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摘要：本文比較詳細(xì)地介紹了關(guān)于組合機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中主軸箱、PLC電氣控制系統(tǒng)及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)并舉例介紹了部分元件的選擇。
關(guān)鍵詞： PLC控制 主軸箱 液壓傳動(dòng)
組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。組合機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組成自動(dòng)生產(chǎn)線。但傳統(tǒng)的組合機(jī)床采用繼電器一接觸器控制系統(tǒng)接線復(fù)雜，故障率高，調(diào)試和維護(hù)困難。以下就組合機(jī)床各個(gè)部件的設(shè)計(jì)分別介紹。
一、公用主軸箱的設(shè)計(jì)
主軸箱是組合機(jī)床關(guān)鍵的組成部分。它的設(shè)計(jì)也是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵過(guò)程。以下以鉆孔、攻絲公用主軸箱的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。
該主軸箱的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)在于“公用”。要想設(shè)計(jì)鉆孔、攻絲公用的主軸箱，首先必須了解鉆孔、攻絲主軸箱各自的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。只有同時(shí)具備鉆孔、攻絲主軸箱的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)“公用”。
攻絲加工必須要求電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)功能(攻絲時(shí)正轉(zhuǎn)，后退時(shí)反轉(zhuǎn))，而鉆孔加工電動(dòng)機(jī)只需正轉(zhuǎn)而不能反轉(zhuǎn)。為解決此問(wèn)題，我們?cè)谠撝鬏S箱上配備了2個(gè)B5型電動(dòng)機(jī)，分別控制鉆孔、攻絲加工。2個(gè)B5型電動(dòng)機(jī)與主軸箱的聯(lián)結(jié)方法如下：不再使用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力箱和標(biāo)準(zhǔn)主軸箱后蓋，而另配1個(gè)異型主軸箱后蓋，2個(gè)B5型電動(dòng)機(jī)通過(guò)止口定位直接安裝在異型主軸箱后蓋上，通過(guò)齒輪完成動(dòng)力的傳遞。另外，攻絲加工必須有攻絲靠模裝置，因而攻絲主軸箱均有攻絲模板而無(wú)前蓋；而鉆孔主軸箱只需有標(biāo)準(zhǔn)主軸箱前蓋即可。為解決此問(wèn)題，須設(shè)計(jì)一異型攻絲模板，使其兩攻絲主軸的位置為攻絲模板，兩鉆孔主軸的位置為標(biāo)準(zhǔn)主軸箱前蓋結(jié)構(gòu)。這樣就解決了鉆孔、攻絲公用1個(gè)主軸箱的“公用”問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。
本人所選課題只需鉆孔，因而只要一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)即可。
二、鉆孔組合機(jī)床液壓傳動(dòng)
1 液壓系統(tǒng)工況分析和總體方案
該機(jī)床液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)為：工件夾緊一工作臺(tái)快進(jìn)一工進(jìn)一停留一快退一原位停止一工件松開(kāi)。
技術(shù)要求如下：可在20—100 mm／min范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速；夾緊力最小不低于3．3 kN，最大不得超過(guò)6kN；夾緊缸行程40mm，夾緊時(shí)間1 s；運(yùn)動(dòng)部件總重量為18000 kg。液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。
