基于UG 软件的筒体自动钻孔工装车的设计

佟恒宾 ， 陈雨涵 ， 王瑞洋 ， 薛 英 ， 李昕硕 ， 朱浩宇 ， 张智栋 ， 穆德敏1,

（1.沈阳工学院辽宁省数控机床信息物理融合与智能制造重点实验室，辽宁 抚顺 113122；2.沈阳工学院机械工程与自动化学院，辽宁 抚顺 113122）

0 引言

在机械加工中，孔加工约占其加工总量的1/5，其中钻孔约占整个孔加工的30 %。本文阐述一种用于筒体加工的钻孔装置，涉及筒体加工技术领域。目前，对筒体打孔加工的方式多为人力手动打孔，容易导致打孔位置不准确，破坏筒体本身结构，增加筒体加工钻孔的成本，并且需要大量人力资源，打孔加工的效率较低。对于这些烦琐性工作进行优化整合，将那些重复的人工工序消除，不仅可以节约人力、物力，还能有效提高机械钻孔的效率，可以更好地体现生产自动化[1-4]。当前，生产自动化技术已经广泛应用到工业、农业、军事以及交通运输等诸多领域，并发挥着重要作用。因此，自动钻孔更是未来机械行业的发展方向。

为了提高钻孔的效率，本文设计了筒体自动钻孔工装车，在人工辅助下，操作工装车实现自动化钻孔，完成加工动作，加工精度可靠，钻孔效率较高。

本文主要从筒体自动钻孔工装车的结构设计、传动过程、动作设计、移动装置及创新点等几个方面展开介绍。

1 筒体自动钻孔工装车的结构设计

由于此作品设计来源于企业，对于筒体自动钻孔工装车的结构选型有极大的帮助，该装置在设计上将工作站占地缩小，并在此基础上增强了机动性，使其适用性更广。其主要设计内容有定位和钻孔。

根据筒体钻孔加工工艺的需要，首先对钻孔工装车进行总体设计，明确各部分的工作原理，整个设备的动力源由气动机构提供。气动装置大部分为直线运动，气动装置结构较为简单、轻便，安装维护也比较简单，作业过程安全且可靠性高。气动机构不污染环境，且成本低。气缸的动作速度快，工作效率高，利用空气的特性（可压缩性），可远距离输送动力，进行装置的集中化供气，可短时间释放能量，从而获取间歇运动中的高速化响应，可实现缓冲，负载过大时有较强的适应能力。

该工装车首先使用UG 三维软件进行模型设计，主要工作原理是采用气缸推动钻头进行钻孔，把其和钻孔模具固定，再通过法兰盘与小箱体相连。为了突破传统钻床移动不便的弊端，将核心工装车安装在带有自动升降台的小车上，在可升降小车上安装带有横向导轨的小箱体，使工装车整体能够灵活移动，更方便对筒体进行准确的定位。其中，控制车体采用摇杆和旋钮装置，标准的摇杆有两个按钮，可沿X、Y 轴方向移动，主要优点是传输速度快，消除了控制不灵敏问题。由于筒体中心与地面间存在夹角，可以通过升降台的液压缸来控制钻孔工装车的角度，从而辅助完成准确定位。

总体设计理念决定整个装置结构设计的合理性，材料成本和内部装置之间的联动协调程度决定了整个装置的技术性能[5-6]。在总体设计中，要提前考虑好组件之间的连接性能，否则很容易导致运行效果差等问题。

2 筒体自动钻孔工装车的传动过程

该工装车采用气动传动方式，气缸作为传动装置。由于气动传动具有安全可靠、简单便宜等优点，并且气动控制元件具有耐腐蚀、耐潮湿、耐震动、抗磁干扰等特点，所以选用气动传动方式实现运动[7-8]。

气动传动共有两部分：

一是对升降台起推动作用的液压缸，采用液压传动可以输出大的推力或大转矩，可实现低速大吨位运动，这是其他传动方式所不能比拟的突出优点。在钻孔过程中液压传动能很方便地实现无级调速，调速范围大，且可在系统运行过程中调速，能更准确地与筒体对接。在相同功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑。液压元件之间可采用管道连接或集成式连接，其布局、安装有很大的灵活性，在本设备中和车体结合可以构成良好的传动装置系统。因此，将核心工装车建立在以液压缸为基础的升降台上。

二是在钻孔部分起到同样作用的气缸，其钻孔运动过程为：钻孔气缸动作进给到一定位置，钻头缓慢进给。当钻头进给到一定位置时（法兰被钻通），气缸以最快速度回程，完成钻孔动作。由于该设备是通过气动系统送钻头的，因此它配备了用于空气源处理的气动三联件，以提高效率。使用气动三联件作为刀库气动系统的辅助装置，这个是大多数气动系统中必不可少的气源装置；它们安装在空气设备附近，是压缩空气质量的最终保证。根据进气方向，三个主要部分的安装顺序是空气过滤器、减压阀和油雾器。

