紀(jì)兆毅，彭長(zhǎng)震

JI Zhao-yi1，PENG Chang-zhen2

（1.菏澤學(xué)院 機(jī)電工程系，菏澤 274000；2.曹縣精銳機(jī)械鎖業(yè)有限公司，曹縣 274000）

0 引言

中國(guó)已成為世界最大的鎖具生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)——這是個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。由于鎖具行業(yè)屬于勞動(dòng)密集型行業(yè)，入行門(mén)檻低，專(zhuān)業(yè)化程度不高，高端產(chǎn)品種類(lèi)非常稀少。目前，國(guó)內(nèi)鎖具市場(chǎng)以生產(chǎn)中低檔的鎖具產(chǎn)品為主，競(jìng)爭(zhēng)早已白熱化，由于原材料價(jià)格上升，勞動(dòng)力成本增加，以及越來(lái)越多的新技術(shù)新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，讓鎖具行業(yè)的日子越來(lái)越難過(guò)，鎖具行業(yè)新一輪的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)拉開(kāi)帷幕，技術(shù)含量高的高端產(chǎn)品未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)明顯，高端鎖具將逐漸成為鎖具市場(chǎng)的主流。

隨著高科技的迅速發(fā)展，高端產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)，必須依賴于鎖具設(shè)備的自動(dòng)化水平，在沒(méi)有全自動(dòng)機(jī)器，以及機(jī)器人操作的不現(xiàn)實(shí)狀況下，半自動(dòng)數(shù)控設(shè)備，成了所有鎖具加工的救命稻草。

對(duì)于彈子鎖是一個(gè)尺寸要求精度高，產(chǎn)品外觀精美，批量大，生產(chǎn)效率要求高的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)制鎖廠家多采用手工鉆床鉆孔，其精度和效率都比較低，難以滿足高精度的產(chǎn)品要求。為此我們?cè)谠惺止ゃ@孔工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要研制了數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)，使其具有數(shù)控加工的能力，為我國(guó)鎖具企業(yè)由勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)化為技術(shù)密集型提供了一條途徑。

1 數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)方案原理實(shí)現(xiàn)和技術(shù)參數(shù)

該彈子孔鉆孔機(jī)包括機(jī)架部分，主座，立座，工作臺(tái)和控制開(kāi)關(guān)，人機(jī)界面。其特征在于：所述的工裝夾具部分安裝在工作臺(tái)上，采用氣動(dòng)夾緊方式，用高速電主軸直接夾持鉆頭實(shí)現(xiàn)鉆孔運(yùn)動(dòng)。

該鉆孔機(jī)更優(yōu)的技術(shù)方案是：高速電機(jī)主軸直接夾持鉆頭并通過(guò)無(wú)間隙傳動(dòng)絲杠，實(shí)現(xiàn)鉆孔運(yùn)動(dòng)，保證其穩(wěn)定性。

該鉆孔機(jī)有益效果是：采用直線滑軌與直線軸承配合，有步進(jìn)電機(jī)結(jié)合無(wú)間隙傳動(dòng)滾珠絲杠，使工作臺(tái)前后，上下運(yùn)動(dòng)，保證了運(yùn)動(dòng)中的進(jìn)給精度，自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率大大提高，加工精度高。

數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

鉆孔材料： 銅、鑄鐵、鋼

最大鉆孔直徑： 4mm

主軸電機(jī)功率： 1.5KW

主軸轉(zhuǎn)速： 6000-24000轉(zhuǎn)/分

工作臺(tái)最大縱向位移：100mm

氣壓： 0.6MPA

生產(chǎn)產(chǎn)量： 4000-6000把/8小時(shí)

2 彈子孔數(shù)控鉆孔機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)由機(jī)身架部分、高速主軸、傳動(dòng)部分及電氣控制系統(tǒng)組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1和表1所示。

2.1 機(jī)身架部分

由焊接機(jī)架、機(jī)架地板和防震支撐桿組成。

2.2 傳動(dòng)部分

由上下步進(jìn)電機(jī)、前后步進(jìn)電機(jī)、連接裝置、高速電主軸組成。

圖1 數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 示意圖1中各序號(hào)名稱(chēng)

高速電機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)是靠上下傳動(dòng)步進(jìn)電機(jī)接合傳動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)的。工作臺(tái)前后運(yùn)動(dòng)是靠前后傳動(dòng)步進(jìn)電機(jī)結(jié)合傳動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)的。工作臺(tái)的雙工位切換是靠工作臺(tái)內(nèi)部的交換氣缸實(shí)現(xiàn)。

2.3 工件夾具部分

工件夾具安裝在工作臺(tái)上，夾具可分為單工位和雙工位，氣動(dòng)夾緊。

2.4 電氣控制部分.

