自動(dòng)鉆鉸孔裝置設(shè)計(jì)
自動(dòng)鉆鉸孔裝置設(shè)計(jì),自動(dòng)鉆鉸孔裝置設(shè)計(jì),自動(dòng),鉆鉸孔,裝置,設(shè)計(jì)
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1 緒論
1.1 自動(dòng)鉆孔技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
在機(jī)械零件加工作業(yè)中,孔加工所占比例相當(dāng)大,因此與高速銑削相類似的高速、高精度鉆削加工已提上議事日程,高效率孔加工對(duì)于促使零件生產(chǎn)合理化是不可或缺的重要工藝過程。近年來,零部件生產(chǎn)大都采用以自動(dòng)化設(shè)備為中心的生產(chǎn)形態(tài),進(jìn)行孔加工時(shí)大都采用加工中心、CNC電加工機(jī)床等先進(jìn)設(shè)備。機(jī)加工的效率、加工質(zhì)量和加工性能等已成為評(píng)價(jià)機(jī)械加工性能的主要指標(biāo)[1]。
在孔加工作業(yè)中,目前仍大量使用高速鋼麻花鉆,但各企業(yè)之間在孔加工精度和加工效率方面已逐漸拉開了差距。高速鉆頭切削是一種高速大進(jìn)給量的發(fā)展趨勢(shì),類似球頭立銑刀切削條件的發(fā)展趨勢(shì)。切削實(shí)踐表明,提高切削速度有利于切屑形態(tài)的合理化和改善加工表面的粗糙度,預(yù)計(jì)今后仍將沿著高速切削的方向發(fā)展;提高進(jìn)給量對(duì)斷屑排屑和延長(zhǎng)刀具壽命非常有利,因此,今后也仍將沿著大進(jìn)給的方向不斷發(fā)展。隨著IT相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,近年來,光學(xué)和電子工業(yè)所用裝置的零部件產(chǎn)品的需求急速增長(zhǎng),這種增長(zhǎng)刺激了微細(xì)形狀及高精度加工技術(shù)的迅速發(fā)展。其中,微細(xì)孔加工技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用尤其引人注目。微細(xì)孔加工早已在印刷電路板等加工中加以應(yīng)用,包括鋼材在內(nèi)的多種被加工材料,均可用鉆頭進(jìn)行小直徑加工,微孔加工是未來趨勢(shì)所需[2]。
近年來,隨著高速銑削的出現(xiàn),以銑削刀具為中心的切削加工正在進(jìn)入高速高精度化的加工時(shí)期。目前,孔加工的高速化明顯滯后于其他切削加工。零件的快捷生產(chǎn)是制造業(yè)賴以生存的重要條件,因而孔加工技術(shù)不能成為機(jī)械加工的瓶頸工藝,它必須沿著切削高速化的方向快速跟進(jìn),盡快步入高速高精度化的加工行列。
1.2 鉆鉸孔裝置簡(jiǎn)介
該自動(dòng)鉆鉸孔裝置由鉆孔裝置、鉸孔裝置、自動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及工作臺(tái)上的夾具和裝卸裝置部分組成。
鉆削的主運(yùn)動(dòng)是刀具旋轉(zhuǎn),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是刀具的軸向移動(dòng)。鉆孔和孔口加工能達(dá)到的尺寸精度為 IT12~IT11,能達(dá)到表面粗糙度為 Ra 25 ~6.3。擴(kuò)孔的尺寸精度為IT10~IT9,表面粗糙度為Ra 6.3 ~3.2。鉸孔的尺寸精度為IT8~IT6,表面粗糙度為Ra 1.6 ~0.4 [3-4]。因此很容易看出鉆孔屬于粗加工,而鉸孔屬于精加工。
孔加工的工藝特點(diǎn)有:用鉆頭在工件實(shí)體部位加工孔鉆孔時(shí)麻花鉆剛性較差,鉆孔時(shí)軸線容易歪斜。由于橫刃的影響導(dǎo)致定心不準(zhǔn)。鉆削時(shí)產(chǎn)生軸向力很大[5-8]。 鉸孔在較低的切削速度(νc=1.5m/min~5m/min)、較大的進(jìn)給量(f=0.5mm/r~3mm/r)和很小的背吃刀量的條件下進(jìn)行,這樣不會(huì)產(chǎn)生積積屑瘤,保證孔的質(zhì)量較好[9]。
夾具部分由定位元件、定位裝置、夾緊裝置、對(duì)刀-導(dǎo)向元件、連接元件、夾具體及其他裝置組成[10]。在鉆床上鉆孔,重要的工藝要求是孔的位置精度??椎奈恢镁扔闷渌椒ǘ疾荒鼙WC,在成批生產(chǎn)時(shí)常使用鉆床夾具,通過鉆床夾具上的鉆套引導(dǎo)刀具進(jìn)行加工,既保證了位置精度,又可提高刀具的剛性,使加工質(zhì)量和生產(chǎn)率都得到顯著的提高[11-13]。工件的定位:工件的定位并不是使工件固定,而是使工件占據(jù)固定的位置,這些都是通過定位元件完成的。工件定位原理為“六點(diǎn)定位原理”,利用“六點(diǎn)定位原理”定位時(shí)需要注意有完全定位、部分定位、欠定位和重復(fù)定位的問題。典型定位方式:平面定位(第一、二、三定位基準(zhǔn));圓柱孔定位(定位心軸、定位銷);外圓柱面定位(定心定位、支承定位、V型塊定位)。
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可基本分為普通回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。其中普通回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是需要分度裝置的控制來完成圓周分度,由不同的分度精度實(shí)現(xiàn)各角度的回轉(zhuǎn)。而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)則通常是通過直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)各角度的回轉(zhuǎn),一般分度精度為,重復(fù)精度為 [14]。
該裝置的控制是典型的順序控制,非常適宜用可編程控制器進(jìn)行控制,采用可編程控制器構(gòu)成控制系統(tǒng),可以減小電氣控制設(shè)備體積,使其工作更加可靠,同時(shí)其控制要求易于修改,日常工作中維護(hù)量小,其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的[15]。
2 被加工工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求
2.1 技術(shù)要求
毛坯的選擇是制訂工藝規(guī)程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,選擇不同的毛坯就會(huì)有不同的加工工藝,采用不同設(shè)備、工裝,從而影響零件加工的生產(chǎn)率和成本。毛坯選擇包括選擇毛坯類型和確定毛坯制造方法兩方面,應(yīng)全面考慮機(jī)械加工成本和毛坯制造成本,以降低零件制造總成本。毛坯的種類有:鑄件、鍛件、沖壓件、型材、工程塑料、組合件等。毛坯零件材料選擇為45鋼。
毛坯尺寸公差與機(jī)械加工余量的確定
確定毛坯尺寸公差:根據(jù)所需加工工件外圓直徑為30mm的圓鋼,高20mm。查 得工件最大輪廓尺寸為mm。
計(jì)算確定毛坯機(jī)加工余量:先計(jì)算出圓鋼的質(zhì)量mn=d2h,——鋼才密度,7.85g/cm3。得mn=111g,根據(jù)圓鋼質(zhì)量查的尺寸為30mm時(shí)的單邊加工余量為1mm~1.5mm。
2.2 裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