采用气动系统的进给方式，符合结构设计高效率和简便性的特点。在传动装置的作用下，筒体便完成一次钻孔，气缸的缸筒长度由最大工作行程决定，缸筒的长度最好不超过其内径的20 倍。气缸结构如图1 所示。

图1 筒体自动钻孔工装车传动部分示意图

3 筒体自动钻孔工装车的动作设计

该工装车由三部分运动过程构成：车体运动、升降台运动、钻孔运动。为了使其具有良好的操控性，采用耐磨性好、阻值范围宽、可靠性高、体积小的摇杆和旋钮来操控，控制运动的过程在操作台上完成。

工作原理：操作台上有两个控制元件，分别为摇杆和旋钮，其中摇杆控制工装车的车体运动，旋钮控制钻孔运动，操作方法简单，工作人员站在操作台一侧的踏板上进行操控即可。二者不会发生冲突，都有各自独立的路径去控制。具体如图2 所示。

图2 筒体自动钻孔工装车工作流程图

整体操作流程如下：

1）车体启动前检查。查看操作台、车体、钻孔装置是否安装正确，对一些零件加注润滑油，车体运行后还应检查动力元件是否出现其他损坏现象并及时更换密封件。

2）起步运行。起步前工作人员观察四周，确认无影响安全的障碍后平稳缓慢起步。

3）钻孔作业。调节操纵台使钻孔装置与筒体准确紧密连接配合，钻孔过程中工作人员应时刻关注运行情况，不得离开设备。

4）结束拆卸。整体过程不得离开人员视线，保证工装车和筒体的完整性，结束后对车体、钻头等进行定期保养。

4 筒体自动钻孔工装车的移动装置

在智能自动化技术飞速发展的背景下，机械钻孔加工操作方法的简单、准确显得极为重要，不但能有效地节省人力、物力，还能提高生产加工效率，适用于多种工况，大大增加企业的收益。

该设备建立在车体上，因为整体钻孔过程要求精准稳定，那么对升降台的运动稳定性提出了更高的要求，所以设计液压折叠式升降台。从驱动方式上，一般的折叠式升降机构可分为液压式、气压式、电力式三种。本研究主要体现钻孔设备在高度方向上的升降运动。这要求升降机能够承载一定的载重量、车体重量及升降台自重，因此举升高度要达到一定要求，承载能力必须够大。气压式升降机构动作稳定性差、输出力小、排气噪声大，电力式升降机构推力小、成本高，相比于这两种，液压式升降机构输出力和转矩大，调速范围大，相同效率下体积更小、重量更轻，具有结构紧凑、操控简单、安全可靠的优点。因此，结合实际情况，选用安全可靠且经济适用的液压驱动方式。

在升降台上安装可左右移动的滑轨装置，通过车体与升降台的配合来对不同角度的筒体钻孔。钻孔与滑轨之间采用拆卸方便、强度高、密封性能好的法兰盘连接。安装法兰盘时要求保持平行，法兰的密封面不能碰伤，并且要清理干净。此移动装置具有体积小、重量轻、作业连续、运转平稳、操作便捷等优点，使该工装车能更好地精准定位，提高钻孔工装车的工作效率。

5 筒体自动钻孔工装车的创新点

该工装车区别于传统钻床，突破了传统钻床在工况上的局限性，采用电机直接驱动的形式，使得本装置结构简单，性价比高，具有一定的实用性，具备一定的推广价值。得出如下结论和创新点：

1）实现了一种全自动筒体自动钻孔功能，突破了空间局限性，可自由作业，节省了人力。

2）采用一轴多机形式，加工效率更高，钻头采用金刚石钻头，钻头的耐用度更高。

3）进给传动装置采用伺服电机、弹性联轴器等结构，传动效率更高；采用伺服电机驱动，实现无级调速，更有利于实现智能自动化加工。

4）进给装置采用了气动进给方式，符合节能环保、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、结构设计效率高和简便性的特点。

6 模型展示

经过理论计算及校核，通过三维建模UG 软件进行建模，筒体自动钻孔工装车的模型如图3 所示。

图3 筒体自动钻孔工装车模型图

7 总结

高质量、高效率、低成本是机械加工行业追求的目标[9-10]。建模时，在自动钻孔下方加入可以移动的工装车，带动钻孔设备水平方向运动，节约非加工时间，减少空走行程；提高钻孔的位置精度，降低误差；并在操控台一侧安装踏板，实现人性化设计。

机械制造自动化技术经历了漫长的历史发展，获得了社会各界的广泛认可。自动化钻孔技术替代传统人工钻孔已经成为一种趋势。机械自动化钻孔技术成本相对较低，是当前最具发展前景的前沿技术之一，越来越受到机械制造企业的关注。