覃莉莉++羅洪波

摘 要：該文比較了幾種常用的自動(dòng)控制方法，選擇“開環(huán)伺服系統(tǒng)”作為控制方法，設(shè)計(jì)了麻花鉆自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，滿足深孔加工的要求。研究的結(jié)果，對(duì)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)深孔加工專用設(shè)備，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：深孔鉆 麻花鉆 自動(dòng)控制 進(jìn)給

中圖分類號(hào)：TH132.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0067-03

作為一種傳統(tǒng)的孔加工方法，麻花鉆在孔加工工藝中的應(yīng)用最為廣泛。近年來，麻花鉆越來越多地應(yīng)用于深孔加工領(lǐng)域。跟“槍鉆”、“BTA深孔鉆”、“噴吸鉆”、“DF深孔鉆”等深孔加工方法相比，麻花鉆的優(yōu)點(diǎn)在于刀具和機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低廉。主要的缺點(diǎn)包括：不能連續(xù)排屑、刀具潤滑性較差、切削冷卻條件差、切削溫度高、刀具磨損快。這些缺點(diǎn)限制了切削速度和進(jìn)給速度的提高，從而影響了生產(chǎn)率。

把傳統(tǒng)的麻花鉆加工方法跟現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在保證低成本的同時(shí)，滿足深孔高效切削的要求是機(jī)械制造領(lǐng)域值得重視的課題。

1 問題的提出

某工程機(jī)械剎車制動(dòng)夾鉗，材料為QT450-10。工藝上要求對(duì)兩個(gè)Φ6，深165的深孔進(jìn)行加工，要求能達(dá)到每小時(shí)12件的產(chǎn)能。出于成本上的考慮，選擇麻花鉆作為深孔加工的方法設(shè)計(jì)專用機(jī)床。為解決鉆削過程中的排屑和散熱問題，采用在加工的過程中，間歇地將鉆頭退出，進(jìn)行倒屑的方式完成整個(gè)進(jìn)給行程。165 mm的進(jìn)給行程，需要往復(fù)多次才能完成，這個(gè)過程希望能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 自動(dòng)控制方法的選擇

本項(xiàng)目的控制要求為：通過自動(dòng)控制的方式，帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分段完成165 mm的進(jìn)給行程。所加工孔為油孔，要求與油道相貫即可，孔深允差為±3 mm，精度要求不高。為達(dá)到設(shè)計(jì)需要的產(chǎn)能，減掉裝夾及準(zhǔn)備時(shí)間30秒，自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)需要帶動(dòng)執(zhí)行元件在4分30秒內(nèi)走完所有行程。常用的可能滿足本項(xiàng)目控制要求的控制方法如下。

2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，是數(shù)控機(jī)床中最簡單的伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件通常為功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如圖1所示，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大送到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)過一定的角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)過的角度跟指令脈沖的個(gè)數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)速度的大小跟指令脈沖的頻率成正比。由于沒有檢測反饋裝置，系統(tǒng)中各部分的誤差，如步進(jìn)電機(jī)的步距角誤差、機(jī)械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能的限制，低速不平穩(wěn)、高速扭矩小。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制與調(diào)整，一般用于輕載、負(fù)載變化不大，精度要求不高的場合，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床改造中應(yīng)用廣泛。

2.2 開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)先把信號(hào)放大后再去驅(qū)動(dòng)電磁閥，以控制液壓油的流量、壓力和方向，然后帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。因?yàn)樗挥小巴ā被颉皵唷眱蓚€(gè)位置，所以稱開關(guān)式。

2.3 伺服式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

這是一種把電信號(hào)變換成液壓信號(hào)，再經(jīng)過液壓傳動(dòng)環(huán)節(jié)去拖動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方法。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移經(jīng)過變換器變成電信號(hào)，反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制信號(hào)比較。

圖2為一個(gè)常用的伺服式電液驅(qū)動(dòng)部件的工作原理圖，該系統(tǒng)由電磁鐵、銜鐵、彈簧、固定節(jié)流孔、擋板、噴嘴等原件組成。其中左、右兩個(gè)噴嘴分別與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）的左、右腔相通。工作原理及工作過程如下：

