盧孔寶，陳光明

(1.浙江水利水電學(xué)院，杭州 310018；2.新昌大市聚職業(yè)中學(xué)，浙江 新昌 312500)

1 概述

隨著軸承和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，非標(biāo)軸承的使用場(chǎng)合越來越多，精度要求也越來越高，如非標(biāo)軸承端蓋(圖1)設(shè)置的注油孔，是通過設(shè)置的油孔封蓋進(jìn)行密封，為保證其密封性，其注油孔頂面與油孔封蓋安裝面之間有很高的尺寸精度要求，但該尺寸不易進(jìn)行法測(cè)量尺寸精度，很難保證注油孔頂面與安裝面之間的深度尺寸精度，且檢測(cè)繁瑣、加工效率低，已經(jīng)嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率，因此，在普通臺(tái)鉆KSD-32的基礎(chǔ)上，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電氣控制系統(tǒng)改良，以實(shí)現(xiàn)鉆孔過程及鉆孔深度的自動(dòng)控制，保證尺寸精度、提高生產(chǎn)效率。

圖1 非標(biāo)軸承端蓋結(jié)構(gòu)

2 鉆孔機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的鉆孔機(jī)主要包括機(jī)架、自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、工件夾緊機(jī)構(gòu)、自動(dòng)鉆孔機(jī)構(gòu)、在線尺寸自動(dòng)控制裝置、自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)等。借鑒機(jī)械檢測(cè)設(shè)備中的杠桿原理，通過PLC程序控制所設(shè)置的各種機(jī)械機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件鉆孔加工及孔深的自動(dòng)控制，如圖2所示。

圖2 全自動(dòng)在線檢測(cè)軸承端蓋鉆孔機(jī)工作原理圖

2.1 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)[1]

自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)包括上料箱、輸送機(jī)構(gòu)和推料機(jī)構(gòu)等。由于軸承端蓋注油孔有相對(duì)的位置要求，故工件自上料箱輸出后進(jìn)入輸送機(jī)構(gòu)，由輸送機(jī)構(gòu)中設(shè)置的定位裝置進(jìn)行定位控制，后經(jīng)傳送帶輸送到推料機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口，由進(jìn)料口處設(shè)置的感應(yīng)器觸發(fā)氣缸運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)推桿推動(dòng)工件進(jìn)入工件夾緊機(jī)構(gòu)的定位凹槽內(nèi)，完成工件自動(dòng)上料。

2.2 工件夾緊機(jī)構(gòu)[2]

軸承端蓋的安裝孔內(nèi)表面為圓環(huán)體，且安裝底面的各項(xiàng)精度一致性較好，因此工件夾緊機(jī)構(gòu)以底面為基準(zhǔn)，采用軸承端蓋安裝孔內(nèi)壁接觸定位脹緊。工件夾緊機(jī)構(gòu)包括內(nèi)脹夾頭、夾緊氣缸、連接桿和感應(yīng)器等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—夾緊氣缸；2—連接桿；3—工作臺(tái)；4—工件；5—內(nèi)脹夾頭

工件經(jīng)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)輸送到工件夾緊機(jī)構(gòu)的定位凹槽后，觸發(fā)工件夾緊機(jī)構(gòu)中的感應(yīng)器驅(qū)動(dòng)夾緊氣缸動(dòng)作，氣缸直線驅(qū)動(dòng)連接桿，帶動(dòng)內(nèi)脹夾頭向上運(yùn)動(dòng)，使得內(nèi)脹夾頭前端的圓形凸臺(tái)伸入到軸承端蓋安裝孔內(nèi)壁，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的位置后，內(nèi)脹夾頭脹開夾緊工件。鉆孔完成后，氣缸復(fù)位，帶動(dòng)內(nèi)脹夾頭向下運(yùn)動(dòng)，松開工件。該工件夾緊機(jī)構(gòu)夾緊過程平穩(wěn)、勻速，且采用圓形凸臺(tái)內(nèi)撐于軸承端蓋安裝孔內(nèi)壁，提高了鉆孔過程中的加工精度。

2.3 自動(dòng)鉆孔機(jī)構(gòu)

針對(duì)各類產(chǎn)品的不同切削轉(zhuǎn)速要求，在普通臺(tái)鉆基體上優(yōu)化了包括主軸機(jī)構(gòu)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鉆孔裝置[3]。主軸變速機(jī)構(gòu)由花鍵主軸、變速齒輪套、花鍵傳動(dòng)軸、主軸伺服電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、變頻器等構(gòu)成，主軸伺服電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)花鍵傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，變速齒輪套分別安裝于花鍵主軸和花鍵傳動(dòng)軸上，形成齒輪嚙合傳動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞給花鍵主軸。在變速齒輪套上設(shè)置有高、中、低3個(gè)擋位，可根據(jù)不同的扭力工作需求通過手動(dòng)撥擋進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，如圖4所示。某個(gè)擋位上的轉(zhuǎn)速可通過調(diào)速旋鈕利用PLC控制變頻器達(dá)到主軸轉(zhuǎn)速的可變功能，從而實(shí)現(xiàn)不同扭矩不同轉(zhuǎn)速的實(shí)際需求。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副組成，驅(qū)動(dòng)主軸的上下運(yùn)動(dòng)。

1,3—變速齒輪套；2—花鍵主軸;4—花鍵傳動(dòng)軸；5—聯(lián)軸器；6—主軸伺服電動(dòng)機(jī)

