佟恒賓 ， 陳雨涵 ， 王瑞洋 ， 薛 英 ， 李昕碩 ， 朱浩宇 ， 張智棟 ， 穆德敏1,

（1.沈陽工學(xué)院遼寧省數(shù)控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學(xué)院機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 撫順 113122）

0 引言

在機械加工中，孔加工約占其加工總量的1/5，其中鉆孔約占整個孔加工的30 %。本文闡述一種用于筒體加工的鉆孔裝置，涉及筒體加工技術(shù)領(lǐng)域。目前，對筒體打孔加工的方式多為人力手動打孔，容易導(dǎo)致打孔位置不準(zhǔn)確，破壞筒體本身結(jié)構(gòu)，增加筒體加工鉆孔的成本，并且需要大量人力資源，打孔加工的效率較低。對于這些煩瑣性工作進行優(yōu)化整合，將那些重復(fù)的人工工序消除，不僅可以節(jié)約人力、物力，還能有效提高機械鉆孔的效率，可以更好地體現(xiàn)生產(chǎn)自動化[1-4]。當(dāng)前，生產(chǎn)自動化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事以及交通運輸?shù)戎T多領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要作用。因此，自動鉆孔更是未來機械行業(yè)的發(fā)展方向。

為了提高鉆孔的效率，本文設(shè)計了筒體自動鉆孔工裝車，在人工輔助下，操作工裝車實現(xiàn)自動化鉆孔，完成加工動作，加工精度可靠，鉆孔效率較高。

本文主要從筒體自動鉆孔工裝車的結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動過程、動作設(shè)計、移動裝置及創(chuàng)新點等幾個方面展開介紹。

1 筒體自動鉆孔工裝車的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于此作品設(shè)計來源于企業(yè)，對于筒體自動鉆孔工裝車的結(jié)構(gòu)選型有極大的幫助，該裝置在設(shè)計上將工作站占地縮小，并在此基礎(chǔ)上增強了機動性，使其適用性更廣。其主要設(shè)計內(nèi)容有定位和鉆孔。

根據(jù)筒體鉆孔加工工藝的需要，首先對鉆孔工裝車進行總體設(shè)計，明確各部分的工作原理，整個設(shè)備的動力源由氣動機構(gòu)提供。氣動裝置大部分為直線運動，氣動裝置結(jié)構(gòu)較為簡單、輕便，安裝維護也比較簡單，作業(yè)過程安全且可靠性高。氣動機構(gòu)不污染環(huán)境，且成本低。氣缸的動作速度快，工作效率高，利用空氣的特性（可壓縮性），可遠距離輸送動力，進行裝置的集中化供氣，可短時間釋放能量，從而獲取間歇運動中的高速化響應(yīng)，可實現(xiàn)緩沖，負載過大時有較強的適應(yīng)能力。

該工裝車首先使用UG 三維軟件進行模型設(shè)計，主要工作原理是采用氣缸推動鉆頭進行鉆孔，把其和鉆孔模具固定，再通過法蘭盤與小箱體相連。為了突破傳統(tǒng)鉆床移動不便的弊端，將核心工裝車安裝在帶有自動升降臺的小車上，在可升降小車上安裝帶有橫向?qū)к壍男∠潴w，使工裝車整體能夠靈活移動，更方便對筒體進行準(zhǔn)確的定位。其中，控制車體采用搖桿和旋鈕裝置，標(biāo)準(zhǔn)的搖桿有兩個按鈕，可沿X、Y 軸方向移動，主要優(yōu)點是傳輸速度快，消除了控制不靈敏問題。由于筒體中心與地面間存在夾角，可以通過升降臺的液壓缸來控制鉆孔工裝車的角度，從而輔助完成準(zhǔn)確定位。

總體設(shè)計理念決定整個裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，材料成本和內(nèi)部裝置之間的聯(lián)動協(xié)調(diào)程度決定了整個裝置的技術(shù)性能[5-6]。在總體設(shè)計中，要提前考慮好組件之間的連接性能，否則很容易導(dǎo)致運行效果差等問題。