當(dāng)控制信號(hào)uc增大時(shí)，比較器輸出的偏差uE及放大器的輸出都增大，電磁鐵線圈中的電流增大，電磁鐵的吸力也增大。銜鐵因電磁鐵吸力增大而左擺。擋板偏向左噴嘴，使左噴嘴內(nèi)背壓大于右噴嘴的背壓。液壓缸左腔壓力大于右腔，活塞右移，使負(fù)載向右移動(dòng)。與此同時(shí)，與活塞同軸的齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪軸使滑線電位器觸點(diǎn)移動(dòng)，從而改變了反饋電壓ui。調(diào)節(jié)過程繼續(xù)，直到ui等于uc，比較器輸出為零時(shí)，電磁鐵線圈失電，擋板回到中間位置，活塞才停止移動(dòng)。

這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)性寬、特性好、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)自動(dòng)化控制中應(yīng)用廣泛。

以上控制方法中，不帶反饋裝置的“開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”由于液壓的泄漏和可壓縮性大等問題，行程精度難以控制，在傳動(dòng)鏈出現(xiàn)誤差時(shí)，難以通過“點(diǎn)動(dòng)”的方式實(shí)現(xiàn)比較精確對(duì)微調(diào)，容易出現(xiàn)累積誤差，導(dǎo)致加工的孔深超差?！八欧诫娨候?qū)動(dòng)系統(tǒng)”控制精度高，能完全滿足本項(xiàng)目的控制要求，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，不予采用?！伴_環(huán)伺服系統(tǒng)”能滿足控制的要求，成本低廉。但由于步進(jìn)電機(jī)步距角精度不高，運(yùn)動(dòng)的過程中容易出現(xiàn)失步的問題，高速扭矩小，低速運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)，加速性能差，不能滿足本項(xiàng)目頻繁帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的要求。交流伺服電機(jī)的步距角精度高，在運(yùn)動(dòng)的過程中不容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，高速扭矩大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加速性能好。用單片機(jī)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的開環(huán)控制，控制系統(tǒng)簡單。只要傳動(dòng)鏈的誤差控制得當(dāng)，傳動(dòng)精度能滿足孔深允差控制在±3 mm的要求。

綜上所述，為簡化控制系統(tǒng)，降低成本，保證足夠的行程精度，本項(xiàng)目采用“開環(huán)伺服系統(tǒng)”，選擇交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)上，遵循傳動(dòng)鏈盡量短的原則，避免過大的機(jī)械傳動(dòng)誤差。出現(xiàn)較大的行程誤差時(shí)，可以通過在裝夾工件前“點(diǎn)動(dòng)”伺服電機(jī)的方式或者手動(dòng)調(diào)整進(jìn)給軸的方式來進(jìn)行修正。

3 經(jīng)濟(jì)型專用雙軸深孔鉆床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖3所示。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源來自主軸箱內(nèi)的進(jìn)給電機(jī)。進(jìn)給電機(jī)為0.75 kW的伺服電機(jī)。伺服電機(jī)采用單片機(jī)嵌入式控制器進(jìn)行控制，其操作以及參數(shù)的調(diào)整可以在控制面板上進(jìn)行。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)兩種操作方式。手動(dòng)方式能保證伺服系統(tǒng)出故障時(shí)，能繼續(xù)使用機(jī)床，減少停機(jī)時(shí)間。自動(dòng)方式可以減少工作強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。當(dāng)離合器打到“自動(dòng)”運(yùn)行的檔位時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過鏈傳動(dòng)傳遞到一個(gè)40∶1的渦輪蝸桿減速器上。減速器的輸出運(yùn)動(dòng)通過另一個(gè)鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)傳遞到進(jìn)給軸上，進(jìn)給軸上裝有兩個(gè)外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)兩根主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

