饒東強(qiáng)

( 廣東省南?；た倧S有限公司，廣東 佛山 528225 )

Z3040搖臂鉆床綜合改造分析*

饒東強(qiáng)

( 廣東省南?；た倧S有限公司，廣東 佛山 528225 )

基于對(duì)Z3040搖臂鉆床原理、結(jié)構(gòu)、性能的分析研究基礎(chǔ)上，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)改造、電氣控制PLC改造和功能擴(kuò)展的改造 ，提高了Z3040搖臂鉆床的精度、性能，改善了加工工藝，延長(zhǎng)機(jī)器使用的周期，節(jié)約了成本，成為Z3040搖臂鉆床優(yōu)化的一個(gè)很好的補(bǔ)充。

Z3040搖臂鉆床；傳動(dòng)系統(tǒng)改造；功能擴(kuò)展改造

0 引 言

面對(duì)現(xiàn)代化工工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的要求不斷提高，特別是民爆行業(yè)近幾年設(shè)備更新?lián)Q代工作加速，Z3040搖臂鉆床加工可以廣泛應(yīng)用于這個(gè)過(guò)程之中，如鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋等工藝經(jīng)常應(yīng)用于實(shí)際加工過(guò)程，這其中由于搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制造工期較長(zhǎng)，且由于是齒輪傳動(dòng)，不能做到無(wú)級(jí)變速，進(jìn)給量難以變換；其控制系統(tǒng)的電器線路比較繁瑣，穩(wěn)定性、可靠性不高；當(dāng)要加工一些位置復(fù)雜，干擾程度高的螺紋孔位置時(shí)，會(huì)遇到一些困難，增加了加工的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面的難度。針對(duì)這些問(wèn)題，分別提出了對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)改造、電氣控制PLC改造和功能擴(kuò)展的改造。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

1.1 設(shè)計(jì)方案

Z3040傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理主要的組成為主軸、夾緊、進(jìn)給三大部分，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速、并且增加其變速量，將主軸和進(jìn)給傳動(dòng)改為液壓方式，可以很好的控制變速范圍和進(jìn)給量，滿足加工工藝的復(fù)雜要求，而對(duì)夾緊系統(tǒng)則將獨(dú)立的供油方式改為共用方式，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)[1]。

主軸傳動(dòng)改造：對(duì)系統(tǒng)的壓力進(jìn)行限制，通過(guò)減小驅(qū)動(dòng)的流量，降低壓力，同時(shí)使壓力調(diào)節(jié)更加細(xì)化。使調(diào)速閥的控制趨向二級(jí)或多級(jí)，在回油路徑中形成背壓，使系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)過(guò)渡，減少主軸傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)發(fā)的調(diào)節(jié)誤差。

進(jìn)給傳動(dòng)改造：與主軸傳動(dòng)的液壓改造方式類似，在油路設(shè)置二級(jí)或多級(jí)的減速方式，降低轉(zhuǎn)速，對(duì)于小進(jìn)給量或低速運(yùn)行有很大的改良效果。

夾緊部分改造：在基本維持原有的結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)液壓控制閥的組合，在夾緊系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)保壓和進(jìn)退的改善。

1.2 調(diào)速方案的選擇

調(diào)速方式主要涉及到兩類：其一，結(jié)合節(jié)流閥和差壓式變量泵的工作效能，達(dá)到調(diào)速目的；其二，利用調(diào)速閥和壓力限制變量泵的結(jié)合，達(dá)到調(diào)速目的。兩種調(diào)速方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，調(diào)速閥與壓力限制變量泵的優(yōu)點(diǎn)是可以自如的控制流量與壓力，對(duì)于快進(jìn)與工進(jìn)之間的過(guò)渡比較平穩(wěn)，誤差??；但是, 其不足之處是該組合方式回路的負(fù)載變化比較大,當(dāng)加工工藝需要在小負(fù)載環(huán)境下工作時(shí)，變量泵的供壓較高,但操作中的元件的壓力相對(duì)低,對(duì)于變量泵泄漏的能量和在調(diào)速閥的壓降損失比較明顯, 并且油液溫升很快，難以很好的滿足加工要求。而利用節(jié)流閥與差壓式變量泵的組合方式，對(duì)于大小負(fù)載的工作要求可以動(dòng)態(tài)變化，保持回路中的供油壓力與工作壓力視負(fù)載情況而定, 維持流量與壓差的穩(wěn)定，保障加工的平穩(wěn)性，減小能耗，提高效率。

