杜晉軍 侯昱明 周建偉

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013)

1 設(shè)計(jì)原因

TGJ3×6鏜缸機(jī)屬于專用機(jī)床，主要用于汽缸產(chǎn)品龍門檔、瓦口、槽型等加工任務(wù)。由于TGJ3×6鏜缸機(jī)只有軸向進(jìn)給功能，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給，徑向進(jìn)刀依靠操作人員松刀后，用鐵錘敲擊刀桿。徑向進(jìn)給功能的缺失導(dǎo)致TGJ3×6鏜缸機(jī)工作效率低，能耗高，操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工產(chǎn)品類型受限。綜合多方面考慮，為TGJ3×6鏜缸機(jī)增加了自動(dòng)徑向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及徑向刀架。

2 鏜桿及刀架安裝位置設(shè)計(jì)

2.1 鏜桿設(shè)計(jì)

根據(jù)TGJ3×6鏜缸機(jī)加工產(chǎn)品類型和機(jī)床的特點(diǎn)，保證原機(jī)床加工工件長(zhǎng)度6000 mm、加工最小直徑?450 mm的技術(shù)參數(shù)要求，鏜桿設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度應(yīng)為10 800 mm。另外，根據(jù)多年汽缸加工經(jīng)驗(yàn)，鏜桿上設(shè)計(jì)兩個(gè)徑向進(jìn)給刀架安裝位置。

2.2 鏜桿及刀架安裝

鏜桿作為軸向進(jìn)給軸，徑向進(jìn)給刀架必須安裝在鏜桿上，為了實(shí)現(xiàn)刀架徑向自動(dòng)進(jìn)刀功能，徑向刀架進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于鏜桿腹腔中。根據(jù)刀架進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，把外徑為?450 mm鏜桿加工成內(nèi)徑為?330 mm空腔。徑向刀架安裝位置及鏜桿的具體尺寸和要求如圖1所示。

2.3 鏜桿材質(zhì)選擇

為了保證鏜桿的強(qiáng)度，鏜桿材質(zhì)選擇優(yōu)質(zhì)45鍛鋼，調(diào)質(zhì)處理200～240HBW。

圖1 鏜桿設(shè)計(jì)及刀架安裝位置Figure 1 Boring bar design and tool holder mounting position

3 刀架結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 刀架結(jié)構(gòu)

為了拓寬TGJ3×6鏜缸機(jī)產(chǎn)品加工范圍，徑向進(jìn)給刀架設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足各類火電及核電汽缸產(chǎn)品加工尺寸要求，TGJ3×6鏜缸機(jī)設(shè)置了5套刀架：

1#刀臺(tái)加工范圍450 mm～760 mm；

2#刀臺(tái)加工范圍680 mm～1000 mm；

3#刀架加工范圍930 mm～1430 mm；

4#刀架加工范圍1400 mm～2100 mm；

5#刀架加工范圍2000 mm～3300 mm。

3.2 嵌入式刀臺(tái)

1#、2#刀臺(tái)為嵌入式，嵌入式使1#、2#刀臺(tái)直接插入鏜桿裝夾孔1或裝夾孔2內(nèi)，通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)刀臺(tái)進(jìn)給，只能實(shí)現(xiàn)單刀進(jìn)給，刀臺(tái)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

3.3 外置式刀架

3#、4#、5#刀架為外置式，進(jìn)給刀架體安裝在鏜桿上，花鍵軸與裝夾孔1或裝夾孔2處的花鍵嚙合，刀架體通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)滑枕移動(dòng)，使安裝在滑枕上的刀具實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給，3#、4#、5#刀架可實(shí)現(xiàn)雙刀切削，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與1#、2#刀臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相同。刀架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 1#、2#刀臺(tái)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Figure 2 Structure and drive mechanism of 1# and 2# tool table

圖3 3#、4#、5#刀架結(jié)構(gòu)Figure 3 Structures of 3#, 4# and 5# tool holder

3.4 加工范圍

5套刀架使TGJ3×6鏜缸機(jī)對(duì)汽缸龍門檔、瓦口以及槽型的最大加工范圍達(dá)3300 mm，可滿足不同類型汽缸龍門檔、瓦口以及槽型的加工任務(wù)。

3.5 刀架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安全性

為了徑向刀架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安全性，電氣控制方面設(shè)置了徑向進(jìn)給最大行程安全防護(hù)限位。安裝刀架時(shí)避免損傷鏜桿，3#、4#、5#刀架體采用鑄造鋁合金材質(zhì)。

4 徑向走刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

增加自動(dòng)徑向進(jìn)給刀架前，TGJ3×6鏜缸機(jī)只有一個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，依靠鏜桿縱向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，鏜桿旋轉(zhuǎn)獲得切削力，徑向進(jìn)刀功能完全是依賴操作者手動(dòng)操作。

4.1 徑向走刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

安裝在鏜桿腹腔中的徑向刀架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用帶減速器的交流變頻電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。減速機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸使蝸桿、蝸輪驅(qū)動(dòng)刀架滾珠絲杠回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具徑向精確進(jìn)給。傳動(dòng)鏈如圖4所示。