3.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。進(jìn)給傳動(dòng)軸中部設(shè)計(jì)有圓周齒式離合器，圓周齒式離合器包括內(nèi)齒半離合器和外齒半離合器。鏈輪通過螺紋連接的方式與內(nèi)齒半離合器作固定連接，鏈輪和內(nèi)齒半離合器空套在進(jìn)給軸上。外齒半離合器通過花鍵跟進(jìn)給軸相連。進(jìn)給軸后端裝有端面齒式離合器（圖中未表示），位于外側(cè)的端面齒式半離合器上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)手柄（圖中未表示），端面齒離合器進(jìn)入嚙合，可以通過手柄帶動(dòng)進(jìn)給軸作手動(dòng)進(jìn)給。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過鏈傳動(dòng)傳遞到一個(gè)40∶1的渦輪蝸桿減速器上，伺服電機(jī)端鏈輪齒數(shù)為14，對(duì)應(yīng)相減速器上鏈輪齒數(shù)為14。減速器的輸出運(yùn)動(dòng)通過另一個(gè)鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)傳遞到進(jìn)給軸上，此鏈輪機(jī)構(gòu)中減速器端鏈輪齒數(shù)為14，對(duì)應(yīng)進(jìn)給軸端鏈輪齒數(shù)為27。因此，可以計(jì)算得到總的傳動(dòng)比i為14∶14×（1∶40）×（14∶27）=7∶540。進(jìn)給軸上裝有兩個(gè)外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)兩根主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，該齒輪齒條機(jī)構(gòu)的模數(shù)m為3 mm，進(jìn)給軸上外嚙合齒輪齒數(shù)Z為12，主軸套筒齒條總行程為280 mm，因此進(jìn)給軸每旋轉(zhuǎn)一周，主軸進(jìn)給量為齒輪分度圓直徑Dh=mz=36 mm，周長L=πmz=113.04 mm。經(jīng)計(jì)算，適當(dāng)?shù)剡x擇伺服電機(jī)的速度，能滿足1小時(shí)12件的產(chǎn)能要求。

4 結(jié)語

與先進(jìn)的深孔加工技術(shù)相比，麻花鉆用于深孔加工，加工條件差，加工精度不高，刀具容易磨損。但在孔深精度要求不高的情況下，配合自動(dòng)控制的手段，可以設(shè)計(jì)出滿足加工要求、成本低廉的專用自動(dòng)機(jī)床。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅洪波.經(jīng)濟(jì)型全自動(dòng)雙軸深孔鉆床的研究與設(shè)計(jì)體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[2] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 張燏.機(jī)電一體化概論[M].人民郵電出版社，2009.

[4] 彭朝霞.C6163車床的深孔鉆床改造技術(shù)[J].科技傳播，2012（11）：117-118.

[5] 黃曉斌.可重構(gòu)深孔機(jī)床設(shè)計(jì)研究[D].太原：華北工學(xué)院，2003.endprint

摘 要：該文比較了幾種常用的自動(dòng)控制方法，選擇“開環(huán)伺服系統(tǒng)”作為控制方法，設(shè)計(jì)了麻花鉆自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，滿足深孔加工的要求。研究的結(jié)果，對(duì)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)深孔加工專用設(shè)備，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：深孔鉆 麻花鉆 自動(dòng)控制 進(jìn)給

中圖分類號(hào)：TH132.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0067-03

作為一種傳統(tǒng)的孔加工方法，麻花鉆在孔加工工藝中的應(yīng)用最為廣泛。近年來，麻花鉆越來越多地應(yīng)用于深孔加工領(lǐng)域。跟“槍鉆”、“BTA深孔鉆”、“噴吸鉆”、“DF深孔鉆”等深孔加工方法相比，麻花鉆的優(yōu)點(diǎn)在于刀具和機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低廉。主要的缺點(diǎn)包括：不能連續(xù)排屑、刀具潤滑性較差、切削冷卻條件差、切削溫度高、刀具磨損快。這些缺點(diǎn)限制了切削速度和進(jìn)給速度的提高，從而影響了生產(chǎn)率。