(1)工件夾緊 液壓泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出工件夾緊信號(hào)，電磁閥YV4得電，二位四通閥右位工作，壓力油經(jīng)減壓閥、單向閥6進(jìn)入夾緊缸的大腔，小腔回油至油箱，工件夾緊。當(dāng)夾緊到位后壓力繼電器動(dòng)作，表示工件夾緊。
(2)工作臺(tái)快進(jìn) 壓力繼電器動(dòng)作后，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出快速移動(dòng)信號(hào)，電磁閥YV1得電，三位五通閥左位工作，使液控閥左位工作，接通工作油路，壓力油經(jīng)行程閥進(jìn)入進(jìn)給缸大腔，小腔內(nèi)回油經(jīng)過(guò)單向閥4、行程閥再進(jìn)入進(jìn)給缸大腔，使工作臺(tái)向前快速移動(dòng)。
(3)工作進(jìn)給 工作臺(tái)快速移動(dòng)到接近加工位置時(shí)，臺(tái)上擋鐵壓下行程閥，切斷壓力油通路，壓力油只能通過(guò)調(diào)速閥1進(jìn)入進(jìn)給缸大腔，進(jìn)油量的減少使得工作臺(tái)移動(dòng)速度降低，工作臺(tái)轉(zhuǎn)為工作進(jìn)給。此時(shí)由于負(fù)載增加，工作油路油壓升高，順序閥打開(kāi)，液壓缸小腔回油不再經(jīng)過(guò)單向閥4流人進(jìn)給缸大腔，而是經(jīng)順序閥、溢流閥流回油箱。
(4)快速退回 工作臺(tái)工進(jìn)到終點(diǎn)時(shí)，終點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)被壓下，使電磁閥YV1斷電，而電磁閥YV2得電，三位五通閥右位工作，使液控閥右位工作，接通工作油路，壓力油直接進(jìn)入進(jìn)給缸小腔，使工作臺(tái)快速退回。同時(shí)大腔內(nèi)的回油經(jīng)單向閥1、液控閥流回油箱。當(dāng)工作臺(tái)快速退回原位，原點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)被壓下，電磁閥YV2失電，液控閥回中間位置，切斷工作油路，工作臺(tái)停止于原位。
(5)工件松開(kāi) 當(dāng)工作臺(tái)回原位停止后，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出工件松開(kāi)信號(hào)，使電磁閥YV3得電，二位四通閥左位工作，改變油路的方向，壓力油進(jìn)入夾緊缸小腔，大腔內(nèi)的回油經(jīng)二位四通閥流回油箱，使工件松開(kāi)，同時(shí)壓力繼電器復(fù)位。取下工件，一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。
2 液壓元件及輔助元件的選擇
單出桿活塞缸的兩個(gè)腔有效作用面積不相等，當(dāng)泵供油使活塞內(nèi)縮時(shí)，活塞腔的排油流量比泵的供油流量大得多，通過(guò)閥的最大流量往往是在這種情況下出現(xiàn)。復(fù)合增速缸和其他等效組合方案也有相同情況。選擇流量控制閥時(shí)，其最小穩(wěn)定流量應(yīng)能滿(mǎn)足執(zhí)行元件最低工作速度的要求，即：
≤ A (1)
或：
≤ (2)
式中:
——流量控制閥的最小穩(wěn)定流量，／s
— — 液壓缸最低工作速度，／s
A——液壓缸有效工作面積，
——液壓馬達(dá)最低工作轉(zhuǎn)速，r／s
——液壓馬達(dá)排量，／s
2．1 根據(jù)流量和系統(tǒng)工作壓力選擇液壓泵因篇幅所限，略去液壓執(zhí)行元件載荷力的計(jì)算和液壓缸參數(shù)的確定過(guò)程，其結(jié)果如表1所示。
液壓泵工作壓力為
≥ + (3)
式中：為液壓執(zhí)行元件的最高工作壓力。本系統(tǒng)中最高壓力是進(jìn)給缸快進(jìn)時(shí)的進(jìn)口壓力=3.85 MPa；為系列執(zhí)行元件間總的管路損失。由原理圖可
知，從泵到進(jìn)給缸之間串接有液控閥、行程閥。取 =0.5 MPa，則液壓泵工作壓力=3.85+0.5=4.35 MPa。
液壓泵流量為
≥K(∑) (4)
最大流量發(fā)生在快速夾緊工況，∑ =7.85 x 10／s；泄露系數(shù)K取1.2，則液壓泵總流量=1.2 x7.85 x ／s =9.42 x x 60 x L／min =5.7 L／min.