2 筒體自動鉆孔工裝車的傳動過程

該工裝車采用氣動傳動方式，氣缸作為傳動裝置。由于氣動傳動具有安全可靠、簡單便宜等優(yōu)點，并且氣動控制元件具有耐腐蝕、耐潮濕、耐震動、抗磁干擾等特點，所以選用氣動傳動方式實現(xiàn)運動[7-8]。

氣動傳動共有兩部分：

一是對升降臺起推動作用的液壓缸，采用液壓傳動可以輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)低速大噸位運動，這是其他傳動方式所不能比擬的突出優(yōu)點。在鉆孔過程中液壓傳動能很方便地實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍大，且可在系統(tǒng)運行過程中調(diào)速，能更準(zhǔn)確地與筒體對接。在相同功率條件下，液壓傳動裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。液壓元件之間可采用管道連接或集成式連接，其布局、安裝有很大的靈活性，在本設(shè)備中和車體結(jié)合可以構(gòu)成良好的傳動裝置系統(tǒng)。因此，將核心工裝車建立在以液壓缸為基礎(chǔ)的升降臺上。

二是在鉆孔部分起到同樣作用的氣缸，其鉆孔運動過程為：鉆孔氣缸動作進給到一定位置，鉆頭緩慢進給。當(dāng)鉆頭進給到一定位置時（法蘭被鉆通），氣缸以最快速度回程，完成鉆孔動作。由于該設(shè)備是通過氣動系統(tǒng)送鉆頭的，因此它配備了用于空氣源處理的氣動三聯(lián)件，以提高效率。使用氣動三聯(lián)件作為刀庫氣動系統(tǒng)的輔助裝置，這個是大多數(shù)氣動系統(tǒng)中必不可少的氣源裝置；它們安裝在空氣設(shè)備附近，是壓縮空氣質(zhì)量的最終保證。根據(jù)進氣方向，三個主要部分的安裝順序是空氣過濾器、減壓閥和油霧器。

采用氣動系統(tǒng)的進給方式，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計高效率和簡便性的特點。在傳動裝置的作用下，筒體便完成一次鉆孔，氣缸的缸筒長度由最大工作行程決定，缸筒的長度最好不超過其內(nèi)徑的20 倍。氣缸結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 筒體自動鉆孔工裝車傳動部分示意圖

3 筒體自動鉆孔工裝車的動作設(shè)計

該工裝車由三部分運動過程構(gòu)成：車體運動、升降臺運動、鉆孔運動。為了使其具有良好的操控性，采用耐磨性好、阻值范圍寬、可靠性高、體積小的搖桿和旋鈕來操控，控制運動的過程在操作臺上完成。

工作原理：操作臺上有兩個控制元件，分別為搖桿和旋鈕，其中搖桿控制工裝車的車體運動，旋鈕控制鉆孔運動，操作方法簡單，工作人員站在操作臺一側(cè)的踏板上進行操控即可。二者不會發(fā)生沖突，都有各自獨立的路徑去控制。具體如圖2 所示。

圖2 筒體自動鉆孔工裝車工作流程圖

整體操作流程如下：

1）車體啟動前檢查。查看操作臺、車體、鉆孔裝置是否安裝正確，對一些零件加注潤滑油，車體運行后還應(yīng)檢查動力元件是否出現(xiàn)其他損壞現(xiàn)象并及時更換密封件。

2）起步運行。起步前工作人員觀察四周，確認無影響安全的障礙后平穩(wěn)緩慢起步。

3）鉆孔作業(yè)。調(diào)節(jié)操縱臺使鉆孔裝置與筒體準(zhǔn)確緊密連接配合，鉆孔過程中工作人員應(yīng)時刻關(guān)注運行情況，不得離開設(shè)備。