由于考慮到成本以及實(shí)際操作的需要，電氣控制系統(tǒng)主要靠變頻調(diào)速和PLC可編程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)的工作特點(diǎn)是加工頻率和加工精度高、工作時(shí)間長(zhǎng)。因此，其電氣控制系統(tǒng)必然出現(xiàn)頻繁切換的工作狀態(tài)，為了提高鉆孔機(jī)的工作效率和可靠性，采用可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）對(duì)加工過(guò)程加以控制。

3.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

系統(tǒng)的硬件主要由國(guó)產(chǎn)信捷XC3可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）、英威騰CHF100-1R5G-2變頻器、各種主令電氣（按鈕和位置傳感器）及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)（步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)和電磁閥等）構(gòu)成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

初始狀態(tài)時(shí)，冷卻液處于關(guān)閉狀態(tài)，上下步進(jìn)電機(jī)處于上端起始位置，夾緊氣缸處于放松狀態(tài)。操作人員通過(guò)人機(jī)交互面板設(shè)定所要鉆孔個(gè)數(shù)以及鉆孔深度、孔間距等參數(shù)，PLC接收參數(shù)并保存。工作時(shí)，首先按下電源開(kāi)關(guān)，冷卻液開(kāi)，左右移動(dòng)復(fù)位，然后啟動(dòng)高速電機(jī)主軸，放好工件，夾緊氣缸自動(dòng)夾緊鎖芯，上下步進(jìn)電機(jī)向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)高速電機(jī)主軸向下工進(jìn)鉆孔，到達(dá)設(shè)定的孔深后，上下步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)高速電機(jī)主軸快速回退，回退到初始位置后，前后步進(jìn)電機(jī)向后運(yùn)動(dòng)一個(gè)孔距至下一個(gè)鉆孔位置，如此往復(fù)，直至鉆完設(shè)定的孔數(shù)，一號(hào)工位鉆孔結(jié)束，左右移動(dòng)定位開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，更換至二號(hào)工位，如前面鉆孔過(guò)程，一號(hào)工位和二號(hào)工位可以連續(xù)自動(dòng)更換，或者通過(guò)腳踏開(kāi)關(guān)更換。當(dāng)鉆孔結(jié)束后，關(guān)閉高速電機(jī)，按下電源開(kāi)關(guān)，整個(gè)鉆孔過(guò)程結(jié)束。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

可編程控制器的軟件設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的梯形圖。根據(jù)加工工藝要求，梯形圖程序主要包括：

1）高速電機(jī)的啟動(dòng)、停止、及其變頻調(diào)速控制；

2）通過(guò)鉆頭扭力的設(shè)定實(shí)現(xiàn)更換鉆頭提示，保護(hù)鉆頭；

3）工作循環(huán)及整個(gè)加工過(guò)程控制；

4）發(fā)生誤操作時(shí)系統(tǒng)自鎖控制；

5）步進(jìn)電機(jī)速度、鉆孔深度、孔距控制；

6）故障報(bào)警控制和急?？刂啤?/p>

4 彈子孔數(shù)控鉆孔機(jī)的性能特點(diǎn)

與以前的手工鉆床鉆孔相比，該鉆孔機(jī)的精度和效率都得到了大幅的提高，具體表現(xiàn)如下：

1）本機(jī)床采用直線滑軌和無(wú)間隙傳動(dòng)絲杠帶動(dòng)夾具和鉆頭做上下前后左右運(yùn)動(dòng)，保證了的工件夾具的進(jìn)給精度，由高速電主軸直接夾持鉆頭，保證了其鉆頭的穩(wěn)定性；

2）實(shí)現(xiàn)了鉆孔過(guò)程的自動(dòng)化，加工效率高。控制系統(tǒng)采用可編程控制器控制，由面板可以自由調(diào)節(jié)鉆孔的中心距、加工速度、孔深、延時(shí)時(shí)間和初始定位距離等工藝參數(shù)，大大提高了加工效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；

3）鉆孔精度高，手工鉆孔時(shí)鉆孔的深度全憑操作人員用目測(cè)判斷，難以滿足高精度的產(chǎn)品要求。本機(jī)器鉆孔的深度和孔間距可以自由設(shè)定，由可編程控制器自動(dòng)準(zhǔn)確控制，完全滿足產(chǎn)品的高精度要求；

4）安全可靠，操作方便?？刂葡到y(tǒng)采用可編程控制器和操作面板控制，中文菜單，方便易懂，顯示設(shè)置信息和加工信息等，且有管理員密碼保護(hù)，方便生產(chǎn)管理。同時(shí)，系統(tǒng)的自鎖功能和故障報(bào)警功能從根本上保證了操作者和設(shè)備的安全；

5 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐證明，該數(shù)控彈子孔鉆孔機(jī)完全滿足目前我國(guó)制鎖企業(yè)使用的要求，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，控制、傳動(dòng)合理，自動(dòng)化程度較高，性能可靠，維護(hù)維修方便。在使用過(guò)程中機(jī)床運(yùn)行狀況良好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

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