被加工件為圓柱形工件所以所設(shè)計(jì)的夾具需要時(shí)以外圓柱面定位方式定位。工件所需加工一個(gè)中心孔,所以在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上還需考慮設(shè)計(jì)一個(gè)槽孔以方便進(jìn)行鉆削。自動(dòng)鉆鉆鉸孔裝置是利用了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)將鉆孔與鉸孔兩道工序高效率的合并成到了一起。同時(shí)它也減少了鉆孔與鉸孔之前的裝夾,避免了二次裝夾帶來的定位誤差,因此也相對(duì)提高了鉆孔鉸孔時(shí)的加工精度。減少裝夾次數(shù)也使加工連續(xù)性得以保持,提高了加工的速率與效率。裝置采用了PLC可編程控制器以此達(dá)到了自動(dòng)化控制。
3 切削刀具分析
刀具的正確選擇對(duì)對(duì)切削效率的高低和加工質(zhì)量的好壞有很大的影響。在選擇刀具時(shí),需要考慮多種因素的影響,如工件材料、刀具材料、加工性質(zhì)(粗、精加工)等。制造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性,必要的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性化學(xué)惰性,良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等),并且刀具不易變形。
通常當(dāng)材料硬度高時(shí),耐磨性也高;抗彎強(qiáng)度高時(shí),沖擊韌性也高。但材料硬度越高,其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性就越低。高速鋼因具有很高的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性,以及良好的可加工性,現(xiàn)代仍是應(yīng)用最廣的刀具材料,其次是硬質(zhì)合金。
3.1 麻花鉆
鉆頭是用以在實(shí)體材料上鉆削出通孔或盲孔,并能對(duì)已有的孔擴(kuò)孔的刀具。常用的鉆頭主要有麻花鉆、扁鉆、中心鉆、深孔鉆和套料鉆。
麻花鉆是應(yīng)用最廣的孔加工工具。通常直徑范圍為0.25mm~80mm。它主要由工作部分、頸部和柄部構(gòu)成。工作部分有兩條螺旋形的溝槽,形似麻花因而得名。為了減小鉆孔時(shí)導(dǎo)向部分與孔壁間的摩擦,麻花鉆自鉆尖向柄部方向逐漸減小直徑呈倒錐狀。
麻花鉆的材料選擇,工作部分采用高速鋼。柄部采用價(jià)廉的優(yōu)質(zhì)碳素鋼。工作部分與頸部采用焊連接。隨著現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,鉆頭切削部分采用硬質(zhì)合金及涂層的結(jié)構(gòu)日益增多。
從經(jīng)濟(jì)角度將鉆鉸孔精度定為IT9,表面粗糙度為3.2~1.6。又因?yàn)樗杓庸さ目椎闹睆綖?5mm,所以選擇鉆頭時(shí)因比給它留有一定的孔加工余量。因此,查表選取麻花鉆直徑為14mm。然后通過鉸孔達(dá)到15H9的尺寸精度。14h8的麻花鉆刀身長(zhǎng)為160mm,切削部分長(zhǎng)為108mm。
圖3-1 麻花鉆
3.2 鉸刀的選擇
鉸刀是用于鉸削工件上已鉆削加工后的孔,主要是為了提高孔的加工精度,降低其表面的粗糙度,是用于孔的精加工和半精加工的刀具,加工余量一般很小。用來加工圓柱形孔的鉸刀比較常用。用來加工錐形孔的鉸刀是錐形鉸刀,比較少用。按使用情況來分有手用鉸刀和機(jī)用鉸刀。就鉸刀材料而言,又有高速鋼和硬質(zhì)合金之分。
鉸孔的尺寸精度為IT8~IT6,表面粗糙度為Ra1.6 um ~0.4um。機(jī)鉸刀一般有 6個(gè)~12個(gè)刀齒。機(jī)用鉸刀使用時(shí)應(yīng)注意鉸削速度和走刀量,因?yàn)槿绻q刀速度過快會(huì)導(dǎo)致鉸刀出現(xiàn)搖擺和抖動(dòng)這樣會(huì)使孔的邊緣受到摩擦影響加工的精度。
鉸孔在較低的切削速度(ν=1.5 m/min ~5m/min) 較大的進(jìn)給量 (f=0.5 mm/r ~3mm/r)和很小的被吃刀量的條件下進(jìn)行,這樣不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤,保證孔的質(zhì)量較好。對(duì)IT8的孔,一般只鉸一次,直徑上的鉸削余量為0.1 mm ~0.3mm。對(duì)IT6的孔,在兩次機(jī)鉸以后,還要手鉸一次。
鉸孔時(shí),鉸刀是以工件上原有的孔導(dǎo)向的,不能糾正原有孔的位置誤差,所以原有孔應(yīng)有合理的加工精度。鉸孔時(shí)鉸刀不能倒轉(zhuǎn),否則切削刃會(huì)磨鈍。所以鉸完孔后鉸刀要順著退出,退出孔后再停車。若停車后再退出鉸刀的話,孔壁會(huì)留有痕跡。
鉸刀是定尺寸刀具,一把鉸刀只能加工一種直徑、一種公差公置的孔。淺孔、盲孔、階梯孔的大孔均不適合于鉸削。
3.3 鉆削用量與參數(shù)選擇
切削速度、進(jìn)給量、和背吃刀量是金屬切削過程中的三個(gè)重要參數(shù),總稱為切削用量。切削用量的大小不僅關(guān)系到刀具的耐用度,而且直接影響到加工質(zhì)量和生產(chǎn)率,所以,在生產(chǎn)中應(yīng)正確的選用。
切削速度ν,指鉆頭主運(yùn)動(dòng)的線速度,即單位時(shí)間內(nèi)工件和刀具沿主運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)移動(dòng)的距離。(見圖3-2) ν= (m/min),
式中da——鉆頭直徑(mm);n——鉆頭或工件轉(zhuǎn)速(r/min)。
進(jìn)給量f,鉆頭每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),沿進(jìn)給方向移動(dòng)的距離稱進(jìn)給量f(mm/r)。鉆頭有2個(gè)主切削刃,所以每個(gè)主切削刃的進(jìn)給量af = (mm/r)。
被吃刀量ap,待加工表面和已加工表面之間的垂直距離,即為背吃刀量,用ap表示,單位為mm.。鉆孔的ap為鉆頭直徑的一半。
圖3-2 鉆削用量
裝置加工要求:直徑為15mm的孔,每分鐘要求加工20個(gè)孔。
鉆頭切削用量確定:
① 鉆孔表面粗糙度為3.2 ~1.6,應(yīng)屬于半精加工,ap取為0.5mm ~2mm。
② ap選定以后應(yīng)盡可能選用較大的f,但增大進(jìn)給量將增大表面粗糙度。因此進(jìn)給量是精加工時(shí)抑制提高生產(chǎn)率的因素。半精加工和精加工時(shí)最大進(jìn)給量主要受工件加工表面粗糙度的制約。根據(jù)裝置是鉆孔加鉸孔的工序查表得鉆頭直徑為14mm,材料為HT200時(shí)f為0.25 mm/r ~0.3 mm/r,取0.3mm/r。
③ ap和f確定以后,用查表法得切削速度為0.35m/s。
鉸刀切削用量確定:
① 背吃刀量ap取0.1mm
② 鉸刀的進(jìn)給速度應(yīng)比鉆孔速度快查機(jī)用鉸刀進(jìn)給量表得鉸刀直徑為15,HT200作為零件材料時(shí)f為1.0 mm/r ~2.0mm/r,取1.0mm/r。
③ 切削速度范圍為4 m/min ~8 m/min,取6m/min。
4 鉆鉸孔夾具設(shè)計(jì)
在金屬切削加工工件時(shí),為了保證加工表面的尺寸、幾何形狀和相互位置精度,應(yīng)使工件相對(duì)于刀具和裝置切削成形運(yùn)動(dòng)占有正確的位置,然后將工件夾緊固定以完成安裝過程。在機(jī)床上用于安裝工件的工藝裝備稱為機(jī)床夾具。夾具在工藝裝備中占有十分重要的地位,它對(duì)保證工件的加工精度、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、擴(kuò)大機(jī)床使用范圍等方面具有重要的作用。因此夾具設(shè)計(jì)是機(jī)械加工中一項(xiàng)重要的工藝裝備設(shè)計(jì)工作。
