥完成相應(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，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。

主軸電機和液壓泵電機停止：當(dāng)工件檢測器檢測不到工件時，PLC控制程序中SB1常閉開關(guān)處于閉合狀態(tài)，達到計時時如果沒有工件待加工時主軸電機和液壓泵電機停止工作。

4 結(jié)束語

本文在原有傳統(tǒng)鉆床的基礎(chǔ)上主要對控制部分和主軸進給方面進行了系統(tǒng)改造和設(shè)計，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)在機床中的應(yīng)用，主要涉及到液壓傳動設(shè)計、PLC自動控制技術(shù)、機械設(shè)計學(xué)、機構(gòu)學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用。改造后保留了原有機床的基本結(jié)構(gòu)和性能，同時實現(xiàn)了設(shè)備的智能化加工，提高生成效率及安全。