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        盤狀零件孔加工的自動(dòng)化改造

        2014-05-10 07:51:30羅湛陳亞
        機(jī)床與液壓 2014年22期
        關(guān)鍵詞:斷電活塞桿刀具

        羅湛,陳亞

        (1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連116024;2.貴州民族大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,貴州貴陽550000;3.北京富地紅華動(dòng)力技術(shù)有限責(zé)任公司貴陽分公司,貴州貴陽550000)

        隨著國內(nèi)人力成本的不斷上升,企業(yè)的利潤越來越低。為降低人工支出,就必須裁員或是遷往人力成本相對比較低的地區(qū)。搬遷對于很多企業(yè)來說,需要準(zhǔn)備巨大的搬遷費(fèi)用,實(shí)際操作比較困難。因而對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造,精簡員工人數(shù),提高生產(chǎn)率是企業(yè)發(fā)展的必由之路。

        1 工藝改進(jìn)方案

        某廠生產(chǎn)的法蘭狀零件材料選用45 鋼,毛坯的外圓、端面已經(jīng)完成半精加工,要求在圓周上加工4個(gè)均布的螺栓孔,并在上表面锪出沉頭孔。原來少量生產(chǎn)時(shí),將工藝分為鉆孔和锪孔兩道工序完成,鉆孔和锪孔都使用簡易分度夾具,加工完一個(gè)孔后,手動(dòng)旋轉(zhuǎn)分度盤進(jìn)行分度,再加工下一個(gè)孔,定位夾緊都是人工完成,生產(chǎn)效率不高。隨著市場的變化,對該產(chǎn)品的需求量猛增,急需對工藝進(jìn)行改進(jìn)以提高產(chǎn)量。在對產(chǎn)品外形特點(diǎn)、加工要求、工廠設(shè)備狀況、財(cái)力狀況進(jìn)行反復(fù)論證后,提出了PLC 和液壓相結(jié)合的孔加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,工藝設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

        圖1 加工流程示意圖

        控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC,定位、夾緊、卸料采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。刀具改用具有鉆、锪孔功能的復(fù)合刀具,即刀具的前端是鉆頭,后半段是锪鉆,刀具進(jìn)給一次時(shí),依次完成鉆孔和锪孔。對現(xiàn)有的鉆床進(jìn)行改造,拆除主軸箱,安裝外協(xié)定制的復(fù)合主軸箱,并將進(jìn)給機(jī)構(gòu)改為液壓驅(qū)動(dòng),新主軸箱上裝有4把刀具,一次進(jìn)給可完成4 個(gè)孔的加工。工件定位采用平面和短V 塊進(jìn)行定位,限制工件5 個(gè)自由度,使用短V 塊從另一端夾緊。工作時(shí)傳送裝置將工件從左側(cè)送入縱向槽,工件到達(dá)指定位置后,由磁性傳感器發(fā)出工件就位信號,夾緊V 塊快速將工件向定位V 塊開口處推動(dòng)。由于V 塊具有自動(dòng)定心功能,在運(yùn)動(dòng)過程中,自動(dòng)將工件的圓心調(diào)整到夾緊V 塊的中心線上,保證工件不會(huì)與槽壁摩擦、擠壓造成卡料現(xiàn)象,在工件接近定位V 塊時(shí)減速調(diào)整,使工件正確定位。工件在夾緊過程中檢測夾緊缸的壓力,通過調(diào)整壓力開關(guān),控制工件的夾緊力。工件加工完后,夾緊V 塊后退,頂出桿將工件頂出,再由推料桿將工件送入右端的料斗,同時(shí)啟動(dòng)高壓氣源吹除切屑,為下一循環(huán)作準(zhǔn)備。改造的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高度自動(dòng)化,提高生產(chǎn)效率。