4.1 鉆鉸孔夾具的特點(diǎn)
機(jī)床夾具種類繁多,結(jié)構(gòu)各異,但他們的工作原理基本相同。在具體研究夾具設(shè)計(jì)問題時(shí),對(duì)各類夾具都可以按照組成件的作用將其劃分成既相對(duì)獨(dú)立而又彼此聯(lián)系的組成部分。
1)定位元件及定位裝置
定位元件及定位裝置(由零件構(gòu)成的裝置)的作用是確定工件在夾具中的位置。通過工件定位基準(zhǔn)(或定位基面)與其保持接觸,使工件加工時(shí)相對(duì)于刀具和切削成形運(yùn)動(dòng)具有正確的位置。
2)夾緊裝置
夾緊裝置的作用是保持工件在夾具中的既定位置,使其在加工過程中不因外力而產(chǎn)生位移和振動(dòng)。
3)對(duì)刀-導(dǎo)向元件
在采用調(diào)整法加工時(shí),為了預(yù)先調(diào)整夾具相對(duì)于刀具的位置,在夾具上設(shè)有確定刀具(銑刀、刨刀等)位置或?qū)б毒撸准庸び玫毒撸┻\(yùn)動(dòng)方向的對(duì)刀-導(dǎo)向元件。
4)連接元件
為了確定夾具在機(jī)床上的位置,一般夾具設(shè)有供夾具本身在機(jī)床上定位和夾緊用的連接元件,如銑床夾具的定向鍵。
圖4-1 夾具各組成部分與機(jī)床、工件、刀具的相互關(guān)系
4.2 工件定位夾緊方案
工件以外圓柱面定位是孔加工中最常用的定位方法,外圓柱面有三種基本形式:定心定位、支承定位、V型塊定位。其中支承定位與V型塊定位多用于零件橫臥的加工之中。因此自動(dòng)鉆孔裝置選擇定心定位更為合理。
定心定位是以外圓柱面的中心線為定位基準(zhǔn),而夾具定位元件仍與外圓柱面保持接觸,將其中心線確定在要求的位置上。常見的定心定位裝置有各種形式的自動(dòng)定心三爪卡盤、彈簧夾頭等自動(dòng)定心裝置。
V型塊定位是圓柱形工件采用最廣的一種定位方式。用V型塊定位時(shí),主要起對(duì)中作用,即它能使工件的定位基準(zhǔn)———外圓柱面中心線,對(duì)中在V型塊兩斜面的對(duì)稱平面上。V型塊上兩斜面的夾角,一般選用60、90和120,其中90應(yīng)用的最多。V型塊的典型結(jié)構(gòu)和尺寸均已標(biāo)準(zhǔn)化。
4.2.1 三爪卡盤方案
裝置采用自動(dòng)定心的三爪卡盤,三爪卡盤三個(gè)卡爪要保證同時(shí)作夾緊運(yùn)動(dòng)這樣就能達(dá)到自動(dòng)定心的目的的,所以他可以定位于夾緊同時(shí)進(jìn)行。
圖4-2 三爪卡盤的剖視圖
其中,先將卡爪與滑塊用螺釘連接固定在一起,滑塊兩側(cè)有兩條導(dǎo)軌槽,將其插入卡盤臺(tái)上以方便滑動(dòng),并能起到卡爪軸向定位的作用。連桿式用來推動(dòng)卡爪作夾緊運(yùn)動(dòng)的連接件,在每個(gè)卡爪下面都有一個(gè)連桿。裝置使滑動(dòng)軸上下運(yùn)動(dòng),通過連桿傳遞力使得卡爪能在徑向進(jìn)行夾緊運(yùn)動(dòng)。
同時(shí)卡盤中心有一個(gè)和加工毛坯零件尺寸相近的凹槽,它起到初步給毛坯零件定位的作用?;瑒?dòng)軸的頂面是零件加工的接觸面,應(yīng)此加工滑動(dòng)軸的頂面時(shí)應(yīng)保持一定的水平精度。
圖4-3 三爪卡盤俯視圖
4.2.2 V型塊方案
圖4-4 V型塊結(jié)構(gòu)尺寸
V型塊基本尺寸有:
D——V型塊的標(biāo)準(zhǔn)心軸直徑,即工件定位用的外圓柱直徑;
H——V型塊高度;
N——V型塊開口尺寸;
T——V型塊標(biāo)準(zhǔn)定位高度;
a——V型塊斜面夾角。
圖中對(duì)稱的兩片是加工時(shí)起到壓緊作用的壓板。
圖4-5 V型塊方案回轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體俯視圖
利用V形塊進(jìn)行定位,然后再利用夾緊元件對(duì)工件進(jìn)行徑向夾緊。
V型塊相對(duì)于三爪卡盤來講,它的定位精度更高,如果對(duì)定位精度有一定要求的孔加工采取V型塊定位更為合理
4.2.2 定位誤差分析
定位誤差產(chǎn)生的原因是:工件用夾具定位,采用調(diào)整法加工,由于工件定位所造成的加工面相對(duì)其工序基準(zhǔn)的位置誤差稱為定位誤差,以DW表示。在加工一批工件時(shí),夾具相對(duì)刀具及切削成型運(yùn)動(dòng)的位置調(diào)整好后,假若不考慮加工過程中的其他誤差因素,則加工面對(duì)其工序基準(zhǔn)的位置誤差必然是工序基準(zhǔn)的位置變動(dòng)所引起的。所以定位誤差是一批工件定位時(shí),工序基準(zhǔn)在加工要求方向上的最大位置變動(dòng)量。定位誤差由兩部分組成:基準(zhǔn)位置誤差和基準(zhǔn)不重合誤差。
V型塊定位精度高而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單因此裝置優(yōu)先考慮V型塊方案,所以先分析下V型塊的定位誤差。因?yàn)閷?duì)一批工件而言,外圓的直徑肯定是存在制造誤差的,這將引起工件外圓柱中心線在V型塊對(duì)稱平面垂直方向上產(chǎn)生位置偏移,即基準(zhǔn)位置誤差,但在水平方向沒有偏移。
圖4-6 V型塊定位誤差分析
如圖所示,兩個(gè)極限尺寸的工件放置在V型塊上,其中圓心的偏移OO1就是工件定位的基準(zhǔn)位置誤差,其值為:
= =
= =
=
= = 0.023mm
從上式可以看出當(dāng)工件外圓直徑的公差Td一定時(shí),基準(zhǔn)位置誤差 隨V型塊夾角a增大而減小。
在鉆孔加工時(shí),加工點(diǎn)在圓心所以工序基準(zhǔn)選的是以外圓柱中心線為基準(zhǔn)。因此工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)重合,故不存在基準(zhǔn)不重合誤差即工件定位誤差就是基準(zhǔn)位置誤差:= = 0.023mm。
根據(jù)加工精度要求同軸度需達(dá)到0.08mm,0.023<。因此滿足工件的加工精度要求,定位方案可行。
4.3 夾緊機(jī)構(gòu)
V型塊方案中,V型塊與卡爪組成了自動(dòng)定心夾緊機(jī)構(gòu)。這樣可以避免了因定位基面的尺寸誤差所引起的基準(zhǔn)位移誤差,如圖4-5所示的夾緊裝置。夾緊元件由氣壓控制在工件進(jìn)行夾緊的時(shí)候提供一定的徑向力進(jìn)行夾緊。
4.3.1 夾緊元件的選擇
在V型塊和三爪卡盤方案中都選用了小型卡爪作為夾緊元件,因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單,便于控制,且夾緊效果能滿足加工要求。其外形前面的零件圖中已經(jīng)畫出,它在零件結(jié)構(gòu)工藝性方面的要求有一個(gè),就是在它的前端與工件接觸的地方設(shè)計(jì)為帶紋路的表面要能提供足夠的摩擦力,防止加工時(shí)發(fā)生工件滑動(dòng)現(xiàn)象。
4.3.2 夾緊元件動(dòng)力部件的確定
三爪卡盤采用的是機(jī)械力夾緊,動(dòng)力部件即為滑動(dòng)軸與連桿組成的機(jī)構(gòu)。
V型塊的動(dòng)力部件可以采用氣動(dòng)部件,可將其安裝在鉆頭裝置的支承桿上,這樣可以在控制鉆頭進(jìn)給動(dòng)作的同時(shí)也兼顧到夾緊元件的一個(gè)徑向加力夾緊動(dòng)作。所以鉆頭的軸向進(jìn)給控制和夾緊元件的徑向夾緊控制可以一起設(shè)計(jì)完成。
4.3.3 夾緊力的計(jì)算