2.4 在線尺寸自動(dòng)控制裝置

在線尺寸自動(dòng)控制裝置如圖5所示，單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x安裝于主軸右側(cè)的機(jī)架滑槽上，通過上端的測(cè)量百分表來精確控制單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x的距離，然后通過連接桿與測(cè)頭相連，使得測(cè)頭位于主軸的下端，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)測(cè)。

其工作原理為：先調(diào)整好單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x移動(dòng)距離與測(cè)頭的相互位置，當(dāng)主軸上的刀具運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的深度后，測(cè)頭被工件表面頂起，測(cè)頭通過連接桿帶動(dòng)單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x動(dòng)作，從而觸發(fā)單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x形成反饋信號(hào)，反饋裝置將反饋信號(hào)傳送到數(shù)字顯示單元，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)電氣控制系統(tǒng)動(dòng)作，停止主軸鉆孔加工并自動(dòng)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品鉆孔深度根據(jù)預(yù)設(shè)深度進(jìn)行自動(dòng)控制。

1—側(cè)頭；2—主軸；3—數(shù)字顯示單元；4—測(cè)量百分表；5—單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x；6—連接桿；7—工件

2.5 自動(dòng)下料裝置

自動(dòng)下料裝置包括頂料氣缸、出料道和推料氣缸[2]。鉆孔完成后，傳感器發(fā)送感應(yīng)信號(hào)反饋到PLC系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)夾緊氣缸動(dòng)作，使工件夾緊機(jī)構(gòu)復(fù)位；內(nèi)脹夾頭松開工件，頂料氣缸動(dòng)作將工件頂出定位凹槽，然后由推料氣缸將工件推移至出料道口，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)下料[4]。

2.6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)和伺服電動(dòng)機(jī)。PLC控制系統(tǒng)通過程序協(xié)調(diào)控制自動(dòng)上下料、裝夾、檢測(cè)、進(jìn)給鉆孔等機(jī)械部件的自動(dòng)運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際需求PLC選用FX2N～32MR系列可編程控制器[5-6]。該P(yáng)LC具有10個(gè)輸入點(diǎn)和7個(gè)輸出點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)、定位控制等功能，PLC控制外部接線如圖6所示。

X0—啟動(dòng)開關(guān)；X1—急停開關(guān)；X2—上料到位信號(hào)；X3—主軸調(diào)速信號(hào)；X4—工件到位信號(hào)；X5—夾具鎖緊信號(hào)； X6—在線檢測(cè)信號(hào)；X7—夾具松開信號(hào)；X10—下料信號(hào)；Y0—主軸正轉(zhuǎn)；Y1—主軸反轉(zhuǎn)；Y2—伺服進(jìn)給正轉(zhuǎn)；Y3—伺服進(jìn)給反轉(zhuǎn)；Y4—上料裝置驅(qū)動(dòng)；Y5—夾具夾緊驅(qū)動(dòng)；Y6—下料裝置驅(qū)動(dòng)；Y7—推料裝置驅(qū)動(dòng)；COM—公共端

3 工作過程

工件經(jīng)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)輸送到工作臺(tái)上，由夾緊氣缸帶動(dòng)內(nèi)脹夾頭夾緊工件，然后移動(dòng)主軸，通過單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x上端的百分表初調(diào)所需的距離，移動(dòng)刀具位置并鎖緊刀具，啟動(dòng)PLC電氣控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)絲杠副轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠副帶動(dòng)主軸箱在導(dǎo)軌副中上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行鉆孔加工。鉆孔加工時(shí)，主軸向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)設(shè)置于主軸箱一側(cè)的測(cè)量裝置向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)毒呦陆档皆O(shè)定深度后，設(shè)置在刀具一側(cè)的測(cè)頭被工件頂起，測(cè)頭頂起連接桿向上運(yùn)動(dòng)，由于連接桿的另一端與單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x測(cè)量擺頭連接，因此當(dāng)連接桿一端向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，連接桿拉動(dòng)單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x測(cè)量擺頭向右擺轉(zhuǎn)，從而觸發(fā)單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x形成感應(yīng)信號(hào)，感應(yīng)信號(hào)經(jīng)反饋裝置將信號(hào)傳送到數(shù)字顯示單元，數(shù)字顯示單元儀表指針動(dòng)作，控制主軸慢速進(jìn)給，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，數(shù)字顯示單元信號(hào)驅(qū)動(dòng)電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆孔裝置停止鉆孔，然后自動(dòng)復(fù)位，完成本次鉆孔加工，夾緊氣缸松開工件，工件在推料氣缸推動(dòng)下移動(dòng)至出料道口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料，完成在線尺寸自動(dòng)控制的鉆孔加工。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

設(shè)備研制成功后進(jìn)行試生產(chǎn)，通過一段時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行后，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表1)表明，該鉆孔機(jī)工作穩(wěn)定、可靠，自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)化加工程度高，產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)鉆孔機(jī)相比得到明顯的提升，并降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 改進(jìn)前、后鉆孔機(jī)生產(chǎn)效果對(duì)比

5 結(jié)束語

改進(jìn)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)在線檢測(cè)軸承端蓋鉆孔機(jī)，可應(yīng)用于各類非標(biāo)軸承端蓋(帶油孔封蓋)的鉆孔加工，加工孔徑范圍4～30 mm，最大鉆深可達(dá)20 mm，并且配置有標(biāo)準(zhǔn)莫氏刀柄，換刀更方便，解決了傳統(tǒng)鉆孔機(jī)加工深度不易檢測(cè)的技術(shù)難題，大幅提高了產(chǎn)品加工精度和生產(chǎn)效率。該鉆孔機(jī)的開發(fā)對(duì)同類產(chǎn)品切削加工自動(dòng)化在線檢測(cè)也具有一定借鑒意義，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。