把傳統(tǒng)的麻花鉆加工方法跟現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在保證低成本的同時(shí)，滿足深孔高效切削的要求是機(jī)械制造領(lǐng)域值得重視的課題。

1 問題的提出

某工程機(jī)械剎車制動(dòng)夾鉗，材料為QT450-10。工藝上要求對(duì)兩個(gè)Φ6，深165的深孔進(jìn)行加工，要求能達(dá)到每小時(shí)12件的產(chǎn)能。出于成本上的考慮，選擇麻花鉆作為深孔加工的方法設(shè)計(jì)專用機(jī)床。為解決鉆削過程中的排屑和散熱問題，采用在加工的過程中，間歇地將鉆頭退出，進(jìn)行倒屑的方式完成整個(gè)進(jìn)給行程。165 mm的進(jìn)給行程，需要往復(fù)多次才能完成，這個(gè)過程希望能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 自動(dòng)控制方法的選擇

本項(xiàng)目的控制要求為：通過自動(dòng)控制的方式，帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分段完成165 mm的進(jìn)給行程。所加工孔為油孔，要求與油道相貫即可，孔深允差為±3 mm，精度要求不高。為達(dá)到設(shè)計(jì)需要的產(chǎn)能，減掉裝夾及準(zhǔn)備時(shí)間30秒，自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)需要帶動(dòng)執(zhí)行元件在4分30秒內(nèi)走完所有行程。常用的可能滿足本項(xiàng)目控制要求的控制方法如下。

2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，是數(shù)控機(jī)床中最簡單的伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件通常為功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如圖1所示，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大送到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)過一定的角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)過的角度跟指令脈沖的個(gè)數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)速度的大小跟指令脈沖的頻率成正比。由于沒有檢測反饋裝置，系統(tǒng)中各部分的誤差，如步進(jìn)電機(jī)的步距角誤差、機(jī)械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能的限制，低速不平穩(wěn)、高速扭矩小。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制與調(diào)整，一般用于輕載、負(fù)載變化不大，精度要求不高的場合，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床改造中應(yīng)用廣泛。

2.2 開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)先把信號(hào)放大后再去驅(qū)動(dòng)電磁閥，以控制液壓油的流量、壓力和方向，然后帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。因?yàn)樗挥小巴ā被颉皵唷眱蓚€(gè)位置，所以稱開關(guān)式。

2.3 伺服式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

這是一種把電信號(hào)變換成液壓信號(hào)，再經(jīng)過液壓傳動(dòng)環(huán)節(jié)去拖動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方法。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移經(jīng)過變換器變成電信號(hào)，反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制信號(hào)比較。

圖2為一個(gè)常用的伺服式電液驅(qū)動(dòng)部件的工作原理圖，該系統(tǒng)由電磁鐵、銜鐵、彈簧、固定節(jié)流孔、擋板、噴嘴等原件組成。其中左、右兩個(gè)噴嘴分別與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）的左、右腔相通。工作原理及工作過程如下：

當(dāng)控制信號(hào)uc增大時(shí)，比較器輸出的偏差uE及放大器的輸出都增大，電磁鐵線圈中的電流增大，電磁鐵的吸力也增大。銜鐵因電磁鐵吸力增大而左擺。擋板偏向左噴嘴，使左噴嘴內(nèi)背壓大于右噴嘴的背壓。液壓缸左腔壓力大于右腔，活塞右移，使負(fù)載向右移動(dòng)。與此同時(shí)，與活塞同軸的齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪軸使滑線電位器觸點(diǎn)移動(dòng)，從而改變了反饋電壓ui。調(diào)節(jié)過程繼續(xù)，直到ui等于uc，比較器輸出為零時(shí)，電磁鐵線圈失電，擋板回到中間位置，活塞才停止移動(dòng)。

這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)性寬、特性好、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)自動(dòng)化控制中應(yīng)用廣泛。