在加工過程中,工件受到切削力、慣性力及重力的作用,夾緊力要克服上述力的作用,保證工件的工作位置不變。如果工件在這些力的作用下產(chǎn)生瞬間的少量位移,即為夾緊失效。因此,要以對(duì)夾緊最不利的瞬間狀態(tài)來估算所需的夾緊力。同時(shí),對(duì)于受力狀態(tài)復(fù)雜的工件,通常只考慮主要因素的影響,略去次要因素,再考慮安全系數(shù),以使計(jì)算過程簡(jiǎn)化。
圖4-7 工件夾緊受力分析
V型塊方案受力情況如上圖,為了保證工件夾緊不失效必須保證夾緊力所產(chǎn)生的力矩大于等于工件受鉆削力時(shí)所產(chǎn)生的力矩。即有,
在生產(chǎn)過程中我們還應(yīng)考慮到,安全系數(shù)K,因此
式中,f0——夾緊元件與工件間的摩擦系數(shù);
K——安全系數(shù); (查表可得)
F0——鉆削力;
R——毛坯半徑;
r——所需加工孔的半徑;
F——夾緊力;
f——摩擦力。
但是,在實(shí)際生產(chǎn)過程中只要能保證夾緊件提供的力大于F就可以保證工件不發(fā)生打滑。所以只要估算出一個(gè)大概的夾緊力即可。鉆頭的切削速度為0.35 m/s。先確定鉆削主軸的最大轉(zhuǎn)矩為95N·m。
因此必須滿足F ,
K——安全系數(shù);
M——主軸最大轉(zhuǎn)矩;
f——摩擦系數(shù);
R——加工孔半徑。
其中摩擦系統(tǒng)f取0.3計(jì)算,K為安全系數(shù)取2計(jì)算。根據(jù)上述公式估算出夾緊力F至少因?yàn)?4KN時(shí)才能滿足加工工件時(shí)不發(fā)生工件打滑現(xiàn)象。
5 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的方案確定
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是數(shù)控銑床,數(shù)控鉆床,加工中心等數(shù)控機(jī)床不可缺少的重要部件。它的作用是按照控制裝置的信號(hào)或指令作回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng),以使數(shù)控機(jī)床能完成指定的加工工序。常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。
5.1 分度式工作臺(tái)
分度式工作臺(tái)的功能是完成回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng),即在需要分度時(shí),將工作臺(tái)及其工件回轉(zhuǎn)一定角度。其作用是加工中自動(dòng)完成工件的轉(zhuǎn)位換面等。實(shí)現(xiàn)工件一次加工完成不同的幾個(gè)面加工或?qū)崿F(xiàn)多種加工。由于結(jié)構(gòu)上的原因,通常分度工作臺(tái)的分度運(yùn)動(dòng)只限于某些規(guī)定的角度;不能實(shí)現(xiàn)0范圍內(nèi)任意角度的分度。
為了保證加工精度,分度工作臺(tái)的定位精度 ( 定心和分度 ) 要求很高。實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)位的機(jī)構(gòu)很難達(dá)到分度精度的要求,所以要有專門定位元件來保證。按照采用的定位元件不同,有定位銷式分度工作臺(tái)和鼠齒盤式分度工作臺(tái)。
5.1.1 定位銷式分度工作臺(tái)
定位銷式分度工作臺(tái)采用定位銷和定位孔作為定位元件,定位精度取決于定位銷和定位孔的精度 ( 位置精度、配合間隙等 ) ,最高可達(dá) ±5" 。因此,定位銷和定位孔襯套的制造和裝配精度要求都很高,硬度的要求也很高,而且耐磨性要好。
如圖5-1是自動(dòng)換刀數(shù)控臥式鏜銑床的定位銷式分度工作臺(tái)。該分度工作臺(tái)置于長(zhǎng)方形工作臺(tái)中間,在不單獨(dú)使用分度工作臺(tái)時(shí),兩者可以作為一個(gè)整體使用。
圖5-1 定位銷式分度工作臺(tái)結(jié)構(gòu)
1—擋塊;2—工作臺(tái);3—錐套;4—螺釘;5—支座;6—油缸;7—定位襯套;8—定位銷; 9—鎖緊油缸;10—大齒輪;11—長(zhǎng)方形工作臺(tái);12 —上底座;
13—止推軸承;14—滾針軸承;15—進(jìn)油管道;16—中央油缸;17—活塞;
18 —螺栓;19—雙列圓柱滾子軸承;20—下底座;21—彈簧;22—活塞拉桿
工作臺(tái)2的底部均勻分布著八個(gè)( 削邊圓柱 )定位銷8,在工作臺(tái)下底座12上有一個(gè)定位襯套7以及環(huán)形槽。定位時(shí)只有一個(gè)定位銷插入定位襯套的孔中,其余七個(gè)則進(jìn)人環(huán)形槽中,因?yàn)槎ㄎ讳N之間的分布角度為45 °,故只能實(shí)現(xiàn)45 °等分的分度運(yùn)動(dòng)。
定位銷式分度工作臺(tái)作分度運(yùn)動(dòng)時(shí),其工作過程分為三個(gè)步驟:
(1) 松開鎖緊機(jī)構(gòu)并拔出定位銷
當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出指令時(shí),下底座 20上的六個(gè)均布鎖緊油缸 9( 圖中只示出 一個(gè) ) 卸荷。活塞拉桿22在彈簧21的作用下上升15mm,使工作臺(tái)2處于松開狀態(tài)。同時(shí),間隙消除油缸6也卸荷,中央油缸16從管道15進(jìn)壓力油,使活塞17上升,并通過螺栓18、支 5把止推軸承13向上抬起,頂在上底座12上,再通過螺釘4、錐套3使工作臺(tái)2抬起15mm,圓柱銷從定位襯套 7中拔出。
(2) 工作臺(tái)回轉(zhuǎn)分度
當(dāng)工作臺(tái)抬起之后發(fā)出信號(hào)使油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速齒輪( 圖中未示出 ),帶動(dòng)與工作臺(tái) 2 底部聯(lián)接的大齒輪10回轉(zhuǎn),進(jìn)行分度運(yùn)動(dòng)。在大齒輪 10 上以 45 °的間隔均布八個(gè)擋塊1,分度時(shí),工作臺(tái)先快速回轉(zhuǎn)。當(dāng)定位銷即將進(jìn)入規(guī)定位置時(shí), 擋塊碰撞第一個(gè)限位開關(guān),發(fā)出信號(hào)使工作臺(tái)降速, 當(dāng)擋塊碰撞第二個(gè)限位開關(guān)時(shí),工作臺(tái)2停止回轉(zhuǎn),此時(shí)相應(yīng)的定位銷 8 正好對(duì)準(zhǔn)定位襯套 7 。
(3) 工作臺(tái)下降并鎖緊
分度完畢后,發(fā)出信號(hào)使中央油缸16卸荷,工作臺(tái)2靠自重下降,定位銷8插入定位襯套7中,在鎖緊工作臺(tái)之前,消除間隙的油缸6通壓力油,活塞頂向工作臺(tái) 2 ,消除徑向間隙。然后使鎖緊油缸9的上腔通壓力油,活塞拉桿22下降,通過拉桿將工作臺(tái)鎖緊。
工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸支承在加長(zhǎng)型雙列圓柱滾子軸承 19 和滾針軸承 14 中,軸承 19 的內(nèi)孔帶有 1:12 的錐度,用來調(diào)整徑向間隙。另外,它的內(nèi)環(huán)可以帶著滾柱在加長(zhǎng)的外環(huán)內(nèi)作 15mm 的軸向移動(dòng)。當(dāng)工作臺(tái)抬起時(shí),支座 5 的一部分 推力由止推 軸承 13 承受,這將有效地減小分度工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩,使工作臺(tái) 2 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。
