李桂玲 曹月真 張 雨 于志宏 彭軍強

（衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 衡水 053000）

鉆削作為基礎(chǔ)機械加工方法,在機加工中占據(jù)重要地位。普通鉆床不同于數(shù)控機床,沒有刀庫不能實現(xiàn)自動換刀,現(xiàn)有鉆削加工過程中多采用手工更換刀具,效率低,人為因素會影響加工精度,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,很多中小型企業(yè)沒有足夠資金更換自動化加工設(shè)備,普通加工設(shè)備仍會是機械加工行業(yè)的必要設(shè)備,隨著人工成本的提高,企業(yè)迫切需求對現(xiàn)有普通機械加工設(shè)備進行升級改造,提高加工效率,降低人工成本。本文以Z5150B 立式鉆床為研究對象,闡述了自動換刀系統(tǒng)的動作原理,設(shè)計制作了機械結(jié)構(gòu)和單片機控制程序。

1 總體設(shè)計方案

自動換刀系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分組成,機械結(jié)構(gòu)采用步進電機帶動絲杠實現(xiàn)刀具的運送,雙桿氣缸和手指氣缸取送和夾持刀具,鉆夾頭的鎖緊與松開采用錐齒輪鎖緊鑰匙。

方鋼焊接成可調(diào)節(jié)機架以適應(yīng)不同鉆夾頭的高度。通過單片機控制氣缸電磁開關(guān)和步進電機的轉(zhuǎn)動時間實現(xiàn)自動換刀的功能,如圖1。

圖1 自動換刀系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動換刀系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)主要有機架、零件放置臺、水平絲杠組件、氣缸組件、錐齒輪組件、刀具架組成,如圖2 所示,其中鉆夾頭和工件夾具為鉆床上的固定部件。水平絲杠組件和氣缸組件將刀具從刀具架取出運送到鉆夾頭處,錐齒輪組件帶動鉆夾頭轉(zhuǎn)動夾緊刀具。

圖2 自動換刀系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)組成

2.1 機架

機架采用40 方鋼焊接組裝,機架上方設(shè)計有零件放置臺,放置待加工零件,下方設(shè)計有可調(diào)節(jié)底板,調(diào)節(jié)底板上的圓鋼設(shè)計有不同位置的螺紋孔,用螺釘與機架連接,根據(jù)機床的高度調(diào)整自動換刀裝置的高度。

2.2 刀具運送機構(gòu)

刀具運送機構(gòu)通過安裝底板1 固定的機架上,由水平絲杠機構(gòu)和氣缸組件兩部分組成,如圖3 所示。氣缸組件通過連接板4 與滑塊2 連接,絲杠3 轉(zhuǎn)動帶動滑塊2 水平移動,從而將刀具從刀架處運送到鉆夾頭處。絲杠3 由第一步進電機6 驅(qū)動,兩端有軸承支座5 支承,絲杠與絲杠螺母配合,將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為水平位移,絲杠螺母上方安裝有連接板4,將絲杠螺母、直線滑軌雙滑塊和氣缸組件連接起來,從而帶動氣缸組件水平移動。刀具的兩個水平位置是刀具位和鉆夾頭處,兩點之間刀具的中心位置必須是精準的,采用控制第一步進電機的精準位移來實現(xiàn)。

圖3 刀具運送機構(gòu)

氣缸組件由兩個雙桿氣缸和一個手指氣缸組成,雙桿氣缸行程為20mm,手指氣缸行程為10mm,采用鋼板固定連接,手指氣缸上安裝有刀具輔助夾臂,相互靠近的一側(cè)均開設(shè)有齒槽,便于夾緊圓柱形的刀柄。將1 號到位設(shè)定為初始位置,從刀架到鉆夾頭的動作過程見表1。

表1 自動取刀動作過程

2.3 刀具裝夾機構(gòu)

刀具裝夾機構(gòu)是將刀具夾緊在鉆夾頭中,保證刀具與鉆夾頭的同軸度精度和足夠的夾緊力。由雙桿氣缸、步進電機和錐齒輪鑰匙等組成,如圖4 所示。Z5150B 立式鉆床的鉆夾頭14 表面為錐齒輪,鉆夾頭外圓均布三個圓孔,初始為松開狀態(tài),待1 號刀具15 進入鉆夾頭14后,雙桿氣缸11 動作伸出20mm,推動電機安裝板、第二步進電機12 和錐齒輪13 向前移動20mm,錐齒輪前端設(shè)計有圓柱形的定位柱,插入鉆夾頭外圓上孔內(nèi),起到定位的作用,此時兩齒輪正好嚙合。接下來啟動第二步進電機12,根據(jù)鉆夾頭從松開狀態(tài)到夾緊1 號刀具需要轉(zhuǎn)動的位移,依據(jù)傳動比確定錐齒輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù),從而設(shè)定第二步進電機的轉(zhuǎn)數(shù)。

圖4 刀具裝夾機構(gòu)

電機停止轉(zhuǎn)動,鉆夾頭夾緊1 號刀具,雙桿氣缸11動作縮回20mm,手指氣缸7 向外松開1 號刀具,水平氣缸8 向后縮回20mm,豎直氣缸9 向下縮回20mm,第一電機帶動絲杠反向轉(zhuǎn)動,連接板水平移動至初始位置。