4.2 徑向自動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)

鏜桿作為TGJ3×6鏜缸機(jī)主旋轉(zhuǎn)軸、縱向進(jìn)給軸，又在鏜桿上增加一套徑向自動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，為了避免機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制及控制線路之間相互干涉，在鏜桿端部增加供電滑環(huán)向變頻電機(jī)供電，這樣可杜絕鏜桿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使供電線路伸縮及纏繞帶來(lái)安全隱患。

圖4 傳動(dòng)鏈Figure 4 Drive chain

4.3 徑向進(jìn)給自動(dòng)控制功能及精度

為了實(shí)現(xiàn)TGJ3×6鏜缸機(jī)徑向進(jìn)給自動(dòng)控制功能及進(jìn)給精度，利用CP1H-XA型PLC和一臺(tái)變頻器控制徑向進(jìn)給變頻電機(jī)，其中CP1H-XA型CPU的內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)變頻器裝置模擬給定，電機(jī)轉(zhuǎn)子后端增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器作為速度反饋，滿足徑向進(jìn)給功能控制，確保進(jìn)給速度穩(wěn)定，進(jìn)給精度準(zhǔn)確。

4.4 進(jìn)給速度和進(jìn)給量

為了操作人員安全，隨時(shí)可調(diào)整徑向刀架進(jìn)給速度和進(jìn)給量。在機(jī)床操作站配置MPT002-G4P-V1顯示單元，該顯示單元與PLC通訊選用RS-422A/485選件板(CP1W-CIF11)，通過(guò)RS-232C串口與顯示單元進(jìn)行通訊。MPT002-G4P-V1擁有監(jiān)視、設(shè)定、報(bào)警、控制和安全等功能。MPT002-G4P-V1調(diào)試有專用軟件MPTST，MPTST軟件用來(lái)設(shè)定MPT002-G4P-V1與PLC的通訊配置與地址、功能控制以及監(jiān)控畫面的上傳和下載。

4.5 徑向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及檢測(cè)系統(tǒng)的控制

CP1H-XA型CPU作為該機(jī)床控制PLC的從站，是徑向進(jìn)給刀架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及檢測(cè)系統(tǒng)的控制單元。從站利用了CP1H高速計(jì)數(shù)器的0通道將編碼器的脈沖數(shù)讀入計(jì)數(shù)器低位存儲(chǔ)區(qū)域A270CH中，然后通過(guò)無(wú)線發(fā)送接收裝置實(shí)現(xiàn)了徑向刀架的精確走刀。

(a)控制PLC、主從站、顯示、檢測(cè)單元(b)無(wú)線通訊控制程序圖5 徑向進(jìn)給刀架電氣控制Figure 5 Electrical control of radial feed tool holder

4.5.1 布線

徑向刀架電氣控制部分與電柜之間采用外部布線，會(huì)形成干涉，存在安全隱患。采取無(wú)線通訊的方式實(shí)現(xiàn)徑向刀架進(jìn)給的精確控制，避免了外部布線帶來(lái)的諸多安全隱患?？刂芇LC、主從站、顯示單元、檢測(cè)單元和無(wú)線通訊控制程序，如圖5所示。

4.5.2 無(wú)線通訊控制程序

當(dāng)串口1準(zhǔn)備好標(biāo)志A392.13置位后，從站通過(guò)無(wú)線通訊將存儲(chǔ)在D39～D48的脈沖數(shù)發(fā)送到緩沖存儲(chǔ)器中；當(dāng)主站中的接收結(jié)束標(biāo)志A392.06置位時(shí)，接收指令將緩沖器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在D239～D248的連續(xù)區(qū)域中，通過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算后將徑向走刀的實(shí)際值顯示在MPT002單元上。

4.5.3 刀架的滾珠絲杠的選擇

在刀架設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了在相同給定條件下5個(gè)徑向刀架進(jìn)給顯示一致，5個(gè)刀架的滾珠絲杠選擇相同螺距，避免5個(gè)刀架之間互換而引起徑向刀架進(jìn)給量在顯示單元上不同或不準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

為TGJ3×6鏜缸機(jī)增加徑向自動(dòng)進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及徑向刀架，巧妙利用滑環(huán)向交流調(diào)頻電機(jī)供電，避免了供電線路伸縮及纏繞帶來(lái)的安全隱患；利用PLC控制器無(wú)線通訊技術(shù)，減少了信號(hào)電纜及通訊電纜安裝與集旋轉(zhuǎn)軸、軸向進(jìn)給、徑向進(jìn)給傳動(dòng)于一體的鏜桿之間的相互干涉；使用無(wú)線通訊技術(shù)及變頻電機(jī)模擬給定調(diào)速功能，使操作人員隨時(shí)可控制徑向進(jìn)給速度、進(jìn)給精度；使增加自動(dòng)徑向進(jìn)給的TGJ3×6鏜缸機(jī)高效、安全、低成本地投入生產(chǎn)，并且使該機(jī)床加工能力顯著提升，可產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。