适用于锥面加工的数控钻床的研制

陈建武

（湄洲湾职业技术学院 ,福建 莆田 351254）

适用于锥面加工的数控钻床的研制

陈建武

（湄洲湾职业技术学院 ,福建 莆田 351254）

该文简述了如何选用数控系统和步进电机，实现了钻床的Z轴的自动进给和工作台的自动分度，从而实现了锥面上的钻孔的自动加工，提高了生产效率。

锥面加工；数控；钻床；研制

1 引言

随着人们生活水平的提高，对生活用品的要求越来越高，不仅体现在质量上，对形状也有很高的要求，于是复杂的形状加工对制造设备的要求也越来越高。如1图所示，以往加工锥形面一般是采用人工划线，然后再在钻床上钻孔，或者设计专用的工作台，通过手工进行分度旋转加工。这两种方法一方面劳动强度大，效率低，每件加工需要几个工时；另一方面加工精度也差，经常出现在锥面上打滑，无法钻进，钻孔定位困难，造成工件报废和返工。因此应用高精度，高自动化的数控机床加工是最好的解决办法。但是专用的大型数控机床或加工中心往往价格动辄要几十万，对于中小企业来说，是一笔沉重的负担。[1]如在工厂现有的普通钻床（如Z4116型）的基础上进行数控化改造，是一条成本低、见效快的方案。

图1 碟形片

2 钻床数控改造的基本方案

传统的钻床加工工艺是：先将工件固定在定制工作台上，然后沿极坐标转动到工件加工方向，再控制钻头到工件位置进行加工，每加工完一个孔需手工旋转工件一次，工人的操作难度较大，劳动强度大。为实现自动定位，使工人从复杂的工作中解脱出来，我们采用数控系统进行控制两台步进电机，一台控制主轴，实现Z轴方向自动进给；另一台控制A轴，通过蜗轮蜗杆驱动工作台，使其绕着A轴旋转。从而实现工件的自动旋转和自动进给，大大地提高了加工效率。

功能框图：

图2 功能框图

2.1 数控系统的选择

数控系统是数控机床的“大脑”，是实现自动化控制的重要组成部分。机床生产厂家和最终用户主要关注的问题是配置什么样的数控系统和通过选择哪些数控功能才能满足机床性能。目前，可供选择的数控系统很多，性能好坏差别很大，直接影响到价格的高低。国外引进的系统主要有日本的FANUC系统、MITSUBISHI系统、德国的SINUMERIK系统、法系统国的NUM系统、意大利的FIDIA系统、西班牙的FAGOR系统、美国的A-B系统等；国产系统主要有广州系统、航天系统、华中系统、辽宁蓝天系统、南京大方系统、北方凯奇系统、清华系统、KND系统等，每家公司都有不同档次系统各种规格的产品。[2]

如何选用数控系统？主要应从以下三个方面考虑：性价比高，使用维修方便，系统的市场寿命长。过分追求水平高、新的系统会造成成本和功能的极大浪费。因此，应该从满足主机性能为主考虑问题，对系统性能和价格等方面做一个综合分析，从而选用性能满足的、性价比最高的数控系统。同时，尽量不选传统的封闭体系结构的数控系统或PC嵌入NC结构的数控系统，因为这类系统的功能扩展、改变和维修都必须借助于系统供应商。尽可能选用NC嵌入PC结构或SOFT结构的开放式数控系统，这类系统的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分采用计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口，那么就可以像计算机上安装各种品牌的声卡、显卡和对应的驱动程序一样，用户可以在WINDOWSNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的功能，构成各种类型的数控系统[2]。数控系统还要考虑工人上手的难易程度。

综上原因，本钻床选用了广州数控的GSK928TD系统，能实现两轴控制，最小指令单位：0.001mm，能实现的插补方式：X、Z二轴直线、园弧插补，功能虽然没有华中数控的多，但是它比较容易上手，而且系统经用户使用，大家一致认为广数的系统比较稳定，而且价格适中。

2.2 传动元件的选择

为了实现Z轴的自动进给和工作台的自动分度，在保证精密的传递运动，兼顾传递动力。因此，我们采用了电机经同步带直接驱动齿轮来传递运动。

2.3 电机及驱动器的选择

随着数字控制的发展，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。

步进电机是开环控制，通过控制脉冲个数来控制角位移量，控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到准确定位和高速的目的。伺服电机自带的编码器能反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度，所以是闭环控制。[3]

步进电机和伺服电机的选择应根据应用情况来确定。一般来说，如果需要较高的生产能力，比如在机器主轴中，则应选择伺服电机。反之，如果性能和速度要求一般，在副轴中（如机器调整和设置）则步进电机是理想的选择，因为它们更易于设计到控制系统中而且操作费用低。在大多数情况下，步进电机由于不需要微调或反馈电路，所以它的结构和功能较简单，故不易发生故障。考虑本钻床的精度要求为0.01mm，精度要求不是很高，不需要成本较高、精度较高的伺服电机，故采用步进电机实现Z轴的自动进给和工作台的自动分度功能。经设计计算（本文略）确定采用国产的110BYG3502混合步进电机驱动，其技术参数如下：所匹配的驱动器型号为MR—J2—350A，额定输出功率为1.5kw，额定输出转矩为12N·m，，最大转速为2500r/min。系统具有自适应控制，使响应性，高稳定性的实现成为可能。

步进电机主要参数：

指标 参数值步距角 0.6°/STEP电压 80-350V电流 3.6A/PHASE相电感 30mH/PHASE额定转距 12N·m

3 结语

通过设计和改造，在普通钻床上加上数控系统和相应的驱动装置组装成数控钻床后，能实现自动化生产、提高产品的生产效率，减轻了工人的劳动强度。每台机床装配自动分度的夹具，实现自动钻孔，工人仅需装夹工件就可以了，可同时操作2—3台同类型机床，生产效率可提高至原来的3—5倍，单件生产人工成本降为原来的30％。而且，普通钻床的数控化改造整体生产成本在15000元以内，一般机械加工厂都可以自己制造或改造，一年内可以收回成本。由于Z轴是同步带传动具有大切削力输出能力，整个机床兼有简单的数控铣床的功能。市场前景较好，便于大规模推广。

[1]杨旭东.经济型数控钻的改进设计[J].韶关学院学报,2013（08）.

[2]罗百辉.数控机床的选型风险控制[Z].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_472201c601000cvh.html,2013.

[3]胡幸鸣.电机及拖动基[M].北京：机械工业出版社：168-179.

项目资助：莆田市科技计划项目（2013G15）