依據(jù)以上計(jì)算，選用YB—A9B變量葉片泵。
2.2 液壓元件的選擇
以泵的額定壓力4．35 MPa、流量5．7 L／min為基準(zhǔn)，選擇元件如表2。
三、電氣控制回路設(shè)計(jì)
該鉆孔組合機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、工件定位和夾緊裝置均由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，機(jī)床工作臺(tái)用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。Ml為液壓泵電動(dòng)機(jī)，為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供能量源，為保證安全，只有系統(tǒng)正常供油后，其它控制電路才能通電工作。M2為主軸電動(dòng)機(jī)。拖動(dòng)主軸箱的刀具主軸，提供切削主運(yùn)動(dòng)。主軸電動(dòng)機(jī)在工作臺(tái)進(jìn)給循環(huán)開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)，工作臺(tái)退回原位后停機(jī)。M3為冷卻泵電動(dòng)機(jī)，在工件加工的過(guò)程中冷卻泵始終工作。根據(jù)該機(jī)床的特點(diǎn)，選用三菱FX 一24MR可編程控制器實(shí)現(xiàn)順序控制和機(jī)床自動(dòng)加工循環(huán)。該P(yáng)LC有l(wèi)4點(diǎn)數(shù)字量輸入和10點(diǎn)繼電器輸出。系統(tǒng)的I／O分配及外部接線如圖1所示。電氣控制線路有如下特點(diǎn)：
(1)簡(jiǎn)化手動(dòng)操作步驟，按下按鈕SB2即可完成單次循環(huán)；
(2)設(shè)計(jì)了手動(dòng)快退按鈕SB5，解決因特殊原因機(jī)床未停止在原點(diǎn)，循環(huán)無(wú)法再啟動(dòng)的問(wèn)題；
(3)為節(jié)省I／O點(diǎn)數(shù)、簡(jiǎn)化PLC程序，將熱繼電器觸頭FR1和FR2直接串接在接觸器線圈控制線路中，用于液壓泵電動(dòng)機(jī)和主軸電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)；
(4)為防止電氣干擾，液壓系統(tǒng)中的電磁閥均采用24 V直流供電，電動(dòng)機(jī)控制用接觸器線圈均采用220 V交流供電。
(5)液壓泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)設(shè)計(jì)了延時(shí)環(huán)節(jié)，待電動(dòng)機(jī)工作正常后電磁閥才開(kāi)始動(dòng)作；
(6)對(duì)工件的夾緊與松開(kāi)設(shè)計(jì)了延時(shí)保護(hù)，防止對(duì)工件和夾具造成破壞。
圖1.I／O分配及PLC外部接線圖
控制程序基于三菱SWOPC—FXGP／WIN—C軟件，采用梯形圖方式編程，如圖2所示。程序描述如下：按下循環(huán)啟動(dòng)按鈕SB2，對(duì)應(yīng)XO01置1，輸出
YO04置l，液壓泵電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)；時(shí)間繼電器，ID延時(shí)1．8s，待液壓泵電動(dòng)機(jī)工作正常，液壓回路油壓到達(dá)設(shè)計(jì)值后，，ID使Y003置l，工件夾緊電磁閥YV4開(kāi)始工作，工件夾緊；夾緊時(shí)間約1 s，壓力繼電器BP動(dòng)作，其觸頭閉合，X005置l，Y010置1，夾緊指示燈亮；M0置1，使得Y000、Y005、Y006均置l，工作臺(tái)開(kāi)始進(jìn)給，刀具主軸電動(dòng)機(jī)M2啟動(dòng)，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M3啟動(dòng)；進(jìn)給過(guò)程中的快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)由液壓回路實(shí)現(xiàn)，工作臺(tái)工進(jìn)到終點(diǎn)位置時(shí)，終點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)SQ2被壓下，X007置l，Y000置0，Y001置l，進(jìn)給電磁閥YV1失電，快退電磁閥YV2得電，工作臺(tái)后退；后退到原點(diǎn)位置時(shí)，原位行程開(kāi)關(guān)SQ1被壓下，XO06置1，Y007置1，原點(diǎn)指示燈亮；M1置l，使得Y001、Y005、Y006均置0，快退電磁閥失電，主軸電動(dòng)機(jī)M2停止，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M3停止;工件松開(kāi)電磁閥YV3得電，松開(kāi)時(shí)間O．8 s后斷開(kāi)液壓泵電動(dòng)機(jī)M1，整個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。如需立即快退到原位，可按下按鈕SB5使x004置l，此時(shí)Y000、Y005、Y006均置0，進(jìn)給電磁閥失電，主軸電動(dòng)機(jī)停止，冷卻泵電動(dòng)機(jī)停止，Y001置l，工作臺(tái)立即后退到原位。工作過(guò)程中如因特殊原因需緊急停車(chē)，可按下按
鈕SB1使XO00置l，此時(shí)PLC所有輸出點(diǎn)均置0，各電動(dòng)機(jī)和電磁閥均失電，機(jī)床停止工作。重新啟動(dòng)時(shí)先手動(dòng)快退到原位，裝夾工件后按下SB2即可開(kāi)始自動(dòng)循環(huán)。
圖2.PLC梯形圖
四、結(jié)束語(yǔ)
組合機(jī)床一般均為專(zhuān)用機(jī)床，因此在設(shè)計(jì)組合機(jī)床時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體加工對(duì)象的具體工藝要求和本公司的具體實(shí)際情況合理地確定工序集中程度，選擇恰當(dāng)?shù)臋C(jī)床配置型式，合理地選擇組合機(jī)床的通用部件，設(shè)計(jì)高效的夾具、刀具及主軸箱等。采用先進(jìn)的加工工藝，制定最佳的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到“精、快、省”的最終目的。