以上控制方法中，不帶反饋裝置的“開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”由于液壓的泄漏和可壓縮性大等問題，行程精度難以控制，在傳動(dòng)鏈出現(xiàn)誤差時(shí)，難以通過“點(diǎn)動(dòng)”的方式實(shí)現(xiàn)比較精確對(duì)微調(diào)，容易出現(xiàn)累積誤差，導(dǎo)致加工的孔深超差?！八欧诫娨候?qū)動(dòng)系統(tǒng)”控制精度高，能完全滿足本項(xiàng)目的控制要求，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，不予采用?！伴_環(huán)伺服系統(tǒng)”能滿足控制的要求，成本低廉。但由于步進(jìn)電機(jī)步距角精度不高，運(yùn)動(dòng)的過程中容易出現(xiàn)失步的問題，高速扭矩小，低速運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)，加速性能差，不能滿足本項(xiàng)目頻繁帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的要求。交流伺服電機(jī)的步距角精度高，在運(yùn)動(dòng)的過程中不容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，高速扭矩大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加速性能好。用單片機(jī)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的開環(huán)控制，控制系統(tǒng)簡單。只要傳動(dòng)鏈的誤差控制得當(dāng)，傳動(dòng)精度能滿足孔深允差控制在±3 mm的要求。

綜上所述，為簡化控制系統(tǒng)，降低成本，保證足夠的行程精度，本項(xiàng)目采用“開環(huán)伺服系統(tǒng)”，選擇交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)上，遵循傳動(dòng)鏈盡量短的原則，避免過大的機(jī)械傳動(dòng)誤差。出現(xiàn)較大的行程誤差時(shí)，可以通過在裝夾工件前“點(diǎn)動(dòng)”伺服電機(jī)的方式或者手動(dòng)調(diào)整進(jìn)給軸的方式來進(jìn)行修正。

3 經(jīng)濟(jì)型專用雙軸深孔鉆床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖3所示。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源來自主軸箱內(nèi)的進(jìn)給電機(jī)。進(jìn)給電機(jī)為0.75 kW的伺服電機(jī)。伺服電機(jī)采用單片機(jī)嵌入式控制器進(jìn)行控制，其操作以及參數(shù)的調(diào)整可以在控制面板上進(jìn)行。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)兩種操作方式。手動(dòng)方式能保證伺服系統(tǒng)出故障時(shí)，能繼續(xù)使用機(jī)床，減少停機(jī)時(shí)間。自動(dòng)方式可以減少工作強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。當(dāng)離合器打到“自動(dòng)”運(yùn)行的檔位時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過鏈傳動(dòng)傳遞到一個(gè)40∶1的渦輪蝸桿減速器上。減速器的輸出運(yùn)動(dòng)通過另一個(gè)鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)傳遞到進(jìn)給軸上，進(jìn)給軸上裝有兩個(gè)外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)兩根主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

3.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。進(jìn)給傳動(dòng)軸中部設(shè)計(jì)有圓周齒式離合器，圓周齒式離合器包括內(nèi)齒半離合器和外齒半離合器。鏈輪通過螺紋連接的方式與內(nèi)齒半離合器作固定連接，鏈輪和內(nèi)齒半離合器空套在進(jìn)給軸上。外齒半離合器通過花鍵跟進(jìn)給軸相連。進(jìn)給軸后端裝有端面齒式離合器（圖中未表示），位于外側(cè)的端面齒式半離合器上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)手柄（圖中未表示），端面齒離合器進(jìn)入嚙合，可以通過手柄帶動(dòng)進(jìn)給軸作手動(dòng)進(jìn)給。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過鏈傳動(dòng)傳遞到一個(gè)40∶1的渦輪蝸桿減速器上，伺服電機(jī)端鏈輪齒數(shù)為14，對(duì)應(yīng)相減速器上鏈輪齒數(shù)為14。減速器的輸出運(yùn)動(dòng)通過另一個(gè)鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)傳遞到進(jìn)給軸上，此鏈輪機(jī)構(gòu)中減速器端鏈輪齒數(shù)為14，對(duì)應(yīng)進(jìn)給軸端鏈輪齒數(shù)為27。因此，可以計(jì)算得到總的傳動(dòng)比i為14∶14×（1∶40）×（14∶27）=7∶540。進(jìn)給軸上裝有兩個(gè)外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)兩根主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，該齒輪齒條機(jī)構(gòu)的模數(shù)m為3 mm，進(jìn)給軸上外嚙合齒輪齒數(shù)Z為12，主軸套筒齒條總行程為280 mm，因此進(jìn)給軸每旋轉(zhuǎn)一周，主軸進(jìn)給量為齒輪分度圓直徑Dh=mz=36 mm，周長L=πmz=113.04 mm。經(jīng)計(jì)算，適當(dāng)?shù)剡x擇伺服電機(jī)的速度，能滿足1小時(shí)12件的產(chǎn)能要求。