1.3 液壓元件的選用

(1) 液壓馬達(dá)的選用 按照Z(yǔ)3040 搖臂鉆床的最初設(shè)計(jì)要求，主軸傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速介于25～2 000 r/min之間, 進(jìn)給量介于為40～3 200 μm/ r。經(jīng)調(diào)查證實(shí)，一般生產(chǎn)用Z3040搖臂鉆床實(shí)際進(jìn)給量介于60～1 000 μm/ r之間。根據(jù)液壓馬達(dá)的應(yīng)用要求，加工過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的工作條件，可以考慮多作用徑向柱塞馬達(dá)、斜盤(pán)軸向柱塞馬達(dá)或擺線轉(zhuǎn)子馬達(dá)等樣式。而對(duì)應(yīng)于調(diào)速范圍的具體要求，斜盤(pán)軸向柱塞馬達(dá)適應(yīng)于調(diào)速寬度大、軸向自由、徑向尺寸小的場(chǎng)合；內(nèi)曲線多作用徑向柱塞馬達(dá)適用于穩(wěn)定要求高、低速、大轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。當(dāng)面對(duì)進(jìn)給量大、轉(zhuǎn)矩大(Tmax=0.4 kN·m)、轉(zhuǎn)速高的加工環(huán)境時(shí),液壓馬達(dá)的選擇就要綜合考慮。經(jīng)過(guò)論證,可選用型號(hào)為1QJM01-160的柱塞式液壓馬達(dá)，其具體參數(shù)為額定壓力1×107Pa，理論排量160 mL/r，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)寬度8～630 r/m，最大輸出轉(zhuǎn)矩為0.42 kN·m。柱塞式液壓馬達(dá)可用作改善鉆床主軸與進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，并與帶式無(wú)極變速器配合使用，可以達(dá)到調(diào)速與進(jìn)給的優(yōu)化，提高加工的穩(wěn)定性、精確性與可操作性。

(2) 液壓缸參數(shù)的選擇 一般液壓缸的型號(hào)包含單作用液壓缸、雙作用液壓缸和組合式液壓缸，考慮到加工過(guò)程中對(duì)進(jìn)退的要求，可選用單桿雙作用液壓缸，桿的直徑取D活塞桿=0.090 m，缸體的內(nèi)徑取D內(nèi)徑=0.125 m。

(3) 液壓泵的選擇 由參數(shù)可知，泵的最大工作壓力不超過(guò)4×106Pa，液壓泵的流量為14 100 mL/m，原則上選用YBX-25 限壓式變量液壓泵，轉(zhuǎn)速n介于600～1 500 r/min之間，額定功率為4 000 W，排量范圍小于25 mL/r，額定壓力6.3×106Pa，工作當(dāng)中的實(shí)際使用效率0.8。

(4) 液壓泵電機(jī)的選擇 根據(jù)液壓泵的工作參數(shù)，確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的型號(hào)為Y90L-4，其額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min,額定功率為1 500 W，滿載負(fù)荷時(shí)的電流為3 650 mA。

1.4 調(diào)速及數(shù)顯裝置

數(shù)顯裝置可以提高操作的簡(jiǎn)易程度，減小失誤。在對(duì)節(jié)流閥的調(diào)速閥控制時(shí)，在軸上設(shè)置微型轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)，采用按鍵裝置, 正反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)可以通過(guò)對(duì)微型開(kāi)關(guān)的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了觀察Z3040搖臂鉆床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量,做到更精確的調(diào)節(jié)目的，在其上設(shè)置數(shù)顯裝置。將光電編碼器安裝在主軸上, 原理是通過(guò)測(cè)量光柵的脈沖信號(hào)，而單片機(jī)可以計(jì)算出脈沖信號(hào)與主軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，并且不受其他因素的影響，可以精確測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速。同樣，數(shù)顯裝置安裝在進(jìn)給量的調(diào)節(jié)裝置上，可以很方便的調(diào)節(jié)變換進(jìn)給量，誤差小、操作簡(jiǎn)易，極大地提高了加工的效率。