5.1.2 鼠齒盤式分度工作臺(tái)
鼠齒盤式分度工作臺(tái)采用 鼠齒盤作為 定位元件。這種工作臺(tái)有以下特點(diǎn):
(1) 定位精度高,分度精度可達(dá) ±2" ,最高可達(dá) ±0.4" 。
(2) 由于采用多齒重復(fù)定位,因而重復(fù)定位精度穩(wěn)定。
(3) 因?yàn)槎帻X嚙合,一般齒面嚙合長(zhǎng)度不少于 60%,齒數(shù)嚙合率不少于 90%,所以定位剛度好,能承受很大外載。
(4) 最小分度為 360 ° / Z(Z 為 鼠齒盤的 齒數(shù) ) ,因而分度數(shù)目多,適用于多工位分度。
(5) 磨損小,且因?yàn)辇X盤嚙合、脫開相當(dāng)于兩齒盤對(duì)研過程,所以,隨著使用時(shí)間的延續(xù),其定位精度不斷提高,使用壽命長(zhǎng)。
(6) 鼠齒盤的制造比較困難。
圖5-2 鼠齒盤及其齒形結(jié)構(gòu)
圖5-3 鼠齒盤式分度工作結(jié)構(gòu)
1-彈簧; 2-止推軸承; 3-蝸桿; 4-蝸輪; 5,6-齒輪; 7-支承套;
8-活塞; 9-工作臺(tái); 10,11-止推軸承; 12-升夾油缸; 13,14-上,下齒盤;
圖5-3 為鼠齒盤式分度工作臺(tái)的結(jié)構(gòu),主要由一對(duì)分度 鼠齒盤13、14 ,升夾油缸12,活塞 8,液壓馬達(dá),蝸輪副 3、4 ,減速齒輪副 5、6 等組成。其工作過程如下:
(1) 工作臺(tái)抬起,齒盤脫離嚙合
當(dāng)需要分度時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出分度指令,壓力油進(jìn)入分度工作臺(tái) 9 中央 的升夾油缸12的下腔,活塞 8向上移動(dòng),通過止推軸承10和11帶動(dòng)工作臺(tái)9向上抬起,使上、下齒盤13、14脫離嚙合,完成分度的準(zhǔn)備工作。
(2) 回轉(zhuǎn)分度
當(dāng)工作臺(tái)9抬起后,通過推動(dòng)桿和微動(dòng)開關(guān)發(fā)出信號(hào),啟動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn),通過蝸輪4和齒輪副5、6帶動(dòng)工作臺(tái)9進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)分度回轉(zhuǎn)角度由指令給出,共有八個(gè)等分,即為 45 ° 的整倍數(shù)。當(dāng)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度接近所要分度的角度時(shí),減速擋塊使微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作,發(fā)出減速信號(hào)使液壓馬達(dá)低速回轉(zhuǎn),為齒盤準(zhǔn)確定位創(chuàng)造條件;當(dāng)達(dá)到要求的角度時(shí),準(zhǔn)停擋塊壓合微動(dòng)開關(guān)發(fā)出信號(hào),使液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng),工作臺(tái)便完成回轉(zhuǎn)分度工作。
(3) 工作臺(tái)下降,完成定位夾緊
液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),壓力油進(jìn)入升夾油缸12的上腔,推動(dòng)活塞8帶動(dòng)工作臺(tái)下降,數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)種圓弧或與直線坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)加工曲面,又能作為分度頭完成工件的轉(zhuǎn)位換面。
由于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的功能要求連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給并與其他坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng),因此采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和定位,其定位精度由控制系統(tǒng)決定。根據(jù)控制方式,有開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。
5.2 開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用電液脈沖馬達(dá)或功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),圖5-4開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)。
圖5-4 開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)
1 —偏心環(huán); 2 、 6 —齒輪; 3 —步進(jìn)電機(jī); 4 —蝸桿; 5 —橡膠套; 7 —調(diào)整環(huán) ;
8 、 10 —微動(dòng)開頭; 9 、 11 —擋塊 ; 12 —雙列短圓柱滾子軸承; 13 —滾珠軸承;
14 —油缸; 15 —蝸輪; 16 —柱塞; 17 —鋼球; 18 、 19 —夾緊瓦; 20 —彈簧;
21 —底座; 22 —圓錐滾子軸承; 23 —調(diào)整套; 24 —支座
工作臺(tái)由功率步進(jìn)電機(jī)3驅(qū)動(dòng),經(jīng)齒輪副2 、6,蝸輪副4、15,帶動(dòng)其作回轉(zhuǎn)進(jìn)給或分度運(yùn)動(dòng)。由于是按控制系統(tǒng)所指定的脈沖數(shù)來決定轉(zhuǎn)位角度,因此,對(duì)開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的傳動(dòng)精度要求高,傳動(dòng)間隙應(yīng)盡量小。為此,在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上采用了消除間隙的措施。步進(jìn)電機(jī)3 由偏心環(huán) 1 與底座連接,通過調(diào)整 偏心環(huán) 消除齒輪 2 和齒輪 6 的嚙合間隙。蝸桿 4 為雙導(dǎo)程 ( 變齒厚 ) 蝸桿,可以用軸向移動(dòng)蝸桿的方法來消除蝸桿 4 和蝸輪15的嚙合間隙。調(diào)整時(shí),只要將調(diào)整環(huán) 7 的厚度改變,便可使蝸桿 4沿軸向移動(dòng)。
為了消除累積誤差,數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)有零點(diǎn)。當(dāng)它作返零控制時(shí),先 由擋塊 11 壓合微動(dòng)開關(guān) 10 ,發(fā)出從快速回轉(zhuǎn)變?yōu)槁倩剞D(zhuǎn)信號(hào),工作臺(tái)慢速回轉(zhuǎn),再 由擋塊 9 壓合微動(dòng)開關(guān) 8 進(jìn)行第二欠減速,然后由無觸點(diǎn)行程開關(guān)發(fā)出從慢速回轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)動(dòng)步進(jìn)信號(hào),最后由步進(jìn)電機(jī)停在某一固定通電相位上,從而使工作臺(tái)準(zhǔn)確地停在零點(diǎn)位置上。