4 結(jié)語

與先進(jìn)的深孔加工技術(shù)相比，麻花鉆用于深孔加工，加工條件差，加工精度不高，刀具容易磨損。但在孔深精度要求不高的情況下，配合自動(dòng)控制的手段，可以設(shè)計(jì)出滿足加工要求、成本低廉的專用自動(dòng)機(jī)床。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅洪波.經(jīng)濟(jì)型全自動(dòng)雙軸深孔鉆床的研究與設(shè)計(jì)體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[2] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 張燏.機(jī)電一體化概論[M].人民郵電出版社，2009.

[4] 彭朝霞.C6163車床的深孔鉆床改造技術(shù)[J].科技傳播，2012（11）：117-118.

[5] 黃曉斌.可重構(gòu)深孔機(jī)床設(shè)計(jì)研究[D].太原：華北工學(xué)院，2003.endprint

摘 要：該文比較了幾種常用的自動(dòng)控制方法，選擇“開環(huán)伺服系統(tǒng)”作為控制方法，設(shè)計(jì)了麻花鉆自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，滿足深孔加工的要求。研究的結(jié)果，對(duì)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)深孔加工專用設(shè)備，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：深孔鉆 麻花鉆 自動(dòng)控制 進(jìn)給

中圖分類號(hào)：TH132.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0067-03

作為一種傳統(tǒng)的孔加工方法，麻花鉆在孔加工工藝中的應(yīng)用最為廣泛。近年來，麻花鉆越來越多地應(yīng)用于深孔加工領(lǐng)域。跟“槍鉆”、“BTA深孔鉆”、“噴吸鉆”、“DF深孔鉆”等深孔加工方法相比，麻花鉆的優(yōu)點(diǎn)在于刀具和機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低廉。主要的缺點(diǎn)包括：不能連續(xù)排屑、刀具潤滑性較差、切削冷卻條件差、切削溫度高、刀具磨損快。這些缺點(diǎn)限制了切削速度和進(jìn)給速度的提高，從而影響了生產(chǎn)率。

把傳統(tǒng)的麻花鉆加工方法跟現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在保證低成本的同時(shí)，滿足深孔高效切削的要求是機(jī)械制造領(lǐng)域值得重視的課題。

1 問題的提出

某工程機(jī)械剎車制動(dòng)夾鉗，材料為QT450-10。工藝上要求對(duì)兩個(gè)Φ6，深165的深孔進(jìn)行加工，要求能達(dá)到每小時(shí)12件的產(chǎn)能。出于成本上的考慮，選擇麻花鉆作為深孔加工的方法設(shè)計(jì)專用機(jī)床。為解決鉆削過程中的排屑和散熱問題，采用在加工的過程中，間歇地將鉆頭退出，進(jìn)行倒屑的方式完成整個(gè)進(jìn)給行程。165 mm的進(jìn)給行程，需要往復(fù)多次才能完成，這個(gè)過程希望能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 自動(dòng)控制方法的選擇

本項(xiàng)目的控制要求為：通過自動(dòng)控制的方式，帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分段完成165 mm的進(jìn)給行程。所加工孔為油孔，要求與油道相貫即可，孔深允差為±3 mm，精度要求不高。為達(dá)到設(shè)計(jì)需要的產(chǎn)能，減掉裝夾及準(zhǔn)備時(shí)間30秒，自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)需要帶動(dòng)執(zhí)行元件在4分30秒內(nèi)走完所有行程。常用的可能滿足本項(xiàng)目控制要求的控制方法如下。