2 功能改造

2.1 鉆擴(kuò)功能改造

如圖1所示。在面對(duì)加工位置不理想、干擾因素多的螺紋孔時(shí)，經(jīng)常要將工藝進(jìn)行再細(xì)分，如圖2的壓力機(jī)機(jī)體下部位置的三個(gè)螺紋孔,由于受到上部結(jié)構(gòu)的干擾，很難對(duì)螺紋孔進(jìn)行直接加工，通常要分為定位、電鉆手工打孔，手工攻絲，顯然在這三個(gè)步驟當(dāng)中都容易產(chǎn)生較大的偏差，而且加工效率低，當(dāng)面對(duì)大批量的加工要求時(shí)，具有一定的局限性[2]。

圖1 復(fù)雜鉆擴(kuò)螺紋

圖2 擴(kuò)展功能-鉆銑機(jī)構(gòu)1.機(jī)床進(jìn)給移動(dòng)軸 2.機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸 3.鎖緊塊 4、5、12、13.傘齒輪 6.傳動(dòng)軸 7.機(jī)體 8.錐銷 9.鍵 10.軸 11.懸臂 14.鉆夾頭 15.機(jī)構(gòu)主軸

對(duì)于不能直接垂直加工的孔位，可以考慮橫向引出，使鉆頭伸至孔位上方，以方便加工。具體的擴(kuò)展功能結(jié)構(gòu)可以參照?qǐng)D2，即鉆銑機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)體上。主軸的垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要傳遞到橫向引出軸的垂直運(yùn)動(dòng)，可以利用錐齒輪的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖所示：首先通過(guò)4、5一對(duì)錐齒輪將垂直的主軸(機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸2)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為橫向軸(傳動(dòng)軸6)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具體的轉(zhuǎn)速比例可以根據(jù)結(jié)構(gòu)、加工需要而定，再通過(guò)固定連接將橫向軸(傳動(dòng)軸6)的運(yùn)動(dòng)傳遞到軸10，最后則是用一對(duì)錐齒輪12、13的配合完成從橫向旋轉(zhuǎn)到縱向旋轉(zhuǎn)的傳遞(軸10到鉆擴(kuò)機(jī)構(gòu)主軸15的轉(zhuǎn)換)，在鉆擴(kuò)主軸15上安裝鉆頭就可以達(dá)到鉆孔的目的，同樣，鉆擴(kuò)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是通過(guò)搖臂鉆床的主軸和兩對(duì)錐齒輪的換算確定的，即調(diào)節(jié)搖臂鉆床主軸轉(zhuǎn)速來(lái)鉆頭改變鉆擴(kuò)主軸鉆速，相似的，通過(guò)改變主體機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量來(lái)控制鉆擴(kuò)機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量。

加工步驟：將加工工件垂直安裝在主體機(jī)構(gòu)上，在壓力機(jī)上定好三個(gè)螺紋孔位，打上沖眼，將橫向引出的軸(鉆擴(kuò)機(jī)構(gòu))伸至孔位平面上方，依照先前打好的沖眼進(jìn)行鉆孔加工，同樣，在鉆擴(kuò)主軸上安裝絲錐，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行螺紋孔的加工操作。螺紋底孔加工好后在鉆夾頭上裝上絲錐, 選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)速就可以完成螺紋孔的加工。

2.2 銑削功能改造

除了鉆擴(kuò)功能，還可以添加銑削功能，如圖3所示的聯(lián)軸器的鍵槽加工，具體改造將懸臂11卸下， 在傳動(dòng)軸6上安裝銑刀，與鉆擴(kuò)改造的加工方法類似，只是有垂直方向的加工變?yōu)闄M向銑削，具體的機(jī)械轉(zhuǎn)速，加工進(jìn)給量，同樣經(jīng)過(guò)機(jī)構(gòu)本體的主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量的調(diào)節(jié)加以控制[3]。