當(dāng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)用于分度時(shí),分度回轉(zhuǎn)結(jié)束后,要把工作臺(tái)夾緊。在蝸輪 15 下部的內(nèi)、外兩面裝有夾緊瓦 18 和 19,底座 21 上固定的支座 24 內(nèi)均布有 6 個(gè)油缸 14 。油缸 14 上腔進(jìn)壓力油 ,柱塞 16 下移,并通過鋼球 17 推動(dòng)夾緊瓦 18 和 19 ,將蝸輪夾緊,從而將工作臺(tái)夾緊。不需要夾緊時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出指令,使油缸 14 上腔油液流回油箱,在彈簧 20 的作用下把鋼球 17 抬起,于是夾緊瓦 18 和 19 松開蝸輪15,這時(shí)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī),驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)進(jìn)給或分度。
該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的圓形導(dǎo)軌采用大型滾珠軸承 13 ,使回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活,雙列短圓柱滾子軸承 12 及圓錐滾子軸承 22 保證回轉(zhuǎn)精度和定心精度。調(diào)整軸承12的預(yù)緊力,可以消除回轉(zhuǎn)軸的徑向間隙,調(diào)整軸承22的調(diào)整套23的厚度,可以使大型滾珠軸承有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力,保證導(dǎo)軌有一定的接觸剛度。
5.3 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)與開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)基本相同,區(qū)別在于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),有轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量元件 ( 圓光柵、圓感應(yīng)同步器、脈沖編碼器等 ) 。測(cè)量的結(jié)果反饋與指令值進(jìn)行比較,按閉環(huán)控制原理進(jìn)行工作,使工作臺(tái)定位精度更高。
圖5-5 為閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu),該工作臺(tái)采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)兩對(duì)齒輪副和一對(duì) 蝸輪副傳動(dòng)工作臺(tái)。采用雙片齒22消除齒輪嚙合間隙,蝸桿為雙導(dǎo)程蝸桿,伺服電機(jī)帶有每轉(zhuǎn)1000 個(gè)脈沖信號(hào)的編碼器作為角度測(cè)量反饋元件。分度精度 25'' ,重復(fù)精度 4''。
工作臺(tái)導(dǎo)軌為環(huán)形平面導(dǎo)軌,工作臺(tái)與導(dǎo)軌面間粘貼有聚四氟乙烯導(dǎo)軌板 5 ,具有較好的摩擦特性。
夾緊工作臺(tái)時(shí),按控制信號(hào)要求,壓縮空氣從氣通管接頭 20 通過氣液轉(zhuǎn)換裝置 11 內(nèi)的電磁換向閥進(jìn)入氣缸右腔,使氣缸里的活塞桿 13 向左移動(dòng),油腔14內(nèi)的壓力 油逐漸增壓。這時(shí),油缸活塞1壓縮彈簧3并帶動(dòng)拉桿4向下移動(dòng),將工作臺(tái)壓緊在底座上,同時(shí)又移動(dòng)觸頭10,壓合剎緊信號(hào) 開關(guān)8,發(fā)出夾緊信號(hào)。松開工作臺(tái)時(shí),壓縮空氣進(jìn)入氣缸左腔,使活塞桿 13 向右移動(dòng),油腔 14 內(nèi)的壓力油減壓,直至工作臺(tái)松開,同時(shí)觸頭10壓合松開信號(hào)開關(guān) 12 ,發(fā)出信號(hào),伺服電機(jī) 17 可開始驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)進(jìn)給或分度。
圖5-5 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)
1 —油缸活塞; 2 —儲(chǔ)油腔; 3 —彈簧; 4 —拉桿; 5 —氟化乙烯導(dǎo)軌板; 6 —工作臺(tái); 7 —主軸;8 —?jiǎng)x緊 信號(hào)開關(guān); 9 —手搖脈沖發(fā)生器; 10 —?jiǎng)x緊 、松開觸頭; 11 —?dú)庖?轉(zhuǎn)換裝置; 12 —松開信號(hào)開關(guān); 13 —?dú)飧谆钊麠U; 14 —油腔; 15 —?dú)飧追ㄌm盤; 16 — 儲(chǔ)油管 油腔; 17 —伺服電機(jī); 18 —伺服電機(jī)法蘭盤; 19 —齒輪; 20 —?dú)馔?管接頭; 21 —緊固螺釘; 22 —雙片齒輪; 23 —雙導(dǎo)程蝸桿; 24 —定位鍵; 25 —螺紋套; 26 —調(diào)整螺母
5.4 雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)
雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)具有改變嚙合側(cè)隙的特點(diǎn),能夠始終保持正確的嚙合關(guān)系;并且結(jié)構(gòu)緊湊,調(diào)整方便,因而在要求連續(xù)精確分度的結(jié)構(gòu)中被采用,以便調(diào)整嚙合側(cè)隙到最小程度。
雙導(dǎo)程蝸桿副嚙合原理與一般的蝸桿副嚙合原理相同,蝸桿的軸向截面仍相當(dāng)于基本齒條,蝸輪則相當(dāng)于同它嚙合的齒輪。雙導(dǎo)程蝸桿齒的左、右兩側(cè)面具有不同的齒距 ( 導(dǎo)程 ) 或者說齒的左、右兩側(cè)面具有不同的模數(shù) m(m=t / π ) ,但同一側(cè)齒距則是相等的,因此,該蝸桿的齒厚從一端到另一端均勻地逐漸增厚或減薄,故又稱變齒厚蝸桿,可用軸向移動(dòng)蝸桿的方法來消除或調(diào)整嚙合間隙。因?yàn)橥粋?cè)面齒距相同,沒有破壞嚙合條件,所以當(dāng)軸向移動(dòng)蝸桿后,也能保證良好的嚙合。
雙導(dǎo)程蝸桿的齒形如圖 5-6 所示,圖中,t左 、t右分別為蝸桿左、右側(cè)面軸向齒距;t 中為公稱軸向齒矩; 左、右 分別為蝸桿左、右側(cè)面齒形角;S為齒厚; C 為齒槽寬。
圖5-6 雙導(dǎo)程蝸桿齒形
雙導(dǎo)程蝸桿的優(yōu)點(diǎn)是:嚙合間隙可調(diào)整得很小,根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),側(cè)隙調(diào)整可以小至 0.01mm~0.015mm ,而普通蝸輪副一般只能達(dá) 0.03mm ~ 0.08mm ,因此,雙導(dǎo)程蝸桿副能在較小的側(cè)隙下工作,這對(duì)提高數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度精度非常有利。由于普通蝸桿是用蝸桿沿蝸輪徑向移動(dòng)來調(diào)整嚙合側(cè)隙,因而改變了傳動(dòng)副的中心距 ( 中心距的改變會(huì)引起齒面接觸情況變差,甚至加劇磨損,不利于保持蝸輪副的精度 ) ;而雙導(dǎo)程蝸桿是用蝸桿軸向移動(dòng)來調(diào)整嚙合側(cè)隙,不會(huì)改變傳動(dòng)副的中心距,可避免上述缺點(diǎn)。雙導(dǎo)程蝸桿是用修磨調(diào)整環(huán)來控制調(diào)整量,調(diào)整準(zhǔn)確,方便可靠;而普通蝸輪副的徑向調(diào)整量較難掌握,調(diào)整時(shí)也容易產(chǎn)生蝸桿軸線歪斜。