        2 數(shù)字閥設(shè)計(jì)思路

        系統(tǒng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用液壓數(shù)字閥驅(qū)動(dòng)。當(dāng)前市場上的數(shù)字閥價(jià)格較高,進(jìn)口產(chǎn)品更昂貴,為此,選用價(jià)格較低的二位二通閥構(gòu)建數(shù)字閥,通過控制5 個(gè)二位二通閥的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)和工進(jìn)。如圖2所示,閥5 是快速旁路,快進(jìn)或快退時(shí)導(dǎo)通,此時(shí)壓力油主要通過閥5 快速進(jìn)入油缸;截止時(shí),進(jìn)入油缸的壓力油受閥1、2、3、4 控制,以實(shí)現(xiàn)數(shù)字閥的功能。閥1、2、3、4 的開口面積嚴(yán)格按照1∶2∶4∶8 的比例選取,由于所有閥是并聯(lián)結(jié)構(gòu),各閥兩端的壓差相等,當(dāng)閥1、2、3、4 導(dǎo)通時(shí),流量的比例關(guān)系是1∶2∶4∶8,若閥1 的流量是q,則閥2、3、4 的流量分別是2q、4q、8q,其對應(yīng)關(guān)系正好滿足二-十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)系。通過控制閥1、2、3、4 的通斷,精確調(diào)整進(jìn)入液壓缸的油量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對活塞桿速度的控制。設(shè)閥1、2、3、4 的導(dǎo)通表示“1”,斷開表示“0”。閥1 導(dǎo)通時(shí),二進(jìn)制數(shù)為“0001”,十進(jìn)制為“1”,進(jìn)入缸體的流量為q,速度為v;閥1、3 導(dǎo)通時(shí),二進(jìn)制數(shù)為“0101”,十進(jìn)制為“5”,進(jìn)入缸體的流量為5q,速度為5v。當(dāng)然,實(shí)現(xiàn)上述調(diào)速必須保證調(diào)速閥的流量大于閥1、2、3、4 的輸入需求。綜上所述,當(dāng)調(diào)速閥6 的流量穩(wěn)定,就可以細(xì)分出16 種流量,液壓缸將獲得16 種進(jìn)給速度。若是對調(diào)速閥進(jìn)行標(biāo)定,改變調(diào)速閥的流量,缸體將有無限多種進(jìn)給速度,在工進(jìn)中可以隨時(shí)精確改變進(jìn)給速度,實(shí)現(xiàn)多種速度的工進(jìn),特別適合復(fù)合刀具的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)給控制相比,工藝適應(yīng)范圍更廣。

        圖2 二位二通閥組成的數(shù)字閥原理圖

        3 液壓設(shè)計(jì)原理圖

        系統(tǒng)的液壓原理如圖3所示,傳送裝置將待加工工件輸送到極限位置后,輸送磁性開關(guān)觸發(fā),傳送裝置停止,并給三位四通閥10 和二位二通閥11 發(fā)出控制信號,電磁鐵6YA 和7YA 通電,閥10 的P 口和A口導(dǎo)通,閥11 右位,夾緊缸14 的活塞桿伸出,將工件快速推向定位V 塊。在工件離定位V 塊約10 mm時(shí)缸14 的活塞桿觸發(fā)減速限位開關(guān),7YA 斷電,閥11 復(fù)位,壓力油只經(jīng)過調(diào)速閥12 進(jìn)入缸14 左腔,通過調(diào)整調(diào)速閥12,可以控制工件接近定位V 塊的速度。工件和定位V 塊充分接觸后,隨著夾緊力的增大,缸14 左腔壓力逐漸升高,夾緊力達(dá)到設(shè)定值時(shí),壓力開關(guān)13 觸發(fā),使電磁鐵YA6 斷電,閥10回到中位,工件定位和夾緊流程結(jié)束。與此同時(shí),二位二通閥19、三位四通閥20 也收到壓力開關(guān)13 動(dòng)作的信號,電磁鐵12YA、14YA 通電,壓力油主要經(jīng)調(diào)速閥4、閥19、閥20 進(jìn)入進(jìn)給缸21 的上腔,刀具快速向工件表面運(yùn)動(dòng)。刀具組件在距離工件表面5 mm時(shí),觸發(fā)快進(jìn)光電限位開關(guān),12YA 立即斷電,壓力油只能經(jīng)過二位二通閥15、16、17、18 組成的數(shù)字閥進(jìn)入進(jìn)給缸21,實(shí)現(xiàn)精確工進(jìn)。由于工件的待加工表面是兩個(gè)直徑不同的階梯孔,在鉆孔結(jié)束后,會(huì)觸發(fā)鉆孔行程光電限位開關(guān),閥15、16、17、18 將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作運(yùn)動(dòng),降低進(jìn)給速度,再進(jìn)入锪孔加工。刀具在向下進(jìn)給遇到下極限位置光電開關(guān)后,電磁鐵14YA 斷電,12YA、13YA 通電,閥19 導(dǎo)通,閥20 換到左位,壓力油主要經(jīng)閥4、19、20 進(jìn)入缸21 下腔,活塞桿縮回,實(shí)現(xiàn)刀具快退。刀具快退到上行程極限后,撞擊進(jìn)給上極限行程開關(guān),12YA、13YA 斷電,5YA、7YA 得電,刀具進(jìn)給停止,夾緊缸14 活塞桿縮回。夾緊V 塊縮回到極限位置時(shí),5YA、7YA 斷電,2YA 通電,頂出缸6 的活塞桿將工件從定位V 塊頂出。缸6 的活塞桿運(yùn)動(dòng)受兩個(gè)行程開關(guān)控制,頂出缸活塞桿頂出到位后,2YA斷電,1YA 通電,閥5 換向,頂出桿快速縮回。當(dāng)缸6 的活塞桿退回到起始位置后,撞擊后行程開關(guān),給換向閥5、8 發(fā)出控制信號,閥5 的1YA 斷電,閥5回到中位,閥8 的電磁鐵4YA 得電,推出缸9 的活塞桿將工件推入接料斗。推出桿撞到伸出極限行程開關(guān)后,4YA 斷電,3YA 通電,推出桿快速縮回,在撞上縮回行程開關(guān)后,向閥8、排屑?xì)庠撮_關(guān)、傳送裝置發(fā)控制信號,使3YA 斷電,換向閥8 中位,一次完整的加工流程結(jié)束,傳送裝置收到信號后,啟動(dòng)下一工作循環(huán)。