4）結(jié)束拆卸。整體過程不得離開人員視線，保證工裝車和筒體的完整性，結(jié)束后對車體、鉆頭等進行定期保養(yǎng)。

4 筒體自動鉆孔工裝車的移動裝置

在智能自動化技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，機械鉆孔加工操作方法的簡單、準(zhǔn)確顯得極為重要，不但能有效地節(jié)省人力、物力，還能提高生產(chǎn)加工效率，適用于多種工況，大大增加企業(yè)的收益。

該設(shè)備建立在車體上，因為整體鉆孔過程要求精準(zhǔn)穩(wěn)定，那么對升降臺的運動穩(wěn)定性提出了更高的要求，所以設(shè)計液壓折疊式升降臺。從驅(qū)動方式上，一般的折疊式升降機構(gòu)可分為液壓式、氣壓式、電力式三種。本研究主要體現(xiàn)鉆孔設(shè)備在高度方向上的升降運動。這要求升降機能夠承載一定的載重量、車體重量及升降臺自重，因此舉升高度要達到一定要求，承載能力必須夠大。氣壓式升降機構(gòu)動作穩(wěn)定性差、輸出力小、排氣噪聲大，電力式升降機構(gòu)推力小、成本高，相比于這兩種，液壓式升降機構(gòu)輸出力和轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍大，相同效率下體積更小、重量更輕，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操控簡單、安全可靠的優(yōu)點。因此，結(jié)合實際情況，選用安全可靠且經(jīng)濟適用的液壓驅(qū)動方式。

在升降臺上安裝可左右移動的滑軌裝置，通過車體與升降臺的配合來對不同角度的筒體鉆孔。鉆孔與滑軌之間采用拆卸方便、強度高、密封性能好的法蘭盤連接。安裝法蘭盤時要求保持平行，法蘭的密封面不能碰傷，并且要清理干凈。此移動裝置具有體積小、重量輕、作業(yè)連續(xù)、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、操作便捷等優(yōu)點，使該工裝車能更好地精準(zhǔn)定位，提高鉆孔工裝車的工作效率。

5 筒體自動鉆孔工裝車的創(chuàng)新點

該工裝車區(qū)別于傳統(tǒng)鉆床，突破了傳統(tǒng)鉆床在工況上的局限性，采用電機直接驅(qū)動的形式，使得本裝置結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，具有一定的實用性，具備一定的推廣價值。得出如下結(jié)論和創(chuàng)新點：

1）實現(xiàn)了一種全自動筒體自動鉆孔功能，突破了空間局限性，可自由作業(yè)，節(jié)省了人力。

2）采用一軸多機形式，加工效率更高，鉆頭采用金剛石鉆頭，鉆頭的耐用度更高。

3）進給傳動裝置采用伺服電機、彈性聯(lián)軸器等結(jié)構(gòu)，傳動效率更高；采用伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)無級調(diào)速，更有利于實現(xiàn)智能自動化加工。

4）進給裝置采用了氣動進給方式，符合節(jié)能環(huán)保、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏、結(jié)構(gòu)設(shè)計效率高和簡便性的特點。

6 模型展示

經(jīng)過理論計算及校核，通過三維建模UG 軟件進行建模，筒體自動鉆孔工裝車的模型如圖3 所示。

圖3 筒體自動鉆孔工裝車模型圖

7 總結(jié)

高質(zhì)量、高效率、低成本是機械加工行業(yè)追求的目標(biāo)[9-10]。建模時，在自動鉆孔下方加入可以移動的工裝車，帶動鉆孔設(shè)備水平方向運動，節(jié)約非加工時間，減少空走行程；提高鉆孔的位置精度，降低誤差；并在操控臺一側(cè)安裝踏板，實現(xiàn)人性化設(shè)計。

機械制造自動化技術(shù)經(jīng)歷了漫長的歷史發(fā)展，獲得了社會各界的廣泛認可。自動化鉆孔技術(shù)替代傳統(tǒng)人工鉆孔已經(jīng)成為一種趨勢。機械自動化鉆孔技術(shù)成本相對較低，是當(dāng)前最具發(fā)展前景的前沿技術(shù)之一，越來越受到機械制造企業(yè)的關(guān)注。