雙導(dǎo)程蝸桿的缺點(diǎn)是:蝸桿加工比較麻煩,在車削和磨削蝸桿左、右齒面時(shí),螺紋傳動(dòng)鏈要選配不同的兩套掛輪,而這兩種蝸距往往是煩瑣的小數(shù),對(duì)于精確配算掛輪很費(fèi)時(shí);同樣,在制造加工蝸輪的滾刀時(shí),應(yīng)根據(jù)雙導(dǎo)程蝸桿的參數(shù)設(shè)計(jì)制造,通用性差。
5.5 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)參數(shù)計(jì)算
裝置總體控制系統(tǒng)方案是用PLC控制器控制的,因此回轉(zhuǎn)工作臺(tái)也可以選擇數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來進(jìn)行控制。可以通過PLC的程序控制伺服電機(jī)然后通過蝸輪蝸桿的傳動(dòng)來達(dá)到工作臺(tái)的120的分度回轉(zhuǎn)控制。其分度精度可達(dá)25'',重復(fù)精度可達(dá)4''。
蝸桿的分度圓直徑選擇為28mm,蝸輪的分度圓直徑為160mm。根據(jù)普通蝸桿傳動(dòng)m和d得搭配值表查的渦輪模數(shù)m為2.5。
d=mz,所以蝸輪齒數(shù)z為64。
i12= ,其中z2為蝸輪齒數(shù),z1為蝸桿頭數(shù)。取蝸桿頭數(shù)為2。得i12=32。
裝置要求為平均30秒加工完成一個(gè)零件。因此初步選定工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為10r/min。
因此直流伺服電機(jī)只需要達(dá)到320r/min 的轉(zhuǎn)速即可。
6 裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
自動(dòng)控制系統(tǒng)是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的主要手段。
自動(dòng)控制系統(tǒng)按控制原理的不同,自動(dòng)控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制系統(tǒng)
在開環(huán)控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)輸出只受輸入的控制,控制精度和抑制干擾的特性都比較差。開環(huán)控制系統(tǒng)中,基于按時(shí)序進(jìn)行邏輯控制的稱為順序控制系統(tǒng);由順序控制裝置、檢測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控工業(yè)對(duì)象所組成。主要應(yīng)用于機(jī)械、化工、物料裝卸運(yùn)輸?shù)冗^程的控制以及機(jī)械手和生產(chǎn)自動(dòng)線。
閉環(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎(chǔ)之上的,利用輸出量同期望值的偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,可獲得比較好的控制性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。
6.1 PLC裝置介紹
可編程控制器(PLC)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越,已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域?,F(xiàn)在,PLC已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱技術(shù)(PLC技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM技術(shù))之一,PLC應(yīng)用已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的一個(gè)潮流,隨著我國科技水平的不斷發(fā)展和提高,PLC技術(shù)將在我國得到更加全面的推廣和應(yīng)用。
由于控制對(duì)象的復(fù)雜性、運(yùn)行環(huán)境的特殊性和運(yùn)行工作的連續(xù)、長(zhǎng)期性,使得PLC在設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)上具有許多其他控制器所無法相比的特點(diǎn):
1.可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)
2.靈活性和通用性強(qiáng)
3.編程語言簡(jiǎn)單易學(xué)
4.PLC與外部設(shè)備的連接簡(jiǎn)單、使用方便
5.PLC的功能強(qiáng)大
6.PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試周期短
7.PLC體積小、重量輕,易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化
目前,在工業(yè)控制領(lǐng)域里常見的有下列幾種控制方法:傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制、單片機(jī)控制、可編程序控制器(PLC)控制、計(jì)算機(jī)控制(PC)、計(jì)算機(jī)-單片機(jī)控制以及計(jì)算機(jī)-可編程序控制器控制等,它們各有優(yōu)缺點(diǎn),具有各自的適用場(chǎng)合和要求。
表6-1 常見控制方法對(duì)比
PLC是一種特殊的計(jì)算機(jī),它的組成與計(jì)算機(jī)相似。整體式結(jié)構(gòu)的PLC組成如圖16所示。其主要組成部分有:
1.中央處理單元(CPU)
CPU是PLC的核心部件,它類似人的大腦,能指揮PLC按照預(yù)先編好的系統(tǒng)程序完成各種任務(wù)。
2.存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器一般包括以下三部分:系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器、工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
3.輸入/輸出單元
輸入/輸出單元是PLC與外部設(shè)備相互聯(lián)系的窗口。輸入單元接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向PLC提供的信號(hào);輸出單元將經(jīng)過CPU處理的弱電信號(hào)通過光電隔離、功率放大等處理,轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號(hào),以驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行元件,如接觸器、電磁閥、調(diào)速裝置等。