2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，是數(shù)控機(jī)床中最簡單的伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件通常為功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如圖1所示，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大送到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)過一定的角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)過的角度跟指令脈沖的個(gè)數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)速度的大小跟指令脈沖的頻率成正比。由于沒有檢測反饋裝置，系統(tǒng)中各部分的誤差，如步進(jìn)電機(jī)的步距角誤差、機(jī)械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能的限制，低速不平穩(wěn)、高速扭矩小。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制與調(diào)整，一般用于輕載、負(fù)載變化不大，精度要求不高的場合，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床改造中應(yīng)用廣泛。

2.2 開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)先把信號(hào)放大后再去驅(qū)動(dòng)電磁閥，以控制液壓油的流量、壓力和方向，然后帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。因?yàn)樗挥小巴ā被颉皵唷眱蓚€(gè)位置，所以稱開關(guān)式。

2.3 伺服式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

這是一種把電信號(hào)變換成液壓信號(hào)，再經(jīng)過液壓傳動(dòng)環(huán)節(jié)去拖動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方法。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移經(jīng)過變換器變成電信號(hào)，反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制信號(hào)比較。

圖2為一個(gè)常用的伺服式電液驅(qū)動(dòng)部件的工作原理圖，該系統(tǒng)由電磁鐵、銜鐵、彈簧、固定節(jié)流孔、擋板、噴嘴等原件組成。其中左、右兩個(gè)噴嘴分別與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）的左、右腔相通。工作原理及工作過程如下：

當(dāng)控制信號(hào)uc增大時(shí)，比較器輸出的偏差uE及放大器的輸出都增大，電磁鐵線圈中的電流增大，電磁鐵的吸力也增大。銜鐵因電磁鐵吸力增大而左擺。擋板偏向左噴嘴，使左噴嘴內(nèi)背壓大于右噴嘴的背壓。液壓缸左腔壓力大于右腔，活塞右移，使負(fù)載向右移動(dòng)。與此同時(shí)，與活塞同軸的齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪軸使滑線電位器觸點(diǎn)移動(dòng)，從而改變了反饋電壓ui。調(diào)節(jié)過程繼續(xù)，直到ui等于uc，比較器輸出為零時(shí)，電磁鐵線圈失電，擋板回到中間位置，活塞才停止移動(dòng)。

這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)性寬、特性好、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)自動(dòng)化控制中應(yīng)用廣泛。

以上控制方法中，不帶反饋裝置的“開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”由于液壓的泄漏和可壓縮性大等問題，行程精度難以控制，在傳動(dòng)鏈出現(xiàn)誤差時(shí)，難以通過“點(diǎn)動(dòng)”的方式實(shí)現(xiàn)比較精確對(duì)微調(diào)，容易出現(xiàn)累積誤差，導(dǎo)致加工的孔深超差?！八欧诫娨候?qū)動(dòng)系統(tǒng)”控制精度高，能完全滿足本項(xiàng)目的控制要求，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，不予采用?！伴_環(huán)伺服系統(tǒng)”能滿足控制的要求，成本低廉。但由于步進(jìn)電機(jī)步距角精度不高，運(yùn)動(dòng)的過程中容易出現(xiàn)失步的問題，高速扭矩小，低速運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)，加速性能差，不能滿足本項(xiàng)目頻繁帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的要求。交流伺服電機(jī)的步距角精度高，在運(yùn)動(dòng)的過程中不容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，高速扭矩大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加速性能好。用單片機(jī)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的開環(huán)控制，控制系統(tǒng)簡單。只要傳動(dòng)鏈的誤差控制得當(dāng)，傳動(dòng)精度能滿足孔深允差控制在±3 mm的要求。