2.4 刀具架

該刀具架設(shè)計了4 個位置,放置4 把常用的刀具,直徑為4mm、6mm、8mm、10mm,根據(jù)鉆夾頭和運送刀具的氣缸組件的高度,手指氣缸加持的刀柄位置是一致的,就要求4 把刀具的頂端需要平齊,根據(jù)刀柄長度不同,刀架設(shè)計為臺階形狀以保證刀具頂面平齊。每個臺階上加工有與刀具配合的圓柱孔,深度為20mm,依據(jù)豎直氣缸9 的行程20mm 來確定的孔深,保證刀具從孔內(nèi)取出。刀具架下方設(shè)計為L 板,通過其上的安裝孔將刀具架安裝在機架上,如圖5。

圖5 刀具架結(jié)構(gòu)

2.5 更換刀具

以Z5150B 立式鉆床拆卸1 號刀具為例,按下1 號位拆卸按鈕,自動卸刀動作過程見表2。

表2 自動卸刀動作過程

更換2 號刀時,按下2 號位裝刀按鈕,第一步進電機6 先帶動絲杠將氣缸組件移動到2 號刀位,再執(zhí)行表1中序號3 之后的動作。卸刀過程同表2 中所述。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件有第一、二步進電機、3 個行程為20mm 的雙桿氣缸和一個行程為10mm 的手指氣缸。步進電機型號為42 步進電機,采用電機驅(qū)動器與51 單片機控制器連接,設(shè)計有氣泵為氣缸提供氣源,通過電磁閥與51 單片機控制器連接。

3.1 步進電機的控制

第一步進電機的作用是驅(qū)動絲杠水平位移,使刀具從刀具位到裝夾頭,此處對刀具的位置要求精度較高。經(jīng)多次試驗,采用控制電機的圈數(shù)來確定位移是有誤差的,會導(dǎo)致刀具與刀具架上的刀孔和裝夾頭上安裝孔有偏差,裝夾失敗。根據(jù)刀具位到裝夾頭的水平位移是固定不變的,通過水平位移距離和電機轉(zhuǎn)速,計算出所需時間。51 單片機控制器執(zhí)行程序非?？?可實現(xiàn)微秒級的時間控制,從而通過精準的時間控制實現(xiàn)精準的位移控制,確保了刀具的精準裝卸。經(jīng)多次反復(fù)試驗,4 個位置的刀具均能準確的完成裝卸。

第二步進電機的作用是驅(qū)動錐齒輪轉(zhuǎn)動,錐齒輪與鉆夾頭嚙合帶動鉆夾頭轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)刀具的夾緊和松開。根據(jù)刀具直徑不同,安裝不同刀具時,鉆夾頭的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)也不一樣,那么錐齒輪的圈數(shù)也會根據(jù)刀具不同轉(zhuǎn)數(shù)不同,通過計算嚙合的齒數(shù),確定51 單片機控制第二步進電機的轉(zhuǎn)數(shù),在程序中設(shè)定不同刀具對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)數(shù)。

3.2 氣缸電磁閥的控制

刀具運送機構(gòu)由兩個雙桿氣缸和一個手指氣缸組成,雙桿氣缸的行程為20mm,實現(xiàn)刀具的豎直和水平的動作,手指氣缸上安裝由輔助夾臂,通過手指氣缸的開合夾持刀具。51 單片機控制氣缸電磁閥的通斷電,從而控制氣缸的充氣與放氣,實現(xiàn)氣缸的動作。

4 制作與應(yīng)用

4.1 實物加工與組裝

基于Z5150B 立式鉆床的自動換刀系統(tǒng)在制作過程中,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙,零部件分為外購件和加工件。外購件有42 步進電機、電機驅(qū)動器、聯(lián)軸器、雙桿氣缸、手指氣缸、氣缸電磁閥、絲杠組件（含絲杠、絲杠螺母、軸承支座）、直線滑軌、錐齒輪、單片機控制器等。各零件的安裝采用厚度10mm 的鋁板,根據(jù)設(shè)計尺寸切割打孔,機架采用40 方鋼焊接而成。在制作過程中,安裝板上定位孔的位置要精準無誤,才能保證整個設(shè)備的精度。實物如圖6 所示。

圖6 自動換刀系統(tǒng)實物圖

4.2 調(diào)試與應(yīng)用

在調(diào)試過程中,采用51 單片機實驗箱進行的,Keil軟件編寫控制程序,如圖7 所示。每個刀具設(shè)計有裝刀和卸刀兩個按鈕,通過按鈕操作,實現(xiàn)指定刀具裝夾。

圖7 單片機控制器

本自動換刀裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、成本低,可以便于刀具的集中存放和自動更換,提高了工作效率,節(jié)省了勞動成本。該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計還可應(yīng)用于立式銑床,為中小加工企業(yè)設(shè)備改造提供了思路和方法,具有一定的借鑒意義。

5 結(jié)論

基于Z5150B 立式鉆床的自動換刀系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)主要由機架、刀具運送機構(gòu)、刀具裝夾機構(gòu)、刀具架組成,采用氣動控制技術(shù)、步進電機驅(qū)動和51 單片機精準控制技術(shù)實現(xiàn)了鉆床的自動換刀功能,經(jīng)設(shè)計、制作、組裝和調(diào)試完成了實物,安裝在Z5150B 立式鉆床上,經(jīng)實際應(yīng)用,工作穩(wěn)定。今后可進一步完善外觀設(shè)計、功能設(shè)計,應(yīng)用到同類型的加工設(shè)備上。