4.電源部分
PLC的電源包括兩種電源:一種是外部電源,另一種是內(nèi)部電源。外部電源一般配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源為內(nèi)部電路供電。內(nèi)部電源是供用戶存儲(chǔ)器工作的保護(hù)電源,保證用戶程序在外部電源斷開時(shí)不致丟失。
5.I/O擴(kuò)展端口
當(dāng)主機(jī)上的I/O點(diǎn)數(shù)或類型不能滿足用戶需要時(shí),主機(jī)可以通過I/O擴(kuò)展端口連接I/O擴(kuò)展單元來增加I/O點(diǎn)。另外,通過I/O擴(kuò)展口還可以連接各種智能單元,擴(kuò)展PLC的功能。
6.外設(shè)端口
每臺(tái)PLC都有外設(shè)端口。通過外設(shè)端口,PLC可與外部設(shè)備相連接。
7.編程工具
編程工具是開發(fā)應(yīng)用和檢查維護(hù)PLC以及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不可缺少的外部設(shè)備。包括專用編程器和計(jì)算機(jī)輔助編程。
圖6-1 PLC組成示意圖
PLC上電后首先進(jìn)行初始化,然后進(jìn)入循環(huán)掃描工作過程。一次循環(huán)掃描過程可歸納為五個(gè)工作階段:自診階段、輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段以及通信處理階段,如圖6-2。
圖6-2 PLC工作過程
6.2 系統(tǒng)控制要求
本裝置要求達(dá)到的控制標(biāo)準(zhǔn)為裝置先完成工件的裝夾然后通過回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)將工件帶到第一加工工位,控制信號(hào)再控制夾緊裝置以及壓板裝置進(jìn)行夾緊定位。接下來是鉆孔裝置進(jìn)行對(duì)刀然后進(jìn)行進(jìn)給鉆削運(yùn)動(dòng)。于此同時(shí)在裝載工件處又需要將第二個(gè)待加工件裝上工作臺(tái)等待進(jìn)入第一工位加工。第一工位加工完成后夾緊定位裝置松開控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到下一個(gè)工位,進(jìn)行鉸孔加工。同樣的進(jìn)行鉸孔加工時(shí)也需要對(duì)工件進(jìn)行定位與夾緊控制以及鉸孔加工的進(jìn)給鉸削運(yùn)動(dòng)的控制。最后在鉆孔與鉸孔加工都完成后通過回轉(zhuǎn)工作臺(tái)讓被加工件回到裝夾位置卸載。
根據(jù)對(duì)裝置的控制要求選擇使用閉環(huán)控制系統(tǒng),并確定了總體的加工工藝流程,具體流程如圖6-3。
圖6-3 裝置自動(dòng)控制流程圖
結(jié) 論
畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì),通過這次比較完整的自動(dòng)鉆鉸孔裝置設(shè)計(jì),我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài),和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí),解決實(shí)際裝置設(shè)計(jì)問題的能力,同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平,而且通過對(duì)整體的掌控,對(duì)局部的取舍,以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理,都使我的能力得到了鍛煉,經(jīng)驗(yàn)得到了豐富,并且意志品質(zhì)力,抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。
雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多,過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件,各種零件設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn),切削用量的確定,我都是隨著設(shè)計(jì)的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會(huì)應(yīng)用的。和老師的溝通交流更使我對(duì)設(shè)計(jì)有了新的認(rèn)識(shí)也對(duì)自己提出了新的要求,舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子:本來我在設(shè)計(jì)這個(gè)裝置的夾具的時(shí)候只考慮到了定位與夾緊,卻沒有考慮到在退刀時(shí)工件也需要一個(gè)壓緊力,不然工件就會(huì)在退刀時(shí)被帶動(dòng)。所以設(shè)計(jì)時(shí)需要在零件上面加個(gè)壓板保證工件被完全定位。這種問題的出現(xiàn)讓我更了解到了做機(jī)械設(shè)計(jì)人員時(shí)需要的細(xì)心謹(jǐn)慎考慮問題要周全。我相信在我以后的工作中一定會(huì)注意到這些問題的。
提高是有限的但提高也是全面的,正是這一次設(shè)計(jì)讓我積累了無數(shù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),使我的頭腦更好的被知識(shí)武裝了起來,也必然會(huì)讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力,更強(qiáng)的溝通力和理解力。從不知道畢業(yè)論文怎么寫,到順利如期的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì),這給了我很大的信心,讓我了解專業(yè)知識(shí)的同時(shí)也對(duì)本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心。
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們知識(shí)運(yùn)用能力的一次全面的考核,也是對(duì)我們進(jìn)行設(shè)計(jì)研究基本功的訓(xùn)練,培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立的分析問題和解決問題的能力,為以后撰寫專業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打下良好的基礎(chǔ)。
本次設(shè)計(jì)能順利完成,首先我要感謝我的母?!暇├砉ご髮W(xué)紫金學(xué)院,是她為我們提供了學(xué)習(xí)知識(shí)的土壤,使我們?cè)谶@里茁壯成長(zhǎng):其次我要感謝機(jī)械系的老師們,他們不僅教會(huì)我們專業(yè)方面的知識(shí),而且教會(huì)我們做人做事的道理;尤其要感謝在本次設(shè)計(jì)中給予我大力支持和幫助的江琴老師,每有問題,老師總是耐心的解答,使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設(shè)計(jì)中去;還要感謝我的同學(xué)們,他們熱心的幫助,使我感到了來自兄弟姐妹的情誼;最后還要感謝相關(guān)資料的編著者,感謝你們提供的材料,使本次設(shè)計(jì)圓滿完成。
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