        圖3 系統(tǒng)液壓原理圖

        4 PLC 控制設(shè)計(jì)

        西門子PLC 產(chǎn)品線豐富,硬件可靠性高,軟件配套完善,市場占有率高,控制系統(tǒng)選擇其產(chǎn)品有利于確保整個(gè)加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性,有利于后期升級及維護(hù)。根據(jù)現(xiàn)有控制點(diǎn)數(shù)需求情況以及未來系統(tǒng)升級需要,最終選擇西門子S7-300 PLC。由于進(jìn)給調(diào)速系統(tǒng)采用的是數(shù)字量控制,整個(gè)系統(tǒng)的信號檢測部分也都是開關(guān)量,所以控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)相對容易。各控制量符號表如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)符號表

        為使系統(tǒng)控制程序便于修改和維護(hù),將數(shù)字閥部分的控制寫成16 個(gè)功能塊,每一個(gè)速度對應(yīng)一個(gè)功能塊。例如要實(shí)現(xiàn)“速度7”,對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為“0111”,PLC 的輸出端口就要使圖3 中的閥15、16、17 通電,閥18、19 斷電。功能塊的程序如下:

        除控制數(shù)字閥的子塊外,另外編寫兩個(gè)塊用于設(shè)置鉆孔和锪孔速度,系統(tǒng)鉆孔和锪孔速度的初始值放在數(shù)據(jù)塊中,需要修改時(shí)通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)將加工的進(jìn)程數(shù)據(jù)映射到觸摸屏上進(jìn)行顯示。主程序部分是按照加工工藝流程依次編寫,整個(gè)系統(tǒng)完整的主程序如下所示:

        5 結(jié)論

        根據(jù)實(shí)際使用情況來看,也出現(xiàn)了一些問題,例如切屑清除不徹底造成定位誤差,夾緊不穩(wěn)定;盡管有鉆套引導(dǎo),工件偏斜、刀具磨損不一致等現(xiàn)象使孔鉆偏,甚至出現(xiàn)刀具折斷現(xiàn)象;由于采用多把刀具同時(shí)進(jìn)給,解決了速度問題,但是工藝適應(yīng)性差,若是加工其他更多規(guī)格的產(chǎn)品,則必須設(shè)計(jì)分度裝置,一次鉆一個(gè)孔,生產(chǎn)效率必然降低??傊?jīng)過運(yùn)行初期反復(fù)調(diào)整后,系統(tǒng)運(yùn)行正常,生產(chǎn)效率提高很多,基本達(dá)到預(yù)期要求。

        [1]王益群,高殿榮.液壓工程師技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

        [2]張利平.現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用220 例[M].2 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

        [3]姜建芳.西門子S7-300/400 PLC 工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

        [4]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊[M].2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

        [5]朱耀祥,浦林祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

        [6]陳宏鈞.實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊[M].3 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

        [7]謝家瀛.組合機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

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