五工位鉆攻一體機的設計研究

王勇， 葛園園， 鄭昊

(合肥工業大學機械工程學院，合肥230009)

0 引言

圓孔和螺紋是機械零件中最為常見的特征狀態。圓孔和螺紋的尺寸精度、形位精度的高低，直接影響著零件的合格率以及各個零件之間的裝配關系[1]。

現有的多孔加工設備大致可分為兩類：一類為自動化生產線和數控加工中心，能夠高效地完成難度較高的各種孔加工，但首次投資成本大，維修復雜，維護成本高；另一類是各種可以進行小批量、復雜零件加工的仿形加工機床，但機床尺寸大，零件更換復雜，手工操作誤差大，難以達到較高的加工精度，且生產準備周期較長，在進行單件或小批量的生產（批量在10～100件內）時，相對于傳統機床，小型專用機床的配置效率更高，生產成本更低[2]。

針對以上問題，本文提出了單件小批量的孔加工專用小型鉆攻機床的設計方案，采用回轉式工作臺轉換工位，并設計了以PLC為核心的控制系統，簡化加工過程，減少人工操作時間，降低生產成本。

1 機床結構方案

機床采用“可編程邏輯控制器+交流伺服系統+變頻調速系統+觸控屏”的控制方案。根據工藝要求、工件數量以及加工模式來配置機床，機床主要包括底座、工作臺、縱向進給機構、動力頭組件、防護、排屑機構、冷卻機構和觸控屏等結構，采用交流伺服和PLC控制器，編程實現加工控制[3-4]。機床由伺服電動機提供動力，帶動回轉工作臺轉動、滾珠絲杠的運動以及動力頭主軸進給運動[5]，主機結構如圖1所示。

根據預設，機床底座長1372 mm， 寬1135 mm；高440 mm；回轉工作臺高度315 mm；夾具高度100 mm；考慮到工件最低孔的位置、排屑、操作人員位置、收取工件，對機床進行維護，對動力頭進行更換的方便程度，以及其他實際的工作情況，最終確定裝料高度為400mm。

圖1 機床結構示意圖

為了方便工作人員對機床的刀具和機身進行調整和清理，考慮到機床加工行程需要和床身大小等因素，并確保加工安全，確定Z軸的專機最大行程為375 mm。

2 機床主要功能部件

2.1 回轉工作臺

加工的零件特點是孔的大小深淺不一，總體尺寸小、多孔且多工步、規格種類多（螺紋孔、通孔、定位孔等）。為保證同一設備一次裝夾完成鉆、攻等工序，工件需多工位轉換。本機床工位的轉換由回轉工作臺完成[6]，回轉工作臺繞Z軸旋轉，通過交流伺服電動機帶動蝸輪蝸桿和齒輪機構連接分度盤進行回轉和分度運動，其結構如圖2所示。為保證精度，其分度轉位由光柵尺反饋進行控制。

考慮到多工位多工序的加工情況，加工工位布置如圖3所示，工作臺上均布5個工位，每個工位相隔72°，對應的絲杠座上安裝有所需型號的鉆、鉸或攻絲動力頭，4個加工工位可以按照給定加工程序同時進行加工。

機床工作過程為：上位機向機床發送操作指令，工作臺先松開夾緊裝置，啟動交流伺服電動機，按指令確定工作臺的回轉方向、速度及角度等參數，上料機構上料，啟動夾具夾緊工件，夾緊動作通過電磁閥驅動氣缸實現。鉆孔動力頭進行鉆孔和攻絲，動力頭的Z向運動由電動機驅動絲杠結構實現，鉆頭的運動（速度和轉向）由動力頭電動機驅動，光柵尺能夠精確控制刀頭的進給量。該工序結束后，由PLC控制電動機驅動回轉工作臺旋轉到下個工位進行下一個工序的加工[7]。