綜上所述，為簡化控制系統(tǒng)，降低成本，保證足夠的行程精度，本項(xiàng)目采用“開環(huán)伺服系統(tǒng)”，選擇交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)上，遵循傳動(dòng)鏈盡量短的原則，避免過大的機(jī)械傳動(dòng)誤差。出現(xiàn)較大的行程誤差時(shí)，可以通過在裝夾工件前“點(diǎn)動(dòng)”伺服電機(jī)的方式或者手動(dòng)調(diào)整進(jìn)給軸的方式來進(jìn)行修正。

3 經(jīng)濟(jì)型專用雙軸深孔鉆床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖3所示。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源來自主軸箱內(nèi)的進(jìn)給電機(jī)。進(jìn)給電機(jī)為0.75 kW的伺服電機(jī)。伺服電機(jī)采用單片機(jī)嵌入式控制器進(jìn)行控制，其操作以及參數(shù)的調(diào)整可以在控制面板上進(jìn)行。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)兩種操作方式。手動(dòng)方式能保證伺服系統(tǒng)出故障時(shí)，能繼續(xù)使用機(jī)床，減少停機(jī)時(shí)間。自動(dòng)方式可以減少工作強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。當(dāng)離合器打到“自動(dòng)”運(yùn)行的檔位時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過鏈傳動(dòng)傳遞到一個(gè)40∶1的渦輪蝸桿減速器上。減速器的輸出運(yùn)動(dòng)通過另一個(gè)鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)傳遞到進(jìn)給軸上，進(jìn)給軸上裝有兩個(gè)外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)兩根主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

3.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。進(jìn)給傳動(dòng)軸中部設(shè)計(jì)有圓周齒式離合器，圓周齒式離合器包括內(nèi)齒半離合器和外齒半離合器。鏈輪通過螺紋連接的方式與內(nèi)齒半離合器作固定連接，鏈輪和內(nèi)齒半離合器空套在進(jìn)給軸上。外齒半離合器通過花鍵跟進(jìn)給軸相連。進(jìn)給軸后端裝有端面齒式離合器（圖中未表示），位于外側(cè)的端面齒式半離合器上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)手柄（圖中未表示），端面齒離合器進(jìn)入嚙合，可以通過手柄帶動(dòng)進(jìn)給軸作手動(dòng)進(jìn)給。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過鏈傳動(dòng)傳遞到一個(gè)40∶1的渦輪蝸桿減速器上，伺服電機(jī)端鏈輪齒數(shù)為14，對(duì)應(yīng)相減速器上鏈輪齒數(shù)為14。減速器的輸出運(yùn)動(dòng)通過另一個(gè)鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)傳遞到進(jìn)給軸上，此鏈輪機(jī)構(gòu)中減速器端鏈輪齒數(shù)為14，對(duì)應(yīng)進(jìn)給軸端鏈輪齒數(shù)為27。因此，可以計(jì)算得到總的傳動(dòng)比i為14∶14×（1∶40）×（14∶27）=7∶540。進(jìn)給軸上裝有兩個(gè)外嚙合齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)主軸1和主軸2的齒筒上的齒條機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)兩根主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，該齒輪齒條機(jī)構(gòu)的模數(shù)m為3 mm，進(jìn)給軸上外嚙合齒輪齒數(shù)Z為12，主軸套筒齒條總行程為280 mm，因此進(jìn)給軸每旋轉(zhuǎn)一周，主軸進(jìn)給量為齒輪分度圓直徑Dh=mz=36 mm，周長L=πmz=113.04 mm。經(jīng)計(jì)算，適當(dāng)?shù)剡x擇伺服電機(jī)的速度，能滿足1小時(shí)12件的產(chǎn)能要求。

4 結(jié)語

與先進(jìn)的深孔加工技術(shù)相比，麻花鉆用于深孔加工，加工條件差，加工精度不高，刀具容易磨損。但在孔深精度要求不高的情況下，配合自動(dòng)控制的手段，可以設(shè)計(jì)出滿足加工要求、成本低廉的專用自動(dòng)機(jī)床。

參考文獻(xiàn)

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