圖3 聯(lián)軸器內(nèi)鍵槽加工

2.3 夾具的擴(kuò)展設(shè)計(jì)

針對(duì)批量加工以及大、特、獨(dú)等零部件的加工，合理的夾具設(shè)計(jì)是必須考慮的重要因素，如此方能充分發(fā)揮拓展搖臂鉆床加工功能。夾具設(shè)計(jì)依據(jù)的原則是簡(jiǎn)捷、實(shí)用、快速、可靠。根據(jù)工件的種類、結(jié)構(gòu)特征的不同，可采用不同的形式夾具設(shè)計(jì)，根據(jù)鉆床夾具的定位元件、夾緊裝置、對(duì)刀導(dǎo)引元件、分度元件、連接元件等組成部分設(shè)計(jì)好每次加工夾具。如實(shí)際工作中，利用車(chē)床卡盤(pán)定位帶有圓柱形加工面的異形零件，或是配合加裝假軸定位加工異型零件都會(huì)取得良好的加工結(jié)果。

3 基于PLC控制的電氣改造

傳統(tǒng)的Z3040搖臂鉆床的旋轉(zhuǎn)與升降不能復(fù)位，并且缺少失壓和欠壓的安全保障措施。改造后的電氣控制基于PLC系統(tǒng)，一般電氣控制改造分為硬件改造與軟件改造，但基于原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本定型，所以著重介紹軟件設(shè)計(jì)。PLC軟件編寫(xiě)的控制程序主要包括預(yù)開(kāi)程序、電機(jī)的啟停程序、搖臂升降程序、夾緊與釋放程序和一些輔助程序組成。綜合考慮Z3040搖臂鉆床的基本需求，其輸入點(diǎn)數(shù)不少于18，輸出點(diǎn)數(shù)不少于12個(gè)，可以采用FPO型號(hào)的產(chǎn)品，編程時(shí)在Windows環(huán)境下以FPO型號(hào)的PLC為參考，接口為RS-232C，I/O連接通用化程度高，并且經(jīng)濟(jì)高效，同時(shí)采用90A2裝置進(jìn)行模擬測(cè)試[4]。

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)今加工的產(chǎn)品對(duì)精度、性能要求更高，并且還要在保證經(jīng)濟(jì)效益的前提下，傳統(tǒng)的Z3040搖臂床具有一定的局限性，無(wú)論是在加工的復(fù)雜性還是多樣性方面都有需要改造的必要，這樣既能延長(zhǎng)機(jī)器使用的周期，節(jié)約成本，又能改善加工工藝，提高精度與生產(chǎn)率，成為Z3040搖臂鉆床優(yōu)化的一個(gè)很好的補(bǔ)充，同樣對(duì)其他種類的加工設(shè)備也提供了一個(gè)很好的借鑒。

[1] 陳少艾，王文義，熊志軍. 基于Z3040搖臂鉆床主軸變速系統(tǒng)的液壓改造[J]. 液壓與氣動(dòng), 2005(2):49-50.

[2] 肖金平. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].第2版. 南昌: 江西高校出版社, 2005.

[3] 東北工學(xué)院機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組. 機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2版. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1982.

[4] 齊占慶.機(jī)床電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5] 郁漢琪.機(jī)床電氣控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2006.

Improvement and Analysis for Z3040 Radial Drilling Machine

RAO Dong-qiang

(NanhaiChemicalGeneralFactoryCo.,Ltd,FoshanGuangdong528200,China)

In this paper, based on the analysis and research of the Z3040 radial drilling machine principle, structure and performance，through the transformation of transmission system, electric control of PLC modification and function expansion, the Z3040 radial drilling machine precision，processing technology and performance are improved，the service life of the machine is prolonged, which saves the cost, and become a good complement to Z3040 radial drilling machine optimization.

Z3040 radial drilling machine；transformation of the transmission system；function extension transformation

2014-01-22

饒東強(qiáng) (1957-)，男，廣東梅州人，工程師，從事民爆器材設(shè)備研發(fā)，加工方面的研究工作。

TG52

A

1007-4414(2014)02-0159-03