2.2 機床動力頭設計

動力頭是完成鉆孔和攻絲的重要部件，小型機床加工所需轉矩不是很大，故采用伺服電動機+滾珠絲杠+滾珠絲杠螺母+動力頭的運動方案，用滾珠絲杠帶動動力頭做繞Z軸縱向主運動。動力主軸用帶輪連接異步交流電動機，交流供電。動力頭切削轉矩是10.3 N·m，切削主軸直徑是25 mm，動力頭加工參數如表1所示。

圖2 回轉工作臺總體結構示意圖

圖3 機床工位示意圖

表1 機床加工參數表

機床的鉆孔直徑最大值為：鋼件12 mm，銅件12 mm，鑄鐵達 10 mm，鋁、銅件 16 mm；最大攻絲能力：M12；最大鉆孔深度100 mm，鋼件攻絲直徑達12 mm。

3 控制系統設計

3.1 控制系統硬件

機床控制系統是以PLC為控制核心，編程實現對開關量信號的邏輯控制和對機床的集成控制與管理，操作包括實現工作臺的旋轉，動力頭Z向鉆、攻，傳動機構的運動，冷卻降溫系統的開閉等。觸摸屏作為上位機可接收PLC指令，實現對參數的設置、加工模式的切換和系統運動狀態的監控[8]。系統結構組成如圖4所示。

圖4 機床控制系統基本組成圖

本系統選用臺達DVP32ES211T型PLC控制器，外擴3個臺達DVP16XP211T型擴展模塊，觸摸屏選用臺達DOPB07S411型7 in觸摸屏，并選用臺達ASDA-A2系列的交流伺服系統，伺服電動機型號為ECMA E△13-20型。機床鉆削和攻絲動力頭的交流電動機所需功率為0.62 kW，選用功率為1.5 kW變頻器，型號為VFD015E43A，攻絲動力頭變頻器型號為VFD022E43A，采取一拖二方式。

在機床的控制系統中，機床PLC控制系統的總輸入、輸出點各為40點，包括觸摸屏、伺服驅動器、變頻控制器等與PLC通過RS232-RS485混合式通訊接口進行連接的，波特率為19 200 bps，通訊逾時時間為100 ms。通訊指令采用MODWR，聯機裝置地址為4（變頻器地址），寫入數據地址16H（頻率命令）。RS485通訊格式設置程序如圖5所示。

3.2 控制系統軟件及實現

圖5 RS485通訊格式設置程序圖

圖6 控制程序主體流程圖

選用臺達公司配套的WPLSoft編程軟件。針對加工過程分析，機床軟件主要包括：單工件多工位加工程序設計、多工件單工位加工程序設計、機床加工過程調整子程序設計、機床刀具與回轉工作臺回零子程序設計、機床刀具對準程序設計以及機床監控系統程序設計等[9-10]，控制流程如圖6所示，機床加工過程由軟件編程控制：供料機構或人工上料→夾具夾緊→鉆孔→鉸孔→攻絲→下料。鉆孔加工梯形圖如圖7所示。

圖7 鉆削加工控制程序梯形圖

系統開啟后，觸摸屏顯示監控和操作界面，可通過按鈕選擇工作模式，實現加工的整個流程的全自動化生產，同時可通過觸摸屏軟件查看機床參數并進行設置，包括各工位動力頭主軸轉速、工作臺電動機轉速、升降距離的設置以及動力主軸和縱向進給機構的電動機是否要進行回轉選項，同時考慮到加工前的試車等。

4 結論

本文針對單件小批量零件的多孔加工問題，設計了一款小型五工位鉆攻一體機，即基于“可編程邏輯控制器+交流伺服系統+變頻調速系統+觸控屏”的機床結構，根據孔加工過程的多工序多工位的要求，設計了回轉式工作臺進行多工位轉換，并設計了以PLC為核心的控制系統，該控制系統實現了機床加工過程的自動化和簡單化。簡化了機床結構，實現了小型機床上的多孔工件的自動化加工，節約了生產時間